基于化学指纹图谱评价多点加工卷烟产品质量稳定性

王小龙，张承明，李干鹏，张 涛，王 晋*

(1.云南中烟工业有限责任公司 技术中心，云南 昆明 650231；2.云南民族大学 民族医药学院 民族药资源化学国家民委-教育部重点实验室，云南 昆明 650031)

卷烟质量的优劣直接影响到卷烟企业的经济效益，而影响卷烟质量的因素诸如物理、化学、外观、烟气和感官等指标。比如石凤学[1,2]等以主流烟气化学指标为表征向量，采用相似度分析进行多点生产卷烟均质化评价；谢长芹[3]采用产品外观和感官质量等指标利用方差分析评价不同生产厂家的同一品牌卷烟质量稳定性。赖燕华[4]等基于主流烟气化学指标、物理指标和烟丝常规化学指标，采用相似度分析评价卷烟产品质量稳定性。对于广大消费者来说，抽吸是最直接的方式来满足生理感官，而卷烟的香味成分是满足生理感官的主要因素，因此香味物质是评价卷烟品质和风格特征的重要指标[5]。因此，卷烟生产中的质量波动必然影响到卷烟烟丝的香味物质的变化，从而影响卷烟质量稳定性。目前，主要依托感官评吸[6]和一些常规指标来评价卷烟产品质量稳定性，评吸结果受评吸人员的主观因素影响，缺乏客观定量的评价方法。而化学指纹图谱具有指纹特征提取、宏观推断分析等特点[7-9]。近年来，指纹图谱在烟草领域的应用研究取得突飞猛进的进展，这方面的报道也越来越多了，目前在烟草的质量监控[10-12]、质量评价[13,14]、质量一致性[15]等方面有很多的应用。借鉴中药色谱指纹图谱的研究方法[16-20]，本文采用顶空-气相色谱/质谱联用仪(HS-GC/MS)全扫描模式检测卷烟烟丝中挥发及半挥发性成分，建立化学指纹图谱，基于主成分分析(PCA)的投影判别法考察不同生产点卷烟样品与对照之间的整体差异程度；计算欧式距离的相似系数对多点加工卷烟产品进行质量稳定性评价；基于卷烟烟丝挥发性及半挥发性化学指标的多元统计分析方法，建立了多点加工卷烟产品的质量稳定性定量评价方法，并分析了质量波动来源。以期为多点加工卷烟产品质量稳定性提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1 卷烟样品 红塔山(硬经典100)品牌楚雄、玉溪、大理和海南共4个生产点卷烟。

1.1.2 仪器与试剂 Perkin Elmer CLARUS 600 GC-MS 气相色谱质谱联用仪(美国 Perkin Elmer 公司)，Perkin Elmer TurboMatrix 40 Trap 顶空进样器(美国 Perkin Elmer 公司)，多功能粉碎机(浙江高鑫工贸有限公司)，BSA22 4S-CW 电子天平(德国赛多利斯)，Chemmind Chempattern 2017专业版软件(北京科迈恩科技有限公司)。乙酸苯乙酯(内标，色谱纯，北京百灵维科技有限公司)。

1.2 方法

1.2.1 样品前处理 采用旋风磨将成品卷烟中烟丝粉碎至40～60目，准确称取0.7 g样品(约1支常规规格卷烟烟丝质量)放置于20 mL棕色顶空瓶中，加入0.1 μL乙酸苯乙酯内标，随即旋紧瓶盖密封待测。

1.2.2 仪器测试条件 静态顶空条件：炉温：110 ℃，取样针温度：140 ℃，传输线温度：190 ℃，载气：氦气(99.99%)，20 Psi，保温时间：40 min，进样时间：0.2 min，拔针时间：0.5 min，加压时间：2 min，GC分析循环时间：50 min。进样模式：时间，操作模式：恒定。

气相色谱/质谱条件：进样口温度：250 ℃，分流进样，载气：氦气(99.99%)，恒流流速1.0 mL/min，色谱柱：DB-WAX(30 m×0.25 mm id×0.25 μm df，Agilent公司，美国)，不分流进样，升温程序：初始温度40 ℃保持1 min，升温速率5 ℃/min至220 ℃，保持3 min。电离方式：EI+，离子源温度：230 ℃，传输线温度：240 ℃，扫描范围：33～400 amu，溶剂延迟：3.5 min。

1.2.3 数据统计分析 采用 Chempattern 软件(科迈恩科技有限公司)对红塔山(硬经典100)不同生产点卷烟样品进行主成分分析和欧式距离相似系数分析。采用SIMCA-P 11.5软件分析化学含量分布情况。

2 结果与讨论

2.1 卷烟烟丝样品中挥发性特征组分的定性定量结果

对检测方法中使用的内标物及其体积进行了优化，得到的检测方法条件如 1.2.1节所述，在优化条件下对样品进行了HS-GC/MS 分析。红塔山(硬经典100)卷烟烟丝样品检测的总离子流图(TIC)如图1所示。可以看出，卷烟烟丝样品中化学成分的分离效果较好。对4个生产点的样品进行了 HS-GC/MS分析，特征组分的定量数据如表1所示。

2.2 卷烟产品挥发性特征组分的质量稳定性分析

2.2.1 主成分分析结果 以红塔山(经典100)卷烟楚雄生产点作为对照，对比玉溪、大理和海南3个生产点红塔山(经典100)卷烟烟丝整体差异性，将数据导入到Chemmind Chempattern 2017专业版软件中，采用主成分分析方法对检测数据进行降维处理，从相关阵出发，将数据投影在二维平面或三维空间内，根据分类情况来判别两者差异。可绘制出PCA得分图(图2～图4)，由图可知，3个生产点卷烟样品与对照生产点进行聚集，发现两两均可分类，说明3个生产点与对照之间在烟丝挥发及半挥发性成分方面存在明显差异。这3组数据的两个主成分累计方差解释率均保持在90%以上(结果见表2)，说明两个PCA得分分析的解释能力较高，符合指纹图谱的表征要求。

图1 红塔山(硬经典100)卷烟样品的TIC图

表1 红塔山(硬经典100)卷烟样品特征组分含量的顶空-气质检测结果

续表1：

序号保留时间/min化合物名称检测平均值/(mg/kg)楚雄玉溪大理海南3118.5711,2-丙二醇-2-乙酸酯3.372.273.503.023218.662γ-丁内酯1.061.191.411.233318.979苯乙醛2.162.162.322.233419.542糠醇8.759.129.527.843520.143氧化异佛尔酮0.370.300.330.273620.921苯酚1.391.461.561.263721.006茄酮3.823.823.833.403821.4692-甲基-4,5-二氢-1H-咪唑0.730.770.910.914022.973β-大马酮0.540.470.510.484123.0953-甲基-1,2-环戊二酮0.090.080.100.084223.16草蒿脑0.220.210.220.164323.673香叶基丙酮0.560.590.770.514423.948烟碱29.0541.0851.0630.624524.164苯甲醇1.882.082.241.794624.869苯乙醇1.140.921.381.084725.082新植二烯61.6569.7871.4462.994826.0432-乙酰基吡咯2.783.123.212.744927.171泛解酸内酯0.310.380.440.335028.074三乙酸甘油酯9.9617.858.8715.055130.326巨豆三烯酮A0.370.390.380.395230.636棕榈酸甲酯0.230.290.210.195331.575水合麦芽酚4.606.486.893.945432.075巨豆三烯酮B0.190.210.230.21

表2 不同品牌不同生产点与对照比较的主成分累积方差解释率

图2 玉溪生产点主成分(PCA)分析

图3 大理生产点主成分(PCA)分析

2.2.2 相似系数分析结果 评定个体间差异大小的方法有多种，包括欧氏距离、夹角余弦、马氏距离等，其中欧式距离能够有效区分不同生产点的卷烟样品。

以楚雄生产点5次检测数据点作为参考标准，采用欧式距离方法对检测数据进行相似度计算，再将其归一化，最后转化为相似系数[18,19]。其换算方法如下：Cij=1/(1+dij)。

上式中第i个样本与第j个样本间归一化后的欧式距离记为dij，第i个样本与第j个样本间的欧式相似系数记为Cij。

由表3可知，相似系数算术平均值都大于0.80，说明4个生产点的红塔山(硬经典100)卷烟的质量稳定性在同一水平。

2.2.3 化学成分差异情况分析 针对烟丝中挥发及半挥发性成分检测结果，把各样品定量数据进行整理，剔除所有样品中未检出的指标数，将剩余的指标代入分析，导入到SIMCA-P 11.5软件中，采用PCA分析方法对具有差异的化学成分进行分析，根据不同成分的含量差异分布图得到分析结果见表4。

由表4可知，楚雄(对照)与玉溪生产点之间存在显著的差异表现的化学成分有24个，与大理生产点之间有23个，而与海南生产点之间有6个。这与欧式距离的相似系数值结果一致。

表3 红塔山(硬经典100)卷烟多点生产均质化评价相似系数评价结果

表4 红塔山(硬经典100)卷烟化学成分差异情况汇总

注：偏高相对于对照样化学成分含量为高，偏低是相对于对照样化学成分含量为低。

3 结论

本试验得到了红塔山(硬经典100)卷烟烟丝中挥发及半挥发性成分的HS-GC/MS化学指纹图谱，通过卷烟烟丝的挥发及半挥发性成分的主成分分析，可较好地对不同生产点的红塔山(硬经典100)卷烟产品进行聚类区分、化学模式的识别，表明不同生产点的卷烟样品具有不同的数据特征；通过欧式距离的相似系数的计算，可获得4个生产点的差异均较小，产品质量比较稳定；根据不同成分的含量差异分布图，可直观地反映出卷烟产品叶组配方调整或香精香料添加的质量波动情况。上述方法可对不同生产点的卷烟快速、简洁地鉴别，为多点生产卷烟产品质量稳定性提供全面、有效的评价方法。