四川主产烟区烤烟主流烟气特征成分分析

曾淑华，任 亚，刘少军，郭仕平，刘 雷，信俊峰，刘雅洁*

1. 四川农业大学农学院，成都市温江区惠民路211 号 611130

2. 四川省烟草专卖局，成都市高新区世纪城路936 号 610041

烟叶的香气品质是决定烟叶可用性以及烟叶产区发展的基础，相关研究备受重视。各种植区域的生态环境、烟叶感官质量、化学成分及代谢物均存在差异，研究表明生态因素对烤烟品质和风格特色起决定性作用[1-5]。不同生态条件下烤烟主要化学成分和致香物质质量分数差异明显[6-8]。烟叶内在化学成分是烟叶品质和风格特征的物质基础，烟叶的香型分布有明显的地域性特点[9]。四川省是我国烤烟主产区之一，省内烟区间生态条件差异明显，烟叶香型风格也有不同。

烟气是烟叶燃烧并发生复杂热化学反应后的产物，而主流烟气是直接进入卷烟消费者口腔的物质，烟气化学成分组成及其释放量对卷烟感官质量及香型风格有直接影响。因此，分析主流烟气成分对于认识烟叶香型特点具有重要意义。已有较多的研究者从烟叶化学成分方面分析四川烤烟的特色[10-11]，而与特色相关的烤烟烟气成分的分析工作尚显不足。因此，本研究中对四川省不同烟区单料烤烟的主流烟气成分进行GC/MS、PCA 和OPLS-DA 分析，旨在明确各种植区烟叶产品的烟气特征，为四川省烟叶特色彰显与分类提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 材料、试剂和仪器

35 个烤烟样品取自四川省凉山州、攀枝花市、泸州市、宜宾市、广元市，等级为C3F，每个样品5 kg。烟叶的详细信息见表1。

二氯甲烷、无水硫酸钠（AR，成都市科隆化学品公司）；乙酸苯乙酯（内标，AR，上海甄准生物科技有限公司）。

表1 烟叶取样信息Tab.1 Information on tobacco leaf samples

GC-MS2010 气质联用仪（日本Simadzu 公司）；JJ124BC 电子天平（感量0.000 1 g，常熟双杰测试仪器厂）；Milli-Q 超纯水仪（美国Millipore 公司）；进样瓶（海门市敏磊玻璃仪器厂）；0.45 μm有机相滤膜（江苏绿盟科学仪器有限公司）；移液枪（德国Eppendorf公司）；SB25-12DTDN 超声波清洗仪（宁波新芝生物科技股份有限公司）。

1.2 方法

1.2.1 烟支样品卷制

将表1中烤烟样品分别切丝、卷制成直径为8 mm、长度为（60+24）mm、质量为0.9 g 左右的烟支，每个样品卷制50 支卷烟。

1.2.2 烟支样品燃吸将烟支置于温度（22±1）℃，相对湿度（60±2）%环境条件下平衡48 h。挑选5 支质量范围为平均值±0.15 g 的烟支进行燃吸。利用卷烟主流烟气捕集装置进行烟支抽吸和烟气捕集：每次抽吸持续时间3 s，每次抽吸烟气量为35 mL，频率为1 次/60 s[12]。

1.2.3 烟气捕集与GC/MS 定性和定量分析

利用盛装CH2Cl2的溶剂捕集器进行烟气捕集并萃取。加入内标乙酸苯乙酯，即为GC/MS 分析样品液。GC/MS 条件：

色谱柱：DB-5MS（30 m×0.25 mm i.d.×0.25 μm d.f.）毛细管柱；进样口温度：250 ℃；载气：He，1 mL/min；进样量：3 μL，不分流；升温程序：50 ℃（2 min）150 ℃（2 min）240 ℃（5 min）；接口温度：250 ℃；电离方式：EI；离子源温度：200 ℃；电离能量：70 eV；扫描范围：30～400 amu。

烟气成分总离子流图（TIC）采用岛津GC/MS 工作站GC/MS Postrun Analysis 软件进行数据分析。检索NIST05/NIST05s 谱库进行定性，选择匹配度≥79%的成分，采用峰面积归一化相对定量法进行定量。

1.2.4 数据分析

采用Excel 进行数据整理，采用SIMCA 13.0 进行数据主成分分析（PCA）及正交偏最小二乘判别分析（OPLS-DA），分析前对原始数据进行Log 转换和UV缩放；采用SPSS 19.0 软件进行方差分析。

2 结果与分析

2.1 主流烟气化学成分分析

35 个烤烟样品单料烟支的主流烟气经GC/MS 分析后，共鉴定出68 种释放量较大的化学成分，其累计峰面积约占总TIC 图峰面积的65%～85%，包括酮类9 种、醇类6 种、醛类3 种、酯类8 种、酚类8 种、烷烃类19 种、含氧杂环化合物6 种、含氮杂环化合物6种、有机酸3 种，详见表2。

表2 主流烟气化学成分定性检测结果Tab.2 Qualitative results of chemical components in mainstream cigarette smoke

表2（续）

对不同种植区烤烟主流烟气化学成分的归类分析结果见表3。川西南种植区的醇类和含氮化合物显著高于其他2 个种植区，川北种植区烤烟主流烟气中酮类化合物的释放量最高，3 个种植区的含氧化合物无明显差异。

2.2 烟气成分PCA 分析

对35 个烟叶样品主流烟气成分进行PCA 分析，结果见图1。可知，川西南的凉山州和攀枝花市的烟叶样品主要聚集在第1、第4 象限；而川南的泸州市、宜宾市和川北广元市的样品，主要分布在第2、第3象限。说明不同产地烟叶主流烟气成分存在明显的差异。云烟87 和红花大金元无分离趋势，说明产地对烤烟烟气成分的影响大于品种。

2.3 烤烟烟气成分OPLS-DA 分析

2.3.1 不同产地烤烟烟气成分的OPLS-DA 分析为了进一步认识不同种植区烟叶的烟气成分差异，采用有监督模式的OPLS-DA 进行分析，得分图见图2，统计结果见表4～表6。由图2 可知，凉山州和攀枝花市（川西南，SW）的样品彼此聚拢，泸州市和宜宾市（川南，SS）的样品聚集在一起，而广元市（川北，SN）的样品聚集在一起。不同种植区的烟样明显分离，第一主成分将川北同川西南和川南样品分开，第二主成分将川南和川西南样品分开。样品的识别正确率为100%（表5），采用交叉验证方差分析（Cross-validated variance analysis, CV-ANOVA）检验了分析的可靠性，F=12.08，P值远小于0.05（表6），表明OPLS-DA 分析统计上显著有效。

表3 不同种植区烤烟主流烟气化学成分比较分析①Tab.3 Chemical components in mainstream smoke of tobacco from different planting areas (%)

图1 PCA 第1、2 主成分得分图Fig.1 Score plot of 1st versus 2nd components in PCA

图2 不同种植区烤烟OPLS-DA 第1、第2 主成分得分图Fig.2 Score plot of 1st versus 2nd components in OPLS-DA of flue-cured tobacco from different planting areas

表4 不同种植区烤烟OPLS-DA 统计结果Tab.4 OPLS-DA statistics results of flue-cured tobacco from different planting areas

表5 不同种植区烤烟OPLS-DA 数据识别率Tab.5 Identification rate of OPLS-DA data of flue-cured tobacco from different planting areas

表6 不同产地烤烟OPLS-DA 交叉验证方差分析结果Tab.6 Results of OPLS-DA cross-validated variance analysis of flue-cured tobacco from different planting areas

2.3.2 不同品种烤烟烟气成分的OPLS-DA 分析

对品种间烟气成分开展了OPLS-DA 分析，结果表明云烟87和红花大金元彼此分离（图3），统计结果中Q2仅为0.229（表7），小于0.5，说明其对变量的预测度太低。采用CV-ANOVA 检验了分析的可靠性，P 值为0.25（表8），大于0.05，表明OPLS-DA 分析统计上无效。分析结果表明品种间的差异较小。

图3 不同品种烤烟OPLS-DA 第1、第2 主成分得分图Fig.3 Score plot of 1st versus 2nd components in OPLS-DA of flue-cured tobacco of different varieties

2.3.3 不同种植区烤烟特征烟气成分筛选

OPLS-DA的载荷图和VIP（Variable importance for the projection）值见图4 和图5。由图5 可筛选出VIP值大于1.35 的9 种烟气成分；结合图4 和5 可知，3 号（2-戊酮）、12 号（1-氯代十一烷）、20 号（2-乙酰基呋喃）、32号（2-甲基-1-苯基丙烯）、28号（5-甲基-3-己烯-2-酮）和15 号（苯乙烯）烟气成分同川南种植区相关性高，47 号（乙酸松油酯）烟气成分同川西南种植区相关性高，35 号（1-甲基环辛烯）和11 号（糠醛）烟气成分同川北种植区相关性高。烟气成分的方差分析（表9）结果表明，川南烤烟烟气中3 号、12号、20 号、28 号和32 号烟气成分的释放量显著高于川西南和川北，可作为川南种植区烤烟的特征烟气成分；川西南烤烟烟气中47 号烟气成分的释放量显著高于川南和川北，可作为川西南种植区烤烟的特征烟气成分；川北烤烟烟气中35 号烟气成分的释放量显著高于川西南和川南，可作为川北种植区烤烟的特征烟气成分。

表7 不同品种烤烟OPLS-DA 统计结果Tab.7 OPLS-DA statistic results of flue-cured tobacco of different varieties

表8 不同品种烤烟OPLS-DA 交叉验证方差分析结果Tab.8 Results of OPLS-DA cross-validated variance analysis of flue-cured tobacco of different varieties

图4 OPLS-DA 第1、第2 主成分载荷图Fig.4 Lording scatter plot of 1st versus 2nd components in OPLS-DA

图5 OPLS-DA 的VIP 值Fig.5 VIP values of OPLS-DA

表9 VIP 值大于1.35 的烟气成分比较分析①Tab.9 Variance analysis of mainstream smoke components with VIP values over 1.35

3 讨论

四川省单料烤烟主流烟气经GC/MS 法共检测出68 种主要化学成分，包括酮类、醇类、醛类、酯类、酚类、烷烃类、含氧化合物、含氮化合物和有机酸共9类，与孙玉利等[13]鉴定出134 种、蔡君兰等[14]鉴定出87种、韩冰等[15]鉴定出93种化合物有一定差异，可能与提取方法和GC/MS条件不同有关。在相同条件下，烤烟燃烧产生的烟气成分主要是由遗传因素、生态环境和栽培技术共同作用而决定的[16]。LIU Lei等[10]和王俊等[11]曾基于烟叶化学成分的差异研究了产地与烟叶特征的关系，并依此将四川省烟叶产区类型进行了划分。本研究中基于对烤烟主流烟气化学成分的PCA 和OPLS-DA 分析，发现川西南（凉山州和攀枝花市）、川南（泸州市和宜宾市）和川北（广元市）种植区烤烟主流烟气成分存在明显差异，说明不同烟区的生态条件会影响烤烟烟气成分的构成，从而影响烟叶的品质和风格特征；而对品种间进行OPLS-DA分析发现，云烟87和红花大金元间主流烟气成分的差异较小，与生态决定特色[17]的研究结果一致。

研究还发现不同生态区域的特征烟气成分差异明显，川西南种植区烤烟的特征烟气成分为乙酸松油酯，是香柠檬油的主要成分之一，具有愉快、凉爽和芳香的香气[18]；川南种植区烤烟的特征烟气成分为2-戊酮、1-氯代十一烷、2-乙酰基呋喃、2-甲基-1-苯基丙烯、5-甲基-3-己烯-2-酮和苯乙烯，2-戊酮带有甜、果香，2-乙酰基呋喃为呋喃类香料，香势强，特征性明显，具有咖啡香、水果香和谷物香[17]；川北种植区烤烟的特征烟气成分为1-甲基环辛烯。本研究中仅分析了各种植区的特征烟气成分，而这些特征烟气成分对烤烟香型的影响和作用还有待进一步研究。

4 结论

①利用自制烟气捕集装置与GC/MS 技术结合，在匹配度≥79%时，检测出四川省烤烟单料烟支主流烟气68 种主要化学成分；②经主成分（PCA）和正交偏最小二乘判别分析（OPLS-DA），表明不同种植区烤烟主流烟气成分存在明显差异，而品种间主流烟气成分的差异较小；③不同种植区烤烟的特征烟气成分差异明显。