基于顶空气相色谱—离子迁移谱的不同品牌卷烟挥发性有机物指纹图谱研究*

田 楠，张春涛，吴若昕，邢立霞，马立超，田志章，李登科

(上海烟草集团有限责任公司 技术中心 天津工作站，天津 300163)

卷烟风格特征是评价烟草制品的重要指标，是人的生理感官对烟草香气和吃味的综合感受，是卷烟品牌特有的风格[1-3]。消费者感知的烟气浓度、生理强度和味道与烟丝中的挥发性有机物密切相关，这些挥发性有机物主要来源于烟草成分、外加香料及加工过程中的反应产物[4-7]。因此，建立一种准确、简便、经济和高效的卷烟挥发性有机物的分析方法，对于保持卷烟风格稳定和品质提升具有重要意义。

气相色谱—离子迁移谱(GC-IMS) 技术是基于气相色谱中不同的离子在电场中的迁移速率的差异对离子进行标识的一项分析技术。该技术克服离子迁移谱技术分离度差的局限性，充分发挥气相色谱的高分离能力，使得离子迁移谱的响应信号经气相色谱预分离后在质量上得到显著改善，离子迁移谱通过漂移时间等信息实现对物质的精准定性。结合自动顶空进样器无须样品前处理等优点，顶空气相色谱—离子迁移谱(HS-GCIMS)具有高分辨率、高灵敏度、分析高效、操作简便和可视化程度高等诸多优势[8-13]，适用于挥发性及半挥发性物质的痕量分析检测。目前该方法主要集中应用于医疗药品检测、食品风味分析及香水研发等领域[14-17]。而在卷烟风格分析、品质检测方面，特别是指纹图谱分析方面鲜有报道。

本研究以5 款市售卷烟为研究对象，采用HS-GC-IMS 技术对不同品牌卷烟中挥发性有机物成分进行指纹图谱研究，使用主成分分析及相似度评价分析不同品牌卷烟之间的挥发性有机物含量差异，为卷烟产品鉴别及风格特征评价提供技术支持。

1 材料与方法

1.1 材料与设备

材料：5 款市售卷烟产品。

设备：FlavourSpec®顶空气相色谱—离子迁移谱[配有CTC 自动顶空进样器、Laboratory Analytical Viewer (LAV)分析软件及GC×IMS Library Search Software 定性软件，德国G.A.S 公司]。

1.2 样品前处理

分别取出5 款市售卷烟产品烟丝，冷冻研磨成固体粉末并过40 目筛，样品依次编号1～5，常温密闭保存，待后续分析。各取0.5 g 烟末样品置于20 mL 顶空进样瓶中，待上机检测。每个样品同时做3 次平行试验。

1.3 仪器分析条件

HS-GC 条件：装有样品的顶空瓶于90 ℃孵化20 min，经顶空进样100 μL 用气相离子迁移谱仪FlavourSpec®进行分析，载气N2(纯度≥99.999%)，进样口温度85 ℃，色谱柱，FS-SE-54-CB-115 m ID：0.53 mm，固液膜厚度：1.0 μm；载气流量：0～2 min，2 mL/min；2～10 min，10 mL/min；10～20 min，100 mL/min；20～35 min，150 mL/min；IMS：漂移管长度：98 mm；管内线性电压：500 V/cm；漂移管温度：45 ℃；漂移气：N2(纯度≥99.999%)；漂移气流速：150 mL/min；放射源：氚源；离子化模式：正离子模式。

1.4 数据处理

采用Laboratory Analytical Viewer (LAV)分析软件查看离子迁移谱图；应用NIST 数据库和IMS 数据库对物质进行定性分析；采用Gallery Plot 插件得出样品指纹图谱并分析不同样品间的挥发性有机物差异；采用Dynamic PCA 插件进行主成分分析。

2 结果与分析

2.1 不同品牌卷烟样品挥发性有机物成分对比

GC-IMS 分析仪产生的数据为三维数据，对应X、Y、Z 轴的坐标分别为飘移时间、保留时间和离子强度，如图1 所示：横坐标1.0 处竖线为反应离子峰(RIP 峰)，RIP 峰两侧的每1 个点代表1 种挥发性有机物。对各样品三维谱图进行降维处理，得到二维谱图(俯视图)，如图2 所示：左上用图例颜色代表离子强度，由蓝至红表示离子强度逐渐增强。结果表明：卷烟样品中挥发性有机物成分在2 000 s 完成GC 分离，在16 ms 内完成IMS 的分离。大部分化合物能够在前900 s 内出峰并有较好分离度。5 个品牌卷烟检测到的挥发性有机物种类大致相同，但各物质在含量上有所区别。

图1 样品1 的GC-IMS 三维谱图Fig.1 GC-IMS topographic three-dimensional plot of sample 1

图2 5 个样品的气相离子迁移谱图(俯视图)Fig.2 GC-IMS topographic plots of 5 samples (top viewport)

以样品1 谱图作为参比，对其他样品进行谱图扣减，得到结果如图3 所示。由图3 可见：5 个卷烟样品中不同挥发性物质含量存在一定差异。样品2 中有多种化合物含量高于样品1，同时在漂移时间1.3 ms 处化合物含量明显低于样品1；样品3 中化合物种类和含量与样品1 整体相当；样品4 与样品5 中化合物种类及含量较为相近，但在漂移时间为1.0～1.5 ms 之间，样品4 中部分物质含量明显低于样品5。

图3 以样品1 为参比的气相离子迁移谱图(差异图)Fig.3 GC-IMS topographic plots referenced by sample 1 (difference image)

2.2 5 个品牌卷烟样品中的挥发性有机物的定性分析

根据挥发性有机物的气相色谱保留时间和离子迁移时间对不同品牌卷烟样品挥发性有机物进行定性分析。经统计，5 个品牌卷烟样品共计检测出114 种化学成分，通过内置的NIST 气相保留指数数据库与G.A.S 的IMS 迁移时间数据库进行二维定性，最终对其中44 种挥发性有机物予以定性，如表1 所示。这44 种物质主要是酯类、醛类、醇类和酮类等化合物，它们对卷烟风格特征的形成具有重要贡献。

第四，在成效机制方面，现期成效与预期成效同等重要。因此，必须加强企业、学校与科研机构的合作，真正让产学研协同育人产生合力，让企业、学校与科研机构均能从产学研协同机制中获益。

对上述44 种化合物在5 个卷烟样品的含量分布进行分类汇总，结果如图4 所示。结果表明：酯类、醛类和酮类在5 个卷烟样品中含量均较高，是卷烟中主要的挥发性物质。其中，酯类物质中，以γ-丁内酯和肉桂酸甲酯为代表物质；醛类物质中，丁醛、糠醛和丙烯醛含量较高；酮类物质中，6-甲基-5-庚烷-2-酮和丙酮含量最为突出；醇类物质在5 个卷烟样品中占比相对较小。除上述四大类化合物外，还检测到少量的酸类、烷烃类、吡嗪类及噻吩类化合物。

2.3 不同卷烟样品的指纹图谱分析

基于Gallery Plot 插件对5 个卷烟样品中的所有挥发性有机物进行指纹图谱分析，结果如图5所示。由图5 可见：5 款卷烟样品中糠酸甲酯、3-甲基乙酸丁酯、2-甲基丁醛、2-丙酮、苯乙醛、戊醛和3-甲基丁醛等物质含量较高，属于卷烟中常见的挥发性有机物，见图5 中框 ①；样品2 的挥发性有机物种类最为丰富，特征化合物含量较为突出，明显区别于其他几款卷烟产品；样品2、4 中，E-3-己烯-1-醇、2-己醇、β-大马士革酮、2-糠醛、苯甲醛、蛋氨酸、乙酸乙酯、己酸乙酯和乙酸丁酯等挥发性物质含量高于其他样品，见图5 中框 ②。同时，样品2 中，丙烯醛、3-羟基-2-丁酮、乙酸甲酯和丁醛等挥发性物质含量稍高，见图5 中框 ③。样品4、5 中2,5-二甲基吡嗪、2-庚醇、乙酸丙酯和芳樟醇等化合物含量高于其他样品，见图5 中框 ④。样品1、3 的化合物含量最少，风格特征也有别于其他卷烟产品。

2.4 不同卷烟样品主成分分析

通过FlavourSpec®食品风味分析仪内置的PCA 分类模型，将选取的特征区域的峰高作为表征变量，组成矩阵并进行主成分分析，选取2 个主成分进行可视化分析，结果如图6 所示。PC-1的方差贡献率为46%，PC-2 的方差贡献率为22%，2 个主成分的累积贡献率可达68%，表明PCA变换后的数据可以表征原有数据的大部分信息。不同品牌的5 个卷烟样品中的特征变量经过PCA处理后，每种卷烟样品均基本呈现聚集现象，各类卷烟样品在图中具有较好的区域归属，相互之间无重叠现象，表明不同品牌的卷烟样品之间得到很好的区分，可作为判定不同品牌的卷烟风格是否稳定的科学依据。

为了考察不同品牌卷烟样品之间的相似性和差异性，对5 个卷烟样品间的相似度进行了计算，相似度的值介于0～1 之间，相似度越接近1，则表明样品间的差异性越小，结果如表2 所示。从表2 可见：相同卷烟样品间的相似度均在90%以上，表明样品间质量具有较强的稳定性；各个品牌卷烟样品间的相似度均小于85%，说明不同品牌间的差异较大。可结合指纹图谱中各品牌的特征成分，明确区分不同品牌卷烟样品。

3 讨论

卷烟中挥发性有机物是致香物质的主体，是影响卷烟风格特征的主要因素之一。香气成分的含量和比例不尽相同，导致卷烟风格各异。研究卷烟中挥发性有机物对于优化产品配方、提高卷烟品质和监控产品质量具有重要意义。近年来，基于挥发性有机物的卷烟风味评价方法研究已有较多报道[18-20]，主要分析技术有动态顶空分析、气相色谱—质谱联用[21-23]和固相微萃取—气质联用[24]等，但多存在前处理过程复杂、耗时较长、分离度低等诸多问题。

表1 5 个样品中挥发性有机物定性结果Tab.1 Qualitative results of volatile organic compounds in 5 samples

图4 不同类别挥发性有机物在5 个样品中的含量对比Fig.4 Content comparison of different volatile organic compounds in 5 samples

图5 5 个样品的指纹图谱Fig.5 Gallery plot of 5 samples

图6 5 个样品的PCA 分析图Fig.6 PCA plot of 5 samples

本研究以市售5 个品牌卷烟为研究对象，基于HS-GC-IMS 分析技术，通过指纹图谱分析确定了5 个不同品牌卷烟之间的挥发性有机物的组成，共定性出44 种挥发性有机物。主要是酯类、醛类、醇类和酮类等化合物，与烟草挥发性有机物成分组成的相关报道一致[26]。方法前处理简单，检测时间短，能够快速实现卷烟样品挥发性化合物的分离。不同卷烟之间挥发性有机物含量上有一定差异，塑造了其卷烟的风格特征；同时借助主成分分析和相似度分析可以剖析各品牌之间的共性与差异性。这些物质中，酯类是主要的香气贡献物，大多具有花香或者果香，糠醛和糠醇具有烘烤香气；苯甲醛和苯乙醛具有降低刺激的作用；吡嗪和吡啶类化合物大部分具有强烈的坚果香及烘烤香，与烟香协调，能增强烟气丰满度，修饰卷烟的自然香、掩盖杂气；而呋喃以及呋喃类化合物能产生令人愉悦的效果，对提升卷烟香气具有重要作用[27]。这些物质是形成卷烟香气风格的主要来源，而其含量上的差异，对卷烟品牌风格特征的形成具有重要作用。

对5 个卷烟样品的指纹图谱(图5) 分析表明：样品1 中化合物含量最少，感官评吸无显著风格特征；样品2 中，丙烯醛、3-羟基-2-丁酮和乙酸甲酯等挥发性物质含量稍高，使烟气刺激性较大，同时产生令人愉悦的奶香气；在样品3 中测出异佛尔酮含量较高，其他样品检出含量较低，导致卷烟感官特征凸显，具有凉香、甜香气息；样品4 中，β-大马士革酮、2-糠醛、苯甲醛、乙酸乙酯、己酸乙酯和乙酸丁酯等挥发性物质含量稍高，使卷烟具有明显焦甜香，香气醇厚、浓郁；样品5 中，2-3 丁二醇、2-庚醇、芳樟醇、E-3-己烯-1-醇、肉桂酸甲酯、乙酸丙酯和2-5-二甲基吡嗪等挥发性物质含量较高，几种物质具有明显的协调烟香、掩盖杂气、改善吃味的作用，烟气更加醇和舒适。

表2 5 个样品的相似度表(n=3)Tab.2 Similarity degree table of 5 samples %

4 结论

通过顶空气相色谱—离子迁移谱分析，可以直观地反映出不同品牌间挥发性有机物之间的差异性，通过主成分分析和相似度分析，也可以将不同品牌卷烟之间的风格做明显区分。通过化合物的含量特性，可以为卷烟特征风格描述提供参考。本方法快速准确、灵敏度高、便捷高效，但在化合物定性方面还需进一步加强。本研究内容可以为不同品牌卷烟的风味识别、质量评价和品质控制提供重要的理论依据和数据支持，对卷烟质量的大数据甄别和感官品控的标准化发展具有积极的推动作用。