基于气相离子迁移谱技术的加香工艺研究

张荣亚，文 武，刘 洋，温若愚，刘民昌，杨小琴，曾正蓉，何玲英，吉笑盈，李天笑，朱贝贝

（四川中烟工业有限责任公司技术中心，四川成都 610066）

加香工序的参数适配性直接决定了香精在最终卷烟产品中的作用效果。其中，排潮风速的大小会直接影响香精在烟丝中的施加效果，其对挥发性香味成分的影响尤其显著。

气相离子迁移谱即Gas Chromatography-Ion Mobility Spectrometry（GC-IMS），是结合了气相色谱和离子迁移谱的新型检测技术，在挥发性香味成分的检测方面具有独特的优势[1-3]。该检测技术克服了离子迁移谱检测分离度较差的缺点，待检测物质先经过气相色谱预分离后，再经离子迁移谱二次分离，显著改善了信号的响应峰强度。此外，在原来单一气相色谱信息的基础上，GC-IMS补充了漂移时间信号，使得检测得到的化学信息更加丰富。因此，气相离子迁移谱具备了2种技术的优点，操作简便、检测高效、灵敏度高、不需要前处理[4-8]。基于此，试验借助气相离子迁移谱技术围绕烟丝加香工序开展工艺研究，以充分彰显产品润甜香特色，提高产品质量稳定性。

1 材料与方法

1.1 材料仪器

材料：娇子某牌号不同加香排潮风速条件所生产加香烟丝。

不同排潮风速条件加香样品信息见表1。

表1 不同排潮风速条件加香样品信息

仪器：气相离子迁移谱，德国G.A.S公司产品；配置有顶空孵化进样器、可视化分析软件LAV（Laboratory Analytical Viewe）r、定性和定量分析软件（Library Search）。

1.2 试验方法

1.2.1 烟丝样品制备方法

取不同加香排潮风速下生产加香后烟丝1 g，放入顶空孵化瓶用于检测。

1.2.2 顶空气相色谱-离子迁移谱检测步骤

对烟丝样品进行顶空-气相色谱-离子迁移谱分析，获取其三维谱图；在采集到的烟丝样品三维谱图中选取特征分析区域；对特征分析区域进行分析，探索加香工序排潮风速对加香后烟丝挥发性香味成分的影响。其中，顶空气相色谱-离子迁移谱（GC-IMS） 结构示意图如图1所示，图中Drift gas为漂移气体，Carrier gas为载气，T1为迁移谱漂移管温度，T2为色谱柱温度，T3为进样口温度，IMS为离子迁移谱仪，EPC1为迁移谱漂移气体流量，EPC2为载气流速，sample为样品。

顶空气相色谱-离子迁移谱（GC-IMS） 结构示意图见图1。

图1 顶空气相色谱-离子迁移谱（GC-IMS）结构示意图

1.2.3 GC-IMS检测参数及条件

（1）顶空进样条件。顶空加热器的孵化温度为80℃；在孵化器中孵化5 min；孵化过程采用振荡加热；顶空进样针的温度与孵化温度一致为80℃；进入检测器的样品量为250.0μL，进样采用不分流模式；纯度大于99.999%的高纯氮气为载气，载气同时用于清洗进样针；每次清洗进样针的时间为0.50 min。

（2）气相色谱条件。气相色谱的色谱柱温度设定为60℃；色谱运行时间为10 min；色谱所需载气为纯度大于99.999%的高纯氮气；载气流速设置如下：初始载气流速为8 mL/min，保留初始载气流速40 s后，在4 min后程序控制载气流速升高至50 mL/min，5 min时载气流速升高至150 mL/min，并保持至8.0，8.5 min时降低到初始载气流速8 mL/min。

（3）离子迁移谱条件。离子漂移管的温度为45℃，漂移气为纯度大于99.999%的高纯氮气，漂移气流速为150 mL/min，离子迁移谱检测器温度为45℃。

2 排潮风速对感官品质的影响研究

排潮风速排序为3#<1#<2#，感官品质排序为3#>1#>2#。

不同加香排潮风速卷烟样品的感官评吸结果见表2。

表2 不同加香排潮风速卷烟样品的感官评吸结果

从表2可以看出，排潮风速越小，感官得分越高，在保证加香雾化效果及加香出口为微负压状态的前提下，降低加香工序排潮风速更有利于香精中的挥发性香味成分施加到烟丝中，有利于增加产品的香气丰富程度，提高产品的润感、降低烟气刺激性，增加口腔生津感。

不同加香排潮风速烟丝样品的气相离子迁移谱见图2。

图2呈现了不同加香排潮风速所生产烟丝样品的气相离子迁移谱图，样品的气相色谱保留时间以纵坐标表示，而其离子迁移时间以横坐标表示。图形以蓝色为底色，其中横坐标的起始点1.0处的红色垂直线表示经过归一化处理的反应离子峰RIP峰，该反应离子峰两侧不同的点代表不同的挥发性物质。颜色的深浅表明了物质浓度的大小，其中颜色越浅表明该物质的浓度越低，颜色越深表明该物质的浓度越高。由图2可知，3种烟丝中的挥发性有机物种类基本一致，但挥发性有机物含量在3种烟丝中差异较大。其中，样品3中挥发性物质含量较多，说明在保证加香雾化效果及加香出口为微负压状态的前提下，降低加香工序排潮风速，更有利于香精中的挥发性香味成分施加到烟丝中。结合感官评吸的结果，说明降低加香工序排潮风速更有利于增加产品的润感和香感。

图2 不同加香排潮风速烟丝样品的气相离子迁移谱

不同加香排潮风速烟丝样品的GC-IMS差图谱见图3。

图3 不同加香排潮风速烟丝样品的GC-IMS差图谱

GC-IMS可视化分析软件LAV软件通过差谱图可以直观显示样品之间的差异，方便快捷地比较不同样品之间的区别。分析过程如下：以一个加香烟丝样品的图谱作为背景，用其他待分析烟丝样品的谱图扣除掉该背景。如果2种样品中的挥发性成分的种类和浓度一致，那么差谱图得到的背景会显示为白色，如果颜色显示为红色则表明待分析样品中的该物质浓度高于背景参比中的浓度；反之，蓝色则表示待分析样品该物质的浓度低于背景参比。如图3所示差异图，以挥发性物质含量最高的样品3为参比，样品1和样品2中大部分挥发性物质显示为蓝色，说明样品1和样品2中挥发性物质比样品3中含量少。此外，样品1和样品2对比，样品1中红色点比样品2中多，说明样品1中挥发性成分含量高于样品2。该结果解释了感官评吸的结果，样品3感官评分最高，其香气丰富、刺激性较小、余味有生津感，而样品1略优于样品2。

2.1 不同样品挥发性物质指纹图谱对比

不同加香排潮风速烟丝样品的指纹图谱见图4。

不同烟丝样品的指纹图谱以不同的行呈现，纵向列表示同一种挥发性香味成分在3种不同样品中的峰的强度，样品的颜色越深表示其浓度越大，从图中可以看出，样品之间挥发性有机物的差异。由图4可以看出，样品3中挥发性物质的颜色较深，说明样品3中挥发性香味成分的含量高于样品1和样品2。借助气相离子迁移谱仪器内置的迁移谱库和NIST数据库可以实现对待测物质的定性分析，根据定性结果可将3种样品采集的指纹图谱大致划分成9个不同颜色的区域。其中，S1为挥发性酸类，S2为挥发性酮类，S3为挥发性酯类，S4为挥发性醇类，S5为挥发性烯类，S6为挥发性醛类，S7为挥发性醚类，S8为挥发性杂环类，S9为挥发性芳合香烯类。各区域样品3的浓度高于样品1和样品2，该结果阐释了样品3感官评分最高，其香气丰富、刺激性较小、余味有生津感。

2.2 不同样品挥发性物质峰体积强度对比

不同加香排潮风速烟丝样品的总离子强度图见图5。

图5 不同加香排潮风速烟丝样品的总离子强度图

图5为不同加香排潮风速烟丝样品的三维总离子强度图，样品3中检测到的总离子强度最高，证实了样品3中挥发性香味成分的含量最高。此外，根据图4指纹图谱的划分区域，统计了S1~S9各区域不同挥发性物质的峰体积强度如表3所示。表3也证实了特征峰S1~S9各区域，除S4外，均表现为样品3的离子峰强度最大，该结果阐释了样品3中挥发性香味成分的含量最高。S4区域为醇类物质，为保润物质。虽然样品3的强度（39 429.15） 略低于样品1（41 851.74），但是该现象是由于样品中起保润作用的挥发性醇类物质在烟丝样品中含量较高，并且样品3中其他挥发性物质含量均高于样品1和样品2，造成GC-IMS供样品3-S4区域成分结合的水合质子峰强度不够，导致表观检测结果样品3的强度（39 429.15） 略低于样品1（41 851.74）。此外，样品3中起保润作用的挥发性醇类物质也已达到感官保润作用的阈值，因此样品3感官评吸未表现出刺激性。综上所述，不同加香排潮风速烟丝样品特征峰强度结果也阐释了感官评吸结果中样品3香气最为丰富、刺激性较小、余味有生津感。

不同加香排潮风速烟丝样品的特征峰强度见表3。

表3 不同加香排潮风速烟丝样品的特征峰强度

3 结论

离子迁移谱具有操作简便、高效、灵敏度高、不需要前处理等优点。近年来，在食品风味挥发物的定性和定量分析中运用广泛，但在烟草挥发物的定性定量分析中应用较少。借助离子迁移谱优化了加香工序的排潮风速，研究结果表明可以利用GCIMS检测挥发性风味成分及含量来判断排潮风速对挥发性香味成分施加效果的影响，提高了香精在烟丝中的利用率。GC-IMS经软件对数据处理后可快速获取痕量挥发性有机物的指纹图谱、差谱图、峰强度等，可以直观地表征不同样品之间的差异性，并且其内置分析软件使得其对物质的定性、定量分析简单快捷，有望在其他工艺参数对香气组分影响的研究中发挥积极作用，有一定的应用前景。