静态顶空-气质联用法测定烟草中的挥发性香气成分

张霞，徐淑浩，龙雨蛟，李勤书，朱雪峰，王泽宇，李国智

（红云红河烟草（集团）有限责任公司，云南 昆明 650023）

0 引言

卷烟香气的特征是评价感官质量重要指标[1]，烟草香气成分是一个复杂的体系，主要有醛类、酮类、醇类、酸类、酯类、杂环类等组分。梗丝是卷烟配方重要组成之一，加工良好的梗丝能增加烟丝填充值，降低烟丝消耗，改善卷烟燃烧性，降低烟气焦油量；还可以改善卷烟烟气特征，提升卷烟感官品质。不同于烟叶结构，烟梗是烟叶中的粗硬叶脉，烟梗主要由木质素、纤维、细胞壁物质、淀粉、蛋白质等大分子物质组成，其总糠、烟碱及有利于吸味的香气物质含量较低、杂气多且重、香气吃味不足。目前，梗丝前处理主要目的是通过回潮、蒸梗、压梗、切梗丝等各种工艺技术，改变烟梗物理结构以满足后序工艺加工要求；同时通过烘丝、加香加料等工艺技术降低梗丝中不良气息、提升其香气及吃味，以满足在卷烟配方中的应用[2-4]。

随着现代化学分析技术的发展，烟草中香气成分提取分析技术在索氏提取、同时蒸馏、动态顶空、吹扫捕集、微固相、超临界、静态顶空及与气相色谱、气相色谱质谱联用、气相色谱质谱/质谱联用分析等方向有研究报道[5-13]。通过同时蒸馏、动态顶空、吹扫捕集、微固相及超临界等萃取技术[5-11]，操作较复杂、影响因素多、分析时间更长，虽然对于定性分析样品中未知成分发挥了积极作用，但对于定量、半定量分析样品中成分稳定性较差。静态顶空的影响因素较少，操作简单、条件温和，有利于定性定量分析；但受样品瓶体积、待测组分浓度、样品基质效应等因素影响，检测灵敏度较低，可检测到的组分较少，其更有利于分析样品中待测浓度较高、极易挥发的组分[12-13]。

静态顶空分析技术所得到的香气成分更有利于表征人体感官所感受到的气味特征。然而样品的基质效应直接影响顶空分析可检测出的香气成分种类和含量。样品含水率和形态是导致基质效应的关键因素，将样品经过适当的前处理以确定烟草样品含水率和形态，可有效降低基质效应对顶空分析的影响。本实验探讨了影响顶空基质效应的含水率和样品形态因素，开展烟草静态顶空检测结果的样重量、平衡温度和平衡时间的因素研究，构建了可靠、稳定的静态顶空-气质联用分析方法，为梗丝加工工艺改进提供试验依据，也为卷烟烟丝、原料烟叶中香气成分的组成与感官质量之间的量化模型的研究提供技术参考。

1 材料与方法

1.1 试剂、材料与仪器

萘（纯度99%，北京百灵威科技有限公司）；乙醇（SPS高纯溶剂）。Agilent HP7694E顶空进样器（美国安捷伦科技有限公司）；Agilent 7890B气相色谱-5977A质谱联用仪（美国安捷伦科技有限公司）；AB104-S电子天平（感量0.0001g，瑞士梅特勒-托利多）；FS-II旋风式粉碎磨（浙江托普云农科技股份有限公司）；单道可调移液器（百得实验室仪器(中国)有限公司）。

烟丝和烟梗样品（由红河卷烟厂生产车间在线取样）。

1.2 样品处理方法

将含水率较高的烟丝（或梗丝）样品放入晾盘内散开，自然晾晒一段时间，再低温下烘干至含水率约12%，将样品于旋风式粉碎磨中磨成烟末，快速装入棕色样品瓶中，混合均匀，密封瓶口保存。准确称取1.000g（精确到0.0001g）烟末样品于20mL顶空瓶中，准确加入4.0μL浓度为10mg/mL萘/乙醇（内标）溶液，压紧瓶盖，待上机分析。

1.3 仪器条件

静态顶空：顶空瓶体积20mL，定量环体积3.0mL，样品瓶平衡温度130ºC，样品环温度150ºC，传输线温度170ºC，样品瓶平衡时间60min，样品瓶加压压力138kPa，加压时间0.20 min，充气时间0.20 min，样品环平衡时间0.05min，进样时间1.0min。

气相色谱仪：色谱柱为DB-WAXetr（30m×0.25mm ×0.25um）（美国Agilent科技有限公司）。进样口温度250℃；分流比10：1；柱流速：1mL/min；程序升温：40℃(保持1min)，以4℃/min上升至220℃(保持3min)；载气为99.9999%氦气。

质谱仪：传输线温度：250℃；电子电压：70ev，离子源：230℃；四极杆温度150℃；扫描方式为全扫描(Scan)；扫描范围：30-550aum；标准谱库：NIST11谱库。设定挥发性香气成分与萘（内标物）的相对响应因子均为1，确定挥发性香气成分和萘（内标物）的色谱峰面积，进行相对定量分析。

2 结果与讨论

2.1 样品前处理方式的确定

样品含水率和形态是产生基质效应的重要因素，采取较适合的样品前处理方式控制烟草样品含水率和形态，可获得稳定的检测结果，实验中对样品含水率和形态因素进行考察，以可有效识别且定量的香气成分数量及其检测结果的相对标准偏差RSD(n=3) 作为衡量指标，实验结果如表1所示。

表1 含水率和样品形态对检测结果的影响

比较样品1#和样品2#，仅样品含水率不同，含水率控制在约12%时，检测的香气成分数量中，RSD（n=3）≤10%的香气成分数量更多，比重更大；比较样品1#和样品3#，仅样品状态不同，将样品处理为烟末后，可检测到的RSD(n=3)≤10%的香气成分数量更多。综合考虑，样品前处理方式为：低温下烘至含水率约12%，且样品于旋风式粉碎磨中磨成烟末。

2.2 顶空条件的优化

样品量、样品平衡温度、样品平衡时间是影响顶空分析的重要因素，实验中对样品量、平衡温度、平衡时间进行考察。

2.2.1 样品量、平衡温度和平衡时间的水平选择

为了保证样品瓶中取得到平衡时最大的气体组分浓度，且有较高的样品分析效率，实验中对样品量、平衡温度和平衡时间的水平选择分别考察。以气相成分峰面积总和响应值作为衡量指标，不同水平下样品形态及气相成分峰面积总和变化趋势，如图1和图2所示。

图1 平衡温度对烟丝形态影响情况

图2 气相成分总峰面积影响趋势

综合考虑，选择0.6g、0.8g、1.0g为样品量因素考察水平，110℃、120℃、130℃为温度因素考察水平，40min、50min、60min为样品平衡时间因素考察水平。

2.2.2 顶空分析条件的优化

根据单因素水平实验结果，利用正交试验表L9（33）设计正交实验，优化出最佳分析条件，实验结果如表2所示。

由表2可知，9号实验的气相成分峰面积总和响应值最大。计算三个因素在三个水平上实验指标之和K和实验指标平均值k，三个因素的优选水平组合为样品量1.0g、平衡温度130℃和平衡时间60min；通过实验结果验证其气相成分峰面积总和响应值大于9号实验的结果。因此，本实验选择的优化条件为：即样品量1.0g，样品平衡温度130℃, 平衡时间60min；同时，由三个因素的极差R值可知，对指标结果影响由大到小的排序为：平衡温度＞平衡时间＞样品重量。

表2 顶空条件正交优化实验结果表

2.3 色谱柱的选择

卷烟烟丝、烟梗中的挥发性香气成分是一个复杂的体系，主要有醛类、酮类、醇类、酸类、酯类、烷烃类、杂环类等组分，包含了极性组分、易极化组分和非极性组分。为了能检测到更多的挥发性香气成分，比较了Agilent HP-5MS（30m×0.25mm×0.25um）和Agilent DB-WAXetr（30m×0.25mm×0.25um）两组气相色谱柱对于挥发性香气的分离效果，如图3所示，在相同的分离时间内，使用DB-WAXetr色谱柱时峰形尖锐，各组分能被很好地分离开，能够被有效识别的组分增多，尤其在0～10min出峰的组分分离效果得到显著改善。因此，选择DB-WAXetr作为实验的气相色谱分离柱。

图3 气相色谱柱分离效果对比图

2.4 方法的精密度

为评价静态顶空-气相色谱质谱联用分析方法的可靠性、重复性，取某品牌的成品卷烟作为样品，按照实验方法平行测定9次，计算样品中香气成分及其峰面积，设定各个化合物与萘（内标物）的相对响应因子为1，进行相对定量分析，得到每克烟丝中所含的香气成分量，实验结果如表3所示。由表3可知，样品烟丝静态顶空挥发性香气成分中，进行有效识别且定量的香气成分有64个，挥发性香气成分含量的RSD（n=9）在2.6%～10.0%之间。对于复杂多组分同时检测分析，该方法重复性好，满足实验的预期要求。

表3 样品烟丝中挥发性香气成分检测结果（n=9）

2.5 梗丝样品分析

按照实验方法对增压、常压梗丝烘丝前后样品挥发性香气成分进行检测，每种工序的样品检测结果为6次平行样检测结果的平均值，实验结果如表4所示，不同工艺处理的梗丝样品中挥发性香气成分检测结果如图4～5所示。

图4 不同工艺处理的梗丝中挥发性香气成分比较

表4 不同工艺处理的梗丝中挥发性香气成分检测结果（n=6）

由表4可知，对于梗丝样品可以检测到的挥发性成分有73个。增压梗丝经烘丝工序后，检出的成分数量无差异，分别为64个和63个，但挥发性香气成分总含量呈降低趋势，并且类似甲酸甲酯、甲酸乙酯、2-甲基糠醛、2，3-戊二酮等香气成分化含量是呈增加趋势；而乙偶姻、尼古丁、吡啶等含氮化合物成分含量呈降低趋势。常压梗丝经烘丝工序后，检出的成分数量差异不明显，分别为68个和70个，虽然烘丝前后挥发性香气成分总含量呈升高趋势，但对于相同成分，如甲酸甲酯、甲酸乙酯、2-甲基糠醛、2，3-戊二酮、乙偶姻、尼古丁、新植二烯、吡啶等成分含量未呈明显的变化。

由图4可知，增压梗丝样品中挥发性香气成分中醇类和醛类检出的含量明显高于常压梗丝样品，酯类、醚类、酮类、酚类和烃类的检出含量在四种梗丝中变化差异不明显，常压梗丝烘后样品的酸类成分含量明显高于烘前的样品，主要是乙酸的含量增加。增压、常压梗丝烘丝前后样品中检出的成分数量差异不明显；但是，增压梗丝经烘丝工序挥发性香气成分总含量呈降低趋势，而常压梗丝经烘丝工序挥发性香气成分总含量呈升高趋势；同时，增压梗丝样品中挥发性香气成分总量明显高于常压梗丝样品；说明增压处理更有利于提升梗丝中挥发性成分的释放。

由图5可知，不同工艺处理的梗丝中挥发性香气成分检出的含量分布规律一致，由多到少依次是醛类、酸类、酮类、醇类、其他、酯类、烃类、醚类和酚类。其中醛类（占35.6%～40.70%）、酸类（占23.71%～28.31%）、酮类（占12.87%～14.44%）和醇类（占8.72%～9.69%）是检出的含量比重较大的四类成分。

图5 不同工艺处理的梗丝中挥发性香气成分的含量分布图

3 结论

通过对影响静态顶空的基质效应（样品含水率和形态）、样品量、样品平衡温度和样品平衡时间等因素的探讨优化，对影响挥发性香气成分的分离分析效果的色谱柱进行选择，建立了一种静态顶空-气质联用法检测烟草中挥发性香气成分的分析方法。将本方法用于不同工艺处理的梗丝中挥发性香气成分检测，结果表明，增压处理更有利于提升梗丝中挥发性成分的释放，经不同工艺处理后，梗丝中的醇类、醛类和酸类等成分检出的含量有明显变化，但是挥发性香气成分检出的含量分布规律一致。本方法具有简便、快速、可靠，灵敏度高、稳定性和重复性较好等特点。在不具备标准物质的情况下，可作为一种快速检测的分析手段，适用于烟丝和烟梗中的挥发性香气成分的检测，也可扩展应用于卷烟产品、烟叶原料、制丝工艺研究过程中各类样品的挥发性香气成分检测分析，为企业卷烟生产过程监控及感官质量提升提供技术参考。