不同香型卷烟中有机酸的差异性

高复高，王刘东，王仰勋，郑美玲，郜明，白国强

1.江苏中烟工业有限责任公司徐州卷烟厂（徐州 221005）；2.江苏中烟工业有限责任公司南京卷烟厂（南京 210012）；3.郑州轻工业大学食品与生物工程学院（郑州 450001）

烟叶中有机酸含量占烟叶干物质总含量的12%~16%，但多以络合态或酯类形式存在，能够直接检测到的有机酸含量甚微，即便如此，它们也能对卷烟品质产生十分重要的影响[1-3]。烟草中有机酸种类繁多，研究时常分为挥发性酸、半挥发性酸和非挥发性酸[4]。挥发性酸在卷烟抽吸时可以直接进入烟气，对卷烟吃味有明显作用[5-6]。半挥发性酸能增加烟气的脂肪味或腊味、醇和烟气[7]。非挥发性酸虽然不能直接作用于烟气，但其可通过调节烟气pH，影响烟气的酸碱平衡，间接影响烟气[8-10]。

烟草中有机酸含量差异较大，目前，关于烟叶中有机酸种类和含量差异已有较多报道[11-12]。彭艳[13]发现湖南和云南不同产区烤烟烟叶中挥发性酸含量差异较大，半挥发酸含量差异较小；刘帅帅等[14]发现南平烟区86份烤烟烟样中非挥发酸含量变化较大；程亮[15]的研究表明烤烟有机酸含量在不同烟区、不同部位、不同纬度间存在显著差异。但对于成品卷烟中有机酸的研究较少，卢乐华[8]明确清香型卷烟中特征酸性成分为草酸、苹果酸、柠檬酸、十五酸等，首次提出以烟丝中的有机酸定位成品卷烟的风格特征，但该研究卷烟香型较少，且未提供一种以有机酸区分不同香型卷烟的方法。

基于此，此次试验以10种不同香型的成品卷烟为研究对象，利用气相色谱仪（GC）和气相色谱-质谱联用仪（GC-MS）对其有机酸进行测定分析，采用主成分分析法和聚类分析法比较不同香型成品卷烟中有机酸种类和含量的差异性，以期为卷烟感官风格特征的区分提供一种新思路。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

以从市场购得的15种国产卷烟为试验样品，卷烟风格类型分别为A本草香、B酒香、C绵柔香、D烤甜香、E树苔香、F清香、G焦甜香、H清甜香、I淡雅香、J-1奶香-1、J-2奶香-2、J-3奶香-3。

挥发性酸：乙酸、甲酸、丙酸、反-2-己烯酸（内标），ACROS；异丁酸、丁酸、异戊酸、戊酸、3-甲基戊酸、4-甲基戊酸、己酸、庚酸、辛酸、壬酸、癸酸，东京化成工业株式会社；半/非挥发性酸：亚麻酸、丙二酸、十五酸、月桂酸、柠檬酸、硬脂酸、亚油酸、油酸、丁二酸、苹果酸、十三碳酸、棕榈酸、草酸，FLUKA。BSTFA、二氯甲烷、无水硫酸钠、氯化钠，Dikma。

EL204型电子天平[梅特勒-托利多仪器（上海）有限公司]；HH-4型数显恒温水浴锅（金坛市科析仪器有限公司）；KPGD5/20型低温冷却液循环泵（郑州凯鹏实验仪器有限公司）；KDM-1000可调式电热套（北京科伟永兴仪器有限公司）；7890B/5977A型气质联用仪（美国Agilent公司）。

1.2 试验方法

1.2.1 标准溶液配制

准确称取上述有机酸标准品，配制成以下质量浓度：甲酸、乙酸5 mg/mL，丙酸、丁酸、异戊酸1 mg/mL，异丁酸0.5 mg/mL，戊酸1.5 mg/mL，3-甲基戊酸、4-甲基戊酸0.3 mg/mL，己酸0.5 mg/mL，庚酸0.4 mg/mL，辛酸、壬酸0.8 mg/mL，癸酸0.9 mg/mL；草酸10 mg/mL，丙二酸2 mg/mL，丁二酸、月桂酸、十三碳酸、棕榈酸3 mg/mL，苹果酸30 mg/mL，十五酸0.2 mg/mL，柠檬酸8 mg/mL，硬脂酸1.1 mg/mL，油酸0.9 mg/mL，亚油酸、亚麻酸2 mg/mL。

1.2.1.1 挥发性酸

分别取0.5，1，2，4，6，8和10 mL挥发性酸混合标准储备液于100 mL容量瓶中，定容后得1~7级标准溶液。分别取0.5 mL于对应的7个色谱瓶中，加入50 μL BSTFA衍生剂，在60 ℃水浴锅中衍生50 min后，取适量萃取液过膜待GC-MS分析。

1.2.1.2 半/非挥发性酸

分别取0.2，0.5，1.0，2.0，3.0和4.0 mL质量浓度为6.0 mg/mL的己二酸（内标）-甲醇溶液和40 mL 10% H2SO4-CH3OH溶液，水浴80 ℃回流2 h。取10 mL回流液体于100 mL分液漏斗中，加入20 mL饱和食盐水混匀，每次用10 mL二氯甲烷萃取，萃取3次合并萃取液，加入3.5 g无水硫酸钠干燥过夜。取适量萃取液过膜待GC分析。

1.2.2 前处理方法

1.2.2.1 挥发性酸

将烟丝从卷烟中剥出，打末。准确称取2.000 0 g粉末于50 mL锥形瓶，加入6.0 mL 质量浓度为0.100 0 mg/mL的反-2-己烯酸（内标）-二氯甲烷溶液，在25℃、120 r/min条件下振荡萃取60 min，按1.2.1.1小节中方法进行衍生化。

1.2.2.2 半/非挥发性酸

准确称取1.000 0 g粉末于100 mL平底烧瓶中，按照1.2.1.2小节中方法进行衍生化。

1.2.3 分析条件

1.2.3.1 GC-MS分析条件

色谱柱：HP-5MS毛细管柱（60 m×0.25 mm×0.25 μm）；载气：氦气，载气流速：1.0 mL/min；进样口温度：250 ℃；进样量1 μL，分流进样，分流比1∶1。程序升温：初始温度：40 ℃；初始时间：3 min；以4 ℃/min速率升至210 ℃，再以2 ℃/min升至230 ℃，再以4 ℃/min升至280 ℃，保持5 min。300 ℃后运行5 min。

检测器：质谱检测器；溶剂延迟：5.0 min；电离电压：70 eV；离子源温度：230 ℃；传输线温度：250℃；扫描离子范围：33~400 amu；扫描方式：离子监测模式SIM。各挥发性酸性香味成分的保留时间、定量及定性离子如表1所示。

表1 质谱检测器检测挥发性酸性香味成分的保留时间及定量离子

1.2.3.2 GC分析条件

色谱柱：HP-INNOWAX（30 m×0.25 mm×0.25 μm）；载气：氦气；柱流速：1.2 mL/min（恒流模式）；平均线速度：29.134 cm/s；进样口温度：280 ℃；分流比：5∶1；程序升温：色谱柱初始温度50 ℃（保持2 min）以4 ℃/min升温至220 ℃（保持20 min）；进样量：1.0 μL 。

检测器：FID；检测器温度：280 ℃；氢气：40mL/min；空气：450 mL/min；尾吹：20 mL/min。

2 结果与讨论

2.1 有机酸定量分析

从表2的结果可以看出：不同香型的卷烟样品中挥发性酸种类丰富，挥发性酸总量差异较大（130.12~240.62 μg/g），各卷烟挥发性酸总量由高到低依次为I＞B＞H＞J-3＞A＞J-1＞C＞F＞E＞J-2＞D＞G；其中乙酸在所有的样品中含量最高，其次是甲酸，这两种酸的含量占挥发性酸总量的85%以上，是卷烟烟丝中主要的挥发性酸，与烟叶中检测结果一致[15]。甲酸、乙酸具有一定的刺激性。此次试验所选用的卷烟样品均为烤烟型卷烟，各风格卷烟中异戊酸和3-甲基戊酸含量差异不明显，这两种酸可赋予卷烟烟气甜味、水果味，具有显著的香料烟香味。除此之外，异丁酸和己酸能平和烟气、并赋予卷烟烟气水果的吃味；辛酸、壬酸和癸酸也能在一定程度上改善吃味。一般来讲，挥发性酸越多，烟叶的香味越好，在燃吸时可直接进入烟气，对卷烟的香吃味有显著影响。

表2 不同香型卷烟烟丝中挥发性有机酸检测结果

从表3的结果中可以看出：半挥发性酸和非挥发性酸共有13种，总量差异较大（75.53~103.26 mg/g），各卷烟非挥发性酸总量由高到低依次为B＞H＞C＞I＞J-3＞J-2＞A＞F＞J-1＞G＞D＞E；其中苹果酸在所有样品中含量最高，占非挥发性酸总量的55%以上。草酸、柠檬酸和亚麻酸含量高于苹果酸以外的其余7种非挥发性酸，这与刘帅帅等[14]检测的烤烟烟叶中非挥发酸比例相一致。苹果酸能增加烟气的酸性，改进烟气特征，特别是对高生物碱含量的烟草有良好作用；棕榈酸对感官评吸起正面作用，主要表现为调节烟气pH、平和烟气；肉豆蔻酸和亚油酸能够降低烟气刺激。

表3 不同香型卷烟烟丝中非挥发性有机酸检测结果

2.2 有机酸主成分分析

主成分分析是将原有指标重新组合，以尽可能少的几个综合指标达到反映原来较多指标信息的目的。将利用SPSS 25.0分析软件对不同香型卷烟的27种酸类物质进行主成分分析，得到特征值和方差贡献率，见表4。由表4可知，前5个主成分累计贡献率为84.489%（＞80%），故前5个主成分能代表12种卷烟中挥发性酸含量84.489%的信息。

表4 5个主成分的特征值和方差贡献率

由表5可以看出：乙酸、丙酸、异丁酸、异戊酸、辛酸、丙二酸、丁二酸、月桂酸、苹果酸、十五碳酸、棕榈酸、硬脂酸、亚油酸和亚麻酸这14种物质在第1主成分上有较高的载荷，则说明主成分1上反映这14种指标的信息；己酸、庚酸、癸酸、草酸、柠檬酸和油酸这6种物质在第2主成分上有较高的载荷，则说明主成分2上反映这7种指标的信息；甲酸、丁酸、戊酸、壬酸、3-甲基戊酸和4-甲基戊酸这6种物质在第3主成分上有较高的载荷，则说明主成分3上反映这6种指标的信息；十三碳酸在第5主成分上有较高的载荷，则说明主成分5上反映该物质的信息。

表5 主成分载荷矩阵

以表5中载荷数除以表1中特征值的平方根作为各指标在不同主成分线性组合中的系数，将各成分的方差贡献率作为该成分的总权重，进行归一化后得到各指标的权重，见表6。

表6 各有机酸权重

由表6可知，各个指标中甲酸、丙酸、异丁酸、丁酸、3-甲基戊酸、4-甲基戊酸、辛酸、棕榈酸、柠檬酸和硬脂酸权重值较高，说明这些物质对卷烟酸性物质的贡献率较高，不同风格卷烟酸性物质的差异主要是由这10种物质含量不同造成的。

2.3 聚类分析

将主成分的得分系数代替原始指标进行聚类分析，以组间连接法，使用平方欧式距离进行分析，得到不同风格卷烟样品的树状聚类图，见图1。

图1 不同香型卷烟中有机酸聚类分析图

由图1可知，在平方欧氏距离为2.5处，可将15种卷烟分为10类，同一香型卷烟（J-1、J-2、J-3）被很好地聚为一类。在平方欧式距离为5处，F和H也可被聚为一类，分别是清香型和清甜香型，这两种卷烟为云南代表性卷烟，在卷烟叶组配方中，云南清香型烟叶的使用比例高达60%以上，两种香型卷烟原料的相似性可能是两者被聚为一类的原因[9]。

3 结论

利用气相色谱仪检测了10种不同香型成品卷烟烟丝中的有机酸，并通过主成分分析和聚类分析对其有机酸进行分析，结果表明：（1）不同香型成品卷烟烟丝中共检测到27种有机酸，包括14种挥发性酸和13种非挥发性酸，其中甲酸、乙酸、苹果酸和草酸等物质含量较高，构成各香型成品卷烟烟丝的主体酸；（2）主成分分析结果表明，27种有机酸可以简化为5个主成分，不同香型卷烟之间有机酸差异主要体现在甲酸、丙酸、异丁酸、丁酸、3-甲基戊酸、4-甲基戊酸、辛酸、棕榈酸、柠檬酸和硬脂酸的含量变化；（3）通过聚类分析可将同一香型的成品卷烟归为一类，表明有机酸能够用来区分不同香型的卷烟。