烟草非挥发性有机酸、pH测定及其相关性分析

朴永革

张贾宝2

崔成哲1

刘友杰1

李河霖1

李瑞丽2

张峻松2

(1. 吉林烟草工业有限责任公司，吉林 延吉 133001；2. 郑州轻工业大学食品与生物工程学院，河南 郑州 450001)

烟草中的有机酸大部分是非挥发性有机酸，如苹果酸、草酸等[1]。非挥发酸虽然不直接影响烟气香味，但可以调节烟草的pH值，在一定程度上改善烟草吃味，提升卷烟感官舒适度，弱化卷烟烟气的噪感，并增加烟气浓度[2-4]。

卷烟烟草pH、烟气pH是衡量卷烟产品整体质量的重要指标之一，能在一定程度上反映卷烟配方中的酸碱平衡[5-6]。卷烟产品配方由众多不同产地、等级的单料烟烟叶构成，各单料烟中有机酸的种类及含量会影响卷烟产品的烟草及烟气pH。邱宝平等[7]通过测定中国卷烟非挥发酸的含量及烟气pH，发现苹果酸和油酸对烟气粒相物pH影响较大，但有关非挥发酸与烟草pH之间的关联性未见报道。目前对于卷烟烟草pH、烟气pH的其他研究主要侧重于pH的测定方法和其影响因素[8-10]，鲜见二者与有机酸之间关联性的研究。

研究拟以34种单料烟和11种卷烟为研究对象，分别测定其非挥发性有机酸、烟草pH和卷烟主流烟气粒相物pH，采用灰色关联度分析、主成分分析对有机酸与pH进行相关性分析研究，为从化学分析角度确定卷烟内在品质、改善和调控烟草及烟气pH提供理论依据和数据支撑。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

1.1.1 材料与试剂

烟叶样品：从中国贵州(T1～T4)、吉林(T5、T6)、山东(T7、T8)、福建(T9～T12)、河南(T13～T16)、湖南(T17～T21)、云南(T22～T27)代表性烟叶产区收集的上部、中部、下部烤烟烟叶以及巴西(T28、T29)、津巴布韦(T30、T31)、美国(T32～T34)烟叶样品共34种；

卷烟样品(见表1)：市售一类、二类、三类烤烟型卷烟共11种；

表1 卷烟样品信息Table 1 Cigarette sample information

草酸、月桂酸、柠檬酸：纯度>98%，上海华彭实业有限公司；

丙二酸、十三酸、正十五酸、软脂酸、硬脂酸、亚麻酸：纯度>98%，美国FLUKA公司；

琥珀酸、苹果酸、油酸、亚油酸：纯度>98%，百灵威科技有限公司；

二氯甲烷、甲醇：色谱纯，迪科马科技有限公司；

其余试剂均为分析纯。

1.1.2 主要仪器设备

电子天平：PL-203型，瑞士Mettler Toledo公司；

气相色谱仪：Agilent 8890A(FID)型，安捷伦公司；

吸烟机：RM20H型，德国博格瓦尔特公司；

pH酸度计：Mode1868型，奥立龙公司；

振荡培养箱：F160型，太仓实验设备厂。

1.2 方法

1.2.1 非挥发性有机酸的测定 参照邱宝平等[11]的方法，对单料烟及卷烟非挥发性有机酸进行测定，每个样品平行测定3次。

1.2.2 烟草pH的测定 按YC/T 222—2007执行，对单料烟及卷烟烟草pH进行测定，每个样品平行测定3次。

1.2.3 卷烟主流烟气粒相物pH的测定 参照徐石磊等[12]的方法，对卷烟主流烟气粒相物pH进行测定，每个样品平行测定3次。

1.2.4 数据处理 使用Excel软件整理数据，利用SPSSAU分析平台进行灰色关联度分析,采用SPSS 21软件进行主成分分析。

2 结果与分析

2.1 非挥发性有机酸测定结果

2.1.1 标准曲线、检出限和定量限 由表2可知，13种非挥发酸的回归方程线性良好，决定系数R2>0.999，检出限为0.50～3.83 μg/mL，定量限为1.67～12.75 μg/mL。

表2 非挥发酸回归方程、决定系数、检出限、定量限Table 2 Non-volatile acid regression equation, coefficient of determination, limit of detection, limit of quantification

2.1.2 方法的回收率及精密度 由表3可知，在不同的加标水平下，非挥发酸的平均回收率在88.64%～95.75%，精密度在1.29%～3.87%，回收率较高，重复性较好，适用于烟草中非挥发酸的检测分析。

表3 方法的回收率及精密度Table 3 Recovery and precision of method (n=5) %

2.1.3 样品的测定 卷烟非挥发性有机酸含量的测定结果见表4，单料烟非挥发性有机酸含量的测定结果见表5。

表4 卷烟非挥发性有机酸含量Table 4 The content of non-volatile organic acids in cigarettes (n=3) mg/g

表5 单料烟非挥发性有机酸含量Table 5 The content of non-volatile organic acids in single-grade tobacco (n=3) mg/g

续表5

由表4、表5可知，单料烟非挥发性有机酸含量范围为34.30～134.60 mg/g，卷烟非挥发性有机酸含量范围为70.18～104.25 mg/g，单料烟与卷烟中共测定出12种非挥发性有机酸。苹果酸与草酸在单料烟与卷烟中含量较高，约占非挥发性有机酸总含量的70%～80%；琥珀酸、十三酸、正十五酸含量很低且在一部分样品中未被检出，与李登科等[13]的研究一致。烟叶的遗传因素、气候土壤条件、栽培水平以及加工差异是样品中非挥发性有机酸含量不同的原因[14]，如不同基因型烤烟中非挥发酸的含量存在较大差异[15]、温度对烟株在生根期和成熟期中有机酸含量的积累影响较大[16]、烘烤后烟叶中非挥发酸含量与饼肥用量显著负相关[17]、打叶后片烟中非挥发酸含量与叶片尺寸呈负相关[18]。

2.2 烟草pH和主流烟气粒相物pH

单料烟烟草pH的测定结果见表6，卷烟烟草pH和主流烟气粒相物pH的测定结果见表7。

由表6、表7可知，单料烟烟草pH为4.684～6.188，RSD为0.140%～0.441%；卷烟烟草pH为4.861～5.286，RSD为0.219%～0.451%；主流烟气粒相物pH为5.738～6.103，RSD为0.182%～0.410%。测定结果与李青青等[10]的结果较接近，同时由RSD可知pH测定结果的精密度较高。主流烟气粒相物pH比卷烟烟草pH略低的原因可能是由于卷烟燃烧形成烟气的过程中，非挥发性有机酸的沸点相对于烟碱等碱性物质的沸点较高，烟气中的酸性物质较少，从而导致烟气中的酸碱比降低，使烟气pH值升高。

表6 单料烟烟草pH测定结果Table 6 Measurement results of the pH of single-grade tobacco (n=3)

表7 卷烟烟草pH和主流烟气粒相物pH测定结果

2.3 灰色关联度分析

为考察各非挥发性有机酸对pH的影响程度，根据表4～表7中测定结果，分别以单料烟烟草pH、卷烟烟草pH、主流烟气粒相物pH为母序列，以相应的非挥发性有机酸作为特征序列，分辨系数ρ取0.5，数据经均值化处理后进行灰色关联度分析，结果见表8。

由表8可知，单料烟烟草pH与草酸、软脂酸、苹果酸、油酸、柠檬酸的关联度较大，其关联度分别为：0.894，0.879，0.837，0.834，0.817；卷烟烟草pH与软脂酸、苹果酸、亚麻酸、草酸、柠檬酸的关联度较大，其关联度分别为：0.960，0.959，0.952，0.950，0.946；卷烟主流烟气粒相物pH与苹果酸、软脂酸、亚麻酸、草酸、亚油酸的关联度较大，其关联度分别为：0.936，0.936，0.959，0.957，0.954；十三酸、正十五酸与3种pH的关联度均较小，可能是二者在样品中的含量较低造成的。因此，草酸、软脂酸、苹果酸、油酸、柠檬酸对单料烟烟草pH的影响程度相对较大；软脂酸、苹果酸、亚麻酸、草酸、柠檬酸对卷烟烟草pH的影响程度相对较大；苹果酸、软脂酸、亚麻酸、草酸、亚油酸对卷烟主流烟气粒相物pH的影响程度相对较大。

表8 pH与非挥发性有机酸的关联度Table 8 Correlation degree between pH and non-volatile organic acid

2.4 主成分分析

采用主成分分析方法对单料烟和卷烟中的非挥发性有机酸进行因子提取，并运用最大方差旋转方法进行旋转。根据KMO和Bartlett的检验，可知单料烟和卷烟中非挥发性有机酸的KMO分别为0.665，0.675，均大于0.6，说明变量间存在相关性；Bartlett球形度检验中单料烟和卷烟中非挥发性有机酸的P均小于0.001，说明主成分分析有意义。通过对有机酸主成分进行提取分析，并与灰色关联度分析结果结合，可有效明确有机酸对pH的影响程度，当主成分特征值大于1时，该有机酸成分可作为主成分进行分析[19-20]。单料烟及卷烟有机酸主成分相关特征值及其贡献率见表9、表10。

表9 单料烟有机酸相关特征值及其贡献率

表10 卷烟有机酸相关特征值及其贡献率

由表9可知，单料烟有机酸共提取出4个主成分，其方差贡献率分别为37.278%，19.417%，11.360%，8.600%，累计方差贡献率为76.66%。单料烟有机酸第1主成分包括亚油酸、亚麻酸、软脂酸等，第2主成分包括柠檬酸、苹果酸、草酸等，第3主成分仅包括油酸，第4主成分仅包括琥珀酸。结合灰色关联度分析结果可知，第2主成分中的苹果酸、草酸对单料烟烟草pH的影响程度较大。

由表10可知，卷烟有机酸共提取出3个主成分，其方差贡献率分别为40.137%，26.953%，11.374%，累计方差贡献率为78.46%；卷烟有机酸第1主成分包括柠檬酸、硬脂酸、丙二酸等，第2主成分包括正十五酸、软脂酸、亚麻酸等，第3主成分仅包括草酸、亚油酸、苹果酸等。结合灰色关联度分析结果可知，第2、3主成分中的软脂酸、苹果酸对卷烟烟草pH、主流烟气粒相物pH的影响程度较大，与邱宝平等[11]的研究结论存在共性。

对比分析结果发现，草酸对单料烟烟草pH的影响程度较大，而对卷烟烟草pH和主流烟气粒相物pH的影响程度稍小，软脂酸对卷烟烟草pH、主流烟气粒相物pH的影响程度较大，而对单料烟烟草pH的影响程度稍小。其原因可能是草酸性质不如软脂酸稳定，在100 ℃以上的温度条件下草酸容易升华，卷烟加工过程中的膨胀、烘丝等热处理均会使烟丝中草酸的含量减少。杨力佳等[21]发现烟丝经过膨胀后，非挥发性有机酸含量明显降低，且在膨胀前后草酸含量的降低率大于软脂酸，从而使草酸对烟丝酸碱度的影响减弱，最终导致草酸对卷烟烟草pH和主流烟气粒相物pH的影响程度变小。从单料烟烟叶到制成卷烟需要经过一系列加工过程，加工过程中烟叶内部化学成分的改变最终导致单料烟和卷烟研究结果有所不同。

3 结论

烟草中不同有机酸对pH影响程度不同，利用灰色关联度分析并结合主成分分析发现，苹果酸、草酸对单料烟烟草pH的影响程度较大，苹果酸、软脂酸对卷烟烟草pH、主流烟气粒相物pH的影响程度较大，十三酸、正十五酸对pH的影响较小。为实际改善和调控烟草pH及主流烟气粒相物pH、弱化卷烟烟气噪感，后期可开展在烟叶或烟丝中施加非挥发酸的相关试验，比较苹果酸与草酸、苹果酸与软脂酸在改善烟草及烟气pH中的效果，以便提升卷烟产品的吸食品质。