于宏曉，徐海濤，馬 強(qiáng)，趙國慶，劉永新

(山東中煙工業(yè)公司技術(shù)中心青島研發(fā)基地，青島 266101)

煙絲加香是制絲工藝過程中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，煙絲加香質(zhì)量是影響卷煙質(zhì)量的重要因素之一，加香精度和均勻度是卷煙生產(chǎn)過程中的重要工藝指標(biāo)，直接影響卷煙的內(nèi)在質(zhì)量。正確、客觀評(píng)價(jià)煙絲加香質(zhì)量可以為卷煙配方設(shè)計(jì)提供技術(shù)依據(jù)，對(duì)于卷煙新產(chǎn)品的研發(fā)具有重要意義。目前煙絲加香質(zhì)量的評(píng)價(jià)主要依靠訓(xùn)練有素、經(jīng)驗(yàn)豐富的專家通過評(píng)吸來完成，評(píng)定結(jié)果的準(zhǔn)確性難以保證[1]。到目前為止，國內(nèi)對(duì)煙絲加香質(zhì)量監(jiān)控缺乏一種快速而有效的方法。電子鼻是用來分析、識(shí)別和檢測(cè)復(fù)雜嗅味和大多數(shù)揮發(fā)性成分的傳感器陣列，又叫氣味指紋掃描儀，與人類嗅覺判別相比，它的測(cè)定不受主觀因素影響，更客觀。它的研究始于 20世紀(jì)90年代[2]，是根據(jù)仿生學(xué)原理，由傳感器陣列和自動(dòng)化模式識(shí)別系統(tǒng)所組成。它是一種新穎的分析、識(shí)別和檢測(cè)復(fù)雜氣味和大多數(shù)揮發(fā)性成分的儀器。與普通的化學(xué)分析儀器，如色譜儀、光譜儀等不同，分析得到的不是被測(cè)樣品中某種或某幾種成分的定性與定量結(jié)果，而是給予樣品中揮發(fā)性成分的整體信息，也稱“指紋”數(shù)據(jù)[3-4]，該技術(shù)在復(fù)雜介質(zhì)和成分之間具有協(xié)同作用的樣品氣味分析方面具有較為明顯的優(yōu)勢(shì)[5-6]。電子鼻在食品[7-9]、環(huán)境[10-11]等領(lǐng)域的應(yīng)用取得了較好的效果，目前正向食品、煙草、藥品、香料產(chǎn)品質(zhì)量評(píng)價(jià)和質(zhì)量控制等方面進(jìn)一步拓展應(yīng)用。筆者將電子鼻用于對(duì)加香煙絲的揮發(fā)性成分檢測(cè)和區(qū)分，基于電子鼻檢測(cè)技術(shù)和化學(xué)計(jì)量學(xué)方法，建立了加香煙絲的揮發(fā)性組分整體性質(zhì)的人工智能評(píng)價(jià)方法，用于質(zhì)量保證(QA)和生產(chǎn)流程的質(zhì)量控制(QC)。

1 材料與方法

1.1 儀器

電子鼻系統(tǒng)α FOX 4000(法國Alpha MOS公司)，由18個(gè)金屬氧化物傳感器組成，空氣發(fā)生器和HS-100型自動(dòng)進(jìn)樣器，Alpha Soft V11軟件控制儀器和處理數(shù)據(jù)，電子天平(梅特勒，瑞士)。

1.2 樣品

選取加香工序前后各6個(gè)不同取樣點(diǎn)的煙絲，稱取0.400g煙絲樣品置于10 mL電子鼻專用樣品瓶中，密封備用。每個(gè)樣品重復(fù)檢測(cè)6次。

1.3 方法

為了使電子鼻不同傳感器的檢測(cè)數(shù)據(jù)最大值處于0.25～0.85之間的數(shù)目盡可能多，增加電子鼻檢測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和分析速度，優(yōu)化了電子鼻的測(cè)試條件的參數(shù)，電子鼻檢測(cè)的煙絲樣品最佳實(shí)驗(yàn)參數(shù)如下：載氣，凈化空氣；流速，150 mL/min；頂空加熱溫度，35 ℃；頂空加熱時(shí)間，1800 s；攪動(dòng)速度，250 r/min；進(jìn)樣體積，750 μL；進(jìn)樣速度，750 μL/s；進(jìn)樣針溫度，40 ℃；數(shù)據(jù)采集時(shí)間，120 s；延滯時(shí)間，1080 s。

1.4 數(shù)據(jù)獲取

用電子鼻測(cè)定樣品氣味指紋數(shù)據(jù)[12]。該電子鼻系統(tǒng)中共有 18個(gè)金屬氧化物傳感器。傳感器室1(Sensor chamber 1)中6個(gè)傳感器分別為：LY/LG，LY2/G，LY2/AA，LY2/GH，LY2/gCTL，LY2/gCT；傳感器室2(Sensor chamber 2)中6個(gè)傳感器分別為：T30/1，P10/1，P10/2，P40/1，T70/2，PA2；傳感器室 3(Sensor chamber 3)中 6個(gè)傳感器分別為：P30/1，P40/2，P30/2，T40/2，T40/1，TA2。

2 結(jié)果與討論

2.1 對(duì)比加香前后煙絲電子鼻氣味指紋數(shù)據(jù)

圖1A和1B分別顯示了電子鼻分析加香工序前后煙絲氣味的典型性指紋數(shù)據(jù)。加香工序前后煙絲氣味指紋數(shù)據(jù)有明顯的差異，加香后煙絲的氣味指紋數(shù)據(jù)響應(yīng)值明顯高于加香前煙絲的氣味指紋數(shù)據(jù)響應(yīng)值，這說明電子鼻能夠敏感的響應(yīng)加香煙絲的揮發(fā)性成分，明顯區(qū)分加香工序前后煙絲氣味。

2.2 主成分分析(PCA)加香工序前后不同取樣點(diǎn)的煙絲氣味

從圖 2 PCA分析可以看出加香前后煙絲的氣味指紋數(shù)據(jù)聚集于各自不同的獨(dú)立區(qū)域，這進(jìn)一步表明電子鼻能夠明顯的區(qū)分加香前后煙絲的氣味。同時(shí)，對(duì)比不同取樣點(diǎn)的加香前后煙絲的氣味指紋數(shù)據(jù)，可以得出對(duì)于不同取樣點(diǎn)，加香前煙絲氣味指紋數(shù)據(jù)分布的區(qū)域更加集中，不同取樣點(diǎn)之間煙絲的氣味差異性小，而加香后煙絲氣味指紋數(shù)據(jù)分布的區(qū)域更加離散，不同取樣點(diǎn)之間煙絲的氣味差異性明顯。這表明加香后煙絲氣味指紋數(shù)據(jù)分散性不是由加香前煙絲本身的氣味造成的，而是由加香過程中煙絲加香的不均勻性，導(dǎo)致加香后煙絲在不同取樣點(diǎn)的揮發(fā)性成分的不均勻性，從而使加香后煙絲在不同取樣點(diǎn)的氣味指紋數(shù)據(jù)分布更加分散。

2.3 統(tǒng)計(jì)質(zhì)量控制分析(SQC)評(píng)價(jià)加香后煙絲氣味均勻性

根據(jù)同批次和不同批次加香后煙絲的氣味指紋數(shù)據(jù)，建立了SQC可接受品質(zhì)的氣味指紋模型，對(duì)加香后煙絲的氣味品質(zhì)進(jìn)行生產(chǎn)過程中的質(zhì)量監(jiān)控，若加香后煙絲的氣味指紋數(shù)據(jù)超出了可接受氣味指紋模型，表示其品質(zhì)不符合要求，藉以作為調(diào)整加香過程參數(shù)和監(jiān)督加香工序的參考。通過監(jiān)控發(fā)現(xiàn)，同一批次的加香后煙絲氣味在不同取樣點(diǎn)的均勻性一般(圖3)，有的取樣點(diǎn)加香后煙絲的氣味指紋數(shù)據(jù)超出了可接受氣味指紋模型范圍。為了改善加香后煙絲不同取樣點(diǎn)的均勻性，增加了加香后煙絲在貯絲柜的貯存時(shí)間，發(fā)現(xiàn)加香后煙絲在貯絲柜貯存4 h后，可以明顯改善加香后煙絲氣味的均勻性(圖4)，使加香后煙絲的氣味指紋數(shù)據(jù)落在可接受氣味指紋模型范圍內(nèi)。這主要是因?yàn)榧酉愫鬅熃z在貯絲柜貯存一定時(shí)間后，能使香精香料充分吸附滲透于煙絲中，使香精香料在整批的煙絲中均勻的擴(kuò)散，提高加香的均勻性，同時(shí)還可以使煙絲的水分和溫度逐漸趨于平衡。

圖1 加香前后煙絲電子鼻檢測(cè)的典型響應(yīng)值曲線Fig.1 Typical response curves of cut tobacco before and after flavoring process

圖2 加香工序前后不同取樣點(diǎn)煙絲氣味的PCA分析Figure 2 PCA graph of cut tobacco in different sampling points before and after flavoring process

2.4 貨架壽命分析加香煙絲氣味對(duì)貯絲柜的貯存時(shí)間變化

圖3 加香后不同取樣點(diǎn)煙絲氣味的質(zhì)量控制分析Figure 3 SQC graph of cut tobacco in different sampling points after flavoring process

圖5顯示了電子鼻貨架壽命分析的加香煙絲氣味對(duì)貯絲柜的貯存時(shí)間變化，考察了貯存時(shí)間對(duì)加香煙絲揮發(fā)性成分的影響。通過對(duì)在 25 ℃貯存不同時(shí)間的加香煙絲進(jìn)行電子鼻檢測(cè)得出：電子鼻可以準(zhǔn)確地區(qū)分不同貨架期的加香煙絲，電子鼻氣味指紋數(shù)據(jù)隨加香煙絲貯存時(shí)間的延長(zhǎng)而減弱，表明加香煙絲揮發(fā)性成分隨著貯存時(shí)間的延長(zhǎng)逐漸減少，尤其是低沸點(diǎn)的香精香料單體散失更多[13-15]。但是加香煙絲隨著貯絲柜的貯存時(shí)間延長(zhǎng)，可以明顯提高和改善加香煙絲氣味的均勻性。綜合考慮，加香煙絲的均勻性和加香煙絲揮發(fā)性成分損失兩個(gè)方面，加香煙絲在貯絲柜的最佳貯存時(shí)間是在 4小時(shí)之后，在此時(shí)間之后，加香煙絲的貯存時(shí)間越短越好。溫度對(duì)貯藏加香煙絲的品質(zhì)影響較顯著，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，貯絲柜溫度升高，電子鼻氣味指紋數(shù)據(jù)隨加香煙絲貯存時(shí)間延長(zhǎng)減弱的趨勢(shì)加速，加速影響貯存加香煙絲的質(zhì)量和風(fēng)味。

圖4 加香后煙絲在貯絲柜貯存4 h后不同取樣點(diǎn)氣味的質(zhì)量控制分析Fig.4 SQC graph of the different sampling points after flavored cut tobacco storage for four hours

圖5 貨架壽命分析加香煙絲氣味隨貯存時(shí)間的變化Fig.5 Shelf life graph of the flavored cut tobacco odor change with the storage time

3 結(jié) 論

煙絲加香是卷煙生產(chǎn)過程中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，煙絲與香料的配比及煙絲受香的均勻度直接影響卷煙內(nèi)在品質(zhì)的穩(wěn)定與否。該文基于電子鼻檢測(cè)技術(shù)和化學(xué)計(jì)量學(xué)方法,研究建立了加香前后煙絲揮發(fā)性組分的人工智能評(píng)價(jià)方法，并用于加香后煙絲揮發(fā)性成分的整體質(zhì)量評(píng)價(jià)。在對(duì)以加香前后煙絲分析中，運(yùn)用氣味指紋分析儀方法，樣品不需要前處理，因而不需要擔(dān)心樣品不同前處理方法中可能造成的風(fēng)味喪失或改變。PCA和SQC分析模型提供了一個(gè)客觀的分析工具，不但能夠有效區(qū)分加香前后的煙絲，而且還能夠有效評(píng)價(jià)煙絲加香的均勻性，對(duì)加香后煙絲的氣味品質(zhì)進(jìn)行生產(chǎn)過程中的質(zhì)量監(jiān)控，得到的分析結(jié)果簡(jiǎn)單、明確，極高的分析速度確保了可以在不同的測(cè)試條件下進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)測(cè)試，并在第一時(shí)間作出正確的決定。

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