汪顯國，申曉鋒，劉澤，侯英，邱昌桂，何邦華

1紅云紅河煙草（集團）有限責(zé)任公司 技術(shù)中心，云南昆明650202；2云南同創(chuàng)檢測技術(shù)股份有限公司,云南 昆明650106

煙絲加香工序是卷煙生產(chǎn)過程中一道重要工序，加香的準(zhǔn)確性和均勻性直接影響到產(chǎn)品感官質(zhì)量穩(wěn)定性，是影響卷煙產(chǎn)品質(zhì)量的重要因素[1-3]。目前，各卷煙企業(yè)在加香均勻性的評價主要從兩個方面進行，一方面主要從理論的角度去推導(dǎo)和計算加香均勻性[4-6]，一方面從添加到煙絲的煙用香精標(biāo)記物含量的變異系數(shù)來評價施加香精的均勻性[7-9]。但是由于煙用香精香料的化學(xué)成分復(fù)雜，種類極多，且含量微少，單獨利用其中一種或幾種特征化合物進行加香均勻性的評價，由于各單項特征化合物間存在高度相關(guān)性和復(fù)雜的交互作用以及單項特征化合物分值之間的相互抵觸等問題，難以得到一個合理的綜合評價結(jié)果。

主成分分析是將原來眾多具有一定相關(guān)性的指標(biāo)重新組成一組新的互相無關(guān)的幾個綜合指標(biāo)來代替原來指標(biāo)，利用幾個較少的綜合指標(biāo)反映原來指標(biāo)的一種統(tǒng)計方法，已經(jīng)廣泛應(yīng)用在許多領(lǐng)域[10-13],目前正向煙葉質(zhì)量評價[14-16]、卷煙配方[17-19]、烤煙品種比較[20-22]、香精香料質(zhì)量控制[23-25]、土壤生態(tài)指標(biāo)[26-28]、卷煙感官質(zhì)量評價[29-31]等方面進一步拓展應(yīng)用。本文針對煙絲加香工序均勻性評價中存在的多指標(biāo)表征問題，借助主成分分析方法，建立了煙用香精的揮發(fā)性特征化合物整體信息的加香均勻性評價方法。為制絲加香工序的精細化控制提供科學(xué)、全面的技術(shù)支持，對卷煙加工制絲工藝中加香準(zhǔn)確性和均勻性的提高具有實際意義。

1 實驗部分

1.1 材料、儀器與試劑

FLT 加香機( 虹霓設(shè)備有限公司)；7890-5975C氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用儀，配7693自動進樣器(美國Agilent公司)；電子天平（感量：0.1 mg，瑞士Mettler-Toledo公司）；超聲波清洗機（德國Elma公司）；振蕩器（金壇市金南儀器廠）；旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀（瑞士步琦公司）；毛細管色譜柱：彈性毛細管柱HP-5MS柱（30m×0.25mm×0.25μm）。

云煙品牌某規(guī)格卷煙配方煙絲及該規(guī)格卷煙專用表香香精。

標(biāo)準(zhǔn)品：異戊酸異戊酯（CAS:659-70-1，日本東京化成工業(yè)株式會社），薄荷醇（CAS:89-78-1，美國Chemservice公司），呋喃酮（CAS:3658-77-3）、麥芽酚（CAS:118-71-8）、乙基麥芽酚（CAS:4940-11-8）、5-羥甲基糠醛（CAS:67-47-0）、茴香腦（CAS:104-46-1）、萘（CAS：91-20-3）均購自美國Sigma公司，以上標(biāo)準(zhǔn)品純度均不低于99%。色譜純?nèi)軇憾燃淄?、無水乙醇、甲基叔丁基醚、正己烷。

1.2 方法

1.2.1 取樣方法

煙絲樣品取自紅云紅河煙草（集團）有限責(zé)任公司昆明卷煙廠制絲車間加香工序。待加香設(shè)備運行穩(wěn)定后，于加香機滾筒出口后3米內(nèi)某固定位置采煙絲樣品，每批次取樣30次，每次取樣間隔時間90秒，每次取樣質(zhì)量為100 g，將其置于密封袋中；每天只取一個批次的樣品，共取3個對應(yīng)批次（編號Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ），作為加香均勻性測定的樣品。將樣品煙絲在溫度(22±2)℃和相對濕度(60±5)%的環(huán)境下平衡24 h，待測。

煙用香精取自紅云紅河煙草（集團）有限責(zé)任公司香精香料室。

1.2.2 樣品前處理

煙絲樣品：樣品前處理的方法參照文獻[9]，具體如下：稱取煙絲樣品15.0 g（精確至0.1 mg）于250 mL錐形瓶中，準(zhǔn)確加入100 mL二氯甲烷萃取液，輕搖萃取瓶，濕潤浸沒試樣，靜置不超過25 min，加蓋密封后以180 r/min轉(zhuǎn)速振蕩萃取30 min。過濾，合并濾液，用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀減壓濃縮至不足1.0 mL，加入10 μL萘內(nèi)標(biāo)(5 g/L)，定容至1.0 mL。再將其通過有機系濾膜過濾，轉(zhuǎn)移到色譜分析瓶中，進氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀分析。

表香香精樣品：根據(jù)參考文獻[32]，視表香香精樣品濃度，用無水乙醇進行稀釋(1-100倍)后，過有機系濾膜過濾，轉(zhuǎn)移到色譜分析瓶中，進氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀分析。

1.2.3 氣相色譜-質(zhì)譜條件

煙絲樣品和表香香精樣品的氣相色譜-質(zhì)譜條件一致，具體如下：

載氣：氦氣，載氣流速：1.0 mL/min；進樣口溫度：250 ℃；進樣量1 μL，分流進樣，分流比20:1；程序升溫：初溫：50℃保持1 min，以8 ℃/min速率升至160 ℃，保持2 min，再以8 ℃/min速率升至280 ℃，保持15 min，總運行時間45 min。

檢測器：質(zhì)譜檢測器；溶劑延遲：2 min；電離電壓：70 ev；離子源溫度：230 ℃；傳輸線溫度：280 ℃；掃描離子范圍：35～450 amu；質(zhì)譜掃描方式：SCAN/SIM同時掃描。

1.2.4 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel和SPSS19.0軟件進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 加香特征化合物的確定

加香特征化合物選擇的原則是煙葉中不存在或含量很低、主要通過加香環(huán)節(jié)添加、且容易被提取出來分析的化合物。采用振蕩萃取法對試驗卷煙加香工序所用表香香精和加香前后的煙絲進行前處理，然后進行GC/MS分析，結(jié)果如圖所示，表香中含有呋喃酮、異戊酸異戊酯、麥芽酚、薄荷醇、乙基麥芽酚、茴香腦等六種特征化合物，煙絲基質(zhì)中（未加香前煙絲）雖然含有呋喃酮、薄荷醇、麥芽酚和乙基麥芽酚等四種化合物，但是含量較低，且通過加香后這四種化合物增加較多，因此，依照特征化合物選取原則，確定呋喃酮、異戊酸異戊酯、麥芽酚、薄荷醇、乙基麥芽酚、茴香腦等六種化合物為此次表征加香工序均勻性的特征化合物。

圖1 云煙A牌號未加香煙絲樣品的總離子流圖

圖2 云煙A牌號加香后煙絲樣品的總離子流圖

圖3 云煙A牌號專用表香香精的總離子流圖

2.2 單個加香特征化合物評價加香均勻性的效果

選取A品牌卷煙同一批次（批次Ⅰ）的30個煙絲樣品，分別進行樣品預(yù)處理和氣相色譜-質(zhì)譜分析，測定其中加香特征化合物的含量（見表1）。

結(jié)果表明，該批煙絲樣品加香特征化合物的變異系數(shù)（CV）中，最高的異戊酸異戊酯為24.89%、最低的乙基麥芽酚為9.87%，其它在12.63%～17.66%之間，因此，采用單一的加香特征化合物對同一批次樣品加香均勻性進行評價時，不同的特征物評價結(jié)果相差很大。

表1 同一批次A品牌煙絲樣品中6種加香特征化合物的含量 （μg/g）

續(xù)表1

2.3 主成分分析

2.3.1 適合度檢驗

選取表1中的數(shù)據(jù)，建立30×6數(shù)據(jù)矩陣，其中矩陣的每一行代表某一個樣品的特征化合物含量情況，每一列代表某一個特征化合物含量分布。利用SPSS 19.0軟件進行主成分分析，可以得到KMO檢驗和Bartlett球度檢驗結(jié)果（表2）。檢驗結(jié)果表明，KMO的檢驗值為0.735，KMO值＞0.5；巴特利特（Bartlett）球形檢驗給出的相伴概率為0.000，小于顯著性水平0.05。因此，應(yīng)該拒絕零假設(shè)，認為相關(guān)系數(shù)數(shù)據(jù)不可能是單位陣，即原始變量之間存在相關(guān)性，適合于作主成分分析。

表2 KMO和Bartlett的檢驗

2.3.2 確定主成分個數(shù)

經(jīng)過KMO和Bartlett檢驗之后，需要求出綜合后的新指標(biāo)。表3反映的是加香特征化合物協(xié)方差矩陣的特征值和貢獻率，表4反映的是加香特征化合物因子的載荷矩陣。

表3 加香特征化合物因子特征值和貢獻率

表4 加香特征化合物因子的載荷矩陣

主成分個數(shù)的確定有2個標(biāo)準(zhǔn)：根據(jù)因子的累計方差貢獻率，一般方差的累計貢獻率應(yīng)在80%以上或根據(jù)特征值大小確定。本文根據(jù)主成分累積貢獻率應(yīng)大于80%的原則提取了2個主成分，其特征值分別為：λ1=5.015、λ2=1.432，各個主成分的方差貢獻率分別為76.836%、21.948%，累積貢獻率達98.784%＞80%，他們已經(jīng)代表了加香特征化合物98.784%的信息。

表4中每一個載荷量表示主成分與對應(yīng)變量的相關(guān)系數(shù)，加香特征化合物因子的載荷矩陣負荷越大，說明主成分對該變量的代表性越大。

根據(jù)主成分確定方法，綜合表3和表4的信息，得到前兩個累積貢獻率達到98.784%的主成分1、2，用F1、F2表示。

2.3.3 主成分表達式

由表4的數(shù)據(jù)和特征值λ1、λ2確定主成分向量，見表5。

表5 主成分向量

根據(jù)回歸法計算得到主成分向量，將得到的主成分向量與原始數(shù)據(jù)相乘，就可得出主成分與6項原始變量的線性組合表達式：

式中X1為呋喃酮、X2為異戊酸異戊酯、X3為麥芽酚、X4為薄荷醇、X5為乙基麥芽酚、X6為茴香腦。

F1、F2的表達式為表5的主成分向量1、2分別與表1中各加香特征化合物原始數(shù)據(jù)的線性組合。

2.3.4 主成分得分及綜合得分值

由F1、F2方程結(jié)合表1中各煙絲樣品加香特征化合物的原始數(shù)據(jù)計算得到主成分得分值。然后根據(jù)主成分的特征值來確定綜合得分中主成分得分的權(quán)重，并以此建立各煙絲樣品的綜合得分模型：F=76.836%F1+21.948%F2。根據(jù)主成分綜合模型即可計算綜合得分值，如表6所示。

表6 主成分得分和綜合得分值

續(xù)表6

為了直觀地評價加香均勻性，并且便于不同批次、不同設(shè)備間加香均勻性的比較，采用均勻性系數(shù)（CU）CU=1-CV來表征加香均勻性，CU值愈大說明加香樣品混合的均勻性愈高。

根據(jù)表6的綜合得分值計算出均勻性系數(shù)，結(jié)果見表7。

表7 加香工序加香綜合得分值的均勻性系數(shù)

由表7可知，根據(jù)主成分分析法得到的加香均勻性表征方程，試驗批次樣品加香均勻性綜合得分的變異系數(shù)CV值為13.81%，均勻性系數(shù)CU為86.19%。

2.4 基于主成分分析的加香均勻性評價方法應(yīng)用驗證

為驗證基于主成分分析的加香均勻性評價方法的可行性，選取了同一生產(chǎn)線兩個不同批次（Ⅱ、Ⅲ）樣品的檢測數(shù)據(jù)進行分析，分析方法分別采用單特征化合物評價加香均勻性和基于主成分分析的加香均勻性評價。兩個批次加香均勻性的單特征化合物評價結(jié)果見表8和表9。

表8 批次Ⅱ加香均勻性的單特征化合物評價結(jié)果 （μg/g）

續(xù)表8

表9 批次Ⅲ加香均勻性的單特征化合物評價結(jié)果 （μg/g）

續(xù)表9

對兩個批次的加香變異系數(shù)進行對比分析，結(jié)果見圖4。

由圖4可知，批次Ⅱ各項特征化合物均勻性系數(shù)均高于批次Ⅲ。對兩個批次采用基于主成分分析的評價方法進行加香均勻性評價，根據(jù)主成分綜合模型計算得到的綜合得分值見表10。

圖4 兩個批次的加香均勻性系數(shù)對比分析結(jié)果

表10 批次Ⅱ和Ⅲ樣品主成分得分和綜合得分值

由表10可知，通過計算綜合得分，批次Ⅱ的均勻性系數(shù)為89.74%，批次Ⅲ的均勻性系數(shù)為90.28%。批次Ⅲ的加香均勻性優(yōu)于批次Ⅱ，這與單特征化合物評價的結(jié)果一致。因此，采用基于主成分分析的加香均勻性評價方法能較好的評價加香均勻性。

3 結(jié)論

基于主成分分析的加香均勻性評價方法的應(yīng)用避免了多指標(biāo)表征加香均勻性結(jié)果不一致，批間加香均勻性差別無法量化的問題，其研究結(jié)果對卷煙制絲工藝中加香的準(zhǔn)確性和均勻性的提高具有實際意義。

[1]陳良元.煙草生產(chǎn)工藝技術(shù)[M].鄭州：河南科學(xué)技術(shù)出版社,2002.

[2]毛多斌,張魁嶺,賈春曉.煙草香味化學(xué)[M].鄭州：河南科學(xué)技術(shù)出版社,2002.

[3]陳玲,李劍政,楊文彬.應(yīng)用加速溶劑萃取法分離煙絲致香成分[J].分析測試學(xué)報,2007,26(z1):296-299.

[4]劉澤春，黃華發(fā)，洪偉齡，等.過程能力分析在卷煙加料均勻性評價中的應(yīng)用［J］.煙草科技， 2010( 10):5-7, 21

[5]韓航航，陳紀(jì)壽，吳子一.“雙壁兩點噴射法”加香系統(tǒng)的設(shè)計［C］.中國煙草學(xué)會工業(yè)專業(yè)委員會煙草化學(xué)學(xué)術(shù)研討會論文集, 2002.

[6]廖惠云，張映，郝喜良.卷煙制絲加料工序均勻性的評價與控制［J］，煙草科技, 2008( 8): 5-7.

[7]王文領(lǐng)，馬宇平，趙志偉，等.評價卷煙加香均勻性的方法［J］.煙草科技，2003( 9) : 19-22.

[8]廖惠云，張映，熊曉敏,等. 基于標(biāo)志物含量的變化表征卷煙制絲加香均勻性［J］，煙草科技， 2010( 10):5-11.

[9]夏啟東，何邦華，侯英，等. 氣相色譜質(zhì)譜法測定6種加香目標(biāo)物質(zhì)的含量及對煙絲加香均勻性的評價[J]，分析測試學(xué)報，2012,31(7):816-822.

[10]戴素賢，謝赤軍，陳棟，等七種高香型烏龍茶香氣成分的主成分分析[J].華南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報,1999,20（1）：113-117.

[11]楊堅.童華榮.賈利蓉豆腐乳感官和理化品質(zhì)的主成分分析[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報 2002,18(2):131-135.

[12]姚治君.劉寶勤.高迎春基于區(qū)域發(fā)展目標(biāo)下的水資源承載能力研究[J].水科學(xué)進展,2005,(1):109-113.

[13]鮑艷,胡振琪,柏玉,等.主成分聚類分析在土地利用生態(tài)安全評價中的應(yīng)用[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報 2006,22(8):87-90.

[14]馬京民,劉國順,時向東,等.主成分分析和聚類分析在煙葉質(zhì)量評價中的應(yīng)用[J].煙草科技, 2009,(7):57-60.

[15]李國棟，胡建軍，周冀衡，等.基于主成分和聚類分析的烤煙化學(xué)品質(zhì)綜合評價[J].煙草科技, 2008,(12):5-9.

[16]葉協(xié)鋒,魏躍偉，楊字熙,等.基于主成分分析和聚類分析的烤煙質(zhì)量評價模型構(gòu)建[J].農(nóng)業(yè)系統(tǒng)科學(xué)與綜合研究, 2009,25(3):268-271.

[17]蘇勇,劉強,彭黎明,等.主成分分析和聚類分析在配方模塊中的應(yīng)用[J].煙草科技, 2005,(6):3-5.

[18]王家俊,袁洪福，陳劍明,等. 多變量分析法結(jié)合近紅外光譜表征卷煙配方的過程質(zhì)量[J].煙草科技,2006,(10):5-9.

[19]李慶華，陳國輝，段姚俊,等. 基于PCA—MD分類法的云煙系列卷煙風(fēng)格表征及品質(zhì)維護[J].煙草科技,2009,(4):5-8.

[20]肖炳光，張燕春，盧秀萍，等. 烤煙品種主成分分析和聚類分析[J].種子，2000,108（2）：27-29.

[21]趙銘欽,王玉勝，劉國順，等.SPSS軟件在烤煙品種綜合評價中的應(yīng)用[J].中國農(nóng)學(xué)通報, 2006，10:128-130.

[22]王軍, 朱忠彬, 葉建軍，等. 基于多元統(tǒng)計分析的烤煙新品系綜合評價[J]. 貴州農(nóng)業(yè)科學(xué),2010, 38(7):69-71.

[23]黃世杰，陳志燕，蔣宏霖，等.主成分分析法在煙用香精質(zhì)量控制中的應(yīng)用[J].煙草科技, 2009(8):31-34.

[24]李蓉,曹慧君,李曉寧. 煙用香精香料的氣相色譜特征指紋圖譜分類研究[J].化工時刊, 2007，21(8):45-48.

[25]趙日利，于宏曉，宗兆奇，等. 歐馬距離法在香料指紋圖譜模式識別中的應(yīng)用[J].煙草科技, 2011,2:52-57.

[26]王暉，丁偉，許自成，等.貴州煙區(qū)紫色土養(yǎng)分狀況的綜合評價[J].貴州農(nóng)業(yè)科學(xué), 2006,34(6):55-57.

[27]沈笑天，介曉磊，劉國順，等.河南南陽煙區(qū)土壤生態(tài)指標(biāo)的主成分分析[J].土壤通報,2008(2):275-280.

[28]陳海生,魏躍偉,劉國順,等.河南省烤煙種植區(qū)土壤綜合肥力評價[J].水土保持研究, 2011,18(3):131-136.

[29]林永明，許健，李忠任,等.香煙評吸質(zhì)量指標(biāo)的主成分和聚類分析[J].農(nóng)業(yè)網(wǎng)絡(luò)信息, 2009，8:119-120.

[30]廖頭根，黃立斌，李先毅，等. 主成分分析方法在烤煙型卷煙感官舒適度評價中的應(yīng)用[J].食品工業(yè),2007(8):76-79.

[31]趙華武，賀帆，李祖良，等. 基于主成分分析法的烤煙香氣品質(zhì)評價模型構(gòu)建[J].西北農(nóng)業(yè)學(xué)報,2012,21(2):88-93.

[32]蔣次清，楊洪明，王璐，等. 氣質(zhì)聯(lián)用儀分析煙用香精的幾種方法比較[J].分析測試學(xué)報, 2017,26:88-93.