李登科，田 楠，田志章，吳若昕，馬立超，邢立霞，張春濤

（上海煙草集團(tuán)有限責(zé)任公司技術(shù)中心 天津工作站，天津300163）

卷煙風(fēng)格特征是煙草制品的重要指標(biāo)，是人的生理感官對(duì)煙草香氣和吃味的綜合感受。作為參與卷煙燃燒的最重要的物質(zhì)，卷煙煙絲的化學(xué)組成及其含量很大程度上決定了卷煙品質(zhì)的好壞［1］。關(guān)于卷煙風(fēng)格特征的剖析常用對(duì)比分析［2］、多元聚類方法［3］和主成分分析法［4］以及判別分析［5］等方法。卷煙揮發(fā)性有機(jī)物主要來源于煙草成分、外加香料及加工過程中的反應(yīng)產(chǎn)物。近年來，基于揮發(fā)性有機(jī)物的卷煙風(fēng)味評(píng)價(jià)方法研究已有較多報(bào)道［6－9］，主要分析技術(shù)有動(dòng)態(tài)頂空分析［10－11］、吹掃捕集/氣相色譜－質(zhì)譜聯(lián)用法［12］、熱脫附/氣相色譜－質(zhì)譜聯(lián)用法［13］、固相微萃取/氣相色譜－質(zhì)譜聯(lián)用［14］、氣相色譜－串聯(lián)質(zhì)譜法［15］等，但這些技術(shù)存在前處理過程復(fù)雜、耗時(shí)較長(zhǎng)、分離度低等諸多問題。因此，建立一種準(zhǔn)確、簡(jiǎn)便、經(jīng)濟(jì)高效的卷煙揮發(fā)性有機(jī)物的分析方法，對(duì)于剖析卷煙風(fēng)格、提升產(chǎn)品品質(zhì)具有重要意義。

頂空氣相－離子遷移譜（HS－GC－IMS）技術(shù)是基于氣相色譜中不同離子在電場(chǎng)中遷移速率的差異對(duì)離子進(jìn)行標(biāo)識(shí)的一項(xiàng)分析技術(shù)，響應(yīng)信號(hào)經(jīng)氣相色譜預(yù)分離后，可得到顯著改善并能對(duì)物質(zhì)精準(zhǔn)定性。該技術(shù)具有分辨率和靈敏度高、分析高效、操作簡(jiǎn)便、可視化程度高等諸多優(yōu)勢(shì)［16－18］，適用于揮發(fā)性及半揮發(fā)性物質(zhì)的痕量分析檢測(cè)，已應(yīng)用于藥品、食品及化妝品等領(lǐng)域［19－23］。相對(duì)氣味活度值法（ROAV）是一種評(píng)價(jià)不同感覺閾值化合物對(duì)整體香氣貢獻(xiàn)程度的新方法，已被用于食品中關(guān)鍵風(fēng)味化合物的鑒別［24－26］，但在卷煙風(fēng)格分析、品質(zhì)檢測(cè)方面鮮有報(bào)道。

本研究選取5款不同風(fēng)格的市售卷煙產(chǎn)品，采用HS－GC－IMS技術(shù)對(duì)卷煙中的揮發(fā)性成分進(jìn)行分析，并通過ROAV法確定了不同香氣化合物的貢獻(xiàn)值，反映出不同卷煙產(chǎn)品的風(fēng)格特征，為卷煙產(chǎn)品風(fēng)格設(shè)計(jì)和維護(hù)提供了理論依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與設(shè)備

材料：5款市售卷煙產(chǎn)品，依次編號(hào)為A、B、C、D、E。

設(shè)備：FlavourSpec?頂空氣相-離子遷移譜，配有CTC自動(dòng)頂空進(jìn)樣器、Laboratory Analytical Viewer（LAV）分析軟件及GC×IMS Library Search Software定性軟件，德國(guó)G.A.S公司產(chǎn)品。

1.2 樣品前處理

分別取出5款市售卷煙產(chǎn)品煙絲，低溫研磨成固體粉末并過40目篩；隨后每個(gè)樣品各取0.5 g置于20 mL頂空進(jìn)樣瓶中，待上機(jī)檢測(cè)。各樣品同時(shí)做3次平行試驗(yàn)。

1.3 樣品分析及數(shù)據(jù)處理

儀器頂空自動(dòng)進(jìn)樣單元、氣相色譜單元及離子遷移譜單元的參數(shù)條件如表1所示。

表1 頂空氣相－離子遷移譜參數(shù)條件Table 1 Parameters of HS－GC－IMS

采用Laboratory Analytical Viewer（LAV）分析軟件查看離子遷移譜圖；應(yīng)用NIST數(shù)據(jù)庫(kù)和IMS數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)物質(zhì)進(jìn)行定性分析；采用Gallery Plot插件得出樣品指紋圖譜并分析不同樣品間的揮發(fā)性有機(jī)物差異；采用Dynamic PCA插件進(jìn)行主成分分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同卷煙產(chǎn)品揮發(fā)性物質(zhì)的頂空氣相－離子遷移譜圖

卷煙樣品經(jīng)HS－GC－IMS分析生成三維信息譜圖，進(jìn)行降維處理后可得到樣品的HS－GC－IMS二維譜圖（俯視圖），如圖1所示。圖中縱坐標(biāo)為氣相色譜的保留時(shí)間，橫坐標(biāo)為離子遷移時(shí)間，圖譜的整個(gè)背景為藍(lán)色，橫坐標(biāo)1.0處紅色豎線為反應(yīng)離子峰（RIP峰），RIP峰兩側(cè)的每一個(gè)點(diǎn)代表一種揮發(fā)性有機(jī)物。顏色代表物質(zhì)的濃度，白色表示濃度較低，紅色表示濃度較高，顏色越深表示濃度越大。可以看出，卷煙產(chǎn)品中揮發(fā)性成分在30 min內(nèi)可實(shí)現(xiàn)GC分離，在IMS單元也有較好的分離度。不同風(fēng)格卷煙產(chǎn)品中的揮發(fā)性物質(zhì)較為復(fù)雜，檢出的化合物種類大致相同，但不同化合物含量之間存在一定差異，而其含量的差異性對(duì)卷煙風(fēng)味具有決定性影響。

圖1 5個(gè)卷煙產(chǎn)品的頂空氣相－離子遷移譜圖（俯視圖）Fig.1 HS－GC－IMS topographic plots of five cigarette samples（top view）

2.2 不同卷煙產(chǎn)品揮發(fā)性物質(zhì)含量分析

利用HS－GC－IMS內(nèi)置的NIST氣相保留指數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)與G.A.S的IMS遷移時(shí)間數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行二維定性和初步定量，發(fā)現(xiàn)B卷煙產(chǎn)品揮發(fā)性物質(zhì)的總體釋放量最多，而E卷煙產(chǎn)品最少。針對(duì)定性出的44種化合物計(jì)算相對(duì)含量，結(jié)果如表2所示。結(jié)果表明，檢出的揮發(fā)性物質(zhì)主要由酯類、醛類、醇類、酮類構(gòu)成，是形成卷煙特征香氣的重要組成，另有少量酸類、噻吩類和吡嗪類物質(zhì)。其中，酯類化合物含量最高，醛類和酮類化合物含量次之，醇類占比較小。這些化合物有的來自煙草中萜烯類物質(zhì)的降解，有的是美拉德反應(yīng)的產(chǎn)物，有的來自葉綠素和木質(zhì)素的降解，也有的來自香精香料的添加等。不同化合物呈現(xiàn)出不同香韻特征［27］。

表2 5款卷煙產(chǎn)品中揮發(fā)性物質(zhì)測(cè)定結(jié)果Table 2 Qualitative results of volatile organic compounds in 5 cigarette samples

(續(xù)表2)

5款卷煙產(chǎn)品中的化合物含量分布存在一定的相似性，6-甲基-5-庚烷-2-酮、肉桂酸甲酯、糠醛、乙醇、丁醛、丙酮等含量普遍較高。但每款卷煙產(chǎn)品又有其獨(dú)特的含量較高的成分，如在B款卷煙產(chǎn)品中，煙酸甲酯含量高于其他卷煙產(chǎn)品，C款卷煙中乙酸乙酯和壬醛的含量高于其他卷煙產(chǎn)品，而D樣品中大馬士革酮含量較其他幾款卷煙高。

2.3 相對(duì)氣味活度值（ROAV）計(jì)算

由于化合物化學(xué)組成、分子結(jié)構(gòu)、動(dòng)物鼻腔嗅覺受體細(xì)胞對(duì)化合物特異性結(jié)合程度等因素的差異，人們對(duì)于不同化合物的嗅覺敏感性差異很大，通常把人能感受到某種物質(zhì)的最低濃度稱為感覺閾值。濃度一定時(shí)，感覺閾值越低的化合物越容易被感知；感覺閾值一定時(shí)，濃度越高的化合物越容易被感知。同一化合物在不同介質(zhì)中的感覺閾值會(huì)有所區(qū)別［28］。氣味活度值（OAV）是指嗅感物質(zhì)的絕對(duì)濃度（C）與其感覺閾值（T）之比，可以對(duì)化合物的風(fēng)味貢獻(xiàn)進(jìn)行相對(duì)客觀的評(píng)價(jià)：

但是由于樣品揮發(fā)性物質(zhì)較多，絕對(duì)定量比較復(fù)雜，對(duì)樣品中關(guān)鍵物質(zhì)的考察可以依據(jù)這些化合物的相對(duì)百分含量（C%）進(jìn)行分析。對(duì)于同一實(shí)驗(yàn)所檢出的不同組分，C、C%近似相等，即：

一般當(dāng)OAV＞1時(shí)，該組分對(duì)總體風(fēng)味有直接影響。但鑒于揮發(fā)性物質(zhì)較多，為便于考察不同化合物之間對(duì)風(fēng)味的貢獻(xiàn)度差異，本研究建立相對(duì)氣味活度值（ROAV）的概念對(duì)風(fēng)味進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。選取對(duì)樣品總體風(fēng)味貢獻(xiàn)最大的組分（即OAV值最大的化合物）定義為stan，其相對(duì)氣味活度值（ROAVstan）為100，其他組分的相對(duì)氣味活度值則為：

式中，ROAVA為A組分的相對(duì)氣味活度值；OAVA為A組分的氣味活度值，由其濃度（CA）和感覺閾值（TA）根據(jù)式（1）計(jì)算而得；OAVstan為化合物stan的氣味活度值，由其濃度（Cstan）和感覺閾值（Tstan）根據(jù)式（1）計(jì)算而得；由公式（1）、（2）和（3）可得：

式中，（C%）A為A組分的相對(duì)百分含量；（C%）stan為stan組分的相對(duì)百分含量；Tstan為stan組分的感覺閾值；TA為A組分的感覺閾值。

因此，所有組分ROAV≤100，且ROAV越大的組分對(duì)樣品總體風(fēng)味的貢獻(xiàn)越大。

當(dāng)揮發(fā)性物質(zhì)ROAV≥1時(shí)，認(rèn)為其對(duì)卷煙香氣風(fēng)格有直接影響，是卷煙主要及關(guān)鍵揮發(fā)性物質(zhì)；當(dāng)揮發(fā)性物質(zhì)0.1≤ROAV＜1時(shí)，認(rèn)為其對(duì)于卷煙香氣風(fēng)格具有重要的修飾作用，可輔助和增強(qiáng)部分風(fēng)味物質(zhì)的呈味特性［24］，當(dāng)ROAV＜0.1時(shí)，認(rèn)為其對(duì)卷煙香氣風(fēng)格貢獻(xiàn)很小。盡管香氣化合物之間還存在協(xié)同或抑制效應(yīng)，但利用氣味活度值評(píng)估香氣化合物對(duì)卷煙香氣的貢獻(xiàn)仍然不失為一種有效的方法［29］。

對(duì)5個(gè)卷煙產(chǎn)品中查詢到感覺閾值（T）［28］的各化合物進(jìn)行ROAV計(jì)算，結(jié)果如表3所示。結(jié)果表明，經(jīng)ROAV計(jì)算，卷煙產(chǎn)品中不同化合物對(duì)卷煙香氣風(fēng)格的貢獻(xiàn)更加客觀。對(duì)ROAV的分布進(jìn)行匯總，可反映出對(duì)卷煙風(fēng)格有決定性影響和修飾作用的化合物數(shù)量，結(jié)果如表4所示?？梢钥闯觯珽卷煙產(chǎn)品中的關(guān)鍵特征香氣物質(zhì)種類最多，不同化合物之間的含量和ROAV的差異會(huì)對(duì)其最終風(fēng)格有交互影響；D卷煙產(chǎn)品中的關(guān)鍵特征香氣物質(zhì)種類最少，風(fēng)格特征更加突出。

表3 5款卷煙產(chǎn)品中揮發(fā)性物質(zhì)的ROAV值Table 3 ROAV of volatile organic compounds in 5 cigarette samples

表4 5種卷煙產(chǎn)品中化合物的ROAV分布Table 4 ROAV distribution in 5 cigarette samples

2.4 卷煙特征香氣剖析

2.4.1 ROAV＞1物質(zhì)對(duì)特征香氣的貢獻(xiàn)綜合考察各卷煙產(chǎn)品的化合物及其ROAV值，結(jié)果表明，在A、B、C、D 4款卷煙中，糠硫醇的ROAV值最高，為風(fēng)味貢獻(xiàn)最突出的化合物?？妨虼荚跓煵葜芯哂袧庥舻慕固鹣?，透發(fā)性強(qiáng)，留香持久，塑造了上述4款卷煙香氣強(qiáng)烈的焦甜香的風(fēng)格特征。而對(duì)于E卷煙產(chǎn)品，ROAV值最高的為1-辛烯-3-酮，塑造了該卷煙產(chǎn)品特有的壤香/蘑菇香的風(fēng)格特征。

對(duì)于A、B、C 3款卷煙產(chǎn)品，1-辛烯-3-酮、呋喃醇、3-甲基丁醛的ROAV值均＞1，為卷煙風(fēng)格增添了較為顯著的壤香、可可香和堅(jiān)果香，尤其是呋喃醇具有明顯的協(xié)調(diào)煙香、掩蓋雜氣、改善吃味的作用，常在卷煙調(diào)香中應(yīng)用，以提升卷煙透發(fā)性。C卷煙中乙酸異戊酯也貢獻(xiàn)了較高的香蕉、蘋果樣的水果香氣。D卷煙中ROAV＞1的物質(zhì)僅糠硫醇一種，表明該卷煙產(chǎn)品屬于典型的焦甜香特征，在配方設(shè)計(jì)上予以了著重強(qiáng)化。E卷煙產(chǎn)品中ROAV＞1的物質(zhì)種類較多，使卷煙香氣風(fēng)格更加豐富，其中3-甲基丁醛、乙酸異戊酯、2-甲基丁醛的ROAV值較高，為卷煙提供了充沛的堅(jiān)果香及水果香；壬醛、苯乙醛、乙酸正己酯、丁醛等物質(zhì)ROAV值次之，為卷煙風(fēng)格貢獻(xiàn)了一定的玫瑰香氣及柑橘等清甜的果香氣息。

2.4.2 0.1＜ROAV＜1物質(zhì)對(duì)特征香氣的貢獻(xiàn)0.1＜ROAV＜1的物質(zhì)在卷煙香氣風(fēng)格中主要起一定的修飾作用，烘托主要香氣特征。A、B、C 3款卷煙產(chǎn)品中0.1＜ROAV＜1的物質(zhì)比較相似，主要包括乙酸異戊酯、壬醛、苯乙醛、乙酸乙酯等醛類和酯類，這些物質(zhì)能夠?yàn)榫頍燂L(fēng)格提供一定的花香及水果香等青香氣息，使卷煙風(fēng)格更加豐富協(xié)調(diào)。D卷煙產(chǎn)品中介于此間的物質(zhì)包括1-辛烯-3-酮、呋喃醇、乙酸異戊酯，可為卷煙修飾一定的壤香、可可香以及少許水果香氣。E卷煙產(chǎn)品的2-辛醇則為卷煙提供了一定的脂蠟香氣息，清新而獨(dú)特。

2.4.3 其他物質(zhì)對(duì)特征香氣的貢獻(xiàn)值得關(guān)注的是，某些化合物雖然未查閱到相關(guān)感覺閾值數(shù)據(jù)，但根據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，其對(duì)卷煙香氣風(fēng)格特征仍具有重要影響。如煙酸甲酯在B卷煙產(chǎn)品中的含量遠(yuǎn)高于其他幾款卷煙產(chǎn)品，其特有的暖濃的藥草香和清淡的煙草香氣，為卷煙帶來與眾不同的香氣風(fēng)格特征。而大馬士革酮在D卷煙產(chǎn)品中含量很高，其中α-大馬士革酮具有獨(dú)特的梅子味，而β-大馬士革酮?jiǎng)t具有典型的玫瑰花香，這也為D卷煙品牌帶來特有的香氣風(fēng)格。肉桂酸甲酯和己酸乙酯在各卷煙中含量也較高，它們具有菠蘿果香或草莓、葡萄香等，能夠賦予卷煙較為濃郁的水果香韻。而糠酸甲酯在A、E卷煙產(chǎn)品中含量較高，具有櫻桃、梅青等香氣，也在卷煙香氣風(fēng)格中具有一定的貢獻(xiàn)度。

綜合剖析卷煙特征香氣化合物的貢獻(xiàn)，結(jié)果表明：A、B、C卷煙產(chǎn)品主要為焦甜香伴有壤香、可可香、堅(jiān)果香等香氣特征，但C卷煙產(chǎn)品可可香相對(duì)較為濃郁，B次之，A相對(duì)較低，同時(shí)3款卷煙產(chǎn)品中均有花香、水果香等青香型香氣作為修飾；B卷煙產(chǎn)品同時(shí)呈現(xiàn)出特有的藥草香。D卷煙產(chǎn)品則呈現(xiàn)出典型的焦甜香，同時(shí)烘托出梅子香及花香等風(fēng)格特征；E卷煙產(chǎn)品則主要呈現(xiàn)壤香/蘑菇香伴有水果香、花香、堅(jiān)果香等香氣特征。

3 結(jié)論

本研究以5款市售卷煙產(chǎn)品為研究對(duì)象，基于HS－GC－IMS分析技術(shù)，通過指紋圖譜分析及相對(duì)氣味活度值法（ROAV）等手段，分析了不同卷煙特征香氣物質(zhì)的含量和分布特征，同時(shí)剖析了對(duì)卷煙香氣風(fēng)格具有重要影響和修飾作用的物質(zhì)，綜合評(píng)價(jià)了不同卷煙的風(fēng)格特征。本研究對(duì)卷煙品質(zhì)控制、質(zhì)量評(píng)價(jià)和感官品質(zhì)控制等具有積極的推動(dòng)作用。