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(tuán)）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(jià)主要從兩個(gè)方面進(jìn)行，一方面主要從理論的角度去推導(dǎo)和計(jì)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(jià)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(dú)利用其中一種或幾種特征化合物進(jìn)行加香均勻性的評價(jià)，由于各單項(xiàng)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(xiàng)特征化合物分值之間的相互抵觸等問題，難以得到一個(gè)合理的綜合評價(jià)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(gè)綜合指標(biāo)來代替原來指標(biāo)，利用幾個(gè)較少的綜合指標(biāo)反映原來指標(biāo)的一種統(tǒng)計(jì)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(jià)[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(jià)[29-31]等方面進(jìn)一步拓展應(yīng)用。本文針對煙絲加香工序均勻性評價(jià)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(jià)方法。為制絲加香工序的精細(xì)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(shí)際意義。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料、儀器與試劑

FLT 加香機(jī)( 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(jìn)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(jī)（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(xì)管色譜柱：彈性毛細(xì)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燃淄椤o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(tuán)）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(yùn)行穩(wěn)定后，于加香機(jī)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(shí)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(gè)批次的樣品，共取3個(gè)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(tuán)）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(xiàn)[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(jī)系濾膜過濾，轉(zhuǎn)移到色譜分析瓶中，進(jìn)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(xiàn)[32]，視表香香精樣品濃度，用無水乙醇進(jìn)行稀釋(1-100倍)后，過有機(jī)系濾膜過濾，轉(zhuǎn)移到色譜分析瓶中，進(jìn)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(jìn)樣口溫度：250 ℃；進(jìn)樣量1 μL，分流進(jìn)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(yùn)行時(shí)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(shí)掃描。

1.2.4 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel和SPSS19.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)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(yàn)卷煙加香工序所用表香香精和加香前后的煙絲進(jìn)行前處理，然后進(jìn)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(gè)加香特征化合物評價(jià)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(gè)煙絲樣品，分別進(jìn)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(jìn)行評價(jià)時(shí)，不同的特征物評價(jià)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(yàn)

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(gè)樣品的特征化合物含量情況，每一列代表某一個(gè)特征化合物含量分布。利用SPSS 19.0軟件進(jìn)行主成分分析，可以得到KMO檢驗(yàn)和Bartlett球度檢驗(yàn)結(jié)果（表2）。檢驗(yàn)結(jié)果表明，KMO的檢驗(yàn)值為0.735，KMO值＞0.5；巴特利特（Bartlett）球形檢驗(yàn)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(rèn)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(yàn)

2.3.2 確定主成分個(gè)數(shù)

經(jīng)過KMO和Bartlett檢驗(yàn)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(xiàn)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(xiàn)率

表4 加香特征化合物因子的載荷矩陣

主成分個(gè)數(shù)的確定有2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)：根據(jù)因子的累計(jì)方差貢獻(xiàn)率，一般方差的累計(jì)貢獻(xiàn)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(xiàn)率應(yīng)大于80%的原則提取了2個(gè)主成分，其特征值分別為：λ1=5.015、λ2=1.432，各個(gè)主成分的方差貢獻(xiàn)率分別為76.836%、21.948%，累積貢獻(xiàn)率達(dá)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(gè)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(fù)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(gè)累積貢獻(xiàn)率達(dá)到98.784%的主成分1、2，用F1、F2表示。

2.3.3 主成分表達(dá)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(jì)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(xiàng)原始變量的線性組合表達(dá)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(dá)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(jì)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(jì)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(jià)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(jì)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(yàn)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(jià)方法應(yīng)用驗(yàn)證

為驗(yàn)證基于主成分分析的加香均勻性評價(jià)方法的可行性，選取了同一生產(chǎn)線兩個(gè)不同批次（Ⅱ、Ⅲ）樣品的檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，分析方法分別采用單特征化合物評價(jià)加香均勻性和基于主成分分析的加香均勻性評價(jià)。兩個(gè)批次加香均勻性的單特征化合物評價(jià)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(jià)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(jià)結(jié)果 （μg/g）

續(xù)表9

對兩個(gè)批次的加香變異系數(shù)進(jìn)行對比分析，結(jié)果見圖4。

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

圖4 兩個(gè)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(jì)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(jià)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(jià)方法能較好的評價(jià)加香均勻性。

3 結(jié)論

基于主成分分析的加香均勻性評價(jià)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(shí)際意義。

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