基于氣相離子遷移譜技術(shù)的加香工藝研究

張榮亞，文 武，劉 洋，溫若愚，劉民昌，楊小琴，曾正蓉，何玲英，吉笑盈，李天笑，朱貝貝

（四川中煙工業(yè)有限責(zé)任公司技術(shù)中心，四川成都 610066）

加香工序的參數(shù)適配性直接決定了香精在最終卷煙產(chǎn)品中的作用效果。其中，排潮風(fēng)速的大小會(huì)直接影響香精在煙絲中的施加效果，其對(duì)揮發(fā)性香味成分的影響尤其顯著。

氣相離子遷移譜即Gas Chromatography-Ion Mobility Spectrometry（GC-IMS），是結(jié)合了氣相色譜和離子遷移譜的新型檢測(cè)技術(shù)，在揮發(fā)性香味成分的檢測(cè)方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)[1-3]。該檢測(cè)技術(shù)克服了離子遷移譜檢測(cè)分離度較差的缺點(diǎn)，待檢測(cè)物質(zhì)先經(jīng)過氣相色譜預(yù)分離后，再經(jīng)離子遷移譜二次分離，顯著改善了信號(hào)的響應(yīng)峰強(qiáng)度。此外，在原來單一氣相色譜信息的基礎(chǔ)上，GC-IMS補(bǔ)充了漂移時(shí)間信號(hào)，使得檢測(cè)得到的化學(xué)信息更加豐富。因此，氣相離子遷移譜具備了2種技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，操作簡(jiǎn)便、檢測(cè)高效、靈敏度高、不需要前處理[4-8]?；诖?，試驗(yàn)借助氣相離子遷移譜技術(shù)圍繞煙絲加香工序開展工藝研究，以充分彰顯產(chǎn)品潤甜香特色，提高產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性。

1 材料與方法

1.1 材料儀器

材料：嬌子某牌號(hào)不同加香排潮風(fēng)速條件所生產(chǎn)加香煙絲。

不同排潮風(fēng)速條件加香樣品信息見表1。

表1 不同排潮風(fēng)速條件加香樣品信息

儀器：氣相離子遷移譜，德國G.A.S公司產(chǎn)品；配置有頂空孵化進(jìn)樣器、可視化分析軟件LAV（Laboratory Analytical Viewe）r、定性和定量分析軟件（Library Search）。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 煙絲樣品制備方法

取不同加香排潮風(fēng)速下生產(chǎn)加香后煙絲1 g，放入頂空孵化瓶用于檢測(cè)。

1.2.2 頂空氣相色譜-離子遷移譜檢測(cè)步驟

對(duì)煙絲樣品進(jìn)行頂空-氣相色譜-離子遷移譜分析，獲取其三維譜圖；在采集到的煙絲樣品三維譜圖中選取特征分析區(qū)域；對(duì)特征分析區(qū)域進(jìn)行分析，探索加香工序排潮風(fēng)速對(duì)加香后煙絲揮發(fā)性香味成分的影響。其中，頂空氣相色譜-離子遷移譜（GC-IMS） 結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，圖中Drift gas為漂移氣體，Carrier gas為載氣，T1為遷移譜漂移管溫度，T2為色譜柱溫度，T3為進(jìn)樣口溫度，IMS為離子遷移譜儀，EPC1為遷移譜漂移氣體流量，EPC2為載氣流速，sample為樣品。

頂空氣相色譜-離子遷移譜（GC-IMS） 結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。

圖1 頂空氣相色譜-離子遷移譜（GC-IMS）結(jié)構(gòu)示意圖

1.2.3 GC-IMS檢測(cè)參數(shù)及條件

（1）頂空進(jìn)樣條件。頂空加熱器的孵化溫度為80℃；在孵化器中孵化5 min；孵化過程采用振蕩加熱；頂空進(jìn)樣針的溫度與孵化溫度一致為80℃；進(jìn)入檢測(cè)器的樣品量為250.0μL，進(jìn)樣采用不分流模式；純度大于99.999%的高純氮?dú)鉃檩d氣，載氣同時(shí)用于清洗進(jìn)樣針；每次清洗進(jìn)樣針的時(shí)間為0.50 min。

（2）氣相色譜條件。氣相色譜的色譜柱溫度設(shè)定為60℃；色譜運(yùn)行時(shí)間為10 min；色譜所需載氣為純度大于99.999%的高純氮?dú)猓惠d氣流速設(shè)置如下：初始載氣流速為8 mL/min，保留初始載氣流速40 s后，在4 min后程序控制載氣流速升高至50 mL/min，5 min時(shí)載氣流速升高至150 mL/min，并保持至8.0，8.5 min時(shí)降低到初始載氣流速8 mL/min。

（3）離子遷移譜條件。離子漂移管的溫度為45℃，漂移氣為純度大于99.999%的高純氮?dú)?，漂移氣流速?50 mL/min，離子遷移譜檢測(cè)器溫度為45℃。

2 排潮風(fēng)速對(duì)感官品質(zhì)的影響研究

排潮風(fēng)速排序?yàn)?#<1#<2#，感官品質(zhì)排序?yàn)?#>1#>2#。

不同加香排潮風(fēng)速卷煙樣品的感官評(píng)吸結(jié)果見表2。

表2 不同加香排潮風(fēng)速卷煙樣品的感官評(píng)吸結(jié)果

從表2可以看出，排潮風(fēng)速越小，感官得分越高，在保證加香霧化效果及加香出口為微負(fù)壓狀態(tài)的前提下，降低加香工序排潮風(fēng)速更有利于香精中的揮發(fā)性香味成分施加到煙絲中，有利于增加產(chǎn)品的香氣豐富程度，提高產(chǎn)品的潤感、降低煙氣刺激性，增加口腔生津感。

不同加香排潮風(fēng)速煙絲樣品的氣相離子遷移譜見圖2。

圖2呈現(xiàn)了不同加香排潮風(fēng)速所生產(chǎn)煙絲樣品的氣相離子遷移譜圖，樣品的氣相色譜保留時(shí)間以縱坐標(biāo)表示，而其離子遷移時(shí)間以橫坐標(biāo)表示。圖形以藍(lán)色為底色，其中橫坐標(biāo)的起始點(diǎn)1.0處的紅色垂直線表示經(jīng)過歸一化處理的反應(yīng)離子峰RIP峰，該反應(yīng)離子峰兩側(cè)不同的點(diǎn)代表不同的揮發(fā)性物質(zhì)。顏色的深淺表明了物質(zhì)濃度的大小，其中顏色越淺表明該物質(zhì)的濃度越低，顏色越深表明該物質(zhì)的濃度越高。由圖2可知，3種煙絲中的揮發(fā)性有機(jī)物種類基本一致，但揮發(fā)性有機(jī)物含量在3種煙絲中差異較大。其中，樣品3中揮發(fā)性物質(zhì)含量較多，說明在保證加香霧化效果及加香出口為微負(fù)壓狀態(tài)的前提下，降低加香工序排潮風(fēng)速，更有利于香精中的揮發(fā)性香味成分施加到煙絲中。結(jié)合感官評(píng)吸的結(jié)果，說明降低加香工序排潮風(fēng)速更有利于增加產(chǎn)品的潤感和香感。

圖2 不同加香排潮風(fēng)速煙絲樣品的氣相離子遷移譜

不同加香排潮風(fēng)速煙絲樣品的GC-IMS差圖譜見圖3。

圖3 不同加香排潮風(fēng)速煙絲樣品的GC-IMS差圖譜

GC-IMS可視化分析軟件LAV軟件通過差譜圖可以直觀顯示樣品之間的差異，方便快捷地比較不同樣品之間的區(qū)別。分析過程如下：以一個(gè)加香煙絲樣品的圖譜作為背景，用其他待分析煙絲樣品的譜圖扣除掉該背景。如果2種樣品中的揮發(fā)性成分的種類和濃度一致，那么差譜圖得到的背景會(huì)顯示為白色，如果顏色顯示為紅色則表明待分析樣品中的該物質(zhì)濃度高于背景參比中的濃度；反之，藍(lán)色則表示待分析樣品該物質(zhì)的濃度低于背景參比。如圖3所示差異圖，以揮發(fā)性物質(zhì)含量最高的樣品3為參比，樣品1和樣品2中大部分揮發(fā)性物質(zhì)顯示為藍(lán)色，說明樣品1和樣品2中揮發(fā)性物質(zhì)比樣品3中含量少。此外，樣品1和樣品2對(duì)比，樣品1中紅色點(diǎn)比樣品2中多，說明樣品1中揮發(fā)性成分含量高于樣品2。該結(jié)果解釋了感官評(píng)吸的結(jié)果，樣品3感官評(píng)分最高，其香氣豐富、刺激性較小、余味有生津感，而樣品1略優(yōu)于樣品2。

2.1 不同樣品揮發(fā)性物質(zhì)指紋圖譜對(duì)比

不同加香排潮風(fēng)速煙絲樣品的指紋圖譜見圖4。

不同煙絲樣品的指紋圖譜以不同的行呈現(xiàn)，縱向列表示同一種揮發(fā)性香味成分在3種不同樣品中的峰的強(qiáng)度，樣品的顏色越深表示其濃度越大，從圖中可以看出，樣品之間揮發(fā)性有機(jī)物的差異。由圖4可以看出，樣品3中揮發(fā)性物質(zhì)的顏色較深，說明樣品3中揮發(fā)性香味成分的含量高于樣品1和樣品2。借助氣相離子遷移譜儀器內(nèi)置的遷移譜庫和NIST數(shù)據(jù)庫可以實(shí)現(xiàn)對(duì)待測(cè)物質(zhì)的定性分析，根據(jù)定性結(jié)果可將3種樣品采集的指紋圖譜大致劃分成9個(gè)不同顏色的區(qū)域。其中，S1為揮發(fā)性酸類，S2為揮發(fā)性酮類，S3為揮發(fā)性酯類，S4為揮發(fā)性醇類，S5為揮發(fā)性烯類，S6為揮發(fā)性醛類，S7為揮發(fā)性醚類，S8為揮發(fā)性雜環(huán)類，S9為揮發(fā)性芳合香烯類。各區(qū)域樣品3的濃度高于樣品1和樣品2，該結(jié)果闡釋了樣品3感官評(píng)分最高，其香氣豐富、刺激性較小、余味有生津感。

2.2 不同樣品揮發(fā)性物質(zhì)峰體積強(qiáng)度對(duì)比

不同加香排潮風(fēng)速煙絲樣品的總離子強(qiáng)度圖見圖5。

圖5 不同加香排潮風(fēng)速煙絲樣品的總離子強(qiáng)度圖

圖5為不同加香排潮風(fēng)速煙絲樣品的三維總離子強(qiáng)度圖，樣品3中檢測(cè)到的總離子強(qiáng)度最高，證實(shí)了樣品3中揮發(fā)性香味成分的含量最高。此外，根據(jù)圖4指紋圖譜的劃分區(qū)域，統(tǒng)計(jì)了S1~S9各區(qū)域不同揮發(fā)性物質(zhì)的峰體積強(qiáng)度如表3所示。表3也證實(shí)了特征峰S1~S9各區(qū)域，除S4外，均表現(xiàn)為樣品3的離子峰強(qiáng)度最大，該結(jié)果闡釋了樣品3中揮發(fā)性香味成分的含量最高。S4區(qū)域?yàn)榇碱愇镔|(zhì)，為保潤物質(zhì)。雖然樣品3的強(qiáng)度（39 429.15） 略低于樣品1（41 851.74），但是該現(xiàn)象是由于樣品中起保潤作用的揮發(fā)性醇類物質(zhì)在煙絲樣品中含量較高，并且樣品3中其他揮發(fā)性物質(zhì)含量均高于樣品1和樣品2，造成GC-IMS供樣品3-S4區(qū)域成分結(jié)合的水合質(zhì)子峰強(qiáng)度不夠，導(dǎo)致表觀檢測(cè)結(jié)果樣品3的強(qiáng)度（39 429.15） 略低于樣品1（41 851.74）。此外，樣品3中起保潤作用的揮發(fā)性醇類物質(zhì)也已達(dá)到感官保潤作用的閾值，因此樣品3感官評(píng)吸未表現(xiàn)出刺激性。綜上所述，不同加香排潮風(fēng)速煙絲樣品特征峰強(qiáng)度結(jié)果也闡釋了感官評(píng)吸結(jié)果中樣品3香氣最為豐富、刺激性較小、余味有生津感。

不同加香排潮風(fēng)速煙絲樣品的特征峰強(qiáng)度見表3。

表3 不同加香排潮風(fēng)速煙絲樣品的特征峰強(qiáng)度

3 結(jié)論

離子遷移譜具有操作簡(jiǎn)便、高效、靈敏度高、不需要前處理等優(yōu)點(diǎn)。近年來，在食品風(fēng)味揮發(fā)物的定性和定量分析中運(yùn)用廣泛，但在煙草揮發(fā)物的定性定量分析中應(yīng)用較少。借助離子遷移譜優(yōu)化了加香工序的排潮風(fēng)速，研究結(jié)果表明可以利用GCIMS檢測(cè)揮發(fā)性風(fēng)味成分及含量來判斷排潮風(fēng)速對(duì)揮發(fā)性香味成分施加效果的影響，提高了香精在煙絲中的利用率。GC-IMS經(jīng)軟件對(duì)數(shù)據(jù)處理后可快速獲取痕量揮發(fā)性有機(jī)物的指紋圖譜、差譜圖、峰強(qiáng)度等，可以直觀地表征不同樣品之間的差異性，并且其內(nèi)置分析軟件使得其對(duì)物質(zhì)的定性、定量分析簡(jiǎn)單快捷，有望在其他工藝參數(shù)對(duì)香氣組分影響的研究中發(fā)揮積極作用，有一定的應(yīng)用前景。