卷煙清香風(fēng)格特征預(yù)測(cè)模型構(gòu)建研究

李 達(dá)， 李娥賢， 李曉科， 許仁杰， 蔡昊城， 袁 鵬， 李 超

(1. 紅云紅河煙草（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，云南 昆明 650231; 2. 云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院生物技術(shù)與種質(zhì)資源研究所，云南 昆明 650201; 3. 云南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司技術(shù)中心，云南 昆明 650024)

0 引 言

煙草中的致香物質(zhì)具有降低卷煙刺激性、豐富卷煙香氣以及改善余味的功能[1-3]，致香物質(zhì)的組成和含量是評(píng)價(jià)煙草質(zhì)量的重要指標(biāo)[4]。目前，卷煙的感官評(píng)價(jià)主要來源于評(píng)吸專家依據(jù)GB 5606.4—2005 《卷煙 第4部分：感官技術(shù)要求》和YC/T 497—2014 《卷煙 中式卷煙風(fēng)格感官評(píng)價(jià)方法》對(duì)其進(jìn)行感官評(píng)吸[5-6]，因此存在一定的主觀性，可能影響結(jié)果的重現(xiàn)性與穩(wěn)定性。同時(shí)人工感官評(píng)吸對(duì)樣品數(shù)量的要求也帶來了一系列局限性，以至于對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果的可靠性產(chǎn)生一定影響[7-8]。因此，基于化學(xué)成分的卷煙感官評(píng)價(jià)成了近年的研究熱點(diǎn)。

郭春生等[9]基于BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)探索卷煙內(nèi)在化學(xué)成分與煙氣指標(biāo)和感官品質(zhì)得分之間的關(guān)系，建立了相應(yīng)的預(yù)測(cè)卷煙煙氣指標(biāo)和感官品質(zhì)得分網(wǎng)絡(luò)模型數(shù)學(xué)模型。薛超群等[10]采用相關(guān)分析、逐步回歸分析等方法研究了煙葉理化指標(biāo)與濃香型風(fēng)格程度的關(guān)系。林順順等[11]基于PLSR方法分析了煙葉化學(xué)成分與感官質(zhì)量的相關(guān)性。現(xiàn)有報(bào)道的研究重點(diǎn)多集中在煙葉中的化學(xué)成分與感官質(zhì)量的關(guān)系，而忽視了化學(xué)成分的含量對(duì)感官質(zhì)量的影響。

近年來，學(xué)者對(duì)卷煙中致香物質(zhì)的含量對(duì)卷煙清香風(fēng)格特征的影響也多有研究。如周芳芳等[12]研究了不同煙產(chǎn)地典型烤煙中清香型特征致香物質(zhì)含量及組成差異。席元肖等[13]研究了不同香型烤煙中化學(xué)成分含量的差異。周澤弘等[14]利用RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，對(duì)川渝中煙2009至2011年庫(kù)存煙葉樣品的香型特征進(jìn)行了分析建模，所建立的模型可以較好地根據(jù)煙葉的常規(guī)化學(xué)成分對(duì)煙葉進(jìn)行香型預(yù)測(cè)。但煙草中致香成分含量與清香特征指標(biāo)的定性定量關(guān)系的研究，目前還未見到報(bào)道。因此，建立致香物質(zhì)含量與卷煙清香風(fēng)格特征指標(biāo)及感官評(píng)價(jià)的模型至關(guān)重要。

回潮區(qū)溫度是卷煙品質(zhì)的重要影響因素，目前對(duì)回潮區(qū)溫度的探索與優(yōu)化主要基于其對(duì)卷煙中致香成分和含量的影響[15]，文獻(xiàn)[16]采用靜態(tài)頂空—?dú)庀嗌V質(zhì)譜聯(lián)用法對(duì)煙絲中的致香成分進(jìn)行分析測(cè)定，發(fā)現(xiàn)回潮區(qū)溫度為60 ℃時(shí)更有利于保留煙絲中的致香成分。但這些研究與優(yōu)化并未將感官評(píng)吸計(jì)入考察條件，因此篩選合適的回潮區(qū)溫度以改善卷煙的感官品質(zhì)仍需探索。

本文通過研究卷煙中致香成分含量對(duì)清香風(fēng)格特征感官評(píng)吸的影響，采用SPSS 22.0 統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件的數(shù)據(jù)處理模塊，建立表征清香風(fēng)格特征的逐步線性回歸方程，能夠定量分析卷煙的感官質(zhì)量。進(jìn)一步通過建立的模型研究了回潮區(qū)溫度對(duì)清香風(fēng)格特征感官評(píng)吸的影響，研究結(jié)果可為工業(yè)在線制絲提供參考，提高卷煙品質(zhì)。

1 材料與實(shí)驗(yàn)方法

1.1 材料、試劑及儀器設(shè)備

1.1.1 材料及試劑

材料：50種成品卷煙（盒標(biāo)焦油 8～ 12 mg/支，盒標(biāo)煙堿 0.5～ 1.3 mg/支，盒標(biāo) CO 7～ 12 mg/支，2019年分別購(gòu)自廈門市、北京市、大理市等市場(chǎng)，此50種卷煙用于建立卷煙清香風(fēng)格特征預(yù)測(cè)模型）；同一品牌規(guī)格3種回潮溫度下的國(guó)內(nèi)市售卷煙成品煙絲樣品各300 g，由云南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司工藝質(zhì)量部提供。

萘內(nèi)標(biāo)：美國(guó)Sigma公司；30種卷煙揮發(fā)性成分標(biāo)準(zhǔn)品，見表 1（分析純或以上，美國(guó) Sigma 公司）；固態(tài)萃取攪拌棒：Gerstel Twister攪拌棒 (長(zhǎng) 20 mm，厚 0.5 mm)；氣相色譜柱：HP-INNOWAX，60 m×0.25 mm×0.25 μm。

1.1.2 儀器與設(shè)備

氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀：PerkinElmer Clarus 600型，美國(guó)PerkinElmer公司；分析天平：CP225D型，德國(guó)Sartorius公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 內(nèi)標(biāo)物的選擇

如果用外標(biāo)定量法會(huì)使致香成分在前處理的過程有一定的損失，使得氣相結(jié)果存在較大的誤差，因此本文采用內(nèi)標(biāo)法來測(cè)定卷煙中致香成分的含量[17]。根據(jù)致香成分的氣相出峰時(shí)間選擇萘作為內(nèi)標(biāo)物。

1.2.2 致香成分物質(zhì)的選擇

通過業(yè)內(nèi)項(xiàng)目研究結(jié)果、文獻(xiàn)調(diào)研[18]和相關(guān)專家指點(diǎn)，初步篩選出可能影響清香的30種致香物質(zhì)：3-羥基-2-丁酮、3-乙基吡啶、苯乙醛、γ-己內(nèi)酯、異戊酸異戊酯、乙基麥芽酚、黑香豆酊、香茅醇、苯乙酸乙酯、γ-辛內(nèi)酯、4-乙烯基愈創(chuàng)木酚、洋茉莉醛、二氫香豆酯、β-二氫大馬酮、3-乙氧基-4-羥基苯甲醛、γ-十一內(nèi)酯、δ-十一內(nèi)酯、γ-十二內(nèi)酯、苯甲酸苯甲酯、金合歡基丙酮、肉桂酸芐酯、肉桂酸肉桂酯、苯乙醇、2-甲基四氫呋喃-3-酮、糠醇、3,5,5-三甲基環(huán)己烷-1,2-二酮、2-乙?；量?、乙酸異丁酯、氧化異佛爾酮、香蘭素。

1.2.3 標(biāo)準(zhǔn)溶液的配制

用分析天平稱取5.0 g萘，置于50 mL容量瓶中，用無(wú)水乙醚稀釋并定容，配制內(nèi)標(biāo)儲(chǔ)備液，其質(zhì)量濃度為 100 g/L；移取 0.1 mL 內(nèi)標(biāo)儲(chǔ)備液于 10 mL容量瓶中，用無(wú)水乙醚稀釋并定容，配制得到標(biāo)準(zhǔn)工作液，其質(zhì)量濃度為 1000 mg/L。

分別稱取30種致香成分標(biāo)樣各 0.01 g于30個(gè)100 mL的容量瓶中，用體積比為9∶1的無(wú)水乙醇和丙二醇混合溶液定容，配制成質(zhì)量濃度為100 μg/mL 的標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備液，搖勻后封存于棕色香料瓶中。所有溶液均保存于4 ℃冰箱中，恢復(fù)至室溫后使用。

1.2.4 樣品前處理

從購(gòu)買的50種國(guó)內(nèi)市售成品卷煙中分別隨機(jī)抽取，剝?nèi)V嘴和卷煙紙，稱取6 g煙絲3份，分別放入3個(gè)100 mL錐形瓶中。之后，分別加入50 μg/mL內(nèi)標(biāo)萘10 mL和無(wú)水乙醚90 mL后，蓋好并在搖床上震蕩 25 min。之后，取上層萃取液，用 0.22 μm 微孔濾膜過濾后，使用GC-MS/MS（氣相色譜-質(zhì)譜/質(zhì)譜儀）對(duì)其中成分進(jìn)行分析。

1.2.5 氣相色譜-質(zhì)譜檢測(cè)條件

色譜柱：DB-WAXTRE彈性石英毛細(xì)管色譜柱（50 m × 0.25 mm i.d. × 0.25 μm d.f.，美國(guó) Agilent公司）；載氣：He，恒流模式，柱流量 1.5 mL/min，進(jìn)樣量 1 μL，分流比 20∶1；進(jìn)樣口溫度 230 ℃；升溫程序：45 ℃（1.5 min），以 10 ℃/min 的速率升溫至240 ℃（15 min）；傳輸線溫度：230 ℃；全掃描監(jiān)測(cè)Full scan 模式，掃描范圍：50～ 600 amu；電離方式：EI；燈絲電流：80 μA；離子源溫度：180 ℃；電離能70 eV；多反應(yīng)監(jiān)測(cè)MRM模式，定性、定量離子對(duì)選擇參數(shù)見表1。

表1 煙絲中30種揮發(fā)性組分及內(nèi)標(biāo)的定性離子對(duì)、定量離子對(duì)和碰撞能量

1.2.6 定性、定量分析

1）定性分析：試樣中的目標(biāo)化合物是與標(biāo)樣的定性離子對(duì)、保留時(shí)間和定量離子進(jìn)行對(duì)照后確定。當(dāng)試樣和標(biāo)樣在相同保留時(shí)間出現(xiàn)，且濃度相當(dāng)情況下，各定性離子的相對(duì)豐度與標(biāo)準(zhǔn)溶液的離子相對(duì)豐度一致，其誤差符合表2規(guī)定的范圍，則判斷樣品中存在對(duì)應(yīng)的被測(cè)物。

表2 定性確證時(shí)相對(duì)離子豐度的最大允許誤差

2）定量分析：每個(gè)樣品均平行測(cè)定3次。其中，試樣中目標(biāo)化合物的定量離子峰面積計(jì)算得到半揮發(fā)性與揮發(fā)性的有機(jī)化合物量。取3次平行測(cè)定目標(biāo)物質(zhì)獲得的定量離子峰面積與內(nèi)標(biāo)峰面積比值的平均值帶入試樣中揮發(fā)性及半揮發(fā)性有機(jī)化合物的含量公式計(jì)算，其結(jié)果作為樣品中致香成分的分析結(jié)果，如下式所示：

式中：Cs? 試樣中某種特征物質(zhì)的含量，mg/kg；

?試樣中致香成分的峰面積，U(積分單位）；

a——各致香成分的標(biāo)準(zhǔn)工作曲線截距；

Ci——內(nèi)標(biāo)加入量， μg/mL；

V——進(jìn)樣體積，mL；?

Ai內(nèi)標(biāo)物質(zhì)的峰面積，U(積分單位）；

k——各致香成分的標(biāo)準(zhǔn)工作曲線斜率；

m——稱取煙絲質(zhì)量，g。

1.2.7 感官評(píng)價(jià)方法

由云南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司，組織持國(guó)家煙草專賣局頒發(fā)相關(guān)證件的評(píng)吸人員8名，據(jù)GB 5606.4—2005和 YC/T 497—2014對(duì) 50種卷煙樣品的清香香氣風(fēng)格特征進(jìn)行評(píng)吸，香韻強(qiáng)度特征賦分范圍為0～ 10分，分值越高，清香香韻強(qiáng)度越明顯，取8人結(jié)果的平均值，作為卷煙清香感官評(píng)分?jǐn)?shù)據(jù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

待預(yù)測(cè)卷煙樣品中30種致香物質(zhì)的含量，均按照1.2實(shí)驗(yàn)方法測(cè)定。各種物質(zhì)含量檢測(cè)結(jié)果的描述統(tǒng)計(jì)見表3，從表中可知，不同卷煙樣品中30種揮發(fā)性物質(zhì)的種類差異不大，但部分組分的含量差異較大，如3-羥基-2-丁酮在樣品中的最低含量?jī)H為 0.24 mg/kg，但最高含量卻為4.574 mg/kg，金合歡基丙酮在樣品中的最低含量?jī)H為28.459 mg/kg，但最高含量卻為 79.852 mg/kg。

表3 煙絲中30種揮發(fā)性物質(zhì)檢測(cè)結(jié)果的描述統(tǒng)計(jì) mg/kg

2.2 逐步線性回歸方程建立

采用SPSS 22.0 統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件的數(shù)據(jù)處理模塊對(duì)不同煙絲致香成分與清香感官評(píng)分進(jìn)行分析[19]。將50種卷煙樣品隨機(jī)選取20種為訓(xùn)練集，其余30種樣品為測(cè)試集。以20種訓(xùn)練集中的30種化學(xué)組分含量為自變量矩陣X，以清香評(píng)吸得分為因變量Y，進(jìn)行逐步線性回歸。當(dāng)自變量的方程有效性F的概率值P≤ 0.05 時(shí)，自變量得到保留。反之，當(dāng)自變量的方程有效性F的概率值P> 0.10時(shí)，自變量被剔除。最終X1～X23這23種化學(xué)組分得到保留。從表4可知，回歸方程的決定系數(shù)R2= 0.942，調(diào)整決定系數(shù)R′2= 0.932，表明該回歸方程具有優(yōu)良的擬合效果。

表4 回歸模型摘要

得到回歸方程Y清香=–0.583X1–0.261X2–0.735

X3– 0.353X4– 0.301X5– 0.094X6+ 0.449X7+0.294X8+0.190X9+0.223X10+0.438X11+0.018X12+0.662X13+0.301X14+ 0.650X15+ 0.672X16– 0.783X17–0.457X18–0.295X19– 0.741X20– 0.613X21– 0.300X22–0.363X23+48.166。逐步回歸方程的偏回歸系數(shù)數(shù)值的大小直接反映生物堿對(duì)清香評(píng)分的影響程度，數(shù)值的正負(fù)可以反映對(duì)清香評(píng)分的影響是正效應(yīng)還是負(fù)效應(yīng)。因此，可知只有X7～X16這10種物質(zhì)與清香評(píng)分呈現(xiàn)正相關(guān)，其中，X16的偏回歸系數(shù)為正的最大，表明γ-十一內(nèi)酯與清香評(píng)分的呈現(xiàn)最大正相關(guān)。其余13種物質(zhì)與清香評(píng)分呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)，X17的偏回歸系數(shù)為負(fù)的最大，表明δ-十一內(nèi)酯與清香評(píng)分的呈現(xiàn)最大負(fù)相關(guān)。

2.3 線性回歸模型的驗(yàn)證

將測(cè)試集30種樣品23種化學(xué)組分含量代入2.2中所建立的線性回歸模型中算Y清香的數(shù)值，即為該種卷煙清香型的定量預(yù)測(cè)得分，并與感官評(píng)吸結(jié)果對(duì)比，如圖1所示。菱形標(biāo)記的曲線為回歸方程預(yù)測(cè)得分，而方形標(biāo)記為感官實(shí)際評(píng)吸得分。從圖中可以看出，模型預(yù)測(cè)值與實(shí)際值誤差較小，MAE值（平均絕對(duì)誤差）為0.1007分，說明回歸模型預(yù)測(cè)的卷煙清香風(fēng)格特征感官評(píng)吸得分與實(shí)際評(píng)吸結(jié)果吻合度較好，對(duì)于清香這一感官品質(zhì)指標(biāo)具有較好的預(yù)測(cè)能力。

圖1 測(cè)試集清香風(fēng)格特征預(yù)測(cè)值與感官評(píng)吸值對(duì)比

2.4 回潮區(qū)溫度對(duì)成品煙絲致香成分的影響

本文對(duì)同一品牌規(guī)格3種回潮溫度(50 ℃、60 ℃、70 ℃)下的國(guó)內(nèi)市售卷煙成品煙絲樣品的致香成分進(jìn)行了研究，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的設(shè)定和記錄由集團(tuán)工藝質(zhì)量云平臺(tái)系統(tǒng)完成，并將測(cè)定結(jié)果帶入清香風(fēng)格特征模型，結(jié)果見表5，其中測(cè)定結(jié)果為50份樣品結(jié)果的平均值。

表5 回潮區(qū)溫度對(duì)煙絲樣品致香成分的影響 mg/kg

從整體來看，隨著回潮區(qū)溫度的增加，煙絲中的致香成分含量均有相應(yīng)的降低，煙絲的致香成分?jǐn)?shù)目也有減少，其中 γ-辛內(nèi)酯在50 ℃ 和60 ℃ 時(shí)仍存在，但含量較低，而70 ℃時(shí)則未檢測(cè)到γ-辛內(nèi)酯的存在。這可能因?yàn)槟承┲孪愠煞衷跍囟壬邥r(shí)會(huì)揮發(fā)或者發(fā)生變質(zhì)。隨著回潮區(qū)溫度的增加，Y清香值降低，從2.978降低至2.790。因此，綜合來看，設(shè)定回潮區(qū)溫度為50 ℃更有利于得到感官評(píng)價(jià)更優(yōu)的煙絲。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文通過對(duì)卷煙煙絲中30種致香成分含量與卷煙清香風(fēng)格特征的研究，篩選出了23種對(duì)卷煙的清香風(fēng)格有影響的致香成分，同時(shí)建立了基于致香成分含量的清香風(fēng)格特征感官評(píng)吸的預(yù)測(cè)模型，該模型能夠較好地預(yù)測(cè)卷煙清香風(fēng)格特征感官評(píng)吸得分。利用該模型，進(jìn)一步研究了回潮區(qū)溫度參數(shù)對(duì)清香評(píng)分的影響，結(jié)果表明回潮區(qū)溫度控制在50 ℃時(shí)更有利于得到清香風(fēng)格感官品質(zhì)特征的卷煙，這對(duì)卷煙生產(chǎn)過程關(guān)于回潮溫度參數(shù)的選擇具有一定的指導(dǎo)意義。這也是行業(yè)首次利用回潮區(qū)溫度參數(shù)對(duì)卷煙清香風(fēng)格特征的感官品質(zhì)進(jìn)行定量預(yù)測(cè)研究，對(duì)其他香型模型的建立與卷煙制作過程中其他工藝參數(shù)的選擇有實(shí)際的參考價(jià)值。