基于電子鼻和GC-MS/O技術(shù)分析煙用內(nèi)襯紙揮發(fā)性成分

汪陽忠 高建宏 李俊杰 王 兵 沈世豪 謝雯燕 費 婷吳 達(dá)

（上海煙草集團有限責(zé)任公司技術(shù)中心，上海，200082）

煙用內(nèi)襯紙是卷煙包裝的重要材料之一，其與卷煙直接接觸，能夠起到防潮防濕，抑制霉變和香氣損失的作用。煙用內(nèi)襯紙主要由原紙、鋁層和印刷層組成，根據(jù)鋁層生產(chǎn)工藝的不同主要分為真空鍍鋁和復(fù)合鋁兩大類。真空鍍鋁內(nèi)襯紙是將鋁層先鍍在轉(zhuǎn)移膜上，再轉(zhuǎn)移到原紙上或者直接鍍在原紙上。復(fù)合鋁內(nèi)襯紙是用膠黏劑將原紙和鋁箔復(fù)合而成。由于內(nèi)襯紙在生產(chǎn)過程中使用了各種溶劑、助劑、涂料、油墨和膠黏劑等物質(zhì)，不可避免地殘留揮發(fā)性有機化合物（VOCs），其擴散遷移后，會對產(chǎn)品的吸食品質(zhì)造成影響。因此，煙草行業(yè)近些年來加強了對煙用紙張的質(zhì)量管控，制定了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)檢測煙用紙張中的VOCs，確保原材料的質(zhì)量穩(wěn)定性[1-2]。

目前，煙用紙張中揮發(fā)性有機物的檢測方法有高效液相色譜法[3]、頂空-氣相色譜法[4-5]、頂空-氣相色譜/質(zhì)譜法[6]，以及具有富集和濃縮效果的固相微萃取[7]、熱脫附[8]、吹掃捕集[9]等進(jìn)樣技術(shù)衍生出來的相關(guān)方法。但是這些方法只能對在色譜柱上有保留的化學(xué)成分進(jìn)行檢測，而且只重點分析特定揮發(fā)性成分，無法對整體氣味進(jìn)行分析，不能夠快速反映煙用紙張氣味的變化情況。特別是由于行業(yè)對紙張揮發(fā)性成分的管控，原料供應(yīng)廠家可能添加其他化合物作為替代，或者在生產(chǎn)中無意殘留了其他化合物，現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)則無法及時發(fā)現(xiàn)和控制新引入的成分。同時，如果紙張存儲不當(dāng)，由于潮濕引發(fā)霉變或者從環(huán)境中吸附了其他異味物質(zhì)，現(xiàn)行方法也無法滿足快速監(jiān)控的要求。因此，對煙用紙張的整體氣味進(jìn)行快速有效地監(jiān)控顯得十分必要。然而，煙用紙張整體氣味的分析目前還主要依靠人工嗅聞，該方法屬于主觀判別，受個人經(jīng)驗及身體狀態(tài)影響較大。

電子鼻是一種人工智能嗅覺系統(tǒng)，其利用氣體傳感器陣列來識別與檢測復(fù)雜氣體，能夠客觀地對整體氣味給出類似“指紋”的響應(yīng)信息[10]。相比于傳統(tǒng)的色譜技術(shù)，電子鼻具有無需前處理、檢測速度快且不用大量有機溶劑等優(yōu)點，被廣泛地應(yīng)用于醫(yī)學(xué)診斷、環(huán)境監(jiān)測、食品分析等領(lǐng)域[11-13]。在煙草行業(yè)，電子鼻也被應(yīng)用于卷煙的品牌和真?zhèn)闻袆e、煙葉的產(chǎn)地和類別研究、香精香料和煙用材料的質(zhì)量控制與評價等方面的研究，展現(xiàn)了其獨特的判別和監(jiān)控能力[14]。

氣相色譜-質(zhì)譜/嗅聞（GC-MS/O）法是將儀器分析和感官分析結(jié)合起來研究氣味的新方法，相比于傳統(tǒng)的氣相色譜-質(zhì)譜法，其能夠分析化學(xué)成分的氣味特征、閾值及氣味強度等信息，判斷化學(xué)成分對氣味的貢獻(xiàn)程度，從而鑒別影響氣味特征的關(guān)鍵化學(xué)成分[10]。

本研究利用電子鼻技術(shù)對不同廠家生產(chǎn)的真空鍍鋁轉(zhuǎn)移內(nèi)襯紙和復(fù)合鋁內(nèi)襯紙進(jìn)行分析，以期更加準(zhǔn)確快速地評價產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性。同時進(jìn)一步采用了GC-MS/O技術(shù)剖析內(nèi)襯紙氣味差異的原因，旨在為加強煙用內(nèi)襯紙品質(zhì)穩(wěn)定性提供參考。

1 實 驗

1.1 材料與儀器

1.1.1 樣品與試劑

本研究選取2個廠家（編號為S和N）生產(chǎn)的10個批次的復(fù)合鋁內(nèi)襯紙（編號為Y）和真空鍍鋁轉(zhuǎn)移內(nèi)襯紙（編號為R）作為研究對象。實驗所用無水乙醇為色譜純級，購自Merk公司。C7-C30正構(gòu)烷烴混標(biāo)，購自百靈威公司。

1.1.2 儀器設(shè)備

法國AlphaMOS公司FOX4000型電子鼻，配有18個金屬氧化物半導(dǎo)體傳感器、HS100型自動進(jìn)樣器及Parker TOC氣體發(fā)生器；瑞士Brechbühler公司CLSA 9000型閉環(huán)回路氣提裝置；GC-MS/O儀器配備安捷倫7890A型氣相色譜、安捷倫5975C型質(zhì)譜和德國Gerstel公司ODP3嗅聞儀。

1.2 實驗方法

1.2.1 樣品制備

電子鼻樣品的制備：取內(nèi)襯紙樣品，裁取長17.0 cm、寬10.0 cm的試樣，然后沿長邊均分成3段，將所裁3段試樣印刷面朝里，疊加卷成筒狀，立即放入10 mL頂空瓶中，密封平衡2 h后待測。

GC-MS/O樣品的制備：取內(nèi)襯紙樣品，裁取長3200 cm，寬10 cm的試樣，用裁紙刀裁成細(xì)條，松散地置于閉環(huán)回路氣提裝置樣品瓶內(nèi)，水浴加熱至60℃，循環(huán)提取24 h。在此過程中，氣提氣通過管道系統(tǒng)在樣品和活性炭捕集管之間循環(huán)，樣品的揮發(fā)性成分被氣流連續(xù)提取吸附在捕集管上[15]。最后取下活性炭捕集管，用無水乙醇洗脫2 mL樣品，用于GCMS/O分析。

1.2.2 檢測方法

電子鼻方法：內(nèi)襯紙平衡后放置于振蕩器中，振蕩溫度為60℃，振蕩速率為500 r/min，振蕩時間為360 s。振蕩完成后取1500μL頂空氣體進(jìn)樣分析，載氣為高純空氣，氣體流速為150 mL/min，采樣時間為120 s，每秒采集1個數(shù)據(jù)，樣品延遲時間為1080 s。

GC-MS/O方法：色譜柱為Agilent DB-WAX毛細(xì)管柱（60 m×320μm×0.32μm），載氣為氦氣，氣流速度為2.0 mL/min，恒流；不分流進(jìn)樣；程序升溫：初始溫度40℃，保持5 min，以5℃/min的速率升溫到180℃，然后以10℃/min的速率升溫到240℃，保持20 min。MS電離源能量70 eV；離子源溫度230℃；傳輸線溫度235℃；掃描方式：Scan；掃描范圍：35~300 m/z。ODP傳輸線溫度235℃，補充氣為N2；潮濕空氣在玻璃錐端口對補充氣進(jìn)行加濕，避免高溫氣體引起鼻黏膜干燥。氣味物質(zhì)采用NIST譜庫檢索、保留指數(shù)(RI)和氣味特征描述（Odor）3種方式進(jìn)行鑒定，化合物保留指數(shù)通過系列正構(gòu)烷烴（C7-C30）來計算。

2 結(jié)果與討論

2.1 基于電子鼻的氣味分析

實驗中首先選取了2個廠家生產(chǎn)的復(fù)合鋁內(nèi)襯紙和真空鍍鋁轉(zhuǎn)移內(nèi)襯紙進(jìn)行氣味分析，結(jié)果如圖1所示。從圖1(a)的雷達(dá)圖可以看出，2種內(nèi)襯紙氣味指紋輪廓差異明顯，而不同廠家生產(chǎn)的同一內(nèi)襯紙的氣味也有細(xì)微差異，這種差異大于同批次間差異，說明差異有效。

圖1 2個廠家生產(chǎn)的復(fù)合鋁內(nèi)襯紙和真空鍍鋁轉(zhuǎn)移內(nèi)襯紙的氣味雷達(dá)圖和主成分分析三維圖Fig.1 Odour radar map and PCA three-dimensional diagram of calendered aluminum foil composite inner liner and vacuum aluminized transfer inner liner produced by two manufacturers

本實驗所采用的18個傳感器分為T、P和LY 3類。T類和P類傳感器的傳感材料都是貴金屬摻雜后的SnO2，LY類傳感器中的LY/LG的傳感材料是WO3，而其余5個LY傳感器則是以Cr2-xTixO3+y作為傳感材料。SnO2和WO3為n型半導(dǎo)體材料，Cr2-xTixO3+y為p型半導(dǎo)體材料。當(dāng)n型半導(dǎo)體吸附還原性氣體時，氣體分子將電子交給半導(dǎo)體，而以正電荷與半導(dǎo)體相吸，進(jìn)入半導(dǎo)體內(nèi)部的電子束縛了載流子的空穴，使空穴與導(dǎo)帶上參與導(dǎo)電的自由電子復(fù)合幾率較少，增加了導(dǎo)電能力，因而會使元件的電阻值減小。而當(dāng)其吸附氧化性氣體時，氣體以負(fù)離子形式被吸附，將空穴給予半導(dǎo)體，材料導(dǎo)帶電子數(shù)目較少，元件電阻值增加。p型半導(dǎo)體對還原性氣體和氧化性氣體的響應(yīng)剛好與n型半導(dǎo)體相反。從圖1(a)中18個傳感器的信號可以看出，電子鼻對2種內(nèi)襯紙的整體響應(yīng)呈現(xiàn)出n型半導(dǎo)體傳感器電阻減小，p型半導(dǎo)體傳感器電阻增加的趨勢，且真空鍍鋁轉(zhuǎn)移內(nèi)襯紙的整體響應(yīng)大于復(fù)合鋁內(nèi)襯紙。因此，結(jié)合18個傳感器的選擇性[16]可以初步判斷，內(nèi)襯紙的氣味整體呈現(xiàn)“還原性”特征，且真空鍍鋁轉(zhuǎn)移內(nèi)襯紙的整體氣味“還原性”大于復(fù)合鋁內(nèi)襯紙，說明其可能含有更多具有還原性基團的物質(zhì)，如醇類或醛類物質(zhì)，對2種內(nèi)襯紙的氣味差異貢獻(xiàn)較大。此外，2種內(nèi)襯紙氣味差異較大的部分體現(xiàn)在響應(yīng)過程中電阻值增大的傳感器，即LY2/G、LY2/AA、LY2GH、LY2gCTl，這4種傳感器都是采用Cr2-xTixO3+y為核心材料的傳感器，說明該材料對2種氣味的差異成分響應(yīng)較為靈敏。

對2個廠家生產(chǎn)的2種內(nèi)襯紙的氣味響應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行主成分分析（PCA）[17]，發(fā)現(xiàn)4個內(nèi)襯紙具有差異性，能夠被有效區(qū)分。從圖1(b)的PCA三維圖可以看出，PC1的貢獻(xiàn)率為99.269%，說明其能代表樣品的絕大部分信息，真空鍍鋁轉(zhuǎn)移內(nèi)襯紙和復(fù)合鋁內(nèi)襯紙在PC1上距離較遠(yuǎn)，說明其氣味差異較大。2個廠家生產(chǎn)的復(fù)合鋁內(nèi)襯紙在PC1和PC3上幾乎處于同一位置，說明其氣味差異較小，但是其能靠貢獻(xiàn)率為0.5125%的PC2進(jìn)行有效區(qū)分。而2個廠家生產(chǎn)的真空鍍鋁轉(zhuǎn)移內(nèi)襯紙在PC1和PC2上也幾乎處于同一位置，但是其能靠貢獻(xiàn)率為0.1967%的PC3進(jìn)行有效區(qū)分。

馬氏距離表示數(shù)據(jù)的協(xié)方差距離，是一種計算2個未知樣品集相似度的有效方法，距離越大則樣本集間的差異越大。通過計算不同廠家生產(chǎn)的內(nèi)襯紙氣味間的馬氏距離，得到S-Y（N-Y）（即S廠家與N廠家生產(chǎn)的復(fù)合鋁內(nèi)襯紙氣味的馬氏距離）、S-Y（S-R）、N-Y（N-R）、S-R（N-R）的馬氏距離分別為0.35、1.88、2.25、0.16，該結(jié)果與圖1的雷達(dá)圖和PCA三維圖的結(jié)果一致。不同廠家生產(chǎn)的真空鍍鋁轉(zhuǎn)移內(nèi)襯紙的氣味差異性小于復(fù)合鋁內(nèi)襯紙，說明該內(nèi)襯紙的氣味更穩(wěn)定，更有利于保持產(chǎn)品的品質(zhì)均一性。

進(jìn)一步分析2種內(nèi)襯紙的生產(chǎn)工藝可以得知，由于真空鍍鋁轉(zhuǎn)移工藝使用了更多的膠黏劑，而膠黏劑中常含有揮發(fā)性有機溶劑，因此其整體氣味強度大于復(fù)合鋁內(nèi)襯紙。

2.2 基于GC-MS/O技術(shù)的氣味分析

為了進(jìn)一步分析引起內(nèi)襯紙氣味差異的具體原因，本實驗采用GC-MS/O技術(shù)對內(nèi)襯紙氣味進(jìn)行分析，通過MF因子判斷關(guān)鍵氣味成分。MF因子是氣味物質(zhì)被感知到的次數(shù)百分比與氣味物質(zhì)的強度百分比乘積的平方根，能夠反映煙用材料中各氣味物質(zhì)對整體氣味的貢獻(xiàn)度[18]。相比香氣活性值（OAV）法，MF因子利用了嗅覺感官的高靈敏性，能夠反映一些質(zhì)譜無法定量的化合物氣味信息。

實驗選用嗅辨員5名，對每個內(nèi)襯紙樣品進(jìn)行8次嗅辨。在嗅辨過程中，嗅辨員采用強（3）、中（2）、弱（1）來表示其感知到的氣味強度。氣味化合物的強度采用8次嗅辨的平均值。

2.2.1 復(fù)合鋁內(nèi)襯紙氣味分析

5名嗅辨員通過GC-MS/O嗅辨后在S廠家生產(chǎn)的復(fù)合鋁內(nèi)襯紙中檢測到9種特征氣味成分，如圖2和表1所示。由圖2和表1可知，在這9種氣味成分中，具有罐頭味、甜味和柚子皮苦味的化合物7具有最大的氣味貢獻(xiàn)度，MF因子高達(dá)95.26%，且其峰面積百分比最高，為38.40%，因此該化合物是內(nèi)襯紙的關(guān)鍵氣味成分。而化合物5、6和9三者的峰面積雖然占比很小，但是MF因子均大于50%，對該內(nèi)襯紙的整體氣味也具有較大的貢獻(xiàn)度。

表1 復(fù)合鋁內(nèi)襯紙?zhí)卣鳉馕冻煞諸able 1 Characteristic odor components of calendered alu?minum foil composite inner liner

圖2 復(fù)合鋁內(nèi)襯紙中氣味物質(zhì)的總離子流圖（TIC）和MF因子圖Fig.2 TICand MFvalue diagramof odor components in calendered aluminum foil composite inner liner

2.2.2 真空鍍鋁轉(zhuǎn)移內(nèi)襯紙氣味分析

5名嗅辨員通過GC-MS/O嗅辨后在S廠家生產(chǎn)的真空鍍鋁轉(zhuǎn)移內(nèi)襯紙中檢測到13種特征氣味成分，如圖3和表2。由表2和圖3可知，在這13種氣味成分中，有9種成分的MF因子＞50%，氣味貢獻(xiàn)比較明顯。其中具有肥皂泡氣味的化合物6峰面積占比最高，為55.39%，其氣味貢獻(xiàn)度也最大，MF因子為88.19%。其次為具有油墨味、柚子皮苦味的化合物9，其峰面積百分比雖然僅為1.35%，但是貢獻(xiàn)度MF因子達(dá)81.65%。此外，化合物2、3、5、7、8、11和13的峰面積占比雖然比較小，但是其MF因子均大于50%，對該內(nèi)襯紙的整體氣味具有較大的貢獻(xiàn)度。

圖3 真空鍍鋁轉(zhuǎn)移內(nèi)襯紙中氣味物質(zhì)的TIC和MF因子圖Fig.3 TICand MFvalue diagramof odor components in vacuum aluminized transfer inner liner

對比2種內(nèi)襯紙的特征氣味成分可以發(fā)現(xiàn)，真空鍍鋁轉(zhuǎn)移內(nèi)襯紙的特征氣味成分種類更多，強度更強。在復(fù)合鋁內(nèi)襯紙的氣味成分中，氣味貢獻(xiàn)最大的為具有柚子皮苦味的化合物7（表1）。而在真空鍍鋁轉(zhuǎn)移內(nèi)襯紙中，該物質(zhì)對應(yīng)化合物9（表2），雖然其氣味貢獻(xiàn)度也較高，但是含量更高、貢獻(xiàn)度更大的為化合物6。

表2 真空鍍鋁轉(zhuǎn)移內(nèi)襯紙?zhí)卣鳉馕冻煞諸able 2 Characteristic odor components of calendered aluminum foil composite inner liner

2.2.3 不同廠家內(nèi)襯紙的氣味差異分析

為了進(jìn)一步對原材料的氣味質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)控，實驗采用GC-MS/O技術(shù)考察了不同廠家生產(chǎn)的同一復(fù)合鋁內(nèi)襯紙的氣味差異，具體結(jié)果見表3。由表3可知，S廠家生產(chǎn)的復(fù)合鋁內(nèi)襯紙中共檢測到9種氣味成分，而N廠家生產(chǎn)的復(fù)合鋁內(nèi)襯紙中共檢測到3種氣味成分，其中8種氣味成分是S廠家的復(fù)合鋁內(nèi)襯紙?zhí)赜械?，化合?和7是N廠家的復(fù)合鋁內(nèi)襯紙?zhí)赜械?，化合?是二者共有的。

表3 不同廠家生產(chǎn)的同一復(fù)合鋁內(nèi)襯紙氣味成分對比Table 3 Comparison of odor components of calendered aluminum foil composite inner liner produced by different manufacturers

結(jié)合圖1的電子鼻雷達(dá)圖和PCA圖可以看出，2個廠家生產(chǎn)的該內(nèi)襯紙雖然總體氣味強度差異不大，但是在LY2/G、LY2/AA、LY2GH、LY2gCTI傳感器上有細(xì)微差異，因此在PCA圖上，其氣味特征具有明顯差異性，而該差異性正是由于表3中的氣味物質(zhì)差異引起的。由于紙張中的氣味成分會擴散遷移到產(chǎn)品中，因此在更換不同廠家生產(chǎn)的內(nèi)襯紙時，需要深入研究其氣味成分差異對最終產(chǎn)品的影響，以保證產(chǎn)品質(zhì)量的均一性。

3 結(jié)論

煙用內(nèi)襯紙中揮發(fā)性成分的含量對產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性有重要影響。本研究采用電子鼻和GC-MS/O技術(shù)對不同廠家生產(chǎn)的真空鍍鋁轉(zhuǎn)移內(nèi)襯紙和復(fù)合鋁內(nèi)襯紙的氣味進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)電子鼻能從整體氣味的角度對內(nèi)襯紙的氣味差異進(jìn)行快速有效判別，可用于對產(chǎn)品的氣味波動進(jìn)行監(jiān)控。同時，通過GC-MS/O技術(shù)的分析，發(fā)現(xiàn)具有油墨味、柚子皮苦味的化合物和具有肥皂泡氣味的化合物對內(nèi)襯紙氣味的貢獻(xiàn)度較高，這些結(jié)果對加強內(nèi)襯紙品質(zhì)穩(wěn)定性的管控具有一定的指導(dǎo)意義。