煙草非揮發(fā)性有機(jī)酸、pH測(cè)定及其相關(guān)性分析

樸永革

張賈寶2

崔成哲1

劉友杰1

李河霖1

李瑞麗2

張峻松2

(1. 吉林煙草工業(yè)有限責(zé)任公司，吉林 延吉 133001；2. 鄭州輕工業(yè)大學(xué)食品與生物工程學(xué)院，河南 鄭州 450001)

煙草中的有機(jī)酸大部分是非揮發(fā)性有機(jī)酸，如蘋(píng)果酸、草酸等[1]。非揮發(fā)酸雖然不直接影響煙氣香味，但可以調(diào)節(jié)煙草的pH值，在一定程度上改善煙草吃味，提升卷煙感官舒適度，弱化卷煙煙氣的噪感，并增加煙氣濃度[2-4]。

卷煙煙草pH、煙氣pH是衡量卷煙產(chǎn)品整體質(zhì)量的重要指標(biāo)之一，能在一定程度上反映卷煙配方中的酸堿平衡[5-6]。卷煙產(chǎn)品配方由眾多不同產(chǎn)地、等級(jí)的單料煙煙葉構(gòu)成，各單料煙中有機(jī)酸的種類(lèi)及含量會(huì)影響卷煙產(chǎn)品的煙草及煙氣pH。邱寶平等[7]通過(guò)測(cè)定中國(guó)卷煙非揮發(fā)酸的含量及煙氣pH，發(fā)現(xiàn)蘋(píng)果酸和油酸對(duì)煙氣粒相物pH影響較大，但有關(guān)非揮發(fā)酸與煙草pH之間的關(guān)聯(lián)性未見(jiàn)報(bào)道。目前對(duì)于卷煙煙草pH、煙氣pH的其他研究主要側(cè)重于pH的測(cè)定方法和其影響因素[8-10]，鮮見(jiàn)二者與有機(jī)酸之間關(guān)聯(lián)性的研究。

研究擬以34種單料煙和11種卷煙為研究對(duì)象，分別測(cè)定其非揮發(fā)性有機(jī)酸、煙草pH和卷煙主流煙氣粒相物pH，采用灰色關(guān)聯(lián)度分析、主成分分析對(duì)有機(jī)酸與pH進(jìn)行相關(guān)性分析研究，為從化學(xué)分析角度確定卷煙內(nèi)在品質(zhì)、改善和調(diào)控?zé)煵菁盁煔鈖H提供理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支撐。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

1.1.1 材料與試劑

煙葉樣品：從中國(guó)貴州(T1～T4)、吉林(T5、T6)、山東(T7、T8)、福建(T9～T12)、河南(T13～T16)、湖南(T17～T21)、云南(T22～T27)代表性煙葉產(chǎn)區(qū)收集的上部、中部、下部烤煙煙葉以及巴西(T28、T29)、津巴布韋(T30、T31)、美國(guó)(T32～T34)煙葉樣品共34種；

卷煙樣品(見(jiàn)表1)：市售一類(lèi)、二類(lèi)、三類(lèi)烤煙型卷煙共11種；

表1 卷煙樣品信息Table 1 Cigarette sample information

草酸、月桂酸、檸檬酸：純度>98%，上海華彭實(shí)業(yè)有限公司；

丙二酸、十三酸、正十五酸、軟脂酸、硬脂酸、亞麻酸：純度>98%，美國(guó)FLUKA公司；

琥珀酸、蘋(píng)果酸、油酸、亞油酸：純度>98%，百靈威科技有限公司；

二氯甲烷、甲醇：色譜純，迪科馬科技有限公司；

其余試劑均為分析純。

1.1.2 主要儀器設(shè)備

電子天平：PL-203型，瑞士Mettler Toledo公司；

氣相色譜儀：Agilent 8890A(FID)型，安捷倫公司；

吸煙機(jī)：RM20H型，德國(guó)博格瓦爾特公司；

pH酸度計(jì)：Mode1868型，奧立龍公司；

振蕩培養(yǎng)箱：F160型，太倉(cāng)實(shí)驗(yàn)設(shè)備廠。

1.2 方法

1.2.1 非揮發(fā)性有機(jī)酸的測(cè)定 參照邱寶平等[11]的方法，對(duì)單料煙及卷煙非揮發(fā)性有機(jī)酸進(jìn)行測(cè)定，每個(gè)樣品平行測(cè)定3次。

1.2.2 煙草pH的測(cè)定 按YC/T 222—2007執(zhí)行，對(duì)單料煙及卷煙煙草pH進(jìn)行測(cè)定，每個(gè)樣品平行測(cè)定3次。

1.2.3 卷煙主流煙氣粒相物pH的測(cè)定 參照徐石磊等[12]的方法，對(duì)卷煙主流煙氣粒相物pH進(jìn)行測(cè)定，每個(gè)樣品平行測(cè)定3次。

1.2.4 數(shù)據(jù)處理 使用Excel軟件整理數(shù)據(jù)，利用SPSSAU分析平臺(tái)進(jìn)行灰色關(guān)聯(lián)度分析,采用SPSS 21軟件進(jìn)行主成分分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 非揮發(fā)性有機(jī)酸測(cè)定結(jié)果

2.1.1 標(biāo)準(zhǔn)曲線、檢出限和定量限 由表2可知，13種非揮發(fā)酸的回歸方程線性良好，決定系數(shù)R2>0.999，檢出限為0.50～3.83 μg/mL，定量限為1.67～12.75 μg/mL。

表2 非揮發(fā)酸回歸方程、決定系數(shù)、檢出限、定量限Table 2 Non-volatile acid regression equation, coefficient of determination, limit of detection, limit of quantification

2.1.2 方法的回收率及精密度 由表3可知，在不同的加標(biāo)水平下，非揮發(fā)酸的平均回收率在88.64%～95.75%，精密度在1.29%～3.87%，回收率較高，重復(fù)性較好，適用于煙草中非揮發(fā)酸的檢測(cè)分析。

表3 方法的回收率及精密度Table 3 Recovery and precision of method (n=5) %

2.1.3 樣品的測(cè)定 卷煙非揮發(fā)性有機(jī)酸含量的測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表4，單料煙非揮發(fā)性有機(jī)酸含量的測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表5。

表4 卷煙非揮發(fā)性有機(jī)酸含量Table 4 The content of non-volatile organic acids in cigarettes (n=3) mg/g

表5 單料煙非揮發(fā)性有機(jī)酸含量Table 5 The content of non-volatile organic acids in single-grade tobacco (n=3) mg/g

續(xù)表5

由表4、表5可知，單料煙非揮發(fā)性有機(jī)酸含量范圍為34.30～134.60 mg/g，卷煙非揮發(fā)性有機(jī)酸含量范圍為70.18～104.25 mg/g，單料煙與卷煙中共測(cè)定出12種非揮發(fā)性有機(jī)酸。蘋(píng)果酸與草酸在單料煙與卷煙中含量較高，約占非揮發(fā)性有機(jī)酸總含量的70%～80%；琥珀酸、十三酸、正十五酸含量很低且在一部分樣品中未被檢出，與李登科等[13]的研究一致。煙葉的遺傳因素、氣候土壤條件、栽培水平以及加工差異是樣品中非揮發(fā)性有機(jī)酸含量不同的原因[14]，如不同基因型烤煙中非揮發(fā)酸的含量存在較大差異[15]、溫度對(duì)煙株在生根期和成熟期中有機(jī)酸含量的積累影響較大[16]、烘烤后煙葉中非揮發(fā)酸含量與餅肥用量顯著負(fù)相關(guān)[17]、打葉后片煙中非揮發(fā)酸含量與葉片尺寸呈負(fù)相關(guān)[18]。

2.2 煙草pH和主流煙氣粒相物pH

單料煙煙草pH的測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表6，卷煙煙草pH和主流煙氣粒相物pH的測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表7。

由表6、表7可知，單料煙煙草pH為4.684～6.188，RSD為0.140%～0.441%；卷煙煙草pH為4.861～5.286，RSD為0.219%～0.451%；主流煙氣粒相物pH為5.738～6.103，RSD為0.182%～0.410%。測(cè)定結(jié)果與李青青等[10]的結(jié)果較接近，同時(shí)由RSD可知pH測(cè)定結(jié)果的精密度較高。主流煙氣粒相物pH比卷煙煙草pH略低的原因可能是由于卷煙燃燒形成煙氣的過(guò)程中，非揮發(fā)性有機(jī)酸的沸點(diǎn)相對(duì)于煙堿等堿性物質(zhì)的沸點(diǎn)較高，煙氣中的酸性物質(zhì)較少，從而導(dǎo)致煙氣中的酸堿比降低，使煙氣pH值升高。

表6 單料煙煙草pH測(cè)定結(jié)果Table 6 Measurement results of the pH of single-grade tobacco (n=3)

表7 卷煙煙草pH和主流煙氣粒相物pH測(cè)定結(jié)果

2.3 灰色關(guān)聯(lián)度分析

為考察各非揮發(fā)性有機(jī)酸對(duì)pH的影響程度，根據(jù)表4～表7中測(cè)定結(jié)果，分別以單料煙煙草pH、卷煙煙草pH、主流煙氣粒相物pH為母序列，以相應(yīng)的非揮發(fā)性有機(jī)酸作為特征序列，分辨系數(shù)ρ取0.5，數(shù)據(jù)經(jīng)均值化處理后進(jìn)行灰色關(guān)聯(lián)度分析，結(jié)果見(jiàn)表8。

由表8可知，單料煙煙草pH與草酸、軟脂酸、蘋(píng)果酸、油酸、檸檬酸的關(guān)聯(lián)度較大，其關(guān)聯(lián)度分別為：0.894，0.879，0.837，0.834，0.817；卷煙煙草pH與軟脂酸、蘋(píng)果酸、亞麻酸、草酸、檸檬酸的關(guān)聯(lián)度較大，其關(guān)聯(lián)度分別為：0.960，0.959，0.952，0.950，0.946；卷煙主流煙氣粒相物pH與蘋(píng)果酸、軟脂酸、亞麻酸、草酸、亞油酸的關(guān)聯(lián)度較大，其關(guān)聯(lián)度分別為：0.936，0.936，0.959，0.957，0.954；十三酸、正十五酸與3種pH的關(guān)聯(lián)度均較小，可能是二者在樣品中的含量較低造成的。因此，草酸、軟脂酸、蘋(píng)果酸、油酸、檸檬酸對(duì)單料煙煙草pH的影響程度相對(duì)較大；軟脂酸、蘋(píng)果酸、亞麻酸、草酸、檸檬酸對(duì)卷煙煙草pH的影響程度相對(duì)較大；蘋(píng)果酸、軟脂酸、亞麻酸、草酸、亞油酸對(duì)卷煙主流煙氣粒相物pH的影響程度相對(duì)較大。

表8 pH與非揮發(fā)性有機(jī)酸的關(guān)聯(lián)度Table 8 Correlation degree between pH and non-volatile organic acid

2.4 主成分分析

采用主成分分析方法對(duì)單料煙和卷煙中的非揮發(fā)性有機(jī)酸進(jìn)行因子提取，并運(yùn)用最大方差旋轉(zhuǎn)方法進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。根據(jù)KMO和Bartlett的檢驗(yàn)，可知單料煙和卷煙中非揮發(fā)性有機(jī)酸的KMO分別為0.665，0.675，均大于0.6，說(shuō)明變量間存在相關(guān)性；Bartlett球形度檢驗(yàn)中單料煙和卷煙中非揮發(fā)性有機(jī)酸的P均小于0.001，說(shuō)明主成分分析有意義。通過(guò)對(duì)有機(jī)酸主成分進(jìn)行提取分析，并與灰色關(guān)聯(lián)度分析結(jié)果結(jié)合，可有效明確有機(jī)酸對(duì)pH的影響程度，當(dāng)主成分特征值大于1時(shí)，該有機(jī)酸成分可作為主成分進(jìn)行分析[19-20]。單料煙及卷煙有機(jī)酸主成分相關(guān)特征值及其貢獻(xiàn)率見(jiàn)表9、表10。

表9 單料煙有機(jī)酸相關(guān)特征值及其貢獻(xiàn)率

表10 卷煙有機(jī)酸相關(guān)特征值及其貢獻(xiàn)率

由表9可知，單料煙有機(jī)酸共提取出4個(gè)主成分，其方差貢獻(xiàn)率分別為37.278%，19.417%，11.360%，8.600%，累計(jì)方差貢獻(xiàn)率為76.66%。單料煙有機(jī)酸第1主成分包括亞油酸、亞麻酸、軟脂酸等，第2主成分包括檸檬酸、蘋(píng)果酸、草酸等，第3主成分僅包括油酸，第4主成分僅包括琥珀酸。結(jié)合灰色關(guān)聯(lián)度分析結(jié)果可知，第2主成分中的蘋(píng)果酸、草酸對(duì)單料煙煙草pH的影響程度較大。

由表10可知，卷煙有機(jī)酸共提取出3個(gè)主成分，其方差貢獻(xiàn)率分別為40.137%，26.953%，11.374%，累計(jì)方差貢獻(xiàn)率為78.46%；卷煙有機(jī)酸第1主成分包括檸檬酸、硬脂酸、丙二酸等，第2主成分包括正十五酸、軟脂酸、亞麻酸等，第3主成分僅包括草酸、亞油酸、蘋(píng)果酸等。結(jié)合灰色關(guān)聯(lián)度分析結(jié)果可知，第2、3主成分中的軟脂酸、蘋(píng)果酸對(duì)卷煙煙草pH、主流煙氣粒相物pH的影響程度較大，與邱寶平等[11]的研究結(jié)論存在共性。

對(duì)比分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，草酸對(duì)單料煙煙草pH的影響程度較大，而對(duì)卷煙煙草pH和主流煙氣粒相物pH的影響程度稍小，軟脂酸對(duì)卷煙煙草pH、主流煙氣粒相物pH的影響程度較大，而對(duì)單料煙煙草pH的影響程度稍小。其原因可能是草酸性質(zhì)不如軟脂酸穩(wěn)定，在100 ℃以上的溫度條件下草酸容易升華，卷煙加工過(guò)程中的膨脹、烘絲等熱處理均會(huì)使煙絲中草酸的含量減少。楊力佳等[21]發(fā)現(xiàn)煙絲經(jīng)過(guò)膨脹后，非揮發(fā)性有機(jī)酸含量明顯降低，且在膨脹前后草酸含量的降低率大于軟脂酸，從而使草酸對(duì)煙絲酸堿度的影響減弱，最終導(dǎo)致草酸對(duì)卷煙煙草pH和主流煙氣粒相物pH的影響程度變小。從單料煙煙葉到制成卷煙需要經(jīng)過(guò)一系列加工過(guò)程，加工過(guò)程中煙葉內(nèi)部化學(xué)成分的改變最終導(dǎo)致單料煙和卷煙研究結(jié)果有所不同。

3 結(jié)論

煙草中不同有機(jī)酸對(duì)pH影響程度不同，利用灰色關(guān)聯(lián)度分析并結(jié)合主成分分析發(fā)現(xiàn)，蘋(píng)果酸、草酸對(duì)單料煙煙草pH的影響程度較大，蘋(píng)果酸、軟脂酸對(duì)卷煙煙草pH、主流煙氣粒相物pH的影響程度較大，十三酸、正十五酸對(duì)pH的影響較小。為實(shí)際改善和調(diào)控?zé)煵輕H及主流煙氣粒相物pH、弱化卷煙煙氣噪感，后期可開(kāi)展在煙葉或煙絲中施加非揮發(fā)酸的相關(guān)試驗(yàn)，比較蘋(píng)果酸與草酸、蘋(píng)果酸與軟脂酸在改善煙草及煙氣pH中的效果，以便提升卷煙產(chǎn)品的吸食品質(zhì)。