嘉峪检测网 2025-05-15 12:48
导读：为了准确量化烟丝加香均匀性，建立了一种基于超声萃取-气相色谱-质谱联用测定外加标记物（苯甲酸乙酯、甲酸苯乙酯、乙酸苯乙酯、丁酸苯乙酯和苯乙酸苯乙酯）结合主成分分析综合得分评价的分析方法。
摘 要：为了准确量化烟丝加香均匀性，建立了一种基于超声萃取-气相色谱-质谱联用测定外加标记物（苯甲酸乙酯、甲酸苯乙酯、乙酸苯乙酯、丁酸苯乙酯和苯乙酸苯乙酯）结合主成分分析综合得分评价的分析方法。烟丝称样质量为3 g，在30 ℃下用正己烷超声萃取30 min，利用HP-5MS色谱柱（30 m×0.25 mm，0.25 μm）分离，质谱EI电离，内标法定量。5种标记物的质量浓度在0.5～20.0 μg/mL范围内与定量离子色谱峰面积线性关系良好，相关系数均大于0.999，检出限为0.04～0.07 μg/mL，定量限为0.13～0.23 μg/mL。样品加标平均回收率为89.9%～94.8%，测定结果的相对标准偏差为2.1%～4.2%（n=6）。对不同生产批次烟丝中5种标记物的含量进行主成分分析，可以简单、快速、准确地量化烟丝加香均匀性，对制丝工艺评价具有一定的应用价值。
关键词：超声萃取；加香；均匀性；主成分分析
在烟草加工领域，制丝的加香工艺是至关重要的一环，它直接关系到最终产品的口感和品质[1]。为了提高加香效果，烟草行业一直致力于加香均匀性评价方法研究。目前烟草行业主要通过计算一种或几种烟用香精自有组分含量的变异系数来评价加香均匀性[
1.实验部分
1.1主要仪器与试剂
气相色谱-质谱仪：7890Ａ-5975C型，美国安捷伦科技有限公司。
电子天平：AG104型，感量为0.1 mg，瑞士梅特勒-托利多公司。
超声仪：DS-7510DTH型，上海生析超声仪器有限公司。
超纯水仪：Milli-Q型，美国密理博公司。
正己烷、异丙醇、甲醇、乙腈、二氯甲烷：均为色谱纯，上海安谱实验科技股份有限公司。
甲酸苯乙酯(质量分数不小于95％)、苯甲酸乙酯(质量分数不小于98％)、乙酸苯乙酯(质量分数不小于98％)、丙酸苯乙酯(质量分数不小98％)、丁酸苯乙酯(质量分数不小于98％)、苯乙酸苯乙酯(质量分数不小于97％)：上海阿拉丁生化科技股份有限公司。
1.2仪器工作条件
1.2.1气相色谱仪
色谱柱：Agilent HP-5MS毛细管柱(30 m×0.25 mm，0.25 μm，美国安捷伦科技有限公司)；载气：氦气；柱流量：1.0 mL/min；进样体积：1 μL；进样方式：分流进样；分流比：10∶1；进样口温度：280 ℃；柱温：采用程序化升温，初始温度为50 ℃，保持3 min，以5 ℃/min的速率升温至200 ℃，保持2 min，以10 ℃/min的速率升温至290 ℃，保持5 min。
1.2.2质谱仪
EI离子源温度：250 ℃；四级杆温度：150 ℃；传输线温度：280 ℃；电子能量：70 eV；监测模式：选择离子监测；溶剂延迟时间：10 min； 6种化合物质谱参数见表1。
表16种化合物的质谱参数
1.3溶液配制
萃取溶液：含5 μg/mL丙酸苯乙酯(内标)的正己烷溶液。
混合标准储备液：准确称取苯甲酸乙酯、甲酸苯乙酯、乙酸苯乙酯、丁酸苯乙酯和苯乙酸苯乙酯各0.1 g，用萃取溶液溶解并定容于1 000 mL容量瓶中，配制成5种化合物的质量浓度均为100 μg/mL的混合标准储备液。
系列混合标准工作溶液：准确移取0.25、0.50、2.50、5.0、10.0 mL混合标准储备液，用萃取溶液分别定容于50 mL容量瓶中，配制成苯甲酸乙酯、甲酸苯乙酯、乙酸苯乙酯、丁酸苯乙酯和苯乙酸苯乙酯的质量浓度均分别为0.5、1.0、5.0、10.0、20.0 μg/mL的系列混合标准工作溶液。
1.4样品处理
将加香后的烟丝样品置于温度为(20±1) ℃、相对湿度为(60±3)%条件下平衡24 h。研磨后称取4.0 g样品，置于250 mL锥形瓶中，加入100 mL正己烷萃取溶液，于30 ℃下超声萃取30 min，取上层萃取液，经0.45 μm滤膜过滤，滤液即为样品溶液。
1.5样品测定
在1.2仪器工作条件下，分别测定5种标记物系列混合标准工作溶液和样品溶液，利用选择离子监测(SIM)模式采集质谱数据，以定量离子色谱峰面积内标法定量。
2.结果与讨论' fill='%23FFFFFF'%3E%3Crect x='249' y='126' width='1' height='1'%3E%3C/rect%3E%3C/g%3E%3C/g%3E%3C/svg%3E)
2.1气相色谱-质谱条件优化
分别考察了5种外加标记物及内标（丙酸苯乙酯）在HP-5MS非极性柱和HP-INNOWax极性柱上的色谱分离情况。发现HP-INNOWax极性色谱柱无法从烟丝复杂基质中有效分离5种酯类化合物，而使用HP-5MS色谱柱，在1.2仪器工作条件下各组分先后出峰，所有色谱峰均达到基线分离，故选择HP-5MS色谱柱为分离柱。在优化的仪器工作条件下混合标准溶液和加香后烟丝萃取液的离子流色谱图如图1所示。
图1混合标准溶液和加香后烟丝萃取液色谱图
Fig. 1Chromatograms of mixed standard solution and tobacco extract after flavoring
2.2样品处理条件优化
2.2.1萃取溶剂选择
分别选择异丙醇、乙醇、乙腈、正己烷和二氯甲烷5种萃取溶剂对烟丝样品进行萃取。结果显示，以二氯甲烷和甲醇为萃取溶剂时，样品中的杂质含量较高，色谱图的基线异常升高。以异丙醇和乙腈为萃取溶剂时，甲酸苯乙酯、乙酸苯乙酯等标志物的质谱响应较低。以正己烷为萃取溶剂时，不仅基质效应较小，而且所有外加标记物和内标物的质谱响应均较高，因此选择正己烷作为萃取溶剂。
2.2.2萃取方式选择
以正己烷为萃取溶剂，分别考察振荡萃取和超声萃取对5种外加标记物回收率的影响，结果见表2。由表2可知，超声萃取法的回收率优于振荡萃取法，因此选择超声萃取法。
表2振荡萃取和超声萃取的回收率
Tab. 2Recoveries of oscillation extraction and ultrasonic extraction
2.2.3萃取温度选择
以正己烷为萃取溶剂，采用超声萃取法，考察萃取温度分别为20、30、40、50 ℃时5种外加标记物的回收率，结果如图2所示。由图2可以看出，当萃取温度从20 ℃升至30 ℃时，5种外加标记物的回收率均提高；继续升高温度时，由于基质效应的影响，5种标记物的回收率均出现了下降，因此选择超声萃取温度为30 ℃。
图2不同萃取温度时的回收率
Fig. 2Recoveries at different extraction temperatures
2.2.4萃取时间选择
选择萃取温度为30 ℃，考察萃取时间分别为10、20、30、40、50 min时5种外加标记物的回收率，结果如图3所示。由图3可以看出，在10～30 min范围内，5种标记物的回收率随萃取时间的延长呈现上升趋势；继续延长萃取时间，回收率开始下降，这可能是由于随着萃取时间的延长，萃取出的烟丝杂质增加，导致了更严重的基质效应，因此，选取超声萃取时间为30 min。
图3不同萃取时间时的回收率
Fig. 3Recoveries at different extraction times
2.2.5样品质量选择
考虑到烟丝基质效应的影响，考察了不同样品
质量(2、3、4、5 g)对5种标记物回收率的影响，结果如图4所示。由图4可以看出，当样品质量为3 g时，5种标记物的回收率均达到了最大值，因此选择样品质量为3 g。
图4不同样品质量时的回收率
Fig. 4Recoveries at different amounts of sample
2.3方法评价
2.3.1线性方程、检出限和定量限
取1.3中的系列混合标准工作溶液，按1.2仪器工作条件进样测定，以标记物与内标质量浓度的比为横坐标(x)，以对应的定量离子色谱峰面积的比为纵坐标(y)，绘制标准工作曲线，并计算线性方程和相关系数。参考GBZ/T 210.5—2008《职业卫生标准制定指南 第5部分：生物材料中化学物质测定方法》中最低检出浓度测定方法，连续测定10次接近空白浓度的溶液，分别以3倍信噪比和10倍信噪比对应的质量浓度作为方法检出限和定量限。5种目标物的质量浓度线性范围、线性方程、相关系数、检出限及定量限见表3。
表3质量浓度线性范围、线性方程、相关系数、检出限和定量限
Tab. 3Linear ranges of the mass concentration，linear equations，correlation coefficients，detection limits，and quantification limits
2.3.2加标回收和精密度试验
取未加标记物且标记物本底值为0的空白烟丝样品，按照低、中、高3个水平，分别加入不同质量浓度的目标物，每个质量浓度水平平行测定6次，计算回收率及相对标准偏差，结果见表4。由表4可知，样品加标平均回收率为89.9%～94.8%，测定结果的
表4样品加标回收与精密度试验结果
Tab. 4Results of sample spiked recoveries and precision test
相对标准偏差为2.1%～4.2%，表明该方法具有良好的精密度和较高的准确度。
2.4加香均匀性评价
2.4.1基于单个加香特征化合物均匀性评价
在某牌香精(不含有苯甲酸乙酯、甲酸苯乙酯、乙酸苯乙酯、丁酸苯乙酯和苯乙酸苯乙酯)中分别添加苯甲酸乙酯、甲酸苯乙酯、乙酸苯乙酯、丁酸苯乙酯和苯乙酸苯乙酯，配制成5种标记物质量分数均为1.0%的香精，用于制丝车间卷烟加香。选用车间双喷嘴加香生产线，待加香设备运行稳定后，于加香机滚筒出口后固定位置采集烟丝样品，每批次取样30次，每次间隔时间为1 min，每次取样质量为100 g，将其置于密封袋中，按1.4方法进行处理，在1.2仪器工作条件下测定，结果见表5。由表5可知，采用单一加香特征化合物对同一批次样品加香均匀性进行评价时，不同的特征物评价结果相差较大，如丁酸苯乙酯的变异系数为11.52，明显大于苯乙酸苯乙酯的变异系数7.54。
表5批次Ⅰ加香烟丝中外加标记物测定结果
Tab. 5Determination results of external markers incut tobacco of batchⅠ
2.4.2基于PCA综合得分的均匀性评价
利用SPSS 26软件对表5数据进行主成分分析，得到总方差解释表(见表6)和因子载荷矩阵(见表7)。
表6总方差解释表
Tab. 6Principal component decomposition total variance
表7因子载荷矩阵
Tab. 7Factor loading matrix
由表6可知，主成分1、2分别解释了总方差的79.661%、10.873%，累计占总方差的90.533%，超过85%，因此认为前2个主成分能够代表样品的大部分信息。
根据数理统计相关知识，主成分分析的变换矩阵即主成分载荷矩阵(U)与因子载荷矩阵(A)及特征值(λ)的数学关系如式(1)所示。由式(1)计算得到主成分载荷矩阵见表8。
(1)
表8主成分载荷矩阵
Tab. 8Principal component load matrix
将得到的主成分向量与原始数据相乘，就可得出主成分与5项原始变量（X1为甲酸苯乙酯质量分数、X2为乙酸苯乙酯质量分数、X3为苯甲酸乙酯质量分数、X4为丁酸苯乙酯质量分数、X5为苯乙酸苯乙酯质量分数）的线性组合表达式，如式（2）和式（3）所示。
F1=0.419X1+0.518X2+0.525X3+0.336X4+0.410X5 (2)
F2=-0.355X1+0.425X2-0.638X3+0.164X4+0.509X5 (3)
综合评价得分F按式(4)计算。
F=
×F1+
×F2 (4)
由式(2)～式(4)计算得到主成分得分和综合得分值见表9。由表9可知，基于主成分分析综合得分F的变异系数为8.93%。
表9批次Ⅰ主成分得分和综合得分值
Tab. 9Principal component score and comprehensivescore value of batchⅠ
2.4.3基于PCA综合得分的烟丝加香均匀性评价方法验证
为验证该方法的可行性，选取制丝车间单喷嘴加香生产线批次Ⅱ样品的检测数据进行分析，检测数据和PCA综合得分F值的计算结果见表10和表11。由表11可以看出，基于主成分综合得分F的变异系数为9.61%，大于批次I的8.93%，这与采用单一加香特征化合物含量计算的批次Ⅱ (表10)大部分标记物的变异系数大于批次I (表5)的对比结果一致，因此基于PCA得分和外加标记物的评价方法能较好地评价不同批次的烟丝加香均匀性。
表10批次Ⅱ加香烟丝中外加标记物测定结果
Tab. 10Determination results of external markers in cut tobacco of batch Ⅱ
表11批次Ⅱ主成分得分和综合得分值
Tab. 11Principal component score and comprehensive score value of batchⅡ
表11批次Ⅱ主成分得分和综合得分值
Tab. 11Principal component score and comprehensivescore value of batchⅡ
3.结语
在对萃取溶剂、萃取方式、萃取温度、萃取时间、称样质量、气相色谱-质谱条件优化的基础上，建立了超声萃取-气相色谱-质谱联用法测定烟丝加香添加标记物(难挥发香料)。5种标记物的质量浓度在0.5～20.0 μg/mL范围内线性良好，相关系数均大于0.999，方法检出限为0.04～0.07 μg/mL，定量限为0.13～0.23 μg/ml，平均回收率为89.9%～94.8%，测定结果的相对标准偏差为2.1%～4.2%。对同一生产批和不同生产批次烟丝中5种标记物的含量进行基于主成分分析综合得分变异系数的计算，避免了采用香精自有组分作为标记物难以选择标记物、标记物易受烟丝基质干扰且不具备通用性的问题，同时克服了多指标表征加香均匀性结果不一致，导致不同生产批次的加香均匀性差别无法量化的问题。该方法可以简单、快速、准确地量化加香均匀性，对于制丝工艺评价具有一定的意义。
参考文献：
1仲崇宝，张磊，崔嵬，等.卷烟制丝加香工序加香均匀性及其影响因素研究［J］.新型工业化，2021，11（4）：130.
ZHONG Chongbao，ZHANG Lei，CUI Wei，et al.Research on the fragrance uniformity and its influencing factors of cigarette silkflavoring process［J］.The Journal of New Industrialization，2021，11（4）：130.
2高复高，殷延齐，郭宏霞，等.HS-GC/MS检测技术在烟丝加香均匀性评价和烟丝流量控制中的应用［J］.农产品加工，2023（17）：50.
GAO Fugao，YIN Yanqi，GUO Hongxia，et al.Application of HS-GC/MS technology in the evaluation of tobacco flavoring uniformity and in cut tobacco flow control［J］.Farm Products Processing，2023（17）：50.
3夏启东，何邦华，侯英，等.气相色谱质谱法测定6种加香目标物质的含量及对烟丝加香均匀性的评价［J］.分析测试学报，2012，31（7）：816.
XIA Qidong，HE Banghua，HOU Ying，et al.Determination of six flavoring characteristic compounds by GC-MS and its evaluation on the flavoring uniformity in cigarette［J］.Journal of Instrumental Analysis，2012，31（7）：816.
4廖惠云，张映，熊晓敏，等.基于标志物含量的变化表征卷烟制丝加香均匀性［J］.烟草科技，2011（10）：5.
LIAO Huiyun，ZHANG Ying，XIONG Xiaomin，et al.Characterizing flavoring uniformity in tobacco primary processing based on change of marker content［J］.Tobacco Science & Technology，2011（10）：5.
5杨乾栩，赵蔚，谢志强，等.基于特征成分的料香均匀性方法建立及评价［J］.云南化工，2024，51（2）：67.
YANG Qianxu，ZHAO Wei，XIE Zhiqiang，et al.Establishment and application of tobacco uniformity evaluation method based on total sugar/cellulose ratio［J］.Yunnan Chemical Technology，2024，51（2）：67.
6ZHANG Yi，WANG Xiuquan，LI Li，et al.Simultaneous determination of 23 flavor additives in tobacco products using gas chromatography-triple quadrupole mass spectrometry［J］.Journal of Chromatography A，2013，1306：72.
7张珍禛，蒋成勇，朱景溯，等.卷烟制丝加香工序加香均匀性及其影响因素研究［J］.轻工学报，2019，34（6）：48.
ZHANG Zhenzhen，JIANG Chengyong，ZHU Jingsu，et al.Research on the fragrance uniformity and its influencing factors of cigarette silkflavoring process［J］.Journal of LightI Industry，2019，34（6）：48.
8吴若昕，张春涛，李登科，等.加速溶剂萃取-气相色谱-串联质谱法测定烟丝中5种羧酸苯乙酯的含量及对烟丝加香的均匀性评价［J］.理化检验（化学分册），2020，56（1）：7.
WU Ruoxin，ZHANG Chuntao，LI Dengke，et al.Determination of 5 phenyl ethyl carboxylates in cut tobacco by GC-MS/MS with accelerated solvent extraction and evaluation on uniformity evalution of the aromatizing process［J］.Physical Testing and Chemical Analysis（Part B：Chemical Analysis），2020，56（1）：7.
9吴若昕，张春涛，叶鸿宇，等.一种基于外加标记物的卷烟加香均匀性的检测方法：CN110487924 A［P］.2024-08-23.
WU Ruoxin，ZHANG Chuntao，YE Hongyu，et al.A detection method of cigarette flavoring uniformity based on external markers：CN110487924 A［P］.2024-08-23.
10CHEN Qi，XU Yan，DONG Hao，et al.Unraveling the relationships between processing conditions and PhIP formation in chemical model system and roast pork patty via principal component analysis［J］.Food Chemistry：X，2024，22：101404.
11MENGE D M，MUSILA R N，KAGITO S，et al.Using principal component analysis to assess soil chemical properties in the mwea irrigation scheme，Kenya：implications for rice agronomic management［J］.International Journal of Plant & Soil Science，2024，36（5）：106.
12王小龙，张承明，陈建华，等.基于SPME指纹图谱主成分分析的烟丝加香均匀性评价方法［J］.应用化工，2019，48（S1）：73.
WANG Xiaolong，ZHANG Chengming，CHEN Jianhua，et al.Tobacco flavoring uniformity evaluation method based on SPME-GC-MS principal component analysis of fingerprint［J］.Applied Chemical Industry，2019，48（S1）：73.
13王晋，陈建华，张承明，等.一种基于PCA椭圆面积的烟丝加香均匀性评价方法：CN109738568B［P］.2022-02-01.
WANG Jin，CHEN Jianhua，ZHANG Chengming，et al.Tobacco flavoring uniformity evaluation method based on PCA ellipse area：CN109738568B［P］.2022-02-01.
14汪显国，申晓锋，刘泽，等.基于主成分分析法的烟丝加香均匀性评价［J］.中国烟草学报，2013，19（5）：33.
WANG Xianguo，SHEN Xiaofeng，LIU Ze，et al.Evaluation of flavoring uniformity of cut tobacco based on principal component analysis［J］.Acta Tabacaria Sinica，2013，19（5）：33.
15张承明，王晋，陈建华，等.一种基于PCA平均距离分析烟丝加香方式均匀性的方法：CN109738570B［P］.2022-02-01.
ZHANG Chengming，WANG Jin，CHEN Jianhua，et al.Tobacco flavoring uniformity evaluation method based on PCA average distance：CN109738568B［P］.2022-02-01.
引用本文：陆成飞，戎萍，何杨杰，等 . 利用添加难挥发香料及主成分分析法评价烟丝加香均匀性［J］. 化学分析计量，2025，34（1）： 76.(LU Chengfei, RONG Ping, HE Yangjie, et al. Evaluation of flavoring uniformity of cut tobacco using non-volatile flavors and principal component analysis[J]. Chemical Analysis and Meterage, 2025, 34(1): 76.)
来源：化学分析计量
