CN106248850A - 一种快速评价烟用香精香料质量的方法 - Google Patents

一种快速评价烟用香精香料质量的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种快速评价烟用香精香料质量的方法。包括香精香料样品处理、不分离采集香精香料的质谱指纹图谱、数字化标准质谱指纹图谱建立、香精香料的相似度阈值确定、待测香精香料相似度比对等步骤。本发明结合顶空固相微萃取技术和不分离的质谱方法实现对香精香料质谱指纹图谱的快速获取，再利用多元统计分析得到香精香料的质量数据，为香精香料的质量控制提供了一种快速、可靠、稳定的方法，能更好更科学地监控香精香料的质量。该方法适用于所有类型的烟用香精香料，包括香精、料液、酊剂、浸膏和各种香原料，具有良好的应用前景。

Description

一种快速评价烟用香精香料质量的方法
技术领域
本发明属于烟用香精香料应用领域，涉及烟用香精香料的质量评测方法，特别是涉及一种结合固相微萃取—质谱指纹图谱技术和多元统计分析技术实现的快速评价烟用香精香料质量的方法。
背景技术
烟用香精香料是由各种添加剂和适量溶剂调和制成的混合物，其主要用于弥补叶组配方上存在的不足、并赋予卷烟产品特殊的香气风格,从而使卷烟产品具有独特而稳定的香气和吸味，其与卷烟品牌的树立与发展密切相关。自上世纪70年代起，烟草工艺学与分析技术得以快速发展，致使许多的芳香化合物被发掘，这极大地推动了烟草调香技术的发展，使得越来越多的香精香料被应用到卷烟里。并且随着消费者健康意识的不断增强，更多人关注焦油含量低的烟草产品，而卷烟中焦油和尼古丁含量的减少会使得卷烟的香味品质降低，越来越不能满足消费者对高品质香烟的需求。为了解决这一问题，烟草行业尝试通过向烟草配方中加入更多的烟用香精香料来进行合理调配，“美式混合型卷烟”的成功发展就是其中一个典型的例子。
当前的烟草制品中香精香料组分复杂，添加种类的不同以及含量的多少都会极大程度地改变卷烟的香气和口感，因此，有效地识别和控制香精香料质量具有重大的意义。目前评价烟草制品中香精香料的质量主要是利用一些物理指标控制和人体的感官质量评价，前者只能从局部反映香精香料的某些特性；后者是依赖人体鼻感作为识别工具，而感官检验的人为不确定因素和理化指标的允许范围都相对较大，两种方法都很费时费力，并不能准确有效地监控香精香料的质量波动情况。特别需要注意的是香精香料的化学成分复杂，而这些化学成分往往存在“协同”关系，因此仅对其一种或几种化学成分进行定性定量分析，难以对香精香料的质量进行准确地评价。
化学指纹图谱分析具有指纹特征分析、宏观推断分析等特点，其强调的是化学图谱的整体相似性，而不是唯一性。用它来评价烟用香精香料质量主要是依据同种样品化学成分的相似性和差异性。因此它是一种综合性的、宏观的、可量化的鉴别手段。目前研究人员主要是通过色谱指纹图谱鉴别香精香料的质量，虽然结果较为准确，但是由于色谱技术需要分离香精香料中的成分，使得分析时间大大增加，从而影响了生产效率，难以在工业上广泛应用。因此，对于烟草行业来说，当前迫切需要一种快速、简单和稳定的分析筛选技术来评价香精香料的质量。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种能够快速、全面地评价烟用香精香料质量的方法。结合顶空固相微萃取技术和不分离的质谱方法实现对香精香料质谱指纹图谱的快速获取，再利用多元统计分析得到香精香料的质量数据。
本发明的目的通过以下技术方案予以实现。
除非另有说明，本发明所采用的百分数均为质量百分数。
一种快速评价烟用香精香料质量的方法，包括以下步骤：
(1)不分离质谱技术采集烟用香精香料的质谱指纹图谱：随机抽取同一种类n个批次的香精香料标准品，分别按以下操作获得各批次标准品的质谱指纹图谱；
①称取100mg香精香料置于密封的顶空瓶中，室温下静置2min，然后将固相微萃取纤维插入顶空瓶，富集5～10min；
②将气相色谱-质谱仪中的色谱柱用一段去活化的熔融石英毛细管代替，以该熔融石英毛细管作为连接气相色谱进样口和质谱仪的传输线，而不起任何分离作用；
③将完成富集的固相微萃取纤维插入到气相色谱-质谱仪的进样口中，将富集到的挥发性有机物脱附出来；有机物再经过传输线到达质谱仪从而得到香精香料的质谱图；对所得质谱图中的离子峰绝对强度进行归一化处理，计算出每种离子的相对强度，构成各批次标准品的质谱指纹图谱；
所述的气相色谱-质谱仪的气相色谱条件：进样口温度：250～270℃，脱附时间：5min，分流模式，分流比：100:1，柱温：200℃，载气流速：1.5mL/min；
所述的气相色谱-质谱仪的质谱条件：离子源：电子电离源，质量扫描范围：30～250m/z，离子化时间：5min，离子源温度：270℃；
(2)建立该种香精香料的数字化标准质谱指纹图谱：根据步骤(1)所获得的各批次标准品的质谱指纹图谱确定各批次标准品中的共有离子，选择原则为如果一种离子存在于80％以上的香精香料标准品中，则视为该种香精香料的共有离子，反之，则不是共有离子；最终获得包含n个样品m个共有离子的矩阵，然后对不同样品中同一种共有离子的相对强度进行平均，得到m个共有离子平均值，即为该种香精香料的数字化标准质谱指纹图谱；
(3)确定该种香精香料的相似度阈值：按照公式1分别计算各批次标准品的质谱指纹图谱与该种香精香料的数字化标准质谱指纹图谱的相似度，其取值范围为0和1之间,越接近1,其相似程度越高，并以其中的最小值作为该种香精香料的相似度阈值；
S i = Σ j = 1 m X i j Y j Σ j = 1 m X i j 2 Σ j = 1 m Y j 2 - - - ( 1 )
式中，Si为第i个批次标准品香精和该香精的数字化标准质谱指纹图谱的相似度，Xij为第i批次标准品香精的质谱指纹图谱中第j离子质谱峰的相对离子强度，Yj为该种香精的数字化标准指纹图谱中第j离子质谱峰的相对离子强度,n为标准品香精的数量，i＝1～n,m为该种香精的共有离子的个数，j＝1～m；
(4)取待测香精香料，重复步骤(1)中的①②③，获得待测香精香料的质谱指纹图谱；
(5)对步骤(4)所得待测香精香料的质谱指纹图谱与步骤(2)所得该种香精香料的数字化标准质谱指纹图谱进行相似度计算，如果计算结果大于或等于阈值，判定待测香精香料为合格产品，小于阈值，则为不合格产品。
步骤(1)中所述的n个批次优选为5～30个批次。
相对于现有技术，本发明具有以下优点：
1、选择顶空固相微萃取作为样品前处理方式，相比于同时蒸馏萃取、超临界萃取等技术，大大简化了样品预处理过程，并且能有效地提取烟用香精香料中的挥发性成分。整个过程简单快速、对样品无污染以及重现性好。
2、与其他的分离式检测技术(如气相色谱-质谱)相比，本发明采用不分离的质谱技术作为检测手段，可快速获取香精香料质谱指纹图谱，整个检测过程不超过2～3min,这使得本发明的方法能够在工业上大量应用。同时香精香料的质谱指纹图谱能全面、直观地表征香精香料挥发性成分，进而准确客观地反映出香精香料的内在质量。
3、应用相似度分析方法，可从质谱指纹图谱中提取有用的信息，从而准确评价烟用香精香料的质量。
4、本发明为烟用香精香料的质量控制提供了一种快速、可靠、稳定的方法，能更好更科学地监控烟用香精香料的质量。该方法适用于所有类型的烟用香精香料，包括香精、料液、酊剂、浸膏和各种香原料。
附图说明
图1为实施例中A型香精第1个批次(A1)标准品的质谱指纹图谱；
图2为实施例中A型香精数字化标准质谱指纹图谱；
图3为实施例中B型香精第1个批次(B1)标准品的质谱指纹图谱；
图4为实施例中B型香精数字化标准质谱指纹图谱。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明，但附图和实施例并不是对本发明技术方案的限定。所有基于本发明教导所做出的变换，均应属于本发明的保护范围。
实施例1----评价A型烟用香精香料的质量
(1)随机抽取A型香精25个生产批次的标准品并依次标记为A1，A2……A25,分别按以下操作获得各批次标准品的质谱指纹图谱；
①称取100mg A型香精标准品置于密封的22mL顶空瓶中，室温下(20℃)静置2min，然后将固相微萃取纤维DVB/CAR/PDMS插入到顶空瓶中，在室温下(20℃)富集样品10min；
②将气相色谱-质谱仪中的色谱柱用一段长5米，内径0.25微米的去活化空的熔融石英毛细管代替，此时去活化的熔融石英毛细管是作为连接气相色谱进样口和质谱仪的传输线，而不起任何分离作用。熔融石英毛细管必须经过失活处理，以避免样品中的化合物与毛细管表面发生任何可逆或者不可逆的吸附；
③气相色谱-质谱条件设置如下：
气相色谱条件：进样口温度：250℃，脱附时间：5min，分流模式，分流比：100:1，柱温：200℃，载气流速：1.5mL/min。进样口温度设置为250℃是因为此为DVB/CAR/PDMS的最佳脱附温度。脱附时间设置为5min，一方面使得固相微萃取纤维上的挥发性有机物被完全脱附出来；另一方面是为了有足够的时间使得离子阱的真空系统返回到平衡状态。柱温设置在200℃使得香精不会在传输线中冷凝且也不会发生分解。分流比设置为100：1使得质谱仪不会出现过载情况且不会发生明显的歧视效应。
质谱条件：离子源：电子电离源(EI，70ev)，质量扫描范围：30-250m/z，离子化时间：5min，离子源温度：270℃。电子电离源为硬离子电离源，因此可以得到样品中大量化合物的碎片离子峰从而获得含有丰富样品信息的质谱指纹图谱。香精中大部分物质是挥发性化合物，分子量较小，因此30-250m/z的质谱采集范围可达到要求,共记录221个质谱离子峰。
然后将富集了样品的固相微萃取纤维插入到气相色谱进样口中，使富集在固相微萃取纤维上的挥发性有机物全部脱附出来；有机物再经过传输线到达质谱仪从而得到香精香料的质谱图；对质谱图中的离子峰绝对强度行归一化处理，计算出每种离子的相对强度，构成各批次标准品的质谱指纹图谱；如图1所示即为A型香精第1个批次(A1)标准品的质谱指纹图谱；
(2)将存在于20个(80％原则)标准品中的离子视为A型香精的共有离子，结果得到在25个批次的A型香精中共有离子有99个，因此最终得到25×99矩阵(表1)，其中每行代表一个样本，每一列代表一个变量。并将不同样本的同一变量的值进行平均，得到99个变量的平均值，此为A型香精数字化标准质谱指纹图谱(图2)。
表1：
(3)确定A型香精的相似度阈值：按照公式1分别计算25个批次的A型香精标准品的质谱指纹图谱与A型香精的数字化标准质谱指纹图谱的相似度，并以其中的最小值作为该种香精香料的相似度阈值；结果如表2。
S i = Σ j = 1 m X i j Y j Σ j = 1 m X i j 2 Σ j = 1 m Y j 2 - - - ( 1 )
式中，Si为第i个批次A型标准品香精和该香精的数字化标准质谱指纹图谱的相似度，Xij为第i批次A型标准品香精的质谱指纹图谱中第j个离子质谱峰的相对强度，Yj为A型香精的数字化标准指纹图谱中第j离子质谱峰的相对离子强度,n＝25,i＝1～n，m＝99,j＝1～m；
表2：
最终以最小值0.987作为A型香精的阈值；
(4)分别称取9份各100mg的待测香精置于密封的顶空瓶中，其中1-3号待测香精为A型合格香精，4-7号待测香精为其他类型香精，8-9号待测香精为A型过期香精，分别标记为T1～T9，重复步骤(1)中的①②③，分别获得9份待测香精的质谱指纹图谱；
(5)将步骤(4)所得待测香精的质谱指纹图谱与步骤(2)所得A型香精的数字化标准质谱指纹图谱进行相似度计算，如果计算结果大于等于阈值，即视为合格的A型烟用香精香料，若小于阈值，则为不合格产品。结果见表3。
表3.
样品 T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8 T9
相似度 0.993 0.997 0.995 0.439 0.528 0.519 0.880 0.875 0.893
评价结果 合格 合格 合格 不合格 不合格 不合格 不合格 不合格 不合格
实施例1通过顶空固相微萃取—不分离质谱方法结合相似度分析建立起A型香精的数字化标准指纹图谱及其阈值，并用A型合格香精、其他类型香精和A型过期香精验证了用此方法监控A型香精质量的可能性，结果较好。
实施例2
重复实施例1，有以下不同点：
(1)随机抽取B型香精10个生产批次的标准品，分别获得各批次标准品的质谱指纹图谱；其中,固相微萃取纤维为DVB/PDMS,进样口温度：270℃，富集时间5min；图3为B型香精第1个批次(B1)标准品的质谱指纹图谱；
(2)将存在8个(80％原则)样品中的离子视为B型香精的共有离子，结果得到在10个不同批次的B型香精中共有离子有155个，因此最终得到10×155矩阵(表4)，其中每行代表一个样本，每一列代表一个变量。并将不同样本的同一变量的值进行平均，得到155个变量的平均值，此为B型香精数字化标准质谱指纹图谱(图4)；
表4：
(3)确定B型香精的相似度阈值，结果如表5。
表5.
最终以最小值0.951作为B型香精的阈值；
(4)分别称取5份各100mg的待测香精置于密封的顶空瓶中，其中1-2号待测香精为B型合格香精，3-4号待测香精为其他类型香精，5号待测香精为B型过期香精，分别标记为F1～F5，重复步骤(1)中的①②③，分别获得5份待测香精的质谱指纹图谱；
(5)将步骤(4)所得待测香精的质谱指纹图谱与步骤(2)所得B型香精的数字化标准质谱指纹图谱进行相似度计算，如果计算结果大于等于阈值，即视为合格的B型烟用香精香料，若小于阈值，则为不合格产品。结果见表6。
表6.
样品 F1 F2 F3 F4 F5
相似度 0.974 0.963 0.320 0.543 0.872
评价结果 合格 合格 不合格 不合格 不合格
实施例2通过顶空固相微萃取—不分离质谱方法结合相似度分析建立起B型香精的数字化标准指纹图谱及其阈值，并用B型合格香精、其他类型香精和B型过期香精验证了用此方法监控B型香精质量的可能性，结果较好。
通过以上实验可知：顶空固相微萃取—不分离质谱方法可快速建立香精的数字化标准指纹图谱，从而全面、直观地表征香精香料中的挥发性成分，并结合多元分析方法-相似度分析，从而准确客观地反映出香精香料的内在质量，进而对其质量进行监控。

Claims (2)

1.一种快速评价烟用香精香料质量的方法，包括以下步骤：
(1)不分离质谱技术采集烟用香精香料的质谱指纹图谱：随机抽取同一种类n个批次的香精香料标准品，分别按以下操作获得各批次标准品的质谱指纹图谱；
①称取100mg香精香料置于密封的顶空瓶中，室温下静置2min，然后将固相微萃取纤维插入顶空瓶，富集5～10min；
②将气相色谱-质谱仪中的色谱柱用一段去活化的熔融石英毛细管代替，以该熔融石英毛细管作为连接气相色谱进样口和质谱仪的传输线，而不起任何分离作用；
③将完成富集的固相微萃取纤维插入到气相色谱-质谱仪的进样口中，将富集到的挥发性有机物脱附出来；有机物再经过传输线到达质谱仪从而得到香精香料的质谱图；对所得质谱图中的离子峰绝对强度进行归一化处理，计算出每种离子的相对强度，构成各批次标准品的质谱指纹图谱；
所述的气相色谱-质谱仪的气相色谱条件：进样口温度：250～270℃，脱附时间：5min，分流模式，分流比：100:1，柱温：200℃，载气流速：1.5mL/min；
所述的气相色谱-质谱仪的质谱条件：离子源：电子电离源，质量扫描范围：30～250m/z，离子化时间：5min，离子源温度：270℃；
(2)建立该种香精香料的数字化标准质谱指纹图谱：根据步骤(1)所获得的各批次标准品的质谱指纹图谱确定各批次标准品中的共有离子，选择原则为如果一种离子存在于80％以上的香精香料标准品中，则视为该种香精香料的共有离子，反之，则不是共有离子；最终获得包含n个样品m个共有离子的矩阵，然后对不同样品中同一种共有离子的相对强度进行平均，得到m个共有离子平均值，即为该种香精香料的数字化标准质谱指纹图谱；
(3)确定该种香精香料的相似度阈值：按照公式1分别计算各批次标准品的质谱指纹图谱与该种香精香料的数字化标准质谱指纹图谱的相似度，其取值范围为0和1之间,越接近1,其相似程度越高，并以其中的最小值作为该种香精香料的相似度阈值；
S i = Σ j = 1 m X i j Y j Σ j = 1 m X i j 2 Σ j = 1 m Y j 2 - - - ( 1 )
式中，Si为第i个批次标准品香精和该香精的数字化标准质谱指纹图谱的相似度，Xij为第i批次标准品香精的质谱指纹图谱中第j离子质谱峰的相对离子强度，Yj为该种香精的数字化标准指纹图谱中第j离子质谱峰的相对离子强度,n为标准品香精的数量，i＝1～n,m为该种香精的共有离子的个数，j＝1～m；
(4)取待测香精香料，重复步骤(1)中的①②③，获得待测香精香料的质谱指纹图谱；
(5)对步骤(4)所得待测香精香料的质谱指纹图谱与步骤(2)所得该种香精香料的数字化标准质谱指纹图谱进行相似度计算，如果计算结果大于或等于阈值，判定待测香精香料为合格产品，小于阈值，则为不合格产品。
2.根据权利要求1所述的快速评价烟用香精香料质量的方法，其特征在于：步骤(1)中所述的n个批次优选为5～30个批次。
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