CN106932512B - 一种基于烟丝中非挥发性特征组分的卷烟配方质量趋势分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于烟丝中非挥发性特征组分的卷烟配方质量趋势分析方法，包括以下步骤：（1）样品的制备；（2）样品的前处理；（3）用HPLC仪器进行分析；（4）根据不同批次的非挥发性特征组分含量，采用主成分分析‑马氏距离来研究样品的质量趋势变化以及进行不同样品间的相似度分析。本发明可实现对不同样本的分类，是烟丝分组加工过程或配方过程中模块质量的均匀性和稳定性表达的非常便捷和科学的方法；避免了人为判断的主观性，使判定结果更加具有客观性，也更趋近于配方调整的实际；无污染、降低了检测成本和缩短了检测时间。

Description

一种基于烟丝中非挥发性特征组分的卷烟配方质量趋势分析 方法

技术领域

本发明涉及一种卷烟配方质量趋势分析方法，尤其是一种基于烟丝中非挥发性特征组分的卷烟配方质量趋势分析方法，属于卷烟配方质量管控技术领域。

背景技术

卷烟是一个极为复杂的化学多组分体系，抽吸品质的优劣、风格特征的形成，是卷烟内在化学成分(包含外加的香精香料)相互协同作用的结果。近年来，主流烟气中的焦油、烟碱和一氧化碳等释放量也被作为指标衡量卷烟的内在品质，具有良好的实用性。另外采用色谱技术针对烟草内部化学组分进行定性和定量分析也较多，如气质联用技术在烟草行业中主要用于对小分子、易挥发的物质进行分析，杨式华等采用气相色谱-质谱联用仪(GC-MS)法快速测定烟草中22种非挥发性、挥发性有机酸；田振峰等采用气相色谱-质谱/选择离子监测方法分析了烟草中致香物质成分。

然而，现有的常规化学指标和数据处理手段往往指标较为单一和信息量不足，很难实现较为全面的系统分析，尤其是评判卷烟的产品配方质量的变化情况，难以获得满意的结果。因此，采用多维数据结合化学计量学方法对卷烟质量客观评价很有必要的。

主成分分析(PCA)是通过对一组相关变量进行正交旋转等处理，用维数较少的互不相关的新变量来反映原变量提供的大部分信息，通过分析新变量达到解决问题的一种多元统计方法，马氏距离(MD)则可以用来表征样本点的聚集程度。PCA-MD(Principalcomponent analysis-Mahalanobis Distance,PCA-MD)其优点在于可直接将主成分得分向量用于二维或三维图谱识别，通过计算机和化学计量学方法将图谱显示出来，实现对不同样本的分类，因此，PCA-MD是进行定性分析较为科学的方法。

目前，卷烟质量评价主要是采用近红外光谱技术结合化学计量学方法对烟草及烟草制品进行质检质控，其中，对烟草中尼古丁、焦油、总氮、总糖、蛋白质、氯、pH值和灰分等成分已有了深入的研究，然而红外不能准确地反映含量，不足以全面的反映出卷烟的质量趋势。目前未见采用HPLC技术对卷烟烟丝中特征非挥发性成分进行定性定量分析，并结合化学计量学进行配方质量趋势分析的研究报道。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于，提供一种基于烟丝中非挥发性特征组分的卷烟配方质量趋势分析的方法，具体检测卷烟烟丝中10种非挥发性特征组分的含量，在保证检测准确度和灵敏度的同时，提供一种卷烟产品配方质量稳定客观的监控方法，本发明技术方案如下：

一种基于烟丝中非挥发性特征组分的卷烟配方质量趋势分析方法，包括以下步骤：

(1)样品的制备：按月份分批从卷包线上抽取足量的同一品牌的成品卷烟，将收集到的成品卷烟的烟丝超低温冷冻一段时间，然后对烟丝进行破壁粉碎，粉末作为分析样品备用；

(2)样品的前处理：分别称取已编号的待测烟末于三角瓶中，准确加入乙醚：异丙醇溶剂，于震荡摇床上震摇，取出上层清液过滤至棕色样品瓶中，量取液体进行浓缩，取下用乙腈定容，移出再次过滤至棕色进样瓶中，每瓶中均加入亮蓝作为内标，摇匀；

(3)用HPLC仪器进行分析：流动相B/磷酸二氢钠，流动相C/乙腈，流动相D/超纯水；按照仪器测试条件测定样品，由保留时间定性，内标法定量，计算各个非挥发性特征组分含量；

(4)根据不同批次的非挥发性特征组分含量，分别采用主成分分析-马氏距离来研究样品的质量趋势变化以及进行不同样品间的相似度分析。

进一步地，所述质量趋势变化的研究方法具体为：对不同月份样品中的10种特征非挥发性组分的含量进行UV标度化法预处理，然后采用PCA进行降维处理，从相关矩阵出发，提取样品的第一、第二主成分PC1和PC2，以主成分PC1得分为横坐标、主成分PC2得分为纵坐标，将10种特征成分的含量数据投影到二维平面空间，不同月份批次的数据点产生重叠，并存在一定重心距离，通过连接不同月份批次的组分含量在模式空间分布数据点的重心，得到不同月份批次的10种特征组分的趋势性变化曲线；根据10种特征非挥发性组分的含量，采用主成分分析法进行质量趋势变化的研究。

进一步地，所述样品间的相似度分析方法具体为：选择其中一个月的样品的10种非挥发性组分作为参考样，先对原始数据进行变量自然对数变换预处理，然后计算其他样品的数据点与参考样品间的马氏距离。进而判断样品间的相似度。

进一步地，所述步骤(2)中，待测烟末量为1g，乙醚：异丙醇为1:1，加入量为10mL，震荡摇床转速为150r/min，震摇时间2h，取出约3mL上层清液使用注射器通过过滤头过滤至棕色样品瓶中，用移液枪量取3mL液体于氮吹瓶中，在氮吹-定量浓缩仪上浓缩至约0.5mL，取下用乙腈定容至1mL，移出再次过滤至棕色进样瓶中，每瓶中均加入10μL1ppm亮蓝作为内标。

进一步地，10种特征非挥发组分的保留时间分别为：1号组分4.175min、2号组分4.307min、3号组分4.662min、4号组分5.709min、5号组分5.977min、6号组分6.238min、7号组分6.503min、8号组分23.35min、9号组分25.835min、10号组分26.472min，同一月份批次的样品重复测定10次以上，由保留时间定性。

进一步地，所述步骤(4)中，各种非挥发性组分的含量，由如下公式计算得出：

式中：

X_n——表示第n种非挥发性组分的含量，单位μg/g；

M_i——表示加入的内标的质量；

A_n——表示第n种非挥发性组分的色谱峰面积；

A_i——表示内标的色谱峰面积；

m——表示实验称取的烟丝或烟末的质量，单位g。

进一步地，所述步骤(4)中，从相关矩阵出发，根据方差解释率选择第一主成分和第二主成分，第一主成分PC1的方差解释率37.76％，第二主成分PC2的方差解释率32.39％，累计方差解释率为70.15％。

相对于现有技术，本发明具有以下优点：

(1)本发明首次采用HPLC结合PCA-MD方法测定烟丝中非挥发性特征组分含量，并以此来对卷烟配方质量进行趋势性分析。可直接获取卷烟烟丝中特征的非挥发性组分，并获得这些组分的主成分，主成分得分向量用于二维或三维图谱识别，通过计算机和化学计量学方法将图谱显示出来，实现对不同样本的分类，是烟丝分组加工过程或配方过程中模块质量的均匀性和稳定性表达的非常便捷和科学的方法。

(2)避免了人为判断的主观性，使判定结果更加具有客观性，也更趋近于配方调整的实际。采用HPLC结合PCA-MD方法对卷烟烟丝质量趋势进行分析，应用MD表征在分组加工过程或配方过程中模块质量的均匀性和稳定性。该评价方法的建立为卷烟产品配方质量的监控提供依据。

(3)该方法无污染、仅需要检测主要成分，无需对20多种成分进行分析，降低了检测成本和缩短了检测时间。

附图说明

图1为208nm色谱图；

图2为246nm色谱图；

图3为291nm色谱图；

图4为342nm色谱图；

图5为462nm色谱图；

图6为630nm色谱图；

图7为云烟(紫)不同生产批次(月份)烟丝样品的质量趋势性图；

图8为云烟(紫)不同批次烟丝中10种非挥发性组分(散点)的马氏距离。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是对本发明一部分实例，而不是全部的实例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

对云烟(紫)品牌进行配方质量的趋势分析

1、仪器、试剂及仪器工作条件

1)仪器：高效液相色谱仪，配PDA(2998)检测器(Waters e2695，美国Waters公司)；XBndgeTMC18 3.5μm(4.5×250mm)柱子(美国Waters公司)；分析天平(感量为0.1mg，瑞士MettlerToledo公司)；震荡摇床(3017德国GFL公司)；氮吹－定量浓缩仪(HorzonDryvap，美国安捷伦公司)；0.45μm有机相滤膜；5mL移液枪；实验室其它常用设备。

2)试剂：除特别要求外，均使用分析纯及或及以上试剂。水，应符合GB/T 6682中一级水的规定。乙腈、异丙醇、乙醚，分析纯(色谱纯，德国Merck公司)；磷酸二氢钠、氢氧化钠(分析纯，广州汕头西陇试剂厂)。缓冲溶液配制：准确称取49.9g磷酸二氢钠固体于1000mL容量瓶中，用超纯水定容，摇晃加速溶解后过滤，倒入烧杯，使用PH计测量其PH值，并用NaOH调节PH值至4.926左右，通过0.45μm滤膜过滤。

3)HPLC仪器分析条件：

流动相B＝磷酸二氢钠(PH＝4.926)，流动相C＝乙腈，流动相D＝超纯水。进样体积10μL，流动相梯度洗脱程序见表1，检测器条件见表2。

表1梯度洗脱程序

表2检测器条件

2、样品的抽取：

采用随机抽样方法，从卷包线上抽取2016年7月、8月、9月、10月云烟(紫)的成品卷烟各200支。将收集到的成品卷烟的卷烟纸和滤棒剥离后的烟丝放置于-80℃超低温冰箱冷冻30min，采用旋风磨对烟丝进行破壁粉碎，粉末作为分析样品备用。

3、样品的制备：

分别称取已编号的待测烟末约1g于100mL具塞三角瓶中，每瓶准确加入10mL乙醚：异丙醇(1:1)溶剂，于震荡摇床上震摇2h(150r/min)，取出上层清液使用注射器通过过滤头过滤至棕色样品瓶中(约3mL)，用移液枪量取3mL液体于氮吹瓶中，在氮吹－定量浓缩仪上浓缩至约0.5mL，取下用乙腈定容至1mL，移出再次过滤至棕色进样瓶中，每瓶中均加入10μL亮蓝(1ppm)作为内标，摇匀。

4、样品的处理和检测：

进行HPLC分析，同一批次(月份)的样品重复测定10次以上，按照仪器测试条件测定样品，由保留时间定性，内标法定量。每个样品平等测定两次，按照编辑测定方法中间设置空白组。

烟草中各非挥发性组分的含量由如下公式计算得出：

式中：

X_n——表示第n中非挥发性组分的含量(μg/g)；

M_i——表示加入的内标的质量；

A_n——表示第n中非挥发性组分的色谱峰面积；

A_i——表示内标的色谱峰面积；

M——表示实验称取的烟丝或烟末的质量(g)。

5、样品的色谱图：

图1-6分别展示了PDA检测器在208nm、246nm、291nm、342nm、462nm和630nm波长下检测所得到的样品的高效液相色谱图。

6、统计方法：

采用Chempattern^TM软件(科迈恩科技有限公司，中国北京)的通用化学计量学解决模块对不同成品烟丝样品进行相关分析。分别采用主成分分析-马氏距离(PCA-MD)来研究样品的质量趋势变化以及不同样品间的相似度分析。

7、非挥发性特征组分含量的趋势性分析：

云烟(紫)卷烟2016年7、8、9、10四个批次(月份)样品中10种特征挥发性组分的含量数据(峰面积最高的10种)，如表3所示，10种非挥发特征组分的参考保留时间分别为：1号组分(r.t.＝4.175min)、2号组分(r.t.＝4.307min)、3号组分(r.t.＝4.662min)、4号组分(r.t.＝5.709min)、5号组分(r.t.＝5.977min)、6号组分(r.t.＝6.238min)、7号组分(r.t.＝6.503min)、8号组分(r.t.＝23.35min)、9号组分(r.t.＝25.835min)、10号组分(r.t.＝26.472min)。将组分含量进行UV标度化法预处理，然后采用PCA进行降维处理，从相关阵出发，并提取第一主成分PC1(方差解释率37.76％)和第二主成分PC2(方差解释率32.39％)，累计方差解释率为70.15％。以主成分PC1为横坐标、主成分PC2为纵坐标，将10种特征成分的含量数据投影到二维平面空间，如图7所示。图中，红色圆点为2016年7月云烟(紫)品牌卷烟样品的数据点；绿色方形点为2016年8月云烟(紫)品牌卷烟样品的数据点；蓝色五边形点为2016年9月云烟(紫)品牌卷烟样品的数据点；粉红色六边形为2016年10月云烟(紫)品牌卷烟样品的数据点。四种颜色的数据点可以聚成四类，其中2016年7月、9月和10月数据点的重心相距较近，其数据点重叠面积较大，说明这几个月烟丝中10种特征组分的含量基本保持一致，而8月云烟(紫)品牌卷烟烟丝数据点相较于7月、9月和10月份的数据点有一定程度的偏移，说明特征组分的含量出现了细微波动，该波动为月度间的波动。通过连接4类在模式空间分布数据点的重心，可以得到云烟(紫)品牌10种特征组分的趋势性变化曲线，如图7中黄色带箭头的实线所示，通过与配方设计和维护人员的沟通，经与叶组配方和香精香料配方维护人员的确证，该趋势性曲线与烟丝配方调整的趋势性方向基本一致。

表3云烟(紫)不同批次(月份)烟丝样品10种特征非挥发性组分相对含量的高效液相色谱检测结果

8、非挥发性组分含量的MD分析：

为计算和研究同一品牌不同批次烟丝中10种非挥发性组分(散点)的马氏距离，选取2016年7月云烟(紫)烟丝样品10种非挥发性组分(20个数据点)作为参考样，先对原始数据进行变量自然对数变换预处理，以使数据在图表上的表现更为集中。计算2016年8月云烟(紫)烟丝样品(20个数据点)、2016年9月云烟(紫)烟丝样品(10个数据点)和2016年10月云烟(紫)烟丝样品(10个数据点)与参考样品间的马氏距离，结果如图8和表4所示。可知对于2016年7、9、10月间云烟(紫)样品间的马氏距离相差较小，而2016年8月云烟(紫)样品相对上述3个月的马氏距离相差较大。2016年7-10月份云烟(印象)样品的马氏距离分布范围分别为：2.859～16.715、57.439～371.569、10.422～177.401、6.288～88.884。这与PCA分析结果一致。因此，根据该分析方法可以判断不同批次卷烟的配方质量出现异常波动。

表4云烟(紫)不同批次烟丝中10种非挥发性组分(散点)的马氏距离

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于烟丝中非挥发性特征组分的卷烟配方质量趋势分析方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)样品的制备：从卷包生产线上按同一品牌不同月份分批抽取足量的成品卷烟，将收集到的成品卷烟的烟丝超低温冷冻一段时间，然后对烟丝进行破壁粉碎，粉末作为分析样品备用；

(2)样品的前处理：分别称取待测烟末于三角瓶中，加入乙醚/异丙醇溶剂，于震荡摇床上震摇，取出上层清液过滤至棕色样品瓶中，量取液体进行浓缩，取下用乙腈定容，移出再次过滤至棕色进样瓶中，每瓶中均加入亮蓝作为内标，摇匀；

(3)HPLC进样分析：流动相B/磷酸二氢钠，流动相C/乙腈，流动相D/超纯水；按照仪器测试条件测定样品，由保留时间定性，内标法定量，计算各个非挥发性特征组分含量；

其中：色谱柱为：XBndgeTMC18 3.5μm，4.5×250mm；流动相梯度洗脱程序见表1；

表1 梯度洗脱程序

(4)根据不同批次的非挥发性特征组分含量，采用主成分分析-马氏距离来研究样品的质量趋势变化以及进行不同样品间的相似度分析。

2.根据权利要求1所述的分析方法，其特征在于：所述质量趋势变化的研究方法具体为：对不同月份样品中的10种特征非挥发性组分的含量进行UV标度化法预处理，然后采用PCA进行降维处理，从相关矩阵出发，提取样品的第一、第二主成分PC1和PC2，以第一主成分PC1得分为横坐标、第二主成分PC2得分为纵坐标，将10种特征成分的含量数据投影到二维平面空间，不同月份批次的数据点产生重叠，并存在一定重心距离，通过连接不同月份批次的组分含量在模式空间分布数据点的重心，得到不同月份批次的10种特征组分的趋势性变化曲线。

3.根据权利要求1所述的分析方法，其特征在于：所述样品间的相似度分析方法具体为：选择其中一个月的样品的10种非挥发性组分作为参考样，先对原始数据进行变量自然对数变换预处理，然后计算其他样品的数据点与参考样品间的马氏距离。

4.根据权利要求1所述的分析方法，其特征在于：所述步骤(2)中，待测烟末量为1g，乙醚：异丙醇为1:1，加入量为10mL，震荡摇床转速为150r/min，震摇时间2h，取出约3mL上层清液使用注射器通过过滤头过滤至棕色样品瓶中，用移液枪量取3mL液体于氮吹瓶中，在氮吹-定量浓缩仪上浓缩至约0.5mL，取下用乙腈定容至1mL，移出再次过滤至棕色进样瓶中，每瓶中均加入10μL 1ppm亮蓝作为内标。

5.根据权利要求2所述的分析方法，其特征在于：10种特征非挥发组分的保留时间分别为：1号组分4.175min、2号组分4.307min、3号组分4.662min、4号组分5.709min、5号组分5.977min、6号组分6.238min、7号组分6.503min、8号组分23.35min、9号组分25.835min、10号组分26.472min，同一月份批次的样品重复测定10次以上。

6.根据权利要求1所述的分析方法，其特征在于：所述步骤(4)中，各种非挥发性组分的含量由如下公式计算得出：

式中：

X_n——表示第n种非挥发性组分的含量，单位μg/g；

M_i——表示加入的内标的质量；

A_n——表示第n种非挥发性组分的色谱峰面积；

A_i——表示内标的色谱峰面积；

m——表示实验称取的烟丝或烟末的质量，单位g。

7.根据权利要求2所述的分析方法，其特征在于：所述步骤(4)中，从相关矩阵出发，根据方差解释率选择第一主成分和第二主成分，第一主成分PC1的方差解释率37.76％，第二主成分PC2的方差解释率32.39％，累计方差解释率为70.15％。