CN109738568B - 一种基于pca椭圆面积的烟丝加香均匀性评价方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于PCA椭圆面积的烟丝加香均匀性评价方法，包括如下步骤：准备对照样品、准备待测样品、固相微萃取‑气相色谱‑质谱分析、计算PCA得分图中对照样品和待测样品的PCA椭圆面积和结果分析。本发明计算主成分得分图的PCA椭圆面积，通过椭球面积来量化出加香均匀性的大小，进而准确区分出加香均匀和不均匀的两组样品，并且通过平均差来量化出加香均匀性的大小，具有推广应用价值。本发明采用固相微萃取，能有效测量香精香料和烟丝中的挥发和半挥发性成分，并选择其峰为共有模式峰进行主成分分析，结果更加准确。
Description
技术领域
本发明涉及一种烟丝加香均匀性评价方法，具体涉及一种基于PCA椭圆面积的烟丝加香均匀性评价方法。
背景技术
卷烟配方一直被看作是卷烟企业的核心技术，然而卷烟中添加香精香料更被当作关键技术。近年来，指纹图谱在烟草领域的应用研究取得突飞猛进的进展，这方面的报道也越来越多了，目前在烟草的质量监控、质量评价、质量一致性等方面有很多的应用。
卷烟加香均匀性的量化表征方面一直都是卷烟工艺的难题，本行业开展了大量评价卷烟加香均匀性的工作，其中以往研究报道过理论计算和公式推导出加香均匀性，以及烟用香精作为标记物来评价加香均匀性。但由于烟用香精香料的化学组成较复杂，种类繁多，且加在卷烟烟丝上的香精成分相同，只是含量有差异，所加香精含量也较少。用一个或某几个特征化合物作为标记物进行评价加香均匀性，不但标记物难找，并且很难在大规模生产中添加标记物，故不能得到合理的综合性评价结果。
SPME本身对于微量的成分具有选择性浓缩萃取的效果，因此对于卷烟中特定的微量化合物具有良好分析准确度。因而，如何简化工艺，规避特征标记物的选择，同时保证评价结果的客观准确，是值得研究的问题。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种基于PCA椭圆面积的烟丝加香均匀性评价方法。
本发明目的通过下列技术方案予以实现：
一种基于PCA椭圆面积的烟丝加香均匀性评价方法，包括如下步骤：
步骤（1）、准备对照样品
取某品牌烟丝，将香精按其牌号比例进行均匀加香，将加香后的烟丝平均分成若干份，每份按一定重量取样，装袋待测，即得到对照样品；
步骤（2）、准备待测样品
将某品牌成品烟丝样品平均分成若干份，每份按一定重量取样，装袋待测，即得到待测样品；
步骤（3）、固相微萃取-气相色谱-质谱分析
对上述对照样品和待测样品进行固相微萃取-气相色谱-质谱分析，得到对照样品和待测样品的固相微萃取图谱；
步骤（4）、计算PCA得分图中对照样品和待测样品的PCA椭圆面积
在对照样品和待测样品的固相微萃取图谱中，分别以一个内标回收率最好的样品为基数，其他样品的内标峰面积与基数进行相比，得到的比值即为加权系数；利用公式：
加权峰面积=原始积分峰面积/加权系数，将峰面积量化；
将对照样品和待测样品的固相微萃取图谱以CDF格式依次导入ChemmindChempattern 2017，将对照样品作为对照谱进行指纹匹配，按照以上方法量化各样品的峰面积，确定得到共有峰，建立烟丝加香样品的化学指纹图谱共有模式；
采用主成分分析方法对上述微固相萃取图谱数据进行降维处理绘制PCA得分图；然后按下式计算PCA椭圆面积：
A=π*std(X)*std(Y)；
其中，std(X)、std(Y)分别代表椭圆的长短轴，X、Y分别代表PCA得分图中PC1方向和PC2方向；按下式计算X、Y的标准差，进而用PCA椭圆面积来表征各组样品的离散程度：
其中，Xi和Yi是每个要素的空间位置坐标，
和
是算数平均中心；
步骤（5）、结果分析
根据步骤（4）的计算结果，当待测样品PCA椭圆面积大于对照样品PCA椭圆面积时，则加香均匀性较差；当待测样品PCA椭圆面积小于对照样品PCA椭圆面积时，则加香均匀性较好；当待测样品PCA椭圆面积与对照样品PCA椭圆面积接近时，则加香均匀性相近。
进一步地，步骤（3）中，准确称取0.7 g样品放置于20 mL棕色顶空瓶中，加入0.25ug/ul的氘代甲苯作为内标，随即旋紧瓶盖密封待测，然后进行固相微萃取-气相色谱-质谱分析。
进一步地，对照样品平均分成份数不小于10份，且对照样品和待测样品的牌号与份数一致。
进一步地，步骤（3）中，固相微萃取条件如下：
萃取头：85μm Carboxen/PDMS；萃取温度：80℃；萃取时间：60min；解吸附时间：30min。
进一步地，步骤（3）中，气相色谱/质谱条件如下：
进样口温度：250 ℃，分流进样；载气：99.99%氦气；恒流流速：1.0mL/min；色谱柱：HP-INNOWAX；分流比：5:1；升温程序：初始温度50 ℃，保持2 min；升温速率：5 ℃/ min至220 ℃，然后10 ℃/ min至250 ℃，保持1 min；
电离方式：EI+；离子源温度：230 ℃；传输线温度：250 ℃；扫描范围：40 amu-350amu；溶剂延迟：3.5 min。
进一步地，步骤（4）中，PCA分析所得的主成分累计方差解释率大于85%。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
（1）本发明计算主成分得分图的PCA椭圆面积，通过椭球面积来量化出加香均匀性的大小，进而准确区分出同一品牌加香均匀和不均匀的两组样品，并且通过平均差来量化出加香均匀性的大小，判断同一品牌不同批次样品之间的加香的均匀性，具有推广应用价值。
（2）本发明采用固相微萃取，能有效测量香精香料和烟丝中的挥发和半挥发性成分，并选择其峰为共有模式峰进行主成分分析，结果更加准确。
（3）本发明通过SPME分析技术，无需进行特征标记物，采用PCA椭圆面积计算方法，对不同烟丝加香方式的加香均匀性进行，进行量化评价，工艺简化，可以对在线大规模生产的多组烟丝加香是否均匀进行评价。
附图说明
图1为实施例1烟丝加香样品的化学指纹图谱共有模式；
图2为实施例1的PCA图；其中A为对照样品，B为待测样品。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明，但不以任何方式对本发明加以限制，基于本发明教导所做的任何变换或改进，均落入本发明的保护范围。实施例中未注明具体技术或条件者，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。所用材料或设备未注明生产厂商者，均为可以通过购买获得的常规产品。
实施例1
本实施例的基于PCA椭圆面积的烟丝加香均匀性评价方法，包括如下步骤：
步骤（1）、准备对照样品
取A品牌烟丝，采用A品牌香精按3.3‰（质量比）进行均匀加香。将加香后的烟丝平均分成16份，每份取样10g，分别装在自封袋待测，即得到对照样品。
步骤（2）、准备待测样品
将A品牌成品烟丝样品平均分成16份，每份取样10g，分别装在自封袋待测，即得到待测样品。
步骤（3）、固相微萃取-气相色谱-质谱分析
对上述对照样品和待测样品进行固相微萃取-气相色谱-质谱分析，准确称取0.7g样品（约1支常规规格卷烟烟丝质量）放置于20 mL棕色顶空瓶中，加入0.25 ug/ul的氘代甲苯（正己烷溶）作为内标，随即旋紧瓶盖密封待测，然后进行SPME-GC-MS测定。
其中，固相微萃取条件如下：
萃取头：85μm Carboxen/PDMS；萃取温度：85℃；萃取时间：55min；解吸附时间：32min。
气相色谱/质谱条件如下：
进样口温度：250 ℃，分流进样；载气：99.99%氦气；恒流流速：1.0mL/min；色谱柱：HP-INNOWAX；分流比：5:1；升温程序：初始温度50 ℃，保持2 min；升温速率：5 ℃/ min至220 ℃，然后10 ℃/ min至250 ℃，保持1 min；
电离方式：EI+；离子源温度：230 ℃；传输线温度：250 ℃；扫描范围：40 amu-350amu；溶剂延迟：3.5 min。
步骤（4）、计算PCA得分图中对照样品和待测样品的PCA椭圆面积
在对照样品和待测样品的固相微萃取图谱中，分别以一个内标回收率最好的样品为基数，其他样品的内标峰面积与基数进行相比，得到这个比值为加权系数。利用公式：
加权峰面积=原始积分峰面积/加权系数，从而得到峰面积的量化。
将对照样品和待测样品的固相微萃取图谱以CDF格式依次导入ChemmindChempattern 2017，将对照样品作为对照谱进行指纹匹配，按照以上方法量化各样品的峰面积，确定得共有峰，建立烟丝加香样品的化学指纹图谱共有模式如图1所示。
采用主成分分析方法（PCA）对上述微固相萃取图谱数据进行降维处理，绘制出PCA得分图。所得主成分分析图如1所示，主成分累计方差解释率达94.71%。
然后按下式计算PCA椭圆面积：
A=π*std(X)*std(Y)；
其中，std(X)、std(Y)分别代表椭圆的长短轴，X、Y分别代表PCA得分图中PC1方向和PC2方向；按下式计算X、Y的标准差，进而用PCA椭圆面积来表征各组样品的离散程度：
其中，Xi和Yi是每个要素的空间位置坐标，
和
是算数平均中心。得到对照样品组和待测样品组的PCA椭圆面积如表1所示：
表1A品牌的对照样品组和待测样品组的PCA椭圆面积
步骤（5）、结果分析
从表1可以看出，待测样品PCA椭圆面积大于对照样品PCA椭圆面积，待测样品的均匀性较差。
为了验证上述结果，将上述A品牌卷烟，分为16组进行评吸打分，评吸GB5606.4-2005进行，结果如表2所示：
表2 不同卷烟的评析结果
由表2通过标准偏差计算可知，A品牌对照样品卷烟的标准偏差为0.479，A品牌待测样品卷烟标准偏差为1.27，表明A品牌待测样品卷烟的均匀性低于A品牌对照样品卷烟的，与本发明计算所得结果一致，表明本发明方法对烟丝加香方式均匀性评价具有较好的准确性。
实施例2
本实施例的基于PCA椭圆面积的烟丝加香均匀性评价方法，包括如下步骤：
步骤（1）、准备对照样品
取B品牌烟丝，采用B品牌香精按3.5‰（质量比）进行均匀加香。将加香后的烟丝平均分成10份，每份取样10g，分别装在自封袋待测，即得到对照样品。
步骤（2）、准备待测样品
将B品牌成品烟丝样品平均分成10份，每份取样10g，分别装在自封袋待测，即得到待测样品。
步骤（3）、固相微萃取-气相色谱-质谱分析
对上述对照样品和待测样品进行固相微萃取-气相色谱-质谱分析，具体与实施例1相同。
步骤（4）、计算PCA得分图中对照样品和待测样品的PCA椭圆面积
具体方式与实施例1相同，其中，主成分累计方差解释率达85.00%。得到对照样品组和待测样品组的PCA椭圆面积如表3所示：
表3B品牌的对照样品组和待测样品组的PCA椭圆面积
步骤（5）、结果分析
由表2可以看出，待测样品PCA椭圆面积与对照样品PCA椭圆面积接近，样品的均匀性相近。
为了验证上述结果，将上述B品牌卷烟，分为16组进行评吸打分，评吸GB5606.4-2005进行。
通过标准偏差计算可知，B品牌对照样品卷烟的标准偏差为0.568，B品牌待测样品卷烟标准偏差为0.545，表明B品牌待测样品卷烟的均匀性与B品牌对照样品卷烟的相近，与本发明计算所得结果一致，表明本发明方法对烟丝加香方式均匀性评价具有较好的准确性。
实施例3
本实施例的基于PCA椭圆面积的烟丝加香均匀性评价方法，包括如下步骤：
步骤（1）、准备对照样品
取C品牌烟丝，采用C品牌香精按3.1‰（质量比）进行均匀加香。将将加香后的烟丝平均分成25份，每份取样10g，分别装在自封袋待测，即得到对照样品。
步骤（2）、准备待测样品
将D品牌成品烟丝样品平均分成25份，每份取样10g，分别装在自封袋待测，即得到待测样品。
步骤（3）、固相微萃取-气相色谱-质谱分析
对上述对照样品和待测样品进行固相微萃取-气相色谱-质谱分析，具体与实施例1相同。
步骤（4）、计算PCA得分图中对照样品和待测样品的PCA椭圆面积
具体方式与实施例1相同，其中，主成分累计方差解释率达97.31%。得到对照样品组和待测样品组的PCA椭圆面积如表4所示：
表4 C品牌的对照样品组和待测样品组的PCA椭圆面积
步骤（5）、结果分析
由表4可以看出，待测样品PCA椭圆面积与对照样品PCA椭圆面积接近，样品的均匀性与对照样品基本一致。
通过标准偏差计算可知，C品牌对照样品卷烟的标准偏差为0.636，C品牌待测样品卷烟标准偏差为0.685，表明C品牌待测样品卷烟的均匀性与C品牌对照样品卷烟的相近，与本发明计算所得结果一致，表明本发明方法对烟丝加香方式均匀性评价具有较好的准确性。
对比例1
为了验证本发明的优越性和有效性，对于上述实施例1样品，采用与实施例相同的方法步骤，其中仅检测方法改为HS-GC-MS方法，具体测试条件如下：
顶空条件
炉温：110℃，取样针温度：140℃，传输线温度：190℃，载气：氦气（99.99%），20Psi，保温时间：40min，进样时间：0.2min，拔针时间：0.5min，加压时间：2min，GC分析循环时间：50min。进样模式：时间，操作模式：恒定。
气相色谱/质谱条件：
进样口温度：250℃，不分流进样，载气：氦气（99.99%），恒流流速1.0 mL/min，色谱柱：DB-WAX（30m×0.25 mm id×0.25μm df，Agilent公司，美国），分流比：20：1，升温程序：初始温度40℃保持1 min，升温速率5℃/ min至220 ℃，保持3min。电离方式：EI+，离子源温度：230℃，传输线温度：240 ℃，扫描范围：33amu-400amu，溶剂延迟：3.5min。
采用实施例1所用的数据处理方法，计算其PCA椭圆面积，结果如表5所示。
表5不同卷烟的PCA椭圆面积值
从表3可以看出，A品牌待测样品PCA椭圆面积小于对照样品PCA椭圆面积，A品牌待测样的均匀性优于对照样品。结果与评吸结果不一致。
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 (3)
1.一种基于PCA椭圆面积的烟丝加香均匀性评价方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤（1）、准备对照样品
取某品牌烟丝，将香精按其牌号比例进行均匀加香，将加香后的烟丝平均分成若干份，每份按一定重量取样，装袋待测，即得到对照样品；
步骤（2）、准备待测样品
将某品牌成品烟丝样品平均分成若干份，每份按一定重量取样，装袋待测，即得到待测样品；
步骤（3）、固相微萃取-气相色谱-质谱分析
对上述对照样品和待测样品进行固相微萃取-气相色谱-质谱分析，得到对照样品和待测样品的固相微萃取图谱；
准确称取0.7g样品放置于20mL棕色顶空瓶中，加入0.25ug/ul的氘代甲苯作为内标，随即旋紧瓶盖密封待测，然后进行固相微萃取-气相色谱-质谱分析；
固相微萃取条件如下：
萃取头：85μm Carboxen/PDMS；萃取温度：85℃；萃取时间：55min；解吸附时间：32min；
气相色谱/质谱条件如下：
进样口温度：255℃，分流进样；载气：99.99%氦气；恒流流速：1.0mL/min；色谱柱：HP-INNOWAX；分流比：5:1；升温程序：初始温度50 ℃，保持2 min；升温速率：5 ℃/ min至220℃，然后10 ℃/ min至250 ℃，保持1 min；
电离方式：EI+；离子源温度：230 ℃；传输线温度：250 ℃；扫描范围：40 amu-350amu；溶剂延迟：3.5 min；
步骤（4）、计算PCA得分图中对照样品和待测样品的PCA椭圆面积
在对照样品和待测样品的固相微萃取图谱中，分别以一个内标回收率最好的样品为基数，其他样品的内标峰面积与基数进行相比，得到的比值即为加权系数；利用公式：
加权峰面积=原始积分峰面积/加权系数，将峰面积量化；
将对照样品和待测样品的固相微萃取图谱以CDF格式依次导入Chemmind Chempattern2017，将对照样品作为对照谱进行指纹匹配，按照以上方法量化各样品的峰面积，确定得到共有峰，建立烟丝加香样品的化学指纹图谱共有模式；
采用主成分分析方法对上述固相微萃取图谱数据进行降维处理绘制PCA得分图；然后按下式计算PCA椭圆面积：
A=π*std(X)*std(Y)；
其中，std(X)、std(Y)分别代表椭圆的长短轴，X、Y分别代表PCA得分图中PC1方向和PC2方向；按下式计算X、Y的标准差，进而用PCA椭圆面积来表征各组样品的离散程度：
其中，xi和yi是每个要素的空间位置坐标，
和
是算数平均中心；
步骤（5）、结果分析
根据步骤（4）的计算结果，当待测样品PCA椭圆面积大于对照样品PCA椭圆面积时，则加香均匀性较差；当待测样品PCA椭圆面积小于对照样品PCA椭圆面积时，则加香均匀性较好；当待测样品PCA椭圆面积与对照样品PCA椭圆面积接近时，则加香均匀性相近。
2.根据权利要求1所述的烟丝加香均匀性评价方法，其特征在于：对照样品平均分成份数不小于10份，且对照样品和待测样品的牌号与份数一致。
3.根据权利要求1所述的烟丝加香均匀性评价方法，其特征在于：步骤（4）中，PCA分析所得的主成分累计方差解释率大于85%。
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| GR01 | Patent grant | ||
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