CN109738570B - 一种基于pca平均距离分析烟丝加香方式均匀性的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于PCA平均距离分析烟丝加香方式均匀性的方法，包括如下步骤：对不同加香方式得到的加香烟丝进行SPME‑GC‑MS分析、对在线原料烟丝进行SPME‑GC‑MS分析、特征标记物的确定、计算PCA得分图中不同加香方式的PCA平均距离和不同加香方式的均匀性评价。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，通过香精香料和烟丝成分共有成分的剔除，选择香精香料中特有成分作为特征标记物，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

一种基于PCA平均距离分析烟丝加香方式均匀性的方法
技术领域
本发明涉及一种分析烟丝加香方式均匀性的方法，具体涉及一种基于PCA平均距离分析烟丝加香方式均匀性的方法。
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。指纹图谱这一技术已广泛的应用在中药品质判断与分析及农副产品溯源等领域。由于化学指纹图谱具有指纹特征分析、宏观推断分析等特点。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。
烟丝加香设备加香均匀性的量化表征方面一直都是烟丝加香设备评价的难题，本行业开展了大量评价烟丝加香设备加香均匀性的工作，其中以往研究报道过理论计算和公式推导出加香均匀性，以及外加烟用香精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，本发明采用SPME分析技术，通过香精香料与原料烟丝比对，选取香精香料中所特有的成分作为标记物，采用PCA的椭圆面积计算方法，对不同烟丝加香方式的加香均匀性进行，进行量化评价。
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平均距离分析烟丝加香方式均匀性的方法。本发明目的通过下列技术方案予以实现：
一种基于PCA平均距离分析烟丝加香方式均匀性的方法，包括如下步骤：
步骤（1）、对不同加香方式得到的加香烟丝进行SPME-GC-MS分析
对不同加香方式得到的加香烟丝进行固相微萃取分析，分别获得不同加香方式得到的加香烟丝加香烟丝的SPME-GC-MS图谱；
步骤（2）、对在线原料烟丝进行SPME-GC-MS分析
对在线原料烟丝进行固相微萃取分析，获得在线原料烟丝的SPME-GC-MS图谱；
步骤（3）、特征标记物的确定
通过比对步骤（2）得到的在线原料烟丝和步骤（1）得到的对不同加香方式得到的加香烟丝加香烟丝的SPME-GC-MS图谱，选择加香烟丝中特有的且为不同加香方式得到的加香烟丝共有的成分作为特征标记物；
步骤（4）、计算PCA得分图中不同加香方式的PCA平均距离
步骤（1）的不同加香方式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；
选择特征标记物的峰进行计算，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步骤（1）所得的SPME-GC-MS图谱中特征标记物峰数据进行降维处理，绘制PCA得分图；然后按下式计算PCA平均距离EM：
Figure 362221DEST_PATH_IMAGE002
；
X、Y分别代表PCA得分图中PC1方向和PC2方向，Xi和Yi是每个要素的空间位置坐标，
Figure 178867DEST_PATH_IMAGE004
和
Figure 978196DEST_PATH_IMAGE006
是算数平均中心，n为样品总数；
步骤（5）、不同加香方式的均匀性评价
将不同通过PCA平均距离大小对比，PCA平均距离越大表示该加香方式的加香均匀性越差。
进一步地，步骤（1）中，随机选取不同加香方式得到的加香烟丝样品，取样次数不少于5次，每次取样量不少于10g；每个样品准确称取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，按SPME-GC-MS法测定，得到香精香料的固相微萃取图谱。
进一步地，步骤（2）中，随机选取在线原料烟丝样品，取样次数不少于5次，每次取样量不少于10g；每个样品准确称取0.7 g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，按SPME-GC-MS法测定，得到在线原料烟丝的固相微萃取图谱。
进一步地，固相微萃取条件如下：
萃取头：85μm Carboxen/PDMS；萃取温度：75℃；萃取时间：55-65min；解吸附时间：28-32 min。
进一步地，气相色谱/质谱条件如下：
进样口温度：230-240℃，分流进样；载气：99.99%氦气；恒流流速：1.2mL/min；色谱柱：HP-INNOWAX；分流比：5:1；升温程序：初始温度45 ℃，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。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
（1）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，通过加香烟丝和原料烟丝成分共有成分的剔除，选择加香烟丝中特有成分作为特征标记物，并选择其峰为共有模式峰进行主成分分析，结果更加准确。
（2）本发明计算主成分得分图的椭圆面积，通过PCA平均距离来量化出加香均匀性的大小，进而对不同加香方式的加香均匀性进行评价，结果客观和直观且能够准确评价烟丝不同加香方式的加香均匀性。
（3）本发明无需外加特征标记物，可以对在线大规模生产的加香方式进行评价。
（4）无需对某一种或某一类化合物特定分析，适用于所有类型烟丝加香均匀性的评价。
附图说明
图1为实施例的不同加香方式的PCA图；
其中，A为车间加香工序中，通过滚筒料管进行加香，B为车间加香工序中，通过垂直料管进行加香。
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
本实施例针对现有车间加香工序中使用垂直料管和滚筒料管两种加香方式，两种加香方式的香精香料和原料烟丝相同。
本实施例的基于PCA平均距离分析烟丝加香方式均匀性的方法，包括如下步骤：
步骤（1）、对不同加香方式得到的加香烟丝进行SPME-GC-MS（固相微萃取-气相色谱-质谱）分析。
随机选取垂直料管和滚筒料管加香方式得到的加香烟丝样品，分别取样7次，每次样品量20g。每个样品准确称取0.7g样品（约1支常规规格卷烟烟丝质量）放置于20mL棕色顶空瓶中，加入0.25ug/ul的氘代甲苯（正己烷溶）作为内标，随即旋紧瓶盖密封，按SPME-GC-MS法测定，获得香精香料的SPME-GC-MS图谱。
其中，固相微萃取条件如下：
萃取头：85μm Carboxen/PDMS；萃取温度：75℃；萃取时间：60 min；解吸附时间：30min。
气相色谱/质谱条件如下：
进样口温度：240℃，分流进样；载气：99.99%氦气；恒流流速：1.2mL/min；色谱柱：HP-INNOWAX（30 m×0.25 mm id×0.25μmdf，Agilent公司，美国）；分流比：5:1；升温程序：初始温度45℃，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（2）、在线原料烟丝的SPME-GC-MS分析
随机选取在线原料烟丝样品，取样次数7次，每次样品量20g。每个样品准确称取0.7 g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，SPME-GC-MS法测定，获得在线原料烟丝的SPME-GC-MS图谱。固相微萃取条件和气相色谱/质谱条件与步骤（1）相同。
步骤（3）、特征标记物的确定
通过比对步骤（2）得到的在线原料烟丝和步骤（1）得到的对不同加香方式得到的加香烟丝加香烟丝的SPME-GC-MS图谱，选择加香烟丝中特有的且为不同加香方式得到的加香烟丝共有的成分：香兰素、长叶烯、薄荷醇、香茅醇、香茅醇甲酯、香茅醇乙酯、牻牛儿醇、橙花醇、丁香油酚、苯乙醇和乙酸作为特征标记物。
步骤（4）、计算PCA得分图中不同加香方式的PCA平均距离
步骤（1）的不同加香方式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；
将获得垂直料管和滚筒料管两种加香的固相微萃取图谱以CDF格式依次导入Chemmind Chempattern 2017，仅选择香兰素、长叶烯、薄荷醇、香茅醇、香茅醇甲酯、香茅醇乙酯、牻牛儿醇、橙花醇、丁香油酚、苯乙醇和乙酸香精香料特有成分即标记物的峰进行计算，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。
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步骤（1）所得的SPME-GC-MS图谱中特征标记物峰数据进行降维处理，绘制PCA得分图；然后按下式计算PCA平均距离EM：
Figure 501581DEST_PATH_IMAGE008
；
X、Y分别代表PCA得分图中PC1方向和PC2方向，Xi和Yi是每个要素的空间位置坐标，
Figure 931425DEST_PATH_IMAGE004
和
Figure 235368DEST_PATH_IMAGE006
是算数平均中心，n为样品总数；
两种加香方式的PCA平均距离如表1所示：
表1垂直料管加香和滚筒料管加香的PCA平均距离
Figure DEST_PATH_IMAGE001
步骤（6）、不同加香方式的均匀性评价
从表1可以看出：垂直料管的PCA平均距离较小，烟丝加香均匀性较好。
为了验证上述结果，将上述两组烟丝采用云烟（紫）的三纸一棒及卷制工艺制备成卷烟，分为10组进行评吸打分，评吸GB5606.4-2005进行，结果如表2所示：
表2 不同加香方式得到的卷烟的评析结果
Figure DEST_PATH_IMAGE002
由表2通过标准偏差计算可知，垂直料管烟丝卷烟的标准偏差为0.158，滚筒料管烟丝标准偏差为0.789，表明垂直料管烟丝的均匀性优于滚筒料管烟丝，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，计算其椭圆面积，结果如表3所示。
表3垂直料管加香和滚筒料管加香的PCA平均距离
Figure DEST_PATH_IMAGE003
从表3可以看出，滚筒料管的椭圆面积较小，与评吸结果不一致。HS-GC-MS不适用于分析烟丝加香方式均匀性。
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平均距离分析烟丝加香方式均匀性的方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤（1）、对不同加香方式得到的加香烟丝进行SPME-GC-MS分析
对不同加香方式得到的加香烟丝进行固相微萃取分析，分别获得不同加香方式得到的加香烟丝加香烟丝的SPME-GC-MS图谱；
随机选取不同加香方式得到的加香烟丝样品，取样次数不少于5次，每次取样量不少于10g；每个样品准确称取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，按SPME-GC-MS法测定，得到香精香料的固相微萃取图谱；
步骤（2）、对在线原料烟丝进行SPME-GC-MS分析
对在线原料烟丝进行固相微萃取分析，获得在线原料烟丝的SPME-GC-MS图谱；
随机选取在线原料烟丝样品，取样次数不少于5次，每次取样量不少于10g；每个样品准确称取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，按SPME-GC-MS法测定，得到在线原料烟丝的固相微萃取图谱；
步骤（3）、特征标记物的确定
通过比对步骤（2）得到的在线原料烟丝和步骤（1）得到的对不同加香方式得到的加香烟丝加香烟丝的SPME-GC-MS图谱，选择加香烟丝中特有的且为不同加香方式得到的加香烟丝共有的成分作为特征标记物；
步骤（4）、计算PCA得分图中不同加香方式的PCA平均距离
步骤（1）的不同加香方式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；
选择特征标记物的峰进行计算，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步骤（1）所得的SPME-GC-MS图谱中特征标记物峰数据进行降维处理，绘制PCA得分图；然后按下式计算PCA平均距离EM：
Figure 993230DEST_PATH_IMAGE002
；
X、Y分别代表PCA得分图中PC1方向和PC2方向，Xi和Yi是每个要素的空间位置坐标，
Figure 857281DEST_PATH_IMAGE003
和
Figure 874916DEST_PATH_IMAGE004
是算数平均中心，n为样品总数；
步骤（5）、不同加香方式的均匀性评价
将不同通过PCA平均距离大小对比，PCA平均距离越大表示该加香方式的加香均匀性越差。
2.根据权利要求1所述的基于PCA平均距离分析烟丝加香方式均匀性的方法，其特征在于：固相微萃取条件如下：
萃取头：85μm Carboxen/PDMS；萃取温度：75℃；萃取时间：55-65min；解吸附时间：28-32 min。
3.根据权利要求1所述的基于PCA平均距离分析烟丝加香方式均匀性的方法，其特征在于：气相色谱/质谱条件如下：
进样口温度：230-240℃，分流进样；载气：99.99%氦气；恒流流速：1.2mL/min；色谱柱：HP-INNOWAX；分流比：5:1；升温程序：初始温度45 ℃，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。
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