CN109799310B - 一种基于pca椭圆面积和相似度的卷烟品质稳定性检测方法 - Google Patents

一种基于pca椭圆面积和相似度的卷烟品质稳定性检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及基于PCA椭圆面积和相似度的卷烟品质稳定性检测方法，包括如下步骤：样品制备、SPME‑GC‑MS分析、HS‑GC/MS分析、计算PCA椭圆面积和相似度和结果判定。本发明计算主成分得分图的PCA椭圆面积以及相似度，通过椭球面积和相似度结合来量化出不同产品的稳定性，进而对不同卷烟产品之间的品质稳定性进行评价，结果更加客观和直观。

Description

一种基于PCA椭圆面积和相似度的卷烟品质稳定性检测方法
技术领域
本发明涉及一种卷烟品质稳定性检测方法，具体涉及一种基于PCA椭圆面积和相似度的卷烟品质稳定性检测方法。
背景技术
烟草是一种不直接食用，而是吸食燃烧后烟气的特殊经济作物。确切地说，人们从烟草中吸食的是燃烧过程中热裂解产生的化学成分和经热馏挥发进入烟气的部分烟叶原有化学成分，能感受到的烟气香气成分直接影响卷烟的吸食品质。卷烟烟丝的香气特征(香气质与香气量)是评价烟草制品的重要指标，卷烟产品的香味是人的生理感官对烟草香气和吃味的综合感受，是卷烟烟气特有的风格和风味。人们所感受到的烟气浓度、生理强度和味道与卷烟烟丝中的挥发性、半挥发性成分密切相关，其主要来源于烟草本体成分、外加香精香料以及加工过程中发生的化学反应产物。卷烟烟丝中的挥发性、半挥发性成分不仅可以反映卷烟外加香精香料组成，而且与烟草的内在感官品质和风格紧密相关。
SPME本身对于微量的成分具有选择性浓缩萃取的效果，选择对特定的萃取头，实现对卷烟中风格特征化合物的准确分析，同时结合顶空气相色谱对卷烟挥发及半挥发性物质分析结果，完成卷烟品质稳定性的评价。
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。
烟叶中的化学成分情况能够反映烟叶的品质水平，在卷烟配方设计中常作为重要判断依据。由于烟叶化学成分种类繁多，选择合理的评价方法来表征烟叶的品质水平，是准确判断烟叶质量的关键。
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椭圆面积和相似度的卷烟品质稳定性检测方法。本发明目的通过下列技术方案予以实现：
一种基于PCA椭圆面积和相似度的卷烟品质稳定性检测方法，包括如下步骤：
步骤(1)、样品制备
取同一品牌不同产地或不同批次的卷烟烟丝，将成品卷烟中烟丝粉碎，分别称取一定量样品放置于棕色顶空瓶中，加入内标，密封待测；
步骤(2)、SPME-GC-MS分析
通过SPME-GC-MS分析步骤(1)的待测样品，得到待测样品的SPME-GC-MS图谱；
步骤(3)、HS-GC/MS分析
取同一品牌不同产地或不同批次的卷烟烟丝，采用HS-GC/MS全扫描模式检测不同品牌卷烟烟丝中挥发及半挥发性成分，质谱数据库检索定性，内标法定量，得到待测样品的HS-GC/MS图谱；
步骤(4)、计算PCA椭圆面积和相似度
在步骤(2)(3)所得的气质图谱中，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，得到共有峰，建立烟丝加香样品的化学指纹图谱共有模式；
之后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，绘制出PCA图；
然后按下式对步骤(2)的SPME-GC-MS图谱得到的PCA数据进行PCA椭圆面积计算：
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：
Figure GDA0002019747230000021
对步骤(3)的的HS-GC/MS图谱导入Chemmind Chempattern 2017专业版软件计算其夹角余弦相似度；
步骤(5)、结果判定
根据步骤(4)的计算，所有样品PCA椭圆面积
Figure GDA0002019747230000033
其中，
Figure GDA0002019747230000032
为所有PCA椭圆面积的平均值，同时，所有的相似度C>0.8时，表明样品之间品质稳定；否则样品之间品质不稳定。
进一步地，步骤(1)中，卷烟样品数不小于2份，采用旋风磨将成品卷烟中烟丝粉碎至40-60目，准确称取0.7g样品放置于20mL棕色顶空瓶中，加入0.1μL纯度≥99.3％的乙酸苯乙酯内标，随即旋紧瓶盖密封待测。
进一步地，步骤(2)中，SPME-GC-MS测定时，棕色顶空瓶中加入0.25 ug/ul的正己烷溶的氘代甲苯作为内标，随即旋紧瓶盖密封待测。
进一步地，每个卷烟样品检测次数不少于4次。
进一步地，步骤(2)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：55-65min，解吸附时间：25-28min。
进一步地，步骤(2)中，气相色谱/质谱条件如下：
进样口温度：230℃，分流进样，载气：99.99％氦气，恒流流速1.0mL/min，色谱柱：HP—INNOWAX，30 m×0.25 mm id×0.25μm df，Agilent公司，美国，分流比：5:1，升温程序：初始温度60℃，保持2 min，升温速率5℃/min至220℃，升温速率10℃/min至250℃，保持1min；
电离方式：EI+，离子源温度：220℃，传输线温度：240℃，扫描范围：40amu-350amu，溶剂延迟：3.5 min。
进一步地，步骤(3)中，HS-GC/MS分析条件如下：
静态顶空条件：
炉温：110℃，取样针温度：140℃，传输线温度：190℃，载气：99.99％氦气，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：99.99％氦气，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。
进一步地，步骤(4)中，PCA分析所得的主成分累计方差解释率为85％以上。
与现有技术相比，本发明有益效果具体如下：
(1)本发明采用SPME-GC-MS分析与HS-GC/MS分析结合，通过对其挥发性成分、半挥发性成分以及特征香气物质的比较，分析卷烟产品的稳定性。
(2)本发明计算主成分得分图的PCA椭圆面积以及相似度，通过椭球面积和相似度结合来量化出不同产品的稳定性，进而对不同卷烟产品之间的品质稳定性进行评价，结果更加客观和直观。
附图说明
图1为实施例1中固相微萃取-气相色谱-质谱分析数据的PCA图；
图2为实施例1中顶空-气相色谱-质谱分析数据的PCA图；
其中，A为A品牌第1批次样品，B为A品牌第二批次。
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椭圆面积和相似度的卷烟品质稳定性检测方法，包括如下步骤：
步骤(1)、样品制备
取A品牌批次1和批次2的卷烟烟丝，采用旋风磨将成品卷烟中烟丝粉碎至40-60目，准确称取0.7g样品(约一支常规规格卷烟烟丝质量)放置于20mL棕色顶空瓶中，加入0.1μL乙酸苯乙酯内标(纯度≥99.3％)，随即旋紧瓶盖密封待测。
步骤(2)、SPME-GC-MS分析
通过SPME-GC-MS分析，得到待测样品的SPME-GC-MS图谱。分析条件具体如下：
固相微萃取条件：
萃取头：85μm Carboxen/PDMS，萃取温度：85℃，萃取时间：65min，解吸附时间：25min。
气相色谱/质谱条件：
进样口温度：230℃，分流进样，载气：99.99％氦气，恒流流速1.0mL/min，色谱柱：HP—INNOWAX，30m×0.25mm id×0.25μm df，Agilent公司，美国，分流比：5:1，升温程序：初始温度60℃，保持2min，升温速率5℃/min至220℃，升温速率10℃/min至250℃，保持1min。
电离方式：EI+，离子源温度：220℃，传输线温度：240℃，扫描范围：40amu-350amu，溶剂延迟：3.5min。
步骤(3)、HS-GC/MS分析
另外取A品牌批次1和批次2的卷烟烟丝各5份，采用顶空-气相色谱/质谱联用仪(HS-GC/MS)全扫描模式检测卷烟烟丝中挥发及半挥发性成分，质谱数据库检索定性，内标法定量，得到待测样品的HS-GC/MS图谱。分析条件具体如下：
静态顶空条件：
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1.0mL/min，色谱柱：DB-WAX(30m×0.25mm 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1min，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。
步骤(4)、计算PCA椭圆面积和相似度
在步骤(2)(3)所得的气质图谱中，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。
将样品气质图谱以CDF格式依次导入Chemmind Chempattern 2017专业版软件，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。
之后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图。所得固相微萃取和顶空的主成分分析图分别如如图1、图2所示，主成分累计方差解释率达98.07％和93.27％。
然后按下式对步骤(2)的SPME-GC-MS图谱得到的PCA数据进行PCA椭圆面积计算：
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：
Figure GDA0002019747230000061
对步骤(3)的HS-GC/MS图谱导入Chemmind Chempattern 2017专业版软件计算其夹角余弦相似度。
计算结果如表1所示：
表1A品牌批次1和批次2的卷烟烟丝的PCA椭圆面积和相似度
样品名称 PCA椭圆面积 相似度
批次2卷烟 3.87E+14 1.00
批次1卷烟 2.02E+14 0.68
步骤(5)、结果判定
根据步骤(4)的计算，所有样品PCA椭圆面积
Figure GDA0002019747230000062
其中，
Figure GDA0002019747230000063
为所有PCA椭圆面积的平均值，同时，所有的相似度C>0.8时，表明样品之间品质稳定；否则卷烟之间品质不稳定。
A品牌批次1的卷烟烟丝的PCA椭圆面积
Figure GDA0002019747230000064
A品牌批次1和批次2的卷烟烟丝的相似度C＜0.8，可见，A品牌批次1和批次2的卷烟烟丝品牌的之间品质不稳定。
实施例2
本实施例的基于PCA椭圆面积和相似度的卷烟品质稳定性检测方法，包括如下步骤：
步骤(1)、样品制备
取产地1、产地2的C品牌卷烟烟丝，采用旋风磨将成品卷烟中烟丝粉碎至40-60目，准确称取0.7g样品(约一支常规规格卷烟烟丝质量)放置于20mL棕色顶空瓶中，加入0.1μL乙酸苯乙酯内标(纯度≥99.3％)，随即旋紧瓶盖密封待测。
步骤(2)、SPME-GC-MS分析
通过SPME-GC-MS分析，得到待测样品的SPME-GC-MS图谱。分析条件与实施例1相同。
步骤(3)、HS-GC/MS分析
另外取产地1和产地2的C品牌12份，采用顶空-气相色谱/质谱联用仪(HS-GC/MS)全扫描模式检测卷烟烟丝中挥发及半挥发性成分，质谱数据库检索定性，内标法定量，得到待测样品的HS-GC/MS图谱。分析条件与实施例1相同。
步骤(4)、计算PCA椭圆面积和相似度
按实施例1的方法，绘制出PCA图。主成分累计方差解释率达86.06％和91.23％。计算结果如表2所示：
表2产地1和产地2的C品牌卷烟的PCA椭圆面积和相似度
样品名称 PCA椭圆面积 相似度
产地1的C品牌卷烟 6.35E+14 1.00
产地2的C品牌卷烟 6.77E+14 0.93
步骤(5)、结果判定
根据步骤(4)的计算，产地1和产地2的C品牌卷烟的PCA椭圆面积均
Figure GDA0002019747230000071
相似度均＞0.8。表明不同产地1和产地2的C品牌之间品质稳定。
实施例3
本实施例的基于PCA椭圆面积和相似度的卷烟品质稳定性检测方法，包括如下步骤：
步骤(1)、样品制备
取产地3、产地4的D品牌卷烟烟丝，采用旋风磨将成品卷烟中烟丝粉碎至40-60目，准确称取0.7g样品(约一支常规规格卷烟烟丝质量)放置于20mL棕色顶空瓶中，加入0.1μL乙酸苯乙酯内标(纯度≥99.3％)，随即旋紧瓶盖密封待测。
步骤(2)、SPME-GC-MS分析
通过SPME-GC-MS分析，得到待测样品的SPME-GC-MS图谱。分析条件与实施例1相同。
步骤(3)、HS-GC/MS分析
另外取产地3和产地4的D品牌10份，采用顶空-气相色谱/质谱联用仪(HS-GC/MS)全扫描模式检测卷烟烟丝中挥发及半挥发性成分，质谱数据库检索定性，内标法定量，得到待测样品的HS-GC/MS图谱。分析条件与实施例1相同。
步骤(4)、计算PCA椭圆面积和相似度
按实施例1的方法，绘制出PCA图。主成分累计方差解释率达86.06％和91.23％。计算结果如表3所示：
表3产地1和产地2的C品牌卷烟的PCA椭圆面积和相似度
样品名称 PCA椭圆面积 相似度
产地3的D品牌卷烟 2.54E+15 1.00
产地4的D品牌卷烟 5.21E+14 0.95
步骤(5)、结果判定
根据步骤(4)的计算，
产地4的D品牌卷烟的PCA椭圆面积大于
Figure GDA0002019747230000081
相似度均＞0.8。表明不同产地3和产地4的D品牌之间品质不稳定。
经过验证，产地3和产地4的D品牌相似度大，表明不同产地D品牌卷烟整体的香气风格相似度大，但其加香均匀性差别大，是由于原料烟丝或卷烟加香方式不同导致其加香均匀性差别大。
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 (5)

1.一种基于PCA椭圆面积和相似度的卷烟品质稳定性检测方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤（1）、样品制备
取同一品牌不同产地或不同批次的卷烟烟丝，将成品卷烟中烟丝粉碎，分别称取一定量样品放置于棕色顶空瓶中，加入内标，密封待测；
步骤（2）、SPME-GC-MS分析
通过SPME-GC-MS分析步骤（1）的待测样品，得到待测样品的SPME-GC-MS图谱；固相微萃取条件如下：
萃取头：85μm Carboxen/PDMS，萃取温度：85℃，萃取时间：55-65min，解吸附时间：25-28min；
气相色谱/质谱条件如下：
进样口温度：230℃，分流进样，载气：99.99%氦气，恒流流速1.0mL/min，色谱柱：HP—INNOWAX，30 m×0.25 mm id×0.25μm df，Agilent公司，美国，分流比：5:1，升温程序：初始温度60℃，保持2 min，升温速率5 ℃/ min至220 ℃，升温速率10 ℃/ min至250 ℃，保持1min；
电离方式：EI+，离子源温度：220 ℃，传输线温度：240 ℃，扫描范围：40 amu-350amu，溶剂延迟：3.5 min；
步骤（3）、HS-GC/MS分析
取同一品牌不同产地或不同批次的卷烟烟丝，采用HS-GC/MS全扫描模式检测不同品牌卷烟烟丝中挥发及半挥发性成分，质谱数据库检索定性，内标法定量，得到待测样品的HS-GC/MS图谱；
HS-GC/MS分析条件如下：
静态顶空条件：
炉温：110℃，取样针温度：140℃，传输线温度：190℃，载气：99.99%氦气，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：99.99%氦气，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；
步骤（4）、计算PCA椭圆面积和相似度
在步骤（2）（3）所得的气质图谱中，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，得到共有峰，建立烟丝加香样品的化学指纹图谱共有模式；
之后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，绘制出PCA图；
然后按下式对步骤（2）的SPME-GC-MS图谱得到的PCA数据进行PCA椭圆面积计算：
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：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
；
Figure 724362DEST_PATH_IMAGE002
；
对步骤（3）的HS-GC/MS图谱导入Chemmind Chempattern 2017专业版软件计算其夹角余弦相似度；
步骤（5）、结果判定
根据步骤（4）的计算，所有样品PCA椭圆面积A<1.2`A，其中，`A为所有PCA椭圆面积的平均值，同时，所有的相似度C>0.8时，表明样品之间品质稳定；否则样品之间品质不稳定。
2.根据权利要求1所述的基于PCA椭圆面积和相似度的卷烟品质稳定性检测方法，其特征在于：步骤（1）中，卷烟样品数不小于2份，采用旋风磨将成品卷烟中烟丝粉碎至40-60目，准确称取0.7g样品放置于20mL棕色顶空瓶中，加入0.1μL纯度≥99.3%的乙酸苯乙酯内标，随即旋紧瓶盖密封待测。
3.根据权利要求1所述的基于PCA椭圆面积和相似度的卷烟品质稳定性检测方法，其特征在于：步骤（2）中，SPME-GC-MS测定时，棕色顶空瓶中加入0.25 ug/ul的正己烷溶的氘代甲苯作为内标，随即旋紧瓶盖密封待测。
4.根据权利要求2或3所述的基于PCA椭圆面积和相似度的卷烟品质稳定性检测方法，其特征在于：每个卷烟样品检测次数不少于4次。
5.根据权利要求1所述的基于PCA椭圆面积和相似度的卷烟品质稳定性检测方法，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为85%以上。
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