CN109932436A - 一种基于特征质谱图谱的数字化辨香方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于特征质谱图谱的数字化辨香方法，该方法主要包括香精的特征质谱图谱提取和香精成分解析，其中特征质谱图谱提取是对香精的GC/MS图谱进行谱峰分析，并提取特征质谱构建特征质谱库；成分解析是指对香精GC/MS图谱进行特征质谱库搜索，识别香精中包含的香原料组分；该方法实现了香精成分和配方的高效辨别，可有效替代辅助人工传统经验嗅辨方法，方法科学、准确度高、适用范围广。

Description

一种基于特征质谱图谱的数字化辨香方法

技术领域

本发明涉及一种香精香料成分辨别方法，特别涉及一种基于特征质谱图谱的数字化辨香方法，属于香精香料领域。

背景技术

随着国民生活水平的日益提高，香精在日常用品、食品、香烟中的作用越来越大，对提升产品品质，改善产品风味有重要的作用。烟用香精作为卷烟生产重要的组成部分，对改善卷烟口感、突出烟草风味具有重要的作用。

香精的开发包括辨香、仿香、创香等。辨香是指对香精成分组成，差异进行识别，是香精开发常做的工作。香精香料组分复杂，香精和天然香原料都是复杂体系，特征峰是天然香原料中可以代表某种香原料的一个峰或是一组峰，特征峰具有区别不同天然香原料的功能，为了正确选取天然香原料的特有组分，首先需要确定哪些为我们所需的特征峰，每个天然香原料的特征峰是什么？仿香是指在辨香的基础上进行仿制，需要依据辨香的结果，对香精成分组成和含量进行复配仿制；创香是传统意义上的调香工作，是依据设计目标创新性的开发香精配方。这些工作是日化、食品、烟草香精香料领域重要的组成部分。通常，这些工作主要依靠调香师的经验和简单的理化指标分析，方法因人而异，流程的人为随意性很强，加之调香师的感官检验(香气、香味和外观检验)存在人为的不确定因素和理化指标(相对密度、折射率、醇值、酯值等)的允许范围相对较大，致使调香结果的重复性和可控性较差。因此，建立一种科学合理、不单依靠人为主观判定的辨香方法和流程显得非常重要。

发明内容

在现有技术中，香精组分的辨析，尤其是天然香原料组分的辨析，是一个比较繁杂的过程，主要由于天然香原料本身成分复杂，难以进行彻底的组分辨析。而现有常用技术为采用指纹图谱进行辨析，采用指纹图谱进行辨析时，需要预先建立较完备的指纹图谱库，且指纹图谱需基本准确地表达天然香原料的真实组分情况，对建立指纹图谱库的人员的实践经验以及对香原料的熟悉程度具有非常高的要求。然而，随着食品和烟草工业的发展，对可用于添加到卷烟中的香原料做出了一定范围限定，这意味着在烟用香精辨析时，可以在指定的范围内进行。

针对现有技术存在的缺陷及现有技术对食品和烟草等添加香料的要求。本发明的一个目的是在于提供一种基于特征质谱谱图的辨香方法，对烟草添加范围内的香原料，自动选取稳定性好、特异性高的质谱谱图，作为香原料的标识信息进行辨析；相对现有的香精辨别技术存在理论水平不高、经验性依赖过大、流程效率偏低的缺陷，本发明的方法具有流程简捷、准确度高的优点，且实现了数字化辨香，提高了卷烟调香技术流程的科学性和高效性，适用范围广。

为实现上述技术目的，本发明提供了一种一种基于特征质谱图谱的数字化辨香方法，其包括以下步骤：

1)对常用香原料进行GC/MS分析，获取各常用香原料的谱峰信息；

2)对各常用香原料的谱峰信息进行稳定性和特异性分析，从各常用香原料的谱峰信息中分别提取特征质谱图谱构建特征质谱峰数据库；

3)对未知香精进行GC/MS分析，并使用特征质谱峰数据库对GC/MS分析数据进行检索，根据检索结果辨识未知香精所包含的香原料组分。

优选的方案，所述常用香原料包括合成单体香原料和天然香原料。

优选的方案，所述谱峰信息包括纯度信息和保留时间。

较优选的方案，获取合成单体香原料谱峰信息的方法：对合成单体香原料若干次检测输出的GC/MS图谱，分别使用NIST AMDIS软件进行自动解卷积操作，将每次检测结果解卷积得到的质谱峰作为候选特征质谱峰。

较优选的方案，获取天然香原料谱峰信息的方法：对天然香料若干次检测输出的GC/MS图谱，分别使用NIST AMDIS软件进行自动解卷积操作，每次操作得到的检测结果获取一组谱峰结果，根据NIST AMDIS软件结果得到谱峰纯度指标，选取纯度大于0.9的谱峰作为候选特征质谱峰。

优选的方案，构建特征质谱峰数据库的过程为：对各常用香原料的谱峰信息进行质谱分析，提取稳定性谱峰和特异性谱峰，构建特征质谱峰数据库。

较优选的方案，提取稳定性谱峰过程为：对常用香原料检测结果输出的GC/MS谱峰，选择每次检测结果均存在，且保留时间先后顺序在每次检测结果中均保持一致的谱峰作为稳定性谱峰。

较优选的方案，提取特异性谱峰过程为：按照稳定性谱峰数量从小到大的顺序，对各常用香原料进行排序，从排在最前的常用香原料开始，用各常用香原料所提取的稳定性谱峰构建特异性谱峰。

进一步优选的方案，构建特异性谱峰的过程为：对每一个常用香原料的每一个稳定性谱峰，计算其与其他常用香原料的每一个稳定性谱峰的相似度，若某一个常用香原料的稳定性谱峰与其他常用香原料的每一个稳定性谱峰相似度计算结果均不大于0.7，则将所述稳定性谱峰列为特异性谱峰；所述常用香原料的所有特异性谱峰则构成该香原料的特征质谱谱峰集合。

进一步优选的方案，所述相似度计算采用夹角余弦公式。

优选的方案，辨识未知香精包含的香原料组分的过程为：

如果对未知香精包含的合成单体香原料成分进行辨析，则对未知香精的GC/MS图谱中每一个谱峰与特征质谱峰数据库中每一个质谱进行匹配度计算，将匹配度最高的质谱作为合成单体香原料的标识，进一步地对该质谱进行NIST检索，检索结果则为合成单体香原料组分。

如果对未知香精包含的天然香原料成分进行辨析，则对未知香精的GC/MS图谱中每一个谱峰与特征质谱峰数据库中每一个质谱进行匹配度计算，若某天然香原料的所有特征质谱峰均存在于所述未知香精中，则未知香精中包含该天然香原料组分。

较优选的方案，对未知香精GC/MS图谱，使用NIST AMDIS软件进行自动解卷积操作，得到其谱峰信息，对特征质谱谱峰中的每一个特征质谱，检验其在谱峰信息中的存在性。

进一步优选的方案，存在性验证采用以下方法进行：假设得到的未知香精的谱峰信息为Y，g为一个特征质谱，h为Y中的一个未知质谱；滤去g和h中m/z小于100的值，g和h均归一化到最大值为999；计算g和h的共有的m/z，如果共有m/z的数量大于h的m/z数量的2/3，且共有m/z的数值向量对应的夹角余弦大于0.9，则认为g和h匹配，g存在于Y中；否则则认为g和h不匹配，如果g和Y中的每一个h均不匹配，则认为Y不包含质谱g，g所属的香原料不存在于Y中。

本发明提供的基于特征质谱图谱的数字化辨香方法，包括以下具体步骤：

1)谱峰提取：对常用香原料进行气相色谱-质谱分析，获取香原料的谱峰信息；谱峰提取方法是一种粗粒度的谱峰提取方法，所提取的谱峰信息毋须进行精细的提纯、去噪、解重等操作，仅需获取其纯度信息和保留时间即可；

假设A＝{a₁,a₂,a₃,…,a_k,a_k+1,a_k+2,…,a_n}为n种香原料，其中前k种为天然香原料，后n-k种为合成单体香原料，X为未知待辨析的香精；A构成了X可能的组分集合；现对A中每一个香原料进行谱峰提取；

通常合成单体香原料有且仅有一个峰，该峰即为单体香原料的特征质谱峰，以香原料a_k+1为例，设a_k+1,1,a_k+1,2,…,a_k+1,m为香原料a_k+1的m次实验输出的GC/MS图谱，使用NISTAMDIS 2011软件对其进行自动解卷积操作，获得每次实验结果中解卷积得到的质谱峰做为候选特征质谱峰；

而对于天然香原料，以a₁为例，设a_1,1,a_1,2,…,a_1,t为香原料a₁的t次实验输出得GC/MS图谱，使用NIST AMDIS 2011软件对其进行自动解卷积操作，每次操作得实验结果将获取一组谱峰结果，根据软件结果中得谱峰纯度指标，选取纯度大于0.9的峰做为候选特征质谱峰，设a_1,t的P个候选质谱峰集合为{a_1,t,1,a_1,t,2,…,a_1,t,p}；

经过以上两个操作，A中每一个香原料都获得一个对应的候选特征质谱峰集合，如下所示：

a₁:{a_1,t,1,a_1,t,2,…,a_1,t,p},

a₂:{a_2,t,1,a_2,t,2,…,a_2,t,p},

……

a_k:{a_k,t,1,a_k,t,2,…,a_k,t,p},

a_k+1:{a_k+1,t,1,a_k+1,t,2,…,a_k+1,t,p},

a_n:{a_n,t,1,a_n,t,2,…,a_n,t,p}

注意：上述集合中，由于每一个香原料进行的实验次数不同，故输出的GC/MS文件不同，每次实验样品纯度、实验条件可能不同，获取的谱峰也可能有所差异，所以每一个香原料对应的t和p值不一定相同；

2)构建特征质谱库：对获得的香原料谱峰信息进行稳定性分析和特异性分析，提取其特征质谱图谱构建成特征质谱峰数据库；对提取的谱峰进行质谱分析，提取具有特异性和稳定性的峰，结合其纯度信息以及保留时间等信息，构建特征质谱库；

首先，对同一香原料的多组实验结果进行稳定性峰选取；以香原料a₁为例，针对其t次实验结果输出的谱峰，选择每次实验结果均存在的谱峰做为稳定性峰，即，所选择的稳定性峰在a₁的每次实验结果中均出现，且其保留时间先后顺序在每次实验结果中均保持一致；

然后，按照稳定性峰数量从小到大的顺序，对香原料进行排序，从序号为1的香原料开始，对每一香原料所提取的稳定性峰进行特异性峰的构建；即，对每一个香原料的每一个稳定性峰，计算它与其他香原料每一个稳定性峰的相似度，相似度计算采用夹角余弦公式，若某稳定性峰与其他香原料的每一个稳定性峰相似度计算结果均不大于0.7，则将此稳定性峰列为特异性峰；该香原料的所有特异性峰则构成该香原料的特征质谱谱峰集合；

3)成分辨析：对未知香精的GC/MS数据使用特征质谱峰数据库进行检索，根据检索结果辨识其包含的香原料组分；使用构建的特征质谱库对未知香精中进行成分辨析；成分辨析的方法为：如果对合成单体香原料成分进行辨析，则对未知香精GC/MS图谱中的每一个峰与特征质谱库中的每一个质谱进行匹配度计算，将匹配最高的质谱做为合成单体香原料标识，进一步地，对该质谱进行NIST检索，检索结果则为合成单体香原料组分；如果对天然香原料成分进行辨析，则对未知香精GC/MS图谱中的每一个峰与特征质谱库中的每一个质谱进行匹配度计算，若某天然香原料的所有特征质谱峰均存在于该未知香精中，则未知香精中包含该天然香原料组分；

对未知香精X，使用NIST AMDIS 2011软件进行自动解卷积操作，得到其谱峰信息Y，对特征质谱谱峰中的每一个特征质谱，检验其在Y中的存在性，存在性验证采用一下方法进行：

(1)设g为一个特征质谱，h为Y中的一个未知质谱；滤去g和h中m/z小于100的值，(g和h均归一化到最大值为999)；

(2)计算g和h的共有的m/z，如果共有m/z的数量大于h的m/z数量的2/3，且共有m/z的数值向量对应的夹角余弦大于0.9，则认为g和h匹配，g存在于Y中；否则则认为g和h不匹配，如果g和Y中的每一个h均不匹配，则认为Y不包含质谱g，g所属的香原料不存在于Y中；

如果天然香原料a_i的所有特异性质谱，即特证质谱峰均在Y中，且保留时间的先后顺序保持一致，则a_i为Y的组分，否则a_i不是Y的组分。

相对现有技术，本发明的技术方案带来的有益效果：

1)本发明的辨香方法可全部自动化完成，无需人工干预，效率非常高；

2)本发明的辨香方法对于检测出的每一个质谱峰，不需要判断其是否为重叠峰、或是否为已知物质，仅需通过峰的存在性进行验证，如果需要进一步进行定性，可利用其他软件对将该峰进行NIST库检索即可；

3)本发明的辨香方法不需要香原料的全部指纹信息，仅需特异性信息，可以高效地实现在已知可用香原料范围内进行识别和检索；

4)本发明的辨香方法巧妙地将现代分析方法与香原料的组成特点用于卷烟辨香中，实现了更科学、更高效的数字化辨香，相对现有的方法，更简捷、准确，适用范围更广。

附图说明

【图1】为特征质谱峰提取文件存取示例；

【图2】为天然香原料特征质谱峰数据示例；

【图3】为质谱解析图；

【图4】为特征质谱谱峰解析。

具体实施方式

以下实施例旨在进一步说明本发明内容，而不是限制本发明权利要求的保护范围。

实施例1

首先对常用344种香原料进行GC/MS分析，其中158种天然香原料，186中合成单体香原料。对于每一个香原料按照发明所述方法建立香原料特征质谱数据库。数据库部分数据见图1和表1。

表1部分天然香原料的特征峰

然后进行特征质谱检索，并对香精的合成单组分进行NIST谱库检索(采用第三方软件如chemstation软件等)，识别其包含的合成单体香原料；特征质谱谱峰解析：对香精GC/MS图谱进行天然香原料特征质谱谱峰搜索，识别香精中包含的天然香原料。通过识别天然香原料的特征质谱谱峰来判别香原料的存在与否。如图3、图4。以图3、图4的解析结果组合构成目标香精数字化辨香结果。

Claims (16)

1.一种基于特征质谱图谱的数字化辨香方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)对常用香原料进行GC/MS分析，获取各常用香原料的谱峰信息；

2)对各常用香原料的谱峰信息进行稳定性和特异性分析，从各常用香原料的谱峰信息中分别提取特征质谱图谱构建特征质谱峰数据库；

3)对未知香精进行GC/MS分析，并使用特征质谱峰数据库对GC/MS分析数据进行检索，根据检索结果辨识未知香精所包含的香原料组分。

2.根据权利要求1所述的一种基于特征质谱图谱的数字化辨香方法，其特征在于：所述常用香原料包括合成单体香原料和天然香原料。

3.根据权利要求1所述的一种基于特征质谱图谱的数字化辨香方法，其特征在于：所述谱峰信息包括纯度信息和保留时间。

4.根据权利要求1～3任一项所述的一种基于特征质谱图谱的数字化辨香方法，其特征在于：获取合成单体香原料谱峰信息的方法：对合成单体香原料若干次检测输出的GC/MS图谱，分别使用NIST AMDIS软件进行自动解卷积操作，将每次检测结果解卷积得到的质谱峰作为候选特征质谱峰。

5.根据权利要求1～3任一项所述的一种基于特征质谱图谱的数字化辨香方法，其特征在于：获取天然香原料谱峰信息的方法：对天然香料若干次检测输出的GC/MS图谱，分别使用NIST AMDIS软件进行自动解卷积操作，每次操作得到的检测结果获取一组谱峰结果，根据NIST AMDIS软件结果得到谱峰纯度指标，选取纯度大于0.9的谱峰作为候选特征质谱峰。

6.根据权利要求1～3任一项所述的一种基于特征质谱图谱的数字化辨香方法，其特征在于：构建特征质谱峰数据库的过程为：对各常用香原料的谱峰信息进行质谱分析，提取稳定性谱峰和特异性谱峰，构建特征质谱峰数据库。

7.根据权利要求6所述的一种基于特征质谱图谱的数字化辨香方法，其特征在于：提取稳定性谱峰过程为：对常用香原料检测结果输出的GC/MS谱峰，选择每次检测结果均存在，且保留时间先后顺序在每次检测结果中均保持一致的谱峰作为稳定性谱峰。

8.根据权利要求6所述的一种基于特征质谱图谱的数字化辨香方法，其特征在于：提取特异性谱峰过程为：按照稳定性谱峰数量从小到大的顺序，对各常用香原料进行排序，从排在最前的常用香原料开始，用各常用香原料所提取的稳定性谱峰构建特异性谱峰。

9.根据权利要求8所述的一种基于特征质谱图谱的数字化辨香方法，其特征在于：构建特异性谱峰的过程为：对每一个常用香原料的每一个稳定性谱峰，计算其与其他常用香原料的每一个稳定性谱峰的相似度；若某一个常用香原料的稳定性谱峰与其他常用香原料的每一个稳定性谱峰相似度计算结果均不大于0.7，则将所述稳定性谱峰列为特异性谱峰；所述常用香原料的所有特异性谱峰则构成该香原料的特征质谱谱峰集合。

10.根据权利要求9所述的一种基于特征质谱图谱的数字化辨香方法，其特征在于：所述相似度计算采用夹角余弦公式。

11.根据权利要求1～3、7～10任一项所述的一种基于特征质谱图谱的数字化辨香方法，其特征在于：对未知香精包含的合成单体香原料成分进行辨析过程：对未知香精的GC/MS图谱中每一个谱峰与特征质谱峰数据库中每一个质谱进行匹配度计算，将匹配度最高的质谱作为合成单体香原料的标识，进一步地对该质谱进行NIST检索，检索结果则为合成单体香原料组分。

12.根据权利要求11所述的一种基于特征质谱图谱的数字化辨香方法，其特征在于：对未知香精GC/MS图谱，使用NIST AMDIS软件进行自动解卷积操作，得到其谱峰信息，对特征质谱谱峰中的每一个特征质谱，检验其在谱峰信息中的存在性。

13.根据权利要求12所述的一种基于特征质谱图谱的数字化辨香方法，其特征在于：存在性验证采用以下方法进行：假设得到的未知香精的谱峰信息为Y，g为一个特征质谱，h为Y中的一个未知质谱；滤去g和h中m/z小于100的值，g和h均归一化到最大值为999；计算g和h的共有的m/z，如果共有m/z的数量大于h的m/z数量的2/3，且共有m/z的数值向量对应的夹角余弦大于0.9，则认为g和h匹配，g存在于Y中；否则则认为g和h不匹配，如果g和Y中的每一个h均不匹配，则认为Y不包含质谱g，g所属的香原料不存在于Y中。

14.根据权利要求1～3、7～10任一项所述的一种基于特征质谱图谱的数字化辨香方法，其特征在于：对未知香精包含的天然香原料成分进行辨析过程，则对未知香精的GC/MS图谱中每一个谱峰与特征质谱峰数据库中每一个质谱进行匹配度计算，若某天然香原料的所有特征质谱峰均存在于所述未知香精中，则未知香精中包含该天然香原料组分。

15.根据权利要求14所述的一种基于特征质谱图谱的数字化辨香方法，其特征在于：对未知香精GC/MS图谱，使用NIST AMDIS软件进行自动解卷积操作，得到其谱峰信息，对特征质谱谱峰中的每一个特征质谱，检验其在谱峰信息中的存在性。

16.根据权利要求15所述的一种基于特征质谱图谱的数字化辨香方法，其特征在于：存在性验证采用以下方法进行：假设得到的未知香精的谱峰信息为Y，g为一个特征质谱，h为Y中的一个未知质谱；滤去g和h中m/z小于100的值，g和h均归一化到最大值为999；计算g和h的共有的m/z，如果共有m/z的数量大于h的m/z数量的2/3，且共有m/z的数值向量对应的夹角余弦大于0.9，则认为g和h匹配，g存在于Y中；否则则认为g和h不匹配，如果g和Y中的每一个h均不匹配，则认为Y不包含质谱g，g所属的香原料不存在于Y中。