宋佳 孟慶華（通訊作者） 蔡寶國

（1上海交通大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院 上海 200240）

（2上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué) 上海 201418）

卷煙煙氣的化學(xué)成分與味覺特征的相關(guān)性研究

宋佳1,2孟慶華1（通訊作者） 蔡寶國2

（1上海交通大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院 上海 200240）

（2上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué) 上海 201418）

以用二氯甲烷萃取劍橋?yàn)V片捕集所得的四種烤煙型卷煙和主流煙氣，對其中的致香成分進(jìn)行了分離和鑒定，找出影響卷煙味覺感受的關(guān)鍵成分。結(jié)果表明：產(chǎn)地、年份的不同，對卷煙的成分組成或含量均有不同程度的影響。采用GC/MS對樣品進(jìn)行了成分分析，研究表明卷煙致香成分主要由醇類、醛類、烯類、酮類、酯類、酸類、芳香族化合物、雜環(huán)化合物、酚類等各類化合物組成。采用人工感官評吸進(jìn)行分析評定，結(jié)合PLSR分析，表明卷煙煙氣味覺特征與致香成分具有的特征香味具有一定的相關(guān)性。

卷煙；氣質(zhì)聯(lián)用；感官評定；PLSR分析

前言

煙草為草茄目茄科一年或多年生草本植物，花序頂生，圓錐狀，多花，蒴果卵狀或矩圓狀，夏秋季開花結(jié)果，在南美洲、南亞和中國有較悠久的吸食歷史。雖然現(xiàn)代科技認(rèn)識到煙草給健康帶了一定的危害，限制流通或抽吸，世界衛(wèi)生組織成員還簽署了《煙草控制框架公約》。但作為一種歷史悠久的藥用植物，尚具有一定的醫(yī)療價值?！度珖胁菟巺R編》記載，煙草性溫味甘、有毒，具有消腫、解毒、殺蟲等功效，主要用于疔瘡腫毒、頭癬、白癬、禿瘡、毒蛇咬傷等癥，還可治療項(xiàng)疽、背癰、風(fēng)痰、鶴膝等病[1]。

當(dāng)前對煙草質(zhì)量研究主要集中于兩個方面，一是減毒，二是感官質(zhì)量。而煙草煙氣化學(xué)成分的研究是煙草質(zhì)量研究之重要基礎(chǔ)。1975年，Schumacher等[2]報道了土耳其煙的香味物質(zhì)組成，鑒定出了118種化合物，其中低級脂肪酸尤其是五碳和六碳的帶支鏈的異構(gòu)酸是賦予香料煙特殊香味的重要物質(zhì)。1976年，Lloyd等[3]用萃取和蒸餾兩種方法從B4F烤煙中鑒定出的323種物質(zhì)的香味特征進(jìn)行了評定。1985年，Masao Matsukura等[4]模擬“烘絲”處理過程，分析卷煙煙絲散發(fā)出氣體中的揮發(fā)性成分，發(fā)現(xiàn)烤煙煙氣中含有大量的揮發(fā)性醛酮類、呋喃類和內(nèi)醋類物質(zhì)。2005年，Leffingwell等[5]利用GC/MS對Perique煙草中的揮發(fā)性組分進(jìn)行了定性研究，鑒定出的組分超過330種。國內(nèi)對煙草中香味成分的分析始于20世紀(jì)80年代之后。2001年，劉百戰(zhàn)等[6]采用固相微萃取頂空取樣和氣相色譜-質(zhì)譜法分析卷煙煙絲的香氣成分。2003年，蔡君蘭和趙明月[7]采用蒸餾萃取和氣相色譜、氣質(zhì)聯(lián)用分析技術(shù)對煙氣中的揮發(fā)性成分進(jìn)行了分析，在煙氣中共鑒定出87種成分。2006年，李莉等[8]采用全二維氣相色譜/飛行時間質(zhì)譜(GC-TOFMS)法分析了煙草中揮發(fā)性、半揮發(fā)性酸性物質(zhì)。2010年，王海艷等[9]建立MCX陽離子柱固相萃取凈化、大氣壓電離模式下液相色譜串聯(lián)四極桿質(zhì)譜測定8種雜環(huán)，測定出煙氣中雜環(huán)胺的含量。

吸煙者對卷煙的感官質(zhì)量評價，是通過對卷煙燃燒之后所產(chǎn)生的煙氣被吸煙者受用后產(chǎn)生的，即燃燒后所產(chǎn)生的煙氣中的致香成分對吸煙者的感覺所引起綜合反映效果的評價。卷煙評吸方法有兩種，即“局部循環(huán)評吸方法”和“整體循環(huán)評吸方法”[10]。從實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)來看，全面地衡量卷煙的內(nèi)在質(zhì)量，必須采用“整體循環(huán)評吸方法”（Overall circulation smoking manner）才能得到正確的、客觀的結(jié)論。否則評吸人員采用不同的評吸方法，將會在香氣、雜氣、刺激性幾個主要技術(shù)指標(biāo)上的打分上會有較大差異，直接影響到感官質(zhì)量總得分。從人的生理來講，鼻腔內(nèi)的嗅神經(jīng)產(chǎn)生嗅覺，鼻腔在評吸時的作用是判斷香氣、香氣特征、香型、雜氣和刺激性?？谇粌?nèi)舌頭上有味蕾能產(chǎn)生味的感覺，口腔在評吸時的作用是判斷煙氣的刺激性（辣度）、粗糙或細(xì)膩、煙氣硬或柔和、煙氣的濃或淡、煙氣的飽滿程度和余味。卷煙的評吸同時還要依賴于喉部，喉部在評吸時的作用是判斷煙氣的刺激性（煙氣流動到喉部的前沿時）和煙氣勁頭的大?。煔馔ㄟ^喉部時）。

在卷煙的煙氣化學(xué)成分研究和感官質(zhì)量評價的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，煙草化學(xué)成分與感官味覺之間的相關(guān)性也有了一定的研究。如王麗麗等[11]研究了煙葉中生物堿含量與評吸質(zhì)量的相關(guān)性；劉帥帥等[12]考察了烤煙非揮發(fā)性有機(jī)酸對感官品質(zhì)的貢獻(xiàn)；邵慧芳等[13]對烤煙還原糖含量與揮發(fā)性香氣物質(zhì)及感官質(zhì)量進(jìn)行了統(tǒng)計學(xué)分析；許自成等[14]研究了烤煙中氯含量與揮發(fā)性香氣物質(zhì)及感官質(zhì)量的關(guān)系；劉非等[15]研究了煙葉石油醚提取物與感官舒適度的關(guān)系；湯朝起等[16]研究了攀西烤煙主要化學(xué)成分與吸食品質(zhì)的關(guān)系。在儀器分析所獲得揮發(fā)性化學(xué)成分?jǐn)?shù)據(jù)與感官味覺評分值之間進(jìn)行的相關(guān)性研究時，可以采用偏最小二乘回歸分析（PLSR）的數(shù)據(jù)分析方法。該方法能充分解決樣本個數(shù)較少數(shù)據(jù)非正態(tài)分布、因子不確定性和模型不能識別等潛在問題，已廣泛用于生物工程、食品科學(xué)等領(lǐng)域并取得了較好效果。Song Shiqing 等[17]采用PLSR方法對牛脂脂肪氧化，電子鼻檢測及感官屬性進(jìn)行了分析，結(jié)果表明，PLSR成功地建立了基于電子鼻的牛脂肪氧化特征參數(shù)的預(yù)測模型及其對其感官香氣的貢獻(xiàn)。牛云蔚等[18]利用PLSR方法對草莓酒香氣活性物質(zhì)與感官屬性的關(guān)系進(jìn)行了研究，其結(jié)果也表明，PLSR可以很好地預(yù)測感官屬性的變化。

本課題擬采用GC/MS分析技術(shù)，測量四種卷煙煙氣的化學(xué)成分，并以評吸員采用整體循環(huán)評吸方法對卷煙煙氣的感官質(zhì)量進(jìn)行評價。通過偏最小二乘回歸分析（PLSR）的數(shù)據(jù)分析方法，研究四種卷煙的致香成分對感官評吸的影響，研究一些特征組分含量的差異對味覺的影響規(guī)律，為卷煙的味覺調(diào)控提供一定的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

1.實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原料、試劑和儀器

1.1.1 原料與試劑 所用試劑均為分析純或色譜純。所用卷煙原料如表1所示。

表1 卷煙樣品Table 1 The samples of cigarettes

1.1.2 儀器 RM20H吸煙機(jī)，博瓦特凱希(中國)有限公司；RE-52A旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀，上海亞榮生化儀器廠；ZHWY-304搖床，上海智城分析儀器制造有限公司；Agilent7890A-Agilent5975C型氣相色譜/質(zhì)譜聯(lián)用儀，美國安捷倫科技有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)步驟

1.2.1 樣品處理與煙氣捕集 RM20H吸煙機(jī)為20孔道全自動轉(zhuǎn)盤式吸煙機(jī)（圖1A），可模仿人的吸煙行為，在吸煙組件（圖1B）中完成香煙的裝煙、點(diǎn)火、抽吸與拔除（煙蒂）動作，可在轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)過程中循環(huán)完成20支香煙的吸煙操作，同時做好抽吸過程中的煙氣捕集與初步分析。

圖1 RM20H吸煙機(jī)的構(gòu)造與煙氣捕集（A：吸煙機(jī)的構(gòu)造；B：吸煙組件；C：劍橋?yàn)V片捕集）Fig 1 The construction of the smoking machine and capturing of smoke

香煙樣品于恒溫（22℃±1℃）恒濕（60%±2%）條件下平衡72小時以上。按照ISO3308標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的條件用RM20H吸煙機(jī)抽吸卷煙樣品，用劍橋?yàn)V片（圖1C）收集吸煙機(jī)所吸取的卷煙主流煙氣，每張濾片捕集20支卷煙的煙氣。吸畢，用二氯甲烷萃取劍橋?yàn)V片，然后通過旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀濃縮萃取液，得到含有卷煙主流煙氣的濃縮液，該濃縮液用于GC/MS法分析其中的揮發(fā)成分。

1.2.2 GC/MS分析

色譜條件（GC）：載氣：He，流速為1mL/min；色譜柱：HP-INNOWAX（60m×0.25mm×0.25μm，Aglient）；進(jìn)樣方式：自動進(jìn)樣；壓力：7.58 psi；分流比：50:1；模式：恒流；柱溫條件：初始溫度60℃，保持2min，以2℃/min的速率升溫至180℃，再以5℃/min的速率升溫至230℃，保持40min。

質(zhì)譜條件（MS）：質(zhì)譜：四極桿；離子化方法：電子轟擊離子化，全掃描1pg八氟萘至少信噪比10:1；離子源溫度：230℃；檢測器溫度：250℃；掃描方式：全掃描；質(zhì)量范圍：10～450u；真空系統(tǒng)：分子渦輪泵；溶劑延時：3min；電子轟擊離子源（EI），溫度230℃，電子能量為70eV；四極桿溫度：150℃。

采用全掃描模式采集數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)處理：采用nist05標(biāo)準(zhǔn)圖譜庫，Wiley標(biāo)準(zhǔn)圖譜庫，mylib自建圖譜庫，進(jìn)行數(shù)據(jù)檢索。

1.2.3 感官評定方法 參考國家標(biāo)準(zhǔn)YC/T 138-1998《煙草及煙草制品感官評價方法》，運(yùn)用味覺器官對酸、甜、苦、辣、咸五種基本味覺以及收斂感、殘留感、刺激感、生津感和綜合感等精細(xì)風(fēng)味進(jìn)行評定。評吸的方式采用整體循環(huán)評吸方法，即：用最大抽吸量將煙氣吸入口腔，使口腔內(nèi)充滿煙氣。稍作停留，用鼻腔控制呼吸；由鼻腔呼出煙氣后，改用口腔吸入空氣，煙氣自然向喉部運(yùn)動；當(dāng)煙氣達(dá)到喉部時，關(guān)閉嘴唇，咽下煙氣；然后迫使煙氣從鼻腔呼出，完成整個吸煙過程。本次試驗(yàn)參與評吸得小組成員均為資深評吸人員。卷煙感官質(zhì)量評判，采用9分制利用香味輪廓法分析樣品的感官質(zhì)量指標(biāo)。

1.2.4 數(shù)據(jù)分析 采用PLSR（Unscrambler version 9.7）對煙葉中化學(xué)和感官指標(biāo)評吸數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性及貢獻(xiàn)性分析。在PLSR分析時，對所有數(shù)據(jù)進(jìn)行中心化與標(biāo)準(zhǔn)化（1/Sdev）處理，使每個變量都得到公正的貢獻(xiàn)分析。

2.結(jié)果與討論

2.1 卷煙煙氣的的GC/MS分析

四種烤煙型卷煙經(jīng)吸煙機(jī)吸取產(chǎn)生的主流煙氣，通過張濾片捕集捕集后，以二氯甲烷萃取、濃縮，再用GC/MS法分析其揮發(fā)性化學(xué)成分。實(shí)驗(yàn)所得到四種卷煙煙氣GC/ MS分析結(jié)果的總離子流圖（TIC）如圖2所示，從特征峰的保留時間來看，它們的特征化學(xué)成分是相似的，只是相對濃度不同。也就是說，不同年份、產(chǎn)地、類型的卷煙，其煙氣的香型特征很可能是由這些特征化學(xué)成分的相對含量所引起的。因此，將其相對含量數(shù)據(jù)與感官味覺進(jìn)行對應(yīng)關(guān)系研究，可以找到一些客觀規(guī)律，應(yīng)用于香煙的商品溯源。

圖2 四種卷煙煙氣GC/MS分析總離子流圖Fig 2 The total ion flow diagrams for GC/MS analysis of cigarettes’ smoke

為了研究其致香成分之間存在的差異以及與味覺特征的關(guān)系，我們對其中的化學(xué)成分進(jìn)行質(zhì)譜定性、定量分析，對卷煙煙氣致香成分的含量并進(jìn)行對比、分析。四種卷煙香氣揮發(fā)性物質(zhì)各成分所得質(zhì)譜數(shù)據(jù)經(jīng)譜庫檢索，從中檢出了幾十種化合物（表2）。

表2 卷煙煙氣中的化學(xué)成分Table 2 The results ofGC/MS analysis of cigarettes’ smoke

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2.2 卷煙味覺特征感官評定

味覺產(chǎn)生的過程是呈味物質(zhì)刺激口、鼻腔內(nèi)的味覺感受體，然后通過一個收集和傳遞信息的神經(jīng)感覺系統(tǒng)傳導(dǎo)到大腦的味覺中樞，最后通過大腦的綜合神經(jīng)中樞系統(tǒng)的分析，從而產(chǎn)生味覺?？?、鼻腔內(nèi)感受味覺的主要是味蕾，味蕾一般有40～150個味覺細(xì)胞構(gòu)成，味覺細(xì)胞表面有許多味覺感受體，不同物質(zhì)能與不同的味覺感受體結(jié)合而呈現(xiàn)不同的味道。人的味覺從呈味物質(zhì)刺激到感受到滋味僅需1.5～4.0ms。

作為香煙煙氣吃味，反映在口腔內(nèi)包括酸、甜、苦、辣、咸五種基本味覺以及收斂感、殘留感、刺激感、生津感和綜合感等復(fù)合精細(xì)風(fēng)味。收斂感是指感覺到口干，干澀感）；殘留感，也稱余味，是指呼出煙氣后口腔的感覺，指吸煙過程中煙氣微粒沉降在舌與口腔中的一種爽快與否的感覺；刺激感是指由煙氣中的低級脂肪酸或酚類引起的口腔上顎部分的一種假熱效應(yīng)，有點(diǎn)類似于灼燒皮膚的感覺；生津感是因酸甜等引起的口腔唾液分泌增多的感覺。這些復(fù)合味覺是各種成分在煙氣中協(xié)調(diào)一致的反映，并不決定于成分單獨(dú)的絕對含量。參考國家標(biāo)準(zhǔn)YC/T 138-1998《煙草及煙草制品感官評價方法》，運(yùn)用味覺器官對酸、甜、苦、辣、咸五種基本味覺以及收斂感、殘留感、刺激感、生津感和綜合感等復(fù)合精細(xì)風(fēng)味進(jìn)行評價，分值如表3所示。

表3 感官評定味覺分值Table 3 The evaluating values oftastesfor cigarettes’ smoke

2.3 卷煙煙氣成分與感官味覺的相關(guān)性研究

味覺感官質(zhì)量的評定主要是通過評吸人員的主觀評吸來完成。感官評吸的主觀性、評吸人員差異性等因素不僅對評價結(jié)果產(chǎn)生影響，也使評價樣品的數(shù)量受到限制。為克服這種局限性，我們有必要對煙氣化學(xué)成分與感官味覺的關(guān)系進(jìn)行深入的研究，探究相關(guān)規(guī)律，力求以客觀的指標(biāo)精確描述其味覺。

2.3.1 主要化學(xué)成分與基本味覺的相關(guān)性 按照經(jīng)驗(yàn)和文獻(xiàn)[19-20]，我們重點(diǎn)選取了含量較高、且味覺特征明顯的幾個化合物列于表4。其中，以乙酸作為酸味特征物質(zhì)、以三醋酸甘油酯作為甜味、以尼古丁作為苦味特征物質(zhì)、以吡啶作為辣味特征物質(zhì)和以乙酸乙酯作為咸味特征物質(zhì)。當(dāng)然，也有一些化合物在揮發(fā)物中含量較高、但味覺特征不明顯，如新植二烯、5-羥甲基糠醛等，則不將其用于與味覺特征關(guān)聯(lián)性考量。

表4 卷煙煙氣GC/MS檢出的典型成分、含量和味覺特征Table 4 The typical components detecting by GC/MS associating tastesfor cigarettes’ smoke

將上文所獲得的四種不同卷煙的五種基本味覺的感官評吸味覺分值與其典型味覺物質(zhì)含量分別以其相對強(qiáng)度描繪成雷達(dá)指紋圖譜，進(jìn)行對比顯示（圖3）。從這四組雷達(dá)圖對比可以看出，基本味覺和典型味覺物質(zhì)在其五維坐標(biāo)上具有較明確的對應(yīng)關(guān)系（誤差主要源于感官評吸的主觀性），這也就為將來依據(jù)典型味覺物質(zhì)去篩選電子鼻（舌）創(chuàng)造了良好的基礎(chǔ)。由圖3可知，在相同評判條件下，四種烤煙的雷達(dá)指紋圖譜的輪廓明顯相差較大，可以用于定量揭示其口感的顯著差別。20136樣品顯示其甜中帶酸辣；20147樣品顯示其味覺較均衡而略帶咸；20154和20165樣品味覺較為相似，均顯示其酸中帶苦。

圖3 基本味覺與特征組分相關(guān)雷達(dá)對比圖Fig 3 The comparative radar diagrams between the basic tastes and typical components

2.3.2 指紋化學(xué)成分與精細(xì)風(fēng)味的相關(guān)性 以卷煙香氣成分為X變量，感官評定為Y變量，采用PLSR分析法對卷煙致香成分與感官味覺進(jìn)行多自變量多因變量分析。如圖4所示，四種卷煙在分布區(qū)域中相距較遠(yuǎn)，結(jié)合實(shí)驗(yàn)部分中的樣品信息，可知烤煙的產(chǎn)地和年份對PLSR分析的數(shù)據(jù)產(chǎn)生明顯的相應(yīng)，換句話說，PLSR分析可有效應(yīng)用于鑒定烤煙的產(chǎn)地和年份。

圖4 四種卷煙在PLSR分析中的分值圖Fig 4 The scores of the tobacco in PLSR analysis

卷煙化學(xué)成分與感官屬性的相關(guān)載荷圖如圖5所示，大多數(shù)變量落在了兩個橢圓（R2=0.5和R2=1.0）之間，分別代表50%和100%的解釋方差，表明大多數(shù)變量能夠較好的被解釋。在主成分PC1上，精細(xì)風(fēng)味中的收斂感、刺激感、殘留感、等味覺特征位于載荷圖的左側(cè)，而生津感、綜合感則位于載荷圖的右側(cè)，說明這兩類精細(xì)風(fēng)味感官之間相互對立。

在卷煙代表性化學(xué)成分與感官屬性的影響上，吡啶（7）和降茄二酮（29）這兩個化學(xué)成分對的殘留感的貢獻(xiàn)較大；十四酸（43）、3-乙烯基吡啶（17）和麥司明（31）對這三個化學(xué)成分對的刺激感的貢獻(xiàn)較大；鄰苯二酚（44）、芐腈（20）、4-羥基-2,5-二甲基-3(2H)呋喃酮（25）、苯酚（24）和對苯二酚（46）這五個化學(xué)成分對的殘留感的貢獻(xiàn)較大；油酸（48）、苯甲酸（38）、三醋酸甘油酯（26）和硬脂酸（47）這四個化學(xué)成分對的生津感的貢獻(xiàn)較大；4-乙烯苯酚（36）、丁香酚（35）和棕櫚酸（45）這三個化學(xué)成分對的綜合感的貢獻(xiàn)較大。其它的一些化學(xué)成分，雖然其香型特征并不顯著，但也間接影響香氣，在煙氣中起平衡作用。因此，從煙氣化學(xué)成分出發(fā)，研究卷煙特征香味化學(xué)成分與風(fēng)格特征相關(guān)性尤為重要。

圖5 卷煙化學(xué)成分與感官屬性的相關(guān)載荷圖Fig 5 The plots of correlation loadings between chemical components in tobacco and sensory attributes

3.結(jié)論

本文基于儀器分析結(jié)果與感官品評相結(jié)合的原則，對四種烤煙型卷煙的揮發(fā)性致香成分分析、特征性組分的含量進(jìn)行了探討。經(jīng)GC/MS 進(jìn)行分析，得幾十種致香成分。進(jìn)行雷達(dá)圖比較分析發(fā)現(xiàn)，典型致香成分與實(shí)際人工感官評吸得到的規(guī)律基本吻合；而卷煙化學(xué)成分與感官屬性的相關(guān)載荷圖則對指紋化學(xué)成分與精細(xì)風(fēng)味的相關(guān)性做了一定研究，為卷煙的味覺調(diào)控提供一定的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

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The correlation study between the chemical components and the taste characteristicsof cigarette smoke

Song Jia1,2, Meng Qinghua1*, Cai Baoguo2.
School of Chem. and Chem. Eng., Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, P. R. China;Shanghai Institute of Technology,Shanghai 201418, P. R. China

In this study, the chemical componentsin the mainstream smoke is extracted with dichloromethane from the Cambridge filter trapping, isolated and identified by GC/MS.The main components that affect the sense of taste feeling were compared with the data obtained from the sensory evaluation. The results showed thatthe origin and year of different ingredients on the composition or content of cigarettes have different degrees.In terms of the smoking assessment on the basis of artificial sensory analysis, the basic taste characteristics offlue-cured tobacco cigarettes were illustratedby the radar chart method and the fine flavors were evaluated by the Partial Least Squares Regression (PLSR)analysis.

Cigarette;GC/MS;Sensory evaluation;PLSR analysis

TQ656+.5

A

1009-5624（2016）05-0136-06

宋佳，女(1988-)，上海交通大學(xué)工程碩士在讀，研究方向?yàn)榉治龌瘜W(xué)；E-mail:songsong_225@163.com。

孟慶華，男(1971- ),江蘇泰州人,博士,研究生導(dǎo)師.研究方向：光化學(xué)、分子探針、傳感材料；E-mail: qhmeng@ sjtu.edu.cn；Tel：13918184475。