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嘉峪檢測網 2025-05-15 12:48
摘 要：為了準確量化煙絲加香均勻性，建立了一種基于超聲萃取-氣相色譜-質譜聯用測定外加標記物（苯甲酸乙酯、甲酸苯乙酯、乙酸苯乙酯、丁酸苯乙酯和苯乙酸苯乙酯）結合主成分分析綜合得分評價的分析方法。煙絲稱樣質量為3 g，在30 ℃下用正己烷超聲萃取30 min，利用HP-5MS色譜柱（30 m×0.25 mm，0.25 μm）分離，質譜EI電離，內標法定量。5種標記物的質量濃度在0.5～20.0 μg/mL范圍內與定量離子色譜峰面積線性關系良好，相關系數均大于0.999，檢出限為0.04～0.07 μg/mL，定量限為0.13～0.23 μg/mL。樣品加標平均回收率為89.9%～94.8%，測定結果的相對標準偏差為2.1%～4.2%（n=6）。對不同生產批次煙絲中5種標記物的含量進行主成分分析，可以簡單、快速、準確地量化煙絲加香均勻性，對制絲工藝評價具有一定的應用價值。
關鍵詞：超聲萃??；加香；均勻性；主成分分析
在煙草加工領域，制絲的加香工藝是至關重要的一環，它直接關系到最終產品的口感和品質[1]。為了提高加香效果，煙草行業一直致力于加香均勻性評價方法研究。目前煙草行業主要通過計算一種或幾種煙用香精自有組分含量的變異系數來評價加香均勻性[
1.實驗部分
1.1主要儀器與試劑
氣相色譜-質譜儀：7890Ａ-5975C型，美國安捷倫科技有限公司。
電子天平：AG104型，感量為0.1 mg，瑞士梅特勒-托利多公司。
超聲儀：DS-7510DTH型，上海生析超聲儀器有限公司。
超純水儀：Milli-Q型，美國密理博公司。
正己烷、異丙醇、甲醇、乙腈、二氯甲烷：均為色譜純，上海安譜實驗科技股份有限公司。
甲酸苯乙酯(質量分數不小于95％)、苯甲酸乙酯(質量分數不小于98％)、乙酸苯乙酯(質量分數不小于98％)、丙酸苯乙酯(質量分數不小98％)、丁酸苯乙酯(質量分數不小于98％)、苯乙酸苯乙酯(質量分數不小于97％)：上海阿拉丁生化科技股份有限公司。
1.2儀器工作條件
1.2.1氣相色譜儀
色譜柱：Agilent HP-5MS毛細管柱(30 m×0.25 mm，0.25 μm，美國安捷倫科技有限公司)；載氣：氦氣；柱流量：1.0 mL/min；進樣體積：1 μL；進樣方式：分流進樣；分流比：10∶1；進樣口溫度：280 ℃；柱溫：采用程序化升溫，初始溫度為50 ℃，保持3 min，以5 ℃/min的速率升溫至200 ℃，保持2 min，以10 ℃/min的速率升溫至290 ℃，保持5 min。
1.2.2質譜儀
EI離子源溫度：250 ℃；四級桿溫度：150 ℃；傳輸線溫度：280 ℃；電子能量：70 eV；監測模式：選擇離子監測；溶劑延遲時間：10 min； 6種化合物質譜參數見表1。
表16種化合物的質譜參數
1.3溶液配制
萃取溶液：含5 μg/mL丙酸苯乙酯(內標)的正己烷溶液。
混合標準儲備液：準確稱取苯甲酸乙酯、甲酸苯乙酯、乙酸苯乙酯、丁酸苯乙酯和苯乙酸苯乙酯各0.1 g，用萃取溶液溶解并定容于1 000 mL容量瓶中，配制成5種化合物的質量濃度均為100 μg/mL的混合標準儲備液。
系列混合標準工作溶液：準確移取0.25、0.50、2.50、5.0、10.0 mL混合標準儲備液，用萃取溶液分別定容于50 mL容量瓶中，配制成苯甲酸乙酯、甲酸苯乙酯、乙酸苯乙酯、丁酸苯乙酯和苯乙酸苯乙酯的質量濃度均分別為0.5、1.0、5.0、10.0、20.0 μg/mL的系列混合標準工作溶液。
1.4樣品處理
將加香后的煙絲樣品置于溫度為(20±1) ℃、相對濕度為(60±3)%條件下平衡24 h。研磨后稱取4.0 g樣品，置于250 mL錐形瓶中，加入100 mL正己烷萃取溶液，于30 ℃下超聲萃取30 min，取上層萃取液，經0.45 μm濾膜過濾，濾液即為樣品溶液。
1.5樣品測定
在1.2儀器工作條件下，分別測定5種標記物系列混合標準工作溶液和樣品溶液，利用選擇離子監測(SIM)模式采集質譜數據，以定量離子色譜峰面積內標法定量。
2.結果與討論' fill='%23FFFFFF'%3E%3Crect x='249' y='126' width='1' height='1'%3E%3C/rect%3E%3C/g%3E%3C/g%3E%3C/svg%3E)
2.1氣相色譜-質譜條件優化
分別考察了5種外加標記物及內標（丙酸苯乙酯）在HP-5MS非極性柱和HP-INNOWax極性柱上的色譜分離情況。發現HP-INNOWax極性色譜柱無法從煙絲復雜基質中有效分離5種酯類化合物，而使用HP-5MS色譜柱，在1.2儀器工作條件下各組分先后出峰，所有色譜峰均達到基線分離，故選擇HP-5MS色譜柱為分離柱。在優化的儀器工作條件下混合標準溶液和加香后煙絲萃取液的離子流色譜圖如圖1所示。
圖1混合標準溶液和加香后煙絲萃取液色譜圖
Fig. 1Chromatograms of mixed standard solution and tobacco extract after flavoring
2.2樣品處理條件優化
2.2.1萃取溶劑選擇
分別選擇異丙醇、乙醇、乙腈、正己烷和二氯甲烷5種萃取溶劑對煙絲樣品進行萃取。結果顯示，以二氯甲烷和甲醇為萃取溶劑時，樣品中的雜質含量較高，色譜圖的基線異常升高。以異丙醇和乙腈為萃取溶劑時，甲酸苯乙酯、乙酸苯乙酯等標志物的質譜響應較低。以正己烷為萃取溶劑時，不僅基質效應較小，而且所有外加標記物和內標物的質譜響應均較高，因此選擇正己烷作為萃取溶劑。
2.2.2萃取方式選擇
以正己烷為萃取溶劑，分別考察振蕩萃取和超聲萃取對5種外加標記物回收率的影響，結果見表2。由表2可知，超聲萃取法的回收率優于振蕩萃取法，因此選擇超聲萃取法。
表2振蕩萃取和超聲萃取的回收率
Tab. 2Recoveries of oscillation extraction and ultrasonic extraction
2.2.3萃取溫度選擇
以正己烷為萃取溶劑，采用超聲萃取法，考察萃取溫度分別為20、30、40、50 ℃時5種外加標記物的回收率，結果如圖2所示。由圖2可以看出，當萃取溫度從20 ℃升至30 ℃時，5種外加標記物的回收率均提高；繼續升高溫度時，由于基質效應的影響，5種標記物的回收率均出現了下降，因此選擇超聲萃取溫度為30 ℃。
圖2不同萃取溫度時的回收率
Fig. 2Recoveries at different extraction temperatures
2.2.4萃取時間選擇
選擇萃取溫度為30 ℃，考察萃取時間分別為10、20、30、40、50 min時5種外加標記物的回收率，結果如圖3所示。由圖3可以看出，在10～30 min范圍內，5種標記物的回收率隨萃取時間的延長呈現上升趨勢；繼續延長萃取時間，回收率開始下降，這可能是由于隨著萃取時間的延長，萃取出的煙絲雜質增加，導致了更嚴重的基質效應，因此，選取超聲萃取時間為30 min。
圖3不同萃取時間時的回收率
Fig. 3Recoveries at different extraction times
2.2.5樣品質量選擇
考慮到煙絲基質效應的影響，考察了不同樣品
質量(2、3、4、5 g)對5種標記物回收率的影響，結果如圖4所示。由圖4可以看出，當樣品質量為3 g時，5種標記物的回收率均達到了最大值，因此選擇樣品質量為3 g。
圖4不同樣品質量時的回收率
Fig. 4Recoveries at different amounts of sample
2.3方法評價
2.3.1線性方程、檢出限和定量限
取1.3中的系列混合標準工作溶液，按1.2儀器工作條件進樣測定，以標記物與內標質量濃度的比為橫坐標(x)，以對應的定量離子色譜峰面積的比為縱坐標(y)，繪制標準工作曲線，并計算線性方程和相關系數。參考GBZ/T 210.5—2008《職業衛生標準制定指南 第5部分：生物材料中化學物質測定方法》中最低檢出濃度測定方法，連續測定10次接近空白濃度的溶液，分別以3倍信噪比和10倍信噪比對應的質量濃度作為方法檢出限和定量限。5種目標物的質量濃度線性范圍、線性方程、相關系數、檢出限及定量限見表3。
表3質量濃度線性范圍、線性方程、相關系數、檢出限和定量限
Tab. 3Linear ranges of the mass concentration，linear equations，correlation coefficients，detection limits，and quantification limits
2.3.2加標回收和精密度試驗
取未加標記物且標記物本底值為0的空白煙絲樣品，按照低、中、高3個水平，分別加入不同質量濃度的目標物，每個質量濃度水平平行測定6次，計算回收率及相對標準偏差，結果見表4。由表4可知，樣品加標平均回收率為89.9%～94.8%，測定結果的
表4樣品加標回收與精密度試驗結果
Tab. 4Results of sample spiked recoveries and precision test
相對標準偏差為2.1%～4.2%，表明該方法具有良好的精密度和較高的準確度。
2.4加香均勻性評價
2.4.1基于單個加香特征化合物均勻性評價
在某牌香精(不含有苯甲酸乙酯、甲酸苯乙酯、乙酸苯乙酯、丁酸苯乙酯和苯乙酸苯乙酯)中分別添加苯甲酸乙酯、甲酸苯乙酯、乙酸苯乙酯、丁酸苯乙酯和苯乙酸苯乙酯，配制成5種標記物質量分數均為1.0%的香精，用于制絲車間卷煙加香。選用車間雙噴嘴加香生產線，待加香設備運行穩定后，于加香機滾筒出口后固定位置采集煙絲樣品，每批次取樣30次，每次間隔時間為1 min，每次取樣質量為100 g，將其置于密封袋中，按1.4方法進行處理，在1.2儀器工作條件下測定，結果見表5。由表5可知，采用單一加香特征化合物對同一批次樣品加香均勻性進行評價時，不同的特征物評價結果相差較大，如丁酸苯乙酯的變異系數為11.52，明顯大于苯乙酸苯乙酯的變異系數7.54。
表5批次Ⅰ加香煙絲中外加標記物測定結果
Tab. 5Determination results of external markers incut tobacco of batchⅠ
2.4.2基于PCA綜合得分的均勻性評價
利用SPSS 26軟件對表5數據進行主成分分析，得到總方差解釋表(見表6)和因子載荷矩陣(見表7)。
表6總方差解釋表
Tab. 6Principal component decomposition total variance
表7因子載荷矩陣
Tab. 7Factor loading matrix
由表6可知，主成分1、2分別解釋了總方差的79.661%、10.873%，累計占總方差的90.533%，超過85%，因此認為前2個主成分能夠代表樣品的大部分信息。
根據數理統計相關知識，主成分分析的變換矩陣即主成分載荷矩陣(U)與因子載荷矩陣(A)及特征值(λ)的數學關系如式(1)所示。由式(1)計算得到主成分載荷矩陣見表8。
(1)
表8主成分載荷矩陣
Tab. 8Principal component load matrix
將得到的主成分向量與原始數據相乘，就可得出主成分與5項原始變量（X1為甲酸苯乙酯質量分數、X2為乙酸苯乙酯質量分數、X3為苯甲酸乙酯質量分數、X4為丁酸苯乙酯質量分數、X5為苯乙酸苯乙酯質量分數）的線性組合表達式，如式（2）和式（3）所示。
F1=0.419X1+0.518X2+0.525X3+0.336X4+0.410X5 (2)
F2=-0.355X1+0.425X2-0.638X3+0.164X4+0.509X5 (3)
綜合評價得分F按式(4)計算。
F=
×F1+
×F2 (4)
由式(2)～式(4)計算得到主成分得分和綜合得分值見表9。由表9可知，基于主成分分析綜合得分F的變異系數為8.93%。
表9批次Ⅰ主成分得分和綜合得分值
Tab. 9Principal component score and comprehensivescore value of batchⅠ
2.4.3基于PCA綜合得分的煙絲加香均勻性評價方法驗證
為驗證該方法的可行性，選取制絲車間單噴嘴加香生產線批次Ⅱ樣品的檢測數據進行分析，檢測數據和PCA綜合得分F值的計算結果見表10和表11。由表11可以看出，基于主成分綜合得分F的變異系數為9.61%，大于批次I的8.93%，這與采用單一加香特征化合物含量計算的批次Ⅱ (表10)大部分標記物的變異系數大于批次I (表5)的對比結果一致，因此基于PCA得分和外加標記物的評價方法能較好地評價不同批次的煙絲加香均勻性。
表10批次Ⅱ加香煙絲中外加標記物測定結果
Tab. 10Determination results of external markers in cut tobacco of batch Ⅱ
表11批次Ⅱ主成分得分和綜合得分值
Tab. 11Principal component score and comprehensive score value of batchⅡ
表11批次Ⅱ主成分得分和綜合得分值
Tab. 11Principal component score and comprehensivescore value of batchⅡ
3.結語
在對萃取溶劑、萃取方式、萃取溫度、萃取時間、稱樣質量、氣相色譜-質譜條件優化的基礎上，建立了超聲萃取-氣相色譜-質譜聯用法測定煙絲加香添加標記物(難揮發香料)。5種標記物的質量濃度在0.5～20.0 μg/mL范圍內線性良好，相關系數均大于0.999，方法檢出限為0.04～0.07 μg/mL，定量限為0.13～0.23 μg/ml，平均回收率為89.9%～94.8%，測定結果的相對標準偏差為2.1%～4.2%。對同一生產批和不同生產批次煙絲中5種標記物的含量進行基于主成分分析綜合得分變異系數的計算，避免了采用香精自有組分作為標記物難以選擇標記物、標記物易受煙絲基質干擾且不具備通用性的問題，同時克服了多指標表征加香均勻性結果不一致，導致不同生產批次的加香均勻性差別無法量化的問題。該方法可以簡單、快速、準確地量化加香均勻性，對于制絲工藝評價具有一定的意義。
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引用本文：陸成飛，戎萍，何楊杰，等 . 利用添加難揮發香料及主成分分析法評價煙絲加香均勻性［J］. 化學分析計量，2025，34（1）： 76.(LU Chengfei, RONG Ping, HE Yangjie, et al. Evaluation of flavoring uniformity of cut tobacco using non-volatile flavors and principal component analysis[J]. Chemical Analysis and Meterage, 2025, 34(1): 76.)
來源：化學分析計量
