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嘉峪檢測(cè)網(wǎng) 2025-05-15 12:48
摘 要：為了準(zhǔn)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(zhì)譜聯(lián)用測(cè)定外加標(biāo)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(jié)合主成分分析綜合得分評(píng)價(jià)的分析方法。煙絲稱樣質(zhì)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(zhì)譜EI電離，內(nèi)標(biāo)法定量。5種標(biāo)記物的質(zhì)量濃度在0.5～20.0 μg/mL范圍內(nèi)與定量離子色譜峰面積線性關(guān)系良好，相關(guān)系數(shù)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(biāo)平均回收率為89.9%～94.8%，測(cè)定結(jié)果的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為2.1%～4.2%（n=6）。對(duì)不同生產(chǎn)批次煙絲中5種標(biāo)記物的含量進(jìn)行主成分分析，可以簡(jiǎn)單、快速、準(zhǔn)確地量化煙絲加香均勻性，對(duì)制絲工藝評(píng)價(jià)具有一定的應(yīng)用價(jià)值。
關(guān)鍵詞：超聲萃?。患酉?；均勻性；主成分分析
在煙草加工領(lǐng)域，制絲的加香工藝是至關(guān)重要的一環(huán)，它直接關(guān)系到最終產(chǎn)品的口感和品質(zhì)[1]。為了提高加香效果，煙草行業(yè)一直致力于加香均勻性評(píng)價(jià)方法研究。目前煙草行業(yè)主要通過計(jì)算一種或幾種煙用香精自有組分含量的變異系數(shù)來評(píng)價(jià)加香均勻性[
1.實(shí)驗(yàn)部分
1.1主要儀器與試劑
氣相色譜-質(zhì)譜儀：7890Ａ-5975C型，美國(guó)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(guó)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(shí)驗(yàn)科技股份有限公司。
甲酸苯乙酯(質(zhì)量分?jǐn)?shù)不小于95％)、苯甲酸乙酯(質(zhì)量分?jǐn)?shù)不小于98％)、乙酸苯乙酯(質(zhì)量分?jǐn)?shù)不小于98％)、丙酸苯乙酯(質(zhì)量分?jǐn)?shù)不小98％)、丁酸苯乙酯(質(zhì)量分?jǐn)?shù)不小于98％)、苯乙酸苯乙酯(質(zhì)量分?jǐn)?shù)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(xì)管柱(30 m×0.25 mm，0.25 μm，美國(guó)安捷倫科技有限公司)；載氣：氦氣；柱流量：1.0 mL/min；進(jìn)樣體積：1 μL；進(jìn)樣方式：分流進(jìn)樣；分流比：10∶1；進(jìn)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(zhì)譜儀
EI離子源溫度：250 ℃；四級(jí)桿溫度：150 ℃；傳輸線溫度：280 ℃；電子能量：70 eV；監(jiān)測(cè)模式：選擇離子監(jiān)測(cè)；溶劑延遲時(shí)間：10 min； 6種化合物質(zhì)譜參數(shù)見表1。
表16種化合物的質(zhì)譜參數(shù)
1.3溶液配制
萃取溶液：含5 μg/mL丙酸苯乙酯(內(nèi)標(biāo))的正己烷溶液。
混合標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備液：準(zhǔn)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(zhì)量濃度均為100 μg/mL的混合標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備液。
系列混合標(biāo)準(zhǔn)工作溶液：準(zhǔn)確移取0.25、0.50、2.50、5.0、10.0 mL混合標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)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(zhì)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(biāo)準(zhǔn)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(duì)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(jīng)0.45 μm濾膜過濾，濾液即為樣品溶液。
1.5樣品測(cè)定
在1.2儀器工作條件下，分別測(cè)定5種標(biāo)記物系列混合標(biāo)準(zhǔn)工作溶液和樣品溶液，利用選擇離子監(jiān)測(cè)(SIM)模式采集質(zhì)譜數(shù)據(jù)，以定量離子色譜峰面積內(nèi)標(biāo)法定量。
2.結(jié)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(zhì)譜條件優(yōu)化
分別考察了5種外加標(biāo)記物及內(nèi)標(biāo)（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(fā)現(xiàn)HP-INNOWax極性色譜柱無法從煙絲復(fù)雜基質(zhì)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(dá)到基線分離，故選擇HP-5MS色譜柱為分離柱。在優(yōu)化的儀器工作條件下混合標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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?xiàng)l件優(yōu)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(duì)煙絲樣品進(jìn)行萃取。結(jié)果顯示，以二氯甲烷和甲醇為萃取溶劑時(shí)，樣品中的雜質(zhì)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(shí)，甲酸苯乙酯、乙酸苯乙酯等標(biāo)志物的質(zhì)譜響應(yīng)較低。以正己烷為萃取溶劑時(shí)，不僅基質(zhì)效應(yīng)較小，而且所有外加標(biāo)記物和內(nèi)標(biāo)物的質(zhì)譜響應(yīng)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(duì)5種外加標(biāo)記物回收率的影響，結(jié)果見表2。由表2可知，超聲萃取法的回收率優(yōu)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(shí)5種外加標(biāo)記物的回收率，結(jié)果如圖2所示。由圖2可以看出，當(dāng)萃取溫度從20 ℃升至30 ℃時(shí)，5種外加標(biāo)記物的回收率均提高；繼續(xù)升高溫度時(shí)，由于基質(zhì)效應(yīng)的影響，5種標(biāo)記物的回收率均出現(xiàn)了下降，因此選擇超聲萃取溫度為30 ℃。
圖2不同萃取溫度時(shí)的回收率
Fig. 2Recoveries at different extraction temperatures
2.2.4萃取時(shí)間選擇
選擇萃取溫度為30 ℃，考察萃取時(shí)間分別為10、20、30、40、50 min時(shí)5種外加標(biāo)記物的回收率，結(jié)果如圖3所示。由圖3可以看出，在10～30 min范圍內(nèi)，5種標(biāo)記物的回收率隨萃取時(shí)間的延長(zhǎng)呈現(xiàn)上升趨勢(shì)；繼續(xù)延長(zhǎng)萃取時(shí)間，回收率開始下降，這可能是由于隨著萃取時(shí)間的延長(zhǎng)，萃取出的煙絲雜質(zhì)增加，導(dǎo)致了更嚴(yán)重的基質(zhì)效應(yīng)，因此，選取超聲萃取時(shí)間為30 min。
圖3不同萃取時(shí)間時(shí)的回收率
Fig. 3Recoveries at different extraction times
2.2.5樣品質(zhì)量選擇
考慮到煙絲基質(zhì)效應(yīng)的影響，考察了不同樣品
質(zhì)量(2、3、4、5 g)對(duì)5種標(biāo)記物回收率的影響，結(jié)果如圖4所示。由圖4可以看出，當(dāng)樣品質(zhì)量為3 g時(shí)，5種標(biāo)記物的回收率均達(dá)到了最大值，因此選擇樣品質(zhì)量為3 g。
圖4不同樣品質(zhì)量時(shí)的回收率
Fig. 4Recoveries at different amounts of sample
2.3方法評(píng)價(jià)
2.3.1線性方程、檢出限和定量限
取1.3中的系列混合標(biāo)準(zhǔn)工作溶液，按1.2儀器工作條件進(jìn)樣測(cè)定，以標(biāo)記物與內(nèi)標(biāo)質(zhì)量濃度的比為橫坐標(biāo)(x)，以對(duì)應(yīng)的定量離子色譜峰面積的比為縱坐標(biāo)(y)，繪制標(biāo)準(zhǔn)工作曲線，并計(jì)算線性方程和相關(guān)系數(shù)。參考GBZ/T 210.5—2008《職業(yè)衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)制定指南 第5部分：生物材料中化學(xué)物質(zhì)測(cè)定方法》中最低檢出濃度測(cè)定方法，連續(xù)測(cè)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(duì)應(yīng)的質(zhì)量濃度作為方法檢出限和定量限。5種目標(biāo)物的質(zhì)量濃度線性范圍、線性方程、相關(guān)系數(shù)、檢出限及定量限見表3。
表3質(zhì)量濃度線性范圍、線性方程、相關(guān)系數(shù)、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(biāo)回收和精密度試驗(yàn)
取未加標(biāo)記物且標(biāo)記物本底值為0的空白煙絲樣品，按照低、中、高3個(gè)水平，分別加入不同質(zhì)量濃度的目標(biāo)物，每個(gè)質(zhì)量濃度水平平行測(cè)定6次，計(jì)算回收率及相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差，結(jié)果見表4。由表4可知，樣品加標(biāo)平均回收率為89.9%～94.8%，測(cè)定結(jié)果的
表4樣品加標(biāo)回收與精密度試驗(yàn)結(jié)果
Tab. 4Results of sample spiked recoveries and precision test
相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)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(zhǔn)確度。
2.4加香均勻性評(píng)價(jià)
2.4.1基于單個(gè)加香特征化合物均勻性評(píng)價(jià)
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(biāo)記物質(zhì)量分?jǐn)?shù)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(chǎn)線，待加香設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定后，于加香機(jī)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(shí)間為1 min，每次取樣質(zhì)量為100 g，將其置于密封袋中，按1.4方法進(jìn)行處理，在1.2儀器工作條件下測(cè)定，結(jié)果見表5。由表5可知，采用單一加香特征化合物對(duì)同一批次樣品加香均勻性進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)，不同的特征物評(píng)價(jià)結(jié)果相差較大，如丁酸苯乙酯的變異系數(shù)為11.52，明顯大于苯乙酸苯乙酯的變異系數(shù)7.54。
表5批次Ⅰ加香煙絲中外加標(biāo)記物測(cè)定結(jié)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(píng)價(jià)
利用SPSS 26軟件對(duì)表5數(shù)據(jù)進(jìn)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(jì)占總方差的90.533%，超過85%，因此認(rèn)為前2個(gè)主成分能夠代表樣品的大部分信息。
根據(jù)數(shù)理統(tǒng)計(jì)相關(guān)知識(shí)，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(shù)學(xué)關(guān)系如式(1)所示。由式(1)計(jì)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(shù)據(jù)相乘，就可得出主成分與5項(xiàng)原始變量（X1為甲酸苯乙酯質(zhì)量分?jǐn)?shù)、X2為乙酸苯乙酯質(zhì)量分?jǐn)?shù)、X3為苯甲酸乙酯質(zhì)量分?jǐn)?shù)、X4為丁酸苯乙酯質(zhì)量分?jǐn)?shù)、X5為苯乙酸苯乙酯質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的線性組合表達(dá)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(píng)價(jià)得分F按式(4)計(jì)算。
F=
×F1+
×F2 (4)
由式(2)～式(4)計(jì)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(shù)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(píng)價(jià)方法驗(yàn)證
為驗(yàn)證該方法的可行性，選取制絲車間單噴嘴加香生產(chǎn)線批次Ⅱ樣品的檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，檢測(cè)數(shù)據(jù)和PCA綜合得分F值的計(jì)算結(jié)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(shù)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(jì)算的批次Ⅱ (表10)大部分標(biāo)記物的變異系數(shù)大于批次I (表5)的對(duì)比結(jié)果一致，因此基于PCA得分和外加標(biāo)記物的評(píng)價(jià)方法能較好地評(píng)價(jià)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(biāo)記物測(cè)定結(jié)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(jié)語(yǔ)
在對(duì)萃取溶劑、萃取方式、萃取溫度、萃取時(shí)間、稱樣質(zhì)量、氣相色譜-質(zhì)譜條件優(yōu)化的基礎(chǔ)上，建立了超聲萃取-氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用法測(cè)定煙絲加香添加標(biāo)記物(難揮發(fā)香料)。5種標(biāo)記物的質(zhì)量濃度在0.5～20.0 μg/mL范圍內(nèi)線性良好，相關(guān)系數(shù)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(cè)定結(jié)果的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為2.1%～4.2%。對(duì)同一生產(chǎn)批和不同生產(chǎn)批次煙絲中5種標(biāo)記物的含量進(jìn)行基于主成分分析綜合得分變異系數(shù)的計(jì)算，避免了采用香精自有組分作為標(biāo)記物難以選擇標(biāo)記物、標(biāo)記物易受煙絲基質(zhì)干擾且不具備通用性的問題，同時(shí)克服了多指標(biāo)表征加香均勻性結(jié)果不一致，導(dǎo)致不同生產(chǎn)批次的加香均勻性差別無法量化的問題。該方法可以簡(jiǎn)單、快速、準(zhǔn)確地量化加香均勻性，對(duì)于制絲工藝評(píng)價(jià)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(fā)香料及主成分分析法評(píng)價(jià)煙絲加香均勻性［J］. 化學(xué)分析計(jì)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(xué)分析計(jì)量
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