邓发达，王晓瑜，罗 诚*，王 冰，何书杰，陶飞燕，张高峰，丁 玉，胡 涛，吴志英

1.四川中烟工业有限责任公司技术中心,成都市锦江区成龙大道一段56 号 610066

2.中国烟草总公司郑州烟草研究院,郑州高新技术产业开发区枫杨街2 号 450001

卷烟的风格特征是卷烟品质的重要属性之一，对卷烟的风格进行剖析，有助于引导消费需求，提升品牌价值。卷烟的物质基础不仅与其感官质量有因果关系，还与卷烟的风格特征密切相关。从感官质量的角度对卷烟风格的提炼是归纳法的运用。例如：乔学义等［1］对典型产地烟叶风格的分析；丁才夫等［2］对恩施州烤烟风格特征的分析；张燕等［3］对卷烟香气风格特征的分析。从物质基础的角度对卷烟风格的分析是演绎法的运用。例如：李超等［4］基于化学组分对卷烟果香风格的研究；杨超等［5］基于烟叶化学成分对叶组感官质量和风格的研究。显然，基于卷烟物质基础的风格剖析对于产品开发更具指导意义。有研究表明，烟草化学成分对卷烟香型风格有一定影响［6-8］。同时，消费者抽吸卷烟时感受到的生理满足感和愉悦感与烟气中的化学成分直接相关。实际上，卷烟烟气中的化学成分对感官的作用不是孤立的，而是相互影响、协同产生的，它们共同决定了卷烟产品的整体可接受性。因此，对不同卷烟主流烟气进行整体性分析非常必要。

卷烟烟气中的化学成分有数千种，大部分物质是在卷烟燃烧时通过氧化、裂解、聚合、缩合等反应形成［9-10］。对卷烟主流烟气进行整体性分析，须在保留主要信息的基础上，对数据进行降维处理。利用主成分分析方法［11-12］，可以有效地找出数据中主要的元素和结构，去除噪声和冗余信息，揭示隐藏在复杂数据背后的简单结构。因此，采用气相色谱/质谱法对卷烟主流烟气成分进行检测，通过主成分分析结合独立样本t 检验的方法对卷烟主流烟气成分数据进行挖掘，从物质基础的角度对卷烟风格进行分析，旨在为剖析卷烟风格提供技术支撑。

1 材料与方法

1.1 材料、试剂和仪器

25 种国内市售烤烟型卷烟样品（表1），以某品牌卷烟为试验组，其余牌号卷烟为对照组。

氘代苯（内标，美国CIL 公司）；乙酸苯乙酯（内标，英国Alfa Aesar 公司）；甲醇（色谱纯，美国Dikma 公司）；二氯甲烷（色谱纯，美国J.T.Baker 公司）；异丙醇（AR，天津市凯通化学试剂有限公司）；干冰（购于郑州市当地市场）。

表1 卷烟样品基本信息Tab.1 Basic information of cigarette samples

Agilent 7890B/5977A 气相色谱/质谱联用仪（GC/MS）、4 mL 样品瓶（美国Agilent 公司）；SM450-PC107 直线型吸烟机（英国Cerulean 公司）；剑桥滤片（直径44 mm，德国Borgwaldt 公司）；KQ-700DE 数控超声波清洗器（昆山市超声仪器有限公司）。

1.2 方法

采用两套分析方法进行主流烟气中的化学成分测定。中性及碱性烟气成分采用溶剂直接提取，气相色谱/质谱法检测；酸性、酚及一些含羟基化合物采用硅烷化衍生，气相色谱/质谱法检测。

1.2.1 烟气的捕集

将样品卷烟在（22±1）℃、相对湿度（60±2）%的环境中平衡48 h，挑选（平均质量±0.02）g 和（平均吸阻±49）Pa 的烟支作为测试样品。

①直接提取。采用直线型吸烟机按照ISO 标准条件抽吸卷烟，即每60 s 抽吸1 口，每口抽吸容量35 mL，抽吸持续时间2 s。单通道每组抽吸10支卷烟，用直径为44 mm 剑桥滤片捕集卷烟主流烟气粒相物［13］。在捕集器后连接两个串联的吸收瓶，每个吸收瓶中装有10 mL 甲醇溶液，在低温冷却（干冰/异丙醇）条件下捕集主流烟气气相成分。内标溶液为氘代苯和乙酸苯乙酯的双内标溶液，DB-624 柱使用氘代苯内标，DB-5MS 柱使用乙酸苯乙酯内标。

②硅烷化衍生。采用直线型吸烟机按照ISO标准条件抽吸卷烟，单通道每组抽吸5 支卷烟，用直径为44 mm 的剑桥滤片捕集卷烟主流烟气总粒相物。内标溶液为反式-2-己烯酸溶液。

1.2.2 粒相物成分的分析

①直接提取。将捕集10 支卷烟主流烟气粒相物的剑桥滤片对折卷起放入4 mL 样品瓶中，加入3 mL 二氯甲烷萃取剂，并准确加入100 μL 2 mg/mL 内标溶液，用密封膜密封后超声萃取30 min；取2 mL 萃取液，用0.45 μm 微孔滤膜过滤后进行GC/MS 分析。

②硅烷化衍生。将捕集5 支卷烟主流烟气粒相物的剑桥滤片对折卷起放入4 mL 样品瓶中，加入3 mL 二氯甲烷萃取溶液（反式-2-己烯酸内标为50 μg/mL），旋紧瓶盖后超声萃取30 min；加入500 μL BSTFA，60 ℃水浴条件下衍生50 min；冷却至室温，过0.45 μm 微孔滤膜，对滤液进行GC/MS 分析，在选择离子监测（SIM）模式下定量分析目标成分。选定目标组分的定量定性离子参数及精密度（RSD）见表2。

表2 卷烟主流烟气中进行硅烷化分析的目标成分Tab.2 Target components in mainstream cigarette smoke for silylation analysis

表2 （续）

1.2.3 气相物成分的分析

卷烟抽吸完毕后，用洗耳球分别对捕集装置两个吸收瓶中的吸收管进行5 次抽吸清洗；向每个吸收瓶中准确加入100 μL 内标溶液，并搅拌均匀；从两个吸收瓶中各取1 mL 溶液，混匀后进行GC/MS 分析。

1.2.4 GC/MS 分析条件

气、粒相物样品均取2 份，分别在DB-5MS 和DB-624 两根色谱柱上进样分析。DB-5MS 柱的分析条件：

色谱柱：DB-5MS 色谱柱（60 m×0.25 mm×1.0 μm）；载气：He，1.5 mL/min；进样量：1 μL；进样口温度：290 ℃；分流比：10 ∶1；程序升 温：60 ℃传输线温度：290 ℃；电离方式：EI；离子源温度：230 ℃；电离能量：70 eV；四极杆温度：150 ℃；质量扫描范围：26～400 amu；监测模式：全扫描模式和SIM模式。

DB-624 色谱柱的分析条件与文献［14］相同。

1.2.5 数据处理与分析

按文献［15］的方法进行主流烟气化学成分的独立样本t 检验。按文献［11］的方法对25 个卷烟样品的335 种主流烟气化学成分进行主成分分析并计算各样品到样品中心的欧氏距离，绘制样品在主成分空间的分布图。

2 结果与讨论

2.1 卷烟主流烟气化学成分的直观分析

对样品的335 种主流烟气化学成分进行直观分析。由于各成分释放量存在数量级上的差异，因此对检测数据进行线性归一化处理。以卷烟编号为x轴，化学成分编号为y 轴，化学成分释放量为z 轴，绘制主流烟气化学成分释放量图，如图1 所示。

图1 卷烟主流烟气化学成分直观分析Fig.1 Visual analysis of chemical components in mainstream cigarette smoke

图1 a 为包含常规卷烟、细支卷烟的主流烟气直观分析图。可以看出，常规卷烟化学成分释放量较高，在图中表现为波峰，细支卷烟化学成分释放量较低，在图中表现为波谷。为消除烟支圆周规格对分析结果的影响，对所有常规卷烟进行了直观分析（图1b）。其中1～4 号为试验组卷烟样品，其余为对照组卷烟样品。由于卷烟烟气中化学成分数量众多，因此试验组和对照组样品表现出的差异不明显。

以试验组卷烟为1 个样本、对照组卷烟为1 个样本，对各牌号常规卷烟的烟气化学成分进行独立样本t 检验，根据筛选出的试验组与对照组卷烟有较大差异的32 种化学成分（表3）绘制化学成分释放量图，如图2 所示。

从表3 和图2 可以看出，与对照组相比，试验组卷烟中1～17 号化学成分释放量较高，18～32 号化学成分释放量较低。在1～17 号化学成分中，2-脱氧-戊糖酸内酯［23-24］、己酸［16］、亚麻酸甲酯［16，25］、二羟基丙酮［18］、三醋酸甘油酯［19］及月桂烯［21-22］等6种化学成分具有增甜的效果，这表明“甜”是试验组卷烟主流烟气形态的一个特性。

2.2 卷烟主流烟气化学成分的主成分分析

由于检测得到的数据维度较高（共检测出335种主流烟气化学成分），因此采用主成分分析方法进行数据降维处理，降维后前3 个主成分的累计方差贡献率为85.1%，可以代表原数据的大部分信息。以各卷烟样品前3 个主成分为x、y、z 轴绘制样品主成分空间图，以空间图中各样品的中心为参照点，计算各样品到参照点的欧氏距离并连线。从图3 可以看出：在各自方向上距离参照点较远的样品有“白沙（和天下）”“中华（软）”“云烟（软珍品）”“真龙（海韵）”“芙蓉王（硬）”“南京（十二钗烤烟）”；距离参照点较近的样品有SY-4 卷烟、“云烟（紫）”和“黄鹤楼（软蓝）”。SY-6 卷烟和“南京（十二钗烤烟）”烟气状态接近；SY-2 卷烟与“南京（炫赫门）”烟气状态接近。

表3 卷烟主流烟气化学成分独立样本t 检验筛选指标①Tab.3 Screened components in mainstream cigarette smoke after independent sample t test

图2 独立样本t 检验筛选后卷烟主流烟气化学成分直观分析Fig.2 Visual analysis of screened components in mainstream cigarette smoke after independent sample t test

以目前市场上代表性的“云烟（软珍品）”“芙蓉王（硬）”“南京（十二钗烤烟）”“中华（软）”为顶点连线，可以构成一个四面体，见图4。可以看出，除少数样品如“白沙（和天下）”外，大部分样品均位于四面体内或四面体表面附近。“云烟”系列、“玉溪（软）”和“黄金叶”系列位于四面体一角，“南京”系列位于四面体一角，“芙蓉王（硬）”和“真龙（海韵）”位于一角，“中华（软）”位于一角。

将试验组各产品连线得到图5。从图5a 可以看出，试验组除SY-3 卷烟外皆位于四面体内，旋转图5a 到合适角度可以得到图5b，从图5b 可以看出，试验组6 个样品在卷烟主流烟气主成分空间图中基本处于同一平面。

图3 主成分空间中卷烟样品距离Fig.3 Distances of cigarette samples in principal component space

图4 卷烟主流烟气化学成分四面体Fig.4 Tetrahedron of chemical components in mainstream cigarette smoke

图5 卷烟主流烟气化学成分空间关系Fig.5 Spatial relationship of chemical components in mainstream cigarette smoke

图5 （续）

图6 主流烟气化学成分空间关系（剔除部分多羟基化合物）Fig.6 Spatial relationship of chemical components in mainstream cigarette smoke（without some polyhydroxy compounds）

在空间图中，样品处于同一平面意味着具有某种共性。为了研究这种共性，将烟气成分中的丙三醇、乙二醇、1,2-丙二醇以及核糖、葡聚糖、葡萄糖等多羟基化合物剔除，再按上述方法进行主成分分析，结果如图6 所示。可以看出，剔除多羟基化合物后试验组样品都不在四面体内，且样品不在一个平面内，样品所具有的共性部分消失，这说明烟气中多羟基化合物的组成是试验组样品的一个重要特征。由于烟草中的多羟基化合物可以和水分子形成氢键，具有保润功能［28-30］，因此具有保润作用的多羟基化合物的构成是试验组卷烟烟气形态的另一个特性。

3 结论

对收集的6 个试验组卷烟、19 个对照组卷烟，采用溶剂直接提取或硅烷化衍生法收集主流烟气成分，气相色谱/质谱联用方法进行分析，共检测出335 种化合物。以对照组卷烟为参照，采用独立样本t 检验的方法筛选出试验组卷烟主流烟气中17 种含量较高的化学成分，其中6 种成分具有增甜的效果；采用主成分分析法对市售卷烟主流烟气化学成分的轮廓进行了整体性分析，发现了试验组卷烟主流烟气的共性特征，进一步的研究表明，具有保润作用的多羟基化合物的构成与这种共性特征密切相关。本研究结果可从物质基础的角度为卷烟风格的剖析提供参考。