一种烟草醇化特征挥发性物质检测及醇化程度判别方法

技术领域

本发明涉及烟草检测技术领域，尤其是涉及一种烟草醇化特征挥发性物质检测及醇化程度判别方法。

背景技术

烟叶的成分在醇化过程中受微生物、酶和化学作用，其化学成分的种类和含量不断发生改变，形成香味风格和品质特征。该过程受到原料、醇化过程中的环境条件的影响，烟草醇化的效果难以客观、科学评价。对此，基于仪器分析结合化学计量学的方法用于烟草醇化判别被研究者和行业关注。

气相色谱-离子迁移谱(gas chromatograph-ion mobility spectrometry,GC-IMS)是将快速分离气相色谱仪(GC)和高灵敏度离子迁移谱(IMS)仪相结合的仪器，作为固体、液体中挥发性物质的表征技术，在短时间内获取大量气味检测信号，在挥发性物质指纹图谱方面具有优势。气相色谱-离子迁移谱具有灵敏度高、速度快、操作简单、无需复杂的样品预处理等优势，目前已证实在食品、药品、香精香料等领域的可挥发性物质的检测中。气相色谱-离子迁移谱的特征谱表征烟草醇化特性及其烟草醇化程度的判别有待进一步研究。

发明内容

本发明提供了一种烟草醇化特征挥发性物质检测及醇化程度判别方法，旨在解决现有方法难以在客观、准确、高效的前提下评价烟草醇化程度的技术问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种烟草醇化特征挥发性物质检测及醇化程度判别方法，包括如下步骤：

S1、对不同醇化时期的烟草进行取样并对其进行预处理；

S2、对不同醇化时期的烟草样品进行气相色谱-离子迁移谱测定获得气相色谱-离子迁移谱指纹图谱；

S4、分析不同醇化时期的烟草样品的指纹图谱之间的差异，得到不同醇化时期的烟草样品间的组分及浓度差异；

S5、对不同醇化时期的烟草样品的指纹图谱峰进行定性分析，获得烟草醇化标志物；

S6、依据指纹图谱中烟草醇化标志物的峰体积判别烟草醇化程度。

优选的，所述步骤S1中取样包括：在一个自然醇化周期内，在不同阶段从标准烟箱中随机抽取不少于500g片烟。

优选的，所述步骤S1中预处理包括：将取得的烟草样品切成1～2mm宽的烟丝，采用抓洒混匀分样法分样，取50g备用。

优选的，准确称取0.5g烟丝进行气相色谱-离子迁移谱测定。

优选的，所述步骤S2中气相色谱-离子迁移谱的测定参数如下：

S2-1、顶空进样条件：将0.5g烟丝装入20mL顶空瓶中进行孵育，孵育温度80℃，孵育转速500r/min，孵育时间20min，孵育完成后进样测定；测定时进样针温度85℃，进样体积500μL，不分流模式；

S2-2、气相色谱柱条件：MXT-5型色谱柱，色谱柱规格：15m×0.53mm×1.0μm，柱温60℃，载气/漂移气为高纯氮气；在0～2min，载气初始流速2mL/min，在2～10min流速线性上升至10mL/min，在10～20min线性上升至100mL/min，最后在20～30min线性上升到150mL/min；漂移气流速为75mL/min；

S2-3、IMS条件：柱温45℃；漂移气为高纯氮气。

优选的，所述步骤S5中获得醇化标志物包括：计算对已定性的挥发性物质的皮尔逊相关系数，选择皮尔逊相关系数最高的11种挥发性物质为烟草醇化高度相关的挥发性物质。

优选的，所述醇化标志物包括2-丁烯酸异丁酯、糠基甲基硫醚、δ-庚内酯、环己酮、4-苯基-3-丁烯-2-酮、3-乙基吡啶、2-丙醇、2-甲氧基苯酚、2-糠基硫醇、2-乙基呋喃、1-戊烯-3-酮。

因此，本发明采用上述一种烟草醇化特征挥发性物质检测及醇化程度判别方法，具有如下技术效果：

(1)利用气相色谱-离子迁移谱对烟草醇化过程中产生的挥发性物质进行检测，可以更准确、高效的对挥发性物质进行分析；

(2)依据皮尔逊相关系数法，对指纹图谱中的挥发性物质进行分析，筛选相关系数较高的挥发性物质作为烟草醇化标志物；依据烟草醇化标志物的指纹图谱的峰体积，可以准确判定烟草的醇化程度。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。

图1为本发明实施例一的流程图；

图2为不同醇化时间烟草样品挥发性成分三维图谱；

图3为不同醇化时间烟草样品挥发性成分图谱；

图4为不同醇化时间下烟草挥发性物质成分差异对比图谱；

图5不同醇化时间烟草样品挥发性物质成分GalleryPlot指纹图谱；

图6为不同醇化时间烟草样品挥发性物质成分PCA分析图；

图7为不同醇化时间烟草样品挥发性物质成分library search定性分析图；

图8为基于104个指纹谱的峰体积进行不同醇化程度烟草聚类分析；

图9为RF判别模型选取的11个特征变量。

具体实施方式

以下通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步说明。

除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。

实施例一

烟草的气相色谱-离子迁移谱采用气相色谱-离子迁移谱联用仪实现，本实施例选用德国G.A.S.公司生产的

一种烟草醇化特征挥发性物质检测及醇化程度判定方法，流程如图1所示，具体包括如下步骤：

S1、在一个自然醇化周期内，在醇化初期、醇化中期和醇化后期从标准烟箱中随机抽取500g片烟。

S2、采用切丝机将上述片烟切成1mm宽的烟丝，采用抓洒混匀分样法分样，取样50g备用。

S3、从50g烟丝中准确称取0.5g烟丝，进行气相色谱-离子迁移谱测定。

气相色谱-离子迁移谱的测定参数如下：

顶空进样条件：0.5g烟丝样品装入20mL顶空瓶中进行孵育，孵育温度80℃，孵育转速500r/min，孵育时间20min。孵育完成后进样测定。测定时进样针温度85℃，进样体积500μL，不分流模式。

气相色谱柱条件：MXT-5型色谱柱(15m×0.53mm×1.0μm)，柱温60℃，载气/漂移气为高纯氮气(纯度≥99.99％)；在0～2min，载气初始流速2mL/min，在2～10min流速线性上升至10mL/min，在10～20min线性上升至100mL/min，最后在20～30min线性上升到150mL/min；漂移气流速为75mL/min。

IMS条件：柱温45℃；漂移气为高纯氮气(纯度≥99.99％)。

每个样品平行测定3次。

S4、气相色谱-离子迁移谱数据分析处理：

(1)采用Reporter插件直接对比待测烟丝样品之间的谱图差异，结果如图2所示。横坐标代表离子迁移时间(归一化处理)，纵坐标代表气相色谱的保留时间(s)。横坐标1.0处竖线为反应离子峰(RIP，经归一化处理)，根据峰(色点)的有无或者颜色深浅表示不同烟草样品之间的组分及浓度差异。

(2)采用VOCal软件对不同醇化时间烟草样品挥发性成分进行检测，图谱如图3所示。反应离子峰两侧的每一个有颜色的点代表一种挥发性有机物。颜色深浅表示浓度差异，颜色越浅浓度越低，颜色越深浓度越高。在软件原始输出的彩色图像中，红色代表该物质在该样品中浓度高于参照样品，而蓝色则代表低于参照样品。

(3)采用DynamicPCA插件对不同醇化时间下烟草挥发性物质成分差异进行对比，结果如图4所示。以醇化初期烟草样品为参照差异对比时，其它2组醇化烟草样品中对应的挥发性物质的浓度差异可直观显现，红色越深，说明对应物质在醇化过程中不断累积，浓度增加，而蓝色越深，说明随着烟草醇化进程相应的物质不断消耗，浓度减小。可挥发性物质的浓度呈现规律地增加或者减少，都是反应烟草醇化中的变化，可作为烟草醇化程度的判别依据。

(4)采用Gallery Plot插件绘制不同醇化时间烟草样品挥发性物质的指纹图谱，结果如图5所示。图中一列代表一个烟草样品的挥发性成分组成，一行代表某种挥发性物质在不同醇化程度烟草样品中的信号峰，信号峰的颜色明暗代表该物质的浓度高低。

(5)应用VOCal分析软件内置的MAX数据库和IMS数据库对挥发性物质进行定性分析，结果如图6所示。不同醇化程度的烟草样品主成分得分分布图。烟草样品的指纹图谱数据经过主成分压缩后，前两个主成分累积贡献率为88％，表明进行特征压缩后保留了较完整的信息，能较好的表征烟草可挥发性物质的特征差异。样本间的欧氏距离越远，表示烟草样品组间的差异越明显。

(6)烟草醇化特征挥发性物质筛选

如图7所示，为样品中挥发性有机物定性分析。已定性物质(提供CAS#、保留时间、离子迁移时间等信息)均已在表1列出：

表1不同烟草的可挥发性风味物质

经皮尔逊相关分析计算表1中104种风味物质的相关系数，以其大小进行排序，相关性数值为正表示烟草在醇化进程中其物质浓度增加，相关性数值为负表示烟草在醇化进程中其物质浓度减少。

选择前11个关联重要的物质，即2-丁烯酸异丁酯(Isobutyl 2-butenoate)、糠基甲基硫醚(Furfuryl methyl sulfide)、δ-庚内酯(δ-Heptanolide)、环己酮(Cyclohexanone)、4-苯基-3-丁烯-2-酮(4-Phenyl-3-buten-2-one)、3-乙基吡啶(3-Ethylpyridine)、2-丙醇(2-Propanol)、2-甲氧基苯酚(2-methoxyphenol)、2-糠基硫醇(2-furfurylthiol)、2-乙基呋喃(2-Ethylfuran)、1-戊烯-3-酮(1-Penten-3-one)，是与烟草醇化高度相关的挥发性物质。

(7)基于气相色谱-离子迁移谱的指纹谱的峰体积建立无监督分类模型。如图8所示，基于气相色谱-离子迁移谱的104个指纹谱的峰体积建立了无监督分类模型，可以看出，相同醇化程度的烟草样本聚为一类，如A，B，C分别为3个不同醇化程度，每个醇化程度下有3个样本。

基于气相色谱-离子迁移谱的指纹谱的峰体积建立有监督分类模型。将气相色谱-离子迁移谱的104个指纹谱的峰体积作为输入矩阵，以醇化程度为输出矩阵，分别赋值1，2，3，分别建立了线性判别(LDA)、支持向量机(SVM)和随机森林(RF)判别模型，其判别结果如表2所示：

表2不同判别模型对烟草醇化度的判别

所有模型判别准确率都达到100％，说明基于离子迁移图的指纹谱的峰体积判定烟草醇化程度是可行的。

如图9所示，RF运行所选择11个特征变量进行建模，与前述的皮尔逊选择关联指标一致，证实了所选择2-丁烯酸异丁酯(Isobutyl 2-butenoate)、糠基甲基硫醚(Furfurylmethyl sulfide)、δ-庚内酯(δ-Heptanolide)、环己酮(Cyclohexanone)、4-苯基-3-丁烯-2-酮(4-Phenyl-3-buten-2-one)、3-乙基吡啶(3-Ethylpyridine)、2-丙醇(2-Propanol)、2-甲氧基苯酚(2-methoxyphenol)、2-糠基硫醇(2-furfurylthiol)、2-乙基呋喃(2-Ethylfuran)、1-戊烯-3-酮(1-Penten-3-one)11种挥发性物质是烟草醇化的特征指标。

因此，本发明采用上述一种烟草醇化特征挥发性物质检测及醇化程度判别方法，利用气相色谱-离子迁移谱对烟草醇化标志物进行检测，并根据其指纹图谱的峰体积判定烟草的醇化程度，可以在客观、准确、高效的前提下评价烟草的醇化程度。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。