电子鼻气味指纹数据对烟丝加香质量的评价

于宏晓，徐海涛，马 强，赵国庆，刘永新

(山东中烟工业公司技术中心青岛研发基地，青岛 266101)

烟丝加香是制丝工艺过程中的一个重要环节，烟丝加香质量是影响卷烟质量的重要因素之一，加香精度和均匀度是卷烟生产过程中的重要工艺指标，直接影响卷烟的内在质量。正确、客观评价烟丝加香质量可以为卷烟配方设计提供技术依据，对于卷烟新产品的研发具有重要意义。目前烟丝加香质量的评价主要依靠训练有素、经验丰富的专家通过评吸来完成，评定结果的准确性难以保证[1]。到目前为止，国内对烟丝加香质量监控缺乏一种快速而有效的方法。电子鼻是用来分析、识别和检测复杂嗅味和大多数挥发性成分的传感器阵列，又叫气味指纹扫描仪，与人类嗅觉判别相比，它的测定不受主观因素影响，更客观。它的研究始于 20世纪90年代[2]，是根据仿生学原理，由传感器阵列和自动化模式识别系统所组成。它是一种新颖的分析、识别和检测复杂气味和大多数挥发性成分的仪器。与普通的化学分析仪器，如色谱仪、光谱仪等不同，分析得到的不是被测样品中某种或某几种成分的定性与定量结果，而是给予样品中挥发性成分的整体信息，也称“指纹”数据[3-4]，该技术在复杂介质和成分之间具有协同作用的样品气味分析方面具有较为明显的优势[5-6]。电子鼻在食品[7-9]、环境[10-11]等领域的应用取得了较好的效果，目前正向食品、烟草、药品、香料产品质量评价和质量控制等方面进一步拓展应用。笔者将电子鼻用于对加香烟丝的挥发性成分检测和区分，基于电子鼻检测技术和化学计量学方法，建立了加香烟丝的挥发性组分整体性质的人工智能评价方法，用于质量保证(QA)和生产流程的质量控制(QC)。

1 材料与方法

1.1 仪器

电子鼻系统α FOX 4000(法国Alpha MOS公司)，由18个金属氧化物传感器组成，空气发生器和HS-100型自动进样器，Alpha Soft V11软件控制仪器和处理数据，电子天平(梅特勒，瑞士)。

1.2 样品

选取加香工序前后各6个不同取样点的烟丝，称取0.400g烟丝样品置于10 mL电子鼻专用样品瓶中，密封备用。每个样品重复检测6次。

1.3 方法

为了使电子鼻不同传感器的检测数据最大值处于0.25～0.85之间的数目尽可能多，增加电子鼻检测数据的准确性和分析速度，优化了电子鼻的测试条件的参数，电子鼻检测的烟丝样品最佳实验参数如下：载气，净化空气；流速，150 mL/min；顶空加热温度，35 ℃；顶空加热时间，1800 s；搅动速度，250 r/min；进样体积，750 μL；进样速度，750 μL/s；进样针温度，40 ℃；数据采集时间，120 s；延滞时间，1080 s。

1.4 数据获取

用电子鼻测定样品气味指纹数据[12]。该电子鼻系统中共有 18个金属氧化物传感器。传感器室1(Sensor chamber 1)中6个传感器分别为：LY/LG，LY2/G，LY2/AA，LY2/GH，LY2/gCTL，LY2/gCT；传感器室2(Sensor chamber 2)中6个传感器分别为：T30/1，P10/1，P10/2，P40/1，T70/2，PA2；传感器室 3(Sensor chamber 3)中 6个传感器分别为：P30/1，P40/2，P30/2，T40/2，T40/1，TA2。

2 结果与讨论

2.1 对比加香前后烟丝电子鼻气味指纹数据

图1A和1B分别显示了电子鼻分析加香工序前后烟丝气味的典型性指纹数据。加香工序前后烟丝气味指纹数据有明显的差异，加香后烟丝的气味指纹数据响应值明显高于加香前烟丝的气味指纹数据响应值，这说明电子鼻能够敏感的响应加香烟丝的挥发性成分，明显区分加香工序前后烟丝气味。

2.2 主成分分析(PCA)加香工序前后不同取样点的烟丝气味

从图 2 PCA分析可以看出加香前后烟丝的气味指纹数据聚集于各自不同的独立区域，这进一步表明电子鼻能够明显的区分加香前后烟丝的气味。同时，对比不同取样点的加香前后烟丝的气味指纹数据，可以得出对于不同取样点，加香前烟丝气味指纹数据分布的区域更加集中，不同取样点之间烟丝的气味差异性小，而加香后烟丝气味指纹数据分布的区域更加离散，不同取样点之间烟丝的气味差异性明显。这表明加香后烟丝气味指纹数据分散性不是由加香前烟丝本身的气味造成的，而是由加香过程中烟丝加香的不均匀性，导致加香后烟丝在不同取样点的挥发性成分的不均匀性，从而使加香后烟丝在不同取样点的气味指纹数据分布更加分散。

2.3 统计质量控制分析(SQC)评价加香后烟丝气味均匀性

根据同批次和不同批次加香后烟丝的气味指纹数据，建立了SQC可接受品质的气味指纹模型，对加香后烟丝的气味品质进行生产过程中的质量监控，若加香后烟丝的气味指纹数据超出了可接受气味指纹模型，表示其品质不符合要求，藉以作为调整加香过程参数和监督加香工序的参考。通过监控发现，同一批次的加香后烟丝气味在不同取样点的均匀性一般(图3)，有的取样点加香后烟丝的气味指纹数据超出了可接受气味指纹模型范围。为了改善加香后烟丝不同取样点的均匀性，增加了加香后烟丝在贮丝柜的贮存时间，发现加香后烟丝在贮丝柜贮存4 h后，可以明显改善加香后烟丝气味的均匀性(图4)，使加香后烟丝的气味指纹数据落在可接受气味指纹模型范围内。这主要是因为加香后烟丝在贮丝柜贮存一定时间后，能使香精香料充分吸附渗透于烟丝中，使香精香料在整批的烟丝中均匀的扩散，提高加香的均匀性，同时还可以使烟丝的水分和温度逐渐趋于平衡。

图1 加香前后烟丝电子鼻检测的典型响应值曲线Fig.1 Typical response curves of cut tobacco before and after flavoring process

图2 加香工序前后不同取样点烟丝气味的PCA分析Figure 2 PCA graph of cut tobacco in different sampling points before and after flavoring process

2.4 货架寿命分析加香烟丝气味对贮丝柜的贮存时间变化

图3 加香后不同取样点烟丝气味的质量控制分析Figure 3 SQC graph of cut tobacco in different sampling points after flavoring process

图5显示了电子鼻货架寿命分析的加香烟丝气味对贮丝柜的贮存时间变化，考察了贮存时间对加香烟丝挥发性成分的影响。通过对在 25 ℃贮存不同时间的加香烟丝进行电子鼻检测得出：电子鼻可以准确地区分不同货架期的加香烟丝，电子鼻气味指纹数据随加香烟丝贮存时间的延长而减弱，表明加香烟丝挥发性成分随着贮存时间的延长逐渐减少，尤其是低沸点的香精香料单体散失更多[13-15]。但是加香烟丝随着贮丝柜的贮存时间延长，可以明显提高和改善加香烟丝气味的均匀性。综合考虑，加香烟丝的均匀性和加香烟丝挥发性成分损失两个方面，加香烟丝在贮丝柜的最佳贮存时间是在 4小时之后，在此时间之后，加香烟丝的贮存时间越短越好。温度对贮藏加香烟丝的品质影响较显著，实验结果表明，贮丝柜温度升高，电子鼻气味指纹数据随加香烟丝贮存时间延长减弱的趋势加速，加速影响贮存加香烟丝的质量和风味。

图4 加香后烟丝在贮丝柜贮存4 h后不同取样点气味的质量控制分析Fig.4 SQC graph of the different sampling points after flavored cut tobacco storage for four hours

图5 货架寿命分析加香烟丝气味随贮存时间的变化Fig.5 Shelf life graph of the flavored cut tobacco odor change with the storage time

3 结 论

烟丝加香是卷烟生产过程中的一个重要环节，烟丝与香料的配比及烟丝受香的均匀度直接影响卷烟内在品质的稳定与否。该文基于电子鼻检测技术和化学计量学方法,研究建立了加香前后烟丝挥发性组分的人工智能评价方法，并用于加香后烟丝挥发性成分的整体质量评价。在对以加香前后烟丝分析中，运用气味指纹分析仪方法，样品不需要前处理，因而不需要担心样品不同前处理方法中可能造成的风味丧失或改变。PCA和SQC分析模型提供了一个客观的分析工具，不但能够有效区分加香前后的烟丝，而且还能够有效评价烟丝加香的均匀性，对加香后烟丝的气味品质进行生产过程中的质量监控，得到的分析结果简单、明确，极高的分析速度确保了可以在不同的测试条件下进行大量的数据测试，并在第一时间作出正确的决定。

[1]魏淼，王永梅.电子鼻在烟草工业上的应用研究[J].吉林烟草，1999(4)：32-33.

[2]Stetter J R, Penrose W R.Understanding chemical sensors and chemical sensors arrays (electronic noses): past,present, and future[J].Sensors Update, 2002, 10(1):189-229.

[3]吴守一，邹小波，电子鼻在食品行业中的应用研究进展[J].江苏理工大学学报：自然科学版，2000，21(6)：13-17.

[4]王俊，胡桂仙.电子鼻与电子舌在食品检测中的应用研究进展[J].农业工程学报，2004，20(2)：292-295.

[5]Gardner J W, Bartlert P N.A brief history of electronic nose[J].Sensors and Actuators B, 1994, 18-19: 211-220.

[6]Nakamoto T, Fukuda A.Improvement of identification capability in an odour-sensing system[J].Sensors and Actuatora, 1991, B3: 221-226.

[7]Saevels S, Lammertyn J, Berna Z.An electronic nose and a mass spectrometry-based electronic nose for assessing apple quality during shelf life[J].Postharvest Biology and Technology, 2004, 31: 9-19.

[8]Funazaki N, Hemmi A, Satoshi I.Application of semiconductor gas sensor to quality control of meat freshness in food industry [J].Sens Actuators B, 1995,24-25: 797-800.

[9]Taurino A, Monaco D, Capone S.Analysis of dry salami by means of an electronic nose and correlation with microbiological methods [J].Sens Actuators B, 2003, 95:123-131.

[10]Baby R, Cabezas M.Electronic nose: a useful tool for monitoring environmental contamination [J].Sens Actuators B, 2000, 69: 214-218.

[11]Nicolas J, Romain A, Ledent C.The electronic nose as a warning device of the odor emergence in a compost hall[J].Sens Actuators B, 2006, 116: 95-99.

[12]Shurmer H V, Gardner J W, Chan H T.The application of discrimination techniques to alcohols and tobaccos using tin-oxide sensors [J].Sensors &Actuators, 1989(18):361-371.

[13]John D, Green, Jackie Cbalmers, Philip J.Kinnard.The transfer of tobacco additives to cigarette smoke [J].Beitr.Tabakforschung, 1989(10)：283-288.

[14]宋瑜冰, 宗永立, 谢剑平，等.一些酯类香料在卷烟中的转移研究[J].烟草科技，2005(6): 22-25.

[15]毛友安, 刘巍, 黄建国，等.用电子鼻技术评价烟叶挥发性组分的研究[J].化学传感器，2006，26(6)：23-28.