加拿大烟叶与云南KRK26烟叶香气成分差异分析.pdf
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1、 2023 年 10 月 第 38 卷 第 5 期JOURNAL OF LIGHT INDUSTRY Vol.38 No.5 Oct.2023收稿日期:2023-03-17;修回日期:2023-04-12;出版日期:2023-10-15基金项目:中国烟草总公司重大科技项目(110202201053);浙江中烟工业有限责任公司科技项目(2021330000340182)。作者简介:帖金鑫(1988),男,山西省应县人,浙江中烟工业有限责任公司工程师,主要研究方向为卷烟产品设计与烟草化学。E-mail:tiejinxin 通信作者:李石头(1986),男,河南省叶县人,浙江中烟工业有限责任公司工程
2、师,主要研究方向为卷烟产品设计与烟草化学。E-mail:lishitou 帖金鑫,张青松,李永生,等.加拿大烟叶与云南 KRK26 烟叶香气成分差异分析J.轻工学报,2023,38(5):74-81.TIE J X,ZHANG Q S,LI Y S,et al.Analysis of differential aroma components between Canada tobacco leaves and Yunnan KRK26 tobacco leavesJ.Journal of Light Industry,2023,38(5):74-81.DOI:10.12187/2023.05.
3、010加拿大烟叶与云南 KRK26 烟叶香气成分差异分析 帖金鑫1,张青松1,李永生2,廖付2,吴继忠2,白冰3,杨靖3,李石头21.浙江中烟工业有限责任公司 宁波卷烟厂,浙江 宁波 315504;2.浙江中烟工业有限责任公司 技术中心,浙江 杭州 310000;3.郑州轻工业大学 烟草科学与工程学院,河南 郑州 450001摘要:为了解加拿大烟叶与云南 KRK26 烟叶的品质区别,通过主成分分析、正交偏最小二乘判别分析等方法,对二者香气成分的差异进行比较分析。结果表明:两种烟叶中共检测出 9 类 117 种香气成分,加拿大烟叶有 114 种,云南 KRK26 烟叶有 113 种,其中 110
4、 种为两者共有;筛选得到两种烟叶差异成分 65 种,占共有香气成分的 50.6%,其中加拿大烟叶中 22 种成分含量较高,占比为 33.8%,主要为半挥发性有机酸类和倍半萜类,43 种成分含量较低,占比为 66.2%,主要为类胡萝卜素降解产物;相较于云南 KRK26 烟叶,加拿大烟叶中长链脂肪酸和倍半萜类含量较高,而类胡萝卜素降解产物(如巨豆三烯酮、大马酮、二氢大马酮等)含量相对较低。类胡萝卜素降解产物和半挥发性有机酸的差别,可能是造成两种烟叶香气风格差异的主要因素之一。关键词:加拿大烟叶;云南 KRK26 烟叶;香气成分;差异成分中图分类号:TS422 文献标识码:A 文章编号:2096-1
5、553(2023)05-0074-090 引言位于加拿大最南部的安大略省,自然条件良好,气候温和、昼夜温差大,降雨量、日照、土质均适于烟草生长1,其优越的生态条件使得产自该地的烟叶具有明亮度高、香气优雅、劲头适宜、工业可用性高等优点,也称为加拿大烟叶。但加拿大烟叶的产量较小,不能很好地满足部分国产品牌卷烟配方和生产的需要,因此寻找和开发相似的国产烟叶替代加拿大烟叶,成为解决该问题的关键2。研究3-5发现,烟叶香气风格和感官品质与其化学成分的种类及含量密切相关,通过比较加拿大烟叶与国内优质烟叶香气成分的差异,有助于揭示加拿大烟叶香气风格形成的内在因素,为国产替代烟叶的确定提供理论依据。代谢组学是
6、一种识别和量化小分子代谢物的新47 帖金鑫,等:加拿大烟叶与云南 KRK26 烟叶香气成分差异分析型研究手段,它从整体角度出发,运用现代检测技术对食品、植物、生物样品中尽可能多的代谢产物进行分析检测6-10,通过主成分分析(Principal Compo-nent Analysis,PCA)、正交偏最小二乘判别分析(Orthogonal Partial Least Squares Discriminant Analy-sis,OPLS-DA)等方法找出不同组别样本的差异代谢物(差异成分),已在种类鉴别11-14、食品加工前后成分变化15-16、中药产地溯源17-18、烟叶香型区分19-20等领
7、域得到了广泛应用。云南 KRK26 烟叶为引进津巴布韦烟叶21,其与加拿大烟叶同属优质烟叶,但二者香气风格存在差异。鉴于此,本文拟以加拿大烟叶和云南德宏KRK26 烟叶为研究对象,借鉴代谢组学研究方法,采用二维气质联用技术和多元统计分析方法,通过二者香气成分的差异性分析,探讨其风格特征的不同成因,以期为烟叶原料的开发、应用提供数据支撑与参考。1 材料和方法1.1 材料与仪器主要材料:加拿大烟叶 C3F MK、津引云南德宏KRK26 烟叶 C3F,浙江中烟工业有限责任公司。主要仪器:8860-5977B 型气相色谱-质谱联用仪,美国安捷伦公司;SSM 1810 型固态热调制器,雪景电子科技(上海
8、)有限公司。主要试剂:二氯甲烷(色谱纯),天津市凯通公司;正己烷(色谱纯),山东禹王公司;异丙醚(色谱纯),东京化成株式会社;异丙醇(色谱纯),德国默克公司;无水硫酸钠、无水乙醇(均为分析纯),国药集团化学试剂有限公司;2,6-二氯甲苯、硝基苯、反式-2-己烯酸(纯度均大于 99%),百灵威科技有限公司。1.2 实验方法1.2.1 内标标准溶液配制 准确称取 2,6-二氯甲苯、硝基苯和反式-2-己烯酸,分别用二氯甲烷定容,配 制 成 质 量 浓 度 分 别 为 0.556 7 mg/mL、0.548 7 mg/mL 和 0.827 3 mg/mL 的中性、碱性和酸性内标标准溶液。1.2.2烟叶
9、挥发性成分提取挥发性成分的提取方法参照文献22,并略有改进。不同批次的加拿大烟叶和云南 KRK26 烟叶各抽取 5 份,粉碎后过40 目筛,共 10 份样品。称取 30.0 g 烟末于 1000 mL 圆底烧瓶中,加入400 mL 去离子水,另一侧烧瓶加入 100 mL 二氯甲烷,同时蒸馏萃取 2.5 h 后,萃取液先用质量分数为 5%盐酸水溶液(30 mL3)洗涤,然后用质量分数为 5%氢氧化钠水溶液(30 mL3)洗涤,得到中性萃取液;盐酸水溶液合并后,加氢氧化钠溶液调节 pH 值至 12,用二氯甲烷(30 mL3)萃取,合并有机相得到碱性萃取液;氢氧化钠水溶液合并后,加盐酸溶液调节 pH
10、 值至 2,用二氯甲烷(30 mL3)萃取,合并有机相得到酸性萃取液。在中性、酸性、碱性 萃取液中加入适量的无水Na2SO4,冷藏过夜后过滤,常压浓缩至 1 mL,进行GC-MS 分析,每个样品重复 3 次,定量结果取平均值。1.2.3 分析条件1)色谱条件。中性和碱性组分:进样量为 1 L,进样口温度为 280,分流比为10 1;第一维色谱柱为 DB-5 MS(30 m0.25 mm0.25 m),第二维色谱柱为 DB-17 MS(1.2 m0.18 mm0.18 m),载气为氦气,流量为 1.2 mL/min;程序升温起始温度为 100,保持 2 min,以4 /min 的速率升温到 27
11、0,保持 5 min。酸性组分:进样量为 1 L,进 样 口 温 度 为280,分流比为 10 1;第一维色谱柱为 DB-WAX(30 m0.25 mm0.25 m),第二维色谱柱为 DB-17 MS(1.2 m0.18 mm0.18 m),载气为氦气,流量为1.2 mL/min;程序升温起始温度为40,保持2 min,以 6 /min 升温到 250,保持 5 min。调制柱为 HV 调制柱(1.2 m0.25 mm),调制周期为 5 s,解析时间为 1 s;N2补偿气为 0.15 MPa,同步 GC 升温程序,调制器进口温度比柱箱高30,调制器出口温度比柱箱高 120,冷阱保持-50。2)
12、质谱条件。电子轰击源(EI),电离能为70 eV;离子源温度为 230,MS 传输线温度为280,四极杆温度为 150;EM 电压为 862 V;采集质量范围为41350 amu,采集速度为23 Hz,溶剂延迟时间分别为中性和碱性组分时 2.5 min,酸性时57 2023 年 10 月 第 38 卷 第 5 期5 min。3)谱图处理。采用全二维数据处理工作站软件 Canvas 载入数据,自动绘制全二维 TIC 轮廓图,并对图中信噪比大于 10 的峰自动识别,标识出的每一个峰点即代表 1 种化合物,每个化合物由 1 对保留时间确定,X 轴方向为第 1 维保留时间/min,Y 轴方向为第 2
13、维保留时间/s,通过正构烷烃进行保留指数计算。在 Canvas 软件上,通过对每种化合物的质谱图进行 NIST20 标准质谱数据库比对检索、结合保留指数(Retention Index,RI)等信息,对化合物进行定性分析,同时根据峰面积,利用内标校正得到各香气成分的相对含量。1.2.4 数据处理 采用 Excel、SPSS19 及多元统计软件 SIMCA14.1 进行数据处理。1.2.5 差异成分筛选 采用多元统计分析方法,对两组样本首先进行 PCA,以便初步了解各组样本间的总体成分差异和组内样本间的变异度大小。根据OPLS-DA 预测模型稳定可靠性,利用多维统计变量重要性投影(Variabl
14、e Importancein Project,VIP)值、独立样本 T 检验 P 值及差异倍数(FC 值)筛选差异成分。2 结果与讨论2.1 两种烟叶挥发性成分分析运用二维气质联用技术分别对加拿大烟叶和云南 KRK26 烟叶中的中性、碱性和酸性成分进行分离鉴定,种类及含量见表 1,其中中性成分按照来源分为类胡萝卜素降解产物、西柏烷类降解产物、棕色化反应产物、苯丙氨酸类降解产物等,碱性成分主要为生物碱,酸性成分主要分为挥发性有机酸、半挥发性有机酸和酚类。由表 1 可知,加拿大烟叶和云南KRK26 烟叶共鉴定出 117 种香气成分,加拿大烟叶有 114 种,云南 KRK26 烟叶有 113 种,其
15、中 110 种为两者共有。中性香气成分有 63 种,其中类胡萝卜素降解产物均为 21 种,但含量差异较大,加拿大烟叶含量较高的分别是巨豆三烯酮、金合欢基丙酮、(E)-大马酮、二氢猕猴桃内酯、二氢大马酮、香叶基丙酮、5,6-环氧-紫罗兰酮和 3-氧代-紫罗兰醇,云南 KRK26 烟叶含量较高的分别是巨豆三烯酮、金合欢基丙酮、(E)-大马酮、香叶基丙酮、二氢猕猴桃内酯、二氢大马酮、5,6-环氧-紫罗兰酮、脱氢二氢-紫罗兰酮和 3-氧代-紫罗兰醇;茄酮作为典型的西柏烷类降解产物,在加拿大烟叶、云南 KRK26 烟叶中的含量分别为 11.54 g/g、16.57 g/g;此外,二者的棕色化反应产物均为
16、 11种;苯丙氨酸类降解产物均为 4 种;余下主要为含倍半萜结构的醇、醛、酮、萜烯等,共 26 种。两种烟叶碱性香气成分共 18 种,主要为吡啶和喹啉类化合物,其中加拿大烟叶 16 种,云南 KRK26 烟叶 18 种。酸性香气成分共 36 种,包括挥发性有机酸、半挥发性有机酸和酚类,其中加拿大烟叶 35 种,云南KRK26 烟叶 34 种。2.2 两种烟叶香气差异成分分析两种烟叶样本的 PCA 得分图如图 1 所示,其中每个点代表 1 个独立样品,C 代表加拿大烟叶样本,Y 代表云南 KRK26 烟叶样本。由图 1 可知,2 个主成分的累计贡献率达到 90.1%,2 组样品之间的分离趋势明显
17、,表明加拿大烟叶和云南 KRK26 烟叶之间存在明显差异。进一步采用具有监督的模式识别方法 OPLS-DA 对数据进行处理,提取相关性较小变量的主要信息,除去不相关的差异以筛选差异变量,模型的可解释变量 R2(R2X=0.752、R2Y=1.000)及可预测度 Q2(Q2=0.991)均较高,表明该模型的稳定性和预测性较好,可较好反映两种烟叶样品之间的香气差异成分。为验证模型是否存在过拟合现象,对模型进行了 200 次响应排序,结果如图 2 所示。由图 2 可知,R2和 Q2的截距分别为 0.641 和-0.498,说明模型有效,不存在过拟合现象。基于 OPLS-DA 结果,根据获得的多变量分
18、析OPLS-DA 模型的 VIP 值,以其表示对应香气成分的组间差异在模型各组样本分类判别中的影响强度,一般认为 VIP1 的物质为差异显著,可初步筛选出两种烟叶间的差异成分。对云南 KRK26 烟叶和加拿大烟叶进行筛选,共得到的差异成分 9 类 65 种(P1 的类胡萝卜素降解产物,在云南KRK26 烟叶中的含量均显著高于加拿大烟叶,包括巨豆三烯酮、大马酮、二氢大马酮等,尽管差异倍数不大,但由于其含量较高,香气阈值较低,可认为是两种烟叶的关键差异成分。中性香气成分中,新植二烯、螺岩兰草酮和-香附酮含量较高,且在加拿大烟叶中均高于或远高于云南 KRK26 烟叶。此外,有机酸是两种烟叶中化合物数
19、量较多、含量较高且差异较大的一类物质。根据结构差异,烟叶中的脂肪酸又可分为挥发性有机酸和半挥发性有机酸,云南 KRK26 烟叶挥发性有机酸含量高于加拿大烟叶,而加拿大烟叶半挥发有机酸含量明显高于云南KRK26 烟叶,其可能与烟叶香气风格的形成密切相关。87 帖金鑫,等:加拿大烟叶与云南 KRK26 烟叶香气成分差异分析表 2 两种烟叶中差异成分分析结果Table 2 Analysis of differential components between two types of tobacco leaves类别差异成分VIP类型FC 值类别差异成分VIP类型FC 值类胡萝卜素降解产物西柏烷类降
20、解产物棕色化反应产物苯丙氨酸类降解产物其他中性香气成分香叶基丙酮1.205 3-0.35金合欢基丙酮1.197 6-0.42法尼基丙酮1.192 7-0.54巨豆三烯酮 d1.191 6-0.62巨豆三烯酮 a1.187 7-0.56(E)-大马酮1.184 3-0.665,6-环氧-紫罗兰酮 1.179 5-0.52-环柠檬醛1.170 4-0.64二氢大马酮1.170 4-0.564-氧代异佛尔酮1.168 7-0.24二氢-脱氢紫罗兰酮 1.167 7-0.40巨豆三烯酮 c1.165 9-0.65藏红花醛1.137 9-0.53巨豆三烯酮 b1.151 9-0.64(Z)-大马酮1.1
21、54 6-0.53二氢-紫罗兰酮1.108 6-0.22茄酮1.150 6-0.70糠醛1.133 7-0.79苯乙醛1.202 1-0.59苯乙醇1.204 7-0.40-香附酮1.205 6+5.32螺岩兰草酮1.205 3+3.09-石竹烯1.198 7-0.56香叶醇1.196 0+18.001-戊烯-3-酮1.195 7-0.13-辛内酯1.189 0-0.33壬醛1.187 7-0.61氧化石竹烯1.182 9+3.72乙酸乙酯1.178 3+5.002,2,6-三甲基-1,4-环己二酮1.173 3-0.586-甲基-2-庚酮1.1672-0.396-甲基-5-乙基-3-庚烯-2
22、-酮1.159 3-0.25其他中性香气成分生物碱挥发性有机酸半挥发性有机酸酚类异戊烯醛1.152 2-0.26(E,E)-2,4-庚二烯醛 1.147 1-0.64癸醛1.142 1-0.60新植二烯1.114 2+1.20香叶基香叶醇1.102 1+2.074-苯基吡啶1.197 8-0.10吲哚1.198 9-0.433,4-二氢-1(2H)-喹啉甲醛1.176 3-0.104-喹啉甲醛1.113 7-0.634-丙酰基吡啶1.084 3-0.332,3,5,6-四甲基吡嗪1.075 6-0.50异戊酸1.205 1-0.29丁酸1.197 4-0.01异丁酸1.191 2+9.00戊酸
23、1.182 9-0.82己酸1.177 7-0.623-甲基戊酸1.158 2-0.46庚酸1.117 0-0.51癸酸1.108 3+1.44-亚麻酸1.204 4+1.77壬酸1.204 3+100月桂酸1.195 4+3.95十五烷酸1.193 9+1.58肉豆蔻酸1.191 8+2.17棕榈油酸1.189 1+2.80油酸1.175 3+3.32棕榈酸1.169 6+1.37硬脂酸1.129 3+1.13十七烷酸1.113 1+1.214-乙烯基愈创木酚1.203 4+3.18苯酚1.201 9-0.082-甲氧基-5-甲基苯酚 1.200 6+100对甲酚1.163 7+1.81 为
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