烟用香精香料品质鉴定技术研究进展

烟用香精香料品质鉴定技术研究进展

蒋名鹏2011313546

（云南农业大学，云南昆明650000）

摘要：烟用香精香料是卷烟生产中必不可少的物质,其配方更是卷烟行业的核心技术,对改善卷烟的口感、突出烟草风格具有重要的作用。随着低焦油卷烟的不断发展，为弥补因降焦而引起的香味不足，加香加料技术显得尤为重要，因此香精香料的质量稳定性倍受香精香料生产企业和卷烟企业的关注。单纯地通过酸度、折光指数、溶混度、挥发物总量等常规指标及调香师的经验难以准确了解香精香料质量的变化[1-4]。因此,建立一种科学合理、而非人为主观判定的质量评价方法就显得非常重要。本文主要通过介绍电子鼻技术、指纹图谱分析技术来阐述烟用香精香料品质鉴定技术的研究进展。

关键词：香精香料品质鉴定电子鼻指纹图谱

1 引言

烟用香精香料是卷烟产品的“灵魂”,是卷烟制品形成风格特色的奥秘所在,是卷烟行业的秘密武器。烟用香精香料多取材于天然香精香料,受原料产地,生产工艺等诸多因素影响,

其质量具有一定的波动性,目前烟草行业对香精香料的质量控制和识别主要依据品香师的经验和简单的理化指标分析,由于品香师的感官检验(香气、香味和外观检验)存在人为的不确定因素和理化指标(相对密度、折射率、醇值、醋值等)的允许范围相对较大,致使检验结果的重复性和可比性较差。另外，用嗅觉鉴别是一种吸入的过程，人工鉴别的时间不能太长，否则嗅觉敏感度易减退，长期工作在不良气味环境下对人体健康有很大影响。电子鼻可以检测各种不同种类的试样，不需要复杂的前处理过程，并且能避免人为误差，重复性好，还能检测评价一些人鼻不能够评价的气体[5]。

有研究表明[6]烟用香精香料的主体香是其内含的多种化学成分的一种综合性的表现,香精香料的化学成分复杂,对其一种或几种化学成分进行定性定量的分析,难以对香精香料的质量进行有效地控制,而指纹图谱恰好是一种从整体上表征香精香料特性的一种方式[7]，因此,指纹图谱技术就是一种有效的香精香料质量控制手段。

2 指纹图谱质量控制系统构建

指纹图谱技术的总体思路是:先对其色谱指纹图谱数据进行一系列的预处理(包括:数据平滑、基线校正、保留时间漂移校正等），然后计算它们之间的相似度,或者采用PCA-MD、PLS-DA，SIMCA和SVM等多元统计模式识别的方法对其质量进行评价。另外,采用多元分辨方法(直观推导式演进特征投影法（HELP）和子窗口因子分析法（SWFA）等）还可以进一步地挖掘影响其质量的内在本质因素。

2.1系统构架

本系统体系架构包括:系统公共访问层、香精香料质量控制应用层、可视化操作层、网络层、数据层、系统支撑层。系统公共访问层根据不同的访问策略、不同的用户权限定制不同的用户界面和提供个性化的用户界面。香精香料质t控制应用层由一系列的质量控制应用服务组成,它们分布在各个服务器和终端用户上,是终端用户与系统中心交互的接口,该层主要包括:用户管理、用户个性化服务、指纹图谱管理、指纹图谱数据导人导出、模式识别建模服务、模式识别预测服务、多元分辨服务、差异性分析服务、图文报表服务、标准质谱库检索服务等,所有的应用由用户按其特定的权限进行定制和组合。可视化操作层为应用层提供原子接口和服务,如:海量数据的可视化、视图缩放、视图平移、选择指纹图谱、选择谱峰、选择背景区域、选择选择性区域、选择零浓度区域等,为用户操作提供极大的方便。系统支

撑层包括C++矩阵运算库和化学计量学算法库构成,这些提供了系统实施过程中的最底层基础。数据层是基于XML语义的数据库,它为存储和检索指纹图谱原始数据、相关属性、模型信息等提供了保障,并且它还具有语义的自描述性,非常有利于系统的扩展,比如可以在不对数据库结构做任何修改的情况下保存不同类型的模型。网络层采用客户/服务器形式,使得整个企业内部数据可以高度共享,同时通过对用户加以权限控制,也为数据的的安全性提供了保障。

2.2系统实现

通过分析系统的体系架构和功能要求,根据软件工程思想,把整个系统划分为以下几个主要功能子系统:

1.数据库管理子系统;

2.指纹图谱统计模式识别建模子系统;

3.指纹图谱统计模式识别预测子系统;

4.多元分辨子系统;

5.差异性分析子系统。

此数据库管理子系统又可分为以下几个模块:

(l)实验室仪器管理

(2)实验室人员管理

(3)实验室数据管理

(4)数据库用户管理

(5)模型和报表模板管理

(6)数据库备份和恢复

指纹图谱统计模式识别建模子系统主要流程是:从原始的GC一MS实验数据中提取总色谱指纹图谱数据或者总质谱指纹图谱数据进行一系列的数据预处理,最后进行指纹图谱相似度计算或者建模。指纹图谱统计模式识别建模采用了如下四种建模方法:

(l)主成分分析—马氏距离法(PCA一MD)[8，9]

(2)偏最小二乘判别分析法(PLS一DA)

(3)基于主成分的SIMCA法[10，11]

(4)支持向量机分类法(SVM)[12]

差异性分析子系统主要是用来详细比较新样本GC一MS二维数据和标准样本GC一MS二维数据之间的差异,考察新样本质量是否合格,如不合格就找出两者有何差异,比如缺少或增加某种或某几种成分,或者某些成分在含量上有较大变化等等。

此子系统需要导人新样本GC一MS二维数据和标准样本GC一MS二维数据,另外如果已经用多元分辨子系统分辨了重叠峰区域,得到了各组分的色谱和质谱数据,此时也可以把这些分辨的结果一同导人,这样会增强差异性分析能力。最后系统会给出两个样本的各个组分的详细对比结果表,并且还可以对每种成分进行标准质谱库检索,从而达到定性分析的目的。

本系统采用客户/服务器(C/S)的设计模式,使得整个实验室的数据可以高度共享,系统又对每个用户加以权限控制,因此也保证了各种数据的安全性。可以方便地对实验室的数据进行管理,通过对指纹图谱数据的预处理、相似性评价、建模和预测、差异性分析等是可以实现对烟用香精香料的质量进行评价。[13]

3 电子鼻技术的应用

利用电子鼻对香气香味很接近并且类型未知的烟用香精香料进行检测，对获得的数据进行主成分分析（PCA）和统计质量控制分析（SQC），结果表明：电子鼻能够对人工难以识别的烟用香精香料进行快速、准确的识别，并且以图形的形式得到直观、易懂的分析结果，