葉絲在增溫增濕與滾筒烘絲工序中香味組分變化分析

陳翠玲，賴燕華，王 滔，歐陽璐斯，劉 殷，林寶敏

(廣東中煙工業(yè)有限責(zé)任公司 技術(shù)中心，廣東 廣州 510385)

葉絲增溫增濕是其制造工藝中重要的工序之一，其主要目的是通過提高葉絲的溫度和含水率，提高葉絲的填充值及耐加工性，并改善和提高葉絲的感官質(zhì)量[1-2]。葉絲干燥是卷煙制絲生產(chǎn)的關(guān)鍵工序，其工藝目的是降低葉絲含水率，滿足后續(xù)加工需求，此外還可提高填充能力，改善和提高葉絲感官質(zhì)量。葉絲增溫增濕工序和葉絲干燥這兩個(gè)過程在生產(chǎn)制絲上通常為SIROX增溫增濕工序和滾筒烘絲工序，兩工序均對葉絲進(jìn)行加熱，給予一定溫度。已有研究顯示增溫增濕設(shè)備和烘絲機(jī)對烘后葉絲感官質(zhì)量、物理結(jié)構(gòu)及內(nèi)在化學(xué)成分具有顯著影響[3-4]。目前，文獻(xiàn)方法通常選取單一的煙葉原料進(jìn)行試驗(yàn)，或采用同時(shí)蒸餾萃取的前處理方法對樣品進(jìn)行處理[5-9]。但單一原料試驗(yàn)有別于常規(guī)產(chǎn)品的投料，不能反映多種煙葉混合和加料對煙葉香味的影響，且同時(shí)蒸餾萃取的前處理方法給予了樣品一定時(shí)間和溫度進(jìn)行加熱，促使了二次反應(yīng)的發(fā)生，一定程度上也不能真實(shí)反映葉絲香味成分的含量[10]。煙草香味是衡量和評價(jià)煙草質(zhì)量的重要指標(biāo)[11]，是多種具有特定香氣特征的成分共同作用的結(jié)果。為此，本研究選擇車間在線制絲的葉絲取樣，采用溶劑超聲萃取法提取化學(xué)成分，可更真實(shí)反映香味物質(zhì)含量，通過對比SIROX增溫增濕前、SIROX增溫增濕后(滾筒烘絲前)、烘絲后的葉絲在兩個(gè)工序之間香味組分變化情況，分析了兩個(gè)工序間香味組分的變化趨勢。為新產(chǎn)品開發(fā)、老產(chǎn)品維護(hù)以及了解制絲線兩個(gè)關(guān)鍵的工藝過程中香味的變化情況提供數(shù)據(jù)參考。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料、試劑與儀器

某卷煙牌號葉組配方(廣東中煙工業(yè)有限責(zé)任公司廣州卷煙廠提供)；乙醇(色譜純，德國CMW公司)、正十七碳烷(C17,純度大于99.9%，美國Sigma公司)。

SIROX增溫增濕設(shè)備、9 600 kg葉絲滾筒干燥機(jī)(德國Hauni公司)；7890B-5977A氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀(美國Agilent公司)，配DB-WAXetr色譜柱(60 m×0.25 mm×0.25 μm)；CP225D型天平(感量0.01 mg，德國Sartorius公司)；CT293旋風(fēng)式樣品磨(瑞典FOSS中國有限公司)；烘箱(德國Memmert公司)；超聲波清洗器(美國Bransong公司)。

1.2 制樣方法

1.2.1 工序控制條件SIROX增溫增濕工序工藝控制條件：入口物料流量7 500 kg/h；蒸汽流量380～430 kg/h；出口溫度(79±2) ℃。

葉絲滾筒烘絲工序工藝控制條件：入口物料流量7 500 kg/h；桶內(nèi)熱風(fēng)風(fēng)速(0.17±0.01) m/s；筒壁溫度 125～145 ℃；熱風(fēng)溫度(100±3) ℃；出口煙葉含水率12.5%～13.5%；排潮風(fēng)門開度60%～80%；出口煙葉含水率12.5%～13.5%；出口溫度(60 ±5) ℃。

1.2.2 取樣方法制絲生產(chǎn)線的增溫增濕工序與滾筒烘絲工序?qū)儆诖?lián)關(guān)系(圖1)，實(shí)驗(yàn)選擇葉絲增溫增濕設(shè)備入口處(Y1)、葉絲增溫增濕設(shè)備出口處/滾筒烘絲入口處(Y2)和葉絲滾筒干燥機(jī)出口處(Y3)3個(gè)取樣點(diǎn)。3個(gè)取樣點(diǎn)分別按相同的時(shí)間間隔90 s各取樣150 g，分別取樣30次，將樣品均勻混合后形成4 500 g的樣品，并從該樣品的不同位置上取出葉絲作為待分析樣本。取樣批次為3次，得9個(gè)樣品，分別為Y1a、Y1b、Y1c、Y2a、Y2b、Y2c、Y3a、Y3b、Y3c。

圖1 取樣點(diǎn)示意圖Fig.1 Schematic diagram of sampling mode

1.3 分析方法

1.3.1 樣品制備按照煙草行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)YC/T31-1996制備分析用樣品，粉碎，煙末低溫(-25 ℃)保存，并測定樣品水分[12]。以正十七碳烷作為內(nèi)標(biāo)物，配制內(nèi)標(biāo)物質(zhì)量濃度為46.0 μg/mL乙醇溶液，用作樣品萃取溶液。

1.3.2 香味組分提取稱取樣品2 g(精確至0.1 mg)，每個(gè)樣品平行測定5次，加入萃取溶液15 mL，超聲萃取10 min，靜置過夜，超聲萃取10 min，靜置10 min，過0.45 μm有機(jī)濾膜，待GC-MS測定。

1.3.3 氣相色譜-質(zhì)譜條件進(jìn)樣口溫度：220 ℃；載氣：He，1.5 mL/min；分流比：10∶1；色譜柱：DB-WaXetr聚乙二醇毛細(xì)管柱(60 m×0.25 mm×0.25 μm)；升溫程序：初始溫度40 ℃，保持2 min，以5 ℃/min升至160 ℃，保持8 min，再以5 ℃/min升至230 ℃，保持40 min。傳輸線溫度：230 ℃；離子源溫度：230 ℃；四極桿溫度：150 ℃；掃描范圍：35～350 amu；溶劑延遲：20 min；掃描方式：全掃描。

1.4 定性及定量方法

按照“1.3.2”和“1.3.3”方法對樣品進(jìn)行萃取并測定，采用NIST譜庫匹配、ADMIS匹配和Mass hunter quality 譜庫匹配，參考《煙草與煙氣化學(xué)成分》、《煙草香原料》、《煙草化學(xué)》、《煙草香味學(xué)》等文獻(xiàn)工具書定性[13-16]。為便于比較分析，采用加入萃取溶液中的內(nèi)標(biāo)物正十七碳烷(C17)作為相對標(biāo)準(zhǔn)品，計(jì)算樣品中單個(gè)組分的相對含量。

2 結(jié)果與討論

2.1 葉絲香味成分的確定

實(shí)驗(yàn)考察了內(nèi)標(biāo)物、萃取劑、萃取方式、萃取時(shí)間等因素對萃取效率的影響，最終確定以乙醇為萃取劑，正十七碳烷為內(nèi)標(biāo)物，樣品先超聲萃取10 min，過夜后再超聲萃取10 min為最佳實(shí)驗(yàn)條件，獲得了3個(gè)取樣點(diǎn)9個(gè)樣本萃取組分的色譜信息，并利用NIST譜庫，結(jié)合ADMIS和Mass hunter quality譜庫檢索，對色譜峰歸屬進(jìn)行了定性分析，選擇保留匹配度大于80%的組分，最終確認(rèn)30種香味組分，并根據(jù)文獻(xiàn)將此30種成分的感官特點(diǎn)列于表1[13-17]。結(jié)果顯示，檢出的30種成分主要包括有機(jī)酸、脂類、酚類、萜烯類、雜環(huán)類、醇類、酯類、醛酮類8大類成分(Y1樣本的總離子流圖見圖2)，此30種成分多為揮發(fā)性較強(qiáng)的物質(zhì)，具有或甜香、或奶油香、或辛辣味、或酸味等感官貢獻(xiàn)，是卷煙豐富香氣和味道的重要體現(xiàn)，因此選其作為代表性物質(zhì)，研究其在關(guān)鍵工序中的變化規(guī)律，為加深對整個(gè)制絲加工過程化學(xué)成分變化規(guī)律的掌握提供方向。

表1 葉絲樣品萃取的香味組分分析結(jié)果Table 1 Qualitative analysis results of aroma components extracted from cut tobacco samples

(續(xù)表1)

圖2 葉絲樣品的總離子流圖
Fig.2 TIC chromatogram of tobacco sample the number 1-30 were the same as those in Table 1

為考察葉絲經(jīng)SIROX增溫增濕工序和滾筒烘絲工序加工后香味成分的變化情況，實(shí)驗(yàn)采用正十七碳烷(C17)為內(nèi)標(biāo)物，對30種香味成分進(jìn)行了半定量分析?？紤]到檢測結(jié)果的穩(wěn)定性對于加工工序前后葉絲化學(xué)成分差異性分析至關(guān)重要，若檢測結(jié)果波動(dòng)較大，則難以判斷葉絲香味成分的變化是由工序引起還是檢測方法誤差所致。為此，實(shí)驗(yàn)首先進(jìn)行了方法重復(fù)性考察。取同一煙末樣品，平行稱取5份試樣測試，計(jì)算測試結(jié)果的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)。結(jié)果顯示，30種香味成分半定量結(jié)果的RSD為0.70%～8.7%(表1)，表明方法的重復(fù)性良好，可滿足實(shí)驗(yàn)要求。

2.2 方差分析

為分析工序內(nèi)和工序間的香味組分相對含量變化情況，所取葉絲樣品香味組分相對含量和工序內(nèi)工序間變化率見表2，其中Y1&Y2表示SIROX工序內(nèi)香味組分相對含量前后變化，Y2&Y3表示滾筒烘絲工序內(nèi)香味組分相對含量前后變化，Y1&Y3表示經(jīng)過SIROX和滾筒烘絲工序后香味組分相對含量前后變化。由于方差分析既能考慮工序間的差異，也能考慮批次內(nèi)測量誤差或個(gè)體誤差的差異，適用于本研究的變化統(tǒng)計(jì)分析，因此采用方差分析統(tǒng)計(jì)工序前后整體差異程度和單組分在加工工序前后的差異情況，以P<0.01表示極度顯著差異(以**標(biāo)記)，P<0.05為顯著差異(以*標(biāo)記)。

對30種香味組分在工序內(nèi)和工序間的變化分別進(jìn)行了多因素和單因素方差分析。多因素方差分析結(jié)果顯示：① SIROX工序前后(Y1&Y2)葉絲香味成分間呈顯著性差異(P<0.05)，表明葉絲香味成分經(jīng)SIROX工序加工后總體變化明顯；② 滾筒烘絲工序前后(Y2&Y3)葉絲香味成分間未發(fā)生顯著性差異(P=0.49)，表明葉絲香味成分經(jīng)過烘絲工序后總體上未發(fā)生明顯變化；③ 從SIROX前到滾筒烘絲后(Y1&Y3)，葉絲香味成分間呈極顯著性差異(P=0.038)，表明葉絲經(jīng)過SIROX、滾筒烘絲兩工序加工后，其香味成分總體上發(fā)生了顯著變化。

表2 香味組分的含量和工序間的變化率Table 2 Content of aroma components and the changes between process

-:indicates decrease between two process;*indicates significant difference among treatments at 0.05 level;** indicates highly significant difference among treatments at 0.01 level

工序間的總體差異來源于各香味組分的貢獻(xiàn)，將Y1、Y2和Y3 3個(gè)關(guān)鍵工序點(diǎn)葉絲的香味成分含量展現(xiàn)于表2，對30個(gè)香味組分進(jìn)行單因素方差分析，并將香味成分在兩組樣品間的差異顯著性水平記為P，若P<0.05，則標(biāo)記為“*”；若P<0.01，則標(biāo)記為“**”。由表2可見，在SIROX工序前后(Y1&Y2)，30種組分中有24種發(fā)生了顯著變化：① 含量發(fā)生極顯著差異(P<0.01)的有乙酸、糠醇、苯甲醇、丙二醇、2,3-丁二醇、亞麻酸甲酯、十六酸甲酯、2,4-二羥基-2,5-二甲基-3(2H)-呋喃-3-酮、1-羥基-2-丙酮、糠醛、5-羥甲基糠醛、茄酮、1,2-環(huán)戊二酮、5-甲基糠醛、2-吡咯烷酮、9-羥基-4,7-巨豆二烯-3-酮、1,3-二羥基丙酮17種，其中糠醇、2,4-二羥基-2,5-二甲基-3(2H)-呋喃-3-酮、1,2-環(huán)戊二酮、1,3-二羥基丙酮4種為增加趨勢，其余13種為降低趨勢。② 含量發(fā)生顯著差異(P<0.05，表中以*標(biāo)記)的為甲酸、麥芽酚、甘油、新植二烯、丁內(nèi)酯、亞油酸甲酯、2,3-二氫-3,5-二羥基-6-甲基-4H-吡喃-4-酮7種，其中麥芽酚和甘油為增加趨勢，其余5種為降低趨勢。③ 剩下的6種組分在該工序無顯著性變化(P>0.05)。

在滾筒烘絲工序前后(Y2&Y3)，30種組分中有20種發(fā)生了顯著變化：① 含量發(fā)生極顯著差異(P<0.01)的有乙酸、麥芽酚、5-甲基-2-羥基吡啶、糠醇、丙二醇、2,3-丁二醇、2,4-二羥基-2,5-二甲基-3(2H)-呋喃-3-酮、1-羥基-2-丙酮、1,2-環(huán)戊二酮9種。其中增加趨勢的為糠醇和2,4-二羥基-2,5-二甲基-3(2H)-呋喃-3-酮，其余為降低趨勢。② 含量發(fā)生顯著差異(P<0.05)的有亞油酸、甘油、2,3-聯(lián)吡啶、苯甲醇、丁內(nèi)酯、糠醛、5-羥甲基糠醛、5-甲基糠醛、2,3-二氫-3,5-二羥基-6-甲基-4H-吡喃-4-酮、巨豆三烯酮4、9-羥基-4,7-巨豆二烯-3-酮11種。其中糠醛、5-羥甲基糠醛、5-甲基糠醛、2,3-二氫-3,5-二羥基-6-甲基-4H-吡喃-4-酮為增加趨勢，其余為降低趨勢。③ 剩下的10種組分在該工序無顯著性變化(P>0.05)。

從Y1至Y3，葉絲經(jīng)SIROX和滾筒烘絲兩工序加工后，其香味成分最終呈現(xiàn)出以下變化：①含量發(fā)生極度顯著差異(P<0.01)的有20種，分別為：乙酸、甲酸、麥芽酚、新植二烯、5-甲基-2-羥基吡啶、2,3-聯(lián)吡啶、糠醇、苯甲醇、丙二醇、2,3-丁二醇、丁內(nèi)酯、亞麻酸甲酯、十六酸甲酯、2,4-二羥基-2,5-二甲基-3(2H)-呋喃-3-酮、1-羥基-2-丙酮、糠醛、1,2-環(huán)戊二酮、2-吡咯烷酮、9-羥基-4,7-巨豆二烯-3-酮、1,3-二羥基丙酮，其中，糠醇、2,4-二羥基-2,5-二甲基-3(2H)-呋喃-3-酮、1,2-環(huán)戊二酮和1,3-二羥基丙酮4種為增加趨勢，其余16種為降低趨勢。② 含量發(fā)生顯著差異(P<0.05)的有7種，分別為：棕櫚酸、亞油酸、亞油酸甲酯、5-羥甲基糠醛、茄酮、5-甲基糠醛、巨豆三烯酮4，全部表現(xiàn)為降低趨勢。③ 僅有剩下的3種組分在該工序無顯著性變化(P>0.05)。

2.3 主成分分析

基于30種香味組分，對Y1、Y2、Y3取樣點(diǎn)葉絲香味組分含量進(jìn)行主成分分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)前兩個(gè)主成分的累計(jì)方差貢獻(xiàn)率為85%。3個(gè)工序點(diǎn)葉絲在第一和第二主成分上的得分分布及各組分在第一主成分和第二主成分的載荷如圖3所示。從圖中可以看出，在主成分空間中，3個(gè)取樣點(diǎn)的葉絲均能很好地相互區(qū)分，表明香味成分能把3個(gè)取樣點(diǎn)的葉絲區(qū)分開，即3個(gè)工序取樣點(diǎn)葉絲香味成分存在顯著區(qū)別。從香味成分的載荷可見，Y3工序點(diǎn)煙絲的1,3-二羥基丙酮、2,4-二羥基-2,5-二甲基-3(2H)-呋喃-3-酮、糠醇、1,2-環(huán)戊二酮含量最高，其余香味成分在Y1工序點(diǎn)煙絲中含量最高，Y2煙絲香味成分含量總體上介于Y1與Y3之間。

圖3 不同工序點(diǎn)葉絲香味組分的主成分分析圖Fig.3 Principle component analysis bi-plot of cut tobacco samples from different key-process points based on the aroma compounds

2.4 討 論

葉絲經(jīng)SIROX工序和烘絲工序加工后，香味組分含量變化趨勢主要有5種：① 連續(xù)降低趨勢。SIROX工序的高水分(蒸汽流量：380～430 kg/h)和高溫(出口溫度：(79±2) ℃)為極性香味組分提供了互溶的條件，高溫對低沸點(diǎn)的組分起到揮發(fā)的作用，使得部分香味組分降解或轉(zhuǎn)化為其它物質(zhì)；烘絲工序的高溫(筒壁溫度：125～145 ℃；熱風(fēng)溫度：(100±3) ℃)和排潮使揮發(fā)性組分隨排潮口排出而減少，如乙酸、甲酸、亞油酸顯著的減少有利于刺激性和辛辣感。萜烯類的新植二烯減少，表明其部分可能轉(zhuǎn)化為其它植物呋喃類組分，有利于豐富煙草的香氣種類。但氮雜環(huán)類、醇類、酯類、醛酮類的組分顯著減少不利于煙葉品質(zhì)，如2-甲基-5羥基吡啶和2，3-聯(lián)吡啶的減少削弱了煙草味；苯甲醇和2,3-丁二醇的減少，減少花香香味。丁內(nèi)酯、亞麻酸甲酯等4種酯類均為顯著下降，降低了煙葉香味的甜味和醇和度。酮類中的1-羥基-2-丙酮、2-吡咯烷酮、9-羥基-4,7-巨豆二烯-3-酮3種為減少趨勢，降低了香氣的豐滿度。② 連續(xù)增加趨勢。2個(gè)工序的高溫條件，有利于類胡蘿卜素的降解、美拉德反應(yīng)等的發(fā)生。如2,4-二羥基-2,5-二甲基-3(2H)-呋喃-3-酮和1,2-環(huán)戊二酮很可能為糖類與氨基酸的美拉德反應(yīng)產(chǎn)物，經(jīng)過Amadori或海恩氏重排，中間生成還原酮中間體，還原酮又環(huán)化和裂解成各類化合物[15]。糠醇提供谷香、油香、增加香味濃度，2,4-二羥基-2,5-二甲基-3(2H)-呋喃-3-酮和1,2-環(huán)戊二酮增加了烘焙焦糖香、果香、菠蘿甜味等。③ 先升后降。出現(xiàn)先升后降的原因是SIROX工序溫度為78 ℃左右，適合一些反應(yīng)的發(fā)生使得組分增加；而后烘絲工序增溫至140 ℃和排潮的風(fēng)門打開，會使得組分生成與分解同時(shí)進(jìn)行，排潮使一部分組分隨水蒸氣揮發(fā)而減少[18]。麥芽酚的減少，使香味損失一些甜香；甘油具有清淡香，并起到保潤作用；巨豆三烯酮4的減少則會削弱甘甜香味。④ 先降后升?？啡?-羥甲基糠醛、5-甲基糠醛、2,3-二氫-3,5-二羥基-6-甲基-4H-吡喃-4-酮和茄酮5種醛酮類香味為美拉德反應(yīng)產(chǎn)物和西柏烷類化合物的降解產(chǎn)物。2,3-二氫-3,5-二羥基-6-甲基-4H-吡喃-4-酮在先降后升中保持了前后含量基本一致，無顯著差異，保持香味平和的特征。而糠醛等4種組分，雖是先降后升，但升幅的量不如減少的量，降低了葉絲甜、花香等香氣特征。⑤ 基本穩(wěn)定。巨豆三烯酮2為煙草中3種巨豆三烯酮中最多的一種，高溫和高濕的條件有利于巨豆三烯酮類香味組分生成，但部分巨豆三烯酮伴隨蒸汽揮發(fā)，或轉(zhuǎn)化為其它組分，使得其含量基本保持穩(wěn)定，可為葉絲保持花香和木香特征。

3 結(jié) 論

本研究通過對生產(chǎn)線在制葉絲線的葉絲進(jìn)行取樣，采用超聲萃取前處理樣品，GC-MS法分析樣品中的香味組分，研究了葉絲香味組分在SIROX增溫增濕工序和滾筒烘絲工序前后的含量變化情況和加工工序?qū)ζ溆绊懬闆r。結(jié)果表明，葉絲的香味組分含量在工序中和工序間表現(xiàn)出多變的情況。主要有：① 經(jīng)SIROX增溫增濕工序后，乙酸、苯甲醇等18種組分相對含量減少。糠醇、2,4-二羥基-2,5-二甲基-3(2H)-呋喃-3-酮等共6種組分相對含量增加。② 經(jīng)過滾筒烘絲工序后，乙酸、麥芽酚等14 種組分相對含量減少?？反?、2,4-二羥基-2,5-二甲基-3(2H)-呋喃-3-酮等6種組分相對含量增加。③ 葉絲經(jīng)過SIROX工序和滾筒烘絲2個(gè)工序后，糠醇、2,4-二羥基-2,5-二甲基-3(2H)-呋喃-3-酮、1,2-環(huán)戊二酮和1,3-二羥基丙酮4種組分相對含量增加，甘油、巨豆三烯酮2和2,3-二氫-3,5-二羥基-6-甲基-4H-吡喃-4-酮3種相對含量穩(wěn)定，其余23種相對含量減少。④ 葉絲在SIROX工序和烘絲工序加工過程中，香味組分相對含量主要有連續(xù)降低趨勢、連續(xù)增加趨勢、先升后降、先降后升和保持穩(wěn)定5種變化趨勢。葉絲經(jīng)過2個(gè)加工工序后，既減少了乙酸、甲酸等令感官體現(xiàn)為辛辣味、刺激感的組分，增加了糠醇、2,4-二羥基-2,5-二甲基-3(2H)-呋喃-3-酮、1,2-環(huán)戊二酮和1,3-二羥基丙酮帶來的谷香、油香、酒香、堅(jiān)果香等香味，但同時(shí)也損失了苯甲醇、亞麻酸甲酯、糠醛、5-甲基糠醛、茄酮等提供奶油香、果香、花香、木香等香味的物質(zhì)。⑤主成分分析結(jié)果顯示，兩個(gè)關(guān)鍵工序的3個(gè)取樣點(diǎn)葉絲能被區(qū)分開，表明3個(gè)取樣點(diǎn)葉絲香味成分含量和組成分布存在明顯區(qū)別。SIROX增溫增濕工序以部分香味物質(zhì)的含量減少為主；而滾筒烘絲工序的高溫使得美拉德反應(yīng)、萜烯類降解、類胡蘿卜素降解等反應(yīng)在其中，一部分香味物質(zhì)的含量因降解或揮發(fā)而減少，同時(shí)其它的一些物質(zhì)含量因生成而增加；不同的香味組分含量變化的程度和方向不同，使得葉絲在加工前后的組分組成和含量呈現(xiàn)差異。