煙葉烘烤過程中烤房內(nèi)揮發(fā)性成分的變化規(guī)律

黃 濤，雷 強，俞世康，何佶弦，張啟莉，謝良文，母明新，景延秋

（1. 河南農(nóng)業(yè)大學(xué) 煙草學(xué)院，河南 鄭州 450002；2. 中國煙草總公司 四川省公司，四川 成都 610041；3. 四川省煙草科學(xué)研究所，四川 成都 615000；4. 四川省煙草公司 廣元市公司，四川 廣元 628000）

烘烤是提高煙葉品質(zhì)的重要環(huán)節(jié)[1]，目前烘烤人員主要根據(jù)煙葉顏色和形態(tài)變化來評估煙葉烘烤進程，易受主觀及環(huán)境因素影響，導(dǎo)致烘烤關(guān)鍵點和煙葉品質(zhì)判斷波動較大。煙葉化學(xué)成分含量協(xié)調(diào)性低、香氣量不足、香氣質(zhì)較差是制約著我國高檔卷煙品質(zhì)提升的主要因素之一[2?4]。因此，優(yōu)化烘烤工藝，提高煙葉品質(zhì)，已成為煙葉生產(chǎn)中亟待解決的問題。

揮發(fā)性成分是煙葉的重要組分，是評價煙葉質(zhì)量的重要指標(biāo)之一[5]。相關(guān)學(xué)者對煙葉內(nèi)的揮發(fā)性成分開展了多項研究[6?9]，這些研究中的樣品制備操作煩瑣，需要反復(fù)取樣、濃縮和同時蒸餾萃取操作，耗費時間長，同時會造成揮發(fā)性成分損失。在烘烤過程中，煙葉中的化學(xué)成分會發(fā)生降解、轉(zhuǎn)化、合成及揮發(fā)等一系列復(fù)雜的生物化學(xué)變化[10]，同時化學(xué)成分會伴隨著水分揮發(fā)到烤房中[11]。這些成分是影響煙葉香氣質(zhì)、香氣量和香型的重要組分[12?16]。因此，研究烤房內(nèi)揮發(fā)性氣體的變化規(guī)律對指導(dǎo)煙葉烘烤進程和提高煙葉品質(zhì)具有重要意義。固相微萃取-氣相色譜/質(zhì)譜（SPME-GC/MS）聯(lián)用的方法已用于檢測煙葉、食品等揮發(fā)性成分[17?20]，但國內(nèi)外用此方法檢測烤房內(nèi)揮發(fā)性成分的研究還未見報道。為此，采用SPME-GC/MS 方法探索烤房內(nèi)揮發(fā)性成分，明確烘烤過程中烤房內(nèi)揮發(fā)性成分的種類、含量和變化規(guī)律，有利于解決主觀和環(huán)境因素對烤煙品質(zhì)的影響，為實現(xiàn)烤煙烘烤智能化控制提供數(shù)據(jù)支撐。

1 材料和方法

1.1 儀器和材料

儀器：氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用儀（GC-MS）（19091S-433，美國安捷倫科技公司）；水浴鍋（HH-S，瑞華儀器有限公司）；手柄（57330-U）、固相微萃取探頭（50/30 μm，DVB/CAR/PDMS）（上海耀特儀器設(shè)備有限公司）；KX-1S-25 kg 溫度自控式電加熱烤房（中瑞科技有限公司）；50 mm 口徑的10 L 液氮罐（北京海天友誠科技有限公司）。

材料：中煙100（中部葉），來源于河南禹州，選取部位一致、成熟度一致、株高數(shù)相近的煙株。

試驗在河南農(nóng)業(yè)大學(xué)試驗基地（海拔109.79 m、34°44′N，113°37′E）進行。

1.2 測定指標(biāo)及方法

1.2.1 烤房內(nèi)揮發(fā)性氣體的測定 將活化后帶有手柄的固相微萃取探頭放置于烤房內(nèi)，在烘烤過程關(guān)鍵轉(zhuǎn)火點將要結(jié)束時（即干球34 ℃末，濕球34 ℃末、干球38 ℃末，濕球36 ℃末、干球42 ℃末，濕球38 ℃末、干球47 ℃末，濕球38 ℃末、干球54 ℃末，濕球40 ℃末和干球68 ℃末，濕球40 ℃末）取樣，富集時間40 min，富集完成后立刻進行上機檢測。

1.2.2 煙葉中揮發(fā)性氣體的測定 在烘烤關(guān)鍵溫度點取樣3 片煙葉，放入液氮內(nèi)冷凍干燥后取出磨碎，取3 g 磨碎后的樣品裝入15 mL 棕色瓶，置60 ℃水浴鍋中，將固相微萃取探頭扎入棕色瓶內(nèi)，富集40 min，富集完成后立刻進行上機檢測。

1.2.3 相對香氣活性值（ROAV）的測定 由于積分面積歸一化法只能得到單一組分的相對含量（Cr），將絕對含量（C）替換成相對含量（Cr），引入新的參數(shù)ROAV，將各組分相對含量與查閱到的感覺閾值進行比較，得到ROAV[9]。

1.3 GC-MS檢測條件

HP-5MS（30 m×0.25 mm×0.25 μm）；載氣：He；進樣口溫度：270 ℃；進樣量1 μL，不分流進樣；柱溫：初始40 ℃，保持3 min，以5 °C/min 的升溫速率升至280 ℃，保持5 min；電離方式：EI；離子源溫度230 ℃；傳輸線溫度250 ℃；電子能量：70 ev；掃描范圍：40～350。

1.4 數(shù)據(jù)處理

根據(jù)NIST質(zhì)譜圖庫檢索結(jié)果，并結(jié)合保留指數(shù)參考文獻值對烤房內(nèi)和煙葉中的揮發(fā)性成分進行初步篩查鑒定，并運用峰面積歸一化法測得各揮發(fā)性成分的相對含量。通過Excel 2013 和SPSS 20.0軟件，對烤房內(nèi)揮發(fā)性成分進行統(tǒng)計分析和聚類分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 烤房內(nèi)的揮發(fā)性成分

由表1 可知，在烤房內(nèi)共檢測到76 種揮發(fā)性成分，其中烴類48 種、酯類13 種、醛類5 種、醇類7 種、酮類3種。這些揮發(fā)性成分來自煙葉內(nèi)色素和碳環(huán)二萜類化合物降解、糖-氨基酸之間的美拉德反應(yīng)及苯丙烷酸和木質(zhì)素代謝等。

表1 烤房內(nèi)的揮發(fā)性成分Tab.1 Volatile components in curing room

續(xù)表1 烤房內(nèi)的揮發(fā)性成分Tab.1（Continued） Volatile components in curing room

2-（1-甲基-2-吡咯烷基）-吡啶，又名煙堿，在烤房內(nèi)總揮發(fā)性氣體中占68.00%，是烤房內(nèi)揮發(fā)性成分中的重要組分。3，7，11，15-四甲基-2-十六烷基-1-醇，又叫葉綠醇（植物醇），葉綠素的衍生物之一[21]，在烤房內(nèi)總揮發(fā)性氣體中占23.59%，在卷煙燃燒過程中的產(chǎn)生量僅次于煙堿含量[9]，對煙葉的質(zhì)量評價有重要作用。

煙堿和葉綠醇含量在烤房內(nèi)揮發(fā)性成分中總占比為91.59%，因此，監(jiān)測烤房內(nèi)煙堿和葉綠醇含量的變化規(guī)律，能更科學(xué)反映煙葉的烘烤進程，從而提高煙葉的烘烤品質(zhì)。

2.2 煙葉中的揮發(fā)性成分

由表2 可知，在煙葉中共檢測到96 種揮發(fā)性成分，其中，烴類40 種、酯類11 種、醛類15 種、醇類20種、酮類8 種、酚類1 種。這些煙葉中的揮發(fā)性成分主要來自類胡蘿卜素降解物、類西柏烷類降解物、苯丙氨酸代謝產(chǎn)物、美拉德反應(yīng)產(chǎn)物等。

表2 煙葉中的揮發(fā)性成分Tab.2 Volatile components in tobacco leaves

續(xù)表2 煙葉中的揮發(fā)性成分Tab.2（Continued） Volatile components in tobacco leaves

續(xù)表2 煙葉中揮發(fā)性成分Tab.2（Continued） Volatile components in tobacco leaves

在煙葉揮發(fā)性成分中，煙堿含量為78.35%，其是煙葉中的重要化學(xué)成分，是評價煙草及其感官質(zhì)量的重要指標(biāo)[22]；葉綠醇含量為14.51%，其是植物葉綠素分子上含有多支鏈的脂肪醇[23]，進一步降解為植物呋喃等物質(zhì)，增加煙葉的香氣質(zhì)[24]；香葉基丙酮和6-甲基-5-庚烯-2-酮含量分別為0.11%和0.98%，其為類胡蘿卜素的降解產(chǎn)物，是煙葉中的關(guān)鍵香氣成分[25]。苯甲醇、苯乙醇和苯甲醛含量分別為0.08%、0.01%和0.22%，其為苯丙氨酸降解產(chǎn)物，是對煙草香型貢獻較大的物質(zhì)[26]。煙葉中的其他揮發(fā)性成分雖然相對含量較小，但也都以一定比例結(jié)合，相互協(xié)調(diào)，在提高煙葉香氣質(zhì)和香氣量上發(fā)揮重要作用。

2.3 烤房內(nèi)和煙葉中共同檢測到的揮發(fā)性成分

由表3 可知，在烤房內(nèi)和煙葉內(nèi)共檢測到19 種相同的揮發(fā)性成分，其中，烴類13 種、醇類2 種、醛類3 種和酮類1 種。只有十一烷、煙堿和壬醛是煙葉內(nèi)的含量高于烤房內(nèi)的含量，其余16種均是烤房內(nèi)含量高于煙葉內(nèi)含量，這可能是烤房內(nèi)的揮發(fā)性成分在高溫高濕條件下發(fā)生反應(yīng)的原因。檢測到的19 種相同揮發(fā)性成分，來自烘烤過程中煙葉揮發(fā)，應(yīng)作為重點監(jiān)測指標(biāo)。

表3 烤房內(nèi)和煙葉中共同的揮發(fā)性成分Tab.3 Common volatile components in curing room and tobacco leaves

2.4 烤房內(nèi)煙堿和葉綠醇的ROAV

ROAV 大于1 時，表明該化合物對該物質(zhì)的香氣成分有貢獻作用[27]。由表4可知，葉綠醇的ROAV為138.87，本身具有青雜氣，但可以在醇化過程中轉(zhuǎn)化成新植二烯，青雜氣就會減弱；煙堿的ROAV為1 030.30，本身具有辛辣味，但將高純度煙堿作為煙用香精添加到煙草中，可以減輕雜氣，提高卷煙檔次[28]。煙堿和葉綠醇本身的高ROAV 值和獨特的異味，應(yīng)重點關(guān)注。

表4 烤房內(nèi)煙堿和葉綠醇的ROAVTab.4 ROAV of nicotine and chlorophyllin in the curing room

2.5 烤房內(nèi)和煙葉中煙堿和葉綠醇的變化規(guī)律

由圖1 可知，烤房內(nèi)的煙堿含量和煙葉中的煙堿含量變化趨勢一致，總體呈現(xiàn)先升高后降低并逐漸穩(wěn)定的趨勢，在42 ℃末達到最大值，在47 ℃末—68 ℃末趨于穩(wěn)定?？痉績?nèi)煙堿含量在開烤—42 ℃末逐漸升高，可能是因為烤房內(nèi)煙葉整體揮發(fā)出的煙堿含量高于煙堿通過排濕口的損失量；在47 ℃末—68 ℃末趨于穩(wěn)定，可能是因為烤房內(nèi)煙堿的積累量與煙堿通過排濕口的損失量達到平衡。煙葉中煙堿含量在開烤—42 ℃末逐漸升高，可能是因為在烘烤過程中煙葉中煙堿的積累量高于煙堿本身的揮發(fā)量；在47 ℃末—68 ℃末趨于穩(wěn)定，可能是因為煙葉中煙堿的積累量與煙堿的揮發(fā)量達到平衡。

圖1 烤房內(nèi)和煙葉中煙堿含量的變化規(guī)律Fig.1 The change of nicotine content in the curing room and tobacco leaves

由圖2 可知，烤房內(nèi)的葉綠醇含量在開烤—54 ℃末呈現(xiàn)逐漸升高的趨勢，可能是因為烤房內(nèi)葉綠醇的積累量高于葉綠醇通過排濕口的損失量；在54 ℃末—68 ℃末趨于穩(wěn)定，可能是風(fēng)機高速運轉(zhuǎn)，烤房內(nèi)葉綠醇的積累量與葉綠醇通過排濕口的損失量達到平衡。煙葉中的葉綠醇含量在烘烤過程中呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，在42 ℃末達到最大值，可能是在開烤—42 ℃末煙葉中葉綠醇的積累量高于本身的揮發(fā)量；在42 ℃末—54 ℃末降低，可能是因為煙葉中葉綠醇的積累量少于在烘烤過程中的揮發(fā)量；在54 ℃末—68 ℃末趨于穩(wěn)定，可能是因為在烘烤過程中煙葉中葉綠醇的積累量與煙葉葉綠醇的揮發(fā)量達到平衡。

圖2 烤房內(nèi)和煙葉中葉綠醇含量的變化規(guī)律Fig.2 The change of chlorophyll content in the curing room and tobacco leaves

方差分析結(jié)果表明，烤房內(nèi)和煙葉中的煙堿和葉綠醇在不同的關(guān)鍵溫度點之間存在顯著性差異（P<0.05），通過監(jiān)測烤房內(nèi)煙堿和葉綠醇含量的變化，可直接反映出煙葉的烘烤狀態(tài)，從科學(xué)角度上指導(dǎo)煙葉烘烤。

2.6 烤房內(nèi)揮發(fā)性成分的聚類分析

通過聚類分析，把關(guān)鍵溫度點烤房內(nèi)的揮發(fā)性成分進行分類（圖3），可以看出烤房內(nèi)的揮發(fā)性成分在哪些關(guān)鍵溫度點變化明顯。聚類分析結(jié)果表明，當(dāng)距離系數(shù)為5 時，可以分成3 類。第1 類為36 ℃始（開烤）；第2 類為36 ℃末、38 ℃末和42 ℃末；第3 類為47 ℃末、54 ℃末和68 ℃末。聚類分析圖直觀地顯示了整個聚類過程，減小了憑借主觀判斷造成的誤差，結(jié)果表明，不同溫度點烤房內(nèi)的揮發(fā)性成分有明顯的差異。36 ℃始在第1 類，表明烤房內(nèi)的揮發(fā)性氣體變化明顯；36 ℃末、38 ℃末和42 ℃末在第2 類，表明烤房內(nèi)的揮發(fā)性成分變化規(guī)律相近；47 ℃末、54 ℃末和68 ℃末在第3類，由于干筋期煙葉內(nèi)的蛋白質(zhì)、類胡蘿卜素等降解充分，因此，這3個溫度點烤房內(nèi)揮發(fā)性成分接近穩(wěn)定。

圖3 烤房內(nèi)揮發(fā)性成分的聚類分析Fig.3 Cluster analysis of volatile components in thecuring room

3 結(jié)論與討論

黃蘭芳等[5]通過加速溶劑萃取-GC/MS 法在煙葉中共鑒定出50 種揮發(fā)性成分，譚新良等[29]通過熱脫附-GC/MS 法在煙葉中共鑒定出47 種揮發(fā)性成分。本研究首次采用SPME-GC/MS 分析方法研究烤房內(nèi)的揮發(fā)性成分，在烤房內(nèi)檢測到76種揮發(fā)性成分，另外在煙葉中檢測到96種揮發(fā)性成分。說明該方法自動化程度高、準(zhǔn)確性好，適用于烤房內(nèi)揮發(fā)性氣體檢測。

在烤房內(nèi)和煙葉中共同檢測到的揮發(fā)性成分有19種，其中煙堿和葉綠醇是烤房內(nèi)和煙葉中揮發(fā)性成分中含量最多的物質(zhì)，烤房內(nèi)煙堿和葉綠醇的含量分別為68.00%和23.59%，煙葉中煙堿和葉綠醇的含量分別為78.35%和14.51%。調(diào)制階段是煙堿轉(zhuǎn)化發(fā)生的集中階段[30]，且煙堿的ROAV 為1 030.30，本身具有特殊的辛辣味，在吸食過程中對中樞神經(jīng)有很強的刺激作用，是影響感官評吸的重要因素[31]；葉綠醇的ROAV 為138.87，本身具有青雜氣，降解產(chǎn)物可以增加煙葉的香氣品質(zhì)[25]。因此，煙堿和葉綠醇應(yīng)作為烤房內(nèi)揮發(fā)性成分的重點監(jiān)測指標(biāo)。

烤房內(nèi)的煙堿含量和煙葉中的煙堿含量變化趨勢一致，總體呈現(xiàn)先升高后降低并逐漸穩(wěn)定的趨勢，在42 ℃末達到最大值，在47 ℃末—68 ℃末趨于穩(wěn)定；煙葉中的葉綠醇含量在烘烤過程中呈先升高后降低的趨勢，在42 ℃末達到最大值；烤房內(nèi)的葉綠醇含量在烘烤過程中呈逐漸升高的趨勢，在54 ℃末—68 ℃末趨于穩(wěn)定。孟可愛[32]研究表明，在烘烤過程中，煙葉中的煙堿和葉綠素含量逐漸減少，而葉綠醇由葉綠素脫水裂解形成[33]，使得煙葉中葉綠醇含量逐漸增加；烤房內(nèi)煙堿和葉綠醇含量在開烤—42 ℃末逐漸增加，在42 ℃末—68 ℃末逐漸降低，主要受烤房加快排濕的影響。烤房排濕對烤房內(nèi)揮發(fā)性成分沒有選擇性，烤房內(nèi)的揮發(fā)性成分變化仍具有規(guī)律。

煙葉中致香物質(zhì)的變化可分為5 個階段：一是醞香階段（38—40 ℃），此時香氣前體物開始降解；二是產(chǎn)香階段（42 ℃），香氣前體物開始大量降解，一些致香成分開始生成；三是提香階段（45—47 ℃），香氣前體物大量降解及香氣物質(zhì)大量生成；四是增香階段（50—54 ℃），大量的致香成分進一步生成和轉(zhuǎn)化；五是固香階段（68 ℃左右），應(yīng)減少煙葉中揮發(fā)性物質(zhì)的損失[34]。這說明煙葉中的致香物質(zhì)在變黃和定色期變化明顯，干筋期無明顯變化，這與本研究中烤房內(nèi)揮發(fā)性氣體在變黃和定色期變化較為明顯、干筋期接近穩(wěn)定的結(jié)果一致。

監(jiān)測烤房內(nèi)揮發(fā)性成分的變化規(guī)律，可以間接反映煙葉的烘烤狀態(tài)，為煙葉烘烤過程的判定提供數(shù)據(jù)支撐。但受烤煙品種、烘烤工藝、煙葉成熟度等因素的影響，烤房內(nèi)的揮發(fā)性成分還需要進一步研究。