烘絲過程中碳酸鉀對煙草香味成分含量的影響

蔣歷輝，張敏，孫凱健，劉百戰，吳達

1.上海煙草集團有限責任公司技術中心，上海市楊浦區長陽路717號 200082

2.中南大學化學化工學院，長沙市麓山南路932號 410083

3.上海市煙草學會，上海市楊浦區長陽路717號200082

烘絲過程中碳酸鉀對煙草香味成分含量的影響

蔣歷輝1，2，張敏*3，孫凱健1，劉百戰1，吳達1

1.上海煙草集團有限責任公司技術中心，上海市楊浦區長陽路717號 200082

2.中南大學化學化工學院，長沙市麓山南路932號 410083

3.上海市煙草學會，上海市楊浦區長陽路717號200082

為探討碳酸鉀（K2CO3）對煙絲中揮發性、半揮發性香味成分含量的影響，采用實驗室模擬烘絲，按煙絲質量0.5%，0.9%，1.3%，1.7%和2.1%的用量將K2CO3水溶液均勻施加于煙絲，平衡48 h后，于設定條件（溫度110℃，風速1.57 m/s和轉速12 r/min）下烘絲至含水率為12%～13%，再用甲基叔丁基醚萃取煙絲并進行GC/MS檢測。結果表明：①K2CO3對煙絲的外觀有顯著影響，當施加比例超過煙絲質量的1.3%時，部分煙絲變黑；②加入K2CO3后，煙絲中酯類、酸類組分含量呈規律性降低趨勢；醇類組分和巨豆三烯酮類組分含量增加。

煙絲；碳酸鉀；烘絲；香味成分

原煙有不同程度的質量缺陷，在卷煙加工工藝流程中，如何利用相關添加劑有針對性地改善其質量缺陷，提升煙葉品質及可用性，已成為煙草行業普遍關注的問題［1-5］。鉀鹽是卷煙中常用的添加劑之一，在卷煙中添加一定量的鉀鹽，能夠加快卷煙的燃燒速度，減少抽吸口數，進而降低焦油等有害成分的釋放量［6-8］。彭斌等［9］研究了各種鉀鹽添加到煙絲后煙氣CO量的變化情況，結果表明K2CO3效果最好，且添加量為煙絲質量的3%時，煙氣CO量可降低40%。將K2CO3添加至卷煙輔助材料中，考察其對卷煙主流煙氣3種常規煙氣指標或7種煙氣有害成分以及卷煙燃燒性、抽吸口數等的影響也有報道［10-13］，但是將K2CO3添加到煙絲后考察其對煙絲品質的影響，特別是結合烘絲工序進行考察的研究鮮見報道。因此，研究了K2CO3添加到煙絲并烘絲后煙絲中揮發性、半揮發性香味成分含量的變化情況。

1 材料與方法

1.1 材料、試劑與儀器

復烤煙葉（2009年山東生產的C2F等級煙葉）。

乙酸苯乙酯（內標）、甲基叔丁基醚、甲苯（色譜純，比利時Acros公司）；K2CO3（AR，國藥集團化學試劑有限公司）。

Milli-Q超純水儀（美國Millipore公司）；Agilent 7890-5975氣質聯用儀（美國Agilent公司）；XS204電子天平（感量：0.0001 g，瑞士Mettler-Toledo公司）；FB 0.16電熱鼓風裝盤烘箱（上海優芯試驗設備制造廠；根據實驗要求改造［14］，見圖1）；KBF240恒溫恒濕箱（德國Binder公司）；VI-2型實驗室用切絲機（德國Hauni公司）。

1.2 方法

1.2.1 K2CO3水溶液配制

用容量瓶準確配制質量百分數分別為5%，9%，13%，17%和21%5個濃度的K2CO3水溶液。

1.2.2 煙絲平衡

片煙切成寬度為1.0 mm的煙絲，過0.42 mm（40目）篩，置于恒溫恒濕箱（22℃，60%RH）中平衡48 h后密封保存。稱取煙絲6份，各100.0 g，5份分別噴灑上述配制的K2CO3水溶液10.0 mL，1份噴灑10.0 mL水作為對照，按實驗編號分別裝入自封袋平衡48 h。

1.2.3 煙絲干燥

設定滾筒烘絲箱參數為：烘絲溫度110℃，烘箱風速1.57 m/s，以及滾筒轉速12 r/min。將經過平衡的6份煙絲進行烘絲，烘絲時間為180～182 s。

1.2.4 煙絲萃取

為去除煙絲含水率對實驗結果的影響，將烘后煙絲置于恒溫恒濕箱（22℃，60%RH）中平衡24 h。然后按實驗編號每份煙絲稱取4.00 g并置于樣品管中，各加入20.0 mL甲基叔丁基醚和50.0μL 0.2 mg/mL乙酸苯乙酯（內標）的甲苯溶液，超聲波萃取1.0 h后靜置8.0 h，3000 r/min下離心4.0 min，取上清液進行GC/MS檢測。分析條件為：

采用Wiley7n.l譜庫檢索定性，內標法定量。其中2, 3-丁二醇、苯甲醇、苯乙醇、4-羥基苯乙醇、2-甲基丁酸、苯乙酸、4-羥基-3-甲氧基苯甲酸、十四酸、對甲基苯甲醛、香草醛、5-羥甲基糠醛、茄酮、β-大馬酮、氧化茄酮、3-羥基-β-二氫大馬酮、2-乙酰吡咯、麥芽酚、吲哚、煙堿、二氫獼猴桃內酯、新植二烯配制標準溶液；其他組分以目標物峰面積和內標峰面積比進行相對定量，物質的相對校正因子（F）取1.00。

1.2.5 重復性考察

圖1 滾筒烘絲箱外部、內部構造圖

稱取6份煙絲，每份100.0 g，按編號分別均勻噴灑5個濃度的K2CO3水溶液和水（對照）各10.0 mL，密閉平衡48 h后，進行烘絲、平衡及取樣分析，平行實驗3次，取平均值。選擇部分香味成分（匹配度均大于90%），如苯甲醇、苯乙醇、β-大馬酮、巨豆三烯酮等，分別計算不同K2CO3添加量及對照實驗3次結果的相對標準偏差（RSD）。

2 結果與討論

2.1 方法的重復性

不同K2CO3添加量煙絲樣品經GC/MS分析后，揮發性、半揮發性成分的含量均值如表1所示。煙絲中部分香味成分如苯甲醇、巨豆三烯酮等的重復性（RSD）結果如表2所示。

從表2可以看出，所選香味成分中僅有少數組分的RSD值超過了10%。對于添加水的對照實驗，3次平行實驗的RSD平均值為5.87%；在0.5%，0.9%，1.3%，1.7%和2.1%5種K2CO3用量條件下，3次平行實驗的RSD平均值分別為6.30%，5.73%，5.65%，6.98%和5.83%，說明方法的重復性較好。

表1 不同K2CO3添加量煙絲中揮發性、半揮發性香味成分的含量（μg/g）

（續表1）

表2 煙絲中代表性香味成分含量的RSD值（n=3）（%）

（續表2）

2.2 烘絲時間的確定

卷煙制絲工藝流程中，干燥后煙絲含水率為12%～ 13%。為確保添加不同濃度K2CO3水溶液的煙絲在烘絲后其含水率符合卷煙工藝要求且基本一致，考察了煙絲失水率與烘絲時間的關系。平行稱取6份煙絲各100.0 g，分別噴灑10.0 mL水，平衡48 h后按照1.2.3節設定的滾筒烘箱參數及不同的烘絲時間進行實驗，結果如表3所示。根據表3數據繪制烘絲時間（X，s）-失水百分點（Y）曲線（圖2）。

表3 不同烘絲時間的煙絲含水率

圖2 煙絲失水率隨烘絲時間的變化曲線

由表3和圖2可知，合理的烘絲時間應該在180 s左右。為驗證該烘絲時間是否合理，將添加水并平衡48 h的煙絲在1.2.3節所述條件下烘絲180 s，實驗測得烘后煙絲含水率為13.01%。可見，將烘絲時間控制在180 s左右能夠保證烘絲后煙絲含水率為12%～13%。

2.3 煙絲外觀變化

現有文獻并未報道添加K2CO3并經過烘絲工藝后的煙絲外觀變化，因此對添加不同用量K2CO3（分別為煙絲質量的0.5%，0.9%，1.3%，1.7%和2.1%）的烘后煙絲外觀進行了觀察（圖3）。由圖3可知，添加K2CO3的煙絲經過平衡和烘絲后，煙絲外觀變化的突變點為1.3%，即100.0 g煙絲在噴灑10.0 mL 13%K2CO3水溶液并烘絲后，有少許煙絲變黑（圖3d），隨著添加K2CO3用量的增加，煙絲變黑的比例也增加，當K2CO3添加量為煙絲質量的2.1%時，煙絲變黑的比例已近30%（圖3f）。

圖3 添加不同比例K2CO3后煙絲的外觀變化

2.4 煙絲中煙堿的含量變化

由表1可知，煙絲中煙堿含量隨K2CO3用量增加的變化最為顯著。這可能是由于K2CO3屬于強堿弱酸鹽，因而堿性較強，對于質量分數為21%的K2CO3水溶液，其pH值為10.75。K2CO3水溶液存在如下的電離方式：

2.5 K2CO3用量對煙絲中揮發性、半揮發性香味成分的影響

據報道，目前基本確定的煙葉和煙氣中的致香成分，尤其是揮發性的香味物質，主要分為七大類，即酸類、醇類、羰基類、酯類和內酯、酚類、氮雜環類和酞胺及亞胺類［16-17］。由于各類香味組分含量相差很大，如3-氧代-α-紫羅蘭醇含量為33.0μg/g左右，而苯甲醇僅為2.50μg/g，為了便于觀察不同K2CO3用量煙絲在平衡和烘絲后的揮發性、半揮發性香味成分含量變化，以添加水的煙絲中各香味組分的含量為對照，將添加K2CO3的煙絲中香味成分組分含量除以對照，得到二者的比值，并由此繪制不同K2CO3用量煙絲中各香味組分含量的比值柱形圖。

2.5.1 煙絲中醇類組分的含量變化

施加不同比例K2CO3及水后煙絲中醇類組分含量對比（圖4）顯示，煙絲在施加0.5%K2CO3平衡并烘絲后，醇類組分含量增幅顯著，但β-4,8,13-西柏三烯-1,3-二醇的含量略有降低，2,3-丁二醇、苯甲醇、苯乙醇和4-羥基苯乙醇的含量分別增加了1.82，0.72，0.56和5.19μg/g。

2.5.2 煙絲中酸類組分的含量變化

K2CO3水溶液具有較強的堿性，加入到煙絲平衡后，在烘絲高溫階段加熱的情況下極易與煙絲中的酸類組分反應生成鹽，從而降低了煙絲中酸類組分的含量。由圖5可知，隨著施加到煙絲中K2CO3比例的增大，酸類組分的含量呈明顯的降低趨勢。數據分析表明，當K2CO3施加量為煙絲質量的1.3%時，檢測不到苯酚，可能是煙絲在高濃度K2CO3溶液作用下，苯酚轉換為鈉鹽形式，因而不能被甲基叔丁基醚萃取。當K2CO3施加比例為2.1%時，2-甲基丁酸含量僅為0.47μg/g，降低了80%左右。但反常的是9,12-十八碳二烯酸和4-羥基-3-甲氧基苯甲酸（香草酸），煙絲在施加其質量0.5%的K2CO3并平衡和烘絲后，兩個組分含量升高，之后隨著K2CO3添加比例的升高而下降，這說明煙絲是一個復雜體系，組分含量受多方面因素的影響，具體影響機制尚待進一步研究。

2.5.3 煙絲中酯類組分的含量變化

由酯類組分含量的變化（圖6）可以看出，酯類組分含量的變化趨勢與酸組分相類似，均呈下降趨勢，隨著添加到煙絲中K2CO3比例的增加，酯類組分含量下降的幅度較明顯，當K2CO3添加比例達2.1%時，與水相比，DL-泛酰內酯、二氫獼猴桃內酯、3-羥基二氫獼猴桃內酯、十六酸甲酯、莨菪亭、7,10,13-十六碳三烯酸甲酯的含量分別降低了2.58，0.35，0.27，0.55，12.82和13.81μg/g。這可能是由于在高溫烘絲條件下，酯類組分被K2CO3催化而發生了水解反應所致。

圖4 不同比例K2CO3處理煙絲前后醇類組分含量變化

圖5 不同比例K2CO3處理煙絲前后酸類組分含量變化

圖6 不同比例K2CO3處理煙絲前后酯類組分含量變化

2.5.4 煙絲中巨豆三烯酮的含量變化

巨豆三烯酮是煙絲中代表性的香味成分，K2CO3的施加對煙絲中巨豆三烯酮含量具有很明顯的提升趨勢（圖7）。100.0 g煙絲噴灑加入K2CO3（5%，10.0 mL）水溶液并烘絲后，巨豆三烯酮1、巨豆三烯酮2、巨豆三烯酮3和巨豆三烯酮4分別增加0.10，0.34，0.53和0.36μg/g。可能的原因是，堿性水溶液的加入和高溫烘絲條件下，糖苷結合態巨豆三烯酮部分水解為游離態。此外，煙葉中部分3-氧代-α-紫羅蘭醇發生脫水反應，轉化為巨豆三烯酮。

圖7 不同比例K2CO3處理煙絲前后巨豆三烯酮含量變化

3 結論

采用實驗室模擬烘絲，研究了按煙絲質量0.5%，0.9%，1.3%，1.7%和2.1%的用量將K2CO3水溶液添加到煙絲中平衡并烘絲后，K2CO3添加量對煙絲品質的變化規律：K2CO3添加到煙絲的量有明顯的突變點，當施加比例超過煙絲質量的1.3%時，部分煙絲變黑；K2CO3加入到煙絲，煙絲中的酯類、酸類組分含量有規律地降低，但醇類和巨豆三烯酮類組分含量增加。

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Effects of Potassium Carbonate Addition on Aroma Component Content in Cut Tobacco Through Drying

JIANG Lihui1，2，ZHANG Min*3，SUN Kaijian1，LIU Baizhan1，and WU Da1
1.Technology Center，Shanghai Tobacco Group Co.，Ltd.，Shanghai 200082，China
2.College of Chemistry and Chemical Engineering，Central South University，Changsha 410083，China
3.Shanghai Tobacco Society，Shanghai 200082，China

In order to investigate the effects of potassium carbonate(K2CO3)addition on the volatile and semi-volatile aroma component content in cut tobacco，cut tobacco drying was simulated in a laboratory，K2CO3solution was uniformly sprayed on tobacco at levels of 0.5%，0.9%，1.3%，1.7%，and 2.1%(w/w)separately.After equilibrium for 48 hours，tobacco was dried at the set conditions(temperature 110℃，air velocity 1.57 m/sec and rotating speed 12 r/min)to moisture content of 12%-13%，then extracted with tert-butyl methyl ether and determined by GC/MS.The results showed that:1)the appearance of tobacco was significantly affected by K2CO3，some cut tobacco turned black when the addition rate of K2CO3exceeded 1.3%(w/w).2)K2CO3addition decreased the contents of esters and organic acids in tobacco regularly，increased the contents of alcohols and megastigmatrienones.

Cut tobacco；Potassium carbonate；Cut tobacco drying；Aroma component

TS411.1

B

1002-0861（2014）11-0033-07

上海煙草集團有限責任公司博士后項目“卷煙加工溫度和添加劑對煙草半揮發成分的影響研究”（K2012-1-019Z）。

蔣歷輝(1980—)，博士，講師，主要從事煙草工藝研究。E-mail：jiangmenghu@163.com；*

張敏E-mail：zhangmin@sh.tobacco.com.cn

2014-05-22

責任編輯：洪廣峰E-mail：hgf@ztri.com.cn

電話：0371-67672660