云南省煙梗微波膨脹后致香物質差異性分析

王濤+張強+吳雨松+魏杰+高則睿+王乃定+倪鋮+肖永銀+唐梓議

摘要：采用微波膨脹技術處理云南省典型煙區煙梗，將微波處理和未用微波處理的煙梗均按常規工藝制成梗絲，分別測定了2種梗絲中致香成分的相對含量，檢測出了8類77種致香物質，并對比分析了各種致香物質在處理前后的變化及其對感官評吸質量的影響。結果表明，微波處理煙梗制成的梗絲與常規梗絲相比，醇類和酯類致香物質相對含量無顯著性差異；酚類和烯烴類相對含量有顯著差異，變化量分別為-10.98%和10.33%；醛類、酮類、酸類和雜環類相對含量存在極顯著差異，微波處理后其相對含量分別增加了27.54%、12.99%、39.15%和30.83%；煙梗經微波處理后感官品質明顯改善。

關鍵詞：煙梗；微波膨脹；梗絲；致香物質；云南省

中圖分類號：TS49+1（274） 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2017）14-2694-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2017.14.024

Abstract： Using microwave expansion to treat tobacco stem from typical tobacco growing area of Yunnan province， tobacco stem treated by microwave treatment and non-microwave treatment were made into stem silk wire by the conventional process； and the relative content of the aroma components in the two kinds of stem silk were determined. 77 kinds of 8 class of the aroma components were determined. The change of aroma components and the effect to smoking quality were evaluated. The results showed that， compared to cut stem silk made of microwave treatment tobacco stem silk and by conventional process， alcohols and esters of the aroma components relative content had no significant difference. Phenolic and olefin hydrocarbon had significant difference， which was -10.98% and 10.33%， respectively. Aldehydes， ketones， acids and heterocyclic existed significantly difference， which was 27.54%， 12.99%， 39.15% and 30.83%， respectively. The sensory quality of tobacco cut stem silk was obviously improved after microwave expansion treatment.

Key words： tobacco stem； microwave expansion； stem silk； aroma substance； Yunnan province

煙葉由葉片和煙梗組成，煙梗是煙葉的粗硬葉脈，約占葉重的25%～30%，是煙葉工業用途的副產物[1]。由于煙梗與煙葉有相似的組分，并有改善煙支結構、降低成本和降焦的功效，所以一直是卷煙原料的組成部分[2]。中國煙梗的年產量為60萬t左右，其中約有40萬t（占比67%左右）能被有效利用[3]，其他的由于缺乏適當的調制方法，每年都有相當數量的煙梗被掩埋或焚燒。現在對煙梗的充分利用已成為煙草行業的研究熱點，而將微波膨脹梗絲添加到卷煙配方中，發揮其減害降焦的作用是目前煙梗利用的主要途徑[4-6]。但由于梗絲在卷煙中燃燒時產生的青雜氣、木質氣以及燃燒灼熱感等會對煙支抽吸品質產生不利影響，同時現有的煙梗處理工藝及技術制備出的梗絲或其他煙梗制品如梗顆粒在形態上與煙絲還存在較大的差異，并且參配梗絲或梗顆粒的分布不均勻特性，都影響了煙梗在卷煙中的使用范圍和添加比例。煙梗微波膨脹技術是以微波作為能量源，利用微波的強穿透性和對極性分子的高頻振動特性，在極短的時間內使煙梗內部形成一個水分迅速氣化揮發的環境，從而完成煙梗內細胞的同步均勻膨脹，且細胞不破裂，膨脹后的煙梗體積可達到原來的2～3倍，甚至更高。在迅速膨脹的過程中，煙梗內部會產生一些化學反應，膨脹后的煙梗青雜氣、木質氣減弱，且具有較明顯的烘烤香。何炬等[7]的試驗表明，經微波膨脹后的煙梗制成的梗絲在感官質量、香氣、填充力、成絲率和協調葉組配方等方面均有明顯的改善。楊威等[8]研究發現，微波處理后可使煙梗中的細胞壁物質、全纖維素、總糖、還原糖含量降低，而主要致香成分含量增加，并且組織結構無明顯破損，維管束等組織間和薄壁組織細胞內一些物質消失。高銳等[9]研究表明，微波處理后，煙梗總糖含量降低，總植物堿、總氮、淀粉、蛋白質含量變化不大，感官評吸雜氣明顯減弱，余味和舒適性獲得改善。陳晶鈴等[10]則認為，微波膨脹煙梗含水率保持在18%～21%、微波處理時間在70～80 s時膨脹處理的煙梗質量最好。雖然前人在煙梗微波膨脹技術方面已做過一些基礎研究，但目前關于微波膨脹技術處理云南省煙區煙梗后對致香物質含量影響的研究還不夠深入。為此，試驗選取云南省典型煙區的煙梗進行微波膨脹處理，分別測定微波處理的煙梗制成的梗絲和常規工藝制成的梗絲中各類致香物質的相對含量，并進行對比分析，以期為卷煙工業企業合理利用云南省煙梗提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 植物樣品 選取云南省典型煙區煙梗，取樣煙區有昭通市（具體取樣地有昭陽區、魯甸縣、巧家縣、大關縣，下同）、保山市（龍陵縣、隆陽區）、曲靖市（羅平縣）、臨滄市（臨翔區、雙江拉祜族佤族布朗族傣族自治縣）、文山壯族苗族自治州（文山市）、普洱市（景東彝族自治縣）、麗江市（永勝縣）、昆明市（石林彝族自治縣）和大理白族自治州（賓川縣），每個煙區采集100 kg煙梗樣品，均為長梗。

1.1.2 儀器與設備 微波設備為SP93型滾筒式連續微波膨脹機（昆明船舶設備集團有限公司），微波系統采用單管功率為1.5 kW的2 450 MHz磁控管進行優化組合，組合原則根據“非相干功率組合”的要求進行，即多管組合過程中磁控管間相互干擾最小化、微波場強均勻性最大化。采用56套水冷磁控管，相應配套高壓變壓器和燈絲變壓器，采用全波整流微波源，分4路從五面形微波腔體的4個面均勻饋入微波能量，微波設備的處理能力為500 kg/h。致香成分的相對含量用6890N/5973N氣相色譜-質譜（GC/MS）聯用儀（美國Agilent公司）測定。

1.2 煙梗微波膨脹制絲

1.2.1 微波膨脹煙梗的制備 每個煙區取50 kg煙梗樣品回潮，平衡至含水率為14%～16%后，放入滾筒式連續微波膨脹機中，設置工作頻率2 450 MHz，功率設置到900 W，膨脹時間30 s，使煙梗平均膨脹率達到200%以上，且無明顯炭化現象。

1.2.2 梗絲的制備 將9個煙區微波處理的和未用微波處理的各50 kg煙梗樣品均按常規工藝加工成梗絲，其工藝流程見圖1。

1.3 致香物質的GC/MS分析測定

1.3.1 樣品制備 將9個煙區微波膨脹處理的和未用微波膨脹處理的梗絲都磨碎，過60目篩，在溫度22 ℃和空氣相對濕度60%的環境下平衡24 h。而后準確稱取25.0 g樣品粉末，放入同時蒸餾萃取裝置中，以二氯甲烷為溶劑蒸餾萃取2 h，所得提取物經無水硫酸鈉干燥后，于旋轉蒸發儀中濃縮至1.0 mL，再加入50 μL 0.1 mol/L的乙酸苯甲酯的無水乙醇溶液，搖勻，用于GC/MS分析。

1.3.2 分析方法 致香物質提取物添加內標后，進行GC/MS分析，結果采用內標法計算，致香物質含量為內標校正峰面積的相對含量，在不考慮儀器信號響應差異的情況下，即相對校正因子為1的時候，數值的單位為μg/g。

1.3.3 色譜質譜條件 HP-5MS（30 m×0.25 mm，0.25 μm）毛細管柱；進樣口溫度260 ℃；載氣He，1 mL/min；程序升溫：50 ℃（1 min）160 ℃（2 min）260 ℃（15 min）。

進樣量2 μL；分流比25∶1；GC/MS接口溫度280 ℃；電離（EI）能量70 eV；離子源溫度230 ℃；掃描范圍35～455 aum。

1.4 感官質量評價

取一定量的微波膨脹和未用微波膨脹的梗絲樣品，分別用相同的卷煙材料卷制成煙支。按照文獻[11]中單料煙感官質量檢驗方法（9分制），由7名感官評吸員采用暗評法對卷制成的煙支進行感官質量評吸，評價的指標有香氣質、香氣量、雜氣、濃度、勁頭、刺激性、余味。根據文獻[12]的要求，分別計算出采用微波膨脹處理和未用微波膨脹處理的梗絲煙支感官質量評吸總分。

1.5 數據處理

試驗所得數據采用Microsoft Office Excel 2010軟件處理，并用其制表，采用SPSS 21.0統計軟件進行配對樣本t檢驗[13]，計算煙梗樣品微波處理前后各類致香物質相對含量的變化率。

2 結果與分析

2.1 不同煙區煙梗致香物質相對含量分析

不同煙區煙梗制梗絲后，GC/MS分析致香成分的結果見表1。從表1可見，煙梗經微波處理后未產生新的致香物質，2類梗絲均檢測到77種致香物質，按其化學屬性可分為8類，分別是醛類、酮類、醇類、酸類、酚類、酯類、雜環類和烯烴類。將微波膨脹煙梗梗絲和未用微波處理的煙梗梗絲樣品含有的8類致香物質含量分別累加，結果見表2。從表2可見，云南省9個典型煙區烤煙煙梗未用微波處理的梗絲中致香物質的相對含量排序為烯烴類>酯類>酸類>醇類>酮類>醛類>雜環類>酚類，經過微波處理后，梗絲中致香物質除酚類外，其他類型致香物質的相對含量均有一定程度的增加，其中酸類的相對含量增加幅度最為明顯，微波處理后煙梗梗絲中致香物質的相對含量排序變為烯烴類>酸類>酯類>醇類>酮類>醛類>雜環類>酚類，說明微波處理對大多數致香物質相對含量的提高均有一定的促進作用，尤其是對酸類致香物質相對含量的提升作用更為明顯，具體增加幅度表現為酸類>雜環類>醛類>烯烴類>酮類>酯類>醇類>酚類。

從不同煙區煙梗中8種致香物質的相對含量上看，未用微波處理的煙梗梗絲中致香物質的相對含量差異較大，其中大理、普洱和文山的醛類含量較高，而昆明、昭通和麗江的醛類含量較低；麗江的酮類含量最高，其他8個煙區間差異不大；普洱和麗江的醇類含量最高，曲靖的醇類含量最低；普洱的酸類含量最高，昆明的最低；昆明的酚類含量最高，曲靖的酚類含量最低；普洱的酯類含量最高，曲靖的含量最低；昆明的雜環類含量最高，文山的雜環類含量最低；普洱的烯烴類含量最高，曲靖的含量最低。從不同煙區未用微波處理的煙梗中致香物質相對含量的分布來看，因氣候和地理位置的差異，導致不同煙區煙梗梗絲中致香物質相對含量差異較大，其中曲靖除醛類和酸類外，其他類型的致香物質相對含量普遍低于其他煙區。

不同煙區煙梗梗絲用微波處理后，各類型致香物質相對含量均發生了一定的變化。文山、大理和曲靖的醛類含量較高，昆明的醛類含量較低；麗江的酮類含量較高，曲靖的最低；醇類中，普洱最高，曲靖最低；酸類中，大理、普洱和曲靖的較高，昆明的最低；酚類中，昆明的最高，曲靖的最低；酯類中，普洱和麗江的較高，曲靖的最低；雜環類以麗江和昆明的較高，曲靖的最低；烯烴類是普洱和臨滄的較高，曲靖的最低。由此可見，與未用微波處理的煙梗梗絲中致香物質比較，微波處理后煙梗梗絲中的致香物質相對含量發生了較大的變化。

2.2 不同煙區煙梗致香物質含量的變化

對處理前后的8類致香物質相對含量的配對樣本t檢驗分析結果見表3，煙梗樣品微波處理前后8類致香物質相對含量的變化率計算結果見表4。從表3、表4可以看出，煙梗樣品微波處理前和處理后，有6類致香物質相對含量發生顯著或極顯著的變化，占檢出類別的75%；其中醇類和酯類致香物質的相對含量變化無顯著性差異（P>0.05）；酚類和烯烴類有顯著性差異（P<0.05），酚類相對含量顯著減少達9.01%，烯烴類相對含量顯著增加達14.70%；醛類、酮類、酸類和雜環類致香物質在微波處理前后變化存在極顯著性差異（P<0.01），相對含量分別增加了25.81%、15.37%、39.99%和27.47%。不同煙區的煙梗在微波處理后的大部分致香物質成分高于未用微波處理的煙梗，這可能是由于微波處理使煙梗內的某些大分子物質被降解、生成小分子致香物質或者是微波過程中煙梗中的有機物質發生了復雜的化學反應所致。

2.3 感官評吸質量的變化

微波處理和未用微波處理的梗絲樣品在用相同的卷煙材料卷制成煙支后評吸，得到的感官質量檢驗結果見表5。從表5可以看出，經微波處理后的煙梗制成的梗絲卷制的煙支，其香氣質改善、香氣量更充足、雜氣和刺激性減小、余味改善，這5項指標均好于未用微波處理的煙梗梗絲制成的煙支，不過濃度和勁頭比未微波處理的稍小，但差異不大，這可能是微波處理后的煙梗組織結構更疏松、梗絲填充值增大，單位體積加入的梗絲量相對減少所致，微波處理的梗絲感官評吸質量總分比未用微波處理的梗絲總分提高了4.12分，增幅達到10.38%。

3 小結與討論

煙梗中含有極性水分子，具有強烈吸收微波的特性。在用微波對煙梗進行處理時，水分子隨著微波激烈碰撞摩擦，會產生大量的熱量，從而使煙梗中的水分急劇揮發，并產生蒸汽壓；當煙梗內部的蒸汽壓力超過纖維組織結構的承受能力時，這種壓力促使煙梗膨化。經微波處理后，煙梗細胞結構發生斷裂，細胞內的有機物在高溫高壓密閉環境下，發生一系列復雜的美拉德反應，從而可能促進煙梗中芳香族類化合物轉化和棕色化反應進程，導致致香物質相對含量增加，并生成許多對提高煙香、諧調香氣、降低雜氣、減輕刺激性、改善煙氣和吃味等有益的物質[14-17]，進而提高了梗絲的抽吸品質。

試驗結果表明，云南省不同煙區煙梗經微波處理后，醛類、酮類、酸類、酯類、雜環類和烯烴類等致香物質的相對含量呈增加趨勢，而酚類相對含量在大部分煙區的煙梗樣品中均呈減小趨勢，一些煙區煙梗樣品中醇類和酯類相對含量呈增加趨勢，而在另一些煙區煙梗樣品中醇類和酯類相對含量則呈降低的趨勢。這說明不同煙區煙梗經微波處理后，煙梗中的致香物質相對含量變化不盡相同。

不同煙區煙梗經微波后，除醇類和酯類致香物質相對含量無顯著性差異外，其他6類致香物質的含量均發生了顯著變化，其中酚類相對含量顯著減少9.01%，烯烴類相對含量顯著增加14.70%，醛類、酮類、酸類和雜環類相對含量分別極顯著增加了25.81%、15.37%、39.99%和24.47%。由于各種致香物質對煙草煙氣和香味的影響作用不同，以及致香物質之間交互作用的復雜性，僅根據致香物質的相對含量變化情況還不能完全判斷其對感官質量的作用效果。微波處理加速了煙梗中酚類化合物的酶促棕色化反應，使煙梗中酚類化合物減少，顏色加深，這有利于梗絲感官品質的改善，使梗絲吃味醇和，香氣增加。烯烴類物質如新植二烯可增加梗絲的吃味和辛香氣[18]。醛類和酮類均是羰基化合物，也是煙草精油的主要成分之一，醛和酮分子結構中的羰基是致香基團，可以賦予煙草特有的優美香氣[19]。醛類物質中的癸醛賦予煙草清香和檸檬味，糠醛賦予煙草甜香、面包香、黃油香等香味。酮類物質中的β-大馬酮和β-二氫大馬酮賦予煙草木香、花香、果香和甜香，β-紫羅蘭酮可增進花香香味[19]。酸類物質在煙草中起到調節pH、平衡酸堿度的作用，使吃味醇和，并能增強煙氣濃度，間接影響煙草香氣。雜環類物質如N-甲基-2-甲酰基吡咯能增加煙草的甜香、櫻桃香，呋喃類中的2-乙酰基呋喃賦予煙草清香和草本香[19]。煙梗經微波處理產生的致香物質相對含量越多，對梗絲品質的改善就越明顯，檢測出的致香物質相對含量變化對感官品質的改善就充分印證了這一點。另外，經過微波處理后的煙梗梗絲較常規煙梗梗絲明顯增粗，因而具有更強的吸收料液性能，同時成絲率提高，填充能力增強。

總之，先采用微波處理煙梗再制成梗絲，使梗絲的致香物質相對含量發生顯著或極顯著變化，將提升梗絲的感官質量，對提高梗絲的使用價值和利用率均有積極作用。此外，關于煙梗微波膨脹過程中是否會產生有害物質，將是下一步試驗探討的內容。

參考文獻：

[1] 唐家駿.煙梗的利用：生產煙蛋白的研究[J].資源節約和綜合利用，1991（2）：30-31.

[2] 李炎強，郝建輝，趙明月，等.烤煙煙梗和葉片中性香味成分的分析[J].煙草科技，2002（11）：3-7.

[3] 李 曉，紀曉楠，姚二民，等，煙用梗絲加工工藝研究進展[J].貴州農業科學，2013，41（8）：182-186.

[4] 白聚川，董占能，張皓東.煙草廢物的綜合利用[J].中國野生植物資源，2007，26（5）：41-43.

[5] 董占能，白聚川，張皓東.煙草廢棄物資源化[J].中國煙草科學，2008，29（1）：39-42.

[6] 王月俠，葛善禮，賈 濤，等.煙梗化學組成的分析[J].中國煙草科學，1996（3）：16-17.

[7] 何 炬，劉維涓，師建全，等.微波膨脹煙梗質量研究[J].煙草科技，2006（2）：9-12.

[8] 楊 威，張 強，董高峰，等.微波膨脹對煙梗品質及顯微結構的影響[J].江西農業學報，2014，26（3）：69-72.

[9] 高 銳，黃志強，王松峰，等.煙梗微波膨脹條件優化及其對煙梗化學成分和物理結構的影響[J].河南農業科學，2013，42（11）： 50-54.

[10] 陳晶鈴，陳明功，汪曉艷，等.煙梗微波膨化基本規律的研究[J].安徽理工大學學報（自然科學版），2008，28（3）：61-64.

[11] YC/T138-1998，煙草及煙草制品 感官評價方法[S].

[12] 王彥亭，謝劍平.中國煙草種植區劃[M].北京：科學出版社，2010.

[13] 馮 力.統計學實驗[M].遼寧大連：東北財經大學出版社，2008.

[14] 周正紅，楊華連，沈光林.美拉德反應產物及其在煙草中的增香研究[J].煙草科技，1998（4）：8-11.

[15] 郭俊成，張悠金，舒俊生，等.煙用美拉德反應香料研究[J].安徽農業大學學報，2002，29（1）：95-99.

[16] 劉立全，王月霞.美拉德反應在煙草增香中的應用研究進展[J].煙草科技，1994（6）：21-24.

[17] 王家強，楊生平，楊偉祖.微波加速MAILLARD反應實驗[J].煙草科技，1995（1）：18-19.

[18] 毛多斌，馬宇平，梅業安.卷煙配方和香精香料[M].北京：化學工業出版社，2001.

[19] 王瑞新.煙草化學[M].北京：中國農業出版社，2003.