碳晶烤房內氣體及烤后煙葉的揮發性成分研究

李賢　任杰　周之蔚　曹建敏　孟霖　譚效磊　劉莉　譚青濤　高云鵬　徐秀紅

關鍵詞：煙葉烘烤：揮發性成分：致香成分：碳晶烤房

中圖分類號：S572.01 文獻標識號：A 文章編號：1001-4942（2023） 03-0075-08

煙葉香氣是衡量其內在質量和可用性的重要因素，所含揮發性化合物是煙葉致香物質的主體。揮發性、半揮發性成分是煙草中重要的化學組成部分，也是評估煙草品質和商業價值的重要因素之一，主要包括醇類、醛類、酮類、酯類化合物，這些成分對煙草香味起到重要作用。因此，關于煙草中揮發性、半揮發性成分的分析研究一直受到國內外煙草工作者的高度重視。

我國煙葉烤房多采用開放式排濕方式，熱濕氣流直接排向室外。而排濕氣流攜帶有大量的煙葉香氣成分及多種有益于提高烘烤品質的氣體成分，這致使煙葉油分、香氣量等降低，嚴重影響煙葉質量。黃濤等使用KX-1S-25 kg溫度自控式電加熱烤房對烤房氣體中揮發性成分的變化規律進行研究，表明烤房氣體中揮發性成分在開烤至47℃末變化明顯，47℃末至68℃末趨于穩定。任杰等研究了閉式循環煙葉烘烤排出冷凝水的化學成分和致香物質，發現冷凝水含有一定數量的植物堿和致香物質。

目前，煙葉生產所用密集烤房的主要加熱方式有燃煤、生物質燃燒機、太陽能、液體燃料、熱泵等。碳晶烤房作為一種新型加熱方式的密集烤房，在山東煙區已有所使用，其主要通過一種碳纖維加工而來的新型碳類發熱材料——碳晶作為烤房的供熱設備。碳晶的發熱原理是在電場作用下發熱體中的碳分子團產生分子運動，所產生的熱量以遠紅外輻射和對流的形式對外傳遞，其電能與熱能的轉換率高于普通金屬電熱材料。碳晶烤房主要通過熱輻射傳熱，其遠紅外輻射到煙葉表面時，一部分透過煙葉繼續向前輻射、傳遞熱量；另一部分遠紅外輻射被煙葉吸收而引起煙葉內部水分激烈的分子共振，這種分子共振產生熱量，促使煙葉內部溫度上升，并以熱輻射形式傳熱使煙葉內外部水分同時散失。目前關于碳晶烤房內氣體和煙葉揮發性物質研究未有報道。本研究以燃煤烤房為對照，采用固相微萃取-氣相色譜／質譜（SPME-GC/MS）聯用檢測手段測定分析碳晶烤房對烤房內氣體和烤后煙葉中揮發性成分的影響，旨在闡明碳晶烤房提升烤后煙葉質量的機理，為煙葉烘烤裝備的升級提供理論支撐。

1材料與方法

1.1試驗設計

試驗于2020年在山東省沂水縣四十里煙葉烘烤工場進行。供試煙葉為烤煙品種NC55上部葉。煙田按照當地煙葉生產管理技術規范進行標準化管理，煙株長相符合中棵煙標準，長勢、成熟落黃均勻一致。煙葉采收后，煙夾持煙，采用8點式精準烘烤工藝進行烘烤。試驗用烤房為8.0m（長）×2.7 m（寬）×3.5 m（高）標準燃煤密集烤房和碳晶烤房。試驗設置2個處理：T1（燃煤烤房）和T2（碳晶烤房）。

1.2測定指標及方法

1.2.1烤房內氣體揮發性成分測定 在烘烤干筋期將8個固相微萃取頭放人烤房內收集氣體1h，采用固相微萃取法測定烤房內揮發性成分。

1.2.2煙葉中揮發性成分測定 回潮結束后，每個烤房均在8個固相微萃取頭附近各取B₂F煙葉（去除主脈），液氮保存。煙樣使用冷凍真空干燥機干燥后研磨，取1g裝入22 mL頂空進樣瓶，再將頂空進樣瓶放入70℃固相微萃取加熱平臺，平衡30 min后，將固相微萃取探頭扎入頂空進樣瓶內吸附30 min，上機進樣10 min。

1.2.3 GC/MS檢測條件 HP-FFAP（50m×320μm×0.5μm）；載氣：He；進樣口溫度：250℃；不分流進樣；柱溫：初始45℃，保持1min，以5℃/min升溫速率升至230℃，保持30 min；電離方式：EI；離子源溫度230℃；傳輸線溫度240℃；電子能量70 eV;掃描范圍：33～400 amu。所用色譜儀型號：7890A/5975C，美國Agilent公司產品。

1.3感官質量評價

由農業農村部煙草產業產品質量監督檢驗測試中心對煙葉樣品進行感官質量評價。

1.4數據處理

采用Microsoft Excel 2019和SPSS、SIMCA軟件對數據進行統計與分析。

2結果與分析

2.1烤后煙葉感官質量

如表1所示，不同類型烤房對烤后煙感官評吸質量有一定影響，碳晶烤房烤后煙評吸總分為72.8分，比普通燃煤烤房提高2.8分，主要在香氣質、香氣量、余味方面有所提升，感官質量較好。

2.2烤房氣體和烤后煙葉中揮發性成分分析

各處理樣品經GC/MS分析后，利用AMDIS工作站解卷積功能對共流出色譜峰進行解析，采用NIST和WILEY質譜數據庫標準檢索，并結合正構烷烴保留指數比對等人工解析手段對烤房氣體和煙葉中揮發性成分進行定性。之后，為了消除干擾組分的影響，采用各組分特征離子峰面積百分比法表示其相對含量。其P值由非參數檢驗獲得。烤房氣體中共鑒定出48種揮發性成分，包括羧酸類、醛類、酮類、酯類、醇類、烴類、氮雜環類化合物等（表2），其中烴類化合物最多，共有25種，醛、酮、酯類化合物合計有16種，酸、醇類化合物合計有4種，氮雜環類化合物有3種。兩種烤房中揮發性和半揮發性物質種類較為一致，只有茚、1-十二烯、1，4，5，8-四甲基萘在碳晶烤房中未檢出，在普通燃煤烤房中未檢測到松柏烯。烤后煙葉中共檢測出46種揮發性成分，其中烴類15種、醛類6種、酮類14種、醇類4種、酯類3種、含氮雜環類3種、含氧雜環類1種。

2.3差異化合物篩選

采用有監督的模式識別方法PLS-DA對數據進一步處理，分析得出兩種烤房氣體和烤后煙中差異顯著的揮發性成分。由圖1可知，烤后煙樣品模型擬合參數為R²X=0.825，R²Y=0.959，Q²=0.892，表明該模型的穩定性和預測性較好。為驗證模型是否存在過擬合現象，對模型進行200次響應排序，所得R²和Q²的截距分別為0.545和-0.296，說明模型有效，不存在過擬合現象。

由圖2可知，氣體中揮發性成分樣品模型擬合參數為R²X=0.805，R²Y=0.987，Q²=0.976，表明該模型的穩定性和預測性較好。在第1維預測主成分上，兩組間化合物的得分相差比較大，碳晶烤房能與燃煤烤房很好區分。為驗證模型是否存在過擬合現象，對模型進行200次響應排序，所得R²和Q²的截距分別為0.201和-0.297，說明模型有效，不存在過擬合現象。

通過PLS-DA分析過濾除去不相關的正交信號，從而使獲得的差異化合物更加可靠。結合變量投影重要性（variable importance in the projec-tion，VIP）值查找不同烤房氣體內揮發性成分和煙葉中揮發性的差異物質，以VIP>1.0作為標準，篩選出對模型分類貢獻較大的變量。VIP值越大，說明揮發性成分在兩個處理間的差異越顯著。在烤房氣體中篩選出新植二烯、煙堿、降茄二酮、萘、茄酮、鄰苯二甲酸二丁酯、苊烯、甲苯、西柏三烯二醇、9-亞甲基-9H-芴、正二十二烷、西柏三烯一醇、芴、2，3，6-三甲基萘、1-甲基萘、正二十烷、間異丙基甲苯、茚、麥思明、1，7-二甲基萘共20種差異化合物（表3），其中新植二烯、降茄二酮、萘、茄酮等化合物VIP值較大。結合非參數檢驗，與燃煤烤房相比，碳晶烤房氣體中新植二烯、萘、甲苯、1-甲基萘、正二十烷等化合物揮發有一定程度的降低，分別降低2.869、0.967、0.697、0.355個和0.350個百分點，且都達到極顯著差異；而煙堿、麥斯明、降茄二酮、茄酮等化合物揮發有一定程度的提高，分別提高2.495、0.349、1.096個和0.337個百分點，除煙堿外都達到極顯著差異。

烤后煙葉中篩選出煙堿、新植二烯、金合歡基丙酮、鄰苯二甲酸二丁酯、鄰苯二甲酸二異丁酯、二烯煙堿共6種差異化合物（表4）。與燃煤烤房相比，碳晶烤房煙葉中煙堿相對含量降低4.377個百分點，新植二烯增加3.152個百分點，均達到極顯著差異，且煙堿與新植二烯的VIP值均較高，是煙葉揮發性成分中差異最大的兩種化合物；金合歡基丙酮、鄰苯二甲酸二丁酯分別減少0.178個和0.047個百分點，鄰苯二甲酸二異丁酯、二烯煙堿分別增加0.047個和0.102個百分點。

2.4烤房內氣體與煙葉中共有揮發性成分分析

結合表2和圖3可以看出，兩種烤房內氣體和煙葉中共檢測出共有揮發性成分33種，其中烴類13種、醛類5種、酮類7種、醇類2種、酯類3種和含氮雜環類3種。碳晶烤房烤后煙中新植二烯、正十一烷、正十二烷、苯甲醛等6種揮發性成分高于燃煤烤房烤后煙，其揮發到烤房氣體中的含量均低于燃煤烤房。煙葉中苯乙醛、西柏三烯一醇在碳晶烤房與燃煤烤房的比值中較高，而在氣體中的比值接近于1。

3討論

調制過程在一定程度上決定了烤煙最終的吸食品質，其烘烤環境條件對烤煙香氣有極大影響，不同類型密集烤房的煙葉烘烤質量效果存在一定差異。本研究通過對碳晶烤房和燃煤烤房內氣體和烤后煙中的揮發性成分進行分析顯示，烤房內氣體和烤后煙中分別檢測到48種和46種揮發性成分。采用PLS-DA方法對數據進一步處理，在烤房氣體中初步篩選出20種差異化合物，其中新植二烯、降茄二酮、萘、茄酮等化合物VIP值較大，且在兩種烤房間差異極顯著；煙葉中篩選出煙堿、新植二烯、金合歡基丙酮、鄰苯二甲酸二丁酯、鄰苯二甲酸二異丁酯、二烯煙堿共6種差異化合物，碳晶烤房烤后煙中煙堿含量低于燃煤烤房烤后煙，差異達到極顯著，且煙堿的VIP值為4.68，是煙葉揮發性成分中差異最大的化合物。這與黃濤等的研究結果一致。

在兩種烤房氣體和烤后煙中檢測出33種共有揮發性成分，碳晶烤房烤后煙中新植二烯、正十一烷、正十二烷、苯甲醛等6種揮發性成分高于燃煤烤房烤后煙，其揮發到烤房氣體中的含量均低于燃煤烤房。新植二烯具有淡木香，與煙香協調，能提升煙香的自然風味，對清甜香韻的形成意義重大，其含量在變黃末期達到峰值，然后緩慢下降。與燃煤烤房相比，碳晶烤房氣體中新植二烯揮發占比減少2.869個百分點，而烤后煙中其含量占比增加3.152個百分點，均達到極顯著差異，表明碳晶烤房可能有利于減少煙葉中新植二烯在干筋期的揮發，從而保留更多的致香成分。碳晶烤房烤后煙中苯乙醛、壬醛、癸醛、茄酮、降茄二酮、西柏三烯一醇和鄰苯二甲酸二異丁酯這7種揮發性成分高于燃煤烤房烤后煙，其揮發到烤房氣體中的含量亦高于燃煤烤房。煙葉中苯丙氨酸的代謝轉化是影響香味的重要過程之一，苯丙氨酸的代謝產物如苯乙醛等是煙葉中含量較豐富的香味成分之一；西柏三烯醇類物質是煙葉表面的主要分泌物之一，其作為香氣的前體物對卷煙制品的香吃味有很大影響。本研究中苯乙醛和西柏三烯一醇在碳晶烤房與燃煤烤房烤后煙中差異達到極顯著，這可能是由于碳晶烤房中柔和的風速有利于密集烘烤煙葉香氣物質形成和沉淀，能形成優良的原煙品質。煙堿對煙葉的吸食、風味有重要影響。煙堿含量對勁頭的影響最為顯著，但煙堿含量過高會使烤煙香氣質、余味變差，香氣量變小，雜氣、刺激性變大。本研究中碳晶烤房氣體中煙堿含量大于燃煤烤房，但在煙葉中煙堿含量低于燃煤烤房.表明碳晶烤房可能有利于降低上部煙葉煙堿含量，使煙葉中煙堿成分揮發出去。

隨著烘烤的進行，煙葉中各類致香物質含量的變化都呈現先升后降趨勢。其干筋階段溫度較高，致香物質可能會分解，因此在干筋末期要盡量減少揮發性香氣物質的損失。本研究碳晶烤房烤后煙香氣量和香氣質均較普通燃煤烤房有所提升，可能是由于碳晶烤房主要為遠紅外熱輻射傳熱，濕-熱交換過程緩慢，煙葉內部和外部水分同時散失，能放慢排濕速度，盡可能保留煙葉中揮發性成分，減少香氣成分的散失。

4結論

碳晶烤房內氣體和烤后煙葉中揮發性成分與燃煤烤房存在差異，碳晶烤房能夠顯著提高煙葉中新植二烯含量，并減少其揮發。碳晶烤房通過在干筋期保留更多的致香物質而提升烤后煙品質。