烘丝过程中碳酸钾对烟草香味成分含量的影响

蒋历辉，张敏，孙凯健，刘百战，吴达

1.上海烟草集团有限责任公司技术中心，上海市杨浦区长阳路717号 200082

2.中南大学化学化工学院，长沙市麓山南路932号 410083

3.上海市烟草学会，上海市杨浦区长阳路717号200082

烘丝过程中碳酸钾对烟草香味成分含量的影响

蒋历辉1，2，张敏*3，孙凯健1，刘百战1，吴达1

1.上海烟草集团有限责任公司技术中心，上海市杨浦区长阳路717号 200082

2.中南大学化学化工学院，长沙市麓山南路932号 410083

3.上海市烟草学会，上海市杨浦区长阳路717号200082

为探讨碳酸钾（K2CO3）对烟丝中挥发性、半挥发性香味成分含量的影响，采用实验室模拟烘丝，按烟丝质量0.5%，0.9%，1.3%，1.7%和2.1%的用量将K2CO3水溶液均匀施加于烟丝，平衡48 h后，于设定条件（温度110℃，风速1.57 m/s和转速12 r/min）下烘丝至含水率为12%～13%，再用甲基叔丁基醚萃取烟丝并进行GC/MS检测。结果表明：①K2CO3对烟丝的外观有显著影响，当施加比例超过烟丝质量的1.3%时，部分烟丝变黑；②加入K2CO3后，烟丝中酯类、酸类组分含量呈规律性降低趋势；醇类组分和巨豆三烯酮类组分含量增加。

烟丝；碳酸钾；烘丝；香味成分

原烟有不同程度的质量缺陷，在卷烟加工工艺流程中，如何利用相关添加剂有针对性地改善其质量缺陷，提升烟叶品质及可用性，已成为烟草行业普遍关注的问题［1-5］。钾盐是卷烟中常用的添加剂之一，在卷烟中添加一定量的钾盐，能够加快卷烟的燃烧速度，减少抽吸口数，进而降低焦油等有害成分的释放量［6-8］。彭斌等［9］研究了各种钾盐添加到烟丝后烟气CO量的变化情况，结果表明K2CO3效果最好，且添加量为烟丝质量的3%时，烟气CO量可降低40%。将K2CO3添加至卷烟辅助材料中，考察其对卷烟主流烟气3种常规烟气指标或7种烟气有害成分以及卷烟燃烧性、抽吸口数等的影响也有报道［10-13］，但是将K2CO3添加到烟丝后考察其对烟丝品质的影响，特别是结合烘丝工序进行考察的研究鲜见报道。因此，研究了K2CO3添加到烟丝并烘丝后烟丝中挥发性、半挥发性香味成分含量的变化情况。

1 材料与方法

1.1 材料、试剂与仪器

复烤烟叶（2009年山东生产的C2F等级烟叶）。

乙酸苯乙酯（内标）、甲基叔丁基醚、甲苯（色谱纯，比利时Acros公司）；K2CO3（AR，国药集团化学试剂有限公司）。

Milli-Q超纯水仪（美国Millipore公司）；Agilent 7890-5975气质联用仪（美国Agilent公司）；XS204电子天平（感量：0.0001 g，瑞士Mettler-Toledo公司）；FB 0.16电热鼓风装盘烘箱（上海优芯试验设备制造厂；根据实验要求改造［14］，见图1）；KBF240恒温恒湿箱（德国Binder公司）；VI-2型实验室用切丝机（德国Hauni公司）。

1.2 方法

1.2.1 K2CO3水溶液配制

用容量瓶准确配制质量百分数分别为5%，9%，13%，17%和21%5个浓度的K2CO3水溶液。

1.2.2 烟丝平衡

片烟切成宽度为1.0 mm的烟丝，过0.42 mm（40目）筛，置于恒温恒湿箱（22℃，60%RH）中平衡48 h后密封保存。称取烟丝6份，各100.0 g，5份分别喷洒上述配制的K2CO3水溶液10.0 mL，1份喷洒10.0 mL水作为对照，按实验编号分别装入自封袋平衡48 h。

1.2.3 烟丝干燥

设定滚筒烘丝箱参数为：烘丝温度110℃，烘箱风速1.57 m/s，以及滚筒转速12 r/min。将经过平衡的6份烟丝进行烘丝，烘丝时间为180～182 s。

1.2.4 烟丝萃取

为去除烟丝含水率对实验结果的影响，将烘后烟丝置于恒温恒湿箱（22℃，60%RH）中平衡24 h。然后按实验编号每份烟丝称取4.00 g并置于样品管中，各加入20.0 mL甲基叔丁基醚和50.0µL 0.2 mg/mL乙酸苯乙酯（内标）的甲苯溶液，超声波萃取1.0 h后静置8.0 h，3000 r/min下离心4.0 min，取上清液进行GC/MS检测。分析条件为：

采用Wiley7n.l谱库检索定性，内标法定量。其中2, 3-丁二醇、苯甲醇、苯乙醇、4-羟基苯乙醇、2-甲基丁酸、苯乙酸、4-羟基-3-甲氧基苯甲酸、十四酸、对甲基苯甲醛、香草醛、5-羟甲基糠醛、茄酮、β-大马酮、氧化茄酮、3-羟基-β-二氢大马酮、2-乙酰吡咯、麦芽酚、吲哚、烟碱、二氢猕猴桃内酯、新植二烯配制标准溶液；其他组分以目标物峰面积和内标峰面积比进行相对定量，物质的相对校正因子（F）取1.00。

1.2.5 重复性考察

图1 滚筒烘丝箱外部、内部构造图

称取6份烟丝，每份100.0 g，按编号分别均匀喷洒5个浓度的K2CO3水溶液和水（对照）各10.0 mL，密闭平衡48 h后，进行烘丝、平衡及取样分析，平行实验3次，取平均值。选择部分香味成分（匹配度均大于90%），如苯甲醇、苯乙醇、β-大马酮、巨豆三烯酮等，分别计算不同K2CO3添加量及对照实验3次结果的相对标准偏差（RSD）。

2 结果与讨论

2.1 方法的重复性

不同K2CO3添加量烟丝样品经GC/MS分析后，挥发性、半挥发性成分的含量均值如表1所示。烟丝中部分香味成分如苯甲醇、巨豆三烯酮等的重复性（RSD）结果如表2所示。

从表2可以看出，所选香味成分中仅有少数组分的RSD值超过了10%。对于添加水的对照实验，3次平行实验的RSD平均值为5.87%；在0.5%，0.9%，1.3%，1.7%和2.1%5种K2CO3用量条件下，3次平行实验的RSD平均值分别为6.30%，5.73%，5.65%，6.98%和5.83%，说明方法的重复性较好。

表1 不同K2CO3添加量烟丝中挥发性、半挥发性香味成分的含量（μg/g）

（续表1）

表2 烟丝中代表性香味成分含量的RSD值（n=3）（%）

（续表2）

2.2 烘丝时间的确定

卷烟制丝工艺流程中，干燥后烟丝含水率为12%～ 13%。为确保添加不同浓度K2CO3水溶液的烟丝在烘丝后其含水率符合卷烟工艺要求且基本一致，考察了烟丝失水率与烘丝时间的关系。平行称取6份烟丝各100.0 g，分别喷洒10.0 mL水，平衡48 h后按照1.2.3节设定的滚筒烘箱参数及不同的烘丝时间进行实验，结果如表3所示。根据表3数据绘制烘丝时间（X，s）-失水百分点（Y）曲线（图2）。

表3 不同烘丝时间的烟丝含水率

图2 烟丝失水率随烘丝时间的变化曲线

由表3和图2可知，合理的烘丝时间应该在180 s左右。为验证该烘丝时间是否合理，将添加水并平衡48 h的烟丝在1.2.3节所述条件下烘丝180 s，实验测得烘后烟丝含水率为13.01%。可见，将烘丝时间控制在180 s左右能够保证烘丝后烟丝含水率为12%～13%。

2.3 烟丝外观变化

现有文献并未报道添加K2CO3并经过烘丝工艺后的烟丝外观变化，因此对添加不同用量K2CO3（分别为烟丝质量的0.5%，0.9%，1.3%，1.7%和2.1%）的烘后烟丝外观进行了观察（图3）。由图3可知，添加K2CO3的烟丝经过平衡和烘丝后，烟丝外观变化的突变点为1.3%，即100.0 g烟丝在喷洒10.0 mL 13%K2CO3水溶液并烘丝后，有少许烟丝变黑（图3d），随着添加K2CO3用量的增加，烟丝变黑的比例也增加，当K2CO3添加量为烟丝质量的2.1%时，烟丝变黑的比例已近30%（图3f）。

图3 添加不同比例K2CO3后烟丝的外观变化

2.4 烟丝中烟碱的含量变化

由表1可知，烟丝中烟碱含量随K2CO3用量增加的变化最为显著。这可能是由于K2CO3属于强碱弱酸盐，因而碱性较强，对于质量分数为21%的K2CO3水溶液，其pH值为10.75。K2CO3水溶液存在如下的电离方式：

2.5 K2CO3用量对烟丝中挥发性、半挥发性香味成分的影响

据报道，目前基本确定的烟叶和烟气中的致香成分，尤其是挥发性的香味物质，主要分为七大类，即酸类、醇类、羰基类、酯类和内酯、酚类、氮杂环类和酞胺及亚胺类［16-17］。由于各类香味组分含量相差很大，如3-氧代-α-紫罗兰醇含量为33.0µg/g左右，而苯甲醇仅为2.50µg/g，为了便于观察不同K2CO3用量烟丝在平衡和烘丝后的挥发性、半挥发性香味成分含量变化，以添加水的烟丝中各香味组分的含量为对照，将添加K2CO3的烟丝中香味成分组分含量除以对照，得到二者的比值，并由此绘制不同K2CO3用量烟丝中各香味组分含量的比值柱形图。

2.5.1 烟丝中醇类组分的含量变化

施加不同比例K2CO3及水后烟丝中醇类组分含量对比（图4）显示，烟丝在施加0.5%K2CO3平衡并烘丝后，醇类组分含量增幅显著，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-羟基苯乙醇的含量分别增加了1.82，0.72，0.56和5.19µg/g。

2.5.2 烟丝中酸类组分的含量变化

K2CO3水溶液具有较强的碱性，加入到烟丝平衡后，在烘丝高温阶段加热的情况下极易与烟丝中的酸类组分反应生成盐，从而降低了烟丝中酸类组分的含量。由图5可知，随着施加到烟丝中K2CO3比例的增大，酸类组分的含量呈明显的降低趋势。数据分析表明，当K2CO3施加量为烟丝质量的1.3%时，检测不到苯酚，可能是烟丝在高浓度K2CO3溶液作用下，苯酚转换为钠盐形式，因而不能被甲基叔丁基醚萃取。当K2CO3施加比例为2.1%时，2-甲基丁酸含量仅为0.47µg/g，降低了80%左右。但反常的是9,12-十八碳二烯酸和4-羟基-3-甲氧基苯甲酸（香草酸），烟丝在施加其质量0.5%的K2CO3并平衡和烘丝后，两个组分含量升高，之后随着K2CO3添加比例的升高而下降，这说明烟丝是一个复杂体系，组分含量受多方面因素的影响，具体影响机制尚待进一步研究。

2.5.3 烟丝中酯类组分的含量变化

由酯类组分含量的变化（图6）可以看出，酯类组分含量的变化趋势与酸组分相类似，均呈下降趋势，随着添加到烟丝中K2CO3比例的增加，酯类组分含量下降的幅度较明显，当K2CO3添加比例达2.1%时，与水相比，DL-泛酰内酯、二氢猕猴桃内酯、3-羟基二氢猕猴桃内酯、十六酸甲酯、莨菪亭、7,10,13-十六碳三烯酸甲酯的含量分别降低了2.58，0.35，0.27，0.55，12.82和13.81µg/g。这可能是由于在高温烘丝条件下，酯类组分被K2CO3催化而发生了水解反应所致。

图4 不同比例K2CO3处理烟丝前后醇类组分含量变化

图5 不同比例K2CO3处理烟丝前后酸类组分含量变化

图6 不同比例K2CO3处理烟丝前后酯类组分含量变化

2.5.4 烟丝中巨豆三烯酮的含量变化

巨豆三烯酮是烟丝中代表性的香味成分，K2CO3的施加对烟丝中巨豆三烯酮含量具有很明显的提升趋势（图7）。100.0 g烟丝喷洒加入K2CO3（5%，10.0 mL）水溶液并烘丝后，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分别增加0.10，0.34，0.53和0.36µg/g。可能的原因是，碱性水溶液的加入和高温烘丝条件下，糖苷结合态巨豆三烯酮部分水解为游离态。此外，烟叶中部分3-氧代-α-紫罗兰醇发生脱水反应，转化为巨豆三烯酮。

图7 不同比例K2CO3处理烟丝前后巨豆三烯酮含量变化

3 结论

采用实验室模拟烘丝，研究了按烟丝质量0.5%，0.9%，1.3%，1.7%和2.1%的用量将K2CO3水溶液添加到烟丝中平衡并烘丝后，K2CO3添加量对烟丝品质的变化规律：K2CO3添加到烟丝的量有明显的突变点，当施加比例超过烟丝质量的1.3%时，部分烟丝变黑；K2CO3加入到烟丝，烟丝中的酯类、酸类组分含量有规律地降低，但醇类和巨豆三烯酮类组分含量增加。

［1］Paschke T，Scherer G，Heller W.各种添加剂对卷烟烟气组成的影响综述［J］.烟草科技，2003（6）：27-30.

［2］郜强，沙云菲，金永明，等.温度、水分、时间和添加剂对烟丝挥发性及半挥发性化学成分的影响［J］.中国烟草学报，2010，16（z1）：70-74.

［3］刘立全，周雅宁，龚安达.烟草工业减害研究进展［J］.烟草科技，2011（2）：25-34.

［4］黄静文，段焰青，者为，等.短小芽孢杆菌改善烟叶品质的研究［J］.烟草科技，2010（8）：61-64.

［5］朱静，颜学武，孙学辉，等.Amberlite IRC748螯合过渡金属离子降低卷烟烟气中HCN研究［J］.烟草科技，2011（5）：53-58.

［6］Zhou Shun，Wang Chenghui，Xu Yingbo，et al.The pyrolysis of cigarette paper under the conditions that simulate cigarette smouldering and puffing［J］.J Therm Anal Calorim，2011，104（3）：1097-1106.

［7］周博，张天栋，李赓，等.乳酸和乳酸盐在卷烟保润中的应用［J］.中国烟草学报，2011，17（6）：8-12.

［8］史宏志，杨辉，李传玉，等.碳酸氢钾和氯化钠对烟草转化株烟碱转化的诱导作用［J］.中国烟草学报，2007，13（4）：26-30.

［9］彭斌，金征宇，翁昔阳，等.碳酸钾对卷烟主流烟气焦油、烟碱、游离烟碱、pH值及劲头的影响［J］.烟草科技，2007（7）：8-10.

［10］郑琴，程占刚，李会荣，等.卷烟纸对卷烟主流烟气中7种有害成分释放量的影响［J］.烟草科技，2010（12）：49-51.

［11］刘志华，崔凌，缪明明，等.柠檬酸钾钠混合盐助燃剂对卷烟主流烟气的影响［J］.烟草科技，2008（12）：10-13.

［12］郭吉兆，郑赛晶，颜权平，等.卷烟纸助燃剂对主流烟气7种有害成分释放量的影响［J］.烟草科技，2012（7）：43-45.

［13］赵乐，彭斌，于川芳，等.辅助材料设计参数对卷烟7种烟气有害成分释放量的影响［J］.烟草科技，2012（10）：46-50.

［14］张朝平，孙凯健，陈勇.烟丝烘干设备：中国，201020185027. X［P］.2010-05-06.

［15］孙洪海，高宇，翟永爱，等.手性离子液体的合成［J］.化学进展，2008，20（5）：698-712.

［16］陶红，沈光林，赵谋明，等.酶技术改善烟叶品质的研究进展［J］.现代食品科技，2008，24（7）：737-740.

［17］史宏志，刘国顺，杨惠娟，等.烟草香味学［M］.北京：中国农业出版社，2011.

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

上海烟草集团有限责任公司博士后项目“卷烟加工温度和添加剂对烟草半挥发成分的影响研究”（K2012-1-019Z）。

蒋历辉(1980—)，博士，讲师，主要从事烟草工艺研究。E-mail：jiangmenghu@163.com；*

张敏E-mail：zhangmin@sh.tobacco.com.cn

2014-05-22

责任编辑：洪广峰E-mail：hgf@ztri.com.cn

电话：0371-67672660