制梗丝关键工序烟梗原料有机酸含量的变化

高 辉，唐习书，王仕宏，李思源，肖 冬，程 亮，李 云，祁 林*

(1.云南同创检测技术股份有限公司，云南 昆明 650106； 2.红云红河烟草(集团)有限责任公司，云南 昆明 650231； 3.云南中烟工业有限责任公司，云南 昆明 650231)

在卷烟制丝加工过程中，烟草原料要经过多道加温、加湿和干燥热处理工序加工，温度、湿度等外界条件的不断变化导致烟草内部化学成分的一系列变化，从而直接影响到卷烟成品的内在质量。自国内烟草行业将“特色工艺”研究列为重大战略性课题以来，各烟草企业及科研院所对制叶丝过程主要热处理工序物料化学成分的变化作了大量的研究工作[2-5]。烟梗作为卷烟配方的重要组成原料，其制丝过程与制叶丝有许多相似之处，主要热处理工序也包括润梗(洗梗、烟梗回潮和烟梗增温)、梗丝加料和梗丝干燥，而目前关于制梗丝过程关键工序烟梗原料化学成分的变化规律研究尚未见报道。

有机酸广泛存在于烟草中，含量为12%～16%，包括挥发性的低级脂肪酸、半挥发性的高级脂肪酸和非挥发酸的二元、三元酸，对烟叶品质有着正面影响。其中，挥发性有机酸不仅可赋予烟气芳香的吸味特征，还可调节烟气的柔和度，对卷烟的吸食特性有积极的贡献；非挥发性多元酸和高级脂肪酸的种类和含量直接影响卷烟的吸味品质，是评定烟叶品质的重要依据；此外，烤烟中非挥发性有机酸能与生物碱结合成盐，调节烟气pH，减轻烤烟的刺激性[7-9]。

由于烟梗原料在润梗、加料和干燥3道热处理工序中受到的温湿度和作用时间的影响，导致不同工序烟梗原料的有机酸含量发生相应的变化。因此，选择单等级醇化烟梗作为制梗丝原料，保持制梗丝过程加工参数相对稳定，分别测定润梗前原梗、切丝后梗丝、加料后梗丝以及干燥后梗丝中的挥发性和非挥发性有机酸含量，分析制梗丝过程中主要热处理工序加工对烟梗原料有机酸含量的影响，为制梗丝关键工序主要加工工艺技术参数的优化和加工方式的改进提供参考依据，也为深化精细加工和异地均质化技术研究、提高加工工艺及装备对产品质量的贡献率提供技术支持。

1 材料与方法

1.1 烟梗丝原料

制梗丝原料为2016年昆明石林红大C3F烟叶打叶复烤后醇化2年的烟梗，由红云红河烟草(集团)有限责任公司昆明卷烟厂打叶复烤车间提供。

1.2 制梗丝主要工艺流程

烟梗备料→烟梗筛分→水洗梗→烟梗回潮→烟梗增温→压梗→切梗丝→梗丝加料→梗丝气流干燥→梗丝加香→梗丝贮存。

1.3 取样方法

待各工序进入稳定生产后，取样位置分别固定在水洗梗入口、切梗丝出口、梗丝加料出口及梗丝气流干燥工序出口，4个位置每次取样约100 g，每次取样间隔约10 s，4个位置均取样50次，得到4个不同工序位置烟梗原料样品的大样本各5 kg；将各样本在实验室充分混匀，再从每个大样本的不同位置取样5次，每次约200 g作为待检样品。

1.4 有机酸含量的测定

将不同工序的烟梗或梗丝样品在45℃下烘1 h，用旋风磨粉碎，过60目筛，所得烟末在平衡箱中于22℃、相对湿度为60%的条件下平衡24 h。按照文献[10]中的方法利用6890N/5975N气相色谱-质谱联用仪测定烟梗或烟梗丝中的挥发性和非挥发性有机酸含量。

1.5 数据处理与统计分析

利用R语言统计软件(R i386 3.6.0)中的相关函数对数据进行处理、统计分析，利用aov和TukeyHSD函数对不同工序烟梗或梗丝样品有机酸的5次测定值进行单因素方差分析和多重比较；利用cor和principal函数对原始数据进行基于相关系数矩阵的主成分分析；利用KMO和bartlett.test函数对相关系数矩阵进行主成分分析前的Kaiser-Meyer-Olkin(KMO)和Bartlett球形度检验，利用该检验的统计量比较变量之间的简单相关和偏相关系数。KMO值在0～1间越接近1，表明所有变量之间简单相关系数平方和远大于偏相关系数平方和，越适合主成分分析[11]；在进行主成分得分计算时，利用scale函数对原始的指标矩阵进行标准化处理，标准化处理后，矩阵中每1列化学指标的均值为0，标准偏差为1。

2 结果与分析

2.1 不同工序烟梗原料有机酸含量差异性及变化趋势

由表1看出，不同工序烟梗样品的18种有机酸含量总体均存在显著性差异。从原梗、切梗丝、加料到干燥后，异戊酸、2-甲基丁酸、戊酸、3-甲基戊酸、苯甲酸、辛酸、乙二酸、苹果酸、柠檬酸、棕榈酸、亚油酸、油酸、亚麻酸和硬脂酸等14种有机酸含量均呈先降低后升高再降低的变化趋势，己酸含量总体呈降低趋势，苯乙酸含量呈先降后升趋势，丁二酸含量呈先升后降趋势，丙二酸含量无明显变化趋势。

表1 不同工序烟梗样品的挥发性有机酸和非挥发性有机酸含量Table 1 Content of volatile and non-volatile organic acids in tobacco stem samples under different process μg/g

注：同行不同小写字母表示不同工序间差异显著(p<0.05)。
Note: Different lowercase letters in the same row indicate significance of difference between different processes atp<0.05 level.

2.2 不同工序烟梗原料有机酸含量变化的主成分分析

2.2.1 主成分分析的适合度检验 在原始指标矩阵为正定矩阵(样本数≥指标数)的前提下，对其进行的Pearson相关性检验结果(表2，表3)表明，挥发性和非挥发性2类有机酸内部多数化学成分间存在较高的线性相关。因此，可以选择基于相关系数矩阵的主成分分析法对原始数据进行降维处理。对相关系数矩阵进行KMO和Bartlett球形度检验(表4)结果表明，2类有机酸主成分分析的KMO度量值分别为0.636和0.731，均大于0.5，且Bartlett球形度检验达极显著水平，表明相关系数矩阵适合进行主成分分析。

2.2.2 主成分提取 从表5看出，挥发性有机酸和非挥发性有机酸的前2个主成分(PC1和PC2)特征值均大于1，且累积方差贡献率分别为93.143%和89.536%，涵盖了大部分信息量。累积方差贡献率是提取主成分个数的重要判断依据，主成分的提取原则是当主成分累积方差贡献率超过85%时作为最后1个要提取的主成分。因此，选择主成PC1和PC2进行下一步分析。

表2 挥发性有机酸间的 Pearson相关系数矩阵Table 2 Pearson correlation coefficient matrix between volatile organic acids

注： *和**分别表示相关性达0.05和0.01的显著水平，下同。
Note: * and ** indicate significance of difference atP<0.05 andP<0.01 respectively. The same below.

表3 非挥发性有机酸间的 Pearson相关系数矩阵Table 3 Pearson correlation coefficient matrix between non-volatile organic acids

表4有机酸主成分分析前的 KMO度量值及 Bartlett球形度检验
Table 4 KMO metric measure and Bartlett sphericity test before principal component analysis of volatile and non-volatile organic acids

化学指标ChemicalindexKMO度量值KMOmetricmeasureBartlett球形度检验Bartlettsphericitytest近似卡方自由度显著性水平挥发性有机酸Volatileorganicacid0.636273.100280.000非挥发性有机酸Non-volatileorganicacid0.731331.138450.000

表5挥发性有机酸和非挥发性有机酸主成分分析的特征值及方差贡献率
Table 5 Characteristic value and variance contribution rate of principal component analysis of volatile and non-volatile organic acids

化学指标Chemicalindex主成分Principalcomponent特征值Characteristicvalue方差贡献率/%Variancecontributionrate累积方差贡献率/%Cumulativevariancecontributionrate挥发性有机酸PC16.36779.59193.143 VolatileorganicacidPC21.08413.552非挥发性有机酸PC17.24172.40989.536 Non-volatileorganicacidPC21.71317.127

2.2.3 不同工序烟梗原料主成分得分二维平面投影 由挥发性有机酸和非挥发性有机酸数据的主成分载荷矩阵除以对应特征值的平方根，得到每种有机酸的特征向量(表6),再根据特征向量得不同工序烟梗原料样品2类有机酸的PC1和PC2表达式：

PC1挥发性有机酸= 0.380Z1+ 0.386Z2+ 0.356Z3+ 0.384Z4+ 0.275Z5+ 0.341Z6+ 0.346Z7+ 0.347Z8

(1)

PC2挥发性有机酸=-0.170Z1-0.134Z2+ 0.334Z3-0.072Z4+ 0.673Z5-0.344Z6+ 0.296Z7-0.421Z8

(2)

PC1非挥发性有机酸= 0.357Z9+ 0.192Z10+ 0.227Z11+ 0.236Z12+ 0.361Z13+ 0.353Z14+ 0.355Z15+ 0.318Z16+ 0.349Z17+ 0.352Z18

(3)

PC2非挥发性有机酸=-0.078Z9+ 0.510Z10+ 0.528Z11+ 0.526Z12-0.053Z13-0.073Z14-0.155Z15-0.282Z16-0.222Z17-0.133Z18

(4)

式(1)～(4)中：Z1～Z18是利用scale函数变换后的标准变量，其中，Z1～Z8分别代表异戊酸、2-甲基丁酸、戊酸、3-甲基戊酸、己酸、苯甲酸、辛酸和苯乙酸；Z9～Z18分别代表乙二酸、丙二酸、丁二酸、苹果酸、柠檬酸、棕榈酸、亚油酸、油酸、亚麻酸和硬脂酸。

利用不同工序烟梗样品2类有机酸前2个主成分得分计算结果(表7)分别进行投影分析，结果(图1)表明，原梗、切丝后、加料后及干燥后4类烟梗样品在二维平面上的投影存在明显的分类现象，表明不同工序烟梗样品的有机酸含量整体存在一定的差异性。

表6 挥发性有机酸和非挥发性有机酸主成分PC1和PC2的载荷矩阵及特征向量Table 6 Load matrix and characteristic vector of PC1 and PC2 of volatile and non-volatile organic acids

表7 不同工序烟梗样品挥发性有机酸和非挥发性有机酸主成分PC1和PC2的得分Table 7 Score of PC1 and PC2 of volatile and non-volatile organic acids in tobacco stem samples under different process score

图1不同工序烟梗样品挥发性有机酸和非挥发性有机酸主成分PC1和PC2得分投影
Fig.1 Score projection ofPC1 andPC2 of volatile and non-volatile organic acids in tobacco stem samples under different process

表8 不同工序烟梗样品2类有机酸的类间距离Table 8 Distance between volatile and non-volatile organic acids of tobacco stem samples under different process

根据图1中二维平面上的坐标计算不同工序烟梗样品的类间欧氏距离(表8)可直观看出不同工序样品之间有机酸含量的差异性大小。其中，挥发性有机酸加料后与切丝后样品的类间距离最小，为1.648；干燥后的梗丝样品与原梗的类间距离最大，为6.421。非挥发性有机酸干燥后与切丝后样品的类间距离最小，为1.214；干燥后与加料后样品的类间距离最大，为5.880。

2.3 不同工序烟梗原料有机酸综合含量变化趋势

利用表7中2类有机酸的特征向量乘以每个烟梗样品对应化学成分的测定值，得到每个烟梗样品2类有机酸的综合含量并制作趋势图。由图2可见，原梗中的挥发性有机酸含量最高，经过润梗、压梗和切梗丝后，挥发性有机酸含量显著降低；加料后，梗丝中的挥发性有机酸含量略升高，但经过气流干燥后，又显著降低。非挥发性有机酸与挥发性有机酸的变化趋势一致，原梗在经过润梗、压梗和切梗丝后，非挥发性有机酸含量显著降低，但加料后，非挥发性有机酸含量出现显著升高现象，经过气流干燥后，梗丝中的非挥发性有机酸含量又显著降低。

图2不同工序烟梗或梗丝样品2类有机酸综合含量的变化趋势
Fig.2 Variation trend of comprehensive content of volatile and non-volatile organic acids in tobacco stem and cut stem samples under different process

3 结论与讨论

试验选择红大C3F单等级醇化后烟梗作为制梗丝原料，利用单因素方差分析和主成分分析研究了制梗丝过程主要热处理工序后烟梗原料中挥发性和非挥发性有机酸含量的差异性及变化趋势。从原梗、切梗丝、梗丝加料到梗丝干燥后，所测定的18种有机酸含量总体均存在显著性差异，其中有14种含量呈先降后升再降的变化规律。通过挥发性和非挥发性有机酸前2个主成分得分的投影分析，4类烟梗样品在二维平面上的分布存在明显的分类现象，说明不同工序烟梗样品的有机酸含量整体存在较大差异。制梗丝过程，烟梗原料中的挥发性和非挥发性有机酸综合含量均呈先降后升再降的变化趋势。

从原梗到切梗丝，经过洗梗、烟梗回潮、烟梗增温等高温高湿的热处理工序，导致烟梗中的有机酸损失较多；加料工序后梗丝中的有机酸含量出现明显增加的趋势，这是因为在添加的料液中含有大量的调味剂和增香剂，其中含有丰富的烟草有机酸成分；梗丝干燥工序主要是通过较高温度的工艺气体在短时间内使梗丝干燥膨胀，较高温度的热风使梗丝中的水分快速蒸发，同时伴随着大量挥发性物质的流失，因此在干燥工序后梗丝中的有机酸含量显著降低。

制梗丝过程中有机酸含量的变化趋势分析为加料工序烟用料液配方的优化设计提供了重要的参考，烟用料液的成分主要包括调味剂(糖类和有机酸类)、增香剂(果味浓缩汁、烟草浸膏、中草药提取物、辛香料提取物、某些植物器官浸提物、人工合成香料、美拉德反应物等)、保润剂(丙二醇、丙三醇等)、防霉剂(苯甲酸、山梨酸、1,2-丙二醇、1,3-丁二醇等)和燃烧调节剂(助燃剂、烟灰调节剂、阻燃剂)等5大类[12]。可以看出，烟用料液配方中的调味剂和增香剂中含有大量的有机酸等挥发性香味物质，这些香味成分虽然在加料环节施加到片烟或梗丝表面，但经过高强度的干燥工序处理后，部分香味成分在高温条件下挥发并流失。因此，在进行烟用料液和香料配方设计时，部分调味剂和增香剂可以在后序的加香环节中使用，以降低干燥工序造成的片烟或梗丝表面料液香味成分的损失，提高烟用料液的有效利用率，同时提升卷烟的感官质量。