中短波红外干燥对梗丝质量的影响

夏 非，马 扬，邱 智，石志发，施 鸣，尧珍玉*

〔1.云南瑞升烟草技术(集团)有限公司，云南 昆明 650106； 2.贵州中烟工业责任有限公司技术中心，贵州 贵阳 550001〕

0 引言

【研究意义】梗丝的应用可有效地降低卷烟焦油和调节烟气与吸味，同时也能够节约卷烟生产成本，为卷烟企业创造价值。传统的梗丝膨胀技术大多采用高温高湿处理方法，即以水、汽为膨胀介质，以高温、高湿为手段，使烟梗内部的水蒸气压力增大，从而导致烟草的毛细管和细胞胀大，其体积明显扩大，从而实现快速干燥[1-3]。中短波红外干燥(Med-and short-wave infrared radiation drying，IR)是一种新的干燥方式，该技术具有加热效率高和加热相对均匀等特点[4]，探明其对梗丝质量的影响对卷烟生产具有重要意义。【前人研究进展】目前，膨胀设备除传统的滚筒式干燥机外[5]，还有HXD在线膨胀设备[6]、闪蒸式(STS)+隧道振槽式梗丝干燥机(FBD)[7]和HDT气流式烘梗丝机[8]等，形成的烟梗膨胀产品大多为片状，色泽偏浅，外观形态与烟丝差异较大，应用到卷烟中会影响烟支燃烧状态和掺配的均匀性等，最终影响卷烟品质。红外干燥基本原理是红外线辐射器所产生的电磁波以光的速度直线传播致被干燥物料，当红外线或远红外线的发射频率和被干燥物料中分子运动的固有频率(红外线或远红外线的发射波长和被干燥物料的吸收波长)相匹配时，物料内分子会因强烈振动引起激烈摩擦而产生大量热量，从而达到干燥的目的。从红外发射器发出的能量直接被干燥物料表面吸收，周围空气不被加热而且物料温度不受周围空气温度的影响。【研究切入点】中短波红外干燥已成功应用于多种农产品及副产物的干燥加工[9-11]，但鲜见其用于烟梗丝干燥的研究报道，亟待弄清中短波红外干燥梗丝的理化指标、致香成分及感官质量变化。【拟解决的关键问题】以贵州某卷烟配方烟梗为材料，研究中短波红外干燥对压切后梗丝质量的影响，并与常规梗丝的理化指标、致香成分及感官质量进行对比分析，为中短波红外干燥梗丝提供新的技术依据。

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1 烟梗 烟梗，贵州中烟工业有限责任公司贵阳卷烟厂某配方烟梗。

1.1.2 试剂 二氯甲烷(AR)，西陇化工股份有限公司；无水硫酸钠(AR)，天津市科密欧化学试剂有限公司；无水乙醇(色谱纯)，迪马科技有限公司；乙酸苯甲酯(内标色谱纯)，百灵威科技有限公司。

1.1.3 仪器及设备 YQ-2 型叶丝振动分选筛、YDZ430 型烟丝填充值测定仪，郑州烟草研究院；KBF540 恒温恒湿箱，德国Binder公司；ABS204-S电子天平(感量0.000 1 g)，瑞士Mettler-Toledo公司；Cyclotec 1093旋风式样品磨，瑞典FOSS(中国)有限公司；6890N/5975N气相色谱/质谱联用仪、配HP-5MS毛细管色谱柱，美国Agilent公司；同时蒸馏萃取装置，自制；R114旋转蒸发仪，瑞士Büchi公司；SAK-D-12420型多层红外干燥机，泰州圣泰科红外科技有限公司。

1.2 方法

1.2.1 中短波红外干燥机的系统组成及工作原理 中短波红外干燥机主要由输送系统、红外干燥系统和热风循环系统组成。工作原理：切丝后的梗丝湿物料通过振槽振动输送至干燥设备进料口，限料装置使物料保持5 cm厚度均匀摊铺在物料输送带上，物料经输送带送入红外干燥机干燥腔内，物料在输送过程中经24组红外灯管的照射，使物料升温、脱水。在干燥过程中，热风循环系统使干燥腔体内部分热空气循环，利用热气流提高干燥效率，排湿系统将湿气排出，使干燥腔体内的热空气保持合适的含湿量，能够使梗丝均匀、充分干燥。

1.2.2 样品的制备 烟梗经回潮、平衡、压梗、切丝后取1 000 kg通过振槽引流进入多层红外干燥机干燥后制得红外干燥梗丝；其余切后梗丝采用常规制梗丝干燥设备干燥后制得常规梗丝。常规梗丝和红外干燥梗丝制作关键工序参数见表1。

表1 不同制梗丝工艺的关键工序过程参数Table 1 The key process parameter of cut stem produced with different processes

1.2.3 指标测定 指标主要包括梗丝的含水率、填充值和结构，以及梗丝常规化学成分和主要致香物质的含量。梗丝的含水率、填充值及结构采用文献[12-13]的方法测定；常规化学成分含量采用文献[14-18]的方法测定。

主要致香物质测定：1) 样品的制备：将样品用旋风磨粉碎后过60目筛，梗末样品在平衡箱中(温度22℃，湿度60%)平衡24 h，准确称取平衡后的梗末样品25.00 g，放入同时蒸馏萃取装置的3个烧瓶中，用二氯甲烷作为溶剂对烟丝连续动态萃取2.0 h，提取物经无水硫酸钠干燥后，用旋转蒸发仪定量浓缩至1.0 mL，加入50 μL乙酸苯甲酯(0.1 mol/L)内标溶液摇匀后，采用气相色谱/质谱联用仪对其进行分析。2) 仪器条件：色谱柱为HP-5MS(30 m×0.25 mm×0.25 m)毛细管柱，进样口温度260℃，载气为He，载气流量1 mL/min；程序升温：50℃保持1 min，8℃/min升温至160℃保持2 min，8℃/min升温至260℃保持15 min；进样量2 μL，分流比为25∶1，传输线温度280℃，电离方式为EI，电离能量70 eV，离子源温度230℃，四级杆温度150℃，质量范围35～455 aum。

常规梗丝和红外干燥梗丝的致香成分检测后取其主要致香成分结果，按杂环类、酮类、醛类、酚类、烯烃类、酸类和酯类进行分类求和后计算其变化率。

1.2.4 感官评吸 将红外干燥梗丝样品和常规梗丝样品以相同的材料卷制成烟支，由7名卷烟委员组成的评吸小组对其香气质、杂气、浓度、细腻、刺激性、干净程度、干燥感和舒适性等指标进行感官评吸对比。

1.3 数据处理与分析

采用Excel 2010对数据进行统计与分析。

2 结果与讨论

2.1 梗丝的物理特征

从表2可知，红外干燥梗丝和常规梗丝的填充值分别为4.86 cm3/g和5.69 cm3/g，红外干燥梗丝填充值低于常规梗丝，原因是常规梗丝在高速气流和文丘里管的综合作用下，通过压差变化和快速脱水实现剧烈膨胀，而红外干燥是一个相对均匀的慢速失水过程，因此梗丝的膨胀效果不明显。梗丝组成，>3.25 mm的红外干燥梗丝和常规梗丝分别为37.31%和57.44%，常规梗丝占比更高；2.5～3.25 mm与1.0～2.5 mm的红外干燥梗丝和常规梗丝分别为38.64%、22.49%和30.52%、10.31%，均为红外干燥梗丝占比更高。>2.5 mm的梗丝为整丝，<1.0 mm的梗丝为碎丝，红外干燥梗丝的整丝率(75.95%)低于常规梗丝(87.96%)，碎丝率(1.56%)略低于常规梗丝(1.73%)，可能是梗丝在红外干燥中的物料运动程度较低，致碎较小。总体看，红外干燥梗丝的整体尺寸较小，但结构更均匀。与常规梗丝相比，红外干燥梗丝的色泽更深，更黄(图1)。

表2 红外干燥梗丝与常规梗丝物理质量Table 2 Physical quality of infrared radiation dried cut stem and conventional cut stem

图1 红外干燥梗丝与常规梗丝的外观形态特征Fig.1 Appearance morphological features of infrared radiation dried cut stem and conventional cut stem

2.2 梗丝化学成分的含量

从表3看出，红外干燥梗丝的总糖、钾离子、还原糖、总植物碱、氯离子和总氮含量分别为23.8%、5.55%、18.3%、0.41%、2.43%和1.91%，常规梗丝的总糖、钾离子、还原糖、总植物碱、氯离子和总氮含量分别为24.3%、5.56%、19.8%、0.42%、2.46%和1.96%。总体变化不大，但红外干燥梗丝的化学成分含量均低于常规梗丝。

表3 红外干燥梗丝与常规梗丝的化学成分含量Table 3 Chemical component content of infrared radiation dried cut stem and conventional cut stem %

2.3 梗丝的致香成分的含量及变化

从表4可知，常规梗丝和红外干燥梗丝的主要致香成分有42种，其中，杂环类8种、酮类12种、醛类10种、酚类2种、烯烃类2种、酸类2种和酯类6种。常规梗丝和红外干燥梗丝各类致香成分总量，杂环类分别为1.528 μg/g和1.768 μg/g，酮类分别为4.065 μg/g和4.015 μg/g，醛类分别为5.791 μg/g和7.230 μg/g，酚类分别为0.511 μg/g和0.368 μg/g，烯烃类分别为15.689 μg/g和15.103 μg/g，酸类分别为12.447 μg/g和10.550 μg/g，酯类分别为24.017 μg/g和18.306 μg/g。与常规梗丝相比，红外干燥梗丝的杂环类、酮类、醛类、酚类、烯烃类、酸类和酯类致香成分的变化率分别为15.70%、-1.23%、24.85%、-27.98%、-3.74%、-15.24%和-23.78%。可见，红外干燥梗丝的酚类、酸类和酯类物质较常规梗丝明显减少，醛类和杂环类物质较常规梗丝明显增加，酮类和烯烃类物质较常规梗丝变化不大。

表4 红外干燥梗丝与常规梗丝主要致香物质的含量及变化Table 4 Content and variation of main aroma substance in infrared radiation dried cut stem and conventional cut stem

2.4 梗丝的感官质量

从表5看出，红外干燥梗丝和常规梗丝的香气质、杂气和刺激性等各指标感官评价得分的变化。刺激性，红外干燥梗丝和常规梗丝均为11.7分，结果相当；浓度，红外干燥梗丝和常规梗丝分别为7.1分和7.6分，红外干燥梗丝略低于常规梗丝；其余指标评价得分红外干燥梗丝均高于常规梗丝。总分，红外干燥梗丝和常规梗丝分别为80.4分和79.2分。总体看，红外干燥梗丝较常规梗丝的感官质量略有提升。

表5 红外干燥梗丝与常规梗丝的感官质量评价Table 5 Sensory quality evaluation of infrared radiation dried cut stem and conventional cut stem 分

3 讨论

经过红外干燥梗丝的填充值及整丝率较常规梗丝降低，但梗丝结构更趋于一致性，且色泽更深，可能是红外的辐射强度和物料内部化学成分与水分子共振引起褐变[19]所致，无常规梗丝颜色发白的现象；形态为细长丝状，没有大片状梗丝，更趋近于叶丝。红外干燥梗丝的化学成分含量均低于常规梗丝，总体变化不大，其中总糖和还原糖低于常规梗丝的原因可能是红外干燥的特殊干燥机理导致糖类物质参与美拉德反应[19]。常规梗丝和红外干燥梗丝的主要致香成分有42种，其中，杂环类8种、酮类12种、醛类10种、酚类2种、烯烃类2种、酸类2种和酯类6种。与常规梗丝相比，杂环类、酮类、醛类、酚类、烯烃类、酸类和酯类致香成分的变化率分别为15.70%、-1.23%、24.85%、-27.98%、-3.74%、-15.24%和-23.78%。可见，红外干燥梗丝的酚类、酸类和酯类物质较常规梗丝明显减少，醛类和杂环类物质较常规梗丝明显增加，酮类和烯烃类物质较常规梗丝变化不大。可能原因：梗丝经红外干燥后，代表甜香及梗丝飘逸感的醛类物质增加；代表弱花香、青香及平淡感的烯烃类、酯类、酸类转变为带有甜香及烘烤香的杂环类物质，梗丝由生青气转变为淡甜烘烤气息[20-21]。下一步将研究红外干燥梗丝在卷烟中的掺配、应用与评价。基于红外波长与水分子吸收波长相匹配而引起水分子剧烈运动的干燥原理，红外干燥对物料具有一定的厚度要求，当物料厚度超出红外线波长，干燥速率就会下降，一定程度上制约了生产效率。因此，对新型红外干燥设备及其辅联设备的开发是下一步的研究利用方向之一。

4 结论

红外干燥梗丝的酚类、酸类和酯类物质较常规梗丝明显减少，醛类和杂环类物质较常规梗丝明显增加，酮类和烯烃类物质较常规梗丝变化不大，化学成分含量均低于常规梗丝，感官质量较常规梗丝略有提升。