闭式循环烟叶烘烤冷凝水化学成分及致香物质研究

任杰，蔡宪杰，曹亚凡，曹建敏，谭效磊，李炜，杨楠，闫鼎，许成悦，徐秀红

摘  要：为实现闭式循环烘烤过程中冷凝水的开发利用，研究了冷凝水流出速率及其主要化学成分和致香物质含量。结果表明，闭式循环烘烤过程中，冷凝水流出速率呈先升高后下降的趋势，变黄末期流出速率最大，干筋期流出速率最低。冷凝水中总植物碱含量随烘烤进行逐渐升高，未检测到总糖、还原糖和蛋白质。冷凝水中最多检测到了24种致香物质，其中苯甲醇、苯乙醇、2，3-二联吡啶、3-羟基-2-丁酮等致香物质的含量与其在烟叶中的含量属于相同数量级。

关键词：烟叶烘烤;闭式循环;冷凝水;致香物质

Study on Chemical Constituents and Aromatic Substances in Condensed Water of Closed-loop Tobacco Curing

REN Jie1， CAI Xianjie2， CAO Yafan2， CAO Jianmin1， TAN Xiaolei3， LI Wei4， YANG Nan5，

YAN Ding2， XU Chengyue2， XU Xiuhong1*

（1. Tobacco Research Institute of Chinese Academy of Agricultural Sciences， Qingdao 266101， China; 2. Shanghai Tobacco Group Co.， Ltd.， Shanghai 200082， China; 3. Shandong Linyi Tobacco Co.， Ltd.， Linyi， Shangdong 276003， China; 4. Shanghai Tobacco Group Beijing Cigarette Factory Co.， Ltd.， Beijing 101121， China; 5. Pingdingshan Branch of Henan Tobacco Company， Pingdingshan， Henan 467002， China）

Abstract： In order to utilize condensed water in the process of closed-loop tobacco curing， the outflow rate of condensed water and the contents of chemical components and aromatic substances in the condensed water were studied. The results showed that the outflow rate of condensed water increased first and then decreased during the process of closed-loop curing， and the outflow rate was the largest at the end of yellowing and the lowest at the stem drying stage. The content of total plant alkaloid in condensed water increased gradually with the process of curing， and no total sugar， reducing sugar or protein was detected. Up to 24 aromatic substances were detected in the condensed water. The contents of aromatic substances such as benzyl alcohol， phenylethyl alcohol， 2，3-dipyridine and 3- hydroxy-2-butanone had the same order of magnitude as the contents in tobacco leaves.

Keywords： tobacco leaf curing; closed-loop; condensed water; aromatic substances

我國现阶段采用的烟叶烤房一般为开式循环密集烤房，当装烟室内湿球温度高于设定值一定幅度时，冷风门打开，在循环风机的作用下吸入外界干冷空气，在压力作用下，装烟室内的湿热空气由排湿口直接向外界环境排出，以降低烤房内的湿度，此种排湿方式烟叶干燥速度快，收缩幅度小[1-2]，烤后烟叶欠柔软[3]，此外，高温高湿空气的直接排出也造成了易挥发致香物质的损失和能量的巨大浪费[4]。基于此，国内学者开展了闭式循环烤房的相关研究[4-8]，与开式循环烤房不同，闭式循环烤房在排湿阶段不向外界排出湿热空气，而是利用蒸发器将装烟室内湿热空气中的水蒸气以冷凝水的形式排出，降低烤房内的湿度，满足烘烤要求。在此过程中，水蒸气冷凝放出的热量可以循环利用，减少能源浪费。此外，可最大程度地保留烟叶中的易挥发致香物质和利于提高烘烤品质的气体成分[7-8]。但是有关闭式循环烟叶烘烤冷凝水化学成分及致香物质含量在国内外均未见报道。鲜烟叶含水率一般在80%以上，单座密集烤房鲜烟装烟量按照4000 kg计算，如果烟叶水分全部以冷凝水形式排出，则闭式循环烘烤过程需排出冷凝水3200 kg以上，排出量巨大。因此，有必要对闭式循环烟叶烘烤排出冷凝水的化学成分和致香物质进行分析，以期为烟叶闭式循环烘烤冷凝水的开发利用提供参考。

1  材料与方法

1.1  材料

试验于2019—2020年在贵州省凤冈县“中华原料烘烤工场”进行。供试烟叶为K326中部烟叶。供试烤房为本实验室独立研发的闭式循环热泵烤房[4]，当烤房内湿球温度高于设定值一定幅度时，热泵系统自动转为冷凝除湿模式，以排出冷凝水的形式降低烤房内的湿度，干筋期由于烤房内相对湿度低，冷凝除湿效率较低，当冷凝除湿不能满足要求时，辅助外排湿功能启动，满足烘烤对湿度的要求[4]。烤房装烟室规格为8 m×3.5 m×2.7 m。

1.2  方法

烟叶采收后，烟夹编烟，装入闭式循环热泵烤房，采用优化后的8点式精准烘烤工艺进行烘烤（增加62 ℃稳温点）[9]，各温度点及升温时间、稳温时间见表1。在闭式循环热泵烤房烘烤过程中，在42 ℃、47 ℃、54 ℃、62 ℃不同烟叶烘烤阶段，用纯净水瓶采集烤房排湿时排水管流出的冷凝水，密封保存备用。

1.3  检测项目

用天平称量纯净水瓶质量，在不同烘烤阶段用纯净水瓶采集烤房排湿时流出的冷凝水，收集时间为1 min，重复3次，用天平称量总质量，计算单位时间内流出冷凝水的质量。采集的冷凝水送农业农村部烟草产业产品质量监督检验测试中心进行常规化学成分和致香物质检测。还原糖、总糖、总植物碱、总氮、蛋白质分别按照行业标准YC/T 159—2019、YC/T 468—2013、YC/T 33—1996、YC/T 166—2003方法测定。致香物质2019年采用顶空固相微萃取法测定，2020年苯甲醇、苯乙醇、茄酮、二烯烟碱、2，3-二联吡啶和巨豆三烯酮等致香物质采用顶空固相微萃取法测定，其他致香物质采用同时蒸馏萃取法测定。

1.4  数据处理

采用SPSS 13.0 软件对数据进行分析。

2  结  果

2.1  闭式循环烘烤冷凝水流出速率

闭式循环热泵烤房主要通过冷凝除湿降低相对湿度。从图1中可以看出，在烟叶烘烤过程中，冷凝水流出速率表现出先升高后下降的趋势。38 ℃时冷凝水流出速率平均为23.4 kg/h，此后逐渐升高，至42 ℃时达到最高，冷凝水流出速率平均为35.6 kg/h，此后冷凝水流出速率逐渐下降，干筋期冷凝水流出速率最低，平均为11.16 kg/h。

2.2  冷凝水化学成分含量

表2示出，两年数据较为一致。42 ℃变黄末期、47 ℃定色前期、54 ℃定色后期、62 ℃干筋期冷凝水中均未检测到还原糖和蛋白质，2019年烘烤各阶段冷凝水中未检测到总糖，2020年检测到痕量总糖，两年结果差别不大。冷凝水中总植物碱含量随烘烤进行逐渐升高，两年结果均表明，42 ℃变黄末期冷凝水中未检测到总植物碱，47 ℃开始，冷凝水中总植物碱开始出现，干筋期总植物碱含量达到最高。冷凝水中的总氮含量总体也表现出随烘烤进行逐渐升高的趋势，但每个阶段含量均较低。

2.3  冷凝水致香物质含量

表3示出，2019年闭式循环热泵烤房冷凝水中共检测出10种致香物质，其中变黄期（42 ℃）8种，定色前期（47 ℃）9种，定色后期（54 ℃）9种，干筋期（62 ℃）7种。苯甲醇和苯乙醇只在定色前期和定色后期检测到，且定色后期含量略高于定色前期。茄酮只在变黄期检出。二烯烟碱、2，3-二联吡啶、巨豆三烯酮-1、巨豆三烯酮-2、巨豆三烯酮-3、巨豆三烯酮-4和圆柚酮在4个时期均有检出。冷凝水中二烯烟碱、2，3-二联吡啶含量随烘烤进行逐渐升高。巨豆三烯酮-1、巨豆三烯酮-2、巨豆三烯酮-3、巨豆三烯酮-4在变黄期、定色前期、定色后期逐渐升高，干筋期又有所下降。圆柚酮含量在定色后期和干筋期最高，变黄期和定色前期略低。

表4示出，2020年闭式循环热泵烤房冷凝水中共检测出24种致香物质，包括苯丙氨酸类致香物质苯甲醇、苯乙醇、苯甲醛和邻苯二甲酸二丁酯，类西柏烷类致香物质茄酮，类胡萝卜素降解产物类致香物质巨豆三烯酮、二氢猕猴桃内酯，美拉德反应产物吡啶、吡嗪、2，3-二联吡啶、3-乙酰吡啶、2-乙酰基-5-甲基呋喃、糠醇等。其中变黄期（42 ℃）19种，定色前期（47 ℃）23种，定色后期（54 ℃）23种，干筋期（62 ℃）24种。2020年冷凝水检出的致香物质中包含了除巨豆三烯酮-1、巨豆三烯酮-2、巨豆三烯酮-4和圆柚酮外的2019年冷凝水中检出的其他6种致香物质。与2019年不同的是，2020年干筋期冷凝水中苯甲醇和苯乙醇均有检出。这可能是因为2020年我们对闭式循环热泵烤房进行了优化，干筋期尽量减少冷风门的开启，保留了更多的致香物质。

2020年不同烘烤阶段冷凝水均检测到茄酮，但含量远低于2019年变黄末期水平。2020年不同烘烤阶段冷凝水均检测到二烯烟碱、2，3-二联吡啶和巨豆三烯酮-3，与2019年一致。2020年检出的不同于2019年的18种致香物质中，吡嗪只在干筋期冷凝水中检出，喹啉、异戊醇和苯乙酮变黄期未检出，其他10种致香物质则在变黄期、定色期和干筋期冷凝水均有检出。冷凝水中吡啶、3-乙酰吡啶、3-羟基-2-丁酮、2-甲基-2-庚烯-6-酮、苯甲醛、2-乙酰基-5-甲基呋喃、苯乙酮、糠醇和降茄二酮含量随烘烤进行表现出逐渐升高的趋势。3-甲基-2-环戊烯-1-酮、α-松油醇、邻苯二甲酸二丁酯以干筋期冷凝水中含量最高。喹啉、异戊醇、二氢猕猴桃内酯在定色期和干筋期冷凝水中的含量差别不大。

3  讨  论

为解决烤后烟叶欠柔软、香气损失等问题，国内学者开展了闭式循环热泵烤房研究并在部分烟叶产区进行了应用示范。开式循环烤房属于阶段性快排湿，在烘烤过程中当实际湿球温度大于设定值一定幅度时，冷风门自动打开，通过大风速快速排出烤房内的湿热空气，造成烤房内相对湿度骤降，导致烟叶表面快速失水干燥而不能充分收缩形变[3]。而采用闭式循环烤房，湿热空气中的水分以冷凝水形式排出，无需过大风速，加之热泵烤房控温精度高，可实现烟叶烘烤持续性慢除湿，使烟叶充分收缩形变，从而提高烤后烟叶柔软性[4]。此外，闭式热泵烤房烤后烟叶香气量、浓度和透发性指标明显优于开式循环烤房[4]。

鲜烟叶的含水率一般在80%以上，烤后烟叶的含水率一般在5%以下[10]，因此，在闭式循环烟叶烘烤过程中会有大量的冷凝水排出，42 ℃变黄末期冷凝水流出速率最高，平均为35.6 kg/h，此后则逐渐下降，干筋期冷凝水流出速率最低，平均为11.16 kg/h。需要说明的是，不同烘烤阶段冷凝水流出总量除与烘烤阶段持续时间有关外，更重要的还与本阶段冷凝水持續流出时间有关。而根据观察变黄末期冷凝水单次持续流出时间相对较短（2～3 min），冷凝水流出结束至下一次开始流出的间隔时间相对较长（10～12 min），而定色期冷凝水单次持续流出时间相对较长（5～6 min），且两次冷凝水流出间隔时间相对较短（5～8 min），因此定色前期和定色后期的冷凝水净流出时间均长于变黄末期。冷凝水流出量以定色期最大。从冷凝水的开发利用角度，本研究

结果说明，闭式循环烘烤冷凝水中含有一定量的总植物碱、醇类、醛类、酯类和酚类物质，不适合作为饮用水[11]。冷凝水中总植物碱含量最高达到0.18%，相当于晒烟、香料烟和马里兰烟秸秆中的总植物碱含量[12]。有研究表明，烟草提取物（总植物碱含量50.67%～62.13%）施用浓度为0.1%时，对小麦赤霉病菌等8种植物病原真菌具有良好抑制效果[13]，这一研究结果为闭式循环烘烤冷凝水用于植物源农药开发提供了可能。

对于苯丙氨酸类致香物质来说，定色期冷凝水（流出量最大）中苯甲醇、苯乙醇和烤后烟叶中此类致香物质含量处于同一数量级[14-17]。此外，变黄末期和定色期冷凝水中巨豆三烯酮-3、2，3-二联吡啶、3-羟基-2-丁酮等致香物质的含量也和其在烟叶中的含量属于相同数量级[14-15]，因此，收集闭式循环烘烤冷凝水并用于致香物质的回收利用也是冷凝水开发利用的一个方向。2020年和2019年检出的致香物质种类数量差异较大，但仅在2020年检出的大部分致香物质含量均较低，这可能主要是由于冷凝水检测样品用量的不同造成的，2020年冷凝水检测样品用量为2019年的5倍，增加检测样品量后，冷凝水中一些原本含量较低的致香物质超过了检测方法的检出限而被检测到，使得2020年检测到的致香物质种类增加。

4  结  论

综上所述，闭式循环烘烤产生大量的冷凝水，以变黄末期冷凝水流出速率最大。冷凝水中含有一定数量的总植物碱和致香物质，可为冷凝水用于植物源农药开发以及致香物质的回收利用提供参考。

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