碳晶烤房内气体及烤后烟叶的挥发性成分研究

李贤　任杰　周之蔚　曹建敏　孟霖　谭效磊　刘莉　谭青涛　高云鹏　徐秀红

关键词：烟叶烘烤：挥发性成分：致香成分：碳晶烤房

中图分类号：S572.01 文献标识号：A 文章编号：1001-4942（2023） 03-0075-08

烟叶香气是衡量其内在质量和可用性的重要因素，所含挥发性化合物是烟叶致香物质的主体。挥发性、半挥发性成分是烟草中重要的化学组成部分，也是评估烟草品质和商业价值的重要因素之一，主要包括醇类、醛类、酮类、酯类化合物，这些成分对烟草香味起到重要作用。因此，关于烟草中挥发性、半挥发性成分的分析研究一直受到国内外烟草工作者的高度重视。

我国烟叶烤房多采用开放式排湿方式，热湿气流直接排向室外。而排湿气流携带有大量的烟叶香气成分及多种有益于提高烘烤品质的气体成分，这致使烟叶油分、香气量等降低，严重影响烟叶质量。黄涛等使用KX-1S-25 kg温度自控式电加热烤房对烤房气体中挥发性成分的变化规律进行研究，表明烤房气体中挥发性成分在开烤至47℃末变化明显，47℃末至68℃末趋于稳定。任杰等研究了闭式循环烟叶烘烤排出冷凝水的化学成分和致香物质，发现冷凝水含有一定数量的植物碱和致香物质。

目前，烟叶生产所用密集烤房的主要加热方式有燃煤、生物质燃烧机、太阳能、液体燃料、热泵等。碳晶烤房作为一种新型加热方式的密集烤房，在山东烟区已有所使用，其主要通过一种碳纤维加工而来的新型碳类发热材料——碳晶作为烤房的供热设备。碳晶的发热原理是在电场作用下发热体中的碳分子团产生分子运动，所产生的热量以远红外辐射和对流的形式对外传递，其电能与热能的转换率高于普通金属电热材料。碳晶烤房主要通过热辐射传热，其远红外辐射到烟叶表面时，一部分透过烟叶继续向前辐射、传递热量；另一部分远红外辐射被烟叶吸收而引起烟叶内部水分激烈的分子共振，这种分子共振产生热量，促使烟叶内部温度上升，并以热辐射形式传热使烟叶内外部水分同时散失。目前关于碳晶烤房内气体和烟叶挥发性物质研究未有报道。本研究以燃煤烤房为对照，采用固相微萃取-气相色谱／质谱（SPME-GC/MS）联用检测手段测定分析碳晶烤房对烤房内气体和烤后烟叶中挥发性成分的影响，旨在阐明碳晶烤房提升烤后烟叶质量的机理，为烟叶烘烤装备的升级提供理论支撑。

1材料与方法

1.1试验设计

试验于2020年在山东省沂水县四十里烟叶烘烤工场进行。供试烟叶为烤烟品种NC55上部叶。烟田按照当地烟叶生产管理技术规范进行标准化管理，烟株长相符合中棵烟标准，长势、成熟落黄均匀一致。烟叶采收后，烟夹持烟，采用8点式精准烘烤工艺进行烘烤。试验用烤房为8.0m（长）×2.7 m（宽）×3.5 m（高）标准燃煤密集烤房和碳晶烤房。试验设置2个处理：T1（燃煤烤房）和T2（碳晶烤房）。

1.2测定指标及方法

1.2.1烤房内气体挥发性成分测定 在烘烤干筋期将8个固相微萃取头放人烤房内收集气体1h，采用固相微萃取法测定烤房内挥发性成分。

1.2.2烟叶中挥发性成分测定 回潮结束后，每个烤房均在8个固相微萃取头附近各取B₂F烟叶（去除主脉），液氮保存。烟样使用冷冻真空干燥机干燥后研磨，取1g装入22 mL顶空进样瓶，再将顶空进样瓶放入70℃固相微萃取加热平台，平衡30 min后，将固相微萃取探头扎入顶空进样瓶内吸附30 min，上机进样10 min。

1.2.3 GC/MS检测条件 HP-FFAP（50m×320μm×0.5μm）；载气：He；进样口温度：250℃；不分流进样；柱温：初始45℃，保持1min，以5℃/min升溫速率升至230℃，保持30 min；电离方式：EI；离子源温度230℃；传输线温度240℃；电子能量70 eV;扫描范围：33～400 amu。所用色谱仪型号：7890A/5975C，美国Agilent公司产品。

1.3感官质量评价

由农业农村部烟草产业产品质量监督检验测试中心对烟叶样品进行感官质量评价。

1.4数据处理

采用Microsoft Excel 2019和SPSS、SIMCA软件对数据进行统计与分析。

2结果与分析

2.1烤后烟叶感官质量

如表1所示，不同类型烤房对烤后烟感官评吸质量有一定影响，碳晶烤房烤后烟评吸总分为72.8分，比普通燃煤烤房提高2.8分，主要在香气质、香气量、余味方面有所提升，感官质量较好。

2.2烤房气体和烤后烟叶中挥发性成分分析

各处理样品经GC/MS分析后，利用AMDIS工作站解卷积功能对共流出色谱峰进行解析，采用NIST和WILEY质谱数据库标准检索，并结合正构烷烃保留指数比对等人工解析手段对烤房气体和烟叶中挥发性成分进行定性。之后，为了消除干扰组分的影响，采用各组分特征离子峰面积百分比法表示其相对含量。其P值由非参数检验获得。烤房气体中共鉴定出48种挥发性成分，包括羧酸类、醛类、酮类、酯类、醇类、烃类、氮杂环类化合物等（表2），其中烃类化合物最多，共有25种，醛、酮、酯类化合物合计有16种，酸、醇类化合物合计有4种，氮杂环类化合物有3种。两种烤房中挥发性和半挥发性物质种类较为一致，只有茚、1-十二烯、1，4，5，8-四甲基萘在碳晶烤房中未检出，在普通燃煤烤房中未检测到松柏烯。烤后烟叶中共检测出46种挥发性成分，其中烃类15种、醛类6种、酮类14种、醇类4种、酯类3种、含氮杂环类3种、含氧杂环类1种。

2.3差异化合物筛选

采用有监督的模式识别方法PLS-DA对数据进一步处理，分析得出两种烤房气体和烤后烟中差异显著的挥发性成分。由图1可知，烤后烟样品模型拟合参数为R²X=0.825，R²Y=0.959，Q²=0.892，表明该模型的稳定性和预测性较好。为验证模型是否存在过拟合现象，对模型进行200次响应排序，所得R²和Q²的截距分别为0.545和-0.296，说明模型有效，不存在过拟合现象。

由图2可知，气体中挥发性成分样品模型拟合参数为R²X=0.805，R²Y=0.987，Q²=0.976，表明该模型的稳定性和预测性较好。在第1维预测主成分上，两组间化合物的得分相差比较大，碳晶烤房能与燃煤烤房很好区分。为验证模型是否存在过拟合现象，对模型进行200次响应排序，所得R²和Q²的截距分别为0.201和-0.297，说明模型有效，不存在过拟合现象。

通过PLS-DA分析过滤除去不相关的正交信号，从而使获得的差异化合物更加可靠。结合变量投影重要性（variable importance in the projec-tion，VIP）值查找不同烤房气体内挥发性成分和烟叶中挥发性的差异物质，以VIP>1.0作为标准，筛选出对模型分类贡献较大的变量。VIP值越大，说明挥发性成分在两个处理间的差异越显著。在烤房气体中筛选出新植二烯、烟碱、降茄二酮、萘、茄酮、邻苯二甲酸二丁酯、苊烯、甲苯、西柏三烯二醇、9-亚甲基-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、间异丙基甲苯、茚、麦思明、1，7-二甲基萘共20种差异化合物（表3），其中新植二烯、降茄二酮、萘、茄酮等化合物VIP值较大。結合非参数检验，与燃煤烤房相比，碳晶烤房气体中新植二烯、萘、甲苯、1-甲基萘、正二十烷等化合物挥发有一定程度的降低，分别降低2.869、0.967、0.697、0.355个和0.350个百分点，且都达到极显著差异；而烟碱、麦斯明、降茄二酮、茄酮等化合物挥发有一定程度的提高，分别提高2.495、0.349、1.096个和0.337个百分点，除烟碱外都达到极显著差异。

烤后烟叶中筛选出烟碱、新植二烯、金合欢基丙酮、邻苯二甲酸二丁酯、邻苯二甲酸二异丁酯、二烯烟碱共6种差异化合物（表4）。与燃煤烤房相比，碳晶烤房烟叶中烟碱相对含量降低4.377个百分点，新植二烯增加3.152个百分点，均达到极显著差异，且烟碱与新植二烯的VIP值均较高，是烟叶挥发性成分中差异最大的两种化合物；金合欢基丙酮、邻苯二甲酸二丁酯分别减少0.178个和0.047个百分点，邻苯二甲酸二异丁酯、二烯烟碱分别增加0.047个和0.102个百分点。

2.4烤房内气体与烟叶中共有挥发性成分分析

结合表2和图3可以看出，两种烤房内气体和烟叶中共检测出共有挥发性成分33种，其中烃类13种、醛类5种、酮类7种、醇类2种、酯类3种和含氮杂环类3种。碳晶烤房烤后烟中新植二烯、正十一烷、正十二烷、苯甲醛等6种挥发性成分高于燃煤烤房烤后烟，其挥发到烤房气体中的含量均低于燃煤烤房。烟叶中苯乙醛、西柏三烯一醇在碳晶烤房与燃煤烤房的比值中较高，而在气体中的比值接近于1。

3讨论

调制过程在一定程度上决定了烤烟最终的吸食品质，其烘烤环境条件对烤烟香气有极大影响，不同类型密集烤房的烟叶烘烤质量效果存在一定差异。本研究通过对碳晶烤房和燃煤烤房内气体和烤后烟中的挥发性成分进行分析显示，烤房内气体和烤后烟中分别检测到48种和46种挥发性成分。采用PLS-DA方法对数据进一步处理，在烤房气体中初步筛选出20种差异化合物，其中新植二烯、降茄二酮、萘、茄酮等化合物VIP值较大，且在两种烤房间差异极显著；烟叶中筛选出烟碱、新植二烯、金合欢基丙酮、邻苯二甲酸二丁酯、邻苯二甲酸二异丁酯、二烯烟碱共6种差异化合物，碳晶烤房烤后烟中烟碱含量低于燃煤烤房烤后烟，差异达到极显著，且烟碱的VIP值为4.68，是烟叶挥发性成分中差异最大的化合物。这与黄涛等的研究结果一致。

在两种烤房气体和烤后烟中检测出33种共有挥发性成分，碳晶烤房烤后烟中新植二烯、正十一烷、正十二烷、苯甲醛等6种挥发性成分高于燃煤烤房烤后烟，其挥发到烤房气体中的含量均低于燃煤烤房。新植二烯具有淡木香，与烟香协调，能提升烟香的自然风味，对清甜香韵的形成意义重大，其含量在变黄末期达到峰值，然后缓慢下降。与燃煤烤房相比，碳晶烤房气体中新植二烯挥发占比减少2.869个百分点，而烤后烟中其含量占比增加3.152个百分点，均达到极显著差异，表明碳晶烤房可能有利于减少烟叶中新植二烯在干筋期的挥发，从而保留更多的致香成分。碳晶烤房烤后烟中苯乙醛、壬醛、癸醛、茄酮、降茄二酮、西柏三烯一醇和邻苯二甲酸二异丁酯这7种挥发性成分高于燃煤烤房烤后烟，其挥发到烤房气体中的含量亦高于燃煤烤房。烟叶中苯丙氨酸的代谢转化是影响香味的重要过程之一，苯丙氨酸的代谢产物如苯乙醛等是烟叶中含量较丰富的香味成分之一；西柏三烯醇类物质是烟叶表面的主要分泌物之一，其作为香气的前体物对卷烟制品的香吃味有很大影响。本研究中苯乙醛和西柏三烯一醇在碳晶烤房与燃煤烤房烤后烟中差异达到极显著，这可能是由于碳晶烤房中柔和的风速有利于密集烘烤烟叶香气物质形成和沉淀，能形成优良的原烟品质。烟碱对烟叶的吸食、风味有重要影响。烟碱含量对劲头的影响最为显著，但烟碱含量过高会使烤烟香气质、余味变差，香气量变小，杂气、刺激性变大。本研究中碳晶烤房气体中烟碱含量大于燃煤烤房，但在烟叶中烟碱含量低于燃煤烤房.表明碳晶烤房可能有利于降低上部烟叶烟碱含量，使烟叶中烟碱成分挥发出去。

随着烘烤的进行，烟叶中各类致香物质含量的变化都呈现先升后降趋势。其干筋阶段温度较高，致香物质可能会分解，因此在干筋末期要尽量减少挥发性香气物质的损失。本研究碳晶烤房烤后烟香气量和香气质均较普通燃煤烤房有所提升，可能是由于碳晶烤房主要为远红外热辐射传热，湿-热交换过程缓慢，烟叶内部和外部水分同时散失，能放慢排湿速度，尽可能保留烟叶中挥发性成分，减少香气成分的散失。

4结论

碳晶烤房内气体和烤后烟叶中挥发性成分与燃煤烤房存在差异，碳晶烤房能够显著提高烟叶中新植二烯含量，并减少其挥发。碳晶烤房通过在干筋期保留更多的致香物质而提升烤后烟品质。