六种添加剂对烟丝挥发性与半挥发性成分含量的影响

蒋历辉，张 敏，孙凯健

（1.上海烟草集团有限责任公司 技术中心，上海200082； 2.上海市烟草学会，上海200082；3.中南大学 化学化工学院，湖南 长沙410083）

烟叶品质与烟叶成分密不可分，烟丝中的挥发性、半挥发性成分是决定卷烟的感官质量的关键因素.通过在烟草中加入添加剂可以改变烟草或烟丝的香味成分，进而提升卷烟品质，国内外烟草科研工作者对此进行了不少的研究［1－6］.宫长荣等［7］对酶在烟草行业中的应用进行了较深入的研究，并对这个领域的科研成果进行了综述，但由于酶极易失活，大大地限制了其在卷烟生产上的应用［8－9］.除了早期的酶添加剂，近年来科研工作者把目光转向了颇具中国特色的中草药提取物，将中草药提取物添加到卷烟中，研究其对卷烟品质改善的效果.尽管这方面的研究报道较多，但是关于中草药的选择及配伍、中草药有效成分及其作用机理仍然没有得到科学合理的阐述［10－13］.

在卷烟添加剂的研究中，多数集中在降焦减害领域，而对添加剂协同烘丝工序改变烟叶中的挥发性、半挥发性成分含量的研究比较少，探讨添加剂与烟叶作用后，烟叶化学成分的改变与烟叶品质的关系更是缺少深入系统的研究.本文作者研究了苹果酸、柠檬酸、乳酸、（NH4）2HPO4、K2CO3和柠檬酸钾加入到烟丝中与烟丝自身的酸或碱反应并改变烟草中挥发性、半挥发性成分含量的情况.

1 实验内容

1.1 材料与仪器

单料烟（2009年山东中部烟叶），乙酸苯乙酯、叔丁基甲醚、甲苯（色谱纯，ACROS），K2CO3、（NH4）2HPO4、柠檬酸钾、乳酸、苹果酸、柠檬酸（AR）均购自国药集团化学试剂有限公司.安捷伦7890GC－5975MS气质联用仪；瑞士梅特勒－托利多XS204天平；上海优芯试验设备制造厂FB 0.16电热鼓风装盘烘箱（根据实验要求改造）；德国KBF240恒温恒湿箱.

1.2 添加剂溶液的配制

称取K2CO3、（NH4）2HPO4、柠檬酸钾各5.000g于烧杯中，溶解后转移到100mL的容量瓶中，定容即得质量分数为5%的水溶液.乳酸、苹果酸、柠檬酸称取1.000g，配制质量分数为1%的水溶液.

1.3 烟丝平衡

称取7份100.0g经过平衡的烟丝，6份采用喷雾器分别喷洒10.0mL上述配制好的添加剂水溶液，另一份喷洒水作为参比，装入自封袋充分平衡48h.

1.4 烟丝干燥

卷烟制丝工艺流程中，干燥后烟丝的含水率为12%～13%.为确保本文添加了不同添加剂水溶液的各烟丝在烘后其含水率基本符合要求，考察了烘后烟丝含水率与烘丝时间的关系.设定滚筒烘丝箱参数为：烘丝温度110℃，烘箱风速1.57m／s，滚筒转速12r／min.平行称取6份100.0g的烟丝，各喷洒10.0mL的水并平衡48h后在不同的烘丝时间下烘丝，测烘丝前后各烟丝的含水率，所测数据列于表1.

表1 烘丝工作曲线测试Table 1 The data of drying working curve

分析烘丝工作曲线，180s应该是合理的烘丝时间.将添加水并平衡的烟丝于相同条件下进行烘丝，烘丝时间为180s，测得烟丝烘后的含水率为13.01%.参考这个烘丝时间，将添加了K2CO3、（NH4）2HPO4、柠檬酸钾各5%的水溶液及乳酸、苹果酸、柠檬酸各1%的水溶液和作为参比添加水的烟丝进行了烘丝，烘丝时间为180～182s.

1.5 烟丝萃取

为剔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（60%的相对湿度，22℃）平衡24h.然后按实验编号每份烟丝称取4.00g于样品管中，各加入20.0mL的叔丁基甲醚和50.0μL内标乙酸苯乙酯（0.02g／100.0mL），甲苯溶解，超声波萃取1.0h并静置8.0h，上层清液转移至洗净的样品瓶中保存并进行GC－MS检测.

1.6 GC－MS操作条件

色谱柱：DB－5MS毛细管柱，载气：He，进样量：2.0μL，不分流，进样口温度：260℃，程序升温：40℃保持5min，4℃·min－1升温至240℃，保持20.0min；质谱仪采用全离子检测模式，扫描范围为：33～400amu，离子源温度：230℃，四级杆温度：150℃.

烟丝中各组分质谱数据通过计算机库（wiely7n.l）进行检索，对拟合指数和质谱数据进一步加以确认.GC－MS定性后，根据内标法进行定量分析，配制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、香草酸、十四酸、对甲基苯甲醛、香兰素、5－羟甲基糠醛、茄酮、β－大马烯酮、氧化茄酮、3－羟基－β－大马烯酮、2－乙酰吡咯、麦芽酚、吲哚、尼古丁、二氢猕猴桃内酯、新植二烯的标准溶液；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）取为1.00.

1.7 重复性实验

称取7份100g的烟丝，按编号分别均匀喷洒K2CO3、（NH4）2HPO4、柠檬酸钾各5%的水溶液，乳酸、苹果酸、柠檬酸各1%的水溶液以及参比水，密闭平衡48h后，相同条件下烘丝，恒温恒湿箱平衡后分别取样进行GC－MS测试.按照完全相同的实验方法完成3轮实验，共计21个烟丝样品.将每个样品的GC－MS测试数据进行定性和定量分析，将3轮实验的平均结果列于表2.

表2 不同添加剂处理烟丝的挥发性、半挥发性香味成分含量（μg／g）Table 2 The volatile and semi－volatile components content in tobacco treated with different additives（μg／g）

续表2

2 结果讨论

2.1 实验重复性考察

为了考察实验的重复性，选取部分香味成分进行了分析，不同添加剂各组分的RSD值列在表3中.从表3可以看出，只有少数组分的RSD值超过了10%，其余基本上在4% ～8% 之间，方法重现性良好.

表3 部分香味成分的RSD值Table 3 The RSDvalues of some aroma components

续表3

2.2 数据分析

从表2中的数据可以明显看出尼古丁的含量变化最为显著，当烟丝加入K2CO3后，尼古丁含量增加了45.5%，而（NH4）2HPO4和柠檬酸钾略微提高了烟丝中游离态尼古丁的含量.当柠檬酸、苹果酸和乳酸加入烟丝后，尼古丁含量呈降低趋势，以柠檬酸降幅最大，降幅最小的为乳酸，这可能与三种酸添加剂的酸性强弱有关，柠檬酸是三元有机羧酸，酸性较强，加入烟丝后与自由尼古丁结合成盐，反应较彻底，而乳酸只是一元羧酸，与尼古丁的反应程度没有柠檬酸强.

根据国内外烟草研究者的报道，目前基本确定了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.将表2中的所有数据也进行归类处理，为了清晰看出施加不同添加剂平衡并烘丝后烟丝中挥发性、半挥发性香味成分含量的变化，本文作者以添加水的烟丝组分含量为参比，其他烟丝组分含量除以这个参比，再用这个相对比值作图得到酯类组分含量变化的折线图（图1）.

图1 不同添加剂与水处理烟丝酯类组分含量相对比值折线图Fig.1 The relative ratio line graph of esters content in tobacco treated with different additive

从酯类组分含量变化图可以看出，柠檬酸和乳酸使酯类组分的含量增加，3－羟基二氢猕猴桃内酯、亚麻酸甲酯添加了乳酸后，含量增加12%左右.而经过K2CO3和柠檬酸钾处理过的烟丝中酯类组分含量减少，以K2CO3较为明显，莨菪亭和7，10，13－十六碳三烯酸甲酯分别减少了7.26和1.58μg／g.

在醛类组分含量变化图（图2）中，（NH4）2HPO4效果则是最显著的，原烟中香兰素的含量为0.93μg／g，但烟丝经过（NH4）2HPO4处理后，其含量为1.29μg／g.此外，5－（羟甲基）－1H－吡咯－2－甲醛的含量有较大的增长，含量增加的幅度约为33%；但5－羟甲基糠醛的含量减少，这个组分含量在添加了酸性添加剂后均有增加，尤其是添加柠檬酸和乳酸的烟丝样品.

图2 经不同添加剂与水处理的烟丝中醛类组分含量相对比值折线图Fig.2 The relative ratio line graph of aldehydes content in tobacco treated with different additive

巨豆三烯酮是烟丝中重要的香味成分，其含量在烟丝中并不高，却对烟丝品质有较重要的影响，添加剂的加入基本上都能使巨豆三烯酮的含量增加，增幅最大的为柠檬酸，其巨豆三烯酮1、巨豆三烯酮2、巨豆三烯酮3和巨豆三烯酮4分别增加了0.08、0.31、0.19和0.45μg／g，增幅最小的是柠檬酸钾（图3）.

图3 经不同添加剂与水处理的烟丝中巨豆三烯酮组分含量相对比值折线图Fig.3 The relative ratio line graph of megastigmatrienones content in tobacco treated with different additive

从醇的变化趋势来看（图4），（NH4）2HPO4的加入使低沸点的醇如2，3－丁二醇、苯甲醇、2－苯基乙醇和4－羟基苯乙醇的含量略有增加；而高沸点的醇如3－氧代－－紫罗兰醇等则略有下降.柠檬酸和K2CO3的加入使所有醇的含量都升高，这表明不论是偏酸性的柠檬酸还是偏碱性的K2CO3加入到烟丝都有利于其醇类组分含量的提高.

图4 经不同添加剂与水处理的烟丝中醇类组分含量相对比值折线图Fig.4 The relative ratio line graph of alcohols content in tobacco treated with different additive

烟丝在加入碱性添加剂并烘丝后，其酸类组分含量呈下降趋势，以K2CO3最为明显，各酸的含量下降在10%左右，但棕榈酸的含量不但没有下降，反而略有增加.与之相对应，烟丝加入酸性添加剂，各酸类组分含量成增加的趋势，其中柠檬酸和乳酸的效果较为显著（图5）.

图5 经不同添加剂与水处理的烟丝中酸类组分含量相对比值折线图Fig.5 The relative ratio line graph of acids content in tobacco treated with different additive

3 结论

烟丝经过喷洒添加剂水溶液平衡、烘丝并萃取后，巨豆三烯酮的含量均有增加.添加K2CO3到烟丝后，游离态的尼古丁含量大幅增加，醇类组分含量有所升高，而酸类组分和酯类组分含量略有降低.用柠檬酸处理的烟丝，酸类组分、醇类组分和酯类组分含量都是增加的，而尼古丁含量有下降的趋势.（NH4）2HPO4均匀喷洒加入烟丝，醇类组分、醛类组分含量均有所升高.其他添加剂处理烟丝后，烟丝化学成分并未表现出很明显的规律变化.

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