烟丝含水率对成品烟丝致香成分影响的研究

2019-11-16李达李晓科许仁杰袁鹏李娥贤

中国测试 2019年7期

李达李晓科许仁杰袁鹏李娥贤

摘要：为研究薄板干燥工序中不同含水率对同一规格不同批次卷烟试样烟丝样品中致香物质的组成及含量的影响，建立静态顶空一气相色谱质谱（HS-GC/MS）联用法，以乙酸-2-苯乙酯为内标，MES自动控制系统采集数据，结合KIST和WILEY谱库检索定性、内标定量，对国内市售卷烟品牌R的两个不同批次（E、F）样品中致香成分进行测定。两个批次的成品烟丝共检测出41种核心致香成分，其中批次E含39种，批次F含37种;6-甲基-3，5-庚二烯-2-酮、六氢金合欢基丙酮为E中未检出的成分，2-（2-戊烯基_煌喃、氧化异佛尔酮、二氢猕猴桃内酯和苯乙烯为F中未检出的成分;E中的致香物质相对总含量小于样品F中的致香物质相对总含量，将薄板干燥工序烟丝含水率控制在14%有利于保留烟丝中的致香成分。静态顶空结合MES系统可以快速准确对样品进行分析测定，条件温和，操作简单，数据获取自动化、智能化，有利于提高生产质量，在烟草行业的生产制造方面具有积极影响。

关键词：卷烟烟丝;薄板干燥;致香成分;自动化

中图分类号：TS41.1 文献标志码：A 文章编号：1674-5124（2019）07-0074-06

收稿日期：2019-02-06;收到修改稿日期：2019-03-25

基金项目：红云红河烟草（集团）有限责任公司科技项目（HYHH2016GY04）

作者简介：李达（1980-），男，云南红河州人，工程师，硕士，主要从事烟草化学、信息化研究。

通信作者：李娥贤（1985-），女，云南昆明市人，助理研究员，硕士，研究方向为生物化学。

0 引言

烟草是一种非常重要的经济作物，人们曾对其进行过各种研究，而烟草中的致香物质直接影响卷烟的品质也是衡量烟草质量的重要指标，烟草中的致香成分可以豐富卷烟的香气，降低卷烟的刺激性，改善卷烟的余味[1]，因此研究烟草中的致香物质对于提高烟草品质、监控卷烟质量具有重要的意义。在烟草行业竞争激烈的现阶段，我国面临着世界各大烟草公司的挑战，因此，我国要在世界烟草市场上占据一席之地，就必须要提高烟草产品的质量[2]。烟草品质的优劣，很大程度上取决于烟草中的致香成分，但对烟丝中致香物质的定性定量测及指导工业生产定仍是一个难点。

烟草的化学成分非常复杂，烟丝含水率不同也会影响烟气中挥发性成分的释放量[3]。烟草中的致香物质大多具有挥发性，有些致香物质虽然含量很低，但对烟草香气却起着很大的作用[4-5]。烟草的香气成分组成复杂，种类繁多，早在20世纪50年代，人们就开始对烟草的致香成分进行研究，按致香基团的不同，一般可以把烟草香气分为酸类、醇类、酮类、醛类、酉旨类、内酯类、酚类、氮杂环类、呋喃类、酞胺类、醚类以及烃类[6]。李鹏等研究人员对白肋烟中的致香成分进行研究，共得到46种致香成分;刘江生等人采用固相微萃取、气象色谱、质谱（SPME GC MS）法分析烟叶和成品烟的挥发性成分，共鉴定烟叶中29种挥发性成分和成品烟中20种挥发性成分;谢家敏等人用溶剂提取和水蒸气蒸馏方法同时联用GC-MS分析，从云南楚雄低烟叶中分离出25种挥发性成分阶[7-8]。目前对烟草致香物质的分析方法有气相色谱一质谱联用法（GC-MS），水蒸气蒸馏法、溶剂萃取法、固相微萃取和超临界萃取等方法[9]，其中以蒸馏萃取与GC-MS相结合的方法为主，这些分析方法虽然也能对烟叶中的致香成分进行检测分析，但操作步骤繁琐，提取效率较低，而且溶剂的纯度在痕量分析中也是不可忽视的问题，蒸馏萃取中，也会存在溶剂污染的问题，但是高纯度的气体是很容易得到，就可以避免不必要的干扰，顶空分析法就可以弥补溶剂污染的缺点[10]。另外通过致香成分数据来指导工业的在线制丝生产，并提升其质量的研究也鲜见报道。

叶丝干燥是卷烟制丝过程中的重要工序之一，对叶丝质量的变化具有重要影响，烟丝含水率可以影响其物理性能、可燃性、烟气成分及感官特性等[11-12]。孙雯等人研究了烟丝含水率对卷烟燃吸品质、烟气水分及粒相物挥发性成分的影响，研究发现随着烟丝含水率由8.28%到18.79%，卷烟燃吸品质发生差、好、差的变化，烟丝含水率在12.25%和14.34%时燃吸品质较好，同时，总粒相物和烟碱含量随着烟丝含水率的升高而少量减少，CO则明显增加[13]，云雪等人发现，卷烟含水率的升高，卷烟落锥数量减少，而且不同含水率条件对卷烟落锥的影响更大[14]。虽然目前在烟丝含水率方面有部分研究，但尚无薄板干燥工序，烟丝含水率的不同对烟丝致香成分的影响报道。因此，为研究烟丝含水率对烟丝致香成分的影响，为卷烟制丝选择合适的调控参数提供理论依据，采用静态顶空一气相色谱质谱联用法结合MES系统（制造执行系统）管理控制烟丝生产，研究结果对指导烟丝生产，选择合适的工艺参数具有重要的应用价值和现实意义，提高了卷烟生产的在线工艺品质。

1 材料与方法

1.1 试验材料、试剂及仪器

1.1.1 试验材料及试剂

材料：同一品牌规格R的2个不同批次的国内市售卷烟成品烟丝样品（批次E、批次F），由红云红河集团工艺质量部提供。试剂：内标标准工作液：乙酸-2-苯乙酯（内标，纯度为99%，美国，Sigma公司）。

1.1.2 试验仪器

TurboMatrix 40 Trap顶空自动进样器（美国，PerkmEhner公司）;Clarus 600气相色谱-Clarus600T质谱联用仪（美国，PerkinElmer公司）;20mL顶空进样瓶（Supelco，American）;感量为0.0001g的电子分析天平（德国，Sartorius公司）。

1.1.3 数据采集

为了研究卷烟生产过程中薄板干燥工序的烟丝含水率对成品烟丝致香成分影响，红云红河集团工艺质量部设计了三种含水率工艺参数的中试放样批次进行试验。通过《红云红河烟草（集团）有限责任公司科技项目（HYHH2016GY04）》研发的集团工艺质量云平台对薄板干燥工序各个参数点进行数据采集。依据集团生产过程数据采集标准，系统通过实时数据复制机制对生产过程底层原始数据（在线数据）进行采集，并将生产厂的实时数据上报至集团Historian数据库，运用平台对两个中试批次的卷烟加工过程实时数据进行抽取，对采集的数据进行预处理，数据存储模式如图1所示。

1.2 试验方法

1.2.1 样品前处理

在室温下，精确称取烟丝样品0.6g（精确到0.0001g），置于20mL的棕色顶空瓶中，并加入0.1μL的内标标准工作液乙酸-2-苯乙酯，然后立即用压盖器迅速将铝盖和顶空瓶盖紧，密封，采用HS-GC/MS分析方法检测待检烟丝样品中的致香物质。

1.2.2 顶空进样器条件

取样针温度为140℃;加热炉温度为110℃;载气为氦气（He），高纯度为99.99%，压力为137.9kPa;进样量为1mL;样品加热平衡时间为40min;加压时间为0.2min;进样时间为0.2min;拔针时间为0.5s;进样模式：时间;操作模式：恒定。

1.2.3 气相色谱—质谱检测条件

气相色谱检测条件：色谱柱DB-WAX毛细管柱（30m×0.25mm×0.25μm，美国Aglient公司）;进样的口温度为250℃;载气为氦气（He），高纯度为99.99%恒流，流量为1.0mL/min，并且恒压;柱温箱的升温条件为：起始温度40℃，保持1min，然后以5℃/min的速率升到220℃并保持3min;进样的方式为不分流进样。

质谱检测条件：电离源为EI⁺离子源;电压为70eV;离子源温度为200℃;四极杆温度为150℃;溶剂延迟为3.5min;扫描的方式为全扫描，质量数扫描的范围33～400amu;传输线温度240℃。

采用NIST和WILEY标准谱库检索进行定性、定量分析两个不同批次的市售卷烟中的致香物质。

1.2.4 内标物的选择

烟草中的致香成分，大多数都具有挥发性，在前处理的过程中可能会使致香成分造成一定的损失，用外标定量法会使所测结果存在很大的误差，因此本试验采用内标法来进行半定量分析[15]。对内标法来说，内标物的选择很重要，结合相关资料，本试验选择乙酸-2-苯乙酯作为内标物。

2 结果与讨论

2.1 E、F中烟丝致香成分的研究

在烟丝样品添加量为0.6g、顶空平衡温度为120℃、平衡时间为50min条件下分别对两个批次（E、F）中烟丝的致香物质进行分析测定，检测结果如表I所示。两个批次的烟丝中共检测出41种致香成分，批次E含其中39种，批次F含其中37种。E、F中主体香气成分是烟碱、新植二烯、乙酸、2-戊-酮和羟基丙酮。在所有检测出的致香成分中，样品E中没有检测出6-甲基-3，5-庚二烯-2-酮、六氢金合欢基丙酮;样品F中未检测出2-（2-戊烯基_呋喃、氧化异佛尔酮、二氢猕猴桃内酯和苯乙烯，由此可见，两个样品中所含致香成分存在显著差异。在所检测出的致香成分中，氧化异佛尔酮、二氢猕猴桃内酯、巨豆三烯酮1、巨豆三烯酮2、β-大马酮、香叶基丙酮等成分是烟草中的类胡萝卜素因酶解或氧化发生降解产生的一些重要产物，这些物质大多具有香气，是形成烟丝高雅、清新香气的主要成分，对烟草香味的调节具有重要作用;茄酮本身具有烤烟味，其降解产物如茄醇、茄呢呋喃和降茄二酮等产物也是煙草中重要的致香物质;烟碱的含量在E，F中都是最高的，说明烟碱对这两个烟丝样品的香味起着关键作用，烟碱提供卷烟抽吸时的烟味、劲头、和生理满足感，同时也会带来抽吸时的刺激性，烟碱裂解产生的吡啶类化合物也会产生油树脂的香气，共同丰富烟草香味;新植二烯在这两个样品中含量也比较高，是叶绿素降解产物，本身具有清香香气，烟草燃烧可直接进入烟气，减轻刺激性、醇和烟气，新植二烯和类胡萝卜素降解物各组分之间含量的协调性可能是烟草表现出独特的清香型和香气质醇和的原因所在。其他检测出的致香物质如乙酸、糠醇、柠檬烯、苯酚等，对调节烟草酸碱度，丰富、调和烟草香味等也具有十分重要的作用。

两个样品中致香成分有13类，不同种类的化合物在E、F中的数目统计如图2所示，两个批次中的化合物成分在种类上相差不大，但吠喃类化合物在E中检测到而在F中并未检测到。这两个样品中所含的化合物种类最多的是酮类，其次是醇类、醛类、内酯类以及烯烃类化合物，不同种类化合物的相对含量在这两个批次的烟丝样品中也存在一定的差异。E中的致香物质相对总含量为179.367mg/kg略小于F中致香物质的相对总含量为187.645mg/kg。不同种类的化合物在E、F烟丝样品中的含量占比如图3所示，两个样品相对含量占比最高的是生物碱类化合物（烟碱）占总含量的50%～60%，其次是酮类、羧酸类和烯烃类，由图可知，E、F样品中含量相差较大的是羧酸类和烯烃类，F烟丝中竣酸类含量明显高于E中，E中的烯烃类化合物含量则明显高于F，其他种类的化合物含量虽然在这两个烟丝样品中相差不大，但对调节烟草香味是不可或缺。E、F样品中的致香成分在含量上存在一定差异：E中癸烷、吡啶、γ-壬内酯、3，5-二甲基苯酚、羟基丙酮、β-大马酮、新植二烯、巨豆三烯酮1、香叶基丙酮、3-甲基-1-丁醇、正十六烷、γ-丁内酯、泛解酸内酷、水合麦芽酚的相对含量高于样品F;F中的2-戊-酮、2-戊烯醛、烟碱、1，2-丙二醇、乙酸、己醛、2-己烯-1-醇、糠醇相对含量则高于样品E，致香成分含量的差异也就造成这两个样品香味的不同。

2.2 薄板干燥工序烟丝含水率对成品烟丝致香成分的影响

实验探究薄板干燥工序中烟丝含水率对这两个批次成品烟丝的致香成分的影响，薄板干燥工序的工艺参数设定见表2，实时数据的设定和记录由集团工艺质量云平台系统完成，然后分别对不同含水率（13%、14%、15%）下的两种成品烟丝样品进行致香成分的分析测定。含水率为14%的烟丝样品中致香成分的数量和含量大多数较含水率为13%和15%时高，某些致香成分在不同含水率控制下致香成分有所变化。E中巨豆三烯酮2在含水率为15%时未检测到;2-（2-戊烯基）呋喃、顺-2-戊烯醇、6-甲基-3，5-庚二烯-2-酮和六氢金合欢基丙酮这4种成分在3种含水率条件下未检测到。F中的致香成分含量变化与E类似，柠檬烯、水合麦芽酚在含水率为13%和14%都能检测到，但在含水率为15%时未检测出;巨豆三烯酮2在这3种含水率的样品中都没有检测出。此外，研究发现吡啶、苯酚、己醛等化学成分在含水率较低时其含量较高，这些物质大多有毒或对卷烟吃味不利;柠檬烯、1，2-丙二醇、甘油等成分在含水率为14%时含量明显偏高，这些物质对增加卷烟香味，减少刺激性和干燥感有积极作用。E、F样品中主体香气成分在不同含水率下的相对含量变化如表3所示，2-戊-酮、羟基丙酮、烟碱、新植二烯、乙酸这5种致香成分在烟丝含水率为14%时总含量最高，由于以上物质是构成烟丝香味的重要成分，所占比例也是最高，对平衡烟气酸碱、调和烟气香味、丰富烟草香味和降低刺激性具有重要作用，因此，综合来看，设定薄板干燥工序烟丝含水率为14%更有利于保留烟丝中的致香成分。

3 结束语

采用静态顶空一气相色谱质谱（HS-GC/MS）联用法对E、F两批次的烟丝样品中致香成分进行分析测定，该方法可以快速准确进行分析测定，条件比较温和，操作简单。本实验研究表明E、F两个批次的成品烟丝样品致香成分及比例有差异，在所检测出的41种致香成分中，批次E含其中的39种，批次F含其中的37种，E中的致香物质相对总含量小于F中的致香物质相对总含量。薄板干燥工序中将烟丝的含水率控制在 14%更有利于保留烟丝中的致香成分。卷烟产品加工过程中，含水率的控制选择是很重要的，希望通过本试验研究结果能对卷烟生产加工过程中烟丝薄板干燥工序中含水率的设定提供一定的参考。

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