片烟四段式气调绿色醇化技术体系的构建

2020-03-03何伟范坚强牟文君陈义强包可翔林俭张明乾张瑞强刘景川宋纪真王春录

中国烟草学报 2020年6期

何伟，范坚强*，牟文君，陈义强，包可翔，林俭，张明乾，张瑞强，刘景川，宋纪真，王春录

1 福建中烟工业有限责任公司技术中心，福建省厦门市集美区滨水路298号 361021；

2 郑州烟草研究院，生态环境与烟叶质量重点实验室，郑州市高新技术开发区枫杨街2号 450001；

3 北京盈丰利泰科贸有限公司，北京市西城区西直门外大街1号院2号楼12C4 100044

烤烟是世界上重要的烟草类型之一，烘烤但未醇化的烟草因刺鼻的气味和令人不快的香气不适合卷烟产品[1]，因此烟叶醇化是改善烟叶品质、提升烟叶使用价值的重要环节[2]。在醇化过程中，烟叶常遭受到贮烟害虫的危害，出现烟叶破碎、穿孔、虫尸、虫粪残留等问题，严重影响烟叶的商品价值[3-5]。烟叶霉变过程中，霉菌摄取烟叶中的糖、蛋白质、水分等物质，破坏烟叶组织结构、降解相关成分并代谢出青、绿、黑色素和霉腐臭气，使烟叶变质，丧失使用价值[6]。霉变真菌的有毒代谢产物如黄曲霉素以及烟叶表面的病原微生物也会对吸烟者的健康构成潜在危害[7]。目前控制贮烟害虫常规的方法是磷化氢熏蒸，效果虽然显著但对操作人员和环境的危害也较为突出[8]，同时随着烟叶仓库害虫对磷化氢抗药性的产生，已有熏蒸防治失败的报道[9-10]，磷化氢的使用也越来越受到相关法规的制约。因此，寻求新的无公害、低毒性的杀虫防霉方式以替代磷化氢熏蒸已成必然趋势。

仓储醇化可以促使烟叶内在化学成分转化，青杂气和刺激性明显减弱，香味物质增加，吸味醇和。一般而言，采购的烤烟需经 2 年左右的自然醇化来满足卷烟工业的产品需求[11-12]，烟叶醇化是提高烟叶品质的关键途径。不同的仓储条件和方式对烟叶醇化效果影响较大[13-15]。烟叶仓储醇化方式包括磷化氢或硫酰氟熏蒸的自然醇化、人工发酵、“三位一体” （熏蒸、防虫、养护一体化）贮存、空调库贮存、降氧及利用惰性气体贮存、气调贮存等[16-17]。目前，卷烟工业企业片烟仓储模式主要采用自然醇化法。自然醇化是一种缓慢的发酵方法，醇化效果较好，但也存在一些不足：容易感染虫害感染、受到环境温湿度及存储条件的影响易发生霉变[18-19]、烟叶长期与空气接触颜色容易变深变褐、采用的磷化氢熏蒸造成环境污染、烟叶达到最佳醇化质量后品质下降速率较快造成了烟叶原料质量波动从而影响卷烟产品的稳定性等。因此，探索一种全新的烟叶仓储养护方式来提高片烟醇化质量、延长片烟使用周期、稳定库存烟叶及卷烟产品的质量具有十分重要的意义。

1 材料与方法

试验分“气调杀虫防霉技术研究”、“气调醇化技术研究”、“气调保质技术研究”、“四段式气调醇化示范验证”4 个部分。

1.1 材料

气调杀虫防霉技术研究试验片烟样品：贵州毕节C3L-2010（无虫蛀）、贵州凤岗B2F-2010（轻微虫蛀）、福建尤溪C3F-2010（严重虫蛀）、四川凉山C4X2F-2012（中度虫蛀）。

气调醇化技术、气调保质技术研究试验片烟样品：云南马龙C3F-2010、福建尤溪C3F-2010、福建永定C3F-2010、贵州铜仁B12F-2010和贵州长顺C3F-2014。

四段式气调醇化示范验证试验片烟样品：阿根廷B1O-2012、云南保山C3F-2012、贵州铜仁C3L-2012。

以上样品由福建中烟龙岩东肖仓库、厦门东孚仓库提供并负责气调施工和仓储养护。气调具体施工流程为：垛底处理、制作底膜和顶膜、铺设衬垫材料和底膜、码垛（每垛约200 件片烟）、放置气调剂、封合底膜和顶膜、抽气密封、垛内氧气浓度调控。

1.2 试验设计

1.2.1 气调杀虫防霉技术研究

低氧条件对烟草甲不同发育阶段的影响研究以贵州毕节C3L-2010（无虫蛀）、贵州凤岗B2F-2010（轻微虫蛀）、福建尤溪C3F-2010（严重虫蛀）各20 件片烟（每件片烟200 kg）为研究对象，氧气浓度设置为2%以下，密封放置90 天，同时设自然醇化对照组。实验结束后每种片烟随机抽取5 件，在烟箱同一位置各抽样0.5 kg，混匀后统计虫卵、幼虫、蛹和成虫的数量。

低氧条件维持时间对虫情的影响研究以受虫情中度感染的四川凉山C4X2F-2012 片烟作为研究对象，将氧气浓度降至2%以下后密封贮存30 天、60 天、90 天、120 天，之后再将垛内氧气浓度回调至20% ～21%（接近空气的氧气浓度），试验周期1 年，研究2%以下氧气浓度的维持时间对虫情的抑制情况。每个处理封3 垛，每垛2 件片烟，共24 件，每个垛内挂置3 块诱捕板（诱捕板按说明书定期更换），每隔7 天记录1 次虫情，直至试验结束。

气调防霉效果采用真菌培养的方法进行验证。以小于2%氧气浓度保持120 天的贵州长顺X23F、福建尤溪B2F、河南确山X2F 三个等级气调垛内片烟、自然醇化120 天的以上三个等级自然醇化片烟和气调垛内外空气（空气采样器各取200 L 空气）作为研究对象。分别对气调、自然醇化的片烟和垛内外空气进行真菌培养，分析真菌的数量和种类。

1.2.2 气调醇化技术研究

试验设6 个处理，处理0 为自然醇化组，处理1至处理5 为气调贮存下不同氧气浓度气调处理组。处理1 至处理5 入库后先以2%以下的氧气浓度密封90 天对片烟进行杀虫防霉，之后再采取解除密封或其它氧气浓度封存等处理（表1）。试验每3 个月取样1 次，共取样13 次。每次取样后样品先用无色无味塑料自封袋包装严实，存于-15℃的冷库中，待试验完成后统一取出进行外观评价、感官评价及pH 分析。

1.2.3 气调保质技术研究

以初烤后自然醇化约20 个月片烟样品为研究对象，试验设4 个处理（表2），研究气调贮存片烟和自然醇化仓储下的片烟的保质效果。试验每4 个月取样1 次，共取样6 次。

1.2.4 四段式气调醇化示范验证

根据四段式烟叶醇化技术中气调防霉杀虫阶段、气调醇化阶段和气调保质阶段的技术要求及片烟仓储综合养护技术要求贮存片烟，验证四段式烟叶醇化技术的应用效果，试验设对照组（自然醇化）和气调处理组（气调杀虫防霉阶段、气调醇化阶段和气调保质阶段的氧气浓度分别为2%以下、7%～9%和2%以下）。

表1 气调醇化阶段参数设置Tab. 1 Parameter settings of CA aging stage

1.3 检测及评价方法

1.3.1 外观质量评价

外观评价由烟叶标样分标委委员、高级技师等人员完成。外观综合得分以颜色、成熟度、油分、均匀度、饱满度和光泽度加权平均计分并换算为百分制进行评价打分。外观评价综合得分=颜色×0.20 ＋成熟度×0.20 ＋油分×0.30 ＋光泽度×0.10 ＋均匀度×0.10 ＋饱满度×0.10。

1.3.2 感官质量评价

感官评价由行业卷烟感官评吸专家、福建省感官评吸专家、配方人员、调香人员等人员完成。感官综合得分以风格特征和质量特征加权平均计分并换算为百分制进行评价打分。感官质量总分＝风格特征评价×0.40 ＋质量特征评价×0.60，其中风格特征评价得分=香味风格×0.60 ＋甜感×0.40，质量特征评价得分=香气特征×0.55 ＋烟气特征×0.20 ＋口感特征×0.25，其中香气特征得分=香气质×0.40 ＋香气量×0.30 ＋杂气×0.30，烟气特征得分=细腻度×0.40 ＋浓度×0.30 ＋劲头×0.30，口感特征得分=刺激性×0.45 ＋余味×0.55。

1.3.3 pH 值的测定

参考标准YCT 222-2007《烟草及烟草制品 pH 的测定》进行测定。

1.3.4 温度、湿度、O2和CO2浓度的检测

温度和湿度的检测：采用VAISALA 手持式温湿度计进行检测。

O2和CO2浓度的检测：采用便携式二合一氧气、二氧化碳浓度检测仪进行检测。

2 结果

2.1 气调贮存的杀虫效果

2.1.1 低氧条件对烟草甲不同发育阶段的影响

不同贮存条件下烟草甲各虫态统计情况见表3。由表3 可知，自然醇化条件下无虫蛀样品3 个月后出现少量成虫和幼虫，轻微虫蛀和严重虫蛀样品3 个月后虫情都进一步加重。气调醇化条件下均未发现活虫，轻微虫蛀和严重虫蛀样品存在大量的虫尸。以上结果表明，前期受烟草甲不同侵染程度的片烟，采用2%以下的低氧气调贮存可以明显抑制烟草甲不同虫态的发生、发展。

表3 不同贮存条件下烟草甲各虫态统计情况Tab. 3 Statistics of the number of Lasioderma serricorne under different storage conditions

2.1.2 低氧条件维持时间对虫情的影响

由表4 可知，4 个维持时间处理的垛内诱虫板诱虫数据均为0，说明2%以下氧气浓度维持30 天即可有效杀灭烟草甲，且垛内氧气浓度回调至20%～21%后，也未出现烟草甲活虫。为了更好的避免虫害发生，垛内氧气浓度保持2%以下的维持时间大于90 天较为安全。

表4 不同低氧维持时间下的虫情Tab. 4 The number of Lasioderma serricorne under different hypoxia maintenance time

2.2 气调贮存的防霉效果研究

自然醇化、气调醇化的片烟和气调垛内外空气的真菌培养结果见图1。由图可知，自然醇化的片烟和气调垛外空气中均存在一定数量和种类的真菌，而气调片烟表面和垛内空气基本没有真菌生长，该结果表明低氧浓度的气调贮存可有效抑制真菌的生长，从而防止片烟霉变的发生。

图1 自然醇化、气调醇化条件下的片烟表面和垛内外空气的真菌培养结果Fig .1 Results of fungi culture on the flue-tobacco strip surface and in air inside and outside the stack under natural aging and CA aging conditions

2.3 气调醇化技术研究

2.3.1 气调醇化技术对片烟感官质量的影响

2.3.1.1 不同气调醇化处理的片烟感官质量变化规律

不同气调醇化处理的片烟感官质量变化规律见图2。各产地片烟在醇化过程中，感官质量均呈现先升高后降低的趋势。相比处理0，气调醇化处理1～5 的风格特征更清晰，甜感特征明显，烟气口感更为柔和细腻，品质较优，且以处理3 的整体感官质量最好。各产地片烟的醇化前期处理3 质量水平最好，上升速率最快，质量高点也最高，同一取样时间的样品感官质量明显高于其他5 个处理。在醇化后期，6 个处理的感官质量都呈下降趋势，但各处理间下降趋势存在差异，处理2 较之其他处理感官质量下降速率最为平缓，这也同时说明氧气浓度小于2%对片烟醇化有一定的保质效果。总体而言，处理0 的感官质量下降速率最快且感官质量始终低于其他5 个处理，说明气调醇化可以明显提升片烟感官质量。

图2 气调醇化阶段不同处理方式和醇化时间对感官质量的影响Fig. 2 The effect of aging time and oxygen concentration on the sensory quality in the CA aging stage

2.3.1.2 不同气调醇化处理对片烟感官质量高点和醇化末期感官质量的影响

根据各个处理不同时期样品的感官质量综合得分，可以得出各产地到达感官质量高点的醇化时间（表5），云南、贵州、福建片烟入库时已分别自然醇化约6 个月、6 个月和9 个月。从表5 看出，除了福建尤溪C3F 的处理2 与处理0 相比，感官质量高点延迟3～6 个月，其余气调处理到达质量高点的时间和自然醇化相比一般不超过3 个月，说明气调醇化不会大幅度延缓片烟到达感官质量高点的时间。

图3 为云南马龙C3F 和福建尤溪C3F 不同处理感官质量高点和醇化末期（贮存3 年）的感官质量差异。由图可知，感官质量高点均以处理3 的感官质量总分最高，其次为处理2，处理0 的感官质量总分最低。具体表现为，处理3 在达到最佳醇化品质时，香气质、甜感、杂气、余味明显优于对照，香气量、风格特征、细腻度、刺激性有所改善且优于对照。气调醇化末期感官质量总分以处理2 最高，处理3 次之，处理0 的感官总分最低。具体表现为处理2 和处理3 较好地保持了片烟香气质、风格特征和甜感，而处理0 的醇化末期烟气粗糙，甜感弱，部分产地烟气中有酸香和陈烟气息。以上结果表明处理2 和处理3 可以明显保持片烟风格，延长片烟的适宜使用期。

表5 不同处理下烟叶感官质量达到最高点时的醇化时间Tab. 5 The aging time for reaching the optimal sensory quality of tobacco leaves under different treatments

图3 片烟不同气调醇化处理质量高点和醇化末期的感官质量得分Fig. 3 The sensory quality scores of tobacco strips at the optimal quality point and the end-stage of aging under different oxygen concentration in the CA aging stage

2.3.2 气调醇化技术对片烟外观质量的影响

由图4 可知，贮存前期的外观质量呈上升趋势，表现为桔黄程度加深，油分增加，色度更均匀、饱满，光泽更强。贮存后期的外观质量逐渐下降，表现为颜色变深、变褐，油分减少，色度减弱。总体排序为：处理2 ＞处理3 ＞处理4 ＞处理5 ＞处理1 ＞处理0，气调片烟表现为颜色较为桔黄，油分较足，光泽度较鲜亮。以上结果表明气调贮存能够提高片烟外观品质因素中的颜色、油分及光泽等指标，且氧气浓度越低外观质量维持得越好。

2.3.3 气调醇化技术对片烟pH 值的影响

从图5 可以看出，随着醇化时间的延长，片烟的pH 总体均呈下降趋势，且下降速率较为匀。云南马龙C3F 醇化3 年后，处理0、处理5、处理2 和处理3 的pH 降幅分别为9.17%、7.89%、6.61%和7.71%。对于相同的醇化时长，处理0 和处理5 的pH 下降率最快，而氧气浓度最低的处理2 的pH 下降率最慢，其次为处理3。福建尤溪C3F 各时期pH值的变化趋势和云南马龙C3F 表现出类似的规律。以上结果表明低氧可以延缓醇化片烟pH 值的下降速率。

2.3.4 气调醇化阶段片烟关键质量周期的划分

根据感官评吸结果的质量变化规律，结合外观质量、化学成分分析、pH 值结果和卷烟配方的使用，最终给出气调贮存片烟的建议使用时间，以达到烟叶质量利用最大化的目的。气调醇化阶段部分片烟关键质量周期的划分如表6 所示。从表6 中可以看出，采用气调贮存的片烟到达最佳醇化质量至少可以在12～15 个月内继续保持其品质（表中d、c），保持时间较之自然醇化法可以延长9～12 个月。自然醇化片烟存放27 ～30 个月（表中a、b、c、d）后进入过度醇化期，采用7%～9%氧气浓度气调贮存片烟存放45个月时尚未进入过度醇化期，其适宜使用期比自然醇化至少延长15 个月。

图4 气调醇化阶段不同处理方式和醇化时间对外观质量的影响Fig. 4 The effect of aging time and oxygen concentration on the appearance quality of tobacco strips in the CA aging stage

图5 气调醇化阶段不同处理方式和醇化时间对pH 值的影响Fig. 5 Effects of different CA treatments and aging time on pH value during the CA aging stage

2.4 气调保质技术研究

2.4.1 气调保质技术对片烟感官质量的影响

从图6 可以看出，随醇化时间延长，不同处理的片烟感官质量都呈下降趋势，各处理的感官质量下降幅度排序均为处理0 ＞处理3 ＞处理2 ＞处理1。气调保质阶段不同氧气浓度处理的感官质量保持程度优于自然醇化对照，且贮存环境氧气浓度越小，样品感官质量整体保持程度越好、下降幅度越小。

表6 片烟醇化过程关键质量周期的划分Tab. 6 Division of key quality period in tobacco strips aging process

图6 气调保质阶段不同氧气浓度对感官质量的影响Fig. 6 The effect of oxygen concentration on the sensory quality in the CA quality maintenance stage

2.4.2 气调保质技术对片烟外观质量的影响

片烟在保质阶段随着醇化时间的延长，颜色逐渐加深，各主要品质因素均呈下降趋势。由图7 可知，处理1 的片烟外观质量下降幅度最小，处理2、3 次之，处理0 下降幅度较大，外观质量下降较明显。

图8 对比了采用气调保质处理和自然醇化处理的贵州黔南长顺C3F-2014 外观质量差异，由图可以看出气调保质处理18 个月的片烟和同时期贮存的自然醇化片烟在外观质量上有较大的差异，图8 左边的气调醇化片烟的色泽更鲜亮，油分更充足。

图8 气调保质片烟和自然醇化片烟的外观差异Fig. 8 Appearance difference of tobacco strips under CA aging and natural aging

2.4.3 气调保质技术对片烟pH 值的影响

由图9 可以看出，随着保质时期的延长，片烟各处理的pH 值均呈现下降趋势，同时期处理1 和处理3 的pH 值高于处理0，气调保质处理的pH 值降幅小于自然醇化的降幅，这与气调醇化技术对片烟pH 值的影响结果一致。

2.5 气调垛内外环境分析

气调垛内外的各环境参数的变化规律见图10，其中a 为气调垛内外温度曲线，b 为气调垛内外相对湿度曲线，c 为气调垛内O2和CO2浓度的变化趋势曲线。由图10-a 的数据可以看出，垛内外温度无明显差别。由图10-b 数据可以看出，垛外的相对湿度受外界环境湿度的影响变化波动较大，波动范围在35%～85%之间，而气调垛内的相对湿度湿度变化平稳，波动范围在45%～60%之间。因此气调贮存在湿度较大的区域有利于烟叶防潮，防止霉变，在湿度较小的区域又可以避免烟叶造碎。由图10-c 的数据可以看出，垛内的氧气浓度在人为调节下，可以达到我们预期的O2浓度，而CO2浓度在不解除密封的条件下，是一个积累的过程，保持持续上升的趋势。

2.6 四段式气调醇化技术体系的建立

根据前期不同气调醇化阶段的试验结果，本研究创新性地将片烟气调贮存划分为四个阶段：（1）自然醇化阶段（烟叶打叶复烤之后至片烟封垛前的阶段）；（2）气调杀虫防霉阶段（自然醇化阶段后利用低氧环境进行防霉杀虫的阶段）；（3）气调醇化阶段（气调防霉杀虫阶段后通过调控氧气浓度促进片烟醇化，使片烟达到最佳醇化品质的阶段）；（4）气调保质阶段（片烟达到最佳醇化品质时，降低氧气浓度延缓片烟醇化至开垛使用的阶段）。结合仓间内外、密封垛内外的温湿度和综合养护要求，明确了各个阶段对应的技术参数（表7）。

图9 气调保质阶段不同氧气浓度对片烟pH 的影响Fig. 9 The effect of oxygen concentration on pH value of tobacco strip in the CA quarlity maintenance stage

表7 四段式气调醇化技术体系各阶段氧气浓度、温湿度技术参数Tab. 7 Technical parameters of oxygen concentration, temperature and relative humidity at each stage of the Four-Stage CA aging technology system

图10 气调垛内外温度、相对湿度、垛内O2 浓度和CO2 浓度Fig. 10 Analysis of temperature, relative humidity, O2 and CO2 concentration inside and outside the CA stack

2.7 四段式气调醇化示范验证

四段式气调醇化和自然醇化烟叶的感官质量评价结果见表8。结果表明四段式气调醇化与自然醇化烟叶样品相比感官质量综合得分提高，主要表现为香气质、香气量、杂气、刺激性、余味等指标优于自然醇化。四段式气调醇化的示范试验也进一步验证了四段式气调醇化技术体系的可操作性和有效性。

3 讨论

“提高烟叶醇化质量，改善烟叶品质”是仓储工作的中心任务。自然醇化中各产地片烟质量均随醇化时间的延长呈现先升高后降低的变化趋势，不同的是烟叶感官质量达到最佳时的醇化时间有差异，醇化时间因产区和部位不同而不同[20]。范坚强等[21]开展了密封降氧醇化试验，研究表明贮存12～18 个月，密封降氧的感官质量优于常规仓储。本研究在密封降氧的基础上引入了“四段式气调醇化”理念，根据片烟醇化质量变化规律和不同贮存阶段的醇化目的，首次提出了一种片烟贮存前期以杀虫、防霉为目的，中期以提高片烟质量为目的，后期以保持片烟最佳醇化质量，延长片烟适宜使用期和质量周期为目的，并包含“自然醇化、气调杀虫防霉、气调醇化和气调保质”四个阶段，可“因时制宜、因地施策”灵活应用的四段式气调醇化技术，实现了醇化片烟质量由“顺其自然”转变为“科学调控”。

本研究采用气调低氧贮存进行杀虫，较之磷化氢熏蒸、化学杀虫剂、低温[14]、辐射[1]等方法具有容易实施、绿色环保、安全高效等优点。同时，该低氧期对片烟表面的好氧真菌有抑制作用，较大程度地防止了霉变的发生。随着贮存时间的推移，烟叶颜色变深、变暗，pH 值随着醇化的进行呈持续降低趋势。自然醇化的片烟颜色转深明显，密封降氧贮存有利于保持片烟的颜色、均匀度、光泽度和油分[22]，这与本研究结果一致。胡有持等研究表明醇化过程中香味成分的变化，促使片烟的香气质、香气量以及整体感官评价呈现出感官质量上升期、感官质量高峰、以及感官质量下降期[23-24]。本研究针对不同产地、等级将片烟醇化质量周期细分为不建议使用期、适宜使用期、最佳使用期和过度醇化期，确定了不同产区片烟在醇化质量周期内各阶段的合理使用关键时间节点，制定了醇化片烟“适宜使用期时‘提示’，最佳使用期后‘提醒’，过度醇化期前‘预警’”的科学使用策略，为片烟仓储的智能化管理和数字化产品设计提供了技术支撑和科学指导。