制丝关键工艺参数对杂环化合物的影响

武 凯，岳 衡，熊开胜，廖晓祥，郑红艳，谭国治

（云南中烟工业有限责任公司技术中心，云南 玉溪 653100）

卷烟的感官质量和安全性是决定卷烟使用价值的关键，而烟叶中含量很少的致香物质对卷烟的感官质量有重要的影响，它是决定卷烟品质的重要因素[1]。在卷烟生产加工的制丝过程当中，烟叶中的香气前体物质、中间产物和终端产物的转化，改变了它们的相对含量，这在评吸过程中会表现出多种平衡关系[2]。研究制丝加工工艺参数与致香物质含量之间的关系，有利于优化制丝加工工艺，提高卷烟的内在品质[3-5]。烟气中的主要致香成分按照其官能团可以分为醇类、醛类、酮类、酸类、脂类、烯烃类、酚类和杂环类，而作为云产卷烟特征香的坚果香和焦甜香复合香最有代表性的主要是2-乙酰基吡咯和2-乙酰基呋喃[6]，本文选取了杂环化合物中的2-乙酰基吡咯和2-乙酰基呋喃进行分析。2-乙酰基吡咯具有核桃、甘草、烤面包、炒榛子的香气；2-乙酰基呋喃具有甜香、杏仁、坚果、烤香、烟熏香[7]。它们的主要特征香是坚果、烤甜、烤香、焦甜香，且在制丝工艺试验处理过程中波动比例较高，说明受制丝处理影响较大。影响制丝工艺的参数大约有70多个，在研究不同水平的工艺参数对制丝质量的影响时，样本量太大，为了减少实验次数，本文采用了8处理 8水平8因素均匀化试验，在合理范围内对工艺参数进行调整[8]。

1 材料与设备仪器

1） 试验材料。二氯甲烷（色谱纯，TEDIA Company,Inc.公司）、无水硫酸钠 (AR，北京化工厂)、乙酸苯乙酯（内标） （纯度大于97%，TEDIA Company,Inc.）；红塔山A牌号烟丝。2）仪器。水浴锅、旋转蒸发仪、Clarus 600气相色谱-质谱联用仪（美国Perkin Elmer公司）。

2 方法

2.1 试验设计方法

将红塔山A牌号烟丝作为试验对象，选取制丝工艺过程中关键工艺参数的主要“热源”参数，对主要“热源”工艺参数进行8处理8水平8因素均匀化实验设计，对B1（真空蒸湿温度℃）、B2（一周期抽空温度℃）、B3（超回热风风量m3/h）、B4（超回蒸汽喷射比例kg/100kg）、B5（润叶加料蒸汽喷射比例kg/100kg）、B6（烘丝筒壁温度℃）、B7（烘丝热风温度℃）、B8（烘丝热风风量m3/h）进行均匀化试验设计，见表1。

表1 制丝关键工艺参数设计表

按照表1中所设计的工艺参数组合调整制丝工艺参数，加工后检测不同工艺参数处理过的纯丝中2-乙酰基吡咯和2-乙酰基呋喃的百分含量，采用DPS逐步回归分析的方法对检测结果进行分析，确定影响大的因素，并对这些因素进行进一步的分析。

2.2 取样方法

分别取300g经过表1中各组参数处理过的纯丝，作为检测对象。

2.3 测试方法

1） 2-乙酰基吡咯、2-乙酰基呋喃的检测，首先采取同时蒸馏萃取，具体操作如下：①准确称取20 g烟丝样品于1000mL圆底烧瓶中，加入350超纯水，再加入40mL二氯甲烷，100μL浓度为1000mg/kg的乙酸苯乙酯，作为内标，将水浴温度控制在 55℃，同时蒸馏萃取2.5 h，冷却后取出二氯甲烷萃取液，用无水硫酸钠干燥过夜，然后旋蒸浓缩至1mL进行气质分析。②色谱条件：色谱柱为DB-5MS毛细管色谱柱（30m×0.25 mm×0.25μm）。进样口温度：250℃；程序升温：初始温度 50℃，保持5min，以2℃ /min升至80℃，以3℃ min升至230℃，保持16min。再以12℃ /min升至250℃，保持20min。载气：高纯氦气，流速1.0mL/min；进样方式：分流进样，分流比30∶1；进样体积：1.0μl。③质谱条件：离子源：EI源；电离能：70eV；离子源温度：200℃；传输线温度：280℃；检测模式：全离子扫描监测，质量扫描范围：33～400amu；溶剂延迟：5min。

2） 按照《YCT 497-2014卷烟 中式卷烟风格感官评价方法》进行感官评价。

3 结果

3.1 制丝关键工艺参数对2-乙酰基吡咯、2-乙酰基呋喃含量的影响

按照表1中调整制丝工艺参数，分别检测2-乙酰基吡咯、2-乙酰基呋喃的含量，将二者含量的加和值标记为“坚果香+焦甜香”复合香的主要成分结果如表2。

将M4工艺参数组合处理过的样品作为模型验证对象，结果如表3。

逐步回归模型方差分析P均小于等于0.05，且模型输出与实测值相差不超过5%，说明模型是可靠的。

表2 各样本工艺参数对2-乙酰基吡咯、2-乙酰基呋喃加和值的影响

表3 2-乙酰基吡咯、2-乙酰基呋喃加和值逐步回归模型验证结果

从表4中看出，真空蒸湿温度、一周期抽空温度、超回蒸汽喷射比例、烘丝热风风量的P值均小于0.05，说明有显著影响，工艺参数对2-乙酰基吡咯、2-乙酰基呋喃加和值含量的影响从大到小依次是：烘丝热风风量、超回蒸汽喷射比例、真空蒸湿温度、一周期抽空温度。说明在制丝加工过程中，类胡萝卜素降解主要集中在烟叶预处理段，通过真空回潮负压高温湿，超回润叶和润叶加料的高温高湿进行转化分解，烘丝工序对激发坚果和焦甜香也起到重要作用[9]。

表4 2-乙酰基吡咯、2-乙酰基呋喃加和值逐步回归系数分析

3.2 制丝关键工艺参数对2-乙酰基吡咯、2-乙酰基呋喃含量加和值影响趋势分析

从2.1中可知，工艺参数对2-乙酰基吡咯、2-乙酰基呋喃加和值含量的影响从大到小依次是：超回蒸汽喷射比例、真空蒸湿温度、一周期抽空温度，分别对烘丝热风风量、超回蒸汽喷射比例、真空蒸湿温度、一周期抽空温度对2-乙酰基吡咯、2-乙酰基呋喃含量加和值的影响做出分析。

在试验范围内，随真空回潮蒸湿温度的增加，制叶丝纯丝中2-乙酰基呋喃和2-乙酰基吡咯含量的加和值呈抛物线趋势，先下降后升高，如图1所示。其中，真空回潮蒸湿温度对大2-乙酰基呋喃和2-乙酰基吡咯含量的加和值影响趋势中较高的主要集中在58～65℃值域段，当温度大于56℃后，含量出现增加的趋势，但随着真空回潮蒸湿温度的增加类西柏烷的降解会加速，最终在一定程度上增加2-乙酰基呋喃/吡咯相对含量，真空回潮工序可以用于适度增加卷烟坚果香、烤香。

在试验范围内，随真空回潮一周期抽空温度的增加，制叶丝纯丝2-乙酰基呋喃和2-乙酰基吡咯含量的加和值呈抛物线趋势，先升高后下降，如图2所示。其中，一周期抽空温度对2-乙酰基呋喃和2-乙酰基吡咯含量的加和值影响趋势中较高的主要集中在8-10℃值域段，当一周期抽空温度大于10℃后，其含量出现下降趋势，随着一周期抽空温度升高，低沸点致香成分挥发程度增加，最终导致2-乙酰基呋喃和2-乙酰基吡咯含量的加和值呈下降趋势。

图1 蒸湿温度与2-乙酰基吡咯、2-乙酰基呋喃加和值关系图

图2 一周期抽空温与2-乙酰基吡咯、2-乙酰基呋喃加和值关系图

在试验范围内，随着超回蒸汽喷射比例的增加，制叶丝纯丝中2-乙酰基呋喃和2-乙酰基吡咯含量的加和值先升高后下降，如图3所示。其中，蒸汽喷射比例对2-乙酰基呋喃和2-乙酰基吡咯含量的加和值影响较大的主要集中在5.0～6.5kg/100kg值域段，当蒸汽喷射比例大于6.5 kg/100kg后，含量出现下降趋势，控制好超回蒸汽喷射比例可以适度增加卷烟的坚果香、烤香。

图3 超回蒸汽喷射比例与2-乙酰基吡咯、2-乙酰基呋喃加和值关系图

在试验范围内，随着烘丝热风风量的增加，制叶丝纯丝中2-乙酰基呋喃和2-乙酰基吡咯含量的加和值先升高，后降低，如图4所示。其中，烘丝热风风量对2-乙酰基呋喃和2-乙酰基吡咯含量的加和值影响较大的主要集中在2000～2400m3/h值域段，当烘丝热风风量大于2400m3/h后，含量出现下降趋势，说明较高的烘丝热风风量会导致低沸点致香成分挥发，最终在一定程度上降低2-乙酰基呋喃/吡咯的含量，在固定烘丝筒壁温度的基础上，适度调控烘丝热风风量可以增加卷烟坚果香、烤香，提升香气丰富性和丰满度。

图4 热风风量与2-乙酰基吡咯、2-乙酰基呋喃加和值关系图

3.3 杂环致香成分对卷烟感官质量的影响分析

杂环化合物优雅、独特的香气丰富了香气质，增加了烟草的本香，彰显坚果香、焦甜香等主体特征[10]。杂环化合物是影响卷烟香气的重要产物，主要包括吡咯类、呋喃类，主要生成于制丝加工过程中的降解[11]。烟草经过制丝工艺处理后，杂环化合物含量高，则香气量足，香气丰富性好，香气特征明显，如图5。

图5 样品中杂环致香成分含量与烟气特性得分关系图

从图5中看出，制丝处理过程中坚果香变化与2-乙酰基吡咯、2-乙酰基呋喃加和值变化轮廓重合度非常高，焦甜香变化轮廓与2-乙酰基吡咯、2-乙酰基呋喃加和值轮廓相似，总体变化规律非常明显。

4 结论

真空蒸湿温度、一周期抽空温度、超回蒸汽喷射比例、烘丝热风风量是影响纯丝中2-乙酰基吡咯、2-乙酰基呋喃含量加和值的关键工艺参数，在试验范围内，随真空回潮蒸湿温度的增加，制叶丝纯丝中2-乙酰基呋喃和2-乙酰基吡咯含量的加和值呈抛物线趋势，其中，真空回潮蒸湿温度对2-乙酰基呋喃和2-乙酰基吡咯含量的加和值影响趋势中较高的主要集中在58～65℃值域段；随真空回潮一周期抽空温度的增加，制叶丝纯丝2-乙酰基呋喃和2-乙酰基吡咯含量的加和值呈抛物线趋势，其中，一周期抽空温度对2-乙酰基呋喃和2-乙酰基吡咯含量的加和值影响较为显著的是在8～10℃；纯丝中2-乙酰基呋喃和2-乙酰基吡咯含量的加和值随超回蒸汽喷射比例的增加呈抛物线趋势，其中，蒸汽喷射比例对2-乙酰基呋喃和2-乙酰基吡咯含量的加和值影响较大的主要集中在5.0～6.5kg/100kg值域段；随着烘丝热风风量的增加，制叶丝纯丝中2-乙酰基呋喃和2-乙酰基吡咯含量的加和值呈抛物线趋势，其中，烘丝热风风量对2-乙酰基呋喃和2-乙酰基吡咯含量的加和值影响影响较大的主要集中在2000～2400m3/h值域段。