烟叶烘烤过程中烤房内挥发性成分的变化规律

黄 涛，雷 强，俞世康，何佶弦，张启莉，谢良文，母明新，景延秋

（1. 河南农业大学 烟草学院，河南 郑州 450002；2. 中国烟草总公司 四川省公司，四川 成都 610041；3. 四川省烟草科学研究所，四川 成都 615000；4. 四川省烟草公司 广元市公司，四川 广元 628000）

烘烤是提高烟叶品质的重要环节[1]，目前烘烤人员主要根据烟叶颜色和形态变化来评估烟叶烘烤进程，易受主观及环境因素影响，导致烘烤关键点和烟叶品质判断波动较大。烟叶化学成分含量协调性低、香气量不足、香气质较差是制约着我国高档卷烟品质提升的主要因素之一[2‑4]。因此，优化烘烤工艺，提高烟叶品质，已成为烟叶生产中亟待解决的问题。

挥发性成分是烟叶的重要组分，是评价烟叶质量的重要指标之一[5]。相关学者对烟叶内的挥发性成分开展了多项研究[6‑9]，这些研究中的样品制备操作烦琐，需要反复取样、浓缩和同时蒸馏萃取操作，耗费时间长，同时会造成挥发性成分损失。在烘烤过程中，烟叶中的化学成分会发生降解、转化、合成及挥发等一系列复杂的生物化学变化[10]，同时化学成分会伴随着水分挥发到烤房中[11]。这些成分是影响烟叶香气质、香气量和香型的重要组分[12‑16]。因此，研究烤房内挥发性气体的变化规律对指导烟叶烘烤进程和提高烟叶品质具有重要意义。固相微萃取-气相色谱/质谱（SPME-GC/MS）联用的方法已用于检测烟叶、食品等挥发性成分[17‑20]，但国内外用此方法检测烤房内挥发性成分的研究还未见报道。为此，采用SPME-GC/MS 方法探索烤房内挥发性成分，明确烘烤过程中烤房内挥发性成分的种类、含量和变化规律，有利于解决主观和环境因素对烤烟品质的影响，为实现烤烟烘烤智能化控制提供数据支撑。

1 材料和方法

1.1 仪器和材料

仪器：气相色谱质谱联用仪（GC-MS）（19091S-433，美国安捷伦科技公司）；水浴锅（HH-S，瑞华仪器有限公司）；手柄（57330-U）、固相微萃取探头（50/30 μm，DVB/CAR/PDMS）（上海耀特仪器设备有限公司）；KX-1S-25 kg 温度自控式电加热烤房（中瑞科技有限公司）；50 mm 口径的10 L 液氮罐（北京海天友诚科技有限公司）。

材料：中烟100（中部叶），来源于河南禹州，选取部位一致、成熟度一致、株高数相近的烟株。

试验在河南农业大学试验基地（海拔109.79 m、34°44′N，113°37′E）进行。

1.2 测定指标及方法

1.2.1 烤房内挥发性气体的测定 将活化后带有手柄的固相微萃取探头放置于烤房内，在烘烤过程关键转火点将要结束时（即干球34 ℃末，湿球34 ℃末、干球38 ℃末，湿球36 ℃末、干球42 ℃末，湿球38 ℃末、干球47 ℃末，湿球38 ℃末、干球54 ℃末，湿球40 ℃末和干球68 ℃末，湿球40 ℃末）取样，富集时间40 min，富集完成后立刻进行上机检测。

1.2.2 烟叶中挥发性气体的测定 在烘烤关键温度点取样3 片烟叶，放入液氮内冷冻干燥后取出磨碎，取3 g 磨碎后的样品装入15 mL 棕色瓶，置60 ℃水浴锅中，将固相微萃取探头扎入棕色瓶内，富集40 min，富集完成后立刻进行上机检测。

1.2.3 相对香气活性值（ROAV）的测定 由于积分面积归一化法只能得到单一组分的相对含量（Cr），将绝对含量（C）替换成相对含量（Cr），引入新的参数ROAV，将各组分相对含量与查阅到的感觉阈值进行比较，得到ROAV[9]。

1.3 GC-MS检测条件

HP-5MS（30 m×0.25 mm×0.25 μm）；载气：He；进样口温度：270 ℃；进样量1 μL，不分流进样；柱温：初始40 ℃，保持3 min，以5 °C/min 的升温速率升至280 ℃，保持5 min；电离方式：EI；离子源温度230 ℃；传输线温度250 ℃；电子能量：70 ev；扫描范围：40～350。

1.4 数据处理

根据NIST质谱图库检索结果，并结合保留指数参考文献值对烤房内和烟叶中的挥发性成分进行初步筛查鉴定，并运用峰面积归一化法测得各挥发性成分的相对含量。通过Excel 2013 和SPSS 20.0软件，对烤房内挥发性成分进行统计分析和聚类分析。

2 结果与分析

2.1 烤房内的挥发性成分

由表1 可知，在烤房内共检测到76 种挥发性成分，其中烃类48 种、酯类13 种、醛类5 种、醇类7 种、酮类3种。这些挥发性成分来自烟叶内色素和碳环二萜类化合物降解、糖-氨基酸之间的美拉德反应及苯丙烷酸和木质素代谢等。

表1 烤房内的挥发性成分Tab.1 Volatile components in curing room

续表1 烤房内的挥发性成分Tab.1（Continued） Volatile components in curing room

2-（1-甲基-2-吡咯烷基）-吡啶，又名烟碱，在烤房内总挥发性气体中占68.00%，是烤房内挥发性成分中的重要组分。3，7，11，15-四甲基-2-十六烷基-1-醇，又叫叶绿醇（植物醇），叶绿素的衍生物之一[21]，在烤房内总挥发性气体中占23.59%，在卷烟燃烧过程中的产生量仅次于烟碱含量[9]，对烟叶的质量评价有重要作用。

烟碱和叶绿醇含量在烤房内挥发性成分中总占比为91.59%，因此，监测烤房内烟碱和叶绿醇含量的变化规律，能更科学反映烟叶的烘烤进程，从而提高烟叶的烘烤品质。

2.2 烟叶中的挥发性成分

由表2 可知，在烟叶中共检测到96 种挥发性成分，其中，烃类40 种、酯类11 种、醛类15 种、醇类20种、酮类8 种、酚类1 种。这些烟叶中的挥发性成分主要来自类胡萝卜素降解物、类西柏烷类降解物、苯丙氨酸代谢产物、美拉德反应产物等。

表2 烟叶中的挥发性成分Tab.2 Volatile components in tobacco leaves

续表2 烟叶中的挥发性成分Tab.2（Continued） Volatile components in tobacco leaves

续表2 烟叶中挥发性成分Tab.2（Continued） Volatile components in tobacco leaves

在烟叶挥发性成分中，烟碱含量为78.35%，其是烟叶中的重要化学成分，是评价烟草及其感官质量的重要指标[22]；叶绿醇含量为14.51%，其是植物叶绿素分子上含有多支链的脂肪醇[23]，进一步降解为植物呋喃等物质，增加烟叶的香气质[24]；香叶基丙酮和6-甲基-5-庚烯-2-酮含量分别为0.11%和0.98%，其为类胡萝卜素的降解产物，是烟叶中的关键香气成分[25]。苯甲醇、苯乙醇和苯甲醛含量分别为0.08%、0.01%和0.22%，其为苯丙氨酸降解产物，是对烟草香型贡献较大的物质[26]。烟叶中的其他挥发性成分虽然相对含量较小，但也都以一定比例结合，相互协调，在提高烟叶香气质和香气量上发挥重要作用。

2.3 烤房内和烟叶中共同检测到的挥发性成分

由表3 可知，在烤房内和烟叶内共检测到19 种相同的挥发性成分，其中，烃类13 种、醇类2 种、醛类3 种和酮类1 种。只有十一烷、烟碱和壬醛是烟叶内的含量高于烤房内的含量，其余16种均是烤房内含量高于烟叶内含量，这可能是烤房内的挥发性成分在高温高湿条件下发生反应的原因。检测到的19 种相同挥发性成分，来自烘烤过程中烟叶挥发，应作为重点监测指标。

表3 烤房内和烟叶中共同的挥发性成分Tab.3 Common volatile components in curing room and tobacco leaves

2.4 烤房内烟碱和叶绿醇的ROAV

ROAV 大于1 时，表明该化合物对该物质的香气成分有贡献作用[27]。由表4可知，叶绿醇的ROAV为138.87，本身具有青杂气，但可以在醇化过程中转化成新植二烯，青杂气就会减弱；烟碱的ROAV为1 030.30，本身具有辛辣味，但将高纯度烟碱作为烟用香精添加到烟草中，可以减轻杂气，提高卷烟档次[28]。烟碱和叶绿醇本身的高ROAV 值和独特的异味，应重点关注。

表4 烤房内烟碱和叶绿醇的ROAVTab.4 ROAV of nicotine and chlorophyllin in the curing room

2.5 烤房内和烟叶中烟碱和叶绿醇的变化规律

由图1 可知，烤房内的烟碱含量和烟叶中的烟碱含量变化趋势一致，总体呈现先升高后降低并逐渐稳定的趋势，在42 ℃末达到最大值，在47 ℃末—68 ℃末趋于稳定。烤房内烟碱含量在开烤—42 ℃末逐渐升高，可能是因为烤房内烟叶整体挥发出的烟碱含量高于烟碱通过排湿口的损失量；在47 ℃末—68 ℃末趋于稳定，可能是因为烤房内烟碱的积累量与烟碱通过排湿口的损失量达到平衡。烟叶中烟碱含量在开烤—42 ℃末逐渐升高，可能是因为在烘烤过程中烟叶中烟碱的积累量高于烟碱本身的挥发量；在47 ℃末—68 ℃末趋于稳定，可能是因为烟叶中烟碱的积累量与烟碱的挥发量达到平衡。

图1 烤房内和烟叶中烟碱含量的变化规律Fig.1 The change of nicotine content in the curing room and tobacco leaves

由图2 可知，烤房内的叶绿醇含量在开烤—54 ℃末呈现逐渐升高的趋势，可能是因为烤房内叶绿醇的积累量高于叶绿醇通过排湿口的损失量；在54 ℃末—68 ℃末趋于稳定，可能是风机高速运转，烤房内叶绿醇的积累量与叶绿醇通过排湿口的损失量达到平衡。烟叶中的叶绿醇含量在烘烤过程中呈现先升高后降低的趋势，在42 ℃末达到最大值，可能是在开烤—42 ℃末烟叶中叶绿醇的积累量高于本身的挥发量；在42 ℃末—54 ℃末降低，可能是因为烟叶中叶绿醇的积累量少于在烘烤过程中的挥发量；在54 ℃末—68 ℃末趋于稳定，可能是因为在烘烤过程中烟叶中叶绿醇的积累量与烟叶叶绿醇的挥发量达到平衡。

图2 烤房内和烟叶中叶绿醇含量的变化规律Fig.2 The change of chlorophyll content in the curing room and tobacco leaves

方差分析结果表明，烤房内和烟叶中的烟碱和叶绿醇在不同的关键温度点之间存在显著性差异（P<0.05），通过监测烤房内烟碱和叶绿醇含量的变化，可直接反映出烟叶的烘烤状态，从科学角度上指导烟叶烘烤。

2.6 烤房内挥发性成分的聚类分析

通过聚类分析，把关键温度点烤房内的挥发性成分进行分类（图3），可以看出烤房内的挥发性成分在哪些关键温度点变化明显。聚类分析结果表明，当距离系数为5 时，可以分成3 类。第1 类为36 ℃始（开烤）；第2 类为36 ℃末、38 ℃末和42 ℃末；第3 类为47 ℃末、54 ℃末和68 ℃末。聚类分析图直观地显示了整个聚类过程，减小了凭借主观判断造成的误差，结果表明，不同温度点烤房内的挥发性成分有明显的差异。36 ℃始在第1 类，表明烤房内的挥发性气体变化明显；36 ℃末、38 ℃末和42 ℃末在第2 类，表明烤房内的挥发性成分变化规律相近；47 ℃末、54 ℃末和68 ℃末在第3类，由于干筋期烟叶内的蛋白质、类胡萝卜素等降解充分，因此，这3个温度点烤房内挥发性成分接近稳定。

图3 烤房内挥发性成分的聚类分析Fig.3 Cluster analysis of volatile components in thecuring room

3 结论与讨论

黄兰芳等[5]通过加速溶剂萃取-GC/MS 法在烟叶中共鉴定出50 种挥发性成分，谭新良等[29]通过热脱附-GC/MS 法在烟叶中共鉴定出47 种挥发性成分。本研究首次采用SPME-GC/MS 分析方法研究烤房内的挥发性成分，在烤房内检测到76种挥发性成分，另外在烟叶中检测到96种挥发性成分。说明该方法自动化程度高、准确性好，适用于烤房内挥发性气体检测。

在烤房内和烟叶中共同检测到的挥发性成分有19种，其中烟碱和叶绿醇是烤房内和烟叶中挥发性成分中含量最多的物质，烤房内烟碱和叶绿醇的含量分别为68.00%和23.59%，烟叶中烟碱和叶绿醇的含量分别为78.35%和14.51%。调制阶段是烟碱转化发生的集中阶段[30]，且烟碱的ROAV 为1 030.30，本身具有特殊的辛辣味，在吸食过程中对中枢神经有很强的刺激作用，是影响感官评吸的重要因素[31]；叶绿醇的ROAV 为138.87，本身具有青杂气，降解产物可以增加烟叶的香气品质[25]。因此，烟碱和叶绿醇应作为烤房内挥发性成分的重点监测指标。

烤房内的烟碱含量和烟叶中的烟碱含量变化趋势一致，总体呈现先升高后降低并逐渐稳定的趋势，在42 ℃末达到最大值，在47 ℃末—68 ℃末趋于稳定；烟叶中的叶绿醇含量在烘烤过程中呈先升高后降低的趋势，在42 ℃末达到最大值；烤房内的叶绿醇含量在烘烤过程中呈逐渐升高的趋势，在54 ℃末—68 ℃末趋于稳定。孟可爱[32]研究表明，在烘烤过程中，烟叶中的烟碱和叶绿素含量逐渐减少，而叶绿醇由叶绿素脱水裂解形成[33]，使得烟叶中叶绿醇含量逐渐增加；烤房内烟碱和叶绿醇含量在开烤—42 ℃末逐渐增加，在42 ℃末—68 ℃末逐渐降低，主要受烤房加快排湿的影响。烤房排湿对烤房内挥发性成分没有选择性，烤房内的挥发性成分变化仍具有规律。

烟叶中致香物质的变化可分为5 个阶段：一是酝香阶段（38—40 ℃），此时香气前体物开始降解；二是产香阶段（42 ℃），香气前体物开始大量降解，一些致香成分开始生成；三是提香阶段（45—47 ℃），香气前体物大量降解及香气物质大量生成；四是增香阶段（50—54 ℃），大量的致香成分进一步生成和转化；五是固香阶段（68 ℃左右），应减少烟叶中挥发性物质的损失[34]。这说明烟叶中的致香物质在变黄和定色期变化明显，干筋期无明显变化，这与本研究中烤房内挥发性气体在变黄和定色期变化较为明显、干筋期接近稳定的结果一致。

监测烤房内挥发性成分的变化规律，可以间接反映烟叶的烘烤状态，为烟叶烘烤过程的判定提供数据支撑。但受烤烟品种、烘烤工艺、烟叶成熟度等因素的影响，烤房内的挥发性成分还需要进一步研究。