烤烟烟梗原料化学成分的差异

范 兴，李博宇，杨 蕾，乔俊峰，农永红，王 永，杨国耀，杨 梅，资文华*

1. 云南师范大学能源与环境科学学院，昆明市呈贡区雨花片区1 号 650500

2. 云南佩林科技有限公司，昆明市五华区黄土坡片区 650201

烟梗是烟草农产品加工的废弃物，约占烟叶质量的25%～30%。据不完全统计，我国每年烟梗产量高达60 多万吨［1-3］，主要被开发制备成膨胀梗丝、再造烟叶，作为卷烟配方辅助材料以降低原料消耗和烟气有害成分［4-6］，少部分用于多孔颗粒状材料制备、特殊化学成分提取和有机肥料生产等方面；但每年还有部分烟梗成为固体废弃物，造成较大的资源浪费和环境污染［3，7-9］。为缓解因固体废弃物激增带来的资源浪费和环境污染的双重压力，我国明确将农林废弃物和新品种废弃物的回收利用作为推动资源循环产业发展壮大的目标之一。因此，加强农业废弃烟梗资源开发利用，提升烟梗原料有效利用价值已成为烟草行业关注的热点。

有关烟梗化学成分的研究，杨威等［10］通过对云南26个县（市、区）的主栽烤烟品种中部烟梗主要化学成分进行分析，发现烟梗化学成分受环境和栽培条件影响较大，通过聚类分析将云南典型烟区分为高糖低钾区、高糖低氯区、低糖低氯区、低糖高氯区；李炎强等［11］探究了烤烟烟梗和叶片中性香味成分的差异，结果表明，叶片中大多数中性香味成分明显高于烟梗，而烟梗中醛类物质总量高于叶片；彭艳等［12］对云南大理云烟85 品种不同部位烟梗中主要挥发性、半挥发性有机酸进行分析，发现上部烟梗有机酸质量分数最高，而下部最低；李红武等［13］分析了昭通3 个主栽品种（C3F）烟梗中77 种挥发性香味物质的质量分数，结果表明，不同品种间挥发性香味物质总量无显著差异，但酮类、酚类、醛类、酸类、杂环类和烯烃类的总量存在显著差异；祁林等［14］研究梗丝挥发性香味物质发现，不同长度梗丝各挥发性香味物质的质量分数均存在显著差异，挥发性有机酸和香味物质总量随梗丝长度增加而减小。近年来，为探究烟叶主脉不同位置烟梗化学成分和挥发性香味物质的变化情况，刘继辉等［15-16］以云南石林红花大金元（以下简称红大）品种C3F 等级初烤烟叶为对象，将主脉烟梗分切为6段进行分析，结果表明，从梗基到梗尖，烟梗中总糖的质量分数逐渐降低，果胶的质量分数逐渐升高，还原糖、钾离子和纤维素的质量分数先升高后降低，而总氮、总植物碱、木质素、挥发性有机酸和挥发性致香成分总量则先降低后升高。然而，随着烟草工业精细化加工技术的发展，打叶复烤过程通常将烟梗筛分为梗头、长梗、短梗和碎梗，但有关不同形态烟梗原料化学成分的差异则鲜见报道。因此，本研究中以曲靖烟区主栽的K326、云烟87 和红大烤烟品种为研究对象，系统分析打叶复烤后不同品种烟梗原料及其梗头、长梗、短梗和碎梗间化学成分的差异性，旨在为烤烟烟梗原料的分类加工和有效利用提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料、试剂和仪器

曲靖烟区主栽的K326、云烟87和红大烤烟品种烟梗原料。

氢氧化钠、氯化钙、冰乙酸、盐酸、柠檬酸、硫酸、水杨酸钠、亚硝基铁氰化钠、酒石酸钾钠、硫酸钾、无水硫酸铜、苯、四硼酸钠、无水硫酸钠（AR，西陇化工股份有限公司）；柠檬酸（＞99.0%）、磷酸氢二钠（＞99.0%）、对氨基苯磺酸（＞99.8%）、硫氰酸钾（＞98.5%）、二氯异氰尿酸钠（＞95.0%）、硫酸亚铁（＞99.0%）、烟碱（＞98.0%）、浓硝酸（65%～68%）、硝酸铁（九水合）（＞99.0%）、浓硫酸（＞98%）、石油醚（沸程30～60 ℃）（西陇化工股份有限公司）；苯甲酸、正辛醇、萘（≥98%）、α-高温淀粉酶、乙腈、异丙醇、果胶酶（30 u/mg）（AR，上海麦克林生化科技有限公司）；半乳糖醛酸（≥97%）、绿原酸（≥97%）、莨菪亭（≥97%）、芸香苷（≥97%）［阿拉丁试剂（上海）有限公司］。

AA3 连续流动分析仪（德国Seal 公司）；FT-121纤维素测定仪（丹麦Foss 公司）；6890N/5975 气相色谱-质谱联用仪（GC-MS，美国Agilent 公司）；ACQITY H-class超高效液相色谱仪（美国Waters公司）；LDO-9240A电热恒温鼓风干燥箱（上海龙跃仪器设备有限公司）；FW80粉碎机（天津市泰斯特仪器有限公司）；ME204E 型电子天平（感量0.000 1 g，瑞士Mettler Toledo 公司）。

1.2 方法

1.2.1 样品采集与制备

基于曲靖天福烟叶复烤有限责任公司打叶复烤过程烟梗筛分实际情况，按梗头、长梗（长度≥20 mm，直径≥3 mm）、短梗（10 mm≤长度＜20 mm，直径≥3 mm）和碎梗（长度＜10 mm，直径＜3 mm）进行在线取样。每种品种和形态的烟梗随机取样3个，共计36个样品，将每个实验样品混合均匀后于45 ℃烘箱干燥2 h，粉碎过孔径0.25 mm筛（60目），分别进行化学成分分析。不同形态的烟梗原料如图1所示。

图1 不同形态烟梗原料Fig.1 Tobacco stems of different forms

1.2.2 样品检测

常规化学成分：参照YC/T 159—2019［17］、YC/T 468—2013［18］、YC/T 162—2011［19］、YC/T 161—2002［20］、YC/T 217—2007［21］，采用连续流动分析仪测定样品的总糖、还原糖、总植物碱、氯离子、总氮和钾离子的质量分数。

细胞壁物质：参照YC/T 347—2010［22］，采用洗涤剂法测定纤维素和木质素的质量分数；参照YC/T 346—2010［23］，采用离子色谱法测定果胶的质量分数。

香味前体物：参照YC/T 202—2006［24］和YC/T 382—2010［25］，采用HPLC 法测定样品中多酚和色素的质量分数；参照YC/T 176—2003［26］，采用索氏提取法测定石油醚提取物中化学成分的质量分数。

挥发性香味成分：参照文献［27］，采用GC-MS法测定样品中挥发性香味成分的质量分数，并基于NIST2014 和匹配度不低于700 的条件进行主要挥发性香味成分鉴别。

1.2.3 数据处理

利用Excel 2019和Origin 2021进行数据统计和绘图，利用SPSS 26.0.0 进行主成分和系统聚类分析，并采用LSD法进行多重比较。

2 结果与讨论

2.1 常规化学成分分析

不同品种和形态烟梗原料常规化学成分差异性分析见表1和表2。由表1可知，对于不同品种烟梗，K326 品种烟梗中总糖和还原糖的质量分数显著低于云烟87 和红大（P＜0.05），总氮的质量分数显著高于云烟87和红大（P＜0.05），而云烟87和红大间无显著差异；钾离子的质量分数表现为K326＞红大＞云烟87，并且K326中钾离子的质量分数显著高于云烟87（P＜0.05），为23.48%；云烟87 中总植物碱和氯离子的质量分数显著低于K326和红大（P＜0.05）。通常，钾离子和氯离子与烟草原料的燃烧特性有关，高钾低氯有利于提高其燃烧性能［28-29］，而总糖、还原糖、总氮和烟碱与其抽吸品质紧密相关［30-31］，对比K326、云烟87和红大品种烟梗常规化学成分的差异性可知其各有特点。由此说明，卷烟配方中添加不同品种的烟梗原料，在降低烟叶原料消耗以及卷烟降焦减害等方面均能发挥一定的作用。

表1 不同品种烟梗化学成分质量分数的差异①Tab.1 Mass fraction differences of routine chemical components in tobacco stems of different cultivars （%）

由表2 可知，不同形态烟梗中，总糖的质量分数表现为长梗＞梗头＞短梗＞碎梗，并且碎梗中总糖的质量分数显著低于梗头、长梗和短梗（P＜0.05）；还原糖的质量分数表现为长梗＞短梗＞梗头＞碎梗，且长梗中还原糖的质量分数显著高于梗头、短梗和碎梗（P＜0.05）；梗头中钾离子的质量分数显著低于长梗、短梗和碎梗（P＜0.05），总植物碱和总氮的质量分数则显著高于长梗、短梗和碎梗（P＜0.05）；氯离子的质量分数表现为梗头＞长梗＞短梗＞碎梗。研究表明，糖类在燃吸过程中有利于美拉德、焦糖化和热裂解等多种反应的进行，促使大分子物质降解转化成小分子羰基化合物以及吡咯、吡啶、吡嗪、糠醛和呋喃酮等具有愉悦感的香气成分，提高烟草制品的内在质量［32］；并且果糖质量分数与烤烟评吸质量正相关［33］。加热状态下钾盐有利于催化纤维素热解，降低烟支燃烧温度，促进烟气有害成分释放量明显降低［34］。长梗呈现高糖高钾低碱的特点，短梗呈现高钾低含氮化合物的特点，这说明长梗和短梗均可作为卷烟配方优选的辅助原料，以利于改善卷烟燃烧性，达到降焦减害的效果；而梗头和碎梗呈现高碱的特点，可作为电子烟烟油提取的优先原料，增加烟油中烟碱的质量分数，以提升电子烟抽吸过程的满足感。此外，梗头、长梗、短梗和碎梗的常规化学成分差异与刘继辉等［15］的研究结果一致，梗头中总糖和氯离子质量分数偏高，长梗和短梗中还原糖和钾离子质量分数偏高、含氮化合物质量分数偏低。这可能主要是梗头、长梗和短梗、碎梗依次由梗基、梗条中间部位和梗尖组成的缘故。

表2 不同形态烟梗化学成分质量分数的差异Tab.2 Mass fraction differences of routine chemical components in tobacco stems of different forms （%）

2.2 细胞壁物质分析

烟梗中细胞壁物质的质量分数较高，包括纤维素、果胶、木质素等，这些物质对烟梗物理特性的影响程度不同，间接决定了烟梗的加工特性和利用率［35-36］。不同品种和形态烟梗之间细胞壁物质的质量分数差异如图2所示。可知，不同品种烟梗之间，K326、云烟87 和红大中细胞壁物质总量（质量百分数）分别为29.33%、30.52%和30.78%；其纤维素和木质素的质量分数无显著差异，果胶的质量分数表现为云烟87＞红大＞K326，并且存在显著差异（P＜0.05）。不同形态烟梗中，梗头、长梗、短梗和碎梗的细胞壁物质总量分别为28.59%、29.69%、31.22%和31.34%；纤维素的质量分数表现为短梗＞碎梗＞长梗＞梗头，且梗头中纤维素的质量分数显著低于长梗、短梗和碎梗（P＜0.05）；木质素的质量分数表现为碎梗＞梗头＞短梗＞长梗，且碎梗中纤维素的质量分数显著高于梗头、长梗和短梗（P＜0.05），长梗中纤维素的质量分数显著低于梗头、短梗和碎梗（P＜0.05）；果胶的质量分数差异不显著。理论上而言，烟草原料中果胶的质量分数不仅影响到烟叶的理化性质，对卷烟香气也有一定的贡献，但比例太高会对烟草的吸味及吸食安全性产生负面影响［35］；木质素在卷烟燃烧中会形成CO、苯酚和多环芳烃等小分子化合物，并且烟叶木质素的质量分数越高，烟叶品质越差，燃烧时会产生更强烈刺激感和辛辣感［37］。不同品种烟梗的纤维素、木质素和果胶的质量分数各有特点，也较好地说明同一产区不同品种烟梗原料均具有良好的使用价值，但碎梗中果胶和木质素的质量分数均高于长梗和短梗，进一步验证了长梗和短梗作为卷烟配方优选的辅助原料，有利于改善卷烟的抽吸品质。

图2 不同品种和形态烟梗细胞壁物质的质量分数Fig.2 Mass fractions of cell wall substances in tobacco stems of different cultivars and forms

2.3 香味前体物分析

烟草中香味前体物（色素、多酚和石油醚提取物等）在卷烟加工过程中会进一步降解为挥发性香味成分，影响卷烟的品质［27，38-39］。不同品种和形态烟梗之间香味前体物质量分数的差异如表3和表4所示。

由表3可知，不同品种烟梗间，K326中莨菪亭的质量分数显著高于云烟87 和红大（P＜0.05），而芸香苷的质量分数则显著低于云烟87 和红大（P＜0.05）；石油醚提取物的质量分数则表现为云烟87＞红大＞K326，且存在显著差异（P＜0.05）；3 个品种间叶黄素、β-胡萝卜素和绿原酸的质量分数均无显著差异。究其原因，主要是烤烟中的化学成分不仅取决于栽培技术和气候条件，还取决于品种的遗传特性［40］。不同烤烟品种在同一产区种植，因品种遗传特性的影响，其烟叶品质会出现较大的区别。张广普等［41］、赵会纳等［42］和刘阳等［43］研究了不同品种烤烟香味前体物的质量分数发现，不同品种间香味前体物的质量分数差异较大，说明烤烟基因的加性和非加性效应共同决定其香味前体物的质量分数，且广泛遗传率高。

表3 不同品种烟梗香味前体物质量分数的差异Tab.3 Mass fraction differences of aroma component precursors in tobacco stems of different cultivars

由表4 可知，不同形态烟梗间，碎梗中叶黄素、β-胡萝卜素和芸香苷的质量分数显著高于梗头、长梗和短梗（P＜0.05）；梗头中绿原酸、莨菪亭和石油醚提取物的质量分数高于长梗、短梗和碎梗；短梗中叶黄素、β-胡萝卜和芸香苷的质量分数显著高于长梗（P＜0.05）。理论上而言，烟梗中香味前体物的质量分数越高，所制备的梗丝品质越好，但还需兼顾烟梗其他化学成分。不同品种烟梗中香味前体物的质量分数各有特点，均可用作制备梗丝的原料，但不同形态烟梗中，梗头中多酚和石油醚提取物的质量分数最高，碎梗中色素类物质的质量分数最高，表明将梗头和碎梗作为制备电子烟烟油和再造烟叶的原料，也利于增加制品香味成分的质量分数，提升烟梗的利用价值。

表4 不同形态烟梗香味前体物质量分数的差异Tab.4 Mass fraction differences of aroma component precursors in tobacco stems of different forms

2.4 挥发性香味成分分析

通过GC-MS 分析，主要鉴定出了60 种挥发性香味成分，根据官能团不同可将其分为酮类、醇类、醛类、酯类、烯烃类和杂环类化合物6 大类（表5）。可知，不同品种烤烟烟梗香味成分总量表现为K326＞云烟87＞红大，仅有少数香味成分存在显著差异，但无明显变化规律，酮类、酸类、酚类和烯烃类香味成分以及香味成分总量均无显著差异。不同形态烟梗香味成分总量表现为碎梗＞短梗＞梗头＞长梗，但梗头、长梗和短梗中大多数香味成分的质量分数差异较小，并且酮类、醇类、酯类和酸类香味成分的质量分数以及香味成分总量均无显著性差异；碎梗中大多数香味成分的质量分数高于梗头、长梗和短梗，并且酮类、醛类、杂环类和烯烃类香味成分以及香味成分总量显著高于梗头、长梗和短梗（P＜0.05）。

表5 不同品种和形态烟梗香味成分的组成和差异Tab.5 Composition and differences of aroma components in tobacco stems of different cultivars and forms （µg·g-1）

参照文献［27］，按香味前体物类别进一步对挥发性香味成分进行归类分析，结果如图3所示。不同品种烟梗中（图3a），苯丙氨酸类降解产物和西柏烷类降解产物的质量分数表现为K326 ＞云烟87 ＞红大，并且云烟87和K326品种中的质量分数显著高于红大（P＜0.05）；3个品种间棕色化反应产物和胡萝卜素类降解产物质量分数差异不显著。在不同形态烟梗间（图3b），碎梗中胡萝卜素类降解产物、苯丙氨酸类降解产物、西柏烷类降解产物和棕色化反应产物的质量分数均显著高于梗头、长梗和短梗（P＜0.05），而梗头、长梗和短梗中胡萝卜素类降解产物、苯丙氨酸类降解产物、西柏烷类降解产物和棕色化反应产物的质量分数无显著差异。综上，碎梗中香味前体物的质量分数最高，而梗头、长梗和短梗各有特点，进一步说明梗头和碎梗适宜作为制备再造烟叶和电子烟烟油的优选原料，长梗和短梗则适宜制备膨胀梗丝［44-45］。

图3 不同品种和形态烟梗香味前体物质量分数的差异Fig.3 Mass fraction differences of aroma component precursors in tobacco stems of different cultivars and forms

表5（续） （µg·g-1）

表5（续） （µg·g-1）

2.5 主成分分析和聚类分析

以烟梗常规化学成分、细胞壁物质和香味前体物为基础，进行主成分分析。将原始数据进行标准化（Z-score 法）处理，得到新的数据，然后通过KOM检验法和Bartlett球体检验法进行因子分析的适用性检验，KMO=0.696（＞0.5），Bartlett 球体检验Sig.=0.000（＜0.05），适合进行主成分分析，其分析结果如表6和表7所示。可知，所提取的3个主成分特征值（λ）均大于1，累计方差贡献率为85.13%，基本能够反映全部数据的绝大部分信息；第一主成分主要表征总氮、叶黄素、β-胡萝卜素、莨菪亭和纤维素，第二主成分主要表征总糖、还原糖、石油醚提取物和木质素，第三主成分主要表征钾离子和氯离子。

表6 各主成分的特征值和累计贡献率Tab.6 Characteristic value and cumulative contribution rate of each principal component

将选取的化学成分的质量分数标准化数据记为ZX1，ZX2，ZX3，…，ZX15，表7中的特征向量数据即为3个主成分中每个指标所对应的系数，按下面的主成分表达式可计算出前3个主成分得分：

表7 各主成分的载荷矩阵和特征向量Tab.7 Load matrix and feature vector of each principal component

根据主成分表达式计算的各主成分得分结果见表8。

表8 不同品种和形态烟梗的主成分得分计算结果Tab.8 Calculation results of score for each principal component in tobacco stems of different cultivars and forms

根据表8中主成分得分，采用组内均连法和平方欧式距离对烤烟烟梗的化学成分进行聚类分析，结果如图4所示。可知，不同品种和形态的烟梗原料在平方欧式距离15.0 处分为3 类，第1 类主要由红大、云烟87 和K326 的碎梗组成，第2 类主要由红大、云烟87 和K326 的长梗和短梗以及云烟87 的梗头组成，第3类为红大和K326的梗头组成，进一步验证了不同烤烟品种烟梗化学成分质量分数的差异较小，而不同形态烟梗间化学成分质量分数的差异较大。长梗和短梗中钾离子的质量分数较高、含氮化合物和木质素的质量分数低，将由其制备的膨胀梗丝添加到卷烟中有利于改善燃烧性和降低卷烟烟碱的质量分数，增加烟梗的可利用率。这与高占勇等［44］的研究结果一致，烟叶叶中部分的烟梗更适宜作为制梗丝的原料。此外，烟碱和香味成分作为电子烟烟油的重要化学成分，大多数由烟草废弃物提取纯化而来［45-46］，而梗头中含氮化合物、多酚和石油醚提取物的质量分数较高，碎梗中色素和挥发性香味成分的质量分数较高、含氮化合物的质量分数适中，因此，梗头和碎梗可作为提取电子烟烟油中烟碱和香味成分的重要原料，也可作为制备再造烟叶的原料，增加其香味成分的质量分数［44-45］。

图4 不同品种和形态烟梗原料的化学成分的聚类图Fig.4 Cluster diagram of chemical components in tobacco stems of different cultivars and forms

3 结论

①K326、云烟87和红大烤烟品种的烟梗原料常规化学成分、细胞壁物质和香味成分存在一定差异性，但变化规律不明显；②按照梗头、长梗、短梗和碎梗进行分类，碎梗中叶黄素、β-胡萝卜素、芸香苷和香味前体物的质量分数及香味成分总量均显著高于梗头、长梗和短梗（P＜0.05），而梗头中总植物碱、绿原酸、莨菪亭和石油醚提取物的质量分数显著高于长梗、短梗和碎梗（P＜0.05）；③采用主成分及聚类分析法可将不同形态的烟梗原料分为梗头、长梗和短梗、碎梗3类，长梗和短梗中糖的质量分数偏高，并呈现高钾低碱低木质素的特点，化学成分较协调，作为卷烟配方原料有利于提高烟梗与卷烟配方原料的配伍性和使用价值；梗头和碎梗具有高碱高香味成分的特点，可作为电子烟烟碱提取和再造烟叶制备的优选原料，以提高烟草制品烟碱和香味成分的质量分数。