高 輝，唐習書，王仕宏，李思源，肖 冬，程 亮，李 云，祁 林*

(1.云南同創(chuàng)檢測技術(shù)股份有限公司，云南 昆明 650106； 2.紅云紅河煙草(集團)有限責任公司，云南 昆明 650231； 3.云南中煙工業(yè)有限責任公司，云南 昆明 650231)

在卷煙制絲加工過程中，煙草原料要經(jīng)過多道加溫、加濕和干燥熱處理工序加工，溫度、濕度等外界條件的不斷變化導致煙草內(nèi)部化學成分的一系列變化，從而直接影響到卷煙成品的內(nèi)在質(zhì)量。自國內(nèi)煙草行業(yè)將“特色工藝”研究列為重大戰(zhàn)略性課題以來，各煙草企業(yè)及科研院所對制葉絲過程主要熱處理工序物料化學成分的變化作了大量的研究工作[2-5]。煙梗作為卷煙配方的重要組成原料，其制絲過程與制葉絲有許多相似之處，主要熱處理工序也包括潤梗(洗梗、煙?；爻焙蜔煿Ｔ鰷?、梗絲加料和梗絲干燥，而目前關(guān)于制梗絲過程關(guān)鍵工序煙梗原料化學成分的變化規(guī)律研究尚未見報道。

有機酸廣泛存在于煙草中，含量為12%～16%，包括揮發(fā)性的低級脂肪酸、半揮發(fā)性的高級脂肪酸和非揮發(fā)酸的二元、三元酸，對煙葉品質(zhì)有著正面影響。其中，揮發(fā)性有機酸不僅可賦予煙氣芳香的吸味特征，還可調(diào)節(jié)煙氣的柔和度，對卷煙的吸食特性有積極的貢獻；非揮發(fā)性多元酸和高級脂肪酸的種類和含量直接影響卷煙的吸味品質(zhì)，是評定煙葉品質(zhì)的重要依據(jù)；此外，烤煙中非揮發(fā)性有機酸能與生物堿結(jié)合成鹽，調(diào)節(jié)煙氣pH，減輕烤煙的刺激性[7-9]。

由于煙梗原料在潤梗、加料和干燥3道熱處理工序中受到的溫濕度和作用時間的影響，導致不同工序煙梗原料的有機酸含量發(fā)生相應的變化。因此，選擇單等級醇化煙梗作為制梗絲原料，保持制梗絲過程加工參數(shù)相對穩(wěn)定，分別測定潤梗前原梗、切絲后梗絲、加料后梗絲以及干燥后梗絲中的揮發(fā)性和非揮發(fā)性有機酸含量，分析制梗絲過程中主要熱處理工序加工對煙梗原料有機酸含量的影響，為制梗絲關(guān)鍵工序主要加工工藝技術(shù)參數(shù)的優(yōu)化和加工方式的改進提供參考依據(jù)，也為深化精細加工和異地均質(zhì)化技術(shù)研究、提高加工工藝及裝備對產(chǎn)品質(zhì)量的貢獻率提供技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 煙梗絲原料

制梗絲原料為2016年昆明石林紅大C3F煙葉打葉復烤后醇化2年的煙梗，由紅云紅河煙草(集團)有限責任公司昆明卷煙廠打葉復烤車間提供。

1.2 制梗絲主要工藝流程

煙梗備料→煙梗篩分→水洗?！鸁煿；爻薄鸁煿Ｔ鰷亍鷫汗！泄＝z→梗絲加料→梗絲氣流干燥→梗絲加香→梗絲貯存。

1.3 取樣方法

待各工序進入穩(wěn)定生產(chǎn)后，取樣位置分別固定在水洗梗入口、切梗絲出口、梗絲加料出口及梗絲氣流干燥工序出口，4個位置每次取樣約100 g，每次取樣間隔約10 s，4個位置均取樣50次，得到4個不同工序位置煙梗原料樣品的大樣本各5 kg；將各樣本在實驗室充分混勻，再從每個大樣本的不同位置取樣5次，每次約200 g作為待檢樣品。

1.4 有機酸含量的測定

將不同工序的煙梗或梗絲樣品在45℃下烘1 h，用旋風磨粉碎，過60目篩，所得煙末在平衡箱中于22℃、相對濕度為60%的條件下平衡24 h。按照文獻[10]中的方法利用6890N/5975N氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀測定煙?；驘煿＝z中的揮發(fā)性和非揮發(fā)性有機酸含量。

1.5 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計分析

利用R語言統(tǒng)計軟件(R i386 3.6.0)中的相關(guān)函數(shù)對數(shù)據(jù)進行處理、統(tǒng)計分析，利用aov和TukeyHSD函數(shù)對不同工序煙梗或梗絲樣品有機酸的5次測定值進行單因素方差分析和多重比較；利用cor和principal函數(shù)對原始數(shù)據(jù)進行基于相關(guān)系數(shù)矩陣的主成分分析；利用KMO和bartlett.test函數(shù)對相關(guān)系數(shù)矩陣進行主成分分析前的Kaiser-Meyer-Olkin(KMO)和Bartlett球形度檢驗，利用該檢驗的統(tǒng)計量比較變量之間的簡單相關(guān)和偏相關(guān)系數(shù)。KMO值在0～1間越接近1，表明所有變量之間簡單相關(guān)系數(shù)平方和遠大于偏相關(guān)系數(shù)平方和，越適合主成分分析[11]；在進行主成分得分計算時，利用scale函數(shù)對原始的指標矩陣進行標準化處理，標準化處理后，矩陣中每1列化學指標的均值為0，標準偏差為1。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同工序煙梗原料有機酸含量差異性及變化趨勢

由表1看出，不同工序煙梗樣品的18種有機酸含量總體均存在顯著性差異。從原梗、切梗絲、加料到干燥后，異戊酸、2-甲基丁酸、戊酸、3-甲基戊酸、苯甲酸、辛酸、乙二酸、蘋果酸、檸檬酸、棕櫚酸、亞油酸、油酸、亞麻酸和硬脂酸等14種有機酸含量均呈先降低后升高再降低的變化趨勢，己酸含量總體呈降低趨勢，苯乙酸含量呈先降后升趨勢，丁二酸含量呈先升后降趨勢，丙二酸含量無明顯變化趨勢。

表1 不同工序煙梗樣品的揮發(fā)性有機酸和非揮發(fā)性有機酸含量Table 1 Content of volatile and non-volatile organic acids in tobacco stem samples under different process μg/g

注：同行不同小寫字母表示不同工序間差異顯著(p<0.05)。
Note: Different lowercase letters in the same row indicate significance of difference between different processes atp<0.05 level.

2.2 不同工序煙梗原料有機酸含量變化的主成分分析

2.2.1 主成分分析的適合度檢驗 在原始指標矩陣為正定矩陣(樣本數(shù)≥指標數(shù))的前提下，對其進行的Pearson相關(guān)性檢驗結(jié)果(表2，表3)表明，揮發(fā)性和非揮發(fā)性2類有機酸內(nèi)部多數(shù)化學成分間存在較高的線性相關(guān)。因此，可以選擇基于相關(guān)系數(shù)矩陣的主成分分析法對原始數(shù)據(jù)進行降維處理。對相關(guān)系數(shù)矩陣進行KMO和Bartlett球形度檢驗(表4)結(jié)果表明，2類有機酸主成分分析的KMO度量值分別為0.636和0.731，均大于0.5，且Bartlett球形度檢驗達極顯著水平，表明相關(guān)系數(shù)矩陣適合進行主成分分析。

2.2.2 主成分提取 從表5看出，揮發(fā)性有機酸和非揮發(fā)性有機酸的前2個主成分(PC1和PC2)特征值均大于1，且累積方差貢獻率分別為93.143%和89.536%，涵蓋了大部分信息量。累積方差貢獻率是提取主成分個數(shù)的重要判斷依據(jù)，主成分的提取原則是當主成分累積方差貢獻率超過85%時作為最后1個要提取的主成分。因此，選擇主成PC1和PC2進行下一步分析。

表2 揮發(fā)性有機酸間的 Pearson相關(guān)系數(shù)矩陣Table 2 Pearson correlation coefficient matrix between volatile organic acids

注： *和**分別表示相關(guān)性達0.05和0.01的顯著水平，下同。
Note: * and ** indicate significance of difference atP<0.05 andP<0.01 respectively. The same below.

表3 非揮發(fā)性有機酸間的 Pearson相關(guān)系數(shù)矩陣Table 3 Pearson correlation coefficient matrix between non-volatile organic acids

表4有機酸主成分分析前的 KMO度量值及 Bartlett球形度檢驗
Table 4 KMO metric measure and Bartlett sphericity test before principal component analysis of volatile and non-volatile organic acids

化學指標ChemicalindexKMO度量值KMOmetricmeasureBartlett球形度檢驗Bartlettsphericitytest近似卡方自由度顯著性水平揮發(fā)性有機酸Volatileorganicacid0.636273.100280.000非揮發(fā)性有機酸Non-volatileorganicacid0.731331.138450.000

表5揮發(fā)性有機酸和非揮發(fā)性有機酸主成分分析的特征值及方差貢獻率
Table 5 Characteristic value and variance contribution rate of principal component analysis of volatile and non-volatile organic acids

化學指標Chemicalindex主成分Principalcomponent特征值Characteristicvalue方差貢獻率/%Variancecontributionrate累積方差貢獻率/%Cumulativevariancecontributionrate揮發(fā)性有機酸PC16.36779.59193.143 VolatileorganicacidPC21.08413.552非揮發(fā)性有機酸PC17.24172.40989.536 Non-volatileorganicacidPC21.71317.127

2.2.3 不同工序煙梗原料主成分得分二維平面投影 由揮發(fā)性有機酸和非揮發(fā)性有機酸數(shù)據(jù)的主成分載荷矩陣除以對應特征值的平方根，得到每種有機酸的特征向量(表6),再根據(jù)特征向量得不同工序煙梗原料樣品2類有機酸的PC1和PC2表達式：

PC1揮發(fā)性有機酸= 0.380Z1+ 0.386Z2+ 0.356Z3+ 0.384Z4+ 0.275Z5+ 0.341Z6+ 0.346Z7+ 0.347Z8

(1)

PC2揮發(fā)性有機酸=-0.170Z1-0.134Z2+ 0.334Z3-0.072Z4+ 0.673Z5-0.344Z6+ 0.296Z7-0.421Z8

(2)

PC1非揮發(fā)性有機酸= 0.357Z9+ 0.192Z10+ 0.227Z11+ 0.236Z12+ 0.361Z13+ 0.353Z14+ 0.355Z15+ 0.318Z16+ 0.349Z17+ 0.352Z18

(3)

PC2非揮發(fā)性有機酸=-0.078Z9+ 0.510Z10+ 0.528Z11+ 0.526Z12-0.053Z13-0.073Z14-0.155Z15-0.282Z16-0.222Z17-0.133Z18

(4)

式(1)～(4)中：Z1～Z18是利用scale函數(shù)變換后的標準變量，其中，Z1～Z8分別代表異戊酸、2-甲基丁酸、戊酸、3-甲基戊酸、己酸、苯甲酸、辛酸和苯乙酸；Z9～Z18分別代表乙二酸、丙二酸、丁二酸、蘋果酸、檸檬酸、棕櫚酸、亞油酸、油酸、亞麻酸和硬脂酸。

利用不同工序煙梗樣品2類有機酸前2個主成分得分計算結(jié)果(表7)分別進行投影分析，結(jié)果(圖1)表明，原梗、切絲后、加料后及干燥后4類煙梗樣品在二維平面上的投影存在明顯的分類現(xiàn)象，表明不同工序煙梗樣品的有機酸含量整體存在一定的差異性。

表6 揮發(fā)性有機酸和非揮發(fā)性有機酸主成分PC1和PC2的載荷矩陣及特征向量Table 6 Load matrix and characteristic vector of PC1 and PC2 of volatile and non-volatile organic acids

表7 不同工序煙梗樣品揮發(fā)性有機酸和非揮發(fā)性有機酸主成分PC1和PC2的得分Table 7 Score of PC1 and PC2 of volatile and non-volatile organic acids in tobacco stem samples under different process score

圖1不同工序煙梗樣品揮發(fā)性有機酸和非揮發(fā)性有機酸主成分PC1和PC2得分投影
Fig.1 Score projection ofPC1 andPC2 of volatile and non-volatile organic acids in tobacco stem samples under different process

表8 不同工序煙梗樣品2類有機酸的類間距離Table 8 Distance between volatile and non-volatile organic acids of tobacco stem samples under different process

根據(jù)圖1中二維平面上的坐標計算不同工序煙梗樣品的類間歐氏距離(表8)可直觀看出不同工序樣品之間有機酸含量的差異性大小。其中，揮發(fā)性有機酸加料后與切絲后樣品的類間距離最小，為1.648；干燥后的梗絲樣品與原梗的類間距離最大，為6.421。非揮發(fā)性有機酸干燥后與切絲后樣品的類間距離最小，為1.214；干燥后與加料后樣品的類間距離最大，為5.880。

2.3 不同工序煙梗原料有機酸綜合含量變化趨勢

利用表7中2類有機酸的特征向量乘以每個煙梗樣品對應化學成分的測定值，得到每個煙梗樣品2類有機酸的綜合含量并制作趨勢圖。由圖2可見，原梗中的揮發(fā)性有機酸含量最高，經(jīng)過潤梗、壓梗和切梗絲后，揮發(fā)性有機酸含量顯著降低；加料后，梗絲中的揮發(fā)性有機酸含量略升高，但經(jīng)過氣流干燥后，又顯著降低。非揮發(fā)性有機酸與揮發(fā)性有機酸的變化趨勢一致，原梗在經(jīng)過潤梗、壓梗和切梗絲后，非揮發(fā)性有機酸含量顯著降低，但加料后，非揮發(fā)性有機酸含量出現(xiàn)顯著升高現(xiàn)象，經(jīng)過氣流干燥后，梗絲中的非揮發(fā)性有機酸含量又顯著降低。

圖2不同工序煙?；蚬＝z樣品2類有機酸綜合含量的變化趨勢
Fig.2 Variation trend of comprehensive content of volatile and non-volatile organic acids in tobacco stem and cut stem samples under different process

3 結(jié)論與討論

試驗選擇紅大C3F單等級醇化后煙梗作為制梗絲原料，利用單因素方差分析和主成分分析研究了制梗絲過程主要熱處理工序后煙梗原料中揮發(fā)性和非揮發(fā)性有機酸含量的差異性及變化趨勢。從原梗、切梗絲、梗絲加料到梗絲干燥后，所測定的18種有機酸含量總體均存在顯著性差異，其中有14種含量呈先降后升再降的變化規(guī)律。通過揮發(fā)性和非揮發(fā)性有機酸前2個主成分得分的投影分析，4類煙梗樣品在二維平面上的分布存在明顯的分類現(xiàn)象，說明不同工序煙梗樣品的有機酸含量整體存在較大差異。制梗絲過程，煙梗原料中的揮發(fā)性和非揮發(fā)性有機酸綜合含量均呈先降后升再降的變化趨勢。

從原梗到切梗絲，經(jīng)過洗梗、煙?；爻?、煙梗增溫等高溫高濕的熱處理工序，導致煙梗中的有機酸損失較多；加料工序后梗絲中的有機酸含量出現(xiàn)明顯增加的趨勢，這是因為在添加的料液中含有大量的調(diào)味劑和增香劑，其中含有豐富的煙草有機酸成分；梗絲干燥工序主要是通過較高溫度的工藝氣體在短時間內(nèi)使梗絲干燥膨脹，較高溫度的熱風使梗絲中的水分快速蒸發(fā)，同時伴隨著大量揮發(fā)性物質(zhì)的流失，因此在干燥工序后梗絲中的有機酸含量顯著降低。

制梗絲過程中有機酸含量的變化趨勢分析為加料工序煙用料液配方的優(yōu)化設計提供了重要的參考，煙用料液的成分主要包括調(diào)味劑(糖類和有機酸類)、增香劑(果味濃縮汁、煙草浸膏、中草藥提取物、辛香料提取物、某些植物器官浸提物、人工合成香料、美拉德反應物等)、保潤劑(丙二醇、丙三醇等)、防霉劑(苯甲酸、山梨酸、1,2-丙二醇、1,3-丁二醇等)和燃燒調(diào)節(jié)劑(助燃劑、煙灰調(diào)節(jié)劑、阻燃劑)等5大類[12]?？梢钥闯?，煙用料液配方中的調(diào)味劑和增香劑中含有大量的有機酸等揮發(fā)性香味物質(zhì)，這些香味成分雖然在加料環(huán)節(jié)施加到片煙或梗絲表面，但經(jīng)過高強度的干燥工序處理后，部分香味成分在高溫條件下?lián)]發(fā)并流失。因此，在進行煙用料液和香料配方設計時，部分調(diào)味劑和增香劑可以在后序的加香環(huán)節(jié)中使用，以降低干燥工序造成的片煙或梗絲表面料液香味成分的損失，提高煙用料液的有效利用率，同時提升卷煙的感官質(zhì)量。