滾筒分段變溫干燥方式下烤煙葉絲質(zhì)量的變化特征

王 巖，朱文魁，劉楷麗，李清華，羅志雪，段 鹍,3，劉 斌，陳良元*

1.中國煙草總公司鄭州煙草研究院 煙草行業(yè)煙草工藝重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，鄭州高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)楓楊街2號 450001

2.福建中煙工業(yè)有限責(zé)任公司，福建省廈門市海滄區(qū)新陽工業(yè)區(qū)新陽路1 號 361022

3.河南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司技術(shù)中心，鄭州市隴海東路72 號 450000

4.湖南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司技術(shù)研發(fā)中心，長沙市雨花區(qū)萬家麗路188 號 410014

干燥作為制絲過程中重要的加工工序，也是煙葉原料物理、化學(xué)及感官品質(zhì)變化較為顯著的過程［1］。煙草作為典型的熱敏性物料，在干燥脫水過程中的受濕熱處理強(qiáng)度將顯著影響其內(nèi)部的美拉德反應(yīng)、香味成分析出等化學(xué)過程［2-3］。同時(shí)，干燥脫水過程中產(chǎn)生的收縮應(yīng)力也會(huì)導(dǎo)致葉絲物理結(jié)構(gòu)的變化，進(jìn)而影響填充值、耐加工性等物理指標(biāo)［4-5］。因此，如何通過優(yōu)化煙草干燥工藝，改善不同干燥階段葉絲的濕熱處理強(qiáng)度，達(dá)到兼顧葉絲的內(nèi)在品質(zhì)和物理品質(zhì)的目的，成為干燥工藝研究的重要方向之一。滾筒干燥作為一種復(fù)合傳熱干燥方式，筒壁溫度的熱傳導(dǎo)是干燥過程的主要熱源。傳統(tǒng)葉絲滾筒干燥，在整個(gè)干燥過程中采用恒定的滾筒筒壁溫度和介質(zhì)溫度，將葉絲干燥至目標(biāo)含水率。已有研究［6］表明，傳統(tǒng)的單段干燥方式在保持煙草本香與提高填充值之間存在一定矛盾，即為保持煙草中香味成分需要的低溫干燥與提高葉絲填充性需要的高溫干燥之間不能很好的協(xié)調(diào)。對于種子、果蔬等其他不同農(nóng)產(chǎn)品干燥的研究分析也表明［7-9］，單段干燥方式難以有效兼顧產(chǎn)品品質(zhì)與干燥效率。近年來，不同筒壁溫度組合的分段變溫滾筒干燥方式開始應(yīng)用于煙草干燥過程［10］，以提升煙葉尤其是高檔煙葉原料的加工品質(zhì)。然而，有關(guān)分段干燥方式下筒壁溫度及變溫點(diǎn)對葉絲物理與化學(xué)品質(zhì)的影響規(guī)律方面的基礎(chǔ)研究尚未完善。因此，研究了分段變溫干燥方式下葉絲含水率、物理指標(biāo)及煙草中香味成分的變化規(guī)律，旨在探明該干燥方式對于煙草保香與提高物理特性的作用機(jī)理，同時(shí)為制絲加工中滾筒分段干燥工藝優(yōu)化提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料、設(shè)備與儀器

以云南麗江產(chǎn)區(qū)烤煙中部煙葉C2F 為試驗(yàn)材料，切絲后于恒溫恒濕室平衡48 h，調(diào)節(jié)至濕基含水率23%待用。干燥試驗(yàn)在自行搭建的批式滾筒復(fù)合傳熱干燥裝置［11］中進(jìn)行。

AB204-S 型電子天平（感量0.000 1 g，瑞士Mettler-Toledo 公司）；YDZ430 型填充值測定儀、YQ-66 煙絲彈性測定儀（鄭州煙草研究院）；DHG-9623 型烘箱（上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司）；RD-800F 粉碎機(jī)、索氏提取器（鄭州中天實(shí)驗(yàn)儀器）；R-215 型旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀（瑞士Büchi 公司）；同時(shí)蒸餾萃取裝置（自制）；GC/MS 聯(lián)用儀（美國Thermo Fisher Scientific 公司）。

1.2 干燥試驗(yàn)方法

滾筒葉絲干燥試驗(yàn)中，采用單因素實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，將滾筒設(shè)備參數(shù)設(shè)定為轉(zhuǎn)速9 r/min、熱風(fēng)溫度100 ℃、熱風(fēng)風(fēng)速0.3 m/s，調(diào)節(jié)滾筒筒壁溫度。滾筒恒溫干燥試驗(yàn)設(shè)定了100、120、130、140、150 ℃5 個(gè)筒壁溫度條件。稱取500 g 初始含水率為23%（濕基）的葉絲放入滾筒進(jìn)行干燥，在不同時(shí)刻分別對筒內(nèi)葉絲進(jìn)行取樣，通過測定葉絲樣品的含水率得到葉絲干燥曲線。

分段變溫干燥試驗(yàn)是在葉絲的前期和后期脫水階段采用不同的筒壁溫度進(jìn)行干燥，設(shè)置了150/100、140/100、130/100、120/100 ℃4 個(gè)試驗(yàn)條件。具體方式為：首先根據(jù)恒溫干燥試驗(yàn)得到的干燥曲線，確定葉絲在120、130、140、150 ℃筒壁溫度條件下干燥至含水率17%時(shí)所需要的時(shí)間，分別在上述筒壁溫度條件下將干燥至含水率17%的葉絲取出后絕濕密封，將筒壁溫度調(diào)節(jié)至100 ℃，再將葉絲樣品置于滾筒中繼續(xù)干燥至終點(diǎn)。

試驗(yàn)中變溫點(diǎn)為干燥第一階段與第二階段的分隔點(diǎn)，以第一階段干燥終點(diǎn)的葉絲含水率來表示。為了進(jìn)一步分析滾筒分段變溫干燥中不同變溫點(diǎn)的選擇對葉絲特性的影響，在分段干燥140/100 ℃條件下，第一階段將葉絲在140 ℃筒壁溫度條件下從初始含水率23%分別干燥至19%、17%、15%，第二階段繼續(xù)在100 ℃筒壁溫度條件下干燥至終點(diǎn)含水率。

1.3 分析測試方法

根據(jù)葉絲干燥曲線，取各恒溫和分段滾筒干燥條件下干燥至12%的葉絲樣品，干燥后的樣品分別按照文獻(xiàn)［12-14］中的方法測定樣品的填充值、彈性、石油醚提取物含量并進(jìn)行對比分析。

香味成分測定中，葉絲樣品在40 ℃條件下烘2 h 后粉碎，采用二氯甲烷在60 ℃水浴條件下同時(shí)蒸餾萃取2 h，將萃取液旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)（45 ℃、常壓）濃縮至1 mL，加入乙酸苯乙酯作為內(nèi)標(biāo)，進(jìn)行GC/MS 分析。分析條件為:

毛細(xì)管柱:HP-FFAP（50 m×0.22 mm i.d.×0.33 μm）；進(jìn)樣口溫度:270 ℃；程序升溫：初始60 ℃，以3 ℃/min 升至240 ℃，停留（保持）30 min；分流比：20∶1；載氣流速：1 mL/min。電離能量：70 eV；離子源溫度：230 ℃；傳輸線溫度：250 ℃；質(zhì)量掃描范圍:40～400 amu。

2 結(jié)果與討論

2.1 葉絲干燥動(dòng)力學(xué)分析

滾筒恒溫及滾筒分段變溫葉絲干燥曲線見圖1。從圖1 可以看出，筒壁溫度的變化對葉絲滾筒恒溫及分段變溫干燥過程中的干燥速率影響較為明顯。根據(jù)葉絲干燥曲線，計(jì)算了不同干燥條件下葉絲干燥至含水率為12%所需的干燥時(shí)間，以及相應(yīng)的平均干燥速率［15］，結(jié)果見表1。由表1 可以看出，100、120、130、140、150 ℃恒溫干燥條件下，葉絲脫水至含水率12%（濕基）時(shí)，對應(yīng)干燥時(shí)間分別為365、243、213、202、184 s；而120/100、130/100、140/100、150/100 ℃分段變溫干燥條件下，該干燥時(shí)間分別為297、274、252、217 s。由于在煙絲干燥前段采用較高的筒壁溫度強(qiáng)化了傳熱，分段變溫干燥的干燥時(shí)間較100 ℃恒溫干燥時(shí)間明顯縮短。從葉絲平均干燥速率同樣可以看出，隨著滾筒恒溫及分段變溫前段筒壁溫度的升高，葉絲的平均干燥速率明顯提升，分段變溫干燥條件下葉絲平均干燥速率大于100 ℃低溫恒溫干燥條件下的平均干燥速率。

滾筒分段變溫干燥不同變溫點(diǎn)葉絲干燥曲線見圖2。根據(jù)不同變溫點(diǎn)葉絲干燥曲線，計(jì)算了不同干燥條件下葉絲干燥至含水率為12%所需的干燥時(shí)間，以及相應(yīng)的平均干燥速率，結(jié)果見表1 所示。140/100 ℃分段變溫干燥時(shí)，不同變溫點(diǎn)（含水率為19%、17%、15%）條件下對應(yīng)的干燥時(shí)間分別為302、252、239 s，可以看出滾筒分段變溫干燥變溫點(diǎn)的選擇顯著影響干燥時(shí)間和平均干燥速率，隨著變溫點(diǎn)處葉絲含水率的降低，葉絲干燥時(shí)間降低，平均干燥速率增大。

圖1 葉絲滾筒干燥曲線

表1 不同干燥條件下葉絲干燥時(shí)間和平均干燥速率

圖2 滾筒分段變溫干燥不同變溫點(diǎn)葉絲干燥曲線

2.2 葉絲物理指標(biāo)變化

2.2.1 筒壁溫度對葉絲填充值、彈性的影響

滾筒筒壁恒溫、分段變溫干燥條件下葉絲填充值的變化情況見圖3。由圖3 可以看出，①在筒壁恒溫干燥時(shí)，葉絲填充值隨著筒壁溫度的升高而升高。②120/100、130/100、140/100、150/100 ℃分段變溫干燥時(shí)，葉絲填充值隨著第一階段干燥筒壁溫度的升高而增大，說明在較高的筒壁溫度下干燥有利于提高葉絲填充值。這可能是由于在較高的干燥溫度條件下葉絲脫水速率較快，使葉絲在應(yīng)力的作用下彎曲變形程度變大所致。③變溫干燥時(shí)葉絲填充值明顯高于100 ℃恒溫干燥時(shí)的葉絲填充值。④140/100、150/100 ℃分段變溫干燥時(shí)葉絲填充值更接近于高溫恒溫干燥時(shí)的葉絲填充值，這與段鹍等［16］在研究葉絲氣流變溫干燥過程中得到的結(jié)論一致。這可能是由于干燥前段筒壁溫度對葉絲形變程度的影響更大，因而在干燥前段采用較高的筒壁溫度更有利于葉絲填充值的提升。

圖3 不同干燥條件下葉絲填充值對比

滾筒恒溫、分段變溫干燥條件下葉絲彈性的變化情況見圖4。由圖4 可以看出:①筒壁恒溫干燥時(shí)，葉絲彈性隨著筒壁溫度的升高而降低。②分段變溫條件下葉絲彈性隨著第一階段筒壁溫度的升高而降低，這表明試驗(yàn)溫度范圍內(nèi)的低溫干燥有利于保持葉絲彈性。③變溫干燥條件下葉絲彈性明顯高于高溫恒溫干燥條件下葉絲彈性，這可能是由于在高溫恒溫干燥時(shí)干燥后期葉絲溫度較高［17］，長時(shí)間的高溫作用對葉絲物理結(jié)構(gòu)及力學(xué)特性產(chǎn)生一定影響，進(jìn)而導(dǎo)致葉絲彈性降低。而采用第一階段高溫第二階段低溫的變溫干燥，干燥后段葉絲含水率較低時(shí)通過降低筒壁溫度使葉絲溫度保持在較低的水平，避免了葉絲在長時(shí)間高溫干燥中對物理結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的不利影響。

2.2.2 變溫點(diǎn)對葉絲填充值、彈性的影響

進(jìn)一步分析了變溫干燥條件下不同變溫點(diǎn)的選擇對葉絲填充值、彈性的影響，結(jié)果見圖5 所示。由圖5 可知，在第一階段高溫、第二階段低溫的分段變溫干燥條件下，變溫點(diǎn)選擇在葉絲含水率為15%時(shí)干燥后葉絲填充值最高，19%時(shí)干燥后葉絲填充值最低。隨著變溫點(diǎn)葉絲含水率的降低，葉絲彈性有下降趨勢，選擇葉絲含水率19%和17%為變溫點(diǎn)干燥后葉絲彈性相接近，葉絲含水率15%為變溫點(diǎn)干燥后葉絲彈性明顯降低。

圖4 不同干燥條件下葉絲彈性對比

圖5 不同變溫點(diǎn)的選擇對葉絲填充值、彈性的影響

2.3 葉絲石油醚提取物含量變化

2.3.1 筒壁溫度對石油醚提取物的影響

煙草石油醚提取物是評價(jià)煙葉綜合質(zhì)量和香氣的重要指標(biāo)［18］。由圖6 可以看出，對于滾筒恒溫干燥和分段變溫干燥過程，干燥筒壁溫度的增大均使得石油醚提取物含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）呈降低趨勢，說明較高的筒壁溫度不利于石油醚提取物的保留。但分別比較120/100、130/100、140/100、150/100 ℃變溫干燥和120、130、140、150 ℃恒溫干燥條件下的石油醚提取物含量，可以看出，在葉絲滾筒干燥過程中通過降低干燥后期的筒壁溫度，更有利于保留葉絲中的石油醚提取物。

2.3.2 變溫點(diǎn)對石油醚提取物的影響

圖7 進(jìn)一步分析了滾筒分段變溫干燥條件變溫點(diǎn)的變化對葉絲石油醚提取物含量的影響，隨著變溫點(diǎn)處葉絲含水率的降低，石油醚提取物含量也降低。滾筒分段變溫干燥過程中，在葉絲含水率為19%、17%時(shí)改變筒壁溫度，干燥后葉絲中的石油醚提取物含量相對接近，在葉絲含水率為15%時(shí)改變筒壁溫度，干燥后葉絲中的石油醚提取物含量有明顯下降。這可能與變溫點(diǎn)處葉絲含水率較低時(shí)，葉絲經(jīng)歷的第一階段高溫干燥時(shí)間較長有關(guān)。

2.4 葉絲香味成分的變化

2.4.1 筒壁溫度對香味成分的影響

圖6 不同干燥條件下石油醚提取物含量對比

圖7 不同變溫點(diǎn)石油醚提取物含量對比

葉絲中重要的香味成分大多是易揮發(fā)成分，香味成分含量的變化與干燥過程中筒壁溫度的設(shè)定密切相關(guān)。由表2 可以看出，在恒溫干燥條件下，煙葉中各種醇、醛、酮、酸、酯類香味成分均隨滾筒干燥溫度的升高而降低。其中，非酶棕色化反應(yīng)產(chǎn)物主要有糠醇、糠醛、2-環(huán)戊烯-1,4-二酮、2-甲基四氫呋喃-3-酮、2-乙酰呋喃等［19］。可以看出，這幾種物質(zhì)含量均隨著干燥溫度的升高而降低。對比滾筒分段變溫及恒溫干燥條件下的棕色化反應(yīng)產(chǎn)物含量可以看出，隨分段變溫干燥第一階段筒壁溫度的升高，棕色化反應(yīng)產(chǎn)物含量雖然也呈現(xiàn)降低趨勢，但明顯高于滾筒高溫恒溫干燥條件下的含量。

表2 干燥溫度對香味成分含量的影響 （μg·g-1）

表2 （續(xù)） （μg·g-1）

類胡蘿卜素降解生成的香味成分包括巨豆三烯酮、紫羅蘭酮、大馬酮和二氫獼猴桃內(nèi)酯等，是煙葉中重要的致香成分。由表2 可以看出，類胡蘿卜素降解香味成分在滾筒分段變溫及恒溫干燥方式下均隨筒壁溫度的升高而降低。分段變溫干燥方式下類胡蘿卜素降解香味成分含量明顯高于高溫恒溫干燥的結(jié)果，這是由于干燥過程中香味成分的損失在一定范圍內(nèi)與葉絲溫度高低有關(guān)，在恒溫干燥過程中干燥后段葉絲溫度明顯上升，這將不利于葉絲香味成分的保留；而采用先高溫后低溫的干燥方式，當(dāng)葉絲含水率較低時(shí)采用較低的筒壁溫度進(jìn)行干燥，避免了部分香味成分的過多損耗。

圖8 更直觀地說明了香味成分總量隨著干燥條件的變化，100 ℃恒溫干燥與150 ℃恒溫干燥相比香味成分總量也由35.707 μg/g降低至25.866 μg/g。分段變溫干燥條件下，隨第一階段干燥筒壁溫度由120 ℃升高至150 ℃，香味成分總量也由35.093 μg/g降低至31.223 μg/g。進(jìn)一步對比滾筒恒溫與分段變溫干燥結(jié)果可以看出，由于采用第一階段高溫、第二階段低溫的變溫干燥條件，葉絲中的香味成分總量較高溫條件下的恒溫干燥明顯增加。

圖8 不同干燥條件下香味成分總量對比

2.4.2 變溫點(diǎn)對香味成分的影響

進(jìn)一步分析了不同變溫點(diǎn)的選擇對香味成分總量的影響（圖9），隨著變溫點(diǎn)葉絲含水率降低，香味成分總量呈降低的趨勢。其中變溫點(diǎn)葉絲含水率從19%降低至17%時(shí)，香味成分總量下降較為明顯。原因是因?yàn)殡S著變溫點(diǎn)含水率的降低，葉絲經(jīng)歷的高溫干燥時(shí)間增加，導(dǎo)致葉絲中香味成分的損失較多。

圖9 不同變溫點(diǎn)香味成分含量對比

煙葉原料作為熱敏性物料，干燥過程對其內(nèi)在品質(zhì)有較大的影響［20-21］。前期研究也表明，與高溫恒溫干燥過程相比，采用第一階段高溫、第二階段低溫的干燥方式，能有效降低干燥末期的物料溫度［16］，因此有利于減少葉絲中香味成分的揮發(fā)損失。另一方面，采用分段變溫干燥加工時(shí)，也應(yīng)考慮煙葉原料及其在卷煙中配方功能的差異。如對于需要在卷煙配方中重點(diǎn)發(fā)揮其香氣潛質(zhì)的高檔煙葉原料，在前后段筒壁溫度和含水率變溫點(diǎn)的選擇設(shè)計(jì)上，應(yīng)側(cè)重于選擇更有利于保香的干燥條件，而以填充值的提升為輔；對于需要重點(diǎn)發(fā)揮其填充性的原料模塊，干燥條件選擇上可側(cè)重于填充值的提升。

3 結(jié)論

（1）與滾筒低溫恒溫干燥方式相比，滾筒變溫干燥方式下葉絲平均干燥速率明顯提升、干燥時(shí)間縮短。變溫干燥方式下隨變溫點(diǎn)含水率的降低，葉絲平均干燥速率呈上升趨勢。

（2）滾筒變溫干燥方式與高溫恒溫干燥相比有利于提高葉絲彈性，與低溫恒溫干燥相比有利于提升葉絲的填充性。變溫干燥方式下隨變溫點(diǎn)處葉絲含水率的降低，葉絲填充性呈降低趨勢，而彈性呈增大趨勢。

（3）采用第一階段高溫、第二階段低溫的兩段滾筒變溫干燥方式，降低干燥后期葉絲溫度有利于葉絲石油醚提取物以及香味成分的保留。變溫干燥方式下，隨著變溫點(diǎn)處葉絲含水率的降低，葉絲中香味成分總量也呈降低趨勢。

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