中短波紅外干燥對(duì)梗絲質(zhì)量的影響

夏 非，馬 揚(yáng)，邱 智，石志發(fā)，施 鳴，堯珍玉*

〔1.云南瑞升煙草技術(shù)(集團(tuán))有限公司，云南 昆明 650106； 2.貴州中煙工業(yè)責(zé)任有限公司技術(shù)中心，貴州 貴陽(yáng) 550001〕

0 引言

【研究意義】梗絲的應(yīng)用可有效地降低卷煙焦油和調(diào)節(jié)煙氣與吸味，同時(shí)也能夠節(jié)約卷煙生產(chǎn)成本，為卷煙企業(yè)創(chuàng)造價(jià)值。傳統(tǒng)的梗絲膨脹技術(shù)大多采用高溫高濕處理方法，即以水、汽為膨脹介質(zhì)，以高溫、高濕為手段，使煙梗內(nèi)部的水蒸氣壓力增大，從而導(dǎo)致煙草的毛細(xì)管和細(xì)胞脹大，其體積明顯擴(kuò)大，從而實(shí)現(xiàn)快速干燥[1-3]。中短波紅外干燥(Med-and short-wave infrared radiation drying，IR)是一種新的干燥方式，該技術(shù)具有加熱效率高和加熱相對(duì)均勻等特點(diǎn)[4]，探明其對(duì)梗絲質(zhì)量的影響對(duì)卷煙生產(chǎn)具有重要意義。【前人研究進(jìn)展】目前，膨脹設(shè)備除傳統(tǒng)的滾筒式干燥機(jī)外[5]，還有HXD在線膨脹設(shè)備[6]、閃蒸式(STS)+隧道振槽式梗絲干燥機(jī)(FBD)[7]和HDT氣流式烘梗絲機(jī)[8]等，形成的煙梗膨脹產(chǎn)品大多為片狀，色澤偏淺，外觀形態(tài)與煙絲差異較大，應(yīng)用到卷煙中會(huì)影響煙支燃燒狀態(tài)和摻配的均勻性等，最終影響卷煙品質(zhì)。紅外干燥基本原理是紅外線輻射器所產(chǎn)生的電磁波以光的速度直線傳播致被干燥物料，當(dāng)紅外線或遠(yuǎn)紅外線的發(fā)射頻率和被干燥物料中分子運(yùn)動(dòng)的固有頻率(紅外線或遠(yuǎn)紅外線的發(fā)射波長(zhǎng)和被干燥物料的吸收波長(zhǎng))相匹配時(shí)，物料內(nèi)分子會(huì)因強(qiáng)烈振動(dòng)引起激烈摩擦而產(chǎn)生大量熱量，從而達(dá)到干燥的目的。從紅外發(fā)射器發(fā)出的能量直接被干燥物料表面吸收，周圍空氣不被加熱而且物料溫度不受周圍空氣溫度的影響。【研究切入點(diǎn)】中短波紅外干燥已成功應(yīng)用于多種農(nóng)產(chǎn)品及副產(chǎn)物的干燥加工[9-11]，但鮮見(jiàn)其用于煙梗絲干燥的研究報(bào)道，亟待弄清中短波紅外干燥梗絲的理化指標(biāo)、致香成分及感官質(zhì)量變化?！緮M解決的關(guān)鍵問(wèn)題】以貴州某卷煙配方煙梗為材料，研究中短波紅外干燥對(duì)壓切后梗絲質(zhì)量的影響，并與常規(guī)梗絲的理化指標(biāo)、致香成分及感官質(zhì)量進(jìn)行對(duì)比分析，為中短波紅外干燥梗絲提供新的技術(shù)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 煙梗 煙梗，貴州中煙工業(yè)有限責(zé)任公司貴陽(yáng)卷煙廠某配方煙梗。

1.1.2 試劑 二氯甲烷(AR)，西隴化工股份有限公司；無(wú)水硫酸鈉(AR)，天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司；無(wú)水乙醇(色譜純)，迪馬科技有限公司；乙酸苯甲酯(內(nèi)標(biāo)色譜純)，百靈威科技有限公司。

1.1.3 儀器及設(shè)備 YQ-2 型葉絲振動(dòng)分選篩、YDZ430 型煙絲填充值測(cè)定儀，鄭州煙草研究院；KBF540 恒溫恒濕箱，德國(guó)Binder公司；ABS204-S電子天平(感量0.000 1 g)，瑞士Mettler-Toledo公司；Cyclotec 1093旋風(fēng)式樣品磨，瑞典FOSS(中國(guó))有限公司；6890N/5975N氣相色譜/質(zhì)譜聯(lián)用儀、配HP-5MS毛細(xì)管色譜柱，美國(guó)Agilent公司；同時(shí)蒸餾萃取裝置，自制；R114旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀，瑞士Büchi公司；SAK-D-12420型多層紅外干燥機(jī)，泰州圣泰科紅外科技有限公司。

1.2 方法

1.2.1 中短波紅外干燥機(jī)的系統(tǒng)組成及工作原理 中短波紅外干燥機(jī)主要由輸送系統(tǒng)、紅外干燥系統(tǒng)和熱風(fēng)循環(huán)系統(tǒng)組成。工作原理：切絲后的梗絲濕物料通過(guò)振槽振動(dòng)輸送至干燥設(shè)備進(jìn)料口，限料裝置使物料保持5 cm厚度均勻攤鋪在物料輸送帶上，物料經(jīng)輸送帶送入紅外干燥機(jī)干燥腔內(nèi)，物料在輸送過(guò)程中經(jīng)24組紅外燈管的照射，使物料升溫、脫水。在干燥過(guò)程中，熱風(fēng)循環(huán)系統(tǒng)使干燥腔體內(nèi)部分熱空氣循環(huán)，利用熱氣流提高干燥效率，排濕系統(tǒng)將濕氣排出，使干燥腔體內(nèi)的熱空氣保持合適的含濕量，能夠使梗絲均勻、充分干燥。

1.2.2 樣品的制備 煙梗經(jīng)回潮、平衡、壓梗、切絲后取1 000 kg通過(guò)振槽引流進(jìn)入多層紅外干燥機(jī)干燥后制得紅外干燥梗絲；其余切后梗絲采用常規(guī)制梗絲干燥設(shè)備干燥后制得常規(guī)梗絲。常規(guī)梗絲和紅外干燥梗絲制作關(guān)鍵工序參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 不同制梗絲工藝的關(guān)鍵工序過(guò)程參數(shù)Table 1 The key process parameter of cut stem produced with different processes

1.2.3 指標(biāo)測(cè)定 指標(biāo)主要包括梗絲的含水率、填充值和結(jié)構(gòu)，以及梗絲常規(guī)化學(xué)成分和主要致香物質(zhì)的含量。梗絲的含水率、填充值及結(jié)構(gòu)采用文獻(xiàn)[12-13]的方法測(cè)定；常規(guī)化學(xué)成分含量采用文獻(xiàn)[14-18]的方法測(cè)定。

主要致香物質(zhì)測(cè)定：1) 樣品的制備：將樣品用旋風(fēng)磨粉碎后過(guò)60目篩，梗末樣品在平衡箱中(溫度22℃，濕度60%)平衡24 h，準(zhǔn)確稱取平衡后的梗末樣品25.00 g，放入同時(shí)蒸餾萃取裝置的3個(gè)燒瓶中，用二氯甲烷作為溶劑對(duì)煙絲連續(xù)動(dòng)態(tài)萃取2.0 h，提取物經(jīng)無(wú)水硫酸鈉干燥后，用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀定量濃縮至1.0 mL，加入50 μL乙酸苯甲酯(0.1 mol/L)內(nèi)標(biāo)溶液搖勻后，采用氣相色譜/質(zhì)譜聯(lián)用儀對(duì)其進(jìn)行分析。2) 儀器條件：色譜柱為HP-5MS(30 m×0.25 mm×0.25 m)毛細(xì)管柱，進(jìn)樣口溫度260℃，載氣為He，載氣流量1 mL/min；程序升溫：50℃保持1 min，8℃/min升溫至160℃保持2 min，8℃/min升溫至260℃保持15 min；進(jìn)樣量2 μL，分流比為25∶1，傳輸線溫度280℃，電離方式為EI，電離能量70 eV，離子源溫度230℃，四級(jí)桿溫度150℃，質(zhì)量范圍35～455 aum。

常規(guī)梗絲和紅外干燥梗絲的致香成分檢測(cè)后取其主要致香成分結(jié)果，按雜環(huán)類、酮類、醛類、酚類、烯烴類、酸類和酯類進(jìn)行分類求和后計(jì)算其變化率。

1.2.4 感官評(píng)吸 將紅外干燥梗絲樣品和常規(guī)梗絲樣品以相同的材料卷制成煙支，由7名卷煙委員組成的評(píng)吸小組對(duì)其香氣質(zhì)、雜氣、濃度、細(xì)膩、刺激性、干凈程度、干燥感和舒適性等指標(biāo)進(jìn)行感官評(píng)吸對(duì)比。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

采用Excel 2010對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 梗絲的物理特征

從表2可知，紅外干燥梗絲和常規(guī)梗絲的填充值分別為4.86 cm3/g和5.69 cm3/g，紅外干燥梗絲填充值低于常規(guī)梗絲，原因是常規(guī)梗絲在高速氣流和文丘里管的綜合作用下，通過(guò)壓差變化和快速脫水實(shí)現(xiàn)劇烈膨脹，而紅外干燥是一個(gè)相對(duì)均勻的慢速失水過(guò)程，因此梗絲的膨脹效果不明顯。梗絲組成，>3.25 mm的紅外干燥梗絲和常規(guī)梗絲分別為37.31%和57.44%，常規(guī)梗絲占比更高；2.5～3.25 mm與1.0～2.5 mm的紅外干燥梗絲和常規(guī)梗絲分別為38.64%、22.49%和30.52%、10.31%，均為紅外干燥梗絲占比更高。>2.5 mm的梗絲為整絲，<1.0 mm的梗絲為碎絲，紅外干燥梗絲的整絲率(75.95%)低于常規(guī)梗絲(87.96%)，碎絲率(1.56%)略低于常規(guī)梗絲(1.73%)，可能是梗絲在紅外干燥中的物料運(yùn)動(dòng)程度較低，致碎較小?？傮w看，紅外干燥梗絲的整體尺寸較小，但結(jié)構(gòu)更均勻。與常規(guī)梗絲相比，紅外干燥梗絲的色澤更深，更黃(圖1)。

表2 紅外干燥梗絲與常規(guī)梗絲物理質(zhì)量Table 2 Physical quality of infrared radiation dried cut stem and conventional cut stem

圖1 紅外干燥梗絲與常規(guī)梗絲的外觀形態(tài)特征Fig.1 Appearance morphological features of infrared radiation dried cut stem and conventional cut stem

2.2 梗絲化學(xué)成分的含量

從表3看出，紅外干燥梗絲的總糖、鉀離子、還原糖、總植物堿、氯離子和總氮含量分別為23.8%、5.55%、18.3%、0.41%、2.43%和1.91%，常規(guī)梗絲的總糖、鉀離子、還原糖、總植物堿、氯離子和總氮含量分別為24.3%、5.56%、19.8%、0.42%、2.46%和1.96%。總體變化不大，但紅外干燥梗絲的化學(xué)成分含量均低于常規(guī)梗絲。

表3 紅外干燥梗絲與常規(guī)梗絲的化學(xué)成分含量Table 3 Chemical component content of infrared radiation dried cut stem and conventional cut stem %

2.3 梗絲的致香成分的含量及變化

從表4可知，常規(guī)梗絲和紅外干燥梗絲的主要致香成分有42種，其中，雜環(huán)類8種、酮類12種、醛類10種、酚類2種、烯烴類2種、酸類2種和酯類6種。常規(guī)梗絲和紅外干燥梗絲各類致香成分總量，雜環(huán)類分別為1.528 μg/g和1.768 μg/g，酮類分別為4.065 μg/g和4.015 μg/g，醛類分別為5.791 μg/g和7.230 μg/g，酚類分別為0.511 μg/g和0.368 μg/g，烯烴類分別為15.689 μg/g和15.103 μg/g，酸類分別為12.447 μg/g和10.550 μg/g，酯類分別為24.017 μg/g和18.306 μg/g。與常規(guī)梗絲相比，紅外干燥梗絲的雜環(huán)類、酮類、醛類、酚類、烯烴類、酸類和酯類致香成分的變化率分別為15.70%、-1.23%、24.85%、-27.98%、-3.74%、-15.24%和-23.78%?？梢?jiàn)，紅外干燥梗絲的酚類、酸類和酯類物質(zhì)較常規(guī)梗絲明顯減少，醛類和雜環(huán)類物質(zhì)較常規(guī)梗絲明顯增加，酮類和烯烴類物質(zhì)較常規(guī)梗絲變化不大。

表4 紅外干燥梗絲與常規(guī)梗絲主要致香物質(zhì)的含量及變化Table 4 Content and variation of main aroma substance in infrared radiation dried cut stem and conventional cut stem

2.4 梗絲的感官質(zhì)量

從表5看出，紅外干燥梗絲和常規(guī)梗絲的香氣質(zhì)、雜氣和刺激性等各指標(biāo)感官評(píng)價(jià)得分的變化。刺激性，紅外干燥梗絲和常規(guī)梗絲均為11.7分，結(jié)果相當(dāng)；濃度，紅外干燥梗絲和常規(guī)梗絲分別為7.1分和7.6分，紅外干燥梗絲略低于常規(guī)梗絲；其余指標(biāo)評(píng)價(jià)得分紅外干燥梗絲均高于常規(guī)梗絲?？偡?，紅外干燥梗絲和常規(guī)梗絲分別為80.4分和79.2分?？傮w看，紅外干燥梗絲較常規(guī)梗絲的感官質(zhì)量略有提升。

表5 紅外干燥梗絲與常規(guī)梗絲的感官質(zhì)量評(píng)價(jià)Table 5 Sensory quality evaluation of infrared radiation dried cut stem and conventional cut stem 分

3 討論

經(jīng)過(guò)紅外干燥梗絲的填充值及整絲率較常規(guī)梗絲降低，但梗絲結(jié)構(gòu)更趨于一致性，且色澤更深，可能是紅外的輻射強(qiáng)度和物料內(nèi)部化學(xué)成分與水分子共振引起褐變[19]所致，無(wú)常規(guī)梗絲顏色發(fā)白的現(xiàn)象；形態(tài)為細(xì)長(zhǎng)絲狀，沒(méi)有大片狀梗絲，更趨近于葉絲。紅外干燥梗絲的化學(xué)成分含量均低于常規(guī)梗絲，總體變化不大，其中總糖和還原糖低于常規(guī)梗絲的原因可能是紅外干燥的特殊干燥機(jī)理導(dǎo)致糖類物質(zhì)參與美拉德反應(yīng)[19]。常規(guī)梗絲和紅外干燥梗絲的主要致香成分有42種，其中，雜環(huán)類8種、酮類12種、醛類10種、酚類2種、烯烴類2種、酸類2種和酯類6種。與常規(guī)梗絲相比，雜環(huán)類、酮類、醛類、酚類、烯烴類、酸類和酯類致香成分的變化率分別為15.70%、-1.23%、24.85%、-27.98%、-3.74%、-15.24%和-23.78%。可見(jiàn)，紅外干燥梗絲的酚類、酸類和酯類物質(zhì)較常規(guī)梗絲明顯減少，醛類和雜環(huán)類物質(zhì)較常規(guī)梗絲明顯增加，酮類和烯烴類物質(zhì)較常規(guī)梗絲變化不大?？赡茉颍汗＝z經(jīng)紅外干燥后，代表甜香及梗絲飄逸感的醛類物質(zhì)增加；代表弱花香、青香及平淡感的烯烴類、酯類、酸類轉(zhuǎn)變?yōu)閹в刑鹣慵昂婵鞠愕碾s環(huán)類物質(zhì)，梗絲由生青氣轉(zhuǎn)變?yōu)榈鸷婵練庀20-21]。下一步將研究紅外干燥梗絲在卷煙中的摻配、應(yīng)用與評(píng)價(jià)。基于紅外波長(zhǎng)與水分子吸收波長(zhǎng)相匹配而引起水分子劇烈運(yùn)動(dòng)的干燥原理，紅外干燥對(duì)物料具有一定的厚度要求，當(dāng)物料厚度超出紅外線波長(zhǎng)，干燥速率就會(huì)下降，一定程度上制約了生產(chǎn)效率。因此，對(duì)新型紅外干燥設(shè)備及其輔聯(lián)設(shè)備的開發(fā)是下一步的研究利用方向之一。

4 結(jié)論

紅外干燥梗絲的酚類、酸類和酯類物質(zhì)較常規(guī)梗絲明顯減少，醛類和雜環(huán)類物質(zhì)較常規(guī)梗絲明顯增加，酮類和烯烴類物質(zhì)較常規(guī)梗絲變化不大，化學(xué)成分含量均低于常規(guī)梗絲，感官質(zhì)量較常規(guī)梗絲略有提升。