閉式循環(huán)煙葉烘烤冷凝水化學(xué)成分及致香物質(zhì)研究

任杰，蔡憲杰，曹亞凡，曹建敏，譚效磊，李煒，楊楠，閆鼎，許成悅，徐秀紅

摘? 要：為實現(xiàn)閉式循環(huán)烘烤過程中冷凝水的開發(fā)利用，研究了冷凝水流出速率及其主要化學(xué)成分和致香物質(zhì)含量。結(jié)果表明，閉式循環(huán)烘烤過程中，冷凝水流出速率呈先升高后下降的趨勢，變黃末期流出速率最大，干筋期流出速率最低。冷凝水中總植物堿含量隨烘烤進(jìn)行逐漸升高，未檢測到總糖、還原糖和蛋白質(zhì)。冷凝水中最多檢測到了24種致香物質(zhì)，其中苯甲醇、苯乙醇、2，3-二聯(lián)吡啶、3-羥基-2-丁酮等致香物質(zhì)的含量與其在煙葉中的含量屬于相同數(shù)量級。

關(guān)鍵詞：煙葉烘烤;閉式循環(huán);冷凝水;致香物質(zhì)

Study on Chemical Constituents and Aromatic Substances in Condensed Water of Closed-loop Tobacco Curing

REN Jie1， CAI Xianjie2， CAO Yafan2， CAO Jianmin1， TAN Xiaolei3， LI Wei4， YANG Nan5，

YAN Ding2， XU Chengyue2， XU Xiuhong1*

（1. Tobacco Research Institute of Chinese Academy of Agricultural Sciences， Qingdao 266101， China; 2. Shanghai Tobacco Group Co.， Ltd.， Shanghai 200082， China; 3. Shandong Linyi Tobacco Co.， Ltd.， Linyi， Shangdong 276003， China; 4. Shanghai Tobacco Group Beijing Cigarette Factory Co.， Ltd.， Beijing 101121， China; 5. Pingdingshan Branch of Henan Tobacco Company， Pingdingshan， Henan 467002， China）

Abstract： In order to utilize condensed water in the process of closed-loop tobacco curing， the outflow rate of condensed water and the contents of chemical components and aromatic substances in the condensed water were studied. The results showed that the outflow rate of condensed water increased first and then decreased during the process of closed-loop curing， and the outflow rate was the largest at the end of yellowing and the lowest at the stem drying stage. The content of total plant alkaloid in condensed water increased gradually with the process of curing， and no total sugar， reducing sugar or protein was detected. Up to 24 aromatic substances were detected in the condensed water. The contents of aromatic substances such as benzyl alcohol， phenylethyl alcohol， 2，3-dipyridine and 3- hydroxy-2-butanone had the same order of magnitude as the contents in tobacco leaves.

Keywords： tobacco leaf curing; closed-loop; condensed water; aromatic substances

我國現(xiàn)階段采用的煙葉烤房一般為開式循環(huán)密集烤房，當(dāng)裝煙室內(nèi)濕球溫度高于設(shè)定值一定幅度時，冷風(fēng)門打開，在循環(huán)風(fēng)機的作用下吸入外界干冷空氣，在壓力作用下，裝煙室內(nèi)的濕熱空氣由排濕口直接向外界環(huán)境排出，以降低烤房內(nèi)的濕度，此種排濕方式煙葉干燥速度快，收縮幅度小[1-2]，烤后煙葉欠柔軟[3]，此外，高溫高濕空氣的直接排出也造成了易揮發(fā)致香物質(zhì)的損失和能量的巨大浪費[4]。基于此，國內(nèi)學(xué)者開展了閉式循環(huán)烤房的相關(guān)研究[4-8]，與開式循環(huán)烤房不同，閉式循環(huán)烤房在排濕階段不向外界排出濕熱空氣，而是利用蒸發(fā)器將裝煙室內(nèi)濕熱空氣中的水蒸氣以冷凝水的形式排出，降低烤房內(nèi)的濕度，滿足烘烤要求。在此過程中，水蒸氣冷凝放出的熱量可以循環(huán)利用，減少能源浪費。此外，可最大程度地保留煙葉中的易揮發(fā)致香物質(zhì)和利于提高烘烤品質(zhì)的氣體成分[7-8]。但是有關(guān)閉式循環(huán)煙葉烘烤冷凝水化學(xué)成分及致香物質(zhì)含量在國內(nèi)外均未見報道。鮮煙葉含水率一般在80%以上，單座密集烤房鮮煙裝煙量按照4000 kg計算，如果煙葉水分全部以冷凝水形式排出，則閉式循環(huán)烘烤過程需排出冷凝水3200 kg以上，排出量巨大。因此，有必要對閉式循環(huán)煙葉烘烤排出冷凝水的化學(xué)成分和致香物質(zhì)進(jìn)行分析，以期為煙葉閉式循環(huán)烘烤冷凝水的開發(fā)利用提供參考。

1? 材料與方法

1.1? 材料

試驗于2019—2020年在貴州省鳳岡縣“中華原料烘烤工場”進(jìn)行。供試煙葉為K326中部煙葉。供試烤房為本實驗室獨立研發(fā)的閉式循環(huán)熱泵烤房[4]，當(dāng)烤房內(nèi)濕球溫度高于設(shè)定值一定幅度時，熱泵系統(tǒng)自動轉(zhuǎn)為冷凝除濕模式，以排出冷凝水的形式降低烤房內(nèi)的濕度，干筋期由于烤房內(nèi)相對濕度低，冷凝除濕效率較低，當(dāng)冷凝除濕不能滿足要求時，輔助外排濕功能啟動，滿足烘烤對濕度的要求[4]?？痉垦b煙室規(guī)格為8 m×3.5 m×2.7 m。

1.2? 方法

煙葉采收后，煙夾編煙，裝入閉式循環(huán)熱泵烤房，采用優(yōu)化后的8點式精準(zhǔn)烘烤工藝進(jìn)行烘烤（增加62 ℃穩(wěn)溫點）[9]，各溫度點及升溫時間、穩(wěn)溫時間見表1。在閉式循環(huán)熱泵烤房烘烤過程中，在42 ℃、47 ℃、54 ℃、62 ℃不同煙葉烘烤階段，用純凈水瓶采集烤房排濕時排水管流出的冷凝水，密封保存?zhèn)溆谩?/p>

1.3? 檢測項目

用天平稱量純凈水瓶質(zhì)量，在不同烘烤階段用純凈水瓶采集烤房排濕時流出的冷凝水，收集時間為1 min，重復(fù)3次，用天平稱量總質(zhì)量，計算單位時間內(nèi)流出冷凝水的質(zhì)量。采集的冷凝水送農(nóng)業(yè)農(nóng)村部煙草產(chǎn)業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗測試中心進(jìn)行常規(guī)化學(xué)成分和致香物質(zhì)檢測。還原糖、總糖、總植物堿、總氮、蛋白質(zhì)分別按照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)YC/T 159—2019、YC/T 468—2013、YC/T 33—1996、YC/T 166—2003方法測定。致香物質(zhì)2019年采用頂空固相微萃取法測定，2020年苯甲醇、苯乙醇、茄酮、二烯煙堿、2，3-二聯(lián)吡啶和巨豆三烯酮等致香物質(zhì)采用頂空固相微萃取法測定，其他致香物質(zhì)采用同時蒸餾萃取法測定。

1.4? 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 13.0 軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

2? 結(jié)? 果

2.1? 閉式循環(huán)烘烤冷凝水流出速率

閉式循環(huán)熱泵烤房主要通過冷凝除濕降低相對濕度。從圖1中可以看出，在煙葉烘烤過程中，冷凝水流出速率表現(xiàn)出先升高后下降的趨勢。38 ℃時冷凝水流出速率平均為23.4 kg/h，此后逐漸升高，至42 ℃時達(dá)到最高，冷凝水流出速率平均為35.6 kg/h，此后冷凝水流出速率逐漸下降，干筋期冷凝水流出速率最低，平均為11.16 kg/h。

2.2? 冷凝水化學(xué)成分含量

表2示出，兩年數(shù)據(jù)較為一致。42 ℃變黃末期、47 ℃定色前期、54 ℃定色后期、62 ℃干筋期冷凝水中均未檢測到還原糖和蛋白質(zhì)，2019年烘烤各階段冷凝水中未檢測到總糖，2020年檢測到痕量總糖，兩年結(jié)果差別不大。冷凝水中總植物堿含量隨烘烤進(jìn)行逐漸升高，兩年結(jié)果均表明，42 ℃變黃末期冷凝水中未檢測到總植物堿，47 ℃開始，冷凝水中總植物堿開始出現(xiàn)，干筋期總植物堿含量達(dá)到最高。冷凝水中的總氮含量總體也表現(xiàn)出隨烘烤進(jìn)行逐漸升高的趨勢，但每個階段含量均較低。

2.3? 冷凝水致香物質(zhì)含量

表3示出，2019年閉式循環(huán)熱泵烤房冷凝水中共檢測出10種致香物質(zhì)，其中變黃期（42 ℃）8種，定色前期（47 ℃）9種，定色后期（54 ℃）9種，干筋期（62 ℃）7種。苯甲醇和苯乙醇只在定色前期和定色后期檢測到，且定色后期含量略高于定色前期。茄酮只在變黃期檢出。二烯煙堿、2，3-二聯(lián)吡啶、巨豆三烯酮-1、巨豆三烯酮-2、巨豆三烯酮-3、巨豆三烯酮-4和圓柚酮在4個時期均有檢出。冷凝水中二烯煙堿、2，3-二聯(lián)吡啶含量隨烘烤進(jìn)行逐漸升高。巨豆三烯酮-1、巨豆三烯酮-2、巨豆三烯酮-3、巨豆三烯酮-4在變黃期、定色前期、定色后期逐漸升高，干筋期又有所下降。圓柚酮含量在定色后期和干筋期最高，變黃期和定色前期略低。

表4示出，2020年閉式循環(huán)熱泵烤房冷凝水中共檢測出24種致香物質(zhì)，包括苯丙氨酸類致香物質(zhì)苯甲醇、苯乙醇、苯甲醛和鄰苯二甲酸二丁酯，類西柏烷類致香物質(zhì)茄酮，類胡蘿卜素降解產(chǎn)物類致香物質(zhì)巨豆三烯酮、二氫獼猴桃內(nèi)酯，美拉德反應(yīng)產(chǎn)物吡啶、吡嗪、2，3-二聯(lián)吡啶、3-乙酰吡啶、2-乙?；?5-甲基呋喃、糠醇等。其中變黃期（42 ℃）19種，定色前期（47 ℃）23種，定色后期（54 ℃）23種，干筋期（62 ℃）24種。2020年冷凝水檢出的致香物質(zhì)中包含了除巨豆三烯酮-1、巨豆三烯酮-2、巨豆三烯酮-4和圓柚酮外的2019年冷凝水中檢出的其他6種致香物質(zhì)。與2019年不同的是，2020年干筋期冷凝水中苯甲醇和苯乙醇均有檢出。這可能是因為2020年我們對閉式循環(huán)熱泵烤房進(jìn)行了優(yōu)化，干筋期盡量減少冷風(fēng)門的開啟，保留了更多的致香物質(zhì)。

2020年不同烘烤階段冷凝水均檢測到茄酮，但含量遠(yuǎn)低于2019年變黃末期水平。2020年不同烘烤階段冷凝水均檢測到二烯煙堿、2，3-二聯(lián)吡啶和巨豆三烯酮-3，與2019年一致。2020年檢出的不同于2019年的18種致香物質(zhì)中，吡嗪只在干筋期冷凝水中檢出，喹啉、異戊醇和苯乙酮變黃期未檢出，其他10種致香物質(zhì)則在變黃期、定色期和干筋期冷凝水均有檢出。冷凝水中吡啶、3-乙酰吡啶、3-羥基-2-丁酮、2-甲基-2-庚烯-6-酮、苯甲醛、2-乙?；?5-甲基呋喃、苯乙酮、糠醇和降茄二酮含量隨烘烤進(jìn)行表現(xiàn)出逐漸升高的趨勢。3-甲基-2-環(huán)戊烯-1-酮、α-松油醇、鄰苯二甲酸二丁酯以干筋期冷凝水中含量最高。喹啉、異戊醇、二氫獼猴桃內(nèi)酯在定色期和干筋期冷凝水中的含量差別不大。

3? 討? 論

為解決烤后煙葉欠柔軟、香氣損失等問題，國內(nèi)學(xué)者開展了閉式循環(huán)熱泵烤房研究并在部分煙葉產(chǎn)區(qū)進(jìn)行了應(yīng)用示范。開式循環(huán)烤房屬于階段性快排濕，在烘烤過程中當(dāng)實際濕球溫度大于設(shè)定值一定幅度時，冷風(fēng)門自動打開，通過大風(fēng)速快速排出烤房內(nèi)的濕熱空氣，造成烤房內(nèi)相對濕度驟降，導(dǎo)致煙葉表面快速失水干燥而不能充分收縮形變[3]。而采用閉式循環(huán)烤房，濕熱空氣中的水分以冷凝水形式排出，無需過大風(fēng)速，加之熱泵烤房控溫精度高，可實現(xiàn)煙葉烘烤持續(xù)性慢除濕，使煙葉充分收縮形變，從而提高烤后煙葉柔軟性[4]。此外，閉式熱泵烤房烤后煙葉香氣量、濃度和透發(fā)性指標(biāo)明顯優(yōu)于開式循環(huán)烤房[4]。

鮮煙葉的含水率一般在80%以上，烤后煙葉的含水率一般在5%以下[10]，因此，在閉式循環(huán)煙葉烘烤過程中會有大量的冷凝水排出，42 ℃變黃末期冷凝水流出速率最高，平均為35.6 kg/h，此后則逐漸下降，干筋期冷凝水流出速率最低，平均為11.16 kg/h。需要說明的是，不同烘烤階段冷凝水流出總量除與烘烤階段持續(xù)時間有關(guān)外，更重要的還與本階段冷凝水持續(xù)流出時間有關(guān)。而根據(jù)觀察變黃末期冷凝水單次持續(xù)流出時間相對較短（2～3 min），冷凝水流出結(jié)束至下一次開始流出的間隔時間相對較長（10～12 min），而定色期冷凝水單次持續(xù)流出時間相對較長（5～6 min），且兩次冷凝水流出間隔時間相對較短（5～8 min），因此定色前期和定色后期的冷凝水凈流出時間均長于變黃末期。冷凝水流出量以定色期最大。從冷凝水的開發(fā)利用角度，本研究

結(jié)果說明，閉式循環(huán)烘烤冷凝水中含有一定量的總植物堿、醇類、醛類、酯類和酚類物質(zhì)，不適合作為飲用水[11]。冷凝水中總植物堿含量最高達(dá)到0.18%，相當(dāng)于曬煙、香料煙和馬里蘭煙秸稈中的總植物堿含量[12]。有研究表明，煙草提取物（總植物堿含量50.67%～62.13%）施用濃度為0.1%時，對小麥赤霉病菌等8種植物病原真菌具有良好抑制效果[13]，這一研究結(jié)果為閉式循環(huán)烘烤冷凝水用于植物源農(nóng)藥開發(fā)提供了可能。

對于苯丙氨酸類致香物質(zhì)來說，定色期冷凝水（流出量最大）中苯甲醇、苯乙醇和烤后煙葉中此類致香物質(zhì)含量處于同一數(shù)量級[14-17]。此外，變黃末期和定色期冷凝水中巨豆三烯酮-3、2，3-二聯(lián)吡啶、3-羥基-2-丁酮等致香物質(zhì)的含量也和其在煙葉中的含量屬于相同數(shù)量級[14-15]，因此，收集閉式循環(huán)烘烤冷凝水并用于致香物質(zhì)的回收利用也是冷凝水開發(fā)利用的一個方向。2020年和2019年檢出的致香物質(zhì)種類數(shù)量差異較大，但僅在2020年檢出的大部分致香物質(zhì)含量均較低，這可能主要是由于冷凝水檢測樣品用量的不同造成的，2020年冷凝水檢測樣品用量為2019年的5倍，增加檢測樣品量后，冷凝水中一些原本含量較低的致香物質(zhì)超過了檢測方法的檢出限而被檢測到，使得2020年檢測到的致香物質(zhì)種類增加。

4? 結(jié)? 論

綜上所述，閉式循環(huán)烘烤產(chǎn)生大量的冷凝水，以變黃末期冷凝水流出速率最大。冷凝水中含有一定數(shù)量的總植物堿和致香物質(zhì)，可為冷凝水用于植物源農(nóng)藥開發(fā)以及致香物質(zhì)的回收利用提供參考。

參考文獻(xiàn)

[1] MASKAN M. Drying， shrinkage and rehydration characteristics of kiwifruits during hot air and microwave drying[J]. Journal of Food Engineering， 2001， 48（2）： 177-182.

[2] KROKIDA M K， MAROULIS Z B. Effect of drying method on shrinkage and porosity[J]. Drying Technology， 1997， 15（10）： 2441- 2458.

[3] 樊軍輝，陳江華，宋朝鵬，等. 不同烤房烘烤過程中煙葉形態(tài)和物理特性的變化[J]. 西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2010，38（6）：109-114.

FAN J H， CHEN J H， SONG Z P， et al. Changes in states and physical properties of tobacco leaves during curing in different curing barns[J]. Journal of Northwest A&F University （Natural Science）， 2010， 38（6）： 109-114.

[4] 任杰，曹亞凡，盧曉華，等. 可調(diào)節(jié)氣流方向的閉式循環(huán)熱泵烤房的設(shè)計應(yīng)用[J]. 煙草科技，2019，52（8）：82-88.

REN J， CAO Y F， LU X H， et al. Design and application of closed-loop heat pump curing barn with variable airflow direction[J]. Tobacco Science & Technology， 2019， 52（8）： 82-88.

[5] 段紹米，羅會龍，劉海鵬. 全閉式熱風(fēng)循環(huán)密集烤房溫度控制系統(tǒng)研究[J]. 昆明理工大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2019，44（5）：47-53.

DUAN S M， LUO H L， LIU H P. Temperature modeling and control simulation of full closed hot air circulation tobacco bulk curing barn[J]. Journal of Kunming University of Science and Technology （Natural Science）， 2019， 44（5）： 47-53.

[6] 葉志成，劉雄. 新型閉式熱泵烤煙系統(tǒng)的性能優(yōu)化與分析[J]. 建筑熱能通風(fēng)空調(diào)，2020，39（5）：79-83.

YE Z C， LIU X. Performance optimization and analysis of a new closed heat pump flue-cured tobacco system[J]. Building Energy & Environment， 2020， 39（5）： 79-83.

[7] 巴頔. 煙葉閉式循環(huán)烤房均勻送風(fēng)及熱泵系統(tǒng)研究[D]. 大連：大連理工大學(xué)，2015.

BA D. Uniform air supply and heat pump system research in closed cycle tobacco baking barn[D]. Dalian： Dalian University of Technology， 2015.

[8] 薛濤. 全閉式熱風(fēng)循環(huán)密集烤房風(fēng)冷重力熱管除濕系統(tǒng)性能研究[D]. 昆明：昆明理工大學(xué)，2018.

XUE T. Study on the performance of an aircooled gravity heat pipe dehumidification system in the fully closed hot air circulating bulk curing barn[D]. Kunming： Kunming University of Science and Technology， 2018.

[9] 徐秀紅，王傳義，劉昌寶，等. “8點式精準(zhǔn)密集烘烤工藝”的創(chuàng)新集成與應(yīng)用[J]. 中國煙草科學(xué)，2012，33（5）：68-73.

XU X H， WANG C Y， LIU C B， et al. Foundation and application of eight-point curing technology[J]. Chinese Tobacco Science， 2012， 33（5）： 68-73.

[10] BROWN B， BULLEN G， PHILLIPS J， et al. 2018 flue-cured tobacco guide， in： Ellington， G.， Curing and mechanization. NC State Extension， 2018. 163-188.

[11] 朱娟娟. 空調(diào)冷凝水回收利用潛力及處理技術(shù)研究[D]. 北京：北京建筑大學(xué)，2018.

ZHU J J. Research on air conditioning condensate recovery potential and treatment technology[D]. Beijing： Beijing University of civil engineering and architecture， 2018.

[12] 葉協(xié)鋒，劉紅恩，孟琦，等. 不同類型煙秸稈化學(xué)組分分析[J]. 煙草科技，2013，46（10）：76-79.

YE X F， LIU H E， MENG Q， et al. Comparison of chemical composition in stalks of different tobaccos[J]. Tobacco Science & Technology， 2013， 46（10）： 76-79.

[13] 王文達(dá). 煙草中生物堿的提取及生物活性研究[D]. 武漢：華中農(nóng)業(yè)大學(xué)，2018.

WANG W D. Extraction and bioactivity of tobacco alkaloids[D]. Wuhan： Huazhong Agricultural University， 2018.

[14] 任杰，王濤，饒智，等. 不同變黃變筋溫度對紅花大金元香氣物質(zhì)含量的影響[J]. 中國煙草科學(xué)，2017，38（3）：61-66.

REN J， WANG T， RAO Z， et al. Effects of different leaf-yellowing and midrib-yellowing temperature on aroma constituents of Honghuadajinyuan[J]. Chinese Tobacco Science， 2017， 38（3）： 61-66.

[15] 余玉莎，孫媛，李祖紅，等. 米根霉發(fā)酵對煙葉常規(guī)成分及主要致香成分的影響[J]. 云南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報（ 自然科學(xué)） ，2017，32 （ 2） ： 379 -385.

YU Y S， SUN Y， LI Z H， et al. Rhizopus oryzae effects on regular composition and the main aroma components of tobacco[J]. Journal of Yunnan Agricultural University （ Natural Science）， 2017， 32 （2）： 379 -385.

[16] 王紫微，張海平，趙曉軍，等. 新型生物質(zhì)烤房對煙葉致香物質(zhì)及內(nèi)在化學(xué)成分的影響[J].河南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，2018，52（3）：391-396.

WANG Z W， ZHANG H P， ZHAO X J， et al. Effects of a new type of biomass curing barn on the aroma components and internal chemical compositions of flue-cured tobacco leaves[J]. Journal of Henan Agricultural University， 2018， 52（3）：391-396.

[17] 侯冰清，劉中威，劉永新. 海拔對不同基因型烤煙煙葉化學(xué)成分和致香成分含量的影響[J]. 2020， 32（10）： 87-92.

HOU B Q， LIU Z W， LIU Y X. Effects of altitudes on chemical components and aroma components in flue-cured tobacco leaves with different genotypes[J]. Acta Agriculturae Jiangxi， 2020， 32（10）： 87-92.