白肋煙烘焙工藝溫度參數(shù)擬合優(yōu)化及驗(yàn)證

程傳玲 - 楊 碩 王建民 - 張改紅 -

(鄭州輕工業(yè)大學(xué)食品與生物工程學(xué)院，河南 鄭州 450000)

白肋煙是混合型卷煙的重要原料之一，具有勁頭大，香氣濃郁豐滿、刺激性大，雜氣重等特點(diǎn)，其處理工藝是決定煙葉質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)[1]。重加里料和高溫烘焙是白肋煙處理工藝的關(guān)鍵技術(shù)，適宜的烘培條件是決定其感官質(zhì)量的重要因素[2-4]。

高溫烘焙有利于料液吸收，通過美拉德反應(yīng)和焦糖化反應(yīng)，產(chǎn)生香味物質(zhì)，同時(shí)減輕雜味，改善余味，提升煙葉的感官質(zhì)量[4-9]。安毅等[4]發(fā)現(xiàn)烘焙溫度對脯氨酸Amadori化合物、堿性香味物質(zhì)成分具有明顯的影響趨勢；胡建軍等[5]研究發(fā)現(xiàn)進(jìn)行三區(qū)高溫烘焙處理后的白肋煙其抽吸品質(zhì)改善明顯；劉開楠等[10]研究發(fā)現(xiàn)，干燥二區(qū)溫度高于干燥三區(qū)溫度有利于保持香氣量和香氣質(zhì)，減少香氣損失；張杰等[11-12]發(fā)現(xiàn)還原糖含量對烘焙后白肋煙致香成分含量有顯著影響；程傳玲等[13]研究發(fā)現(xiàn)通過烘箱準(zhǔn)確控溫可以較好地模擬白肋煙烘焙條件，而且還原糖可以較好地表征白肋煙烘焙后堿性香味物質(zhì)的含量關(guān)系。

目前對白肋煙烘焙的研究主要集中于加料與干燥溫濕度對白肋煙中主要致香物質(zhì)含量與感官評吸質(zhì)量的影響，主要是通過感官抽吸評價(jià)確定優(yōu)化工藝參數(shù)，優(yōu)化結(jié)果易受抽吸人員主觀影響[14]。試驗(yàn)擬建立烘焙后還原糖含量與3個(gè)干燥區(qū)溫度之間的回歸模型，以期通過一種常規(guī)化學(xué)成分與干燥區(qū)溫度之間的關(guān)系表征白肋煙香味成分的含量變化，為優(yōu)化白肋煙處理工藝、提升白肋煙烘焙后的香味物質(zhì)含量提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料、主要試劑與儀器

白肋煙配方煙葉及料液：安陽卷煙廠；

18種堿性香味物質(zhì)標(biāo)樣：純度>97%，上海麥克林生化科技有限公司；

4-羥基苯甲酰肼：純度98%，上海阿拉丁生化科技股份有限公司；

正己烷：分析純，天津市富宇精細(xì)化工有限公司；

無水甲醇：色譜純，天津市四友精細(xì)化學(xué)品有限公司；

甲酸：Acros試劑，北京伊諾凱科技有限公司；

分析天平：AB265-S型，感量0.000 01 g，瑞士Mettler公司；

連續(xù)流動分析儀：AA3型，英國Seal Analytical公司；

氣相色譜—質(zhì)譜聯(lián)用儀：6890-5973型，美國Agilent公司；

電熱鼓風(fēng)干燥箱：DHG-9023A型，上海一恒公司；

液相色譜—質(zhì)譜聯(lián)用儀：Thermo Fisher Scientific LTQ XL型，美國Thermo公司；

離子色譜儀：ICS-5000型，美國Thermo公司。

1.2 方法

1.2.1 試驗(yàn)方案 以烘箱模擬烤機(jī)的干燥區(qū)，使控溫更加準(zhǔn)確。選取干燥一區(qū)、二區(qū)、三區(qū)溫度范圍分別為110～165，105～145，105～135 ℃。每個(gè)區(qū)烘培時(shí)間均為3 min，進(jìn)行U12(12×62)均勻試驗(yàn)。將加料后含水率為38%左右的煙葉按照均勻試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行烘培處理，按文獻(xiàn)[15]測定其還原糖和總糖含量。以加料后未經(jīng)烘培煙葉為空白對照1組，每組試驗(yàn)平行測定2次。

1.2.2 回歸模型建立 根據(jù)均勻試驗(yàn)結(jié)果建立還原糖與3個(gè)烤區(qū)之間的回歸模型，對方程規(guī)劃求解得出還原糖含量最低時(shí)3個(gè)烤區(qū)的溫度。以均勻試驗(yàn)中還原糖含量最低時(shí)的三區(qū)溫度、規(guī)劃求解得出的3個(gè)烤區(qū)溫度、煙廠現(xiàn)行烘培溫度(一區(qū)145 ℃、二區(qū)125 ℃、三區(qū)110 ℃)及未經(jīng)烘焙處理的煙葉(空白對照2組)進(jìn)行試驗(yàn)，分別測定其還原糖、總糖、堿性香味成分、氨基酸及脯氨酸Amadori化合物含量。每組平行測定4次。

1.2.3 主要化學(xué)成分及香味物質(zhì)測定

(1) 總糖、還原糖、總氮、總植物堿含量：參照文獻(xiàn)[15-17]。

(2) 堿性香味物質(zhì)含量：40.0 g煙末、400 mL水于1 000 mL平底燒瓶中，60 mL CH2Cl2于100 mL梨形瓶中，同時(shí)蒸餾2.5 h。用20 mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的HCl洗滌3次，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%的NaOH溶液調(diào)節(jié)其pH至14，再用20 mL CH2Cl2萃取3次，加入無水硫酸鈉干燥過夜，過濾，加入1 mL內(nèi)標(biāo)(0.018 9 mg/mL乙酸苯乙酯)，濃縮至1 mL，進(jìn)行GC/MS分析。

(3) 氨基酸含量：稱取0.25 g煙末，用40 mL濃度為0.1 mol/L的HCl震蕩萃取30 min，過濾，取上清液1 mL過陽離子交換固相萃取小柱，用0.5 mL濃度為0.01 mol/L 的HCl淋洗小柱，再加入3 mL濃度為3 mol/L 的氨溶液洗脫，洗脫液于65 ℃水浴旋干，用1 mL 濃度為0.1 mol/L的HCl將其溶解，過濾膜于色譜瓶后用離子色譜儀進(jìn)行測定。

(4) 脯氨酸Amadori化合物含量：稱取2 g煙末，70%甲醇—水為萃取劑，料液比為1∶40 (g/mL)，超聲20 min，抽濾并洗滌3次，40 ℃旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)至干，用70%甲醇—水溶液將其稀釋至50 mL，再用30 mL正己烷萃取5次，將甲醇—水相濃縮至干，準(zhǔn)確加入10 mL 70%甲醇將其溶解，過0.45 μm有機(jī)濾膜，進(jìn)行HPLC-MS分析。

1.2.4 數(shù)據(jù)處理 使用多元回歸分析、LSD多重比較進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，數(shù)據(jù)處理軟件主要包括SPSS 17.0及Excel。

2 結(jié)果與討論

2.1 三烘箱模擬烤機(jī)不同參數(shù)下水溶性糖含量差異

表1為均勻試驗(yàn)設(shè)計(jì)表及煙葉進(jìn)出料含水率與水溶性糖檢測結(jié)果。干燥前白肋煙通過“重加里料”，提高了煙葉含水率(為38.12%)，干燥后煙葉含水率為3.44%～15.18%，符合《卷煙工藝規(guī)范(2016版)》中對白肋煙處理的要求規(guī)范，且說明烘箱可以較好地模擬白肋煙干燥；還原糖含量為0.245 9%～0.297 9%，總糖含量為0.666 9%～0.875 9%，說明隨著三區(qū)干燥溫度的變化，還原糖與總糖含量均發(fā)生了明顯變化。與對照組相比，烘培后白肋煙還原糖、總糖含量均降低，是由于干燥過程中白肋煙中還原糖發(fā)生了美拉德反應(yīng)，總糖在高溫烘焙條件下發(fā)生一定的降解，所產(chǎn)生的一部分單糖進(jìn)行焦糖化作用，因此總糖含量的變化程度明顯高于還原糖含量。綜上，試驗(yàn)4即烘培條件為一區(qū)125 ℃、二區(qū)145 ℃、三區(qū)129 ℃時(shí)還原糖含量最低，即可認(rèn)為此時(shí)美拉德反應(yīng)最為徹底，香味物質(zhì)含量較多。

2.2 還原糖與烘焙工藝溫度參數(shù)模型擬合

使用SPSS 17.0軟件對均勻試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行回歸分析，其結(jié)果見表2，所得還原糖與3個(gè)烤區(qū)之間的回歸方程為：

(1)

式中：

Y——還原糖含量，%；

X1、X2、X3——干燥一區(qū)、二區(qū)、三區(qū)溫度，℃。

由表2可知，回歸模型極顯著，且相關(guān)系數(shù)、決定系數(shù)分別達(dá)0.973，0.947，說明模型擬合優(yōu)度好，能夠較好地?cái)M合還原糖含量與3個(gè)烤區(qū)溫度之間的關(guān)系。干燥二區(qū)及干燥三區(qū)溫度對還原糖含量影響顯著，干燥一區(qū)溫度對還原糖含量影響接近顯著，其主次影響因素為干燥二區(qū)>干燥一區(qū)>干燥三區(qū)。白肋煙烘焙干燥過程中，干燥二區(qū)的主要作用是維持物料溫度以及延長等速干燥段時(shí)間，表明白肋煙在干燥二區(qū)時(shí)，其物料溫度與等速干燥段白肋煙內(nèi)各物質(zhì)含量對烘焙后白肋煙還原糖含量具有較大影響，而干燥三區(qū)主要是去除白肋煙煙葉內(nèi)剩余的水分，美拉德反應(yīng)程度較弱，因此干燥三區(qū)溫度對烘焙后煙葉還原糖含量影響較小。

2.3 烘焙工藝最優(yōu)溫度參數(shù)驗(yàn)證

根據(jù)還原糖含量與3個(gè)烤區(qū)間的回歸模型進(jìn)行規(guī)劃求解可以得出，一區(qū)、二區(qū)、三區(qū)溫度分別為110，145，135 ℃時(shí)還原糖含量最低，以此干燥條件為試驗(yàn)1，均勻試驗(yàn)還原糖含量最低即第4組試驗(yàn)(烘焙條件為一區(qū)125 ℃、二區(qū)145 ℃、三區(qū)129 ℃)為試驗(yàn)2，煙廠現(xiàn)行烘焙條件(一區(qū)145 ℃、二區(qū)125 ℃、三區(qū)110 ℃)為試驗(yàn)3，空白對照組為試驗(yàn)4，每個(gè)干燥區(qū)干燥3 min，進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。

由表3可知，還原糖含量均值與其預(yù)測值的變化基本一致，且兩者間絕對偏差<1%，試驗(yàn)1即回歸模型最優(yōu)條件下各物質(zhì)的RSD<10%，測量結(jié)果穩(wěn)定，還原糖含量為0.237 7%～0.240 0%，位于95%置信區(qū)間0.221 1%～0.249 9%內(nèi)，說明回歸模型的預(yù)測值與實(shí)際測量值相吻合，模型能夠較好反映還原糖與3個(gè)烤區(qū)溫度之間的關(guān)系。

由表3可知，與空白對照組相比，烘焙后白肋煙還原糖、總糖含量均降低，堿性香味物質(zhì)、脯氨酸Amadori化合物、香味物質(zhì)含量均明顯升高，這是因?yàn)楹媾噙^程中還原糖參與了美拉德反應(yīng)，產(chǎn)生了脯氨酸Amadori化合物等香味物質(zhì)，同時(shí)，烘焙過程中所加料液與煙葉化學(xué)成分之間發(fā)生了如焦糖化作用、斯特雷克分解作用等，這些反應(yīng)均生成了香味物質(zhì)；氨基酸總量順序?yàn)樵囼?yàn)3>試驗(yàn)4>試驗(yàn)2>試驗(yàn)1，可能是在試驗(yàn)3的烘焙條件下，蛋白質(zhì)發(fā)生降解，導(dǎo)致氨基酸總量大于空白對照組；而隨著烘培溫度總和的繼續(xù)上升，美拉德反應(yīng)進(jìn)行得更充分，從而導(dǎo)致試驗(yàn)1和試驗(yàn)2氨基酸總量降低。

還原糖總量大小順序?yàn)樵囼?yàn)3>試驗(yàn)1>試驗(yàn)2，堿性香味物質(zhì)總量為試驗(yàn)2>試驗(yàn)1>試驗(yàn)3，隨著還原糖含量的減少，堿性香味物質(zhì)總量增加，說明烘焙后還原糖含量與堿性香味物質(zhì)含量間有較為顯著的變量關(guān)系，與文獻(xiàn)[10]的研究結(jié)果一致。白肋煙烘焙產(chǎn)生的堿性香味物質(zhì)主要有吡啶、吡嗪、吡咯等，主要是在烘焙過程中由美拉德反應(yīng)產(chǎn)生，是白肋煙的特征香味物質(zhì)，對改善香氣和余味、減少雜氣和刺激性具有重要意義。

表1 U12(12×62)方案及水溶性糖測定結(jié)果

表2 回歸模型概述表?

試驗(yàn)1和試驗(yàn)2的還原糖含量與氨基酸含量間不存在顯著差異，而總糖、堿性香味物質(zhì)、脯氨酸、香味物質(zhì)總量間存在極顯著差異(P<0.01)，說明試驗(yàn)1與試驗(yàn)2之間的烘焙處理，可能發(fā)生不同程度的美拉德反應(yīng)、焦糖化及斯特雷克分解，從而產(chǎn)生不同種類的香味物質(zhì)，使香味物質(zhì)含量出現(xiàn)顯著差異，且非還原性糖如蔗糖發(fā)生水解產(chǎn)生單糖，使還原糖含量變化不顯著；試驗(yàn)3與試驗(yàn)1、試驗(yàn)2之間各物質(zhì)均存在顯著或極顯著差異。且試驗(yàn)1烘焙條件下致香物質(zhì)總和為4.681 6%，含量最高，對白肋煙烘焙增香效果最好，因此認(rèn)為白肋煙烘培最佳條件為一區(qū)110 ℃(3 min)，二區(qū)145 ℃(3 min)，三區(qū)135 ℃(3 min)。

3 結(jié)論

以烘箱法模擬白肋煙三區(qū)干燥，并對烘焙后白肋煙還原糖及總糖含量進(jìn)行了測定。結(jié)果表明，烘焙后白肋煙還原糖及總糖含量均存在明顯差異。對烘焙后白肋煙還原糖含量與烘焙工藝參數(shù)進(jìn)行模型擬合，擬合結(jié)果較好(R2=0.947)，且模型表明，干燥一區(qū)與二區(qū)是決定白肋煙烘焙后還原糖含量的重要因素。經(jīng)回歸模型規(guī)劃求解所得白肋煙的最佳烘焙參數(shù)為一區(qū)110 ℃(3 min)，二區(qū)145 ℃(3 min)，三區(qū)135 ℃(3 min)，此時(shí)美拉德反應(yīng)進(jìn)行充分，所得香味物質(zhì)總量較高，白肋煙烘焙增香效果較好。

試驗(yàn)以白肋煙原料為例，以還原糖含量與干燥三區(qū)溫度的關(guān)系間接評價(jià)白肋煙烘焙增香效果，而隨著白肋煙品種以及加料種類及用量的變化，此回歸模型是否依然適用仍需加以驗(yàn)證。