不同含水率干头干尾烟丝挥发性有机酸含量的变化

高占勇，翁瑞杰，高 辉，程 倩，林鸿佳，王玉真，邱杰斐，华一崑*

(1.红云红河烟草(集团)有限责任公司，云南 昆明 650231;2.云南同创检测技术股份有限公司，云南 昆明 650106)

不同含水率干头干尾烟丝挥发性有机酸含量的变化

高占勇1，翁瑞杰1，高 辉2，程 倩1，林鸿佳1，王玉真1，邱杰斐1，华一崑1*

(1.红云红河烟草(集团)有限责任公司，云南 昆明 650231;2.云南同创检测技术股份有限公司，云南 昆明 650106)

分析了滚筒烘丝后不同含水率干头干尾烟丝挥发性有机酸含量的变化规律，以8种挥发性有机酸作为评价指标，利用多重比较法、主成分综合得分的箱线图分析法、聚类分析法，研究了不同含水率烟丝挥发性有机酸含量的变化，以及综合差异的含水率临界点，最后利用感官评吸对上述统计结果进行验证。结果表明：(1)除辛酸外，不同含水率区间烟丝的其余挥发性有机酸均存在显著性差异；(2)挥发性有机酸综合含量随着烘后烟丝含水率的降低呈逐渐下降的变化趋势；(3)烘后烟丝挥发性有机酸综合含量出现较大差异的含水率临界点为8%左右；(4)卷烟整体感官质量随着烘后烟丝含水率的降低呈逐渐下降的变化趋势。根据主成分综合得分箱线图、系统聚类及感官质量的分析结果，该配方叶组干头干尾烟丝与正常烟丝品质差异的含水率临界点应为8%左右；为保证产品质量稳定性，建议将含水率小于8%的干头干尾烟丝回潮后降级使用。

不同含水率；干头干尾烟丝；挥发性有机酸；统计分析；感官质量

Abstract： By using the multiple comparison method, the boxplot analysis based on the synthetic score of principal components, and the clustering analysis, we studied the variations in the contents of 8 kinds of volatile organic acids in over-dried cut tobacco with different moisture content after cylinder drying, analyzed the moisture content critical point for comprehensive difference in volatile organic acid content among different cut tobaccos, and finally verified the obtained statistical results through sensory smoking evaluation. The results indicated that: (1) There was a significant difference in the contents of 7 kinds of volatile organic acids (except for octanoic acid) among cut tobaccos with different moisture content; (2) The comprehensive content of volatile organic acids gradually decreased with the decrease in moisture content of cut tobacco after drying; (3) The critical point of moisture content for the sharp variation in comprehensive content of volatile organic acids in dried cut tobacco was about 8%; (4) The overall sensory quality of the cigarette showed a gradual decreasing trend when the moisture content in dried cut tobacco reduced.

Keywords： Different moisture content; Over-dried cut tobacco; Volatile organic acid; Statistical analysis; Sensory quality

滚筒烘丝工序在生产开始和结束时，由于烟丝量较少，烘丝机滚筒热容较大而产生大量含水率较低的干头干尾烟丝，这些烟丝与正常含水率烟丝的化学品质存在一定差异，且在后续加工过程中造碎率较高，从而对烟丝结构、感官品质和单箱耗叶等质量指标产生较大的影响[1]。2003版《卷烟工艺规范》中明确规定：烘丝工序的每批干头干尾烟丝量不得超过0.6%[2]。最大限度地减少叶丝干燥过程中的干头干尾量，是企业提质降耗的重要工作之一。近年来，国内烟草行业通过优化工艺参数[3]、控制模式[4-5]及改进设备[1,6-9]等途径，从而实现减少烘丝过程干头干尾烟丝量的目的。此外，何邦华[10]、高辉[11]和刘泽[12]等分别研究了干头干尾烟丝与正常水分烟丝在物理特性、常规化学成分、多酚、致香物质、感官质量等方面的差异，为滚筒烘丝过程干头干尾烟丝与正常烟丝品质差异的含水率临界点判定提供了数据支撑。而关于滚筒烘丝后不同含水率的干头干尾烟丝的重要挥发性有机酸含量的变化趋势研究尚未见报道。挥发性有机酸，即C10以下的低级脂肪酸和部分芳香族酸，是烟草及卷烟主流烟气中一类重要的挥发性香味成分[13]。挥发性有机酸不仅可赋予烟气芳香的吸味特征，而且还可调节烟气的柔和度，对卷烟的吸食特性有积极的贡献[14]。为此，利用主成分综合得分的箱线图研究滚筒烘丝后，不同含水率的干头干尾烟丝及正常水分烟丝的挥发性有机酸综合含量的变化规律，利用聚类分析法研究了干头干尾烟丝与正常水分烟丝的挥发性有机酸综合含量出现较大差异的含水率临界点，旨在为实现滚筒烘丝工序干头干尾烟丝的差异化分类处理提供数据支持。

1 材料与方法

1.1试验材料

红云红河烟草(集团)有限责任公司“云烟”某规格卷烟配方叶组，该配方叶组在制丝过程中的叶丝干燥方式采用滚筒烘丝。

1.2试验方法

1.2.1 不同含水率干头干尾烟丝及正常含水率烟丝取样 (1)不同含水率干头干尾烟丝取样：在滚筒干燥工序烟丝冷却出口的水分仪后面进行取样，根据水分仪的读数，在生产开始和结束阶段，分别取不同含水率区间(<6%、6%～8%、8%～10%、10%～12%)的干头干尾烟丝，将4个含水率区间的干头干尾烟丝样品分别存放，并做好标识待检。

(2)正常含水率烟丝取样：待烘丝机进入正常生产状态后，在烟丝冷却出口的水分仪后面取含水率为(12.5±0.5)%的烟丝样品约2 kg，并做好标识待检。

1.2.2 挥发性有机酸的测定方法 分别将每个含水率区间的烟丝样品充分混匀，再从每个含水率区间烟丝样品的不同位置取样5次，每份约100 g，利用旋风磨将烟丝粉碎成烟末。按照行业标准YC/T 500─2014[15]规定的方法,利用气相色谱/质谱联用仪测定烟丝中挥发性有机酸的含量。

1.2.3 不同含水率烟丝感官质量评价 取不同含水率的烘后烟丝各100 g，置于22 ℃、相对湿度60%的恒温恒湿箱中平衡72 h，让烟丝充分回潮，按照《卷烟工艺测试与分析大纲》制定的方法，采用同一卷烟材料制备感官质量评价样品[16]。保证每支评吸卷烟的烟丝质量相同，烟丝在烟管中的分布尽量均匀，最大程度地消除卷烟物理性状的差异对评吸结果的影响。由9名评吸人员采用对比评吸法[17]对不同含水率的烟丝样品进行感官评价。

1.2.4 数据处理与统计分析 利用R语言统计软件(Ri3863.1.2)中的相关函数对数据进行处理、统计分析并作图：(1)利用aov和TukeyHSD函数对不同含水率烟丝样品挥发性有机酸的5次测定值进行方差分析和多重比较；(2)利用cor和principal函数对不同含水率烟丝样品的挥发性有机酸测定值进行基于相关系数矩阵的主成分分析；(3)利用KMO和bartlett.test函数对相关系数矩阵进行主成分分析前的Kaiser-Meyer-Olkin(KMO)和Bartlett球形度检验，利用该检验的统计量比较变量之间的简单相关和偏相关系数，KMO值介于0～1之间，越接近1，表明所有变量之间简单相关系数平方和远大于偏相关系数平方和，越适合主成分分析[18]；(4)利用fa.parallel函数确定主成分的抽取个数；(5)在进行主成分得分计算时，利用scale函数对原始的指标矩阵进行标准化处理，标准化处理后，矩阵中每列化学指标的均值为0，标准偏差为1；(6)利用boxplot函数对不同试验样品挥发性有机酸的主成分综合得分进行箱线图的绘制，主成分综合得分在一定程度上可以表征某一类化学物质的相对综合含量，从挥发性有机酸主成分综合得分的变化趋势就可以看出，不同含水率区间烟丝挥发性有机酸相对综合含量的变化趋势[19]；(7)以挥发性有机酸主成分分析的前2个主成分得分(PC1和PC2)为变量，利用hclust函数对25个烟丝样品进行系统聚类分析，系统聚类的距离计算方法为欧氏距离(Euclidean distance)，类与类之间的距离采用最长距离法(Complete method)[20]。

2 结果与分析

2.1不同含水率烟丝挥发性有机酸含量的方差分析

2.1.1 挥发性有机酸检测数据 滚筒烘丝后不同含水率区间烟丝的8种主要挥发性有机酸含量检测结果如表1所示。

2.1.2 挥发性有机酸多重比较 滚筒烘丝后不同含水率区间8种挥发性有机酸检测值的均值及多重比较结果见表2。由表2可知：除辛酸外，不同含水率区间烟丝样品各项挥发性有机酸含量总体均存在显著性差异。随着烘丝后烟丝含水率的降低，异戊酸、2-甲基丁酸、戊酸、己酸、苯甲酸、辛酸和苯乙酸含量呈逐渐降低的变化趋势，3-甲基戊酸呈先升高后降低的变化趋势。

2.2挥发性有机酸的主成分分析

2.2.1 主成分分析的适合度检验 在原始指标矩阵(表1)为正定矩阵(样本数≥指标数)的前提下，对其进行Pearson相关性检验(表3)。可以看出，除3-甲基戊酸与苯甲酸之间的相关性未达到显著性水平外，8种挥发性有机酸彼此之间均存在显著或极显著的相关性。因此，选择基于相关系数矩阵的主成分分析法对数据进行降维处理。

表1 不同含水率区间烟丝的挥发性有机酸检测结果 μg/g

表2 不同含水率区间烟丝样品挥发性有机酸的多重比较结果 μg/g

注：同列数字后的不同小写字母表示差异达到0.05显著水平，相同则差异不显著。下同。

表3 8种挥发性有机酸彼此之间的Pearson相关性系数矩阵

注：表中数值表示Pearson相关性系数，*、**分别表示相关性达到0.05、0.01的显著水平。

对相关系数矩阵进行主成分分析前的KMO和Bartlett球形度检验(表4)。上述8种挥发性有机酸主成分分析的KMO度量值为0.770(>0.5)，且Bartlett球形度检验达到了极显著水平，这表明表3中的相关系数矩阵适合进行主成分分析。

表4 挥发性有机酸主成分分析前的KMO值与Bartlett球形度检验结果

2.2.2 主成分抽取 表5为8种挥发性有机酸主成分分析前2个主成分的特征值、方差贡献率及累积方差贡献率。可以看出，前2个主成分(PC1和PC2)的特征值均大于1，且前2个主成分的累积方差贡献率达到86.461%，涵盖了上述8种挥发性有机酸原始数据的绝大部分信息量。因此，根据主成分的抽取原则选择前2个主成分进行下一步的分析。

表5 挥发性有机酸主成分分析的特征值及方差贡献率

2.2.3 主成分综合得分的变化趋势分析 根据挥发性有机酸主成分分析各单项化学指标的特征向量得到不同含水率区间烟丝样品8种挥发性有机酸前2个主成分得分的表达式：

PC1=0.403Z1+0.401Z2+0.380Z3+0.255Z4+0.341Z5+0.370Z6+0.257Z7+0.385Z8

(1)

PC2=-0.077Z1-0.089Z2-0.156Z3+0.647Z4+0.211Z5-0.378Z6+0.529Z7-0.278Z8

(2)

式(1)、(2)中：Z1～Z8是利用scale函数变换后的标准变量，依次分别代表异戊酸、2-甲基丁酸、戊酸、3-甲基戊酸、己酸、苯甲酸、辛酸和苯乙酸。

烘丝后不同含水率烟丝挥发性有机酸主成分综合得分(PC=0.73117PC1+0.13345PC2)的箱线图如图1所示。由此可知，挥发性有机酸综合含量随着烘后烟丝含水率的降低而呈逐渐降低的变化趋势。

图1 不同含水率区间烟丝样品挥发性有机酸主成分综合得分的箱线图

2.3挥发性有机酸主成分得分聚类分析

利用挥发性有机酸主成分分析的前2个主成分得分(PC1和PC2)对25个不同含水率区间烟丝样品进行系统聚类分析，结果见图2。由此可知，25个烟丝样品可以分成两大类：含水率<8%的10个烟丝样品聚为一类；含水率介于8%～13%的15个烟丝样品聚为一大类。表明该配方卷烟烘后烟丝挥发性有机酸综合含量出现较大差异的含水率临界点为8%左右。

图2 不同含水率区间烟丝样品挥发性有机酸前2个主成分得分的聚类图

2.4不同含水率区间烟丝的感官质量对比评吸

对烘后不同含水率烟丝制成的卷烟样品进行感官对比评价的结果见表6。由此可知，以烘丝后含水率为12%～13%的烟丝制成的卷烟为对照样(各感官指标得分定义为0)，当烘后烟丝含水率降至10%～12%时，卷烟仅在细腻度和干燥感两项感官指标得分上略有下降，整体感官质量与对照样无明显差异；当烘后烟丝含水率降至8%～10%时，卷烟在细腻度、干燥感和干净度等感官指标得分上有所下降；当烘后烟丝含水率降至6%～8%时，除烟气劲头和浓度与对照样无明显差异外，其余感官指标得分均有所下降；当烘后烟丝含水率降至6%以下时，各项感官指标得分均有所降低，尤其是香气质、烟气细腻度、干燥感和干净度等感官指标得分下降较明显。综合分析可知，感官质量综合得分随着烘后烟丝含水率的降低呈逐渐下降的变化趋势。

3 讨论与结论

在滚筒烘丝工序的开始和结束阶段，滚筒内的烟丝量存在一个逐渐增加和逐渐减少的过程，在此过程中滚筒内的烟丝量相对较少，但筒壁温度和热风温度已达到正常生产的设定值，滚筒热容较大，导致烟丝的水分大量散失，脱水量大于正常生产阶段的烟丝脱水量，即在滚筒烘丝的开始和结束阶段会产生大量含水率较低的干头干尾烟丝[1]。高辉等[11]研究表明：干头干尾烟丝的整丝率、整丝率变化率、堆密度、表观密度随含水率的变化均呈现规律性变化趋势，且含水率<9%的干头干尾烟丝与正常水分烟丝的整体感官质量存在显著性差异。何邦华等[10]研究表明：与正常生产的烟丝相比，干头干尾烟丝含水率在9.0%～12.5%之间，烟丝化学成分和感官品质无明显差异，干头干尾烟丝含水率<9.0%，烟丝化学成分和感官品质有显著变化。刘泽等[12]选取了12种挥发性致香物质对不同含水率的干头干尾烟丝进行主成分分析和聚类分析，并结合感官质量评价结果，确定了所研究卷烟配方模块干头干尾烟丝内在品质发生较大变化的含水率临界点约为9.0%。由此可知，在烘丝过程中，由于干头干尾烟丝水分的大量散失，在其物理特性和内在化学成分发生变化的同时，烟丝中的挥发性物质也发生了相应的变化，但具体变化趋势未做研究。本试验以对卷烟感官质量有较大影响的8种重要挥发性有机酸作为评价指标，分析烘丝后不同含水率烟丝挥发性有机酸综合含量的变化趋势，从另一个角度解释了含水率较低的干头干尾烟丝与正常含水率烟丝感官质量存在较大差异的原因。本试验的聚类分析与感官评吸结果表明，烘后不同含水率烟丝综合品质出现较大差异的含水率临界点约为8%，与前人利用烟丝物理指标、常规化学成分、多酚、致香成分为变量进行聚类分析得到的含水率临界点(8%～9%)基本一致[10-12]，这对研究干头干尾烟丝的差异化分类处理具有指导意义。

表6 不同含水率烟丝的感官质量变化趋势

注：表中的数值分别表示与对照样品相比，指标质量的变化方向及变化程度。

基于方差分析和主成分分析的研究结果显示，烘丝后不同含水率烟丝的多数挥发性有机酸含量存在较大差异，挥发性有机酸综合含量随着烘后烟丝含水率的降低呈逐渐下降的变化趋势。聚类结果显示，烘后烟丝挥发性有机酸含量出现较大差异的含水率临界点约为8%。卷烟整体感官质量随着烘后烟丝含水率的降低呈逐渐下降的变化趋势。

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(责任编辑：曾小军)

VariationsinVolatileOrganicAcidContentinOver-driedCutTobaccowithDifferentMoistureContent

GAO Zhan-yong1, WENG Rui-jie1, GAO Hui2, CHENG Qian1,LIN Hong-jia1, WANG Yu-zhen1, QIU Jie-fei1, HUA Yi-kun1*

(1. Hongyun Honghe Tobacco (Group) Company Limited, Kunming 650231, China;2. Yunnan Tongchuang Measurement Technology Company Limited, Kunming 650106, China)

S572；TS452.3

A

1001-8581(2017)10-0073-05

2017-05-19

云南中烟工业有限责任公司科技项目(2015GY04)。

高占勇(1986—)，男，工程师，硕士，主要从事烟草工艺技术研究。*通讯作者：华一崑。