孔芳芳，王玉華，別瑞，王先偉，臧傳江，徐剛，邱軍，曹建敏

（1．中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院煙草研究所，山東 青島 266101；2．中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院研究生院，北京 100081；3．山東濰坊煙草有限公司，山東 濰坊 261205）

香氣是衡量煙葉品質(zhì)的核心內(nèi)容之一［1］。煙葉香氣受品種［2］、生態(tài)環(huán)境［3］、栽培措施［4］和調(diào)制工藝［5］等多方面因素影響，其中煙葉調(diào)制是保障其香氣品質(zhì)充分彰顯的關(guān)鍵環(huán)節(jié)［6，7］，也是用工數(shù)量最多的環(huán)節(jié)，涉及到從采收到烘烤多個(gè)不同工序。近幾年，在國家“減工降本、提質(zhì)增效”背景下，密集烤房憑借裝煙量大、節(jié)能省工、適應(yīng)煙葉規(guī)模化種植等優(yōu)勢(shì)，在我國得到飛速發(fā)展［7］。

國內(nèi)許多學(xué)者開展的密集烤房裝煙方式，如掛竿、煙夾、散葉插扦、包式固定堆積等對(duì)煙葉質(zhì)量及經(jīng)濟(jì)效益影響的研究［8-10］，一定程度上對(duì)減少用工數(shù)量、提升烤后煙葉品質(zhì)和經(jīng)濟(jì)效益提供了技術(shù)參考，但其機(jī)械化水平仍然較低，在裝煙量上也沒有發(fā)生質(zhì)的變化，密集烤房的最大效能沒有充分發(fā)揮出來。箱式烘烤采用機(jī)械化的箱式散葉裝煙方式，裝煙量約為常規(guī)掛竿烘烤的1．5～2．0倍，能夠切實(shí)提高裝煙密度［11］。它利用活動(dòng)煙箱及其配套設(shè)施，使煙葉采收后直接機(jī)械裝箱，可大大提高工作效率［12］，代表了我國未來裝煙技術(shù)發(fā)展的大趨勢(shì)［13，14］。目前對(duì)箱式烘烤的研究多關(guān)注于用工成本、經(jīng)濟(jì)效益、外觀質(zhì)量和常規(guī)化學(xué)成分分析等方面［15，16］，而關(guān)于箱式烘烤對(duì)烤煙香氣品質(zhì)的影響，以及箱式烘烤烤房內(nèi)部不同位置煙葉香氣物質(zhì)特點(diǎn)的研究鮮有報(bào)道。為此，本試驗(yàn)以濰坊煙區(qū)NC55和中煙100兩品種的中部葉為材料，采用多元變量統(tǒng)計(jì)手段系統(tǒng)分析箱式烘烤與常規(guī)掛竿烘烤兩種方式下?lián)]發(fā)性香氣成分的差異，以明確箱式烘烤下山東煙葉香氣物質(zhì)含量特點(diǎn)，為其配套烘烤工藝的優(yōu)化和完善提供依據(jù)，推進(jìn)箱式烘烤技術(shù)在山東煙區(qū)的推廣應(yīng)用。

1 材料與方法

1．1 試驗(yàn)材料

供試材料為2020年采收于山東省濰坊煙區(qū)的NC55和中煙100的中部葉。

1．2 設(shè)備

主要設(shè)備：7890A/5975C氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀（美國Agilent公司）、ZZ-SPME-t固相微萃取加熱臺(tái)（青島貞正分析有限公司）、FA2004電子天平（感量：0．1 mg，上海精密科學(xué)儀器有限公司）、箭型固相微萃取進(jìn)樣器及SPME arrow萃取頭（萃取頭DVB/CWR 120μm×20 mm，瑞士CTC分析儀器有限公司）。

1．3 烘烤試驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法

試驗(yàn)于2020年8月在山東省諸城市鄭家坡烘烤工場(chǎng)進(jìn)行，設(shè)掛竿烘烤和箱式烘烤兩種方式。掛竿烘烤每個(gè)品種各設(shè)置3個(gè)烤房，每竿編煙180片，共編3竿，置于烤房中部烘烤。箱式烘烤采用散葉裝煙，裝煙箱規(guī)格為2．60 m×0．78 m×1．70 m，即采收煙葉機(jī)械裝煙插釬固定后，用叉車運(yùn)入烤房，每個(gè)烤房放置10個(gè)煙箱，每個(gè)品種設(shè)置3個(gè)烤房；同時(shí)為了考察不同烘烤位置對(duì)烤后煙葉的影響，根據(jù)烘烤位置與加熱室的距離設(shè)置近、中、遠(yuǎn)3個(gè)處理，分別對(duì)應(yīng)烤房中第1、5、9號(hào)煙箱，每個(gè)處理烘烤煙葉200片，做好標(biāo)記后散亂平鋪于煙箱中。

兩種烘烤方式均按當(dāng)?shù)爻Ｓ煤婵竟に囘M(jìn)行。為保證樣品的代表性，各處理烤后煙葉卸爐后隨機(jī)抽取30片作為1個(gè)重復(fù)樣品，每個(gè)處理共設(shè)6個(gè)重復(fù)。

1．4 香氣成分測(cè)定

煙葉非靶標(biāo)香氣物質(zhì)檢測(cè)采用HS-SPME arrow-GC/MS方法，具體見參考文獻(xiàn)［17］。GC/MS分析后，各色譜峰經(jīng)NIST、WILEY質(zhì)譜檢索，輔助正構(gòu)烷烴保留指數(shù)確證，對(duì)烤后煙葉香氣成分進(jìn)行定性分析。以乙酸苯乙酯為內(nèi)標(biāo)，假定校正因子為1，采用相對(duì)峰面積（各組分特征離子峰面積與內(nèi)標(biāo)特征離子峰面積比值）計(jì)算香氣成分的相對(duì)含量。設(shè)置質(zhì)控（QC）樣，用于監(jiān)控整個(gè)試驗(yàn)過程。

1．5 數(shù)據(jù)處理與分析

對(duì)香氣物質(zhì)分類并用Duncan’s法在5%水平上進(jìn)行多重比較，用SIMCA 14．1軟件對(duì)香氣物質(zhì)進(jìn)行主成分分析（PCA）、正交偏最小二乘法判別分析（OPLS-DA），采用SPSS 26．0軟件進(jìn)行t檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2．1 烤后煙葉香氣成分分析

從表1可以看出，烤后煙葉共定性香氣成分83種。NC55和中煙100在兩種烘烤方式下煙葉各類香氣物質(zhì)的變化規(guī)律不盡一致。從NC55看，掛竿處理與箱式烘烤近加熱室位置煙葉，除質(zhì)體色素降解產(chǎn)物掛竿烘烤顯著高外，其它香氣成分含量差異不顯著。箱式烘烤中，近加熱室位置煙葉的大多數(shù)香氣成分含量相對(duì)較高，中間和遠(yuǎn)加熱室位置煙葉的香氣成分含量無顯著差異，較近加熱室位置兩者煙葉的質(zhì)體色素降解產(chǎn)物、美拉德反應(yīng)產(chǎn)物、苯丙氨酸和木質(zhì)素轉(zhuǎn)化產(chǎn)物、新植二烯含量及香氣成分總含量顯著降低。這說明現(xiàn)有箱式烘烤配套硬件設(shè)施和烘烤工藝對(duì)NC55煙葉的香氣質(zhì)量影響較大，還需做進(jìn)一步調(diào)整。

與NC55不同，中煙100箱式烘烤近加熱室位置煙葉的質(zhì)體色素降解產(chǎn)物、脂類代謝轉(zhuǎn)化產(chǎn)物及香氣成分總含量較掛竿烘烤有顯著提高，其它香氣成分含量差異不顯著。與近加熱室位置相比，烤房中間和遠(yuǎn)加熱室位置的質(zhì)體色素代謝產(chǎn)物、苯丙氨酸和木質(zhì)素轉(zhuǎn)化產(chǎn)物、脂類代謝轉(zhuǎn)化產(chǎn)物含量顯著降低，遠(yuǎn)加熱室位置的美拉德反應(yīng)產(chǎn)物和新植二烯含量顯著降低。這說明中煙100現(xiàn)有箱式烘烤配套工藝相對(duì)較完善，但一定程度上也存在烤房內(nèi)溫濕度不均衡問題。

不同處理兩個(gè)品種煙葉的西柏烷類降解產(chǎn)物含量均無顯著變化，說明烘烤方式和烘烤位置對(duì)西柏烷類降解產(chǎn)物影響不大。

表1 NC55和中煙100的香氣成分 （ng/g）

2．2 香氣成分的PCA分析

煙葉的香氣成分組成極其復(fù)雜，每一類香氣物質(zhì)都包含多種組分，為篩選不同烘烤模式下的差異組分，進(jìn)一步采用多元變量統(tǒng)計(jì)對(duì)獲取的不同處理下煙葉香氣成分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行挖掘和解析。將NC55和中煙100揮發(fā)性香氣成分?jǐn)?shù)據(jù)導(dǎo)入SIMCA 14．1軟件，其變量經(jīng)UV-scaling標(biāo)準(zhǔn)化處理后，采用非監(jiān)督模式識(shí)別方法（PCA）觀察各樣本的總體分布情況，結(jié)果（圖1）看出：QC樣本緊密聚集，表明試驗(yàn)過程中前處理方法和儀器狀態(tài)穩(wěn)定，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響較小；NC55樣本主要分布在第一、二象限，中煙100樣本主要分布在第三、四象限，說明兩個(gè)品種間香氣成分差異較大。

注：圖中GG表示掛竿烘烤，XS表示箱式烘烤，下同。

為避免品種間香氣成分差異導(dǎo)致的誤差，將NC55和中煙100分別進(jìn)行PCA分析，結(jié)果（圖2）看出，NC55掛竿烘烤樣本主要分布在第四象限，箱式烘烤樣本主要分布在第一、二、三象限；中煙100掛竿烘烤樣本主要分布在第三象限，箱式烘烤樣本主要分布在第一、二、四象限。兩個(gè)品種的掛竿烘烤樣本和箱式烘烤樣本均可有效分離，說明兩種烘烤方式煙葉的香氣成分存在一定的差異；箱式烘烤不同位置三組樣本的分布相對(duì)分散，未完全分離，但存在一定的區(qū)域聚集性。

圖2 NC55（左）和中煙100（右）揮發(fā)性香氣成分PCA得分情況

2．3 不同烘烤方式煙葉揮發(fā)性香氣成分的OPLSDA分析

為了降低組內(nèi)樣本差異對(duì)統(tǒng)計(jì)結(jié)果的干擾，突出組間樣本的差異，采用有監(jiān)督的模式識(shí)別方法OPLS-DA進(jìn)一步研究不同烘烤方式間煙葉香氣成分的差異。為了排除位置影響，選擇箱式烤房中間位置樣品與掛竿烘烤樣品（掛竿烘烤樣品均放置在烤房中間位置）進(jìn)行差異分析。結(jié)果（圖3）可知，兩個(gè)品種的兩種烘烤方式樣本聚類良好，顯著分離。采用評(píng)價(jià)OPLS-DA模型質(zhì)量的3個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)分析得出，NC55：R2X＝0．832，R2Y＝1，Q2＝0．923；中煙100：R2X＝0．898，R2Y＝1，Q2＝0．942（R2X越接近1說明模型能代表的樣品信息越多，R2Y和Q2越接近1說明模型的穩(wěn)定性和預(yù)測(cè)性越好）。這說明模型的穩(wěn)定性和預(yù)測(cè)性較好。

圖3 NC55（左）和中煙100（右）不同烘烤方式揮發(fā)性香氣成分OPLS-DA得分情況

采用變量權(quán)重重要性（VIP）排序描述差異物質(zhì)的貢獻(xiàn)程度，結(jié)合t檢驗(yàn)P值，對(duì)OPLS-DA模型中差異性較大的香氣物質(zhì)進(jìn)行篩選。以VIP＞1．0、P＜0．05為標(biāo)準(zhǔn)，篩選對(duì)模型分類貢獻(xiàn)較大的變量并按照香氣成分前體物進(jìn)行分類，結(jié)果見表2。差異倍數(shù)（fold change，F(xiàn)C）為箱式烘烤和掛竿烘烤煙葉香氣成分相對(duì)含量的比值，F(xiàn)C值大于1說明箱式烘烤該香氣成分含量較高，小于1則表明較低。NC55兩種烘烤方式間共篩選出差異成分35種，包括質(zhì)體色素降解產(chǎn)物24種、美拉德反應(yīng)產(chǎn)物3種、苯丙氨酸和木質(zhì)素轉(zhuǎn)化產(chǎn)物3種、脂類代謝轉(zhuǎn)化產(chǎn)物1種、其它類4種，箱式烘烤下大部分差異成分含量下降，只有兩種差異成分含量增加。中煙100共篩選出差異成分25種，包括質(zhì)體色素降解產(chǎn)物8種、美拉德反應(yīng)產(chǎn)物5種、苯丙氨酸和木質(zhì)素轉(zhuǎn)化產(chǎn)物2種、脂類代謝轉(zhuǎn)化產(chǎn)物5種、其它類5種，其中箱式烘烤高于掛竿烘烤的成分有14種，低于的11種。兩個(gè)品種共有的差異物質(zhì)12種，其中苯酚、3-甲基苯酚、喹啉和4種巨豆三烯酮異構(gòu)體箱式烘烤下含量降低，脂類代謝轉(zhuǎn)化產(chǎn)物反式-2，4-庚二烯醛箱式 烘烤下增加。

表2 NC55和中煙100不同烘烤方式下的差異揮發(fā)性香氣成分

2．4 箱式烘烤不同位置煙葉揮發(fā)性香氣成分的OPLS-DA分析

裝煙密度及裝煙方式在一定程度上可影響烤房內(nèi)的熱量分布和煙葉的脫水排濕進(jìn)程。箱式烘烤采用散葉裝煙，裝煙密度大，烘烤過程中會(huì)存在煙葉溫濕度環(huán)境及氣流組織分布不均勻問題［18］，從而影響煙葉香氣品質(zhì)。采用OPLS-DA考察箱式烤房不同區(qū)域煙葉香氣成分的差異。由得分圖（圖4）結(jié)合評(píng)價(jià)OPLS-DA模型質(zhì)量的3個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)可知，NC55：R2X＝0．854，R2Y＝1，Q2＝0．593，說明NC55箱式烘烤3個(gè)位置的樣本聚類良好，分離明顯，且模型的穩(wěn)定性和預(yù)測(cè)性較好，也說明不同位置NC55樣本的香氣成分存在明顯差異；中 煙100：R2X ＝0．569，R2Y ＝1，Q2＝0．488，說明中煙100不同位置樣本聚類效果較NC55差，也說明中煙100箱式烘烤不同位置樣本的香氣成分也存在一定的差異，但差異較NC55小。

為了直觀地觀察不同烘烤位置間煙葉香氣物質(zhì)的差異，采用OPLS-DA載荷圖顯示3個(gè)位置樣本間的物質(zhì)差異。載荷圖中SM1．DA（1）、（2）、（3）分別與3個(gè)不同位置樣本在OPLS-DA得分圖上的位置相對(duì)應(yīng)，載荷圖上每一個(gè)點(diǎn)代表1種香氣成分，與樣本距離越近，表示該成分在該樣本中的含量越高。由圖5可以看出，兩個(gè)品種均表現(xiàn)為大部分香氣物質(zhì)聚集在SM1．DA（1）點(diǎn)附近，說明近加熱室附近樣本的香氣物質(zhì)含量最高，中間位置和遠(yuǎn)加熱室位置相對(duì)偏低。

圖4 NC55（左）和中煙100（右）不同位置揮發(fā)性香氣成分OPLS-DA得分情況

圖5 NC55（左）和中煙100（右）不同位置揮發(fā)性香氣成分OPLS-DA載荷圖

3 討論

本研究中，從烤后煙葉香氣成分含量分布來看，常規(guī)掛竿烘烤模式下NC55和中煙100存在較大差異，NC55各類香氣物質(zhì)含量均高于中煙100，這可能是不同基因型煙草品種表現(xiàn)出不同香氣品質(zhì)的重要原因。常規(guī)掛竿烘烤和箱式烘烤下，NC55和中煙100烤后煙葉香氣成分含量的變化趨勢(shì)也存在一定的差異，總體上看，現(xiàn)有箱式烘烤工藝更有利于中煙100香氣物質(zhì)的轉(zhuǎn)化和積累，對(duì)NC55不利。中煙100近供熱室位置煙葉質(zhì)體色素降解產(chǎn)物和脂類代謝轉(zhuǎn)化產(chǎn)物含量顯著增加，烤房中部位置煙葉香氣物質(zhì)含量變化不大，而NC55箱式烘烤下香氣物質(zhì)含量降低，這可能由兩個(gè)品種烘烤特性不同而造成。有研究表明，NC55中部葉葉綠素降解較中煙100中部葉稍慢，變黃特性較好，但前后失水不協(xié)調(diào)，失水特性不好，定色特性和烘烤特性一般；而中煙100中部葉葉綠素整體降解較快，變黃特性較好，前后失水協(xié)調(diào)性好，失水特性好，定色特性和烘烤特性好［19］。由此可見，相比中煙100，NC55對(duì)于烘烤工藝的要求更高。NC55是引自美國的品種，2009年開始在山東煙區(qū)試種，其常規(guī)掛竿烘烤工藝已經(jīng)成熟，箱式烘烤配套工藝尚存在不足。中煙100由于其烘烤特性較好，現(xiàn)有箱式烘烤的三段式烘烤配套工藝已基本滿足要求，近加熱室位置煙葉香氣品質(zhì)較常規(guī)掛竿烘烤有了較大提升。

兩種烘烤方式下，中煙100和NC55篩選到共有差異物質(zhì)12種，包括7種質(zhì)體色素降解產(chǎn)物，其中4種巨豆三烯酮異構(gòu)體在箱式烘烤下含量均顯著降低。巨豆三烯酮是烤煙中重要的中性香味成分［20］，屬于類胡蘿卜素中葉黃素的降解產(chǎn)物。煙葉烘烤過程中葉黃素含量呈下降趨勢(shì)，且以變黃期下降最快，定色期下降緩慢，干筋期葉黃素含量基本穩(wěn)定［21］。變黃期低溫中濕變黃（干球溫度36～38℃，相對(duì)濕度80% ～85%）對(duì)于充分降解類胡蘿卜素物質(zhì)和改善煙葉香氣品質(zhì)有利［22］。此外，李偉等［23］研究表明較高的裝煙密度不利于巨豆三烯酮A、B、D三種異構(gòu)體的生成。本研究中不同烘烤方式下煙葉巨豆三烯酮含量存在差異，掛竿烘烤由于排濕及時(shí)，濕度相對(duì)較小，可能更有利于葉黃素代謝和巨豆三烯酮的積累。

箱式烘烤時(shí)烘烤位置對(duì)兩個(gè)品種煙葉香氣成分的影響規(guī)律基本一致：隨著與加熱室距離的增加，大多數(shù)香氣成分含量呈降低趨勢(shì)，近加熱室位置質(zhì)體色素類降解產(chǎn)物、美拉德反應(yīng)產(chǎn)物、新植二烯、苯丙氨酸和木質(zhì)素轉(zhuǎn)化產(chǎn)物含量最高，烤房中部和遠(yuǎn)加熱室區(qū)域香氣成分含量差異較小。煙葉烘烤過程中，烤房內(nèi)溫度分布的均勻性與烤后煙葉品質(zhì)直接相關(guān)。溫度是決定煙葉烘烤品質(zhì)最關(guān)鍵的影響因素，也是烘烤工藝調(diào)控的最直接變量，而烤房內(nèi)濕度高低直接影響煙葉失水過程的快慢，烤房內(nèi)合理的溫濕度組合可有效促進(jìn)煙葉香氣物質(zhì)的形成和積累。研究表明，變黃期是煙葉香氣前體物降解和轉(zhuǎn)化的重要時(shí)期，適宜的溫濕度環(huán)境能顯著提高煙葉苯丙氨酸類降解產(chǎn)物、美拉德反應(yīng)產(chǎn)物、類胡蘿卜素降解產(chǎn)物、新植二烯的含量［5，22，24］。本研究中近加熱室煙葉香氣物質(zhì)含量較高，原因可能是該區(qū)域溫濕度較協(xié)調(diào)，物質(zhì)轉(zhuǎn)化分解更為充分。箱式烘烤裝煙密度大，變黃前期煙葉含水量高，塌架不充分，煙葉間空隙未完全打開，使得氣流在烤房內(nèi)運(yùn)動(dòng)受阻，導(dǎo)致遠(yuǎn)離加熱室位置風(fēng)壓相對(duì)偏小，無法有效穿透煙葉傳遞熱量，變黃期烤房內(nèi)水平溫差可達(dá)到1．5～2．0℃，而較低溫度下干物質(zhì)無法充分分解為香氣成分的前體物質(zhì)；到定色期后，雖然溫度上升，水平溫差變小，但此時(shí)溫濕度已不是干物質(zhì)轉(zhuǎn)化分解的最佳條件。推測(cè)可能是這些原因?qū)е孪涫胶婵緹熑~香氣物質(zhì)在水平維度上存在較大差異。

4 結(jié)論

本研究對(duì)不同處理下NC55和中煙100煙葉香氣成分的分析表明，烤后煙葉香氣品質(zhì)受品種烘烤特性的影響較大。箱式烘烤配套工藝下中煙100的香氣品質(zhì)較好，尤其是近供熱室位置烤后煙葉香氣品質(zhì)大幅提升，但不利于NC55質(zhì)體色素降解產(chǎn)物的積累。為充分發(fā)掘該品種高香氣的潛力，NC55箱式烘烤配套工藝尚待進(jìn)一步優(yōu)化完善。箱式烘烤中，距離加熱室的遠(yuǎn)近會(huì)影響煙葉香氣物質(zhì)含量：隨著煙葉與加熱室距離的增加，大多數(shù)香氣成分含量呈降低趨勢(shì)，近加熱室位置香氣成分含量最高，中部和遠(yuǎn)加熱室區(qū)域香氣成分含量差異不大。鑒于上述分析，可以通過優(yōu)化烤房配套通風(fēng)排濕系統(tǒng)來提升烤房內(nèi)氣流循環(huán)的均勻性，從而為煙葉烘烤營造更加適宜的環(huán)境條件，以達(dá)到提高箱式烘烤煙葉香氣品質(zhì)的目的。