一种烟叶原料叶组分组方法 【技术领域】
本发明涉及卷烟制丝加工处理， 特别涉及分组加工过程中叶组分组方法。背景技术 一、 传统的制丝配方叶组分组方法是以烟叶原料的感官特性为主， 通过对各单等 级烟叶原料进行感官评吸， 依据其感官特性及等级、 部位等情况对制丝配方叶组进行模块 划分。2002 年我国烟草行业明确提出了中国烟草要以 “中式” 卷烟为发展方向， 积极开发 一批拥有自主知识产权、 对行业科技进步和可持续发展具有重大推动作用的关键方法及专 利， 使名优卷烟的品质控制能力明显提高。 为打造更为理想的卷烟制丝配方叶组分组方法， 有必要深入研究分组方法。
二、 原有制丝配方叶组分组方法说明
1. 确定感官分组依据 ： 以制丝配方叶组中各单等级烟叶原料的感官特性为分组 依据 ；
2. 取样 ： 在原料库中对制丝配方叶组所含的各单等级烟叶进行连续三个批次的 取样， 取样时从不同的烟包中对各等级烟叶进行多点取样。所得各等级烟叶的三个批次样 品经人工切丝后混合均匀， 并采用四分法筛选出最具代表性的烟丝样品 ；
3. 制样 ： 将烟丝样品置于恒温恒湿箱中使其含水率达到符合卷制的要求， 随后将 烟丝取出用打烟器进行卷制， 卷制时采用统一的卷烟材料， 控制好烟支的重量、 均匀性及松 紧度 ；
4. 感官评吸 ： 对制丝配方叶组各单等级烟叶的感官特性进行全面评价与掌握 ；
5. 模块划分 ： 感官评吸后， 将制丝配方叶组中若干个具有相同或相近风格特点的 烟叶原料组合形成叶组配方模块 ： 即通过感官评吸， 将香气特性较好且其余感官特性也相 对较好的烟叶原料划分到 A 模块中 ； 将烟气特性较好且其余感官特性相对处于中等水平的 烟叶原料划分到 B 模块中 ； 将总体感官质量特性较平淡或较差的烟叶原料划分到 C 模块中。
三、 原有制丝配方叶组分组方法存在的问题
1. 以烟叶原料感官特性为分组依据进行模块划分后， 各叶组配方模块所含烟叶原 料在感官特性及等级部位上均具有较强的相似性， 分组依据并未实现不同特性烟叶原料间 的互补协调性在形成和提升叶组配方模块功能特性过程中所发挥的重要作用， 既不利于烟 叶原料潜力的科学合理发挥， 在一定程度上也限制或降低了各叶组配方模块在其香气类型 上的丰富性及多样性 ； 此外， 通过对部分牌号卷烟叶组配方模块的感官评吸结果表明， 以该 分组依据分组后， 还极有可能使叶组配方模块中的烟叶原料产生感官缺陷累加现象， 并最 终导致模块间的感官差异度及模块功能特性的降低， 不利于后续针对性工艺加工处理效果 的有效发挥。
2. 由于该分组依据是以烟叶原料感官特性为主， 感官评吸过程中， 评吸人员的感 官评吸技能差异及个人喜好等主观因素均会严重影响分组结果的准确性及可靠性， 并最终 对分组效果产生较大负面影响。
发明内容 本发明的目的是针对原有制丝配方叶组分组方法所存在的缺陷与不足， 对分组依 据及分组方法进行完善与改进。
本发明是一种烟叶原料叶组分组方法， 本发明是在确定出各叶组配方模块重要功 能特性的基础上， 通过对各配方等级烟叶的感官评吸与化学分析， 准确掌握了烟叶原料中 重要挥发性致香成分的种类及含量与叶组配方模块感官特性间的相互影响关系， 最终确定 了以烟叶原料中四类香质转化途径的重要标记性转化产物含量作为卷烟制丝配方叶组的 化学分组依据， 实现了制丝配方叶组分组依据由传统的以烟叶原料感官特性为主， 向以烟 叶原料化学特性为主的合理转化 ； 化学分组依据确定后， 采用聚类分组方法， 实现了对制丝 配方叶组的分组。
具体而言， 本发明的烟叶原料叶组分组方法包括 ：
烟叶原料取样 ；
烟叶原料制样 ；
烟叶原料中致香成分检测， 所述致香成分检测包括 ： 1) 对类胡萝卜素类香气前体 物转化的标记性中间产物和标记性终产物的检测， 2) 对类西柏烷类香气前体物转化的标记 性中间产物和标记性终产物的检测， 3) 对叶绿素类香气前体物转化的标记性中间产物的检 测， 4) 对还原糖与氨基酸转化的标记性中间产物和标记性终产物的
检测 ；
聚类分组 ；
叶组分组。
在本发明中， 所述类胡萝卜素类香气前体物转化的标记性中间产物包括 β- 紫罗 兰酮、 α- 紫罗兰酮、 异佛尔酮和氧化异佛尔酮 ； 类胡萝卜素类香气前体物转化的标记性终 产物包括巨豆三烯酮、 β- 大马酮和 β- 二氢大马酮。
在本发明中， 所述类西柏烷类香气前体物转化的标记性中间产物是茄尼酮， 所述 类西柏烷类香气前体物转化的标记性终产物是异丙基丁酸内酯。
在本发明中， 所述叶绿素类香气前体物转化的标记性中间产物是新植二烯。
在本发明中， 所述还原糖与氨基酸转化的标记性中间产物是阿马杜里海因中间 物， 所述还原糖与氨基酸转化的标记性终产物是类黑素。
在本发明的一个具体实施方案中， 是采用 GC/MS 法进行致香成分检测。
以烟叶原料化学特性为分组依据的制丝配方叶组分组方法
1. 化学特性分组的理论
烟叶原料常规化学成分含量在加工处理过程中的变化幅度较小， 具有较强的稳定 性， 且不同感官特性烟叶原料间的常规化学成分含量差异性也相对较小。与之相比， 烟叶 原料中的挥发性成分可以通过主流烟气蒸馏直接进入烟气中， 从而对烟气质量产生直接影 响， 研究表明， 不同感官特性烟叶原料间的挥发性成分含量差异较大， 且其在加工处理过程 中的变化幅度也较为明显， 因此， 系统研究烟叶原料挥发性化学成分尤其是有益香气物质 的种类及含量对烟气质量的影响作用及规律， 是实现烟叶原料化学特性在分组依据中科学 合理应用的关键所在。
烟叶原料在加工处理过程中产生并积累挥发性香气物质的途径较多， 目前， 已经 鉴定确认并建立理论依据的可概括为四种， 四种途径均以不同的香气前体物质分步骤向香 气初产物、 香气中间产物和香气终产物连续转化， 形成数百种香气物质。其中， 香气前体物 质的含量是决定烟叶加工产香的重要基础， 而加工处理深度又反过来影响阶段性转化产物 的积累、 决定香气物质阶段性形成的种类及含量， 从而直接影响卷烟的香气表现特征。
上述四种烟叶原料在加工处理过程中形成香气物质的途径遵循以下原理 ： Demole 原 理 (Demole， E.and P.Dietrich.1997， Chemcal composition of Burley tobacco(Nicotcana tabacum L)Proceedings of Amer.Chem Soc.Symp.Recent Advance in the Chemical composition of tobacco Smoke P1-36.)、 Burton 原理 (Burton， H.R.， L.P.Bush， and J.L.Hami lton.1983.Effect of curing on the chemical composition of burley Tobacco.Recent Adv.Tobacco Science9 ： 91-153.) 和 Maillard 作用原理。
其中， Demole 等的研究证实了烟叶在加工处理过程中的两种产香途径， 系列转化 产生 100 多种香质 ； Burton 等的研究证实了烟叶中叶绿素向多种香质转化的途径 ； Amadori 和 Heyns 的研究证实了烟叶中还原糖和氨基酸向类黑素转化的 Maillard 途径， 产生数十种 香质。 以下用较容易检测且较具代表性的转化物简式来进一步说明上述四种重要的挥发性 香质形成途径。
(1)Demole 原理中的两类香气物质转化途径
①类胡萝卜素降解途径
类胡萝卜素类香气前体物的转化途径见途径 1。
途径 1 ： 类胡萝卜素类香气前体物的转化途径
其中， β- 紫罗兰酮、 α- 紫罗兰酮、 异佛尔酮和氧化异佛尔酮是该类转化途径的 标记性中间产物， 巨豆三烯酮、 β- 大马酮和 β- 二氢大马酮是该类转化途径的标记性终产 物。该途径产物主要表现为花香、 清甜香和陈化香等， 其含量高低与烟叶原料的香气质、 香 气量及香气丰富度呈正相关。
②类西柏烷类降解途径
类西柏烷类香气前体物的转化途径见途径 2。
途径 2 ： 类西柏烷类香气前体物的转化途径
其中， 茄尼酮是该类转化途径的标记性中间产物， 降解后的转化产物以降茄二酮 为标记物， 异丙基丁酸内酯为终产物的标记物。由于终产物的标记性物质呋喃类 ( 异丙基 丁酸内酯 ) 在制样过程中极易被洗脱， 该类途径产物累计含量检测值对烟叶原料香气特性 的影响作用可参照类胡萝卜素类的转化途径来判断。
(2)Burton 原理中的香气物质转化途径
Burton 原理中的香气物质转化途径见途径 3。
途径 3 ： 叶绿素类香气前体物的转化途径
其中， 新植二烯是该类转化途径的重要标记性中间产物， 过高的新植二烯具有增 加生青气的效果， 其过度降解会导致焦香过度。
(3)Maillard 原理中的香气物质转化途径
还原糖与氨基酸的系列反应转化途径见途径 4。
途径 4 ： 还原糖与氨基酸的系列反应转化途径
该类途径的转化产物也常因制样洗脱而将类黑素全部洗除， 其转化产物累计含量 检测值对烟叶原料香气特性的影响作用也参照类胡萝卜素类的转化途径来判断。
2. 确定化学分组依据
上述烟叶原料挥发性化学成分研究表明， 在四类香气前体物的转化途径中， 以类 胡萝卜素转化的标记性中间产物及最终产物总量对烟叶原料香气特性及总体烟气质量的 影响最为明显， 对叶组配方模块而言， 模块间上述转化产物含量的差异越大， 则其香气特性 及总体烟气质量的差异也就越明显， 烟叶原料中类胡萝卜素的标记性转化产物总量是评价 叶组配方模块感官特性及功能特性的重要化学依据。
因此， 在本发明的一个具体实施方案中， 以烟叶原料中类胡萝卜素的标记性转化 产物总量， 即以烟叶原料中的 β- 紫罗兰酮、 α- 紫罗兰酮、 异佛尔酮、 氧化异佛尔酮、 巨豆 三烯酮、 β- 大马酮及 β- 二氢大马酮等挥发性致香成分的总量为卷烟制丝配方叶组的分 组依据。
3. 确定分组后的叶组配方模块数量
叶组配方模块数量应在较有利于实现精细化分组加工处理的基础上， 结合制丝线 设备生产能力， 以有效确保制丝线生产效率， 满足大批量工业生产需求为目的来进行科学 合理确定。 制丝线经过大规模方法改造后， 在真空回潮、 回潮加料及润叶加料等重要加工工 序均较好地具备了对制丝配方叶组的分组加工处理条件， 结合上述工序的制丝线设备生产 能力、 过程参数的稳定性控制及卷烟产品的风格特性需求， 将制丝配方叶组划分为三个模 块， 是较适合制丝线分组加工处理的叶组配方模块数量。
4. 确定叶组配方模块的功能特性
在确定叶组配方模块数量的基础上， 结合制丝线设备情况， 以充分发挥各叶组配 方模块在形成和提升卷烟产品风格特性过程中的重要作用为主要依据， 实现了对叶组配方 模块功能特性的科学合理确定， 具体内容见表 1。
表 1 叶组配方模块的功能特性表
5. 取样及制样
(1) 取样
在原料库中对制丝配方叶组所含的各单等级烟叶进行连续三个批次的取样， 取样 时从不同的烟包中对各等级烟叶进行多点取样。 所得各等级烟叶的三个批次样品经人工切 丝后混合均匀， 并采用四分法筛选出最具代表性的烟丝样品 ；
(2) 制样
将样品放入烘箱内， 进行烘干， 直至含水率约 5 ～ 6％， 然后用旋风磨磨细， 将烟末 装入棕色瓶中待检测 ；
6. 致香成分检测
采用 GC/MS 法进行分析使用 WILEY 谱库进行谱图检索 ；
检测结果处理 ： 筛选出分组依据中所涉及的化学成分种类， 并计算其总量 ；
7. 聚类分组
(1) 将检测结果进行标准化转化， 采用公式
其中 ：
x′ ij- 第 i 个样品的第 j 个性状的标准化数据 ；
xij- 第 I 个样品的第 j 个性状的表型值。
(2) 计算各个样品间的距离， 并将距离最近的两个样品并成一类 ； 样品间的距离 采用欧式距离， 公式如下 ：
(3) 选择并计算类与类之间的距离， 然后将距离最近的两类合并， 如果类的个数大 于 1， 则继续合并， 直到所有的样品归类为止。 聚类间的距离采用离差平方和法。如果分类得合理， 则同类样品之间离差平方和 应该较小， 类与类之间的离差平方和应该较大。假定将 n 个样品分成 k 类， 表为 G1.G2，… Gt 中样品的离差平方和为 ：Gk， xit 表示类 Gt 中第 i 个样品， nt 表示类 Gt 中样品的个数， 表示 Gt 的平均值。
K 个聚类的全部类内离差平方和是 ：先使 n 个样品自成一类， 然后将其中两类合并一类， 使 S 增加最小， 这时类的数目 变成 (n-1) 个， 随后再合并其中的两类， 使 S 增加最小， 直到所有样品都归为一类。
类与类合并成新类， 类与类的距离公式为 ：
(4) 最后绘制系统聚类谱系， 以叶组配方模块数量为选择依据， 实现制丝配方叶组分组。 三 . 两种分组方法比较
1. 以烟叶原料感官特性为分组依据的制丝配方叶组分组方法 ： 该方法对感官评 吸人员的评吸技能要求较高， 无法避免评吸人员因评吸技能差异、 身体状况及个人喜好等 主观因素对分组结果所产生的负面影响， 不利于确保分组结果的准确性及可靠性 ； 制丝配 方叶组分组后， 叶组配方模块中的烟叶原料仅在感官特性上具有较强的相似性， 该方法并 未实现不同特性烟叶原料间的优势互补， 较易导致烟叶原料产生感官缺陷累加现象， 在一 定程度上限制了叶组配方模块的功能特性及烟叶原料潜力的有效发挥 ；
2. 以烟叶原料标记性致香成分含量为分组依据的制丝配方叶组分组方法 ： 该方
法只对烟叶原料的挥发性致香成分进行检测， 无需进行感官评吸， 检测速度较快， 检测结果 准确可靠， 避免了原有分组方法所存在的人为不利因素影响， 大大提高了工作效率， 节省了 人力资源， 分组结果具有较强的准确性及可靠性 ； 该分组方法的分组效果明显优于原有的 分组方法， 以该分组方法进行制丝配方叶组分组后， 叶组配方模块间的感官差异度均得到 了有效提升， 且模块间的重要标记性致香成分含量也存在明显的差异性及规律性 (A 模块 含量最高， B 模块居中， C 模块最低 )， 该分组方法在充分保持了原有分组方法分组效果的基 础上， 进一步有效强化和提升了各叶组配方模块的功能特性及其对后续制丝加工工艺的符 合性 ； 以该分组方法分组后， 叶组配方模块中既有感官特性较为相似的原料， 也有在感官特 性、 部位及等级方面存在明显差异的烟叶原料， 该分组方法较好地实现了烟叶原料特性的 优势互补， 有效发挥了不同特性烟叶原料间的相似性、 互补性及协调修饰性在形成和提升 各模块功能特性过程中的重要作用， 进一步挖掘了烟叶原料潜力， 拓宽了烟叶原料的使用 范围 ； 该分组方法所确定的叶组配方模块功能特性及四类重要香质转化产物对烟叶原料感 官特性的影响关系为制丝配方叶组分组提供了完善的感官及化学评价指导依据， 提高了制 丝配方叶组分组的针对性及合理性。 具体实施方式
一、 取样与制样
1. 取样在原料库中对制丝配方叶组所含的各单等级烟叶进行连续三个批次的取 样， 取样时从不同的烟包中对各等级烟叶进行多点取样。所得各等级烟叶的三个批次样品 经人工切丝后混合均匀， 并采用四分法筛选出最具代表性的烟丝样品 ；
2. 制样
将样品放入烘箱内， 在 40℃进行烘干， 直至可用手捻碎 ( 约 5 ～ 6％的含水率 )， 然 后用 40 目筛网的 FOSS CYCLOTEC 1093 型旋风磨磨细， 持续研磨时间不超过 2min， 将烟末装 入棕色瓶中待检测 ；
二、 致香成分检测
(1) 试剂 ： 二氯甲烷 ( 重蒸 )， 无水硫酸钠 ( 分析纯 )， 及内标物 ；
(2) 检测仪器 ： 同时蒸馏萃取装置 ( 自制 )， 瑞士 BUCHI R-300 旋转蒸发仪， 美国 HP6890/5972GC/MS ；
(3)GC/MS 的 分 析 条 件 ： 进样口温度： 240 ℃， 分流比： 25 ∶ 1， 毛细管柱： HP-5MS(60m×0.32mm×0.25um)，载 气 ： HE，流 速 ： 1ml/min， GC/MS 接 口 温 度 280 ℃， 离 子 源： E1 源，电 子 能 量 ： 70eV，扫 描 范 围 ： 35-455amu，炉 温 ： 50 ℃ (1min)-8 ℃ / min-160℃ (2min)-8℃ /min-260℃ (15min)。使用 WILEY 谱库进行谱途径检索 ；
(4) 检测结果处理 ： 筛选出分组依据中所涉及的化学成分种类， 并计算其总量 ；
三、 聚类分组
(1) 将检测结果进行标准化转化， 采用公式
其中 ：
x′ ij- 第 i 个样品的第 j 个性状的标准化数据 ；
xij- 第 I 个样品的第 j 个性状的表型值。
(2) 计算各个样品间的距离， 并将距离最近的两个样品并成一类 ； 样品间的距离 采用欧式距离， 公式如下 ：
(3) 选择并计算类与类之间的距离， 然后将距离最近的两类合并， 如果类的个数大 于 1， 则继续合并， 直到所有的样品归类为止。
聚类间的距离采用离差平方和法。如果分类得合理， 则同类样品之间离差平方和 应该较小， 类与类之间的离差平方和应该较大。假定将 n 个样品分成 k 类， 表为 G1.G2，…
Gk， xit 表示类 Gt 中第 i 个样品， nt 表示类 Gt 中样品的个数， 表示 Gt 的平均值。
Gt 中样品的离差平方和为 ：K 个聚类的全部类内离差平方和是 ：先使 n 个样品自成一类， 然后将其中两类合并一类， 使 S 增加最小， 这时类的数目 变成 (n-1) 个， 随后再合并其中的两类， 使 S 增加最小， 直到所有样品都归为一类。
类与类合并成新类， 类与类的距离公式为 ：
四、 叶组分组 最后绘制系统聚类谱系途径， 以叶组配方模块数量为选择依据， 实现制丝配方叶组分组。10