利用美拉德反應(yīng)降低再造煙葉中的還原糖

高徐梅，李新生，嚴(yán)新龍，王 軍*

1.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與營(yíng)養(yǎng)工程學(xué)院，北京市海淀區(qū)清華東路17號(hào) 100083

2.上海煙草集團(tuán)太倉(cāng)海煙煙草薄片有限公司，江蘇省太倉(cāng)港口開發(fā)區(qū)東方東路19號(hào) 215433

再造煙葉又名重組煙葉或煙草薄片，已廣泛用作卷煙原料［1-2］，對(duì)降低卷煙焦油量、改善填充能力和降低成本等都具有重要作用［3］。再造煙葉糖含量對(duì)產(chǎn)品品質(zhì)具有重要影響，糖含量的高低與再造煙葉的吸味、顏色以及焦油量關(guān)系密切［4］。如果再造煙葉糖含量偏高、糖堿比不協(xié)調(diào)，就會(huì)影響產(chǎn)品品質(zhì)。目前大部分企業(yè)采取造紙法生產(chǎn)再造煙葉，其工藝是用水浸泡原料后，將可溶性物質(zhì)與不溶性物質(zhì)萃取分離，不溶性物質(zhì)的纖維疏解后磨漿，再制成再造煙葉紙基；而可溶性物質(zhì)萃取液經(jīng)過濃縮并加入香精香料等配料得到涂布液，將其均勻涂布于基片上，經(jīng)烘干后分切即得成品［5］。美拉德反應(yīng)是非酶促褐變的一種，其過程復(fù)雜，受氨基酸及糖種類影響，并且與反應(yīng)時(shí)的水分、pH、反應(yīng)溫度和時(shí)間、金屬離子等有關(guān)［6-7］。因此，利用再造煙葉生產(chǎn)過程中減壓濃縮、涂布烘烤等步驟中溫度較高、作用時(shí)間較長(zhǎng)、水分活度適宜等有利于美拉德反應(yīng)的條件，通過外加氨基化合物，促進(jìn)再造煙葉中的還原糖在生產(chǎn)過程中進(jìn)一步發(fā)生美拉德反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)降低再造煙葉中還原糖含量的目的。

1 材料與方法

1.1 材料、試劑和儀器

基片、煙梗、煙末、煙片（江蘇太倉(cāng)海煙煙草薄片有限公司提供）；0.45 μm 纖維素膜（北京藍(lán)弋化工產(chǎn)品有限責(zé)任公司）。

氯化鐵（FeCl3）、碳酸鉀（K2CO3）（AR，北京化工廠）；甲醇、乙腈（色譜純，百靈威科技有限公司）；甘氨酸、賴氨酸、脯氨酸（食品級(jí)，北京鴻瑞嘉盛商貿(mào)有限公司）；葡萄糖（＞99.5%）、果糖（＞99%）（Sigma-Aldrich公司）。

Agilent 1260 型高效液相色譜儀、Agilent 1260 型蒸發(fā)光散射檢測(cè)器（美國(guó)Agilent 公司）；RE-53AA 旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀（上海亞榮生化儀器廠）；Milli-Q50 超純水儀（美國(guó)Millipore 公司）；ASE-12 固相萃取儀（天津奧特賽恩斯儀器有限公司）；FA1104B 電子天平（感量:0.0001 g，上海越平科學(xué)儀器有限公司）；DHG-9070A 電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱（上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司）；SHZ-88 型搖床（江蘇太倉(cāng)市實(shí)驗(yàn)設(shè)備廠）；TDL-5-A 臺(tái)式離心機(jī)（上海安亭科學(xué)儀器廠）；MA30 紅外水分測(cè)定儀、PB-10 pH 計(jì)（德國(guó)Sartorius 公司）；Sep-Pak C18固相萃取小柱（100 mg/mL，Dikma 公司）。

1.2 方法

1.2.1 煙草萃取液的制備

稱量1000 g 煙梗、500 g 煙末和500 g 煙片并混合，加入9000 mL 65 ℃水，于65 ℃水浴中保溫30 min；過濾得到再造煙葉涂布用萃取液。經(jīng)測(cè)定，萃取液中還原糖質(zhì)量百分含量為2.1%。

1.2.2 再造煙葉的制備

取100 mL 萃取液，按萃取液中還原糖含量添加一定比例氨基酸，加入一定量0.01 mol/L FeCl3催化劑溶液和2.5 mol/L K2CO3溶液以調(diào)節(jié)pH，70 ℃水浴振蕩2.5 h；再在70 ℃下減壓濃縮（體系壓力0.015 MPa）30 min 左右，所剩溶液體積約為原來(lái)的1/5；經(jīng)測(cè)定此時(shí)萃取液密度約為1.22 g/cm3。將所得涂布液平均分為6 份涂于基片正反面（再造煙葉涂布率為38%），（165±2）℃下烘烤2 min 左右，得到模擬制備的再造煙葉?？瞻讓?duì)照樣品為相同條件下，煙草萃取液中未加入氨基酸等物質(zhì)，直接經(jīng)過濃縮、涂布、烘烤后制得的再造煙葉。

1.2.3 再造煙葉糖含量的測(cè)定

煙草中的還原糖主要包括葡萄糖和果糖［8］，這兩種糖的總含量占還原糖含量的90%以上，可代表還原糖的總量，因此研究葡萄糖和果糖總量的降低程度可以衡量再造煙葉中還原糖含量的變化。

將再造煙葉剪成面積約為0.5～1.0 cm2的碎片，用蒸餾水浸泡40 min 后過濾，洗滌濾渣，將濾液定容至250 mL。將固相萃取小柱置于固相萃取儀中，用3 mL 甲醇以1 滴/s 的速度活化小柱，再用5 mL 超純水以相同速度洗滌小柱，過程中始終保持小柱填料濕潤(rùn)。將上述濾液以1 滴/s 的速度通過活化好的固相萃取小柱進(jìn)行純化［9］，棄去最初的2 mL 濾液，收集隨后的2 mL 液體，用纖維素膜過濾。濾液采用高效液相色譜法［10］測(cè)定其中果糖和葡萄糖的含量，并計(jì)算二者總量作為樣品的還原糖含量。色譜條件為：

色譜柱：Inertsil NH2柱（4.6 mm×150 mm×5 μm）；柱溫：30 ℃；流動(dòng)相：乙腈∶水=75∶25；流速：1 mL/min；進(jìn)樣量：10μL；檢測(cè)器：蒸發(fā)光散射檢測(cè)器（ELSD）；漂移管溫度：80 ℃；載氣：氮?dú)狻?/p>

1.2.4 再造煙葉感官評(píng)價(jià)

將制備的再造煙葉和空白對(duì)照樣品（含水率均為12.5%左右）切絲，制成卷煙煙支，在溫度（23±2）℃，相對(duì)濕度（60±5）%的恒溫恒濕條件下平衡24 h 后，由上海煙草集團(tuán)9 位評(píng)煙委員會(huì)委員對(duì)處理前后得到的再造煙葉進(jìn)行感官評(píng)價(jià)。

2 結(jié)果與討論

2.1 涂布后烘烤時(shí)間和溫度的優(yōu)化

實(shí)驗(yàn)先進(jìn)行了再造煙葉涂布后的烘烤時(shí)間和溫度條件的優(yōu)化。工業(yè)生產(chǎn)中的再造煙葉含水率通常在12%左右［11-12］，根據(jù)高溫、較低水分活度有利于美拉德反應(yīng)的原理［13］，優(yōu)化模擬實(shí)驗(yàn)的烘烤時(shí)間和溫度。涂布后在不同溫度和時(shí)間條件下進(jìn)行烘烤，測(cè)定其含水率，優(yōu)化最佳烘烤溫度和時(shí)間。將涂布好的再造煙葉懸掛于電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱中，使烘箱熱風(fēng)能夠均勻地吹到涂布后的基片上，結(jié)果如表1 所示。表1 表明，當(dāng)涂布后在165 ℃下烘烤2 min 時(shí)，再造煙葉含水率為12.13%，接近于在線生產(chǎn)要求，且烘烤溫度和時(shí)間適中，可在該條件下研究美拉德反應(yīng)對(duì)降低還原糖的影響。

表1 涂布后再造煙葉經(jīng)不同溫度和時(shí)間烘烤后的物理形態(tài)和含水率Tab.1 The physical states and moisture contents of coated reconstituted tobacco dried at different temperatures and durations

2.2 美拉德反應(yīng)條件對(duì)降低再造煙葉還原糖含量的影響

2.2.1 不同氨基酸的反應(yīng)效果

實(shí)驗(yàn)選取甘氨酸、脯氨酸和賴氨酸作為降低再造煙葉中還原糖含量的氨基酸。這3 種氨基酸各自具備不同的特點(diǎn):甘氨酸結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，分子量小，反應(yīng)時(shí)所需質(zhì)量少；脯氨酸是烤煙原料中自身含量相對(duì)較高的氨基酸，含量較高時(shí)也不易產(chǎn)生異味；賴氨酸含有兩個(gè)氨基，更容易發(fā)生美拉德反應(yīng)，降低還原糖的效果會(huì)更好。在萃取液中按照還原糖∶氨基酸（摩爾比）=1∶1 的比例分別添加氨基酸，再加入0.01 mol/L FeCl3催化劑，使萃取液體系中Fe3+含量為0.01 mmol/L，用2.5 mol/L K2CO3調(diào)節(jié)pH 至6.2 左右；制備再造煙葉后，測(cè)定其中葡萄糖和果糖含量，兩者的總量代表還原糖含量，結(jié)果如圖1 所示。由圖1 可以看出，添加各氨基酸后制備的再造煙葉中還原糖的含量均減少，其中，添加賴氨酸所制得的再造煙葉降糖效果最好，相對(duì)空白減少了23.5%；添加甘氨酸和脯氨酸的再造煙葉相對(duì)空白分別減少了17.9%和10.9%。

圖1 還原糖和氨基酸的摩爾比為1∶1 時(shí)不同氨基酸處理的再造煙葉中還原糖含量Fig.1 The contents of reducing sugar in reconstituted tobacco treated with different amino acids at 1∶1 mole ratio of reducing sugar and amino acid

2.2.2 催化劑的選取及用量

Cammerer 等［14］研究指出鐵離子等金屬離子能不同程度地促進(jìn)美拉德反應(yīng)，且Fe3+催化能力比Fe2+強(qiáng)。本實(shí)驗(yàn)選取FeCl3為催化劑，以賴氨酸為反應(yīng)物研究催化劑用量對(duì)降低再造煙葉還原糖含量的影響；以加入賴氨酸而不加催化劑的樣品為空白，結(jié)果見圖2。由圖2可知，相對(duì)于空白樣品，加入FeCl3催化劑后制備的再造煙葉中還原糖含量均有所降低，說明FeCl3對(duì)體系中的美拉德反應(yīng)具有催化作用。當(dāng)萃取液體系中的FeCl3濃度，即Fe3+的濃度為0.01 mmol/L 時(shí)，再造煙葉中還原糖含量最少，降糖效果最好，相對(duì)空白降低了9.56%。

圖2 FeCl3用量對(duì)降低再造煙葉中還原糖含量的影響Fig.2 The effects of FeCl3catalyst dosage on reducing sugar content in reconstituted tobacco

2.2.3 不同pH 的影響

經(jīng)測(cè)定，1.2.1 節(jié)所述煙草萃取液的pH 約為4.9，呈酸性。但美拉德反應(yīng)在中性或堿性條件下更易發(fā)生［6］。實(shí)驗(yàn)研究了不同pH 對(duì)反應(yīng)的影響，并選用K2CO3溶液調(diào)節(jié)反應(yīng)體系的pH。在萃取液中分別加入氨基酸，使還原糖與氨基酸的摩爾比為1∶1，再加入FeCl3催化劑使體系中Fe3+含量為0.01 mmol/L，用K2CO3調(diào)節(jié)體系的pH。還原糖降低效果見圖3。由圖3 可以看出，隨反應(yīng)體系pH 逐漸增大，再造煙葉中還原糖含量逐漸降低。

不同pH 條件下，再造煙葉還原糖含量相對(duì)于空白樣品的降低率如表2 所示。由表2 可知，pH=8 時(shí)所制備的再造煙葉中還原糖相對(duì)于空白樣品減少了28%以上，降糖效果顯著。說明調(diào)節(jié)后的萃取液pH 越大，降糖效果越好。但是，調(diào)節(jié)后萃取液的pH 過高，會(huì)導(dǎo)致濃縮涂布后制備的再造煙葉煙氣酸性成分含量降低，刺激性增加，品質(zhì)下降。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)優(yōu)化，用2.5 mol/L K2CO3調(diào)節(jié)萃取液的pH 至6.2 左右較適合，制備的再造煙葉降糖效果和感官評(píng)價(jià)結(jié)果良好。

圖3 不同反應(yīng)體系pH 對(duì)再造煙葉降糖效果的影響Fig.3 The effects of pH on reducing sugar content in reconstituted tobacco

表2 不同pH 條件下反應(yīng)后再造煙葉還原糖含量相對(duì)空白樣品的減少量Tab.2 The decrease percentage of reducing sugar in reconstituted tobacco comparing with blank control under different pH conditions

2.2.4 氨基酸用量的影響

萃取液中還原糖∶氨基酸（摩爾比）=1∶1 時(shí)，催化劑FeCl3濃度為0.01 mmol/L，K2CO3調(diào) 節(jié)pH 至6.2 左 右，70 ℃恒溫加熱2.5 h，反應(yīng)液減壓濃縮至原體積的1/4至1/5，并于（165±2）℃烘箱中烘烤2 min，制備的再造煙葉經(jīng)評(píng)吸，類似可可的烘烤味增加。這是由于氨基酸加入量過多，美拉德反應(yīng)程度較高而造成的影響。為能在保證再造煙葉吃味無(wú)明顯變化的基礎(chǔ)上降低其還原糖含量，將氨基酸用量減少至萃取液中還原糖∶氨基酸（摩爾比）=1∶0.5，其他條件不變。分析結(jié)果如圖4所示。由圖4 可知，降低氨基酸用量后，相對(duì)于空白樣品，再造煙葉還原糖含量不同程度降低，其中，賴氨酸效果最好，其次是甘氨酸和脯氨酸，相對(duì)于空白分別降低了10.6%，9.1%和6.0%，降低量約為還原糖和氨基酸的摩爾比為1∶1 時(shí)的一半左右。

圖4 還原糖和氨基酸的摩爾比為1∶0.5 時(shí)不同氨基酸處理的再造煙葉中還原糖的含量Fig.4 The contents of reducing sugar in reconstituted tobacco treated with different amino acids at 1∶0.5 mole ratio of reducing sugar and amino acid

2.3 感官評(píng)價(jià)結(jié)果

不同氨基酸處理制備的再造煙葉與空白對(duì)照樣品的感官評(píng)價(jià)結(jié)果見表3。由表3 可知，加脯氨酸處理的再造煙葉與空白對(duì)照樣品相似；加賴氨酸處理的再造煙葉總分略低，灼燒感和青雜氣稍突出，這可能與賴氨酸分子中含有兩個(gè)氨基有關(guān)；由加甘氨酸處理制備的再造煙葉總體評(píng)價(jià)好于空白對(duì)照樣品。

表3 不同氨基酸處理制備的再造煙葉的感官評(píng)價(jià)結(jié)果Tab.3 Sensory evaluation results of reconstituted tobacco treated with different amino acids

3 結(jié)論

①當(dāng)萃取液中添加氨基酸使還原糖∶氨基酸（摩爾比）=1∶0.5，F(xiàn)e3+濃度為0.01 mmol/L，調(diào)節(jié)pH 至6.2 左右，萃取液經(jīng)70 ℃加熱振蕩2.5 h，減壓濃縮至萃取液密度約為1.22 g/cm3，所得涂布液以涂布率38%涂于基片上，165 ℃下烘烤2 min，可降低再造煙葉中還原糖含量。其中用賴氨酸處理制備的再造煙葉效果最好，相對(duì)于空白對(duì)照樣品還原糖含量降低了10.6%；甘氨酸和脯氨酸分別降低9.1%和6.0%。②感官評(píng)價(jià)結(jié)果表明，與空白對(duì)照樣品相比，加不同氨基酸處理所制備的再造煙葉的評(píng)吸效果為甘氨酸＞脯氨酸≈空白＞賴氨酸。

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