甘薯浸膏的開發(fā)及其香氣成分分析

楊金初，郝輝，馬宇平，陳芝飛，王宏偉，于建春，聶聰，張展，高明奇，董艷娟

河南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司技術(shù)中心，鄭州市隴海東路72號 450000

甘薯浸膏的開發(fā)及其香氣成分分析

楊金初，郝輝，馬宇平，陳芝飛，王宏偉，于建春，聶聰，張展，高明奇，董艷娟

河南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司技術(shù)中心，鄭州市隴海東路72號 450000

通過對甘薯組分、原料品種、酶解方法等因素進(jìn)行優(yōu)化，成功研制出了甘薯浸膏，并對其進(jìn)行了致香成分分析和卷煙煙氣危害性指數(shù)評價。結(jié)果表明：①以西農(nóng)431甘薯汁為原料，通過耐高溫α-淀粉酶處理、高溫烤制可制備甘薯浸膏；②甘薯浸膏致香成分大部分為美拉德/焦糖化反應(yīng)產(chǎn)物，麥芽糖可能是此類揮發(fā)物的重要底物；③甘薯浸膏的添加對卷煙煙氣的危害性指數(shù)無負(fù)面影響；④甘薯浸膏與卷煙煙絲存在良好的配伍性，可能是一種潛在的新型煙用香料。

甘薯；浸膏；香氣；卷煙；烤甜香；美拉德反應(yīng)

甘薯資源豐富，價格低廉，是我國繼水稻、小麥、玉米之后的第四大糧食作物[1-2]。由于其營養(yǎng)均衡，且具有良好的保健功能，因而，被世界衛(wèi)生組織評為“最佳蔬菜”[3]。近年來，國內(nèi)學(xué)者在甘薯淀粉加工[4-5]、天然產(chǎn)物提取[6-7]、保健食品開發(fā)[8-9]等方面做了大量研究?？靖适硎俏覈鴼v史悠久的焙烤食品，其濃郁、誘人的烤甜香味深受大眾的喜愛。許多消費(fèi)者認(rèn)為，烤甘薯香味與卷煙“烤甜香韻”有著一定的相似性。然而，迄今為止，以甘薯為原料制備煙用香料的研究鮮有報道。本文通過研究烤甘薯香氣的主要來源以及制備甘薯浸膏的較佳原料品種、較佳酶解方法，確定了甘薯浸膏的制備工藝。通過致香成分分析和卷煙煙氣危害性指數(shù)評價，驗證了甘薯浸膏對改善卷煙吸食品質(zhì)的潛在價值，并探討了其反應(yīng)機(jī)制，為開發(fā)煙用甘薯香精提供了科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料、試劑與儀器

甘薯（西農(nóng)431、秦薯5號、日本農(nóng)藝21、冀薯99四個品種，均為河南省農(nóng)科院提供）；實驗煙絲（河南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司提供）。

耐高溫α-淀粉酶（20000U/g）、高轉(zhuǎn)化率糖化酶（100000U/g，棗莊市杰諾生物酶有限公司）；果膠酶（30000U/g，科邦生物科技有限公司）；葡萄糖、果糖、蔗糖、麥芽糖、無水硫酸鈉（AR，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司）；無水乙醇(色譜純，美國J.T.BAKER公司)；二氯甲烷（色譜純，美國Dikma公司）；乙酸苯乙酯（內(nèi)標(biāo)）（＞97%，美國Tedia公司）。

Agilent 7890A/5975C氣質(zhì)聯(lián)用儀（美國Agilent公司）；Waters 600高效液相色譜儀（美國WATERS公司）；FK-A組織搗碎勻漿機(jī)（金壇市晶玻儀器廠）；R-210旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀（瑞士Buchi公司）；CMB120型卷煙機(jī)（德國BURGHART公司）；L-550型離心機(jī)（湘儀離心機(jī)儀器有限公司）；BS200S 型電子天平(感量：0.001g，北京賽多利斯公司)；BINDER恒溫恒濕箱（德國BINDER公司）；Binder FED烘箱（德國BINDER公司）。

1.2 實驗方法

1.2.1 甘薯浸膏制備工藝的研究

1.2.1.1 不同甘薯組分的香味比較

取1kg西農(nóng)431甘薯，清洗去皮，按照水：甘薯（m/m）=1∶1，采用高速組織搗碎機(jī)打漿5min，200目篩子過濾得濾渣；將濾液在4000rpm下離心20min，沉淀即為粗淀粉，上清液為甘薯汁；分別測定皮渣、濾渣、粗淀粉和甘薯汁的濕基含量（甘薯汁以出汁率計），并置于150℃下烤制2h，組織15名省級卷煙感官評吸委員，按照YC/T145.6—1998[10]對其進(jìn)行嗅香描述性評價。通過比較皮渣、濾渣、粗淀粉和甘薯汁等4個組分的化學(xué)成分及高溫烤制后的嗅香特征，找出烤甘薯香氣的主要來源。

1.2.1.2 不同品種甘薯汁的理化分析

精確稱取四種甘薯各100g，參照文獻(xiàn)[11]的方法，分別測定西農(nóng)431、秦薯5號、日本農(nóng)藝21、冀薯99四種甘薯水分含量、淀粉含量、出汁率和還原糖含量。取四個品種的甘薯汁，分別置于150℃下烤制2h制備甘薯浸膏，按照1.2.1.1方法進(jìn)行嗅香評價。通過比較四個品種甘薯汁的理化指標(biāo)及其甘薯浸膏的嗅香特征，確定甘薯原料的較佳品種。

1.2.1.3 不同酶解方法的成分變化

取1kg西農(nóng)431甘薯，清洗去皮，按照水：甘薯（m/m）=1∶1，采用高速組織搗碎機(jī)打漿5min，紗布過濾得甘薯汁（pH6.63，標(biāo)注為Z0）；參照文獻(xiàn)[11-12]的酶解方法依次采用α-淀粉酶（溫度90℃、時間120min、pH6.5、酶用量40U/g）、糖化酶（溫度60℃、時間120min、pH5.0、酶用量400U/g）和果膠酶（溫度30℃、時間120min、pH4.0、酶用量200U/g）對甘薯汁進(jìn)行酶解處理；每次酶解工序后分別取200g甘薯汁，標(biāo)注為Z1～Z3，參照文獻(xiàn)[11]的方法分析其蔗糖、麥芽糖、葡萄糖、果糖和淀粉含量，并將甘薯汁Z0～Z3置于150℃烘箱中烤制2h制備甘薯浸膏，對應(yīng)編號分別為J0～J3，按照1.2.1.1方法進(jìn)行嗅香評價。通過比較甘薯汁及α-淀粉酶、糖化酶和果膠酶處理后甘薯汁中糖類物質(zhì)含量及其甘薯浸膏嗅香特征，確定較佳酶解方法。

1.2.2 揮發(fā)性成分分析

分別準(zhǔn)確稱取甘薯浸膏J0～J3各1.00g，用二氯甲烷（20mL×3）萃取，無水硫酸鈉干燥，過濾，加入50μL乙酸苯乙酯作為內(nèi)標(biāo)，濾液在45℃和常壓下濃縮至1mL，GC/MS分析，利用NIST08和Wiley譜庫檢索，以匹配度高于85%定性，并假定相對校正因子為1進(jìn)行定量。分析條件為[13-14]：

色譜柱：DB-WAXetr（30 m × 250 mm，0.25 μm）毛細(xì)管柱；進(jìn)樣溫度：220℃；升溫程序：35℃保持2min，以3℃/min升至220℃，保持20 min；載氣：He，流速1mL/min，進(jìn)樣量：1.0μL，分流比10：1，接口溫度280℃；電離方式：EI；電離能量：70eV；離子源溫度230℃；四極桿溫度：150℃；質(zhì)量掃描范圍：35～400amu。

1.2.3 卷煙煙氣危害性指數(shù)評價

將甘薯浸膏J0～J3按照較佳用量添加至空白卷煙中制備樣品卷煙，測定卷煙主流煙氣中7種卷煙煙氣代表性有害成分的釋放量，并與空白卷煙樣品對照，根據(jù)式（1）計算其卷煙煙氣危害性指數(shù)H[15-17]，以考察甘薯浸膏J0～J3對卷煙危害性指數(shù)的影響。

2 結(jié)果與討論

2.1 香味來源的確定

由表1可知，皮渣、濾渣、粗淀粉和甘薯汁等4個甘薯組分高溫烤制后嗅香特征差異顯著，烤制皮渣主要表現(xiàn)為清香、果香、花香，烤制濾渣無明顯香氣，烤制粗淀粉具有焦糊味，而只有烤甘薯汁中具有濃郁的烤甘薯香味，原因可能是：甘薯汁中含有大量的還原糖、氨基酸等[20]，高溫烤制過程中發(fā)生美拉德反應(yīng)，產(chǎn)生烤甘薯香味，而其他組分都缺乏美拉德反應(yīng)原料。因此，甘薯汁是烤甘薯香味的主要來源，是制備甘薯浸膏的原料。

2.2 甘薯品種的選擇

由上文可知，甘薯汁是烤甘薯香味的主要來源，其中含有的還原糖是美拉德反應(yīng)的關(guān)鍵底物，因而，出汁率和還原糖含量是選擇甘薯品種的重要指標(biāo)。本試驗選取紅瓤、黃瓤、紫瓤和白瓤4種具有代表性的甘薯品種西農(nóng)431、秦薯5號、日本農(nóng)藝21、冀薯99作為實驗原料，分別分析其化學(xué)成分和嗅香特征，結(jié)果如表2所示。實驗結(jié)果表明，西農(nóng)431的出汁率顯著高于其余三個甘薯品種，且甘薯汁中還原糖含量也高于其余三個甘薯品種，故西農(nóng)431為制備甘薯浸膏的優(yōu)良品種。從甘薯浸膏嗅香特征看，西農(nóng)431甘薯具有烤甘薯香味，且香味最濃郁，秦薯5號和冀薯99也具有烤甘薯香味，但香味不夠濃郁，而日本農(nóng)藝21具有烤紫薯特有香味，與烤甘薯香味不同，且香味淡薄，因而西農(nóng)431為研制甘薯浸膏的較佳品種。

表2 不同品種甘薯汁理化指標(biāo)及其甘薯浸膏嗅香特征Tab.2 Physicochemical index of different varieties sweetpotato juice and sensory characteristics of their corresponding sweetpotato concrete

2.3 酶解方法的篩選

甘薯汁Z0以及依次經(jīng)過α-淀粉酶、糖化酶和果膠酶處理后的甘薯汁Z1～Z3中糖組分的變化由表3所示。由表3可知，未處理的甘薯汁中含有大量淀粉、一定量的蔗糖、葡萄糖和少量的果糖，幾乎不含麥芽糖。經(jīng)過α-淀粉酶處理后，麥芽糖含量從0.05 mg/mL迅速升高到38.42mg/mL，淀粉含量從47.08mg/mL迅速降低到0.17mg/mL，這說明甘薯汁中的淀粉經(jīng)耐高溫α-淀粉酶水解之后，產(chǎn)生了大量麥芽糖。此外，蔗糖含量略有降低，果糖和葡萄糖含量略有升高。經(jīng)過糖化酶處理后，麥芽糖含量迅速降低，葡萄糖含量迅速升高，淀粉含量幾乎不變，這說明糖化過程主要是麥芽糖大量轉(zhuǎn)化為葡萄糖。此外，果糖的含量略有升高，而蔗糖含量進(jìn)一步降低，這可能是因為蔗糖在酸性條件下發(fā)生微弱水解。經(jīng)過果膠酶處理后，麥芽糖和蔗糖含量略有降低，葡萄糖進(jìn)一步升高，果糖含量升高較大，這可能是因為果膠酶解過程中麥芽糖和蔗糖在酸性條件下繼續(xù)水解造成的。此時果糖和葡萄糖增加幅度較大，一方面可能由于體系pH進(jìn)一步降低有利于水解反應(yīng)的進(jìn)行，另一方面可能是由于部分糊精參與水解引起的。

從甘薯浸膏嗅香特征看，未酶解的甘薯浸膏J0中具有烤甘薯特有香味，且香味濃郁。α-淀粉酶處理后，甘薯浸膏J1仍保持烤甘薯特有香味，且香味更加濃郁；經(jīng)糖化酶和果膠酶處理后，甘薯浸膏J2和J3的烤甘薯特有香味逐漸變?nèi)酰阄蹲兊?。原因可能是甘薯汁?jīng)α-淀粉酶處理后產(chǎn)生大量麥芽糖，而麥芽糖是烤甘薯香味物質(zhì)合成的關(guān)鍵前體物質(zhì)[21]，這為烤制過程中烤甘薯香味物質(zhì)合成提供了充足的原料，并且該過程對其他物質(zhì)含量影響不大，pH（從6.63降至6.5）幾乎不變，因而香味保留完全；糖化酶和果膠酶處理后，甘薯汁中麥芽糖幾乎消耗完全，合成烤甘薯香味物質(zhì)的原料不足[21]，其他糖類含量變化較大，這可能打破了甘薯內(nèi)部的物質(zhì)平衡，此外，甘薯汁的pH從6.63分別降至5.0和4.0，反應(yīng)條件發(fā)生顯著變化，因而不利于烤甘薯特有香味的產(chǎn)生。

表3 甘薯汁Z0-Z3的糖類含量及其甘薯浸膏嗅香特征Tab.3 Sugar content in Z0-Z3 and sensory characteristics of their corresponding sweetpotato concrete

2.4 主要致香成分分析

采用GC/MS從甘薯浸膏J0-J3中共鑒定出39種致香成分，表4將其按照來源分為五大類[22]。由表4可知，在甘薯浸膏J0-J3中，美拉德/焦糖化反應(yīng)產(chǎn)物種類多達(dá)17種，且含量占總揮發(fā)物比例超過60%，說明美拉德反應(yīng)和焦糖化反應(yīng)產(chǎn)物在甘薯浸膏致香成分中占主導(dǎo)，正是這些物質(zhì)賦予了甘薯浸膏濃郁的烤甜香、焦甜香和烘烤香等香韻[23]。脂類衍生物種類多達(dá)11種，但含量較低，可為甘薯浸膏帶來一定的酸香、壤香和果香[23]。Strecker降解產(chǎn)物、類胡蘿卜素降解物和萜類化合物種類較少，含量較低，主要賦予甘薯浸膏少量的花香和果香[23]。

不同酶解方法制備的甘薯浸膏致香成分差異明顯：甘薯浸膏J0總致香成分只有13.96μg/g，經(jīng)過α-淀粉酶處理后，甘薯浸膏J1總致香成分升高到71.37μg/g，增長了近5倍，繼續(xù)采用糖化酶和果膠酶處理，甘薯浸膏J2和J3總致香成分迅速降低至23.20μg/g和14.27μg/g。從致香成分類型來看，甘薯浸膏J0-J3的Strecker降解產(chǎn)物、類胡蘿卜素降解物、脂類衍生物和萜類化合物含量差異較小，其總致香成分的變化主要源于美拉德/焦糖化反應(yīng)產(chǎn)物的變化，且與甘薯汁Z0-Z3的麥芽糖含量成正相關(guān)，這表明美拉德/焦糖化反應(yīng)在甘薯浸膏香味形成過程中起著重要作用，麥芽糖是該反應(yīng)過程的關(guān)鍵底物。

甘薯浸膏的大部分致香成分與烤煙相同[24]，且其中含量較大的致香成分也是主流煙氣粒相物水溶性組分中對烤甜香有直接貢獻(xiàn)的成分[25]，這說明甘薯浸膏是一種潛在的天然烤甜香原料。張啟東等[25]認(rèn)為烤甜香是一種兼具烘烤香、甜香和焦甜香的復(fù)合香氣，是卷煙香氣的重要組成部分。在主流煙氣粒相物水溶性組分中對烤甜香有直接貢獻(xiàn)的成分主要為呋喃類、呋喃酮類、吡喃酮類和環(huán)戊烯酮類化合物。而甘薯浸膏中含量較大的致香成分：糠醇、5-羥甲基糠醛、2,3-二氫-3,5-二羥基-6-甲基-4氫-吡喃酮、麥芽酚和糠醛等均屬此類?？反季哂刑鹣?、面包香、咖啡香[23]；5-羥甲基糠醛具有甜香、花香、烤煙香[26]；2,3-二氫-3,5-二羥基-6-甲基-4氫-吡喃酮具有甜烤香、焦甜味[26-27]，是一種甜度很大的香味物質(zhì)，可增加煙氣的甜感[28-29]；麥芽酚具有濃烈的焦糖香和果香，可與煙香諧調(diào)，提調(diào)豆香、果香和可可香韻，并賦予煙氣柔和醇厚的口感[30-31]；糠醛具有面包香、焦甜香，并帶有烘烤食品的氣味，可賦予卷煙木香、花香、果香和甜香[23,31]，這些揮發(fā)物共同作用可為卷煙帶來優(yōu)美愉悅的烤甜香韻。

結(jié)合酶解方法研究和致香成分分析可知，甘薯汁Z0直接烘烤制成甘薯浸膏J0雖可增加卷煙烤甜香韻，但由于其中殘留大量淀粉，對雜氣和余味可能有不利影響[32-33]。經(jīng)過α-淀粉酶處理后，甘薯汁Z1產(chǎn)生了大量麥芽糖，甘薯浸膏J1在烤制過程中發(fā)生美拉德和焦糖化反應(yīng)生成了大量的美拉德/焦糖化反應(yīng)產(chǎn)物[22]，形成濃郁的烤甘薯香味，這些致香成分在卷煙燃吸時可轉(zhuǎn)移至煙氣，賦予卷煙良好的感官品質(zhì)。同時，淀粉含量降低，將減輕淀粉燃燒所帶來的不利影響[32-33]。因而，甘薯浸膏J1對于改善卷煙感官品質(zhì)效果較好。經(jīng)過糖化酶處理后，甘薯汁Z2麥芽糖含量急劇減少，pH有所降低，反應(yīng)底物不足，反應(yīng)條件發(fā)生改變，不利于烤甘薯香味物質(zhì)合成，因此甘薯浸膏J2作用效果不如J1。經(jīng)過果膠酶處理后，甘薯汁Z3中麥芽糖和蔗糖幾乎全部消耗完，pH大幅度降低，反應(yīng)條件和反應(yīng)底物均發(fā)生顯著變化，這將打破了甘薯內(nèi)部的物質(zhì)平衡，不利于烤甘薯特有香味的產(chǎn)生，因此甘薯浸膏J3總體效果也不如J1。

綜上所述，在甘薯浸膏制備過程中，添加耐高溫α-淀粉酶可在甘薯汁中生成大量麥芽糖，麥芽糖在高溫烤制過程中發(fā)生美拉德和焦糖化反應(yīng)產(chǎn)生了大量的“烤甜”類致香成分，這些致香成分在卷煙燃吸時轉(zhuǎn)移至煙氣，可能賦予卷煙烤甜香韻，并帶來烤甘薯樣甜潤口感。

表4 甘薯浸膏J0-J3的致香成分分析結(jié)果Tab.4 Comparison of aroma constituents of J0-J3 μg/g

續(xù)表4

2.5 卷煙煙氣危害性指數(shù)

添加甘薯浸膏J0～J3的卷煙煙氣分析檢測結(jié)果如表5所示，由表5可知，J0～J3的焦油量略高于空白樣品，煙氣煙堿量同空白樣品持平。J2和J3卷煙主流煙氣中7種代表性有害成分的釋放量均低于空白樣品，因而其卷煙煙氣危害性指數(shù)H明顯低于空白樣品。J0卷煙除了氨釋放量略高于空白樣品，其余六個有害成分的釋放量均低于空白樣品，其卷煙煙氣危害性指數(shù)H也明顯低于空白樣品。盡管J1卷煙HCN、NNK和苯酚釋放量略高于空白樣品，但其余四種有害成分的釋放量均低于空白樣品，其卷煙煙氣危害性指數(shù)H也低于空白樣品。綜上所述，甘薯浸膏J0～J3對卷煙煙氣的危害性無負(fù)面影響。

甘薯浸膏與烤煙的大部分致香成分相同，與卷煙煙絲存在良好的配伍性，且添加后對卷煙煙氣的危害性無負(fù)面影響，是一種潛在的煙用香料。作為一種新型烤甜香料，甘薯浸膏的研制可彌補(bǔ)煙草行業(yè)“烤甜”香原料的短缺，對于“黃金葉”品牌“濃香品類，醇香風(fēng)格”品類構(gòu)建、彰顯“烤甜香”風(fēng)格特色具有重要意義。然而，由于甘薯浸膏暫未列入《煙草制品許可使用的添加劑名單》[34]，其能否作為煙用香料在卷煙中應(yīng)用，尚需通過安全性評價。

表5 卷煙煙氣危害性指數(shù)評價結(jié)果Tab.5 The result of the hazard index evaluation on J0-J3

3 結(jié)論

通過甘薯組分粗分離試驗表明，甘薯汁是烤甘薯香味的主要來源；對四個品種甘薯汁的理化指標(biāo)及其甘薯浸膏嗅香特征的比較研究表明，西農(nóng)431為研制甘薯浸膏的較佳品種；不同酶解方法的比較研究表明，采用耐高溫α-淀粉酶可將甘薯汁中的淀粉水解成麥芽糖，有利于烤甘薯香味的產(chǎn)生。因此，以西農(nóng)431甘薯汁為原料，通過耐高溫α-淀粉酶處理、高溫烤制可制備甘薯浸膏。

美拉德反應(yīng)和焦糖化反應(yīng)產(chǎn)物在甘薯浸膏致香成分中占主導(dǎo)，美拉德/焦糖化反應(yīng)在甘薯浸膏香味形成過程中起著重要作用，麥芽糖是該反應(yīng)的關(guān)鍵底物。甘薯汁Z1經(jīng)α-淀粉酶處理后，制備的甘薯浸膏J1與卷煙煙絲存在良好的配伍性，添加后對卷煙煙氣的危害性指數(shù)無負(fù)面影響，是一種潛在的新型烤甜香料。

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Development of sweet potato extract and its flavor components analysis

YANG Jinchu, HAO Hui, MA Yuping, CHEN Zhifei, WANG Hongwei, YU Jianchun, NIE Cong, ZHANG Zhan, GAO Mingqi,DONG Yanjuan
Technology Center, China Tobacco Henan Industrial Co., Ltd., Zhengzhou 450000, China

Sweet potato extract was developed by optimizing factors of sweet potato fractions, varieties of raw materials and enzymatic method. Flavor components in sweet potato extract were analyzed by gas chromatography-mass spectrometry(GC-MS), and hazard index evaluation was conducted. Results showed that∶ 1)Taking Xi Nong 431 sweet potato juice as raw material, sweet potato extract was prepared by adding α-amylase with high temperature heating. 2)Most of the flavor components in sweet potato extract were Maillard/caramelization products, and maltose may be a key precursor contributing to the formation of these volatiles. 3)Compared with the control,the addition of sweet potato extract did not impose any negative influence on hazard index of cigarette smoke. 4)Sweet potato extract could be a potential new tobacco flavor as it had good compatibility with cut tobacco.

sweet potato; extract; aroma; cigarette; roasted sweet flavor; Maillard reaction

楊金初，郝輝，馬宇平，等. 甘薯浸膏的開發(fā)及其香氣成分分析[J]. 中國煙草學(xué)報，2016,22（5）

楊金初（1987—），碩士，工程師，主要從事卷煙配方和香精香料研究，Email：yjinchu@163.com

馬宇平（1965—），Email：mayp159659@126.com

2015-11-16

：YANG Jinchu, HAO Hui, MA Yuping, et al. Development of sweet potato extract and its flavor components analysis[J]. Acta Tabacaria Sinica, 2016, 22(5)