煙葉果膠研究進(jìn)展

聶立璇，陳善義，陳千思，王超超，齊凌峰，葉 潤

（1.福建中煙工業(yè)有限責(zé)任公司，福建廈門 361021；2.中國煙草總公司鄭州煙草研究院，鄭州 450001）

中國是煙草大國，其種植面積和產(chǎn)銷量均位居世界首位。煙草質(zhì)量的好壞直接影響消費者的體驗。果膠是植物細(xì)胞壁所特有的組成成分，其在煙草中的含量為5%～13%，在煙草植株生長過程中，它和纖維素、木質(zhì)素共同形成細(xì)胞壁，發(fā)揮水勢調(diào)節(jié)、抵御病原物入侵的作用［1-3］。但過高的果膠含量使得煙草燃燒不完全，分解成小分子物質(zhì)如甲醇、乙酸等使卷煙吸食品質(zhì)下降，辛辣和刺激性明顯增大［4］；同時因其較強(qiáng)的親水特性，易使煙葉吸濕過度，造成倉儲安全性降低。本研究綜述了果膠化學(xué)組成、提取方法、烤煙煙葉果膠物質(zhì)含量與烤煙煙葉外觀質(zhì)量、感官質(zhì)量的關(guān)系及調(diào)控?zé)煵葜泄z含量的相關(guān)研究進(jìn)展，以期為提高卷煙原料品質(zhì)提供科學(xué)依據(jù)。

1 果膠的結(jié)構(gòu)與組成

果膠也叫果膠酯酸，是一種由半乳糖醛酸作為基本組成單元的高分子多糖，是植物細(xì)胞壁中結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的大分子物質(zhì)。在高等植物的Ⅰ型初生壁及胞間層中，果膠含量高達(dá)30%；Ⅱ型初生壁、次生壁中的含量也較豐富，含量為5%～10%。此外，低等植物（如苔蘚、蕨類等）也含有豐富的果膠［5，6］。

果膠是一種分子結(jié)構(gòu)很復(fù)雜的大分子物質(zhì)，前人研究表明果膠多糖主要有3 種結(jié)構(gòu)類型組成［7］，即同聚半乳糖醛酸（HG）、鼠李半乳糖糖醛酸聚糖Ⅰ（RGI）和鼠李半乳糖糖醛酸聚糖Ⅱ（RGⅡ），分別約占果膠總量的70%、20%和10%。生物化學(xué)及分子生物學(xué)研究表明，果膠在細(xì)胞器內(nèi)的合成場所為高爾基體。核苷酸糖為果膠合成的活性糖供體，腺苷蛋氨酸、乙酰輔酶A 則分別為甲基、乙?；w，在大約65 個糖基轉(zhuǎn)移酶（GTs）、67 個甲基轉(zhuǎn)移酶（MTs）和60 余個乙?；D(zhuǎn)移酶（ATs）等酶獨立或協(xié)同作用下，完成果膠的起始、延長、分支過程［8，9］。

有關(guān)果膠合成過程，學(xué)術(shù)界存在2 種模型假說：一是結(jié)構(gòu)域模型假說，由脂糖或核苷酸糖先形成引物（類似于脫氧核糖核酸復(fù)制時所需要的寡聚脫氧核糖核酸），并在糖基轉(zhuǎn)移酶的作用下實現(xiàn)多聚半乳糖醛酸鏈的延伸，最后形成高分子的果膠；二是連續(xù)合成模型假說，即果膠在途經(jīng)細(xì)胞器內(nèi)的高爾基體時，活性糖供體不斷地加入多聚半乳糖醛酸鏈上，形成高分子的果膠。果膠通過與纖維素、半纖維素、木質(zhì)素交聯(lián)形成超分子化合物，構(gòu)成胞壁結(jié)構(gòu)，在植物生長過程中的細(xì)胞分裂、抵御病原物入侵等方面發(fā)揮著重要作用［10］。

2 果膠的提取方法

2.1 酸提取法

酸提取法因操作步驟簡便、工藝完善，成為工業(yè)上廣泛使用的生產(chǎn)方法。該方法實現(xiàn)原理如下：在加熱條件下，采用酸性物質(zhì)（如硫酸、鹽酸、醋酸、檸檬酸等）隨機(jī)性地打斷長鏈果膠分子的化學(xué)連接鍵，達(dá)到將不溶于水的大分子果膠分解成可溶于水的小分子果膠的目的，隨后用乙醇進(jìn)行沉淀并析出，實現(xiàn)果膠的提取。酸提法已在煙草、蘋果、香蕉等植物果膠的提取中實現(xiàn)了應(yīng)用［11，12］。肖厚榮等［13］采用混酸提取法從煙梗中提取果膠，發(fā)現(xiàn)在混酸pH 0.5、萃取時間60 min、溫度90 ℃工藝條件下，果膠提取率可達(dá)12.4%左右，且脫色效果理想。

2.2 酶分離法

酶分離法的原理是以果膠為營養(yǎng)源的菌種在生長過程中產(chǎn)生能使果膠分離出來的酶，將其與原料一起發(fā)酵，以達(dá)到提取果膠的目的［14］。徐志強(qiáng)等［15］優(yōu)化了煙草粉末中果膠酶解的方法，最終確定了酶解參數(shù)，樣品使用80%乙醇回流萃取2 次后，加入pH 4.0 的檸檬酸三鈉/檸檬酸緩沖溶液和480 U/g 的果膠酶，于58 ℃下反應(yīng)2 h。同熱酸提取法相比，該方法提取的果膠質(zhì)量穩(wěn)定、重復(fù)性好、萃取率高，但也存在生產(chǎn)周期較長，使用條件較為苛刻的缺陷，且酶解反應(yīng)的溫度、時間、緩沖溶液pH、酶使用量等都會影響酶提取效率，提取工藝尚不成熟，故尚未廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)。

2.3 微波提取法

微波提取法是一種能耗低、提取效率高且對環(huán)境友好的果膠提取新技術(shù)［16］。主要實現(xiàn)原理是水、甲醇、丙酮等極性溶劑吸收微波能量后轉(zhuǎn)換成熱能，從而確保整個樣品得以均勻受熱，溫度升高加速植物細(xì)胞內(nèi)的水分散失，最終在膨脹機(jī)制作用下細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)被破壞，加快果膠的溶解和提?。?7］。Bagherian 等［18］比較了酸提取法、微波提取法2 種方法對柚子果膠的提取效率，發(fā)現(xiàn)采用微波提取法當(dāng)輻射功率為900 W 時，微波加熱2 min 果膠提取效率與酸提取法90 min 的相當(dāng)，在900 W 輻照功率下處理6 min，果膠提取率可高達(dá)27.81%。微波用于果膠的提取，具有溶劑耗量小、耗時短、提取率高的優(yōu)點，是果膠提取有發(fā)展?jié)摿Φ男录夹g(shù)。

3 煙葉果膠與外觀質(zhì)量的關(guān)系

煙葉外觀質(zhì)量是化學(xué)內(nèi)涵的外部表征，是煙葉劃分等級的主要依據(jù)。任曉紅等［19］分析了中國烤煙煙葉細(xì)胞壁物質(zhì)的含量及其與烤煙煙葉外觀質(zhì)量的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)煙葉著生部位與果膠含量呈如下關(guān)系，部位越高，其煙葉的果膠含量越低，這解釋了煙葉加工過程中下部葉吸濕性差、造碎率高的現(xiàn)象；相同部位不同顏色煙葉中果膠含量是桔黃、紅棕色煙葉的含量高于檸檬黃煙葉；不同成熟度煙葉的果膠含量規(guī)律差異明顯，假熟煙葉中果膠含量明顯高于成熟煙葉。李興波等［20］測定了河南省烤煙（40 級）各等級煙葉的果膠質(zhì)的含量，結(jié)果表明，果膠質(zhì)含量隨著厚度的增加而增加，即厚＞稍厚＞中等＞稍?。颈?；不同油分的煙葉總果膠含量差異不顯著。閻克玉等［21］研究表明，果膠含量與煙葉等級的高低呈負(fù)相關(guān)，烤后煙葉的果膠含量和葉片厚度呈正相關(guān)，而果膠含量與油分含量間無顯著關(guān)系，這與李興波等［20］所得結(jié)論一致。郭松［22］比較了不同煙區(qū)、部位、年份、等級的烤煙果膠含量，發(fā)現(xiàn)長江中上游煙區(qū)果膠含量最低，且與東南煙區(qū)、北方煙區(qū)及國外煙區(qū)之間差異顯著，但各煙區(qū)果膠含量變異系數(shù)較小。

4 煙葉果膠與感官質(zhì)量的關(guān)系

外觀質(zhì)量是煙葉生產(chǎn)上評價煙葉質(zhì)量的直觀性指標(biāo)，而感官質(zhì)量則是反映煙葉原料使用價值的決定性指標(biāo)。對于煙草感官質(zhì)量來說，果膠在煙草燃燒熱解過程中會生成甲醇，進(jìn)而氧化為甲醛、甲酸等成分，帶來青雜氣息增強(qiáng)、香氣不夠透發(fā)、辛辣和刺激性增強(qiáng)等負(fù)面作用。此外，煙葉中果膠含量高還會導(dǎo)致卷煙產(chǎn)品焦油量高［23-25］。因此，在煙葉烘烤和醇化過程中，應(yīng)盡可能創(chuàng)造促進(jìn)果膠降解的條件，提高煙葉質(zhì)量。

前人進(jìn)行了大量關(guān)于不同因素對烤煙評吸質(zhì)量影響的研究并取得了豐碩成果。郭松［22］研究不同果膠含量對烤煙品質(zhì)的影響，根據(jù)烤煙果膠含量進(jìn)行聚類分析，按果膠含量將樣品劃分為低、中、高3個類群，對比評吸不同含量果膠煙葉的感官質(zhì)量，發(fā)現(xiàn)高果膠含量的烤煙其香氣質(zhì)、余味、刺激性等指標(biāo)得分顯著低于中、低果膠含量類群；雜氣指標(biāo)方面，低果膠含量類群得分顯著高于中、高果膠含量類群，此外還發(fā)現(xiàn)濃香型烤煙其果膠含量顯著低于清香型，說明烤煙果膠含量還影響烤煙的香型特征。任曉紅等［19］研究指出糖類化合物中，果膠對香氣質(zhì)的影響僅次于總糖，而高于還原糖、纖維素和淀粉；對刺激性的影響僅次于木質(zhì)素和鉀，高于總糖；對燃燒性的影響低于總糖、還原糖和鉀，高于纖維素；對灰色影響低于纖維素，高于鉀、木質(zhì)素和揮發(fā)堿。陳紅麗等［26］在對四川省烤煙煙葉果膠含量與吸食品質(zhì)關(guān)系研究中發(fā)現(xiàn)，烤煙中果膠含量與感官評吸的香氣質(zhì)、香氣量、雜氣、余味的指標(biāo)得分以及評吸總得分呈負(fù)相關(guān)，而與燃燒性指標(biāo)得分呈正相關(guān)。

5 煙葉果膠的調(diào)控措施

煙草中對感官吸食品質(zhì)不利的大分子物質(zhì)得以有效地分解和轉(zhuǎn)化以及小分子致香物質(zhì)的積累，對于促進(jìn)煙草內(nèi)在品質(zhì)的提高具有重要作用［27］。基于該原理，前人利用生物酶制劑把煙葉中的果膠轉(zhuǎn)化為水溶性糖，進(jìn)而在提高煙葉質(zhì)量方面進(jìn)行了積極探索。鄧國賓等［28］從優(yōu)質(zhì)煙葉上分離出降果膠質(zhì)的功能菌株，發(fā)酵所得的酶液處理上部煙葉，發(fā)現(xiàn)處理后煙葉果膠含量顯著下降，降幅可達(dá)18.44%，同時煙葉的香氣質(zhì)、雜氣、刺激性、勁頭和余味都有所改善，煙葉的使用價值提高。于建軍等［29］在果膠酶解試驗中，研究了果膠酶用量與煙草果膠含量、常規(guī)化學(xué)成分、中性致香物質(zhì)含量的關(guān)系，確定了果膠酶的最佳用量為100 U/g，此時煙葉中性致香物質(zhì)總量較對照提高29.94%，感官評吸的香氣質(zhì)和香氣量指標(biāo)得分顯著提高。閻克玉等［21］進(jìn)一步研究了復(fù)配酶制劑的施用參數(shù)，發(fā)現(xiàn)果膠酶和纖維素酶用量均為30 U/g 煙葉、煙葉含水率25%、反應(yīng)溫度50 ℃、反應(yīng)時間4 h 時，煙葉細(xì)胞壁物質(zhì)含量下降7.9%～11.3%，經(jīng)過酶處理的煙葉香氣質(zhì)變好，灼燒感和枯焦氣減輕，刺激性和嗆咳感減輕，煙氣甜味增加，余味變好，煙葉總體質(zhì)量得以提升。林凱［30］提出了卷煙制絲工藝的新方法，在現(xiàn)有煙梗處理工藝基礎(chǔ)上，通過加酶洗梗處理，發(fā)現(xiàn)在果膠酶濃度0.10%、纖維素酶濃度0.10% 條件下，煙梗含量降低32.50%～37.18%，且煙梗絲的內(nèi)在質(zhì)量明顯提高。

6 小結(jié)

果膠與纖維素、半纖維素、木質(zhì)素是煙草細(xì)胞壁的重要組成部分，但果膠含量過高對煙草的倉儲安全性、吸食品質(zhì)有負(fù)面影響，因而調(diào)控?zé)煵葜械墓z含量成為煙草行業(yè)研究的熱點。生物酶技術(shù)的發(fā)展為煙草中果膠含量的調(diào)控提供了重要途徑。但該方法存在處理程度較重、能耗高、生產(chǎn)線需要進(jìn)行大量的技術(shù)改進(jìn)等問題，限制了果膠酶的應(yīng)用，因而急需開發(fā)一種反應(yīng)條件要求低、常溫下即可實現(xiàn)有效降解果膠的酶制劑，利于生物酶技術(shù)在卷煙制造上實現(xiàn)推廣和應(yīng)用。隨著生物技術(shù)的發(fā)展，最適反應(yīng)溫度較低（如常溫）、反應(yīng)效率高、與現(xiàn)有制絲生產(chǎn)線工藝匹配度高的果膠降解酶資源會被充分挖掘出來，并開發(fā)成固態(tài)煙草專用果膠酶制劑，卷煙原料煙草生物酶應(yīng)用過程中出現(xiàn)的上述難題將會被攻破，最終在市場上得以推廣和應(yīng)用。