廢煙末與脯氨酸的卷煙增香美拉德反應(yīng)條件篩選

班強(qiáng)　王萍娟　李志華　劉鴻　李小蘭　周蕓　黃世杰　田玉紅

摘要：通過四因素四水平的正交試驗(yàn)考察了廢煙末煙膏與脯氨酸美拉德反應(yīng)的最佳條件，對(duì)甘油層和三醋酸甘油酯層中反應(yīng)產(chǎn)物卷煙加香感官評(píng)價(jià)結(jié)果表明，反應(yīng)溫度100 ℃、時(shí)間9 h、廢煙末煙膏∶氨基酸3∶1、甘油在甘油-三醋酸甘油酯中用量百分比40%，對(duì)煙絲和嘴棒的加香效果都達(dá)到最佳。對(duì)最佳條件的混合反應(yīng)產(chǎn)物進(jìn)行GC/MS分析鑒定，35種產(chǎn)物中包括2-甲基吡嗪、2-乙酰基呋喃、2-吡咯烷酮、2-哌啶酮、1-乙?；量┩榈葘?duì)煙草香味有著很好修飾作用的美拉德反應(yīng)產(chǎn)物，以及煙堿、苯乙烯、香草醛、莨菪亭、4，7，9-巨豆三烯-3-酮等加強(qiáng)煙草本香化合物，可以作為煙用香料用于卷煙加香。

關(guān)鍵詞：廢煙末；脯氨酸；甘油；三醋酸甘油酯；美拉德反應(yīng)條件

中圖分類號(hào)：S572 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2017）03-0497-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2017.03.026

Screening of Maillard Reaction Conditions of Tobacco Wastes and Proline in Cigarette Favor Enchancemant

BAN Qiang1，WANG Ping-juan1，LI Zhi-hua1，LIU Hong1，LI Xiao-lan1，ZHOU Yun1，HUANG Shi-jie1，TIAN Yu-hong2

（1.Technology Center， China Tobacco Guangxi Industrial Co.， Ltd.， Nanning 530001， China；

2.Guangxi University of Science and Technology， Liuzhou 545006， Guangxi， China）

Abstract： Using flavored cigarettes of Maillard reaction products of tobacco wastes extracts and amino acids as the evaluation index， the optimum reaction conditions optimized by L16（45） orthogonal experiments showed that temperature for 100 ℃， reaction time for 9 h， ratio of tobacco wastes extracts to amino acids 3∶1， ratio of glycerol to glyceryl triacetate 4∶6. 35 kinds of compounds were detected in mix reaction products under the best conditions by GC/MS， including 2-methyl-pyrazine，1-（2-furanyl）-ethanone，2-pyrrolidinone，2-Piperidinone and 1-acetyl-pyrrolidine of Maillard reaction products can play a good modification on flavor of cigarette， and nicotine，styrene，vanillin，scopoletin，4，7，9-Megastigmatrien-3-one can strengthen tobacco scent of cigarette.

Key words： tobacco wastes； proline； glycerol； glyceryl triacetate； Maillard reaction conditions

烤煙型卷煙的香氣特點(diǎn)要突出煙草本香，而常用的減害降焦技術(shù)對(duì)煙氣沒有足夠的選擇性，降焦的同時(shí)本香也隨之減弱了[1-4]。在卷煙生產(chǎn)過程中產(chǎn)生大量的廢棄煙末[5]，廢棄煙末中特征風(fēng)味物質(zhì)與煙葉相似[6]，而且還含有大量的美拉德反應(yīng)所需的還原糖[7]，通過美拉德反應(yīng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)廢棄煙末的再利用，可減少非煙草來源的香味物質(zhì)的應(yīng)用，降低生產(chǎn)成本并提高卷煙品質(zhì)。以往的美拉德反應(yīng)研究大多通過煙絲加香進(jìn)行香味物質(zhì)補(bǔ)償[8-13]，實(shí)際上濾嘴離口腔近截留作用更小，而且卷煙燃燒期間溫度較低，避免了香味成分裂解[14，15]，在濾嘴中添加美拉德反應(yīng)香味物質(zhì)也是一個(gè)重要的研究方向。

美拉德反應(yīng)可以通過反應(yīng)條件來控制反應(yīng)向需求的方向發(fā)展[16]。選擇溶解氨基酸和還原糖的煙絲保潤(rùn)劑甘油作為非水反應(yīng)介質(zhì)，選擇醋纖嘴棒生產(chǎn)過程中所使用的增塑劑三醋酸甘油酯作為反應(yīng)-萃取耦合工藝的萃取劑來進(jìn)行美拉德反應(yīng)物質(zhì)的萃取分離，溶于三醋酸甘油酯層中的美拉德反應(yīng)物質(zhì)，在上膠工藝中噴到醋纖絲束上，研制出加香嘴棒；溶于甘油層的美拉德反應(yīng)物質(zhì)可直接用于煙絲加料環(huán)節(jié)。本研究探討廢棄煙末煙膏與脯氨酸在甘油反應(yīng)媒液/三醋酸甘油酯萃取液中進(jìn)行美拉德反應(yīng)制備煙用香料，運(yùn)用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)優(yōu)化反應(yīng)物，采用液液連續(xù)萃取和GC/MS對(duì)香料成分進(jìn)行分析，并將香料添加于廣西某卷煙葉組和濾嘴中進(jìn)行應(yīng)用評(píng)價(jià)。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗(yàn)中所用的煙末采自廣西中煙工業(yè)有限責(zé)任公司生產(chǎn)線上產(chǎn)生的廢棄煙末。將上述廢棄煙末粉碎后制成煙粉，過60目篩后備用。試驗(yàn)儀器有CMB-120小型卷煙機(jī)（德國(guó)BurgHArt公司）、7890A/5975C氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀（美國(guó)Agilent公司）。美拉德反應(yīng)產(chǎn)物通過NIST 11標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)譜數(shù)據(jù)庫進(jìn)行定性分析。脯氨酸（國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司）和其他試劑均為分析純。

1.2 方法

1.2.1 樣品前處理 采用增加二次冷凍過濾步驟優(yōu)化廢煙末煙膏的提取工藝。稱取20 g廢棄煙末粉末于500 mL圓底燒瓶，加入200 mL 95%乙醇（固液比1∶10）于80 ℃水浴回流3 h，趁熱抽濾，去掉濾渣，將濾液在4 ℃靜置24 h，再過濾，濾液用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀濃縮至無液體滴出，得廢煙末煙膏。

1.2.2 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì) 試驗(yàn)選取物料比、反應(yīng)溫度、時(shí)間、甘油-三醋酸甘油酯比四因素考察廢煙末煙膏與脯氨酸美拉德反應(yīng)物對(duì)卷煙增香的影響，設(shè)計(jì)了廢煙末煙膏與脯氨酸質(zhì)量比、反應(yīng)溫度、時(shí)間、甘油在甘油-三醋酸甘油酯溶劑體中所占的比重四因素四水平L16（45）正交試驗(yàn)，煙膏和脯氨酸質(zhì)量與甘油和三醋酸甘油酯質(zhì)量比1∶10，對(duì)美拉德反應(yīng)工藝進(jìn)行研究以產(chǎn)物在卷煙中的加香效果為指標(biāo)，確定最佳的美拉德反應(yīng)工藝條件，試驗(yàn)因素與水平見表1。

1.2.3 美拉德反應(yīng)產(chǎn)物分析條件 采用連續(xù)液液萃取法（LLE）對(duì)廢煙末煙膏美拉德反應(yīng)物中揮發(fā)性和半揮發(fā)性成分進(jìn)行提取，通常不能直接進(jìn)入色譜進(jìn)行分析，需要通過前處理提取后才能分析。發(fā)現(xiàn)了一定量的丙二醇，煙末煙膏中還發(fā)現(xiàn)了甘油以及丙二醇縮醛類，說明在煙膏制備過程中有少量其他醇類引入。另外，在煙末煙膏中發(fā)現(xiàn)了糖類的衍生物及低碳脂類化合物，即取7.0 g反應(yīng)物，加入100 mL 100 g/L食鹽水，充分?jǐn)噭蚝筠D(zhuǎn)移至預(yù)先在底部加入10 mL二氯甲烷的萃取器后，再向萃取器250 mL燒瓶中加入40 mL二氯甲烷，在65 ℃水浴鍋上加熱，連續(xù)提取5 h。取下裝置，往二氯甲烷溶液中加入無水硫酸鈉固體干燥后，濃縮至1 mL，取1.0 μL進(jìn)行GC/MS分析。氣相色譜條件：毛細(xì)管色譜柱HP-5MS（30 m×0.25 mm×0.25 μm，J&W Scientific）；采用程序升溫：50 ℃保持1 min，以2 ℃/min升至250 ℃，保持5 min；載氣為高純氦氣，流量1.0 mL/min；進(jìn)樣量1 μL，分流比1∶100，進(jìn)樣口溫度280 ℃。質(zhì)譜條件：EI電離源，電子能量70 eV，電子倍增器電壓1.5 kV，質(zhì)量掃描范圍3～550 Amu，離子源溫度：230 ℃。用NIST 11標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)譜庫定性分析。

1.2.4 美拉德反應(yīng)產(chǎn)物的卷煙加香評(píng)吸試驗(yàn) 將正交試驗(yàn)得到的16份甘油層的美拉德反應(yīng)產(chǎn)物分別用70%乙醇稀釋成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的溶液，按與煙絲0.5%的質(zhì)量百分比的加入量均勻噴加到云南昭通C3L單料煙，卷制成16份煙支，同時(shí)在另一份試驗(yàn)煙絲上添加相同量的乙醇作為對(duì)照樣。用微量進(jìn)樣器將正交試驗(yàn)得到的16份三醋酸甘油酯層的美拉德反應(yīng)產(chǎn)物1 μL分別均勻注入到“真龍”品牌卷煙嘴棒中，得16份煙支，同時(shí)在另一份卷煙濾嘴中上添加相同量的三醋酸甘油酯作為對(duì)照樣。將上述煙支置于溫度為（22±1） ℃，相對(duì)濕度為（60±2）%的恒溫恒濕箱中平衡48 h，組織7位具有省級(jí)卷煙評(píng)吸資質(zhì)的人員進(jìn)行評(píng)吸。

2 結(jié)果與分析

2.1 美拉德反應(yīng)產(chǎn)物在卷煙中的加香效果

美拉德反應(yīng)是十分復(fù)雜的化學(xué)過程，反應(yīng)產(chǎn)物受許多因素的影響，而且受各因素之間相互交叉的影響，因此，為了全面考察影響因素，設(shè)計(jì)了四因素四水平正交試驗(yàn)，以甘油層產(chǎn)物在煙絲和三醋酸甘油酯層產(chǎn)物在嘴棒中的加香效果為評(píng)價(jià)指標(biāo)，確定最佳的美拉德反應(yīng)工藝條件。

由表2可以看出，正交反應(yīng)條件下，廢煙末煙膏與脯氨酸的16個(gè)反應(yīng)產(chǎn)物對(duì)煙絲和嘴棒的加香效果主要為正面效果。經(jīng)過評(píng)吸發(fā)現(xiàn)，甘油層的美拉德反應(yīng)產(chǎn)物對(duì)煙絲的加香效果以及三醋酸甘油酯層的美拉德反應(yīng)物對(duì)嘴棒加香效果都比較好的反應(yīng)條件有：A1B1C1D1、A1B3C3D3、A1B4C4D4、A2B1C2D3、A2B2C1D4、A2B4C3D2、A3B2C4D3、A3B3C1D2和A4B4C1D3。

綜合評(píng)價(jià)后，最佳工藝條件為A3B3C1D2，即當(dāng)反應(yīng)條件為溫度100 ℃、反應(yīng)時(shí)間9 h、煙膏用量∶氨基酸用量為3∶1、甘油用量40%時(shí)，甘油層中的美拉德反應(yīng)物對(duì)煙絲的加香效果和三醋酸甘油酯層中的美拉德反應(yīng)物對(duì)嘴棒的加香效果都達(dá)到最佳。甘油層產(chǎn)物的煙絲加香增加厚實(shí)感和爆發(fā)力，余味較適；三醋酸甘油酯層產(chǎn)物嘴棒加香質(zhì)感提升、煙氣成團(tuán)性較好。

2.2 美拉德反應(yīng)產(chǎn)物的GC/MS鑒定

在廢煙末煙膏與脯氨酸最佳反應(yīng)條件下，將美拉德反應(yīng)產(chǎn)物進(jìn)行GC/MS分析，得到的總離子流色譜圖見圖1。

通過NIST 11標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)譜數(shù)據(jù)庫確認(rèn)定性，當(dāng)相似度大于80%的鑒定結(jié)果予以報(bào)道。氣相色譜圖上顯示出的成分很多，質(zhì)譜可成功定性的組分相對(duì)較少，除了甘油和三醋酸甘油酯外僅有35種。除去三醋酸甘油酯和甘油峰，各個(gè)物質(zhì)的定量后采用峰面積歸一化法求的相對(duì)百分含量，所得檢測(cè)結(jié)果見表3。

由表3可知，共鑒定出35個(gè)化合物占揮發(fā)性成分的47.74%。2-甲基吡嗪有堅(jiān)果香、烤香，掩蓋煙草雜氣，增加香韻[13]，2-乙酰基呋喃具有烘烤香[17]。還有一些酰胺成分，它們對(duì)煙葉的香氣也一定的影響。2-吡咯烷酮使煙味具有堅(jiān)果香和巧克力風(fēng)味[18]。2-哌啶酮使煙味變得具有甜味、似白肋煙[18]。1-乙酰基吡咯烷類擁有令人愉快的類似于谷類食品或芝麻的芳香氣味[19]。這些成分由美拉德反應(yīng)產(chǎn)生，對(duì)煙草香味有著很好的修飾作用。

煙堿等煙草生物堿除了增加卷煙香味和產(chǎn)生刺激性外，還提高低焦油卷煙勁頭。苯乙烯具有特有的芳香香脂香接近花香的香氣[20]。香草醛具有香莢蘭香氣及濃郁的奶香，可有效增加卷煙煙香，柔和煙氣，降低刺激性[21]。莨菪亭與干草香呈極顯著正相關(guān)，且可改善煙葉的醇和度[22]。4，7，9-巨豆三烯-3-酮具有改善煙香，柔和豐滿，掩蓋雜味，增進(jìn)吃味，是煙草中關(guān)鍵的致香成分[23]。棕櫚酸乙酯使煙氣香氣醇和。半揮發(fā)性十三酸可以調(diào)節(jié)煙氣的酸堿度，使吸味醇和、增加煙氣濃度，是酸性潛香成分[24，25]。β-谷甾醇煙草中的植物甾醇是構(gòu)成煙葉油分的主要成分之一，與煙草品質(zhì)正相關(guān)[26]。維生素可以減少煙氣的刺激性及降低煙氣中煙草特有亞硝胺，并有抗氧化的效果。由此可知，廢次煙末雖然經(jīng)過了美拉德反應(yīng)過程，仍然含有大量的煙草重要致香成分，可以作為體現(xiàn)煙草“本香”物質(zhì)的來源，以提高卷煙香氣水平。

3 小結(jié)

試驗(yàn)以廢煙末為原料，通過正交試驗(yàn)確定廢煙末煙膏與脯氨酸美拉德反應(yīng)的最佳條件：反應(yīng)溫度100 ℃、反應(yīng)時(shí)間9 h、煙膏用量∶氨基酸用量為3∶1、甘油用量為40%，甘油層和三醋酸甘油酯層中的美拉德反應(yīng)物分別對(duì)煙絲和嘴棒的加香效果都達(dá)到最佳。感官評(píng)價(jià)的結(jié)果表明，甘油層產(chǎn)物煙絲加香增加煙氣厚實(shí)感和爆發(fā)力、余味較適；三醋酸甘油酯層產(chǎn)物嘴棒加香提升煙氣質(zhì)感、煙氣成團(tuán)性較好。對(duì)最佳條件的混合反應(yīng)產(chǎn)物進(jìn)行GC/MS分析，得到主要的揮發(fā)性成分35種，其中包括2-甲基吡嗪、2-乙?；秽?、2-吡咯烷酮、2-哌啶酮、1-乙?；量┩榈葘?duì)煙草香味有著很好修飾作用的美拉德反應(yīng)產(chǎn)物，以及煙堿、苯乙烯、香草醛、莨菪亭、4，7，9-巨豆三烯-3-酮等加強(qiáng)煙草本香的風(fēng)味化合物，可以作為煙用香料用于卷煙加香。

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