變黃期烘烤參數(shù)優(yōu)化對加熱卷煙煙葉美拉德反應(yīng)物的影響*

陳 頤，韓 香，楊彥明，錢 雷，唐石云，孫曉晨，姜永雷，蘇家恩**

(1.云南省煙草農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院，云南 昆明 650031；2.云南省煙草公司 大理州公司，云南 大理 671000；3.云南省煙草公司 玉溪市公司，云南 玉溪 653100；4.云南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司 技術(shù)中心，云南 昆明 650231；5.天津大學(xué) 管理與經(jīng)濟學(xué)部，天津 300072)

新型煙草制品是相對傳統(tǒng)煙草制品而言，指含有煙草或能產(chǎn)生煙霧和味道、能帶給人抽吸快感、滿足生理需求但又不屬于諸如卷煙等其他類別的煙草制品[1]，一般認為主要包括電子煙、加熱卷煙和無煙氣煙草制品。目前主流加熱卷煙產(chǎn)品所使用的煙草薄片在很大程度上取決于煙草物料本身，與傳統(tǒng)卷煙產(chǎn)品相比，加熱卷煙因其低溫加熱(低于350 ℃)的特點，對在低溫體系下煙草物料致香物質(zhì)的釋放量要求更高[2-3]。因此，從煙葉原料類型、品種、生產(chǎn)和調(diào)制等方面進行定向改良，提升加熱卷煙原料煙葉低溫條件下的香氣物質(zhì)釋放是目前研究的熱點[4-5]。趙璐等[6]按加熱卷煙感官評價方法對5 個烤煙品種(系)的烤后煙葉進行感官質(zhì)量評價，明確美拉德反應(yīng)物酮類、醛類、還原糖以及煙堿等與感官評吸指標之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)云煙99 感官評吸表現(xiàn)相對較好，可以作為篩選加熱卷煙煙葉的優(yōu)質(zhì)原料。REN 等[7]研究了不同施氮量和留葉數(shù)互作對加熱卷煙煙葉產(chǎn)質(zhì)量的影響，結(jié)果顯示：畝施氮量8 kg 和留葉數(shù)22 片互作可顯著提高美拉德反應(yīng)物糖類和氨基酸等的含量，并提升加熱卷煙煙葉原料的質(zhì)量。CHEN 等[8]對比了加熱卷煙原料的多種調(diào)制方法(晾制、曬制、烘烤和冷凍干燥)，明確了烘烤可以調(diào)控不同類型煙葉美拉德反應(yīng)物糖類和氨類化合物的分配。

目前，通過優(yōu)化煙葉烘烤環(huán)節(jié)相關(guān)參數(shù)來提升加熱卷煙原料煙葉香氣物質(zhì)的研究較少。在煙葉烘烤過程中，變黃期是增進和改善煙葉風(fēng)格特點的重要階段，該時期是煙葉大分子物質(zhì)降解、小分子物質(zhì)形成的重要時期[9-10]，其中主要化學(xué)變化是蛋白質(zhì)水解形成氨基酸和淀粉水解形成糖，而氨基酸和糖的非酶棕色化反應(yīng)即美拉德反應(yīng)被認為是香氣成分形成的重要過程之一[11-13]。本研究以K326 煙葉為試驗對象，比較煙葉在變黃期不同溫度和時間參數(shù)下的內(nèi)在關(guān)鍵成分差異，旨在提升加熱卷煙煙葉美拉德反應(yīng)物含量，為提高加熱卷煙煙葉在低溫體系下的感官評吸質(zhì)量提供試驗依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料與設(shè)備

試驗于2021 年在云南省大理州彌渡縣(N25°23′15″，E100°24′5″，海拔1 768 m)進行，供試材料為烤煙品種K326 (由玉溪中煙種子有限責(zé)任公司提供)，選取適熟的中部葉為研究對象。配置 3 臺電熱自動控溫、控濕中型可視化密集烤箱 (云南省大理州煙草公司定制機，容量2 000～2 400 片)進行烘烤試驗，編煙裝烤時每個智能控制烤煙箱裝煙20～24 竿，共 2 層，確保處理間裝煙密度一致。烘烤過程中嚴格按處理方案及時準確升溫排濕，風(fēng)速調(diào)控由溫控儀自動控制。

1.2 試驗設(shè)計

選取田間長勢一致、正常成熟落黃的中部葉(自下而上第 9～11 片)，置于小型密集烤箱設(shè)施環(huán)境中進行裝煙烘烤，烤箱為氣流下降式。以變黃中期38.0 ℃和變黃后期42.0 ℃關(guān)鍵溫度點進行穩(wěn)溫時間和升溫速率優(yōu)化，共設(shè)置3 個處理，分別為延長穩(wěn)溫時間變黃工藝(T1)、緩慢升溫變黃工藝(T2)和升溫穩(wěn)溫(對照，CK)烘烤工藝。

T1：延長穩(wěn)溫時間變黃工藝。以1.0 ℃/2 h的升溫速率將干球溫度升至38.0 ℃，濕球溫度調(diào)至36.0 ℃，穩(wěn)定干、濕球溫度，穩(wěn)溫28 h，高溫層煙葉基本全黃、凋萎；變黃后期，以1.0 ℃/2 h的升溫速率將干球溫度升至42.0 ℃，濕球溫度調(diào)至36.0 ℃，穩(wěn)定干、濕球溫度，穩(wěn)溫 28 h，低溫層煙葉基本全黃、發(fā)軟。定色期和干筋期按“七步進階式”(表1)正常烘烤，烘烤總時間為194 h。

表1 小型密集烤箱“七步進階式”烘烤工藝簡表Tab.1 Simple table of curing process “seven-step advanced type”in miniature flue-curing barn

T2：緩慢升溫變黃工藝。進入變黃中期，以1.0 ℃/3 h 的升溫速率將干球溫度升至38.0 ℃，濕球溫度調(diào)至36.0 ℃，穩(wěn)定干、濕球溫度，穩(wěn)溫20 h，高溫層煙葉基本全黃、凋萎；變黃后期，以1.0 ℃/3 h 的升溫速率將干球溫度升至42.0 ℃，濕球溫度調(diào)至36.0 ℃，穩(wěn)定干、濕球溫度，穩(wěn)溫20 h，低溫層煙葉基本全黃、發(fā)軟。定色期和干筋期按“七步進階式”(表1)正常烘烤，烘烤總時間為186 h。

CK：升溫穩(wěn)溫工藝。按“七步進階式”(表1)烘烤，烘烤總時間為178 h。

1.3 測定方法

在煙葉烘烤結(jié)束后取樣，將樣品置于—10 ℃冰箱保存待檢。樣品中的淀粉、總糖、還原糖、總氮和煙堿含量采用連續(xù)流動法測定[14-17]；葡萄糖、果糖和麥芽糖含量采用高效液相色譜—蒸發(fā)光散射檢測器測定[18]；蛋白質(zhì)含量采用考馬斯亮藍法測定[19]；游離氨基酸含量采用茚三酮法測定[19]；脯氨酸含量采用磺基水楊酸法測定[19]；質(zhì)體色素類(β-胡蘿卜素和葉黃素)含量采用乙醇—分光光度計法測定[20]；多酚類(綠原酸和蕓香苷)含量采用高效液相色譜法測定[21]。

加熱卷煙煙葉原料感官評價由云南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司(以下簡稱“云南中煙”)技術(shù)中心進行。按照云南中煙現(xiàn)有某規(guī)格加熱卷煙煙彈產(chǎn)品技術(shù)要求，將煙葉樣品通過涂布式稠漿法制成再造煙葉，切割成絲，呈束狀卷制于卷煙紙中制成煙彈。該樣品僅使用葉膏和梗膏制備，未添加料香模塊和煙粉模塊。煙彈加熱設(shè)備為云南中煙生產(chǎn)的中心加熱卷煙煙具，評吸煙具統(tǒng)一分發(fā)，并在250～350 ℃范圍內(nèi)加熱煙彈。加熱卷煙煙葉感官評價由具有卷煙感官質(zhì)量評吸資質(zhì)的5～7 位評吸專家完成。按照云南中煙企業(yè)標準《新型卷煙感官評價方法》(Q/YNZY.J 04.022-2015)，對煙霧量(10 分)、香氣香味(30 分)、勁頭(10 分)、協(xié)調(diào)性(10 分)、刺激性(15 分)和口感(25 分) 等6 個指標進行評價打分，最小分度值為0.5 分，煙霧量、香氣香味、勁頭、協(xié)調(diào)性和口感越高/大/好，打分越高；刺激性越少/小，打分越高。每個指標達到相應(yīng)要求時，按照評分標準對試樣各單項計分，加熱卷煙感官質(zhì)量計分采用百分制。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

采用 Excel 2020 和SPSS 22.0 分析軟件對數(shù)據(jù)進行方差分析、計算、統(tǒng)計和制表。利用Python軟件，通過Scikit learn 機器學(xué)習(xí)程序包構(gòu)建加熱卷煙煙葉糖類物質(zhì)、氮類物質(zhì)、香氣前體物以及加熱卷煙煙葉原料感官評價指標的偏最小二乘路徑模型，系統(tǒng)分析多組變量數(shù)據(jù)之間的關(guān)系。

2 結(jié)果與分析

2.1 變黃期優(yōu)化烘烤參數(shù)對加熱卷煙煙葉糖類物質(zhì)的影響

由表2 可知：變黃期延長穩(wěn)溫時間工藝(T1)、緩慢升溫工藝(T2)均與升溫穩(wěn)溫工藝(CK)的煙葉淀粉、總糖、還原糖、葡萄糖和果糖含量存在極顯著差異(P＜0.01)，其中淀粉含量表現(xiàn)為CK＞T1＞T2，而其他糖類含量為T2＞T1＞CK，表明在變黃期延長穩(wěn)溫時間和緩慢升溫均有利于淀粉降解和還原糖轉(zhuǎn)化，其中緩慢升溫處理效果更佳。

表2 變黃期優(yōu)化烘烤參數(shù)后加熱卷煙煙葉糖類物質(zhì)的差異分析Tab.2 Differential analysis of carbohydrate in tobacco materials for heated tobacco products after optimizing curing parameters during yellowing stage %

2.2 變黃期優(yōu)化烘烤參數(shù)對加熱卷煙煙葉氮類物質(zhì)的影響

由表3 可知：變黃期延長穩(wěn)溫時間工藝(T1)、緩慢升溫工藝(T2) 均與升溫穩(wěn)溫工藝(CK)的煙葉蛋白質(zhì)、游離氨基酸和脯氨酸含量存在顯著或極顯著差異(P＜0.05 或P＜0.01)，其中蛋白質(zhì)含量表現(xiàn)為CK＞T1＞T2，而游離氨基酸和脯氨酸含量為T2＞T1＞CK，表明烘烤過程中煙葉蛋白質(zhì)與氨基酸之間存在消長關(guān)系，并且緩慢升溫處理更有利于煙葉大分子物質(zhì)的降解和轉(zhuǎn)化。

表3 變黃期優(yōu)化烘烤參數(shù)后加熱卷煙煙葉氮類物質(zhì)的差異分析Tab.3 Differential analysis of nitrogen compound in tobacco materials for heated tobacco products after optimizing curing parameters during yellowing stage %

2.3 變黃期優(yōu)化烘烤參數(shù)對加熱卷煙煙葉香氣前體物的影響

由表4 可知：變黃期延長穩(wěn)溫時間工藝(T1)、緩慢升溫工藝(T2) 均與升溫穩(wěn)溫工藝(CK)的煙葉葉黃素和蕓香苷含量存在顯著差異(P＜0.05)，其他指標差異不顯著，具體表現(xiàn)為T1和T2處理烤后煙葉的葉黃素含量顯著低于CK，而蕓香苷含量顯著高于CK，表明烘烤過程中變黃期優(yōu)化工藝參數(shù)有利于煙葉葉黃素降解，可加速蕓香苷的轉(zhuǎn)化和積累。

表4 變黃期優(yōu)化烘烤參數(shù)后加熱卷煙煙葉香氣前體物的差異分析Tab.4 Differential analysis of aroma precursors in tobacco materials for heated tobacco products after optimizing curing parameters during yellowing stage

2.4 變黃期優(yōu)化烘烤參數(shù)對加熱卷煙煙葉感官評吸的影響

由表5 可知：變黃期優(yōu)化烘烤參數(shù)處理下加熱卷煙煙葉感官質(zhì)量評吸總分存在顯著差異(P＜0.05)，表現(xiàn)為T2＞T1＞CK；香氣香味得分也存在極顯著差異(P＜0.01)，表現(xiàn)為T2＞T1＞CK。表明變黃期緩慢升溫烘烤工藝的加熱卷煙煙葉香氣香味得分和感官評吸總分相對較高。

表5 變黃期優(yōu)化烘烤參數(shù)后加熱卷煙煙葉感官評價結(jié)果Tab.5 Results of sensory evaluation in tobacco materials for heated tobacco products after optimizing curing parameters during yellowing stage

2.5 加熱卷煙煙葉美拉德反應(yīng)物與感官評吸質(zhì)量指標的偏最小二乘路徑模型

偏最小二乘路徑模型的擬合優(yōu)度為0.725，說明潛變量之間的性質(zhì)和密切程度可靠性好、精度高，同時也說明模型整體擬合效果較好，具有一定的參考價值。由圖1 可知：加熱卷煙煙葉美拉德反應(yīng)物還原糖正向作用香氣香味總分(通徑系數(shù)1.765，P＜0.01)和感官評吸總分(通徑系數(shù)2.178，P＜0.01)，游離氨基酸正向作用香氣香味總分(通徑系數(shù)1.225，P＜0.01)和感官評吸總分(通徑系數(shù)1.034，P＜0.01)，蕓香苷正向作用香氣香味總分(通徑系數(shù)0.977，P＜0.01)和感官評吸總分(通徑系數(shù)1.103，P＜0.01)，而總糖反向作用感官評吸總分(通徑系數(shù)—1.063，P＜0.01)，其他指標對香氣香味總分和感官評吸總分的影響不顯著。加熱卷煙煙葉美拉德反應(yīng)物總糖、還原糖、游離氨基酸、葉黃素和蕓香苷之間能互相影響，最終共同提高加熱卷煙煙葉原料的感官評吸質(zhì)量。

圖1 偏最小二乘路徑模型Fig.1 Partial least squares path modeling

3 討論

煙草的風(fēng)味特征通常由幾種表征化合物或關(guān)鍵化合物決定[22]，這些表征化合物通常在煙草種子、生長、成熟及貯藏過程中或是在原料調(diào)制加工過程中形成。美拉德反應(yīng)也稱羰氨反應(yīng)，是含游離氨基的化合物與還原糖或羰基化合物之間在高溫或常溫條件下的非酶棕色化反應(yīng)，可生成各種具有特殊的香氣嗅感物質(zhì)，對煙葉風(fēng)味特征有較大的影響，因此，美拉德反應(yīng)是熱加工煙草中風(fēng)味物質(zhì)產(chǎn)生的重要途徑之一[23]。

3.1 加熱卷煙煙葉美拉德反應(yīng)物中的糖類物質(zhì)和香氣前體物

美拉德反應(yīng)物中的羰基化合物包括醛、酮、還原糖及脂肪氧化生成的羰基化合物等[24]，其中還原糖是美拉德反應(yīng)體系的主要底物之一。本研究通過優(yōu)化變黃期烘烤工藝參數(shù)(延長穩(wěn)溫時間和緩慢升溫工藝)，使烤后煙葉淀粉降解較為充分，還原糖、果糖和葡萄糖含量顯著增加，加熱卷煙煙葉感官評吸總分較高，各方面指標比例較協(xié)調(diào)。變黃期延長穩(wěn)溫時間和緩慢升溫均有利于美拉德反應(yīng)物糖類物質(zhì)的形成，可在低溫(250～350 ℃)加熱時釋放更多美拉德香味物質(zhì)，提高加熱卷煙煙葉感官質(zhì)量，這與宋朝鵬等[25]的研究結(jié)果基本一致。

蕓香苷(黃酮)與葉黃素是煙葉中重要的致香前體物質(zhì)，可在一定程度上影響煙葉的香氣質(zhì)和香氣量。李婷婷等[26]研究表明：在烘烤變黃期適當(dāng)延長變黃時間，有利于大分子物質(zhì)的分解及致香前體物質(zhì)的形成。本研究表明：在烘烤過程中，變黃期延長穩(wěn)溫時間和緩慢升溫均可以適當(dāng)提升美拉德反應(yīng)物含量，有利于煙葉葉黃素和蕓香苷的轉(zhuǎn)化和積累。

3.2 加熱卷煙煙葉美拉德反應(yīng)物中的氮類物質(zhì)

美拉德反應(yīng)物中的游離氨基化合物包括胺、氨基酸、肽以及次生代謝產(chǎn)物煙堿等，其中氨基酸是美拉德反應(yīng)的重要物質(zhì)基礎(chǔ)之一，游離氨基酸的種類和含量可以調(diào)控美拉德反應(yīng)的需求方向和強度[27]。本研究在變黃期延長穩(wěn)溫時間和緩慢升溫工藝后，烤后煙葉蛋白質(zhì)含量降解至約5%，游離氨基酸和脯氨酸含量顯著升高，加速了煙葉蛋白質(zhì)和氨基酸之間的消長關(guān)系，這與陳頤等[28]的研究結(jié)果相符。班強等[29]研究發(fā)現(xiàn)：脯氨酸作為美拉德反應(yīng)的反應(yīng)物，在一定條件下可形成多種香氣物質(zhì)，產(chǎn)生令人愉悅的香氣，掩蓋其他物質(zhì)產(chǎn)生的雜氣。本研究在優(yōu)化變黃期烘烤工藝后煙葉脯氨酸含量顯著增加，提升了加熱卷煙煙葉的感官質(zhì)量。

3.3 加熱卷煙煙葉美拉德反應(yīng)物與感官評吸質(zhì)量的關(guān)系

蘇宇等[12]研究表明：美拉德反應(yīng)物煙葉還原糖與香氣量、透發(fā)性、雜氣以及干燥感呈極顯著正相關(guān)，脯氨酸含量與煙氣透發(fā)性、雜氣和刺激性呈顯著或極顯著正相關(guān)，蕓香苷與香氣質(zhì)、香氣量及圓潤感呈顯著或極顯著正相關(guān)；還原糖、脯氨酸和蕓香苷含量增加，有利于改善煙葉的香氣質(zhì)、香氣量、柔和度及圓潤感。本研究也表明：加熱卷煙煙葉美拉德反應(yīng)物還原糖、游離氨基酸和蕓香苷均正向作用于香氣香味總分和感官評吸總分。

本研究通過偏最小二乘模型得出其他香氣前體物對香氣香味總分和感官評吸總分的影響不顯著，這主要是由于除蕓香苷外，其他香氣物質(zhì)與感官評吸中香氣指標的相關(guān)性較差。有研究表明：加熱卷煙煙氣中來源于煙葉本身的致香物質(zhì)種類較少，且釋放量較低[30]，這可能是由于加熱卷煙的煙草基質(zhì)主要是煙草薄片，低溫(250～350 ℃)加熱時香味物質(zhì)釋放量減小。同一加熱卷煙中不同香味成分的釋放量差異較大，同一香味成分在不同加熱卷煙中的釋放量差異也較大[31]，因此，加熱卷煙煙葉的香韻特征較差，可能與加熱卷煙煙具的加熱方式、煙草材料香氣物質(zhì)釋放的效率、濾嘴的截留率及煙草材料性質(zhì)有關(guān)，這是下一步研究的重點和關(guān)注方向。

4 結(jié)論

變黃期延長穩(wěn)溫時間和緩慢升溫處理均可適當(dāng)提高美拉德反應(yīng)物含量，有利于煙葉含羰基化合物(還原糖、果糖、葡萄糖、麥芽糖和蕓香苷)和含氨化合物(游離氨基酸和脯氨酸)的轉(zhuǎn)化和積累，從而提高加熱卷煙煙葉感官評吸質(zhì)量，其中緩慢升溫處理的作用更明顯。美拉德反應(yīng)物還原糖、游離氨基酸和蕓香苷正向作用于加熱卷煙煙葉感官評吸質(zhì)量。