废烟末与脯氨酸的卷烟增香美拉德反应条件筛选

2017-03-21班强王萍娟李志华刘鸿李小兰周芸

湖北农业科学 2017年3期

班强　王萍娟　李志华　刘鸿　李小兰　周芸　黄世杰　田玉红

摘要：通过四因素四水平的正交试验考察了废烟末烟膏与脯氨酸美拉德反应的最佳条件，对甘油层和三醋酸甘油酯层中反应产物卷烟加香感官评价结果表明，反应温度100 ℃、时间9 h、废烟末烟膏∶氨基酸3∶1、甘油在甘油-三醋酸甘油酯中用量百分比40%，对烟丝和嘴棒的加香效果都达到最佳。对最佳条件的混合反应产物进行GC/MS分析鉴定，35种产物中包括2-甲基吡嗪、2-乙酰基呋喃、2-吡咯烷酮、2-哌啶酮、1-乙酰基吡咯烷等对烟草香味有着很好修饰作用的美拉德反应产物，以及烟碱、苯乙烯、香草醛、莨菪亭、4，7，9-巨豆三烯-3-酮等加强烟草本香化合物，可以作为烟用香料用于卷烟加香。

关键词：废烟末；脯氨酸；甘油；三醋酸甘油酯；美拉德反应条件

中图分类号：S572 文献标识码：A 文章编号：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

烤煙型卷烟的香气特点要突出烟草本香，而常用的减害降焦技术对烟气没有足够的选择性，降焦的同时本香也随之减弱了[1-4]。在卷烟生产过程中产生大量的废弃烟末[5]，废弃烟末中特征风味物质与烟叶相似[6]，而且还含有大量的美拉德反应所需的还原糖[7]，通过美拉德反应技术实现废弃烟末的再利用，可减少非烟草来源的香味物质的应用，降低生产成本并提高卷烟品质。以往的美拉德反应研究大多通过烟丝加香进行香味物质补偿[8-13]，实际上滤嘴离口腔近截留作用更小，而且卷烟燃烧期间温度较低，避免了香味成分裂解[14，15]，在滤嘴中添加美拉德反应香味物质也是一个重要的研究方向。

美拉德反应可以通过反应条件来控制反应向需求的方向发展[16]。选择溶解氨基酸和还原糖的烟丝保润剂甘油作为非水反应介质，选择醋纤嘴棒生产过程中所使用的增塑剂三醋酸甘油酯作为反应-萃取耦合工艺的萃取剂来进行美拉德反应物质的萃取分离，溶于三醋酸甘油酯层中的美拉德反应物质，在上胶工艺中喷到醋纤丝束上，研制出加香嘴棒；溶于甘油层的美拉德反应物质可直接用于烟丝加料环节。本研究探讨废弃烟末烟膏与脯氨酸在甘油反应媒液/三醋酸甘油酯萃取液中进行美拉德反应制备烟用香料，运用正交试验设计优化反应物，采用液液连续萃取和GC/MS对香料成分进行分析，并将香料添加于广西某卷烟叶组和滤嘴中进行应用评价。

1 材料与方法

1.1 材料

试验中所用的烟末采自广西中烟工业有限责任公司生产线上产生的废弃烟末。将上述废弃烟末粉碎后制成烟粉，过60目筛后备用。试验仪器有CMB-120小型卷烟机（德国BurgHArt公司）、7890A/5975C气相色谱-质谱联用仪（美国Agilent公司）。美拉德反应产物通过NIST 11标准质谱数据库进行定性分析。脯氨酸（国药集团化学试剂有限公司）和其他试剂均为分析纯。

1.2 方法

1.2.1 样品前处理采用增加二次冷冻过滤步骤优化废烟末烟膏的提取工艺。称取20 g废弃烟末粉末于500 mL圆底烧瓶，加入200 mL 95%乙醇（固液比1∶10）于80 ℃水浴回流3 h，趁热抽滤，去掉滤渣，将滤液在4 ℃静置24 h，再过滤，滤液用旋转蒸发仪浓缩至无液体滴出，得废烟末烟膏。

1.2.2 正交试验设计试验选取物料比、反应温度、时间、甘油-三醋酸甘油酯比四因素考察废烟末烟膏与脯氨酸美拉德反应物对卷烟增香的影响，设计了废烟末烟膏与脯氨酸质量比、反应温度、时间、甘油在甘油-三醋酸甘油酯溶剂体中所占的比重四因素四水平L16（45）正交试验，烟膏和脯氨酸质量与甘油和三醋酸甘油酯质量比1∶10，对美拉德反应工艺进行研究以产物在卷烟中的加香效果为指标，确定最佳的美拉德反应工艺条件，试验因素与水平见表1。

1.2.3 美拉德反应产物分析条件采用连续液液萃取法（LLE）对废烟末烟膏美拉德反应物中挥发性和半挥发性成分进行提取，通常不能直接进入色谱进行分析，需要通过前处理提取后才能分析。发现了一定量的丙二醇，烟末烟膏中还发现了甘油以及丙二醇缩醛类，说明在烟膏制备过程中有少量其他醇类引入。另外，在烟末烟膏中发现了糖类的衍生物及低碳脂类化合物，即取7.0 g反应物，加入100 mL 100 g/L食盐水，充分搅匀后转移至预先在底部加入10 mL二氯甲烷的萃取器后，再向萃取器250 mL烧瓶中加入40 mL二氯甲烷，在65 ℃水浴锅上加热，连续提取5 h。取下装置，往二氯甲烷溶液中加入无水硫酸钠固体干燥后，浓缩至1 mL，取1.0 μL进行GC/MS分析。气相色谱条件：毛细管色谱柱HP-5MS（30 m×0.25 mm×0.25 μm，J&W Scientific）；采用程序升温：50 ℃保持1 min，以2 ℃/min升至250 ℃，保持5 min；载气为高纯氦气，流量1.0 mL/min；進样量1 μL，分流比1∶100，进样口温度280 ℃。质谱条件：EI电离源，电子能量70 eV，电子倍增器电压1.5 kV，质量扫描范围3～550 Amu，离子源温度：230 ℃。用NIST 11标准质谱库定性分析。

1.2.4 美拉德反应产物的卷烟加香评吸试验将正交试验得到的16份甘油层的美拉德反应产物分别用70%乙醇稀释成质量分数为10%的溶液，按与烟丝0.5%的质量百分比的加入量均匀喷加到云南昭通C3L单料烟，卷制成16份烟支，同时在另一份试验烟丝上添加相同量的乙醇作为对照样。用微量进样器将正交试验得到的16份三醋酸甘油酯层的美拉德反应产物1 μL分别均匀注入到“真龙”品牌卷烟嘴棒中，得16份烟支，同时在另一份卷烟滤嘴中上添加相同量的三醋酸甘油酯作为对照样。将上述烟支置于温度为（22±1） ℃，相对湿度为（60±2）%的恒温恒湿箱中平衡48 h，组织7位具有省级卷烟评吸资质的人员进行评吸。

2 结果与分析

2.1 美拉德反应产物在卷烟中的加香效果

美拉德反应是十分复杂的化学过程，反应产物受许多因素的影响，而且受各因素之间相互交叉的影响，因此，为了全面考察影响因素，设计了四因素四水平正交试验，以甘油层产物在烟丝和三醋酸甘油酯层产物在嘴棒中的加香效果为评价指标，确定最佳的美拉德反应工艺条件。

由表2可以看出，正交反应条件下，废烟末烟膏与脯氨酸的16个反应产物对烟丝和嘴棒的加香效果主要为正面效果。经过评吸发现，甘油层的美拉德反应产物对烟丝的加香效果以及三醋酸甘油酯层的美拉德反应物对嘴棒加香效果都比较好的反应条件有：A1B1C1D1、A1B3C3D3、A1B4C4D4、A2B1C2D3、A2B2C1D4、A2B4C3D2、A3B2C4D3、A3B3C1D2和A4B4C1D3。

综合评价后，最佳工艺条件为A3B3C1D2，即当反应条件为温度100 ℃、反应时间9 h、烟膏用量∶氨基酸用量为3∶1、甘油用量40%时，甘油层中的美拉德反应物对烟丝的加香效果和三醋酸甘油酯层中的美拉德反应物对嘴棒的加香效果都达到最佳。甘油层产物的烟丝加香增加厚实感和爆发力，余味较适；三醋酸甘油酯层产物嘴棒加香质感提升、烟气成团性较好。

2.2 美拉德反应产物的GC/MS鉴定

在废烟末烟膏与脯氨酸最佳反应条件下，将美拉德反应产物进行GC/MS分析，得到的总离子流色谱图见图1。

通过NIST 11标准质谱数据库确认定性，当相似度大于80%的鉴定结果予以报道。气相色谱图上显示出的成分很多，质谱可成功定性的组分相对较少，除了甘油和三醋酸甘油酯外仅有35种。除去三醋酸甘油酯和甘油峰，各个物质的定量后采用峰面积归一化法求的相对百分含量，所得检测结果见表3。

由表3可知，共鉴定出35个化合物占挥发性成分的47.74%。2-甲基吡嗪有坚果香、烤香，掩盖烟草杂气，增加香韵[13]，2-乙酰基呋喃具有烘烤香[17]。还有一些酰胺成分，它们对烟叶的香气也一定的影响。2-吡咯烷酮使烟味具有坚果香和巧克力风味[18]。2-哌啶酮使烟味变得具有甜味、似白肋烟[18]。1-乙酰基吡咯烷类拥有令人愉快的类似于谷类食品或芝麻的芳香气味[19]。这些成分由美拉德反应产生，对烟草香味有着很好的修饰作用。

烟碱等烟草生物碱除了增加卷烟香味和产生刺激性外，还提高低焦油卷烟劲头。苯乙烯具有特有的芳香香脂香接近花香的香气[20]。香草醛具有香荚兰香气及浓郁的奶香，可有效增加卷烟烟香，柔和烟气，降低刺激性[21]。莨菪亭与干草香呈极显著正相关，且可改善烟叶的醇和度[22]。4，7，9-巨豆三烯-3-酮具有改善烟香，柔和丰满，掩盖杂味，增进吃味，是烟草中关键的致香成分[23]。棕榈酸乙酯使烟气香气醇和。半挥发性十三酸可以调节烟气的酸碱度，使吸味醇和、增加烟气浓度，是酸性潜香成分[24，25]。β-谷甾醇烟草中的植物甾醇是构成烟叶油分的主要成分之一，与烟草品质正相关[26]。维生素可以减少烟气的刺激性及降低烟气中烟草特有亚硝胺，并有抗氧化的效果。由此可知，废次烟末虽然经过了美拉德反应过程，仍然含有大量的烟草重要致香成分，可以作为体现烟草“本香”物质的来源，以提高卷烟香气水平。

3 小结

试验以废烟末为原料，通过正交试验确定废烟末烟膏与脯氨酸美拉德反应的最佳条件：反应温度100 ℃、反应时间9 h、烟膏用量∶氨基酸用量为3∶1、甘油用量为40%，甘油层和三醋酸甘油酯层中的美拉德反应物分别对烟丝和嘴棒的加香效果都达到最佳。感官评价的结果表明，甘油层产物烟丝加香增加烟气厚实感和爆发力、余味较适；三醋酸甘油酯层产物嘴棒加香提升烟气质感、烟气成团性较好。对最佳条件的混合反应产物进行GC/MS分析，得到主要的挥发性成分35种，其中包括2-甲基吡嗪、2-乙酰基呋喃、2-吡咯烷酮、2-哌啶酮、1-乙酰基吡咯烷等对烟草香味有着很好修饰作用的美拉德反应产物，以及烟碱、苯乙烯、香草醛、莨菪亭、4，7，9-巨豆三烯-3-酮等加强烟草本香的风味化合物，可以作为烟用香料用于卷烟加香。

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