美拉德反应在烟草加工中的应用研究进展

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(1.河南农业大学,国家烟草栽培生理生化研究基地,河南郑州 450002; 2.河南省烟草公司南阳市公司,河南南阳 473000)

美拉德反应又称作非酶棕色化反应,是一种普遍的非酶褐变现象,被广泛应用于食品加工、烟草加香等多个领域,其产物多为食品的致香物质,且一些反应产物具备抗氧化性[1-2]。反应本质是化合物中的羰基与氨基经过缩合、聚合等反应生成类黑精物质的过程[3-4]。随着对美拉德反应研究的不断深入,科学工作者发现美拉德反应对烟草香吃味和风格形成起着非常重要的作用。美拉德反应在烟草调制、发酵、醇化等加工过程中均有发生,其产物是烟草致香物质的重要成分。烟草研究者对美拉德反应的重视最早可追溯到上世纪末,研究的主要方向集中在卷烟加香方面[5]。如今,科学家广泛探讨烟草调制、发酵过程中美拉德反应产物的积累规律,并利用反应于再造烟叶制作、卷烟调香之中。但由于美拉德反应机理与反应产物比较复杂,虽然提出了很多假设论证并得到了一定的发展,但是要完全弄清楚这一反应在烟草调制发酵、醇化加工等过程中的作用仍需要进一步的探究。本文从美拉德反应机理及其影响因素、烟草调制发酵与陈化过程中美拉德反应产物的积累规律、烟草加工过程中利用美拉德反应改良烟草薄片,制备香精香料等方面综述了美拉德反应在烟草加工过程中的应用与研究现状,并对今后在烟草加工中美拉德反应的应用提出展望。

1 美拉德反应概述

1.1 反应机理

美拉德反应首次提出是在1912年,L.C.Maillard在研究氨基酸和还原糖反应时发现,葡萄糖和甘氨酸在水中加热至100 ℃时变成棕黑色,最终产生一种黑色聚合物[6]。美拉德反应过程与产物体系十分复杂,至今尚不完全明了。目前仍以Hoge提出的网络系统分类最为经典,其把美拉德反应分为以下三个阶段[7]。

1.1.1 初期阶段(Early Stage) 首先,糖类和氨基酸的缩合形成席夫碱(shiff Base)[7-8],席夫碱经过环化作用生成N-取代糖基胺;而后经过阿马杜里重排(Amadori rearrangement)与海因氏重排(Heynsrearrangment)形成阿马杜里产物,也称中间产物,该产物在天然产品如杏、甜菜、糖蜜、调制后的烟草、茶叶中均有存在,其分解对美拉德反应产物有重要影响[9]。

1.1.2 高级阶段(Advanced Stage) 而后,中间产物在不同的pH条件下发生不同的降解反应[3]。pH≤7时,主要通过1,2-烯醇化反应形成糠醛类或羟甲基糠醛类产物;pH>7时,主要通过2,3-烯醇化反应形成还原酮类产物;此外还有很多中间产物裂解,如丙酮醛、乙二醛、2,3-丁二酮、羟基丙酮等高活性的中间体继续参与反应。在上述反应中生成的二羰基化合物可与氨基酸作用,产生活泼的氨基酮和比氨基酸少一个碳原子的醛,该反应称之为斯特雷科尔降解,其降解产生的醛类化合物是美拉德反应产物中醛类的主要来源,而氨基酮的活泼性,为形成各种杂环化合物提供了必要条件。

1.1.3 终极阶段(Final Stage) 终极阶段的反应十分复杂,但是已有学者针对定量阿马杜里化合物与游离氨基酸模拟最终产物的形成[10]。通过醛醇缩合、杂环形成、分子脱氢、异构化等一系列反应,形成红棕色或棕黑色聚合物,称为类黑素[8]。此阶段在食品工业中有重要的意义,能给食物提供鲜美的香味,同时也会在一定程度上破坏食物的营养价值,因此在实际应用中往往会予以控制[8,11]。

1.2 美拉德反应的影响因素

1.2.1 反应物种类 美拉德反应的底物主要是糖类和氨基酸,参与反应的糖和氨基酸种类不同,产生的香气物质就有所不同,反应的速度也有所不同[12]。参与反应的糖类主要有五碳糖(核糖、阿拉伯糖、木糖)、六碳糖(半乳糖、甘露糖、葡萄糖)等单糖,和乳糖、蔗糖等双糖。从反应速度上来看,通常五碳糖>六碳糖>双糖,五碳糖的反应速度比六碳糖快10倍。氨基酸的结构和种类也极大地影响了美拉德反应的产物与速度。研究表明,氨基酸中的氨基在ε位或末位的要比α位反应速度快,碱性氨基酸要比酸性氨基酸快[13];不同种类的氨基酸与同种糖类反应亦可产生不同香气,如甘氨酸与葡萄糖反应产生焦糖类气味,谷氨酸与葡萄糖反应产生愉快的旧木味等[14]。

1.2.2 反应温度与反应时间 反应温度与反应时间也是影响美拉德反应产物和速度的重要因素[15]。就反应温度而言,一般在20～25 ℃条件下即可发生美拉德反应,温度越高,反应速度越快,有研究证实,温度每提高10 ℃,反应速度可增加3～5倍,而温度过高则会产生影响食物风味的物质,甚至有致癌风险;反应温度也会影响反应产物的种类从而影响香气,例如缬氨酸与葡萄糖在100 ℃反应时会有黑面包气味,在180 ℃反应则有刺鼻的巧克力气味;脯氨酸与葡萄糖在100 ℃时反应会产生不愉快的灼烧蛋白质的气味,而在180 ℃下反应会有愉快的面包香等[16]。反应时间主要影响反应的完全程度,反应时间越长,反应产生的香气中间物质就越多,香气就越浓郁,但过长的反应时间会造成不利的影响。

1.2.3 pH pH对美拉德反应有很大影响。吴惠玲[17]研究显示,pH对美拉德反应的影响比反应温度、反应时间影响更大。在pH3～10的范围内,随着pH的增大,反应速度加快,但当pH<3时,反应难以进行,且不同的酸碱环境直接影响了反应产物的生成。孙丽平[18]认为,pH对吡嗪类物质的产生有决定性的作用,在其设置的葡萄糖-赖氨酸体系中,在pH为5的体系中未检测到吡嗪物质,而在pH为9的体系中2-甲基吡嗪占总反应产物的50%以上。

1.2.4 水分含量 水作为反应介质直接影响美拉德反应的速率含水量一般用水分活度来表示[19-20],在水分活度为0.3～0.7时,美拉德反应较快,水分过多或者过少都会对反应产生抑制作用。食品的含水量为10%～15%时反应速度较快,但当水含量为0或高于90%时难以观察到褐变现象。

1.2.5 金属离子 金属离子对美拉德反应的影响主要表现在离子种类上。据报道,铜离子和铁离子可以促进美拉德反应,因为铜离子与铁离子形成的络合物可以促进席夫碱的形成,而Fe3+比Fe2+更能促进反应,原因是Fe2+在反应中要转化为Fe3+;Ca2+与Mg2+会抑制美拉德反应,而K+对反应影响不大。

1.3 美拉德反应的影响因素对烟草加工过程的影响

在烟草加工过程中,美拉德反应已被广泛运用于烟草的提质增香,但是在反应过程中上述影响美拉德反应的影响因素直接影响到相关产品的品质。不同的底物种类决定了不同风格产物的形成,究其原因是不同的糖类与氨基酸反应的结果。该方面前人已作出多种尝试,并取得了不同的结果[21-23]。在烟草加工中,主要讨论的问题有底物浓度、pH、反应温度以及反应时间。田怀香[24]在研究木糖与谷氨酸反应制备美拉德香精时应用响应面分析,得出了影响感官评价的影响因素重要程度排序依次是反应时间>反应温度>pH>底物浓度的结论;不同的反应底物和所用的烟源或非烟源原料反应所用的时间、温度、pH和底物浓度通常是不同的,有时不合适的反应条件所制备的产物会增加烟气的刺激性、辛辣感,影响烟气的香味甚至使香气不协调[16,18]。所以最优的反应条件往往需要用试验对比得出。

1.4 美拉德反应与烟叶香味物质形成

棕色化反应中生成的对于烟叶有致香贡献的物质主要有呋喃类、吡咯类、吡啶类、吡嗪类等杂环化合物,醛类、酮类等羰基化合物及乙酸、丙酸等少量有机酸类。杂环类化合物含有一个不饱和的共轭体系,化学性质在一定程度上与苯环相似,具有一定的芳香性[25],因此大部分杂环类化合物都是烟草中重要的致香物质。在美拉德反应中,糖与氨基酸反应生成的氨基糖为之后的各种反应提供了前体物质。阿马杜里与海因氏重排反应生成了各种羰基化合物;斯特雷科尔降解形成了氨基酮化合物和醛类,这些反应产物及反应产物之间再反应产生的烟叶致香物质为烟气的香味做出了重要的贡献。目前已知的在烟草和烟气中存在的美拉德反应所产生的致香成分如表1[16]。

表1 美拉德反应所产生的致香成分Table 1 Aroma components produced by Maillard reaction

2 美拉德反应产物在烟叶调制、醇化过程中的变化

2.1 美拉德反应产物在烟叶调制中的积累

试验表明[26-27],在烟叶生长及采收阶段几乎检测不到美拉德反应产物,而在调制期间美拉德反应产物含量大幅度增加,并形成特征香气。美拉德反应产物可以赋予烟叶特殊的香味,并对烟叶色泽变化起到一定的作用。

2.1.1 烟叶烘烤 美拉德反应进行于烟叶的调制,并且在调制过程中不断积累。在烟叶烘烤过程中,伴随着大分子物质的降解美拉德反应产物也逐步增多。周平等[28]通过建立整体评价模型对48份烤后烟叶样品进行分析发现,美拉德反应产物在烤后烟质量评吸中占有较大载荷量;矫海楠[29]研究表明,美拉德反应产物在烟叶烘烤过程中呈现整体上升的趋势,在烘烤结束时达到最大值,并显著高于鲜烟叶;王爱华[30]研究证明,美拉德反应产物在烤烟烘烤中呈现动态变化趋势,其中动态升温变黄处理前后美拉德反应产物上升了18.6%。

2.1.2 烟叶晾晒 晾晒烟在调制过程中同样伴随着美拉德反应,其产物积累规律因其不同的调制环境有所不同。廖晓玲等[31]研究显示,在白肋烟晾制过程中,吡嗪类非酶促棕色化反应产物急剧增加;张广东等[32]利用烤烟与白肋烟互换调制方式研究得出,烤烟在晾制过程中棕色化反应产物中 2-乙酰基呋喃、2-乙酰基吡咯含量均表现为烘烤大于晾制,而糠醛、糠醇、3,4-二甲基-2,5-呋喃二酮含量均表现为晾制大于烘烤,且棕色化反应产物总量晾制较烘烤增加50% 左右,白肋烟在晾制中棕色化反应产物总量烘烤较晾制有所减少,但差异不明显。时向东等[33]利用晾制和晒制不同方法调制晒红烟得发现出,晒制相比于晾制美拉德反应产物积累更高。

2.2 美拉德反应产物在烟叶醇化发酵中的积累规律

烟叶在采收及调制后,仍存在较多的杂气,烟草特征香气不够明显,仍需要一定时间的醇化才能满足工业需求[34]。有效的醇化可以显著降低烟叶的刺激性,并使烟叶青杂气、土腥气等杂气明显降低,极大地提高烟叶的可用性[35-37]。烟叶在醇化和发酵过程中,其内部发生着复杂的理化反应[34,37-40],美拉德反应作为烟叶醇化过程中一个非常重要的反应,对烟叶香气质量有突出的优化作用;王玉华[38,41]研究显示,醇化过程中烤烟美拉德反应产物随醇化时间的推进整体呈现上升趋势,醇化18个月的烟叶美拉德产物的含量,较初烤烟叶和复烤烟叶均有显著提高;且美拉德反应产物与感官质量评价存在明显的相关性,美拉德反应产物对香气质、香气量、余味、杂气和评吸总分的直接作用是有利的,对刺激性的减弱有间接作用。刘鹏等[42]研究表明随着醇化时间的延长,美拉德反应产物由 31.74 μg/g提高到 51.79 μg/g,且对烟叶的香气质、香气量、余味、杂气和评吸总分的直接作用和间接作用均是显著或极显著有利的,这与前者研究的结果基本一致。朱大恒[37]报道在白肋烟的醇化过程中,糠醇、糠醛在醇化22～26个月时达到最大值;吡啶、2,3-二甲基吡嗪、2,5-二甲基吡嗪、2,3,5-三甲基吡嗪、四甲基吡嗪、2-乙酰基吡啶等碱性香味物质在18～26个月时达到最大值,之后均有下降趋势,时向东等[24]研究显示,在雪茄外包皮烟的堆积发酵中,糠醛的含量最高,并在发酵的第14 d达到最大值,然后降低,在第28 d后又有所升高。糠醇、5-甲基糠醛都在第21 d达到最大值。于建军等[43]研究表明,在晒红烟醇化过程中美拉德反应产物总体呈现上升趋势。

3 美拉德反应在卷烟工业中的应用

3.1 再造烟叶

烟叶在生产加工的过程中会产生大量的烟梗、烟末、下等烟叶等副产物,如弃置在造成环境污染的同时会造成大量的资源浪费[44]。目前,将这些副产物制成再造烟叶是减少资源浪费的最好方式,但是传统方法制作的再造烟叶大都存在吃味较差、杂气重、不利于被烟草工业大量使用等缺陷。前人研究表明[45-47],利用美拉德反应改良优化烟梗烟末提取液,制造出的再造烟叶各方面指标均得到较大改善,可用性大大提高。

目前,针对再造烟叶进行美拉德反应的研究有很多,由于美拉德反应需要一定的反应条件与底物,所以对烟梗、烟末提取液的处理也不尽相同。烟梗、烟末、下等烟叶含有大量的纤维素、果胶以及蛋白质、淀粉等大分子物质,不利于反应的充分进行[47-48],故有学者[45]利用酶解的方式处理提取液,并加入适量外源氨基酸与糖类反应,所得的再造烟叶与市售产品相比,巨豆三烯酮、大马士酮等致香成分含量大幅度上升,不利成分下降明显,处理组感官评吸得分明显提高,香气更加丰富、协调,焙烤香浓郁,杂气刺激性减小,抽吸品质明显改善。

由于不同的反应底物、反应温度、pH直接影响了不同的美拉德反应产物的生成,故不同学者在改良烟梗烟末提取液的方法上也有不同的结果。如张鹏[46]于pH为7.0～8.0,应温度为70 ℃时,最佳美拉德反应时间为13 h,最佳外源氨基酸与糖类的组合与配比为脯氨酸∶甘氨酸∶苯丙氨酸∶半胱氨酸∶短链肽∶果糖=13∶13∶13∶2∶0.3∶70得到较好结果;黎新钦[47]试验得出甘氨酸和木糖比2∶1 (m∶m),木糖添加量6%,反应体系初始pH6.5,反应温度100 ℃,反应时间3 h时可以得到最优处理。处理后再造烟叶均有较大品质改善,吡啶、吡嗪等美拉德反应产物含量大幅上升。

3.2 烟草香精香料

随着人们健康意识的提高,烟草降焦减害取得了较大的进展,但随着焦油含量的降低,卷烟的香气也相应的下降,烟用香精香料也就成为了卷烟工业的一种重要的添加剂,从而弥补卷烟香气不足的缺陷[14]。相关研究证实,美拉德反应运用于卷烟香精香料的生产对卷烟香气有较好的修饰作用。

其反应底物主要有烟源物质(烟草花蕾、烟末、碎叶、下等烟叶等)和外源物质(中药材、水果、氨基酸和糖类等)。

3.2.1 利用烟源物质进行美拉德反应制备烟草香精香料 烟草作为叶用经济作物在生产过程中会产生烟草花蕾、低次烟叶、碎烟叶等不能用于卷烟生产的副产物,利用这些副产物进行美拉德反应制备烟用香精香料已被越来越多的关注[44,49]。

目前,卷烟工业企业利用烟草花蕾已经制作出白肋烟花蕾香膏、烤烟花蕾香膏等产品,并已经在卷烟制造中应用。烟草花蕾中含有丰富的氨基酸与糖类,具备发生美拉德反应的条件。许春平等[50]研究发现利用白肋烟花蕾进行美拉德反应制备香料与简单萃取浸提的产物相比增加了包括二羟基丙酮、2-甲基四氢呋喃-3-酮、2-乙酰呋喃和苯基丙酮在内的4种美拉德风味物质,进而进行加香试验得出,利用白肋烟花蕾进行美拉德反应后产物加入烟样后具有美拉德产物特征风味,略有花香,香气量增加,香气质改善,并有特殊的宜人香韵,烟叶的甜润感和细腻感均增加,余味舒适;利用烤烟花蕾制作香精也有类似显著的效果[51]。

除了烟草花蕾,利用残碎烟叶或下等烟料进行美拉德反应制备烟用香精香料也被广泛研究。酶解烟末,进行美拉德反应制备烟用香精,唐胜[52]检测得出该物料共有挥发性成分27种,其中包括巨豆三烯酮、呋喃酮、吡喃酮等对烟草香味有积极贡献的风味化合物。经感官质量评价,该香精对卷烟有显著的增香、降低刺激、改善余味功效;利用烟梗发酵液制备香料,可发现烟草的致香成分如糠醛、糠醇、茄酮等不仅被保留了下来并有不同程度的增加[53]。另有学者指出,在酶解烟料过程中加入氨基酸与糖类可取得更好的效果[54]。

3.2.2 利用外源物质进行美拉德反应制备烟草香精香料 利用外源物质进行美拉德反应制备烟草香精香料最直接的方法就是直接利用氨基酸与糖类进行反应。不同反应物,不同反应条件所制备的产物也各有特点。糖类利用葡萄糖、果糖、麦芽糖等,氨基酸类利用脯氨酸、甘氨酸等,在150 ℃下反应2 h,所得产物有明显的爆米花香气,透发出坚果香和烤香,加入烟丝能使卷烟的烟香味更加透发,杂气和刺激性减轻,其中的香气物质以酮类物质如2-甲基-4-氢-肤喃酮,6-甲基-5-庚烯-2-酮等含量较多[55]。杨叶昆等[56]利用酪蛋白水解后的氨基酸混合液与葡萄糖在114～120 ℃进行美拉德反应,研究表明试验产物含有13种以吡嗪类化合物,其中以2,5-二甲基吡嗪含量最高。评吸结果显示,加入该处理后烟香明显增强,杂气减少,吸味得到改善。

也有学者利用中药、水果提取物制备烟用香精香料,并取得了较好的效果。徐达等[57]利用白玄参酶解进行美拉德反应产物中鉴定出了21种新生的挥发性致香物质,其中吡嗪、呋喃和吡咯等杂环类美拉德特征香味成分15种,加入该产物进行评吸试验,各处理均有较好的效果;利用利用蓝莓、黑莓、乌梅、黄桃等水果浓缩物也可制备烟用香料,且混合浓缩物比单一的水果浓缩物效果更好[58]。

由于美拉德反应产物普遍存在容易散失、不稳定的缺陷,近来专家学者开始着手研究美拉德反应中间体在卷烟加香中的应用。美拉德反应中间体本身并不具备气味,但是在加热之后会继续裂解形成大量的香气物质。研究显示,苯丙氨酸-果糖中间产物组合具有较好的热稳定性和较好的协调性[59],甘学文[60]报道,通过比较苯丙氨酸-果糖组合完全反应与中间体热稳定性,发现随着加热时间延长,完全反应的香气成分降低了74.7%,而中间体挥发性香气成分达未加热的12.1倍。

4 展望

美拉德反应产物作为烟草致香物质的重要组成部分,有赋予烟草特殊的烤香、坚果香、焦糖香以及提升烟气柔和度,改善烟气吃味的作用。利用美拉德反应制备烟用香料、提升烟草薄片质量等工艺已经运用到了卷烟工业中,取得了良好的效果,但目前应用并不甚广泛,且探讨尚不深入,研究面较窄,试验方案较为单一,如在进行美拉德反应方面更多学者仍在利用传统水相介质通过高温加热制备产物,存在较多不可控因素,但已有报道利用超声波辅助进行美拉德反应,反应更容易进行且有新产物生成[61-62];在调制、陈化、发酵等过程中更多地讨论的是其变化规律,而对物质转化过程中反应机理研究不够深入,对其具体致香机理的认识还不够透彻,在未来的研究中,应进一步加深美拉德反应机理作用于烟草加工工艺的研究,更深入地认识美拉德反应对烟叶颜色变化、香气物质的影响,探讨研究不同反应物、反应条件所产生的产物对烟草香吃味的影响,并通过加香试验得出更优良的结果;在烟草调制与后期陈化发酵过程中,应通过反应机理研究以确定更好的调制、陈化发酵的环境条件,为优质烟叶生产服务。此外,美拉德反应产物的安全性一直是学者们研究的焦点,其理化性质、生物毒性、以及抗氧化活性的研究也应是下一步探究的重点问题[63-64]。