挤压法复合焦甜香料的制备及卷烟应用研究

李天笑，蒋忠荣，贾玉红，施丰成，罗诚，李东亮

1.四川中烟工业有限责任公司 技术中心，四川 成都 610051；2.郑州轻工业大学 食品与生物工程学院，河南 郑州 450001

0 引言

焦糖化反应是指糖或者糖与水在140 ℃以上高温环境下生成聚合糖和焦甜香味成分的反应[1-2].在焦糖香料的生产过程中，既可以使用液体法，也可以使用固体法如挤压法[3-4].挤压法是利用挤压膨化机密闭机筒的外周热能和双螺杆的高剪切力进行加热反应，使淀粉或蔗糖等原料转化为固体焦糖香料[5-6].挤压膨化机从进料口到出料口共有3个加热区域，其中一区温度较低，主要对物料进行预热，二区和三区温度较高，是主要的反应区[5-6].挤压法生产效率高、成本低，便于自动化生产.

不适用烟叶是烟叶评定中质量不合格或者不符合标准无法用于生产的烟叶原料.目前，国内各中烟公司库存不适用烟叶约有3×105t[7].此外，部分库存烟叶由于储存时间过长，品质下降，也成为不适用烟叶.这些不适用烟叶既增加了企业仓储管理的成本，又存在被报废或者丢弃处理会产生环境污染问题[8].

在卷烟燃烧过程中，烟叶的水溶性糖可以转化为焦甜香韵成分，可丰富烟香、增加甜感、改善余味[9].研究表明，不适用烟叶的水溶性糖含量较低，糖碱比不合适，这是其刺激感较强的关键原因之一[10-11].鉴于此，本文拟选取不适用烟叶为研究对象，以焦糖化反应为基础，开发一种较为新颖的挤压法复合焦甜香料，并结合GC-MS检测和感官评价分析该香料的香味成分和制备工艺的适用性，以期为此类香料的工业化生产和卷烟产品应用提供参考.

1 材料与方法

1.1 实验材料

不适用烟叶：宜宾不适用烟叶(K326，B2F，2013年)、德昌不适用烟叶(红花大金元，B4F，2011年)、河南不适用烟叶(中烟100，X3F，2016年)、陕西不适用烟叶(国内认定品种，CXBK，2013年).

1.2 主要试剂及仪器

主要试剂：葡萄糖、乙醇，均为分析纯，国药集团化学试剂有限公司产；5-羟甲基糠醛、糠醛，纯度均为 99.0%，上海麦克林生化科技有限公司产；丙酸-2-苯乙酯，纯度98.0%，阿法埃莎(中国)化学有限公司产.

主要仪器：SY-Ⅲ型切丝机，河南富邦实业有限公司产；SLG65-Ⅲ型双螺杆挤压膨化机，济南大彤仪器有限公司产；Agilent 6890/5973型 GC-MS联用仪，美国Agilent仪器有限公司产；R-210型旋转蒸发仪，瑞士Buchi仪器有限公司产；DRT-SX型加热套，郑州长城科工贸有限公司产.

1.3 实验方法

1.3.1 挤压法复合焦甜香料的制备将烟叶蒸制30 s后切成1.0 mm宽的烟丝，取一定量烟丝，加入葡萄糖和纯水拌匀.挤压膨化机开机预热，分别设置不同的三区温度和二区温度，挤压膨化机主转速设为12.4 Hz.温度达到预设值后开启主电机，每份烟丝样品挤压处理3次[5].将挤压后的样品取10.0 g，加入体积分数为50%的乙醇50.0 g，加热回流提取40.0 min；过滤，将滤液用体积分数为50%乙醇补足至25.0 g，即得复合焦甜香料溶液.

1.3.2 单因素试验设计加糖量：取宜宾烟丝5组各200 g ，分别加入20.0 g、40.0 g、60.0 g、80.0 g 葡萄糖拌匀，然后各加入40.0 g纯水拌匀；以加入40.0 g纯水但不加糖的烟丝为对照组.设置挤压膨化机温度为三区170 ℃、二区150 ℃，分别进行挤压处理.处理结束后，制备复合焦甜香料溶液和对照组烟丝乙醇提取液.

利用GC-MS法检测复合焦甜香料溶液总香味成分含量(Total Flavor Compounds,TFCs).GC-MS法检测前处理：各取15.0 mL上述复合焦甜香料溶液及对照组烟丝乙醇提取液，分别用10.0 mL CH2Cl2萃取2次，合并CH2Cl2层，并浓缩至0.9 mL，加入0.1 mL (1.782 μg/mL) 丙酸-2-苯乙酯作为内标.

将复合焦甜香料溶液和对照组烟丝乙醇提取液以1.0 μL/支的添加量，添加于四川中烟2#模块空白烟支中作为试验组卷烟、对照组卷烟，以不添加上述产物的空白组卷烟为参照，将卷烟于22 ℃、 60%相对湿度平衡后进行感官评价.

挤压温度：取5组宜宾烟丝各200 g，分别加入60.0 g葡萄糖拌匀，然后加入纯水40.0 g混匀，分别设置挤压膨化机温度为三区120 ℃、二区110 ℃；三区140 ℃、二区125 ℃；三区160 ℃、二区145 ℃；三区170 ℃、二区150 ℃;三区180 ℃、二区160 ℃，进行挤压处理.以加入质量分数为30%(如无特指，本文的百分数均为质量分数)的葡萄糖不进行挤压处理的烟丝为挤压对照组.结束后，制备复合焦甜香料溶液和挤压对照组烟丝乙醇提取液.

取5种复合焦甜香料溶液和挤压对照组烟丝乙醇提取液，以5-HMF (5-羟甲基糠醛)和DDMP (2,3-二氢-3,5二羟基-6-甲基-4(H)-吡喃-4-酮)为焦甜香韵代表成分，使用GC-MS检测进行总香味成分含量测定[12-13].

用复合焦甜香料溶液和挤压对照组烟丝乙醇提取液制备试验组卷烟、挤压对照组卷烟，以不添加上述产物的空白组卷烟为参照进行感官评价.

1.3.3 挤压法复合焦甜香料香味成分分析取1.3.2中确定的最优制备条件下制得的挤压法复合焦甜香料溶液，以1.3.2中的挤压对照组烟丝乙醇提取液为参照，采用GC-MS法进行香味成分分析.

1.3.4 制备工艺的适用性分析选取德昌、陕西及河南不适用烟叶，切丝，加入30%葡萄糖拌匀，分别在挤压膨化机温度为三区170 ℃、二区150 ℃进行挤压处理，提取获得复合焦甜香料溶液.以3种不适用烟丝加入30%葡萄糖不进行挤压处理作为挤压对照组，提取获得挤压对照组烟丝乙醇提取液.将3种焦甜香料溶液、3种挤压对照组烟丝乙醇提取液以每支烟1.0 μL的添加量，添加于四川中烟2#模块空白烟中作为试验烟、挤压对照烟，以不添加上述产物的空白烟为参照进行感官评价.

1.3.5GC-MS检测方法GC-MS检测条件：Supelco DB-5 MS 色谱柱，60 m×0.25 mm×0.25 μm；初始温度50 ℃，保持2 min，以6 ℃/min升温至120 ℃，然后以12 ℃/min升温至240 ℃，保持5 min，以15 ℃/min升温至280 ℃，保持3 min；进样口温度280 ℃；载气He (>99.999%)，流速 1.0 mL/min；进样量1.0 μL，分流比10∶1；传输线温度280 ℃；电离(EI)能量70 eV；离子源温度230 ℃；四极杆温度150 ℃；电子倍增器电压1.139 kV；质量扫描范围33～400 amu.

将获得的GC-MS总离子流图利用NIST 17标准质谱库进行检索，选取匹配度大于80%的峰，参考标准品，确定主要香味成分的化学结构，根据内标法计算各香味成分的含量.

1.3.6 感官评价方法由7名具有感官评吸资质的评委组成评吸小组进行感官特点评价并进行打分，取平均值.

2 结果与讨论

2.1 单因素试验结果分析

2.1.1 加糖量不同加糖量下复合焦甜香料总香味成分含量变化如图1所示.由图1可知，随着加糖量的增大，总香味成分含量呈先升高后降低的趋势，当加糖量为30%时，总香味成分含量达到最高，比对照组(0%)提高了14.7%.

图1 不同加糖量下复合焦甜 香料总香味成分含量变化Fig.1 The TFCs of synergistic caramel products with different glucose supplement

不同加糖量下复合焦甜香料的感官特点如下:加糖量30%的复合焦甜香料，焦甜香韵突出，烟香味丰富，刺激感降低；加糖量为40%时难以拌匀，且甜感没有进一步提升，余味稍有不适；加糖量低于30%时，焦甜感和丰富性减弱，效果不明显.不同加糖量下复合焦甜香料的感官评价得分如表1所示.由表1可知，加糖量为30%时，感官评价得分最高.因此，选择加糖量为30%较为适宜.

表1 不同加糖量下复合焦甜香料的感官评价得分Table 1 Sensory evaluation scores of the synergistic caramel products with different glucose supplement 分

2.1.2 挤压温度不同挤压温度下复合焦甜香料的香味成分含量变化如图2所示,感官评价得分如表2所示.由图2a)可知，随着挤压温度升高总香味成分含量先升高后降低，当三区温度为170 ℃时，总香味成分含量达到最高.由图2b)可知，复合香料焦甜香韵成分5-HMF和DDMP在三区温度分别为120 ℃和140 ℃挤压处理时略有提升，160 ℃挤压处理时明显升高，在170 ℃时达到最大.与挤压对照组相比，三区170 ℃挤压处理的复合焦甜香料5-HMF含量提高了6.4倍，DDMP含量提高了16.1倍，总香味成分含量提高了23.6%.温度升至180 ℃时，由于温度过高，香味成分有所损失，总香味成分和焦甜香韵成分含量均有所下降.由表2可知， 三区170 ℃处理的复合焦甜香料感官评价得分最高，香气丰富性显著提升，烟气细腻，刺激性降低明显;三区180 ℃处理的复合焦甜香料焦感过强，烟香谐调性不足，细腻柔和感也稍差，余味舒适性不足.整体而言，三区170 ℃、二区150 ℃较为适宜.

表2 不同挤压温度下复合 焦甜香料的感官评价得分Table 2 Sensory evaluation scores of the synergistic caramel products at different reaction temperature 分

图2 不同挤压温度下复合焦甜 香料的香味成分含量变化Fig.2 The change of the flavor compounds of synergistic caramel products at different reaction temperature

2.2 挤压法复合焦甜香料香味成分分析结果

宜宾不适用烟叶挤压处理前后香味成分含量的变化如表3所示.由表3可知，与挤压对照组相比，三区170 ℃、二区150 ℃挤压处理的复合香料焦甜香韵成分,如5-HMF、3,5二羟基-2-甲基-4(H)-吡喃-4-酮、DDMP等均有不同程度的提高，焦甜香韵成分总量提高了4.4倍.这些焦甜香韵成分赋予卷烟焦糖、咖啡及焙烤香气，能丰富烟香，增加甜感，改善余味[14].巨豆三烯酮、3-羟基-β-大马酮、西柏三烯-1,3-二醇等烟草本香萜烯类成分也有明显提高，这些成分可以提升卷烟香气的丰富性[15-16].酸类成分和小分子醇类成分含量有所降低，其他类型的香味成分含量变化不大.

表3 宜宾不适用烟叶挤压处理前后香味成分含量的变化Table 3 The change of the contents of flavor compounds after extrusion reaction for Yibin discarded tobacco leaves

整体而言，通过高温挤压处理后，复合焦甜香料香味成分含量明显提升，其加香效果也显著增强.分析其原因可能为：一是烟叶自身的单糖及外加的单糖发生了一定的焦糖化反应，增加了焦甜成分的含量；二是烟叶的大分子香味前体化合物发生了分解，使萜烯类本香成分增多[14-15].

2.3 制备工艺的适用性分析

不同产地不适用烟叶复合焦甜香料的感官评价特点如表4所示.由表4可知，与挤压对照组相比，不同产地的不适用烟叶经三区170 ℃、二区150 ℃挤压处理后，得到的复合焦甜香料加香效果明显提升，主要体现在香气量增加、香气质提升、刺激感降低等，说明该方法对不同产地的不适用烟叶有一定的适用性.

表4 不同产地不适用烟叶复合 焦甜香料的感官评价特点Table 4 Sensory evaluation characteristics for the synergistic caramel products of discarded tobacco leaves from different producing areas

3 结论

本研究以焦糖化反应为基础，开发了一种挤压法复合焦甜香料，采用单因素试验进行该复合焦甜香料制备工艺的确定，并利用GC-MS法和感官评价分析该香料的香味成分和制备工艺的适用性.结果表明：加糖量30%，三区温度170 ℃、二区温度150 ℃是比较合适的香料制备条件；挤压法制备的复合香料焦甜香韵成分和萜烯类烟草本香成分均有不同程度的提高；该香料有较好的卷烟加香效果，能提升卷烟香味的丰富性，增加甜感，改善口感，并且该香料的制备工艺对于不同产地的不适用烟叶有一定的适用性.