美拉德反應在煙草加工中的應用研究進展

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(1.河南農業大學,國家煙草栽培生理生化研究基地,河南鄭州 450002; 2.河南省煙草公司南陽市公司,河南南陽 473000)

美拉德反應又稱作非酶棕色化反應,是一種普遍的非酶褐變現象,被廣泛應用于食品加工、煙草加香等多個領域,其產物多為食品的致香物質,且一些反應產物具備抗氧化性[1-2]。反應本質是化合物中的羰基與氨基經過縮合、聚合等反應生成類黑精物質的過程[3-4]。隨著對美拉德反應研究的不斷深入,科學工作者發現美拉德反應對煙草香吃味和風格形成起著非常重要的作用。美拉德反應在煙草調制、發酵、醇化等加工過程中均有發生,其產物是煙草致香物質的重要成分。煙草研究者對美拉德反應的重視最早可追溯到上世紀末,研究的主要方向集中在卷煙加香方面[5]。如今,科學家廣泛探討煙草調制、發酵過程中美拉德反應產物的積累規律,并利用反應于再造煙葉制作、卷煙調香之中。但由于美拉德反應機理與反應產物比較復雜,雖然提出了很多假設論證并得到了一定的發展,但是要完全弄清楚這一反應在煙草調制發酵、醇化加工等過程中的作用仍需要進一步的探究。本文從美拉德反應機理及其影響因素、煙草調制發酵與陳化過程中美拉德反應產物的積累規律、煙草加工過程中利用美拉德反應改良煙草薄片,制備香精香料等方面綜述了美拉德反應在煙草加工過程中的應用與研究現狀,并對今后在煙草加工中美拉德反應的應用提出展望。

1 美拉德反應概述

1.1 反應機理

美拉德反應首次提出是在1912年,L.C.Maillard在研究氨基酸和還原糖反應時發現,葡萄糖和甘氨酸在水中加熱至100 ℃時變成棕黑色,最終產生一種黑色聚合物[6]。美拉德反應過程與產物體系十分復雜,至今尚不完全明了。目前仍以Hoge提出的網絡系統分類最為經典,其把美拉德反應分為以下三個階段[7]。

1.1.1 初期階段(Early Stage) 首先,糖類和氨基酸的縮合形成席夫堿(shiff Base)[7-8],席夫堿經過環化作用生成N-取代糖基胺;而后經過阿馬杜里重排(Amadori rearrangement)與海因氏重排(Heynsrearrangment)形成阿馬杜里產物,也稱中間產物,該產物在天然產品如杏、甜菜、糖蜜、調制后的煙草、茶葉中均有存在,其分解對美拉德反應產物有重要影響[9]。

1.1.2 高級階段(Advanced Stage) 而后,中間產物在不同的pH條件下發生不同的降解反應[3]。pH≤7時,主要通過1,2-烯醇化反應形成糠醛類或羥甲基糠醛類產物;pH>7時,主要通過2,3-烯醇化反應形成還原酮類產物;此外還有很多中間產物裂解,如丙酮醛、乙二醛、2,3-丁二酮、羥基丙酮等高活性的中間體繼續參與反應。在上述反應中生成的二羰基化合物可與氨基酸作用,產生活潑的氨基酮和比氨基酸少一個碳原子的醛,該反應稱之為斯特雷科爾降解,其降解產生的醛類化合物是美拉德反應產物中醛類的主要來源,而氨基酮的活潑性,為形成各種雜環化合物提供了必要條件。

1.1.3 終極階段(Final Stage) 終極階段的反應十分復雜,但是已有學者針對定量阿馬杜里化合物與游離氨基酸模擬最終產物的形成[10]。通過醛醇縮合、雜環形成、分子脫氫、異構化等一系列反應,形成紅棕色或棕黑色聚合物,稱為類黑素[8]。此階段在食品工業中有重要的意義,能給食物提供鮮美的香味,同時也會在一定程度上破壞食物的營養價值,因此在實際應用中往往會予以控制[8,11]。

1.2 美拉德反應的影響因素

1.2.1 反應物種類 美拉德反應的底物主要是糖類和氨基酸,參與反應的糖和氨基酸種類不同,產生的香氣物質就有所不同,反應的速度也有所不同[12]。參與反應的糖類主要有五碳糖(核糖、阿拉伯糖、木糖)、六碳糖(半乳糖、甘露糖、葡萄糖)等單糖,和乳糖、蔗糖等雙糖。從反應速度上來看,通常五碳糖>六碳糖>雙糖,五碳糖的反應速度比六碳糖快10倍。氨基酸的結構和種類也極大地影響了美拉德反應的產物與速度。研究表明,氨基酸中的氨基在ε位或末位的要比α位反應速度快,堿性氨基酸要比酸性氨基酸快[13];不同種類的氨基酸與同種糖類反應亦可產生不同香氣,如甘氨酸與葡萄糖反應產生焦糖類氣味,谷氨酸與葡萄糖反應產生愉快的舊木味等[14]。

1.2.2 反應溫度與反應時間 反應溫度與反應時間也是影響美拉德反應產物和速度的重要因素[15]。就反應溫度而言,一般在20～25 ℃條件下即可發生美拉德反應,溫度越高,反應速度越快,有研究證實,溫度每提高10 ℃,反應速度可增加3～5倍,而溫度過高則會產生影響食物風味的物質,甚至有致癌風險;反應溫度也會影響反應產物的種類從而影響香氣,例如纈氨酸與葡萄糖在100 ℃反應時會有黑面包氣味,在180 ℃反應則有刺鼻的巧克力氣味;脯氨酸與葡萄糖在100 ℃時反應會產生不愉快的灼燒蛋白質的氣味,而在180 ℃下反應會有愉快的面包香等[16]。反應時間主要影響反應的完全程度,反應時間越長,反應產生的香氣中間物質就越多,香氣就越濃郁,但過長的反應時間會造成不利的影響。

1.2.3 pH pH對美拉德反應有很大影響。吳惠玲[17]研究顯示,pH對美拉德反應的影響比反應溫度、反應時間影響更大。在pH3～10的范圍內,隨著pH的增大,反應速度加快,但當pH<3時,反應難以進行,且不同的酸堿環境直接影響了反應產物的生成。孫麗平[18]認為,pH對吡嗪類物質的產生有決定性的作用,在其設置的葡萄糖-賴氨酸體系中,在pH為5的體系中未檢測到吡嗪物質,而在pH為9的體系中2-甲基吡嗪占總反應產物的50%以上。

1.2.4 水分含量 水作為反應介質直接影響美拉德反應的速率含水量一般用水分活度來表示[19-20],在水分活度為0.3～0.7時,美拉德反應較快,水分過多或者過少都會對反應產生抑制作用。食品的含水量為10%～15%時反應速度較快,但當水含量為0或高于90%時難以觀察到褐變現象。

1.2.5 金屬離子 金屬離子對美拉德反應的影響主要表現在離子種類上。據報道,銅離子和鐵離子可以促進美拉德反應,因為銅離子與鐵離子形成的絡合物可以促進席夫堿的形成,而Fe3+比Fe2+更能促進反應,原因是Fe2+在反應中要轉化為Fe3+;Ca2+與Mg2+會抑制美拉德反應,而K+對反應影響不大。

1.3 美拉德反應的影響因素對煙草加工過程的影響

在煙草加工過程中,美拉德反應已被廣泛運用于煙草的提質增香,但是在反應過程中上述影響美拉德反應的影響因素直接影響到相關產品的品質。不同的底物種類決定了不同風格產物的形成,究其原因是不同的糖類與氨基酸反應的結果。該方面前人已作出多種嘗試,并取得了不同的結果[21-23]。在煙草加工中,主要討論的問題有底物濃度、pH、反應溫度以及反應時間。田懷香[24]在研究木糖與谷氨酸反應制備美拉德香精時應用響應面分析,得出了影響感官評價的影響因素重要程度排序依次是反應時間>反應溫度>pH>底物濃度的結論;不同的反應底物和所用的煙源或非煙源原料反應所用的時間、溫度、pH和底物濃度通常是不同的,有時不合適的反應條件所制備的產物會增加煙氣的刺激性、辛辣感,影響煙氣的香味甚至使香氣不協調[16,18]。所以最優的反應條件往往需要用試驗對比得出。

1.4 美拉德反應與煙葉香味物質形成

棕色化反應中生成的對于煙葉有致香貢獻的物質主要有呋喃類、吡咯類、吡啶類、吡嗪類等雜環化合物,醛類、酮類等羰基化合物及乙酸、丙酸等少量有機酸類。雜環類化合物含有一個不飽和的共軛體系,化學性質在一定程度上與苯環相似,具有一定的芳香性[25],因此大部分雜環類化合物都是煙草中重要的致香物質。在美拉德反應中,糖與氨基酸反應生成的氨基糖為之后的各種反應提供了前體物質。阿馬杜里與海因氏重排反應生成了各種羰基化合物;斯特雷科爾降解形成了氨基酮化合物和醛類,這些反應產物及反應產物之間再反應產生的煙葉致香物質為煙氣的香味做出了重要的貢獻。目前已知的在煙草和煙氣中存在的美拉德反應所產生的致香成分如表1[16]。

表1 美拉德反應所產生的致香成分Table 1 Aroma components produced by Maillard reaction

2 美拉德反應產物在煙葉調制、醇化過程中的變化

2.1 美拉德反應產物在煙葉調制中的積累

試驗表明[26-27],在煙葉生長及采收階段幾乎檢測不到美拉德反應產物,而在調制期間美拉德反應產物含量大幅度增加,并形成特征香氣。美拉德反應產物可以賦予煙葉特殊的香味,并對煙葉色澤變化起到一定的作用。

2.1.1 煙葉烘烤 美拉德反應進行于煙葉的調制,并且在調制過程中不斷積累。在煙葉烘烤過程中,伴隨著大分子物質的降解美拉德反應產物也逐步增多。周平等[28]通過建立整體評價模型對48份烤后煙葉樣品進行分析發現,美拉德反應產物在烤后煙質量評吸中占有較大載荷量;矯海楠[29]研究表明,美拉德反應產物在煙葉烘烤過程中呈現整體上升的趨勢,在烘烤結束時達到最大值,并顯著高于鮮煙葉;王愛華[30]研究證明,美拉德反應產物在烤煙烘烤中呈現動態變化趨勢,其中動態升溫變黃處理前后美拉德反應產物上升了18.6%。

2.1.2 煙葉晾曬 晾曬煙在調制過程中同樣伴隨著美拉德反應,其產物積累規律因其不同的調制環境有所不同。廖曉玲等[31]研究顯示,在白肋煙晾制過程中,吡嗪類非酶促棕色化反應產物急劇增加;張廣東等[32]利用烤煙與白肋煙互換調制方式研究得出,烤煙在晾制過程中棕色化反應產物中 2-乙酰基呋喃、2-乙酰基吡咯含量均表現為烘烤大于晾制,而糠醛、糠醇、3,4-二甲基-2,5-呋喃二酮含量均表現為晾制大于烘烤,且棕色化反應產物總量晾制較烘烤增加50% 左右,白肋煙在晾制中棕色化反應產物總量烘烤較晾制有所減少,但差異不明顯。時向東等[33]利用晾制和曬制不同方法調制曬紅煙得發現出,曬制相比于晾制美拉德反應產物積累更高。

2.2 美拉德反應產物在煙葉醇化發酵中的積累規律

煙葉在采收及調制后,仍存在較多的雜氣,煙草特征香氣不夠明顯,仍需要一定時間的醇化才能滿足工業需求[34]。有效的醇化可以顯著降低煙葉的刺激性,并使煙葉青雜氣、土腥氣等雜氣明顯降低,極大地提高煙葉的可用性[35-37]。煙葉在醇化和發酵過程中,其內部發生著復雜的理化反應[34,37-40],美拉德反應作為煙葉醇化過程中一個非常重要的反應,對煙葉香氣質量有突出的優化作用;王玉華[38,41]研究顯示,醇化過程中烤煙美拉德反應產物隨醇化時間的推進整體呈現上升趨勢,醇化18個月的煙葉美拉德產物的含量,較初烤煙葉和復烤煙葉均有顯著提高;且美拉德反應產物與感官質量評價存在明顯的相關性,美拉德反應產物對香氣質、香氣量、余味、雜氣和評吸總分的直接作用是有利的,對刺激性的減弱有間接作用。劉鵬等[42]研究表明隨著醇化時間的延長,美拉德反應產物由 31.74 μg/g提高到 51.79 μg/g,且對煙葉的香氣質、香氣量、余味、雜氣和評吸總分的直接作用和間接作用均是顯著或極顯著有利的,這與前者研究的結果基本一致。朱大恒[37]報道在白肋煙的醇化過程中,糠醇、糠醛在醇化22～26個月時達到最大值;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-乙酰基吡啶等堿性香味物質在18～26個月時達到最大值,之后均有下降趨勢,時向東等[24]研究顯示,在雪茄外包皮煙的堆積發酵中,糠醛的含量最高,并在發酵的第14 d達到最大值,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達到最大值。于建軍等[43]研究表明,在曬紅煙醇化過程中美拉德反應產物總體呈現上升趨勢。

3 美拉德反應在卷煙工業中的應用

3.1 再造煙葉

煙葉在生產加工的過程中會產生大量的煙梗、煙末、下等煙葉等副產物,如棄置在造成環境污染的同時會造成大量的資源浪費[44]。目前,將這些副產物制成再造煙葉是減少資源浪費的最好方式,但是傳統方法制作的再造煙葉大都存在吃味較差、雜氣重、不利于被煙草工業大量使用等缺陷。前人研究表明[45-47],利用美拉德反應改良優化煙梗煙末提取液,制造出的再造煙葉各方面指標均得到較大改善,可用性大大提高。

目前,針對再造煙葉進行美拉德反應的研究有很多,由于美拉德反應需要一定的反應條件與底物,所以對煙梗、煙末提取液的處理也不盡相同。煙梗、煙末、下等煙葉含有大量的纖維素、果膠以及蛋白質、淀粉等大分子物質,不利于反應的充分進行[47-48],故有學者[45]利用酶解的方式處理提取液,并加入適量外源氨基酸與糖類反應,所得的再造煙葉與市售產品相比,巨豆三烯酮、大馬士酮等致香成分含量大幅度上升,不利成分下降明顯,處理組感官評吸得分明顯提高,香氣更加豐富、協調,焙烤香濃郁,雜氣刺激性減小,抽吸品質明顯改善。

由于不同的反應底物、反應溫度、pH直接影響了不同的美拉德反應產物的生成,故不同學者在改良煙梗煙末提取液的方法上也有不同的結果。如張鵬[46]于pH為7.0～8.0,應溫度為70 ℃時,最佳美拉德反應時間為13 h,最佳外源氨基酸與糖類的組合與配比為脯氨酸∶甘氨酸∶苯丙氨酸∶半胱氨酸∶短鏈肽∶果糖=13∶13∶13∶2∶0.3∶70得到較好結果;黎新欽[47]試驗得出甘氨酸和木糖比2∶1 (m∶m),木糖添加量6%,反應體系初始pH6.5,反應溫度100 ℃,反應時間3 h時可以得到最優處理。處理后再造煙葉均有較大品質改善,吡啶、吡嗪等美拉德反應產物含量大幅上升。

3.2 煙草香精香料

隨著人們健康意識的提高,煙草降焦減害取得了較大的進展,但隨著焦油含量的降低,卷煙的香氣也相應的下降,煙用香精香料也就成為了卷煙工業的一種重要的添加劑,從而彌補卷煙香氣不足的缺陷[14]。相關研究證實,美拉德反應運用于卷煙香精香料的生產對卷煙香氣有較好的修飾作用。

其反應底物主要有煙源物質(煙草花蕾、煙末、碎葉、下等煙葉等)和外源物質(中藥材、水果、氨基酸和糖類等)。

3.2.1 利用煙源物質進行美拉德反應制備煙草香精香料 煙草作為葉用經濟作物在生產過程中會產生煙草花蕾、低次煙葉、碎煙葉等不能用于卷煙生產的副產物,利用這些副產物進行美拉德反應制備煙用香精香料已被越來越多的關注[44,49]。

目前,卷煙工業企業利用煙草花蕾已經制作出白肋煙花蕾香膏、烤煙花蕾香膏等產品,并已經在卷煙制造中應用。煙草花蕾中含有豐富的氨基酸與糖類,具備發生美拉德反應的條件。許春平等[50]研究發現利用白肋煙花蕾進行美拉德反應制備香料與簡單萃取浸提的產物相比增加了包括二羥基丙酮、2-甲基四氫呋喃-3-酮、2-乙酰呋喃和苯基丙酮在內的4種美拉德風味物質,進而進行加香試驗得出,利用白肋煙花蕾進行美拉德反應后產物加入煙樣后具有美拉德產物特征風味,略有花香,香氣量增加,香氣質改善,并有特殊的宜人香韻,煙葉的甜潤感和細膩感均增加,余味舒適;利用烤煙花蕾制作香精也有類似顯著的效果[51]。

除了煙草花蕾,利用殘碎煙葉或下等煙料進行美拉德反應制備煙用香精香料也被廣泛研究。酶解煙末,進行美拉德反應制備煙用香精,唐勝[52]檢測得出該物料共有揮發性成分27種,其中包括巨豆三烯酮、呋喃酮、吡喃酮等對煙草香味有積極貢獻的風味化合物。經感官質量評價,該香精對卷煙有顯著的增香、降低刺激、改善余味功效;利用煙梗發酵液制備香料,可發現煙草的致香成分如糠醛、糠醇、茄酮等不僅被保留了下來并有不同程度的增加[53]。另有學者指出,在酶解煙料過程中加入氨基酸與糖類可取得更好的效果[54]。

3.2.2 利用外源物質進行美拉德反應制備煙草香精香料 利用外源物質進行美拉德反應制備煙草香精香料最直接的方法就是直接利用氨基酸與糖類進行反應。不同反應物,不同反應條件所制備的產物也各有特點。糖類利用葡萄糖、果糖、麥芽糖等,氨基酸類利用脯氨酸、甘氨酸等,在150 ℃下反應2 h,所得產物有明顯的爆米花香氣,透發出堅果香和烤香,加入煙絲能使卷煙的煙香味更加透發,雜氣和刺激性減輕,其中的香氣物質以酮類物質如2-甲基-4-氫-膚喃酮,6-甲基-5-庚烯-2-酮等含量較多[55]。楊葉昆等[56]利用酪蛋白水解后的氨基酸混合液與葡萄糖在114～120 ℃進行美拉德反應,研究表明試驗產物含有13種以吡嗪類化合物,其中以2,5-二甲基吡嗪含量最高。評吸結果顯示,加入該處理后煙香明顯增強,雜氣減少,吸味得到改善。

也有學者利用中藥、水果提取物制備煙用香精香料,并取得了較好的效果。徐達等[57]利用白玄參酶解進行美拉德反應產物中鑒定出了21種新生的揮發性致香物質,其中吡嗪、呋喃和吡咯等雜環類美拉德特征香味成分15種,加入該產物進行評吸試驗,各處理均有較好的效果;利用利用藍莓、黑莓、烏梅、黃桃等水果濃縮物也可制備煙用香料,且混合濃縮物比單一的水果濃縮物效果更好[58]。

由于美拉德反應產物普遍存在容易散失、不穩定的缺陷,近來專家學者開始著手研究美拉德反應中間體在卷煙加香中的應用。美拉德反應中間體本身并不具備氣味,但是在加熱之后會繼續裂解形成大量的香氣物質。研究顯示,苯丙氨酸-果糖中間產物組合具有較好的熱穩定性和較好的協調性[59],甘學文[60]報道,通過比較苯丙氨酸-果糖組合完全反應與中間體熱穩定性,發現隨著加熱時間延長,完全反應的香氣成分降低了74.7%,而中間體揮發性香氣成分達未加熱的12.1倍。

4 展望

美拉德反應產物作為煙草致香物質的重要組成部分,有賦予煙草特殊的烤香、堅果香、焦糖香以及提升煙氣柔和度,改善煙氣吃味的作用。利用美拉德反應制備煙用香料、提升煙草薄片質量等工藝已經運用到了卷煙工業中,取得了良好的效果,但目前應用并不甚廣泛,且探討尚不深入,研究面較窄,試驗方案較為單一,如在進行美拉德反應方面更多學者仍在利用傳統水相介質通過高溫加熱制備產物,存在較多不可控因素,但已有報道利用超聲波輔助進行美拉德反應,反應更容易進行且有新產物生成[61-62];在調制、陳化、發酵等過程中更多地討論的是其變化規律,而對物質轉化過程中反應機理研究不夠深入,對其具體致香機理的認識還不夠透徹,在未來的研究中,應進一步加深美拉德反應機理作用于煙草加工工藝的研究,更深入地認識美拉德反應對煙葉顏色變化、香氣物質的影響,探討研究不同反應物、反應條件所產生的產物對煙草香吃味的影響,并通過加香試驗得出更優良的結果;在煙草調制與后期陳化發酵過程中,應通過反應機理研究以確定更好的調制、陳化發酵的環境條件,為優質煙葉生產服務。此外,美拉德反應產物的安全性一直是學者們研究的焦點,其理化性質、生物毒性、以及抗氧化活性的研究也應是下一步探究的重點問題[63-64]。