烟叶发酵研究进展_于建军

收稿日期:2005-09-23

基金项目:国家烟草专卖局资助项目(110200101003B )

作者简介:于建军(1957-),男,山东文登人,副教授,从事烟草化学、卷烟工艺等研究.通讯作者:邵惠芳

文章编号:1000-2340(2006)01-0108-05

烟叶发酵研究进展

于建军,李　琳,庞天河,任晓红,邵惠芳

(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)

摘要:对烟叶发酵机理、发酵过程中化学成分变化规律、基于烟叶发酵机理基础上的发酵技术进行了综述.认为今后发展的重点应加强烟叶发酵机理的研究,以便研究出适合卷烟工业化生产的发酵技术.关键词:烟叶;发酵;机理;技术

中图分类号:S 572 文献标识码:A

Research Advancement of Tobacco Fermentation

YU Jian -jun ,LI Lin ,PANG Tian -he ,RE N Xiao -hong ,SHAO Hui -fang

(National Tobacco Cultivation and Physiology and Biochemistry Research Center ,

Henan Agricultural University ,Zhengzhou 450002,China )

A bstract :This article makes a review of the mechanism of tobacco fer mentation ,the change of c hemical el -ements during tobacco fer mentation and the application research based on the mechanism of tobacco fer men -tation .The authors suggest that future researches should focus on the enhancement of the mechanism of to -bacco fermentation so as to develop fermentation technology fitting for industrialized cigarette production .

Key words :tobacc o ;fer mentation ;mechanism ;technology 烟叶发酵是卷烟工业提高产品质量的一种初加工方法,也是卷烟加工中极为重要的环节.未经发酵处理的烟叶不同程度地带有多种品质缺陷,有青杂气和刺激性,香气质单调,香气量不足,不能直接用来生产卷烟.良好的发酵工艺可改善烟叶的品质,提高卷烟质量.烟叶发酵主要分为自然发酵和人工发酵两类[1].自然发酵是将调制后的烟叶借助自然气候的变化进行发酵.这种发酵方法工艺简单,操作方便,发酵后烟叶色泽鲜明.但是自然发酵周期长,占用仓库面积大,烟叶周转慢,不够经济实用.人工发酵是利用人为的适合烟叶内在品质变化的条件,促使烟叶加快发酵的方法.人工发酵周期短,比较经济实用.但人工发酵的烟叶在吸食品质上与自然发酵法相比仍存在某些不足.科学合理的

烟叶发酵技术一直都是烟草科学工作者们研究的热点.作者对烟叶发酵方面的研究进行了综述.

1　烟叶的发酵机理

1.1　氧化作用

烟叶发酵机理的研究始于1858年[1],研究指出,雪茄烟在某些方面的发酵与乙醇发酵相似.氧化作用假说是1867年前苏联科学家涅斯列尔和什列晋格提出[2].认为烟叶中所含的无机元素(Fe ,Mg 等)是引起烟叶发酵的催化剂,烟叶发酵则主要是这些无机元素与空气中的氧进行催化的氧化过程.在有氧条件下发酵烟叶的还原糖、总氮、烟碱、蛋白质、总氨基酸、淀粉、多酚和类胡萝卜素含量的下降幅度大于无氧条件下发酵的烟叶[3].说明发酵

第40卷　第1期河南农业大学学报Vol .40　No .12006年 2月

Journal of Henan Agricultural University

Feb .　2006

过程中氧气条件对烟叶主要化学成分的降解和转化具有重要作用.

1.2　微生物作用

19世纪80年代,小什列晋格提出了微生物作用假说[2].他认为引起发酵最初作用的是微生物,后续过程才是在无机催化剂的作用下进行的. REID[4]等人研究发现,雪茄烟烟叶表面存在着大量的细菌和霉菌.细菌主要是巨大芽孢菌群,霉菌主要是青霉和曲霉.微生物活动比较活跃,并与发酵过程和发酵质量有一定关系.TAMAYO从西班牙烟叶中分离出的微生物主要是芽孢杆菌和球菌[5]. GARNER在对白肋烟中分离出的细菌和酵母菌进行计数和鉴定时发现,从白肋烟中分离出的杆菌型细菌主要是枯草芽孢杆菌,而酵母菌比细菌少[5].陈福星等[6]发现,在烤烟人工发酵的中期和发酵完成时,烟叶中均存在一定数量的微生物,其中以细菌为主,另外还有少量的放线菌和霉菌.烟叶表面的微生物数量和种类与发酵条件有密切关系.烟叶中的微生物种群主要包括细菌、放线菌和霉菌3大类[7～8].在发酵过程中烟叶中的微生物数量随发酵过程有一定减少,但放线菌的数量在烟叶陈化30个月时有一定增加[7].

1.3　酶作用

酶作用假说[2]是由列夫提出的,他认为烟叶发酵主要是烟叶中所含的氧化酶、过氧化酶、过氧化氢酶等作用引起的.1950年,美国烟草专家FRANKENB URY W G[1]也提出酶催化烟叶发酵的理论,并在晾晒烟发酵过程中发现近半数的蛋白质被蛋白酶水解成大量氨基酸.

也有研究指出,烟叶发酵过程中微生物和酶是相互作用的.如韩锦峰[9]等认为在陈化前期,烟叶中残留酶在酶促反应中起到了主要作用,微生物作用贯穿整个陈化过程,在陈化后期发挥着维持酶促反应的作用.朱大恒等[10]指出,在发酵过程中微生物总数均呈现出下降趋势,但不同微生物种群在不同发酵过程中数量的变化有明显差异,不同的酶在不同发酵过程中的活性变化也存在明显差异.微生物对烟叶中酶活性有一定的促进作用,但不同的微生物对不同种类的酶活性影响不同.发酵条件不同,微生物产酶的能力不同,相应地对烟叶基质的作用途径和效果也不同.

2　烟叶发酵过程中化学成分的变化

2.1　常规化学成分的变化

烟叶在发酵过程中,品质发生了明显的变化,无疑与其化学成分的变化有直接的关系[11].有研究表明[12],烤烟在人工发酵过程中,水溶性总糖、总氮、总植物碱、石油醚提取物的含量均呈下降趋势,总挥发酸的含量呈上升趋势.这些变化表现出前期剧烈而后期逐渐趋于平缓的规律.朱大恒等[13]指出,烤烟经自然醇化或人工发酵后,还原糖、总氮、烟碱、蛋白质、氨基酸、类胡萝卜素和总脂质含量均下降,其下降幅度以自然醇化烟叶为最大;而总有机酸、挥发性酸、挥发性羰基化合物和粗糖苷含量均上升,且以自然醇化烟叶的上升幅度最为显著.

2.2　致香物质的变化

致香物质是评价烟叶质量好坏的重要指标之一.发酵过程中致香物质的研究国内外已有大量的报道.WRI GHT[14]发现,烤烟在发酵过程中,色素含量不断分解降低,发酵后类胡萝卜素总量不到发酵前的26%,而叶绿素、新黄质在发酵后的烟叶中很少存在.叶绿素的降解产物新植二烯、绿原酸及类胡萝卜素的降解产物β-大马酮、紫罗兰酮均是烤烟的重要香气物质.NOGUCHI等[15]指出,烟叶发酵过程中非酶棕色化反应产物含量增加,主要是一些杂环类致香物质,如吡喃类、吡咯类、吡嗪类.IN-GER WAHLBERG等[16]研究指出,烤烟烘烤过程及发酵6个月、1a和2a时间大多数的中性成分和酸性成分均是呈增加的趋势.PR ABHU等发现[17],烟叶发酵后,挥发性酸总量增加,主要是β-甲基戊酸、异戊酸含量显著增加,但丁酸、丙酸含量有所下降.

朱大恒等[18]指出,随着醇化和发酵时间的延长,烤烟烟叶挥发性酸、挥发性碳基化合物含量以及烟叶精油中绝大多数香气成分含量显著增加,并符合二次曲线变化规律.2种方法相比,自然醇化法对烟叶香气成分含量的提高作用明显大于人工发酵法的作用.烤烟自然醇化18～24个月时,内在香气成分含量普遍达到最高值.赵铭钦[19]研究发现,随着陈化时间的延长,烟叶中大多数香气物质成分的含量持续上升,尤其是低分子量的成分上升明显;而还原糖、烟碱、总氮等化学成分的含量则逐渐下降.在不同的陈化阶段,烟叶中香气物质和化学成分在12个月以前含量变化最为激烈,之后趋于缓慢.朱大恒[20]发现,白肋烟在发酵过程中许多中性致香成分含量在醇化过程中呈明显增加趋势,增加幅度较大的成分有糠醛、糠醇、苯甲醛、苯乙醇、氧化异佛尔酮、巨豆三烯酮和金合欢基丙酮等.在所测定的12种碱性致香成分中,有吡啶、2,3-二甲基吡嗪、2,5-二甲基吡嗪、2,3,5-三甲基吡嗪、四

第1期于建军等:烟叶发酵研究进展109

　

甲基吡嗪、2-乙酚基吡嗪等6种重要碱性致香成分含量有明显增加,但碱性成分总含量在醇化过程中呈大幅下降趋势.

2.3　复烤片烟化学成分的变化

随着烟叶复烤技术的普遍推广应用,发酵陈化的对象由烟叶变为复烤片烟.李炎强等[17]指出,烤烟复烤片烟在自然发酵过程中,4-环戊稀-1,3-二酮、二氢猕猴桃内酯等致香成分含量持续增加;茄酮、β-苯乙醇等陈化前期含量增加,达到峰值后含量开始缓慢下降;2,4-庚二稀醛含量一直降低.复烤片烟发酵过程吸食品质有所改善,到30个月左右,感观质量最好.相关性分析研究表明,发酵过程中烟叶香味物质总量、酮类物质总量与感观质量相关系数大于0.09.

胡有持[21～23]、范坚强[24]研究了不同地区片烟的发酵情况,表明云南复烤片烟的致香成分在发酵初期呈快速上升趋势,中期呈缓慢增加趋势并达到最大值,后期开始下降.致香成分的变化与感观质量呈正相关关系,醇类成分和个别碱性成分与感观质量呈明显的负相关关系.河南复烤片烟经过发酵静燃速率提高,单位重量叶丝的焦油量降低;醛酮类、酯类成分和酸性成分的含量呈增加趋势,而醇类成分和pH呈明显下降趋势,吸味品质提高.云南烤烟复烤片烟在云南玉溪和河南许昌两地不同气候环境条件下自然发酵后烟叶中各类成分的变化趋势相同,但变化幅度明显不同.福建烤烟片烟的还原糖、烟碱、挥发性碱含量及pH值均随着发酵的进行呈持续降低趋势;挥发性酸含量则逐渐增加;总氮含量无明显变化.

3　基于烟叶发酵机理基础上的发酵技术

3.1　基于氧化作用的发酵技术

余永茂等[25]应用紫外线对烟叶进行处理以加速烟叶的发酵,认为紫外线加速烟叶发酵的作用主要是通过促进烟叶的氧化作用实现的,紫外线可以把空气中的氧气转变为臭氧,臭氧具有强氧化能力,可以加速烟叶的氧化.罗家基[26]等研究发明了一种利用光辐射和臭氧处理烟草及其制品的方法,利用光子臭氧发生装置所产生一定浓度的臭氧及其光子杀死贮烟害虫,并加速烟草及其制品内部物质的氧化还原反应.

3.2　基于微生物和酶作用的发酵技术

烟叶发酵过程中微生物和酶的作用非常明显.KOLLER[27]最先给烟叶接种微生物以增加香气和改善吸味的尝试,证明在雪茄烟叶中接种酵母菌后可大大加快发酵进程,并且使发酵更为彻底,但同时也会促进细菌和霉菌的生长.E NGLISH[28]和KOI WAI[29]等研究指出,在烟叶上分别或混合接种枯草芽孢杆菌和环状芽孢杆菌后,能迅速产生一种令人愉悦的香气.邱立友等[30]从不同品种的烤烟烟叶中筛选出用于烟叶发酵的高效菌株,接种于烟叶表面进行人工发酵,烟叶中的过氧化物酶、蛋白酶和淀粉酶活力比对照提高23%～77.5%.赵铭钦等[31]利用4种优势增香菌种和高生物活性的α-淀粉酶、蛋白酶等配制成烟草发酵增质剂,这种增质剂具有促进烟叶内部有机物质的分解和转化,加速烟叶的发酵进程,缩短发酵周期等作用.并使烟叶内部化学成分更加协调,香气质改善,香气量增加.谢和等[8]研究将枯草芽孢杆菌施加到烟叶上,可明显减少烟叶青杂气和刺激性,香气和品质提高.王革等[32]从烟叶上分离了3株降解尼古丁和蛋白质能力较强的菌株.余永茂等[33]应用酶发酵低次烟叶,使80%以上的烟叶总糖含量提高6%～10%,60%的烟叶蛋白质含量降低1.6%～2%, 83%的烟叶糖氮比值提高,烟碱平均值升高1.5%～2.6%,并可缩短发酵时间,使烟叶的青杂气消除,苦辣涩味消除或减轻.周瑾[34]从优质烤烟叶上分离筛选得到的微生物菌Yu-1接种于灭菌后的低次烤烟碎片,发酵后的烤烟碎片提取物能显著降低卷烟的刺激性,掩盖杂气,改善吸味.马林[35]用以蛋白酶为主的复合酶制剂有效地降解了烟草蛋白质、果胶、纤维素等.并选用适宜的微生物发酵去除烟气中的氨及胺类等小分子含氮物质.烟气中有害气体HCN,NO,CO,焦油生成量都有所减少.烟叶香气增加,刺激性显著降低,余味干净,杂气轻微.

3.3　其它发酵技术

PEROVOIC D等[36]研究了自然陈化过程中空气温度和湿度2个基本因素对复烤叶片的影响,分析了3a陈化过程中,复烤叶片物理和化学特性.结果发现,烟叶的平衡水分增加,烟碱、还原糖含量以及pH下降,蛋白质和总氮含量分别有轻微减少和增加.KI M等[37]认为,储存期间不同高温高湿条件下,对已加工烤烟和白肋烟的pH、颜色和某些化学成分有重要的影响.贾涛等[38]采用三段式反复升降温,低温(40℃)发酵法处理新调进的40级烟叶,处理后的烟叶香气浓郁,杂气少,刺激性小,余味干净.宋纪真等[39]指出,相对湿度55%～65%,

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　河　南　农　业　大　学　学　报第40卷

温度在自然温度条件下发酵的片烟外观质量较好,吸味品质有很大的改善.夏正林[40]等指出,纸箱包装发酵烟叶可以减少烟叶造碎,便于打叶复烤后的烟叶运输,且发酵后烟叶质量优于麻袋包装.王登喜等[41]利用打叶复烤后烟叶的余热加速烟叶发酵的技术.此技术设备简单、投资少,还可以减少烟叶长期贮存因霉变、虫蛀和翻垛而引起的造碎,发酵后烟叶色泽好.刘维涓等[42]利用电场强度为100 kV·m-1的高压静电场,对B4F烟叶处理时间60 min;高压静电场强度为355kV·m-1,对C3F烟叶处理30min.结果表明,处理后的烟叶化学成分、主要致香成分等均达到较理想的效果,经评吸烟叶在香气及吃味品质上明显优于未处理的对照烟样,烟香中的青杂味和刺激感均有明显的改善.刘维涓等[43]在烟叶复烤工艺过程中添加一定量的生物活性改性添加剂,在烟叶发酵过程中可以促进低等级烟叶内在品质的提高.祖泽民[44]研制的烟草醇化液,喷洒到烟叶表面,可以缩短烟叶1/3～1/2的发酵时间,降低烟叶焦油含量,延长卷烟保存时间,具有一定的保健功能.

4　结语

烟叶发酵研究已进行了相当长的时间,并取得了较大进展.今后的研究重点应对长期展开的烟叶发酵机理跟踪研究,依据发酵机理研究适应于卷烟工业化生产的发酵技术,并对不同时期发酵烟叶进行外观质量评定、理化性状分析、生物活性物质检测和感官评吸,并进行统计分析,寻求它们的相关性,形成一套烟叶发酵质量量化标准理论,这对于卷烟企业合理选用烟叶具有指导意义.同时目前烟叶发酵的研究主要是烤烟,而对于其它类型的烟叶发酵研究很少,这也不利于卷烟工业对烟叶的合理利用.因此今后对于其它类型的烟叶的研究也应该是研究的重点,从而使烟叶发酵理论更加完善.

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