生物技术在卷烟工业中的应用

生物技术在卷烟工业中的应用毛多斌生物技术已成为当今世界发展最快、最活跃的高新技术领域，现代生物技术在烟草工业中的应用研究也日益深入和广泛，利用生物技术方法提高烟草和卷烟的品质，降低卷烟对人体的危害等方面已经取得可喜的进展。本文旨在以下几个方面进行综述：1.利用生物技术改善烟草原料的品质；(1).通过改变原料的化学特性改善烟叶品质(2).烟叶发酵和陈化过程中加入微生物和酶改善烟叶品质2.生物技术在烟梗处理和烟草薄片中的应用；3.利用生物技术制备烟用香料；4.生物滤嘴。1.利用生物技术改善烟草原料的品质；烟草是一种复杂的有机体系，目前已从中分离出2700多种成分，卷烟的吸味是烟草的化学成分和分布的均衡性所决定的。利用生物技术我们可以有选择的改变烟草化学成分的含量或在烟草经调治后用生物方法进行处理，进而改善卷烟的吸食品质。1）通过改变原料的化学特性改善烟叶品质（A）降低烟草中蛋白质的含量研究发现烟草中蛋白质被认为是一种对烟气不利的成分，它燃烧时产生烧羽毛样气息，同时也是烟气中有害气体喹啉、氰氢酸、苯并芘的前体。因而降低烟草蛋白质的含量可以提高卷烟的吸食品质和安全性。早在二十世纪三十年代就有研究者对此感兴趣,直到目前仍不断有新的专利报道。目前研究的重点在于如何尽可能多的使烟草中不溶性蛋白质降解后用什么方法加以去除,以便得到低蛋白质含量的烟草原料满足卷烟产品的需要。据US4887618报道，先使用一种含水溶剂萃取出烟草有关组分后，再用蛋白酶水溶液处理萃取过的烟料，将烟料中大量基本不溶于水的蛋白质分解成水溶性的多肽，最后，将经过如此处理的烟料过滤即得到降低蛋白质含量的烟草。经过处理的烟料，其蛋白质含量较低，可与萃取液一起制造成低蛋白质含量的烟草薄片。Gaisch等人报道了(US4407307)另一种去除烟草中蛋白质的方法。他们先将蛋白酶加入烟草和水的混合体系中降解烟草中的蛋白质，然后将烟草与体系分离、干燥。水解液接种微生物，通过微生物的代谢作用去除水溶液中的多肽等，再将水溶液中微生物通过离心或过滤的方法除去，最后将此水溶液浓缩物回喷到先前干燥好的烟草上，制得去除蛋白质的烟草，该法可以去掉烟草中50%以上的蛋白质。US5601095报道了使用膨润土（Bentonine）吸附去除酶降解后烟草水溶液中可溶性蛋白质的方法。US5311886报道了使用十二烷基磺酸钠去除经酶解的烟草水溶液中蛋白质碎片的方法。（B）降解烟碱烟碱是烟草中一种独特的重要的物质。适当降解烟碱可以改善烟草的品质,另一方面降解烟碱也可以消除烟草废料对环境的污染。微生物降解烟碱己经研究十多年了，所用的微生物不同，烟碱的分解途径亦不同，如Wadae等在合成介质上，用由土壤中分离出的假单孢菌属(Pseudomonas)第41小种处理烟碱溶液24h后，可以降低65%的起始烟碱。CasidaT.E.Jr等人从烟叶中分离出可将烟碱氧化成Y一氨基丁酸的细菌。为了适应意大利环保法的要求，Rossis等进行了用假单孢菌降解烟尘废料中烟碱的研究。其实验是，取lkg烟尘样品(烟碱2.0%~2.5%)，加2.0~2.5L含有假单孢菌的水溶液浸润，使之完全浸润透烟粉，室温下放置数天，并偶尔搅伴一下，约一周后，烟碱含量在4.0×lO－4—7.0×lO－7之间，含量已极少。此外，布朗&威廉森公司从PuertoRican雪茄烟叶上分离出可降解烟碱的PseudomonasPutida和可同时除去烟碱和硝酸盐的CelluLomonas(纤维单孢菌属)。将此微生物的接种物加到叶片上，同时添加足量的水和氨水，使烟叶的水分含量和pH值分别达到65—75%和6.1。尔后，于30℃下堆积发酵16h，此时白肋烟叶片中的烟碱已基本耗尽，干燥并进行加工。化学分析和评吸结果表明，与末处理烟叶的卷烟相比，经处理烟叶的卷烟配方及其烟气中的烟碱分别降低48%和42%，其感官评吸结果优良。WO2000069289，Ger.Offen.DE19630619，WO2000033676等专利文献也报道了烟碱降解的方法。(2).烟叶发酵和陈化过程中加入微生物和酶改善烟叶品质烟叶陈化和发酵是完善和改进烟叶品质的一个重要环节。自十九世纪至今，研究人员在烟叶发酵期间，对叶面表面微生物进行了一系列分离、鉴定工作，同时也进行大量的向烟草中加入微生物和酶制剂来提高烟叶质量的尝试性研充。早在1889年Schland就对雪茄烟的微生物区系进行了研究。1937年Reid等人发现，在雪茄烟发酵过程中微生物数量剧增，且与一些酶的含量呈正相关。Frankburg等在总结前人研究基础上，提出烟叶陈化的机理之一就是叶面微生物作用的结果。据报道，烟叶表面的微生物总数可达105一106个/克。韩锦峰等对末发酵，自然陈化及人工发酵期间的烤烟表面微生物进行分离鉴定，并对不同发酵过程中微生物的动态变化作了比较，结果表明，末发酵的烟叶叶面微生物数量最多，随着自然陈化及人工发酵的进行，叶面微生物数量均逐渐减少，且均以能产生芽孢的芽孢杆菌属(Bacillus)和梭状芽孢杆菌属(Clostridium)为优势种群，没有酵母菌的存在。在自然陈化中，霉菌的数量逐渐减少，至陈化后期，基本上未能检出，而人工发酵过程中霉菌数量有所增加。赵铭钦等分析不同烤烟品种在自然陈化期间叶面微生物的数量、种类后指出，在自然陈化的烤烟叶面微生物中，细菌占有绝对优势，放线菌和霉菌尤其是放线菌数量较少。在细菌中，芽孢杆菌为优势菌群，在霉菌中，曲霉为优势菌群。自然陈化烤烟叶面微生物的数量和种类与烤烟品种、产地、等级和陈化时间有关，不同品种的烤烟中，优良品种烤烟叶面微生物的数量较大。在叶面微生物对烟叶品质的作用效果方面，国内外的研究结果基本相似，认为烟叶表面的霉菌和厌氧芽孢梭菌的繁殖将造成烟叶腐烂和香气的损失，是在烟草陈化和发酵过程中应控制的对象，而烟叶中的芽孢杆菌、嗜热细菌和小球菌对烟叶的香气和品质则是有益的,是应当利用的对象。Koller等所进行的向烟叶中接种微生物的尝试性研究揭开了烟草微生物发酵研究的序幕。继其之后，有关烟草叶面微生物应用的报道不断出现。Tamayo报道，当向烟叶上接种一种微球菌时，烟叶的香气得到改善，蛋白质含量降低，可溶性氮，尤其是氨、胺和酰胺含量增大，生物碱含量降低，PH值大幅度增加，English等认为，烟叶接种枯草芽孢杆菌和羧状芽孢杆菌后能迅速地产生一种愉快的香气。随着微生物的生长，烟叶中的总碳水化合物和还原糖降低，PH值提高。F.Dauson提出，嗜热性放线菌，可使陈化烟叶产生一种使人感兴趣的香气。GiovnnrozziSermanni采用Debaryomycosnicotianae,Micrococcusnicotianae,Mnicotianaevarliquefaciens,Bncillussp和Arthrobacternicotianae对雪茄烟用的肯塔基烟叶进行发酵处理，结果使柠檬酸、苹果酸、马来酸和琥珀酸分解，导致烟叶呈碱性。Debaryomycosnicotianae增大了烟叶中游离氨基酸的含量，而Micrococcu又利用这些氨基酸生成了CO2，氨，丙烷和乙烯。近几年来，国内学者在对烟草叶面微生物进行分离鉴定的基础上，从烟叶表面分离出优势菌群，经扩大培养后加在烟叶表面来改善烟草品质的研究，空前活跃。谢和等的研究表明，将烤烟经辐照灭菌后，接入从烟叶中分离出的优势芽孢杆菌，可明显地提高烟叶香气和品质。韩锦峰等将从烤烟叶面上分离得到的几株优势菌混合，配制成生物制剂(IFA)，用于烟草发酵，结果表明:可加速烤烟发酵过程，提高发酵烟叶的品质，同时还具有抑制烟叶霉变的作用。关于调制后烟叶中残存的酶的研究己有半个多世纪的历史，它是伴随着烟叶发酵机理的研究而发展的。列夫理论认为:烟叶的发酵是由烟叶本身所含的氧化酶类，(主要为氧化酶，过氧化氢酶;过氧化物酶)所引起的。此外前苏联曾有人对发酵过程中烟叶中的三羧酸循环的酶类进行过的研究和分析，Frankburg还对烟叶中所存的酶进行了系统的分类。韩锦锋等在对陈化时期的烟叶中几种酶的变化动态进行分析后指出:烟叶中的淀粉酶，蛋白酶和氧合酶活性在陈化期间，均表现出前期升高，而后期下降的单峰曲线，多酚氧化酶和琥珀酸脱氢酶活性也在陈化前较高，在陈化期间逐渐降低。刘石等对Cu2+在烤烟发酵中对多酸氧化酶的作用作了研究。Babletc在研究干烟叶中蛋白水解酶时发现，人工调制的烟叶没有蛋白质酶活性，而晾制的烟叶具有蛋白质酶的活性，半胱氨酸能激活这些酶的活性。在对烟叶中酶的研究基础上，人们开始探索使用酶制剂来加速烟叶发酵，提高产品质量的技术。C.F.Bailey和A.W.peter在温度9—39℃和相对湿度为80-100%范围内对用硝酸盐还原酶和蔗糖转化酶处理的烟叶进行了详细的研究，发现发酵四天后烟叶具有调制干草样的甜香，12天后甜香更浓，并带有香豆素的香气，燃吸时烟气柔和，干味轻，且涩味很小，还有一种淡淡的清香。赵铭钦等根据微生物和烟叶内部酶作用的研究结果，利用从烟叶表面分离出的4种优势提质菌株和高生物活性的α一淀粉酶、蛋白酶等配制成烟草发酵提质剂应用于烟叶的人工发酵和自然陈化过程中，结果表明:烟草发酵提质剂具有促进烟叶内部有机物质的分解与转化，加速烟叶发酵进程，缩短发酵周朝的作用。处理后的烟叶香气有所改善，香气量增加，烟叶原有的杂气和刺激性减轻，烟叶内部的糖、氨、碱主要化学成份及其比值趋于协调平衡。由于在烟叶表面接种微生物来改善烟叶品质需要微生物的代谢和繁殖。而过度的繁殖会增大烟叶内有机物质的消耗，这对稳定烟叶的品质是不利的。若采用灭菌处理又会影响烟叶内部酶的正常作用。向烟叶上喷施酶制剂会增加烟叶的蛋白质含量，可能影响烟叶品质。因而，王蛮提出，寻求一种或几种催化剂，施加到烟叶表面，在优先满足酶适应环境的条件下，又起到催化发酵的作用。2.生物技术在烟梗处理和烟草薄片中的应用国外在这方面的研究起始于二十世纪六年代，至目前为止，已取得许多成果，获得了不少的专利。为了克服烟梗在制丝时的缺点，US3513857报道了一种用酶制剂处理烟梗，以获得柔软而有利于加工烟梗的方法，该方法通过多种市售酶制剂(果胶酶、纤维素酶、半纤维素酶)作用效果比较发现，这些酶均可以在不同程度上分解烟梗中的果胶、纤维素和半维素，但以纤维酶35和果胶酶R.10效果最为突出。用25倍于烟梗的纤维素酶35和1%的柠檬酸钠溶液(2N醋酸调整PH值至4.5)在室温下浸泡烟梗24小时，干燥后的烟梗柔软，易于压扁，切丝，且处理后梗丝的填充值增加。US3242214也介绍了一种含有上述三种酶的水溶液处理烟梗的近似的方法。美国非利浦·莫瑞斯公司的B.M.Sqann的发明提出了商品酶制剂，提高烟草薄片质量的方法，该方法是将烟梗含量约50%的烟末制成固形物含量为12~18%的稠浆，加入0.075%-0.75%的纤维素酶35，用乙酸调PH值为4.5，，室温放置过夜，然后按稠浆法制成烟草薄片，化学分析表明:这种烟草薄片的水溶性物质，总还原活性物质和还原糖的含量均高于原来的烟草原料。草酸铵水溶液可溶物、氯化钠和纤维素量均较低，总灰分、苯一乙醇可溶物和半纤维素的含量不变，评吸结果表明，用低量酶、甘油和乙酸处理的烟草薄片的刺激性小，甜味较重。由于利用酶制剂来生产烟草薄片并提高其质量的方法存在着以下问题:（1）生产成本高，（2）在处理时要求有严格的PH范围，（3）生产过程中需补充酶，因而一种崭新的生产烟草薄片的思路一一微生物消化法便应运而生，如美国专利US3743608提出的E.caratavora的培养液降解烟草中的果胶，HeoriSilerman介绍的用Asetgillus和Aspergnlusoryzae主要降解烟梗中的纤维素的方法。更进一步的研究是布朗和威廉森公司的LawrenceE·Gravely提出的利用混合培养的微生物消化烟梗的方法，所谓混合培养就是将能产生果胶酶的E.caratevera和能产生纤维酶的T.Longirrachiatum在两者共同需要的培养基中培养，其目的旨在实现烟梗中