烟叶发酵的化学原理

第九章烟叶发酵的化学原理第一节烟叶发酵概述一、烟叶发酵的重要意义烟叶发酵是卷烟加工中极为重要的环节，良好的发酵工艺可改善烟叶品质。未经发酵处理的烟叶不同程度地带有多种品质缺陷，生青杂气和刺激性突出，没有化烟叶的特征香气，香气质单调，香气量不足；不能直接用来生产卷烟。通过发酵处理后，烟叶青杂气和刺激性下降，烟草特征香气显露，可用性显著提高，因此烟叶必须经过发酵处理才能用于生产卷烟。二、烟叶发酵的概念广义上讲，烟叶烘烤（或晾晒）、复烤和发酵均属烟叶调制的大概念。随着烟叶加工技术的改进和发展，烟草发酵被细分成不同的概念。一般将烟草发酵定义为：烟叶通过烘烤（或晾晒）和复烤后，在人工强化条件或自然条件下化一个过程；使烟叶含物发生一系列化学或生物化学变化，减少原烟某些品质缺陷，使烟草香更加显露，吸食品质明显增强的一个卷烟加工极为重要的工艺环节。根据发酵条件和方法的不同，烟草发酵被分为自然发酵和人工发酵。自然发酵是在库房室温条件下将烟叶贮存一段时间，在自然条件下化烟叶，使烟叶更符合吸食要求。这种发酵方法被欧美和中国的普遍采用。人工发酵是在特定的人工强化温度和空气湿度的发酵室，加速化烟叶，使其更符合吸食要求的烟叶发酵方式。这种方法是20世纪50年代前苏联科学家发明并在东欧和中国被广泛推广应用的一种烟叶发酵方法。烟叶发酵、烟叶化和烟叶醇化都是含不同侧重容的烟草发酵概念。化，主要偏重于指自然发酵，也叫醇化。发酵，主要偏重于指人工发酵。醇化，侧重于指人工发酵和自然发酵后的效果。多数情况下醇化等同于化。烟草发酵与微生物发酵是两个完全不同的概念。三、烟叶发酵机理烟叶发酵过程的主要物质转化途径和主要催化因子是烟叶发酵机理研究的两大核心问题。1858年英国科学家Koller最早对烟草发酵机理进行研究，指出在某些方面雪茄烟的发酵与乙醇发酵相似，并试图用微生物来提高烟草发酵效果，没有取得成功。1950年美国烟草专家Frankenburg.W.G提出由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。20世纪50年代前苏联科学家做了大量微生物烟草发酵试验，均未获得成功；随后改变方法用提供酶作用的温湿度条件创造了人工发酵方法。1977年瑞士化学家Demole证实了烟草的主要香气成分来源于类萝卜素、西柏烷类和赖百当类化合物的降解。1980年以后我国以高校和研究院为核心的科研队伍对烟叶发酵机理展开了大量研究，对烟叶发酵机理两个核心问题的研究结果进行归纳，可以指导我们加深对烟草发酵机理的了解。（一）化过程烟叶含物的主要转化途径1.烟叶萜烯类化合物降解作用烤烟和白肋烟主要含二大类萜烯化合物：西柏烷类和类萝卜素。这两大类化合物的降解可产生50多种香气成分，是化烟草表现天然烟香特征的主要成分，香料烟的典型香型来自于赖百当类和类萝卜素降解产物（Demole,E.,andP.Dietrich1977）。2.Maillard作用还原糖和氨基酸在一定条件下产生分子重排，形成类黑素，（L.C.Maillard1912.J.E.Hodge1968.）。烟草含丰富的还原糖和氨基酸，通过化形成56种杂环化合物，统称烟草类黑素，此类成分可使烟草表现烟香气，在自然条件下这是一个缓慢的分子重排过程。Maillard作用是烟叶还原糖和氨基酸含量下降的原因之一，使烟叶颜色略有加深。3.烟叶残存叶绿素降解作用通过调制后，烟叶仍然含有一定量的叶绿素和叶绿蛋白复合体，致使未化烟叶表现较重的青杂气特征。通过化，烟叶残留叶绿素进一步降解，生成吡咯类化合物，表现烟香气特征。在自然条件下这也是一个缓慢的过程。4.杂气成分的缓慢挥发作用自然化过程，烟草逐渐形成挥发性的小分子醛、醇、酸、氨、挥发碱（包括游离态烟碱）等对烟草吸食有明显影响的不良成分，这些成分具有明显的挥发性特征，在化过程中逐步挥发，醇化烟叶。小分子不良成分形成是一个化学过程，挥发作用则是典型的物理过程。5.酰胺与易分解氨氮化合物的脱氨挥发作用烟草氨氮化合物在化过程中脱去氨基，形成有机酸和NH3，有机酸积累和NH3的挥发可达到醇化烟叶的效果。烤烟化后总氮一般下降4%，晾晒烟的下降幅度远远大于烤烟。6.缓慢酸化作用化过程烟叶含部分易氧化有机质被氧化为有机酸（其中包括部分还原糖）；另外酰胺和部分易转化氨氮化合物脱氨挥发形成有机酸；同时部分挥发碱挥发使烟叶碱性下降。三方面的作用导致烟叶有机酸相对积累，总酸量相对上升，使烟叶出现明显的酸化过程，该过程还伴随着部分游离态烟碱与有机酸形成有机酸盐，使游离态烟碱变为结合态，有明显的醇化烟气效果。7.多酚降解作用通过化处理，烟草多酚含量迅速下降，一年化可使烤烟多酚含量下降21%，16天人工发酵处理使烤烟多酚含量下降51%。因为烤烟多酚主要是芸香甙和绿原酸，它们是一类烤烟特征香气成分，多酚的过多降解，会使烤烟香气变淡。适当分解也有降低烤烟苦涩味的效果。但人工发酵过量降解多酚对烟香有负面影响，应适当控制。8.游离烟碱转化降解作用烟叶含游离烟碱常引起较强的刺激性和不良吃味，化过程游离烟碱逐渐从结合烟碱中产生，并逐步降解为中性成分烟酸和其他类似物，消除强烈刺激性和不良残留余味。因为游离烟碱在烤烟中是缓慢形成的，所以它的降解也是逐渐进行的。9.果胶质降解作用果胶质是引起烟气尖刺感的重要成分，化过程果胶质被缓慢降解为果胶酸和其它成分，尖刺感逐渐减弱。烟草化过程除上述九个主要转化途径外，还有许多转化，由于它们不是影响烟叶品质的主要途径，故不作详细介绍。（二）烟叶发酵的主要催化因子晾晒烟化过程烟叶残存部分活性水解酶和少量活性细胞，大约晾晒烟一半的蛋白质被蛋白酶降解，产生相当数量的氨基酸（Frankenburg.W.G1950Enzymology10:325-431）。晾晒烟化初期的主要催化因子是残存水解酶，后期则是其他酶类。香料烟特征香质有别于烤烟和白肋烟，而白肋烟与烤烟特征香差异是由化学成分间的巨大比例差异导致的。烤烟化的催化因子有别于晾晒烟，经初烤和复烤两次高温处理，烤烟残存水解酶活性不能被检测到（卢红、王晶晶、陆富，2001），烤烟化初期的激烈程度不如晾晒烟。烤烟细胞酶类是化的主要催化因子，主要来自烘烤前的鲜活烟叶，烘烤后活性变得极端微弱，以致烤烟发酵往往达不到晾晒烟的效果，必须采用长时间的化处理。（三）烟叶化与环境条件的关系1.温度烟叶化的九个主要物质转化途径对温度的要求各不相同。以反应速度而论，多酚氧化最快为47℃，Maillard作用最适温度90℃~110℃，在105℃时合成的烤烟类黑素最具纯正化香气。温度越高杂气挥发越快，香气损失也随温度上升而加快。以烤烟品质而论，化温度以30℃~38℃最优。2.烟叶含水量和空气湿度烤烟防霉含水量以低于12%为标准，但对烤烟化最有利的含水量是13%~14%，工业上往往将烟叶含水量降至12%以下，化过程烟叶从空气中吸湿，含水量一般上升至13%~14%；烤烟化在空气相对湿度60%~80%最佳，空气湿度随气温变化而变化，干湿交替对烟叶排杂有利，尤其是具挥发性的强极性成分排除，需要烤烟有分子水的吸收排放过程。3.打包方式及光线烟包有少量气体交换有利烤烟化排杂和保持香质，工业上烟包密度一般为370kg/m3。包装材料需无异味并具有一定吸湿能力，以木材最佳，其次是纸箱。光线对烟香不利，光线直接破坏某些带双键的化学成分，包括多种香气成分，避光对化质量有利。四、烟叶发酵技术烟叶发酵主要分为自然发酵和人工发酵两类。（一）自然发酵自然发酵也称“醇化”或“化”，主要是借助自然气候的变化进行发酵的，所以也叫季节性发酵。它的主要特点是在烟叶贮藏期间，利用一年一度的春季温度上升，促进烟叶酶的活动，使烟叶经过缓慢的发酵过程，以达到改善烟叶品质的目的。其优点是工艺简单，操作方便，发酵后烟叶色泽鲜明，比较均匀，而其缺点主要有：时间长（1～2年），占用仓库面积大，烟叶周转慢，不够经济。（二）人工发酵烟叶的人工发酵，又称加温发酵。它是利用人为的适合烟叶在品质变化的条件（即适宜的温度和湿度），促使烟叶加快变化的方法。发酵后烟叶质量相当于烟质量。其优点是：发酵周期短，一般为12～15天，比较经济。烟叶的类型不同，其发酵方法也不同，这主要根据烟叶的性质和具体要求来决定。决定烟叶发酵方法的主要条件包括：第一，烟叶的特性，主要指烟叶的成熟度，烟叶等级的高低，烟叶的柔软粗糙程度，调制方法，化学成分及烟叶含水量的大小；第二，周围空气的温度和相对湿度；第三，发酵的堆垛体积和重量；第四，各种类型烟叶的发酵程度；第五，发酵前烟叶贮存的时间。下面将分别叙述不同类型烟叶的发酵方法。1．烤烟人工发酵方法在我国，卷烟工业所需原料绝大部分是烤烟，作为烤烟型卷烟对烟叶的色泽要求偏浅。因此发酵时，烟叶的含水量需低，否则，将会使烟叶颜色加深。有的甚至会变成褐色，光泽较暗，香气减少。不同烟叶有不同的发酵方法。烟叶发酵水分差距较大。一般来说，烟叶水分较高，如原烟水分18%～20%，发酵作用较猛烈，发酵进展速度快，发酵时间短，质量较差；反之，若烟叶水分较低，复烤后烟叶水分控制在11%～13%，发酵作用较缓慢，发酵时间长，烟叶质量好。温度是烤烟发酵的主要技术条件，温度太低，烟叶发酵进程缓慢。例如，在冬季，烟叶温度低至0℃时，烟叶在仓库贮存基本上不发酵。到春末夏初气温达到20℃左右时，烟叶即开始发酵。根据有关方面的研究认为，中、高等烟叶仍采用50℃发酵法；低等烟叶采用55℃发酵法。采用一次连续性强化醇化或发酵—醇化—再发酵来延长发酵时间，促进烟草的棕色化反应，以达到改进色、香、味的目的。2.白肋烟发酵方法烤烟的主要烟气趋酸性反应，而白肋烟则产生一种碱性的烟气，有一种浓郁好闻的香气，对卷制混合型卷烟是很有益处的。但白肋烟也有其较突出的缺点，氨气很重，故而使用前应进行发酵。其发酵方法为：第一阶段，发酵室温度提高到50℃的升温阶段，时间为2～2.5d；第二阶段，发酵的烟叶保温10d；第三阶段：发酵终了后2～2.5d。总的发酵时间为14～15d，烟叶水分为15%～17%之间，发酵后的白肋烟烟叶质量，应除去大量的氨，使其浓郁香味显露出来，吃味纯净，刺激性减轻，颜色呈棕色，一般最低要求成棕褐色即可。3.香料烟发酵法香料烟的上部烟叶和顶叶具有较浓的香气，这种香气叫做热固树脂香，它释放出烟草的自然组分，造成更有效的香味。香料烟的热固树脂比其他类型的烟草要强4～6倍，其熔点只有59℃～67℃。因此，在发酵上采用较低的温度，否则热固树脂变为热熔树脂，香气容易挥发。香料烟经过分级包装，水分为14%～16%，即可进行发酵，发酵的温度40℃～45℃较宜，发酵时间为30～45d。香料烟发酵的质量，要求保持其原有的色泽和香气，只改善它的生青气即可。4.雪茄烟的发酵方法雪茄烟的发酵方法大致分为两类，及堆垛发酵和装箱发酵。通常所用的雪茄烟外包皮、包皮和芯烟的发酵方法是不同的。对外包皮烟叶而言，一般比较喜欢青灰色或棕黄色。因此，采用较低温度和较长发酵时间，即经过长时间的低水分条件下进行缓慢的发酵方法。从质量方面讲，要求只控制其颜色不转深，适当减轻刺激性，通常用装箱发酵来完成。包皮和芯烟则与外包皮烟相反，发酵时不控制颜色，只注重提高在质量，降低尼古丁含量，消除氨气，保留雪茄烟香气，故采用堆垛方法。烟叶水分较大，一般第一次堆垛时，烟叶的水分在40%～50%之间，堆垛温度升到58℃以后，经过若干次倒垛，烟叶水分逐渐降低到18%～20%，尼古丁从4%～7%降低至2%左右，氨气就可以消除，烟叶所含的强烈雪茄香显露出来，此时即停止发酵。5.晒黄烟的发酵方法晒黄烟在混合型卷烟中作用较大，可以增加吸味，谐调烟气，增加光泽油润等。但晒黄烟的突出缺点是地方性杂气较重。晒黄烟的发酵以均县为例，用60℃发酵，相对湿度在65%～70%，发酵时间9～11d，地方性杂气即显著减轻，颜色适当地转棕色，有光泽。因此，初步认为发酵晒黄烟采用60℃温度为宜。6.晒红烟的发酵方法我国的晒红烟作为混合型卷烟原料是有其广阔前景的。例如，延边的晒红烟，已用于著名的人参牌卷烟中；再如，的打宾、独山，的凤