生物技術(shù)在再造煙葉生產(chǎn)中的應用

生物技術(shù)在再造煙葉生產(chǎn)中的應用

重建葉片，也稱為草屑素和再葉重組葉片，是一種利用蕭根、葉片碎片和最終卷煙生產(chǎn)手段為原料的再生產(chǎn)品。它可以用作卷煙填充材料。再造煙葉的作用主要有以下兩個方面:降焦減害和作為煙葉原料替代品。目前,再造煙葉在卷煙中應用逐漸得到重視[1~2]。國家局“十二五”科技規(guī)劃為“卷煙上水平”和減害降焦的需要,提出造紙法再造煙葉重大專項研究。造紙法再造煙葉已經(jīng)成為卷煙產(chǎn)品不可或缺的重要原料,但再造煙葉的內(nèi)在質(zhì)量及吸味特點還存在一些不足,表現(xiàn)為煙氣較為干燥,香氣量不足,刺激雜氣較大等,如何提高再造煙葉內(nèi)在品質(zhì)是各卷煙企業(yè)關(guān)注焦點。生物技術(shù)尤其是酶和微生物發(fā)酵技術(shù)在煙草中的應用研究,是當前科技工作者關(guān)注的熱點。針對提升再造煙葉品質(zhì)方面國內(nèi)外許多學者做了很多研究,研究結(jié)果表明將生物技術(shù)應用于再造煙葉生產(chǎn)工藝有著廣闊的發(fā)展空間[3~4]。本文從微生物發(fā)酵和酶技術(shù)兩個方面綜述生物技術(shù)在再造煙葉生產(chǎn)中應用的研究情況,并進行展望,以期為生物技術(shù)提高再造煙葉品質(zhì)提供理論依據(jù)。1噴墨再造煙料的制備技術(shù)早在1857年,再造煙葉的概念的提出,但其真正生產(chǎn)則始于20世紀50年代,制造方法主要有三種,分別為輥壓法、稠漿法、造紙法,這三種方法也是再造煙葉發(fā)展所經(jīng)歷的不斷改進的三個過程[5~6]。造紙法再造煙葉較前兩者設(shè)備復雜,是迄今為止技術(shù)含量最高、應用最廣泛、產(chǎn)品使用效果最好的再造煙葉加工技術(shù),其在物理性狀和內(nèi)在品質(zhì)方面,或者說是在卷煙工業(yè)生產(chǎn)中的可用性,明顯優(yōu)于其它類型的再造煙葉。典型的造紙法也叫兩步造紙法,第一步是將煙草原料進行固、液分離,第二步是再將固、液結(jié)合,是一種利用現(xiàn)代的制漿造紙技術(shù)和機械設(shè)備發(fā)展而成的再造煙葉制造技術(shù)。造紙法再造煙葉的主要原料為煙末、煙梗、梗簽、煙碎和質(zhì)量較差的殘次煙葉;輔料主要有木漿纖維、麻漿纖維、填料、增香劑和調(diào)味劑等。其中萃取、濃縮、制漿抄造、涂布干燥是其主要的生產(chǎn)過程,造紙法再造煙葉生產(chǎn)的工藝流程如圖1所示。2在國內(nèi)的研究微生物技術(shù)應用于煙草發(fā)酵的研究在國外開展較早,利用微生物改良烤煙品質(zhì)的研究在國內(nèi)也越來越多。在造紙法再造煙葉生產(chǎn)過程中,微生物發(fā)酵技術(shù)主要應用于原料和萃取液或濃縮萃取液的處理方面。2.1微生物發(fā)酵法造紙法再造煙葉用的原料含有蛋白質(zhì)、淀粉、果膠、木質(zhì)素等大分子物質(zhì),化學成分較為復雜,具有一定的不協(xié)調(diào)性。用微生物發(fā)酵技術(shù)對原料進行預處理,分解生產(chǎn)原料中對品質(zhì)不利的成分,從而降低造紙法再造煙葉的木質(zhì)氣與刺激性,改善其口感,提高其內(nèi)在品質(zhì)和可用性。Gravely等提出用E.caratavora培養(yǎng)液降解煙草中的果膠和用Asetgillus及Aspergnlusoryzae降解煙梗中的纖維素的微生物消化方法。于興偉等直接用微生物發(fā)酵法處理生產(chǎn)再造煙葉的煙梗,采用黑曲霉對煙梗進行固態(tài)發(fā)酵,以發(fā)酵后煙梗中果膠殘留率為指標,對其發(fā)酵條件進行了優(yōu)化,并放大到150L固態(tài)發(fā)酵罐。通過黑曲霉酶解作用,使煙梗轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄晕镔|(zhì)及固形物兩大部分,其中,固形物中的大分子物質(zhì)(如果膠、蛋白質(zhì)等)得到有效降解,這兩種物料均可作為再造煙葉的基礎(chǔ)物料。郭剛提出了使用木質(zhì)素降解菌及降煙堿桿菌發(fā)酵處理造紙法煙草薄片生產(chǎn)原料,發(fā)現(xiàn)上述菌種均可在一定程度上改善再造煙葉內(nèi)在品質(zhì),而雙菌種混合發(fā)酵能明顯改善再造煙葉的內(nèi)在品質(zhì)。原料經(jīng)發(fā)酵粗酶液處理后,木質(zhì)素和煙堿含量下降,刺激性明顯減輕,口感變好,香氣變濃,內(nèi)在品質(zhì)明顯提高。2.2微生物發(fā)酵技術(shù)造紙法再造煙葉生產(chǎn)過程中利用水浸提萃取煙草原料得到萃取液,再經(jīng)多效濃縮制備得到濃縮萃取液。上述制造工藝在很大程度上只是原材料物理性質(zhì)的改變,原料的固有化學性質(zhì)并未完全改變,燃吸時仍存在木質(zhì)氣較重、辛辣灼熱感較明顯、余味差等質(zhì)量缺陷。應用微生物發(fā)酵技術(shù)可在一定程度上改善上述問題,主要有以下三個方面的作用:合理調(diào)節(jié)化學成分的組成;增加香氣成分;降低煙堿。2.2.1微生物的影響為了合理調(diào)節(jié)造紙法再造煙葉中化學成分,提高再造煙葉的品質(zhì),有研究利用微生物對萃取液或萃取濃縮液進行處理,并檢測其植物堿、總糖、還原糖、總氮等成分,發(fā)現(xiàn)經(jīng)微生物發(fā)酵處理后的再造煙葉的糖含量明顯下降,糖堿比、糖氮比趨于合理,處理后再造煙葉的整體吃味質(zhì)量有所提升[11~12]。2.2.2煙草萃取濃縮液的制備煙草中酸性香氣物質(zhì)能夠改善煙草酸堿度,賦予煙氣味和芳香特征,使煙氣柔和、適口。常用中性香氣成分含量來衡量煙葉香氣的強度。煙草中主要的中性香氣物質(zhì)有β-大馬酮、3-庚酮、茄酮、新植二烯等。堿性香氣物質(zhì)包括煙堿、吡咯、呋喃等[13~14]。程昌合等將煙草萃取濃縮液在45℃醇化處理數(shù)日,經(jīng)過醇化處理后煙末濃縮液中的揮發(fā)性組分增多,且主要致香成分含量均有不同程度的增加。處理后煙草薄片的香氣量、協(xié)調(diào)性、木質(zhì)雜氣和余味等方面有較明顯地改善。但究竟是何種微生物在醇化過程中起作用(包括增加香氣成分的作用),論文并未給出明確的結(jié)論。張晨等利用釀酒酵母對造紙法再造煙葉生產(chǎn)過程中的煙草萃取液進行了轉(zhuǎn)化增香處理,處理后的萃取液增香效果明顯,其揮發(fā)性致香成分增加一倍。釀酒酵母處理對再造煙葉的煙氣平衡作用明顯,且增加了香味物質(zhì),處理后的再造煙葉煙氣協(xié)調(diào)性更好,余味明顯改善,并且含有香氣成分。可見,微生物在煙草萃取液中的轉(zhuǎn)化應用值得深入研究。2.2.3微生物降解法煙堿含量過高制約煙草薄片的發(fā)展和應用。目前,國外研究者已從環(huán)境中分離了多種煙堿降解菌,對節(jié)桿菌屬細菌代謝煙堿的機理研究較多;國內(nèi)主要集中在煙堿降解菌的分離和上部煙葉中煙堿的降解等方面[18~19]。實踐證明,微生物降解法是去除或減少煙草中煙堿的有效途徑。袁勇軍課題組從種植煙草的土壤中分離到一株高效煙堿降解細菌DN2,并初步報道了該菌在煙草薄片制備液中的應用情況,之后又研究利用菌株DN2降解煙草薄片制備液中的煙堿。結(jié)果表明煙草薄片制備液中煙堿降解的最適條件是:添加0.1%的酵母膏,使用氨水將pH調(diào)節(jié)到7.0,接種15%種子液,培養(yǎng)溫度30℃。在上述條件下,采用30L發(fā)酵罐對煙草薄片制備液進行3個批次的半連續(xù)發(fā)酵,煙堿的平均降解速率為140.55mg/L/h,高于其他煙堿降解菌株,為其工業(yè)化應用提供了技術(shù)性參考。但目前采用微生物技術(shù)來降解煙草薄片中的煙堿的研究還相對較少。3酶技術(shù)在再造煙用材料中的應用隨著酶學研究的深入,利用酶技術(shù)改善煙草品質(zhì)已成為煙草行業(yè)的研究熱點,國內(nèi)外許多專家和學者應用酶技術(shù)改善再造煙葉品質(zhì)方面也進行了許多探索。酶技術(shù)應用在造紙法再造煙葉方面的報道主要集中在原料預處理、浸提萃取工序(包括洗梗工序)、萃取液或濃縮萃取液中添加酶,個別也有應用于涂布工序的研究報道。3.1復合酶處理對梗絲理化性質(zhì)的影響在浸提之前對原料進行加酶處理,在一定程度上起著降低其中的不利成分,增加原料或其浸提液的香氣成分,提高浸提率等作用。林翔等利用復合酶液對煙梗的梗絲進行噴撒處理,發(fā)現(xiàn)經(jīng)復合酶處理2h的梗絲,總糖含量提高至22.8%,糖氮比和糖堿比均得到了提高,主要香氣成分總量提高了27%,梗絲的香氣品質(zhì)得到了改善,感官總體質(zhì)量有了較大提高。閆亞明等在煙草原料中加入酶制劑,對不易水解的大分子化合物進行酶解,再將酶解后的煙草原料進行浸取、濃縮,浸提率得到大幅度提高。葛少林等發(fā)明了一種造紙法煙草薄片的制造方法,首先采用酸性蛋白酶、果膠酶、淀粉酶對煙草原料進行生物降解,使得煙草萃取液中美拉德反應底物的含量得以提高。3.2酶制劑的篩選為了減少造紙法再造煙葉中的不利成分,很多研究用酶作用于再造煙葉的浸提萃取工序。基于現(xiàn)有制梗絲技術(shù)和洗梗工藝條件,有研究嘗試通過加酶洗梗處理,對煙梗的主要組成成分進行適量降解,發(fā)現(xiàn)果膠酶、纖維素酶、復合蛋白酶對煙梗的降解效果非常顯著,有助于提高再造煙葉品質(zhì)[25~26]。針對造紙法薄片刺激性大、木質(zhì)氣重、口感差等問題,鄭小嘎等通過在造紙法再造煙葉生產(chǎn)工藝煙梗浸提過程中添加復合酶制劑,梗絲經(jīng)酶處理后,刺激性明顯減輕,口感變好,香氣變濃,內(nèi)在質(zhì)量也得到顯著提升。李魯?shù)戎赋鲈跓煵菟芤褐杏妹浊沟恼婢鞍酌?在適宜的條件下隨著酶添加量與酶解時間的增加,煙草蛋白質(zhì)含量逐漸降低,同時酶解液中可溶性氮以及游離氨基酸含量逐步增加。在煙梗和煙末萃取過程中加入果膠酶、半纖維素酶和蛋白酶,研究發(fā)現(xiàn)在適宜的酶處理萃取條件下,煙梗和煙末的蛋白質(zhì)、總纖維素、果膠的轉(zhuǎn)化率和還原糖含量比熱水萃取有大幅提升?？梢妼⒚讣夹g(shù)應用于浸提萃取工序可有效將煙梗中大分子物質(zhì)進行轉(zhuǎn)化分解,但具體的工藝條件需要進一步優(yōu)化。3.3煙堿脫氫酶處理煙草片在萃取液中應用酶技術(shù)同樣也可以將果膠、蛋白質(zhì)等大分子物質(zhì)進行生物酶降解、轉(zhuǎn)化,在一定程度上優(yōu)化化學組成、降低煙堿、增加了萃取液中的致香物。馬林研究了煙堿脫氫酶在造紙法煙草薄片中的應用。發(fā)現(xiàn)在煙草薄片提取液中加入2%的煙堿脫氫酶酶液(m/m,酶濃度1.0mg/mL)及過量的NAD,40℃下反應16h后,煙堿降解率為50.58%。經(jīng)過煙堿脫氫酶處理的煙草薄片的煙氣品質(zhì)得到提高。馬東萍等將酸性蛋白酶、復合果膠酶、復合中性纖維素酶和中性脂肪酶配制成改性添加劑,可煙梗提取液中導致煙草燃燒后出現(xiàn)糊焦氣、木質(zhì)氣、蛋白焦臭氣的淀粉、纖維素、蛋白質(zhì)、果膠等大分子化合物降解為水溶性的小分子化合物。3.4煙香物質(zhì)的變化有研究報道將酶制劑用于制作涂布料應用于再造煙葉中,得到的再造煙葉的總糖、還原糖含量增加,內(nèi)在吸味的甜度感相應提高;總煙堿增加,勁頭提升;蛋白質(zhì)減少,雜氣減輕;氯、鉀、鈣、鎂含量也減少,對再造煙葉造成的負面影響相應降低;重要致香物質(zhì)都有了較大幅度的增加。將其應用于卷煙產(chǎn)品中,口感更舒適,滿足感更強,煙氣細膩、飄逸、協(xié)調(diào),焦油量和一氧化碳含量也明顯下降。4生物技術(shù)的應用綜上所述,將微生物發(fā)酵、酶處理等生物技術(shù)應用于原料預處理、浸提萃取工序、萃取液處理等方面的研究均取得成效,能夠有效的降解再造煙葉中的蛋白質(zhì)、果膠及多糖類等生物大分子,調(diào)節(jié)其內(nèi)在化學成分組成,增加再造煙葉中的主要致香成分,降低煙堿,從而改善再造煙葉的內(nèi)在質(zhì)量,降低再造煙葉的雜氣,提高再造煙葉香氣以及協(xié)調(diào)性。但這些研究大多局限于單一技術(shù)的應用,且停留于試驗研究階段。鄭勤安證實了同時應用增香菌、干酵母、蛋白酶處理萃取濃縮液也可有效改善再造煙葉質(zhì)量,