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科研好文——烟叶发酵的化学原理

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发表于 2020-10-7 09:07:31 | 显示全部楼层 |阅读模式
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本帖最后由 瓶子和罐子 于 2020-10-9 09:11 编辑

中秋国庆假期的尾声,给论坛茄友安利一篇好文,是学术性的好文,来源取自于网络,别人的科研劳动成果(向科研人员、学术研究人士致敬)。这里只是给搬运一下,同时删除掉了一些与雪茄无关的内容,比如说烤烟的部分,主要留下雪茄知识和通用知识。此外,我还加入了一些个人的理解和说明,太高深的学术问题不要问我,本人真不是烟草行业的。原文已做删节、简化。
以下标红字的部分是重点或重要说明。


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,没有陈化烟叶的特征香气,香气质单调,香气量不足。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陈化一个过程;使烟叶内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,在自然条件下陈化烟叶,使烟叶更符合吸食要求。这种发酵方法被欧美和中国的云南普遍采用。人工发酵是在特定的人工强化温度和空气湿度的发酵室内,加速陈化烟叶,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、烟叶陈化和烟叶醇化都是含不同侧重内容的烟草发酵概念。陈化,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陈化。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胡萝卜素、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。

(看到这里,各位应该很清楚了,雪茄的发酵根本就不是微生物发酵,网络上流传了很久的各种菌促进发酵、陈化,都是胡言乱语或者人云亦云。)

(一)陈化过程烟叶内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:西柏烷类和类胡萝卜素。这两大类化合物的降解可产生50多种香气成分,是陈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胡萝卜素降解产物。


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.Maillard 1912. J.E.Hodge 1968.)。烟草内含丰富的还原糖和氨基酸,通过陈化形成56种杂环化合物,统称烟草类黑素,此类成分可使烟草表现陈烟香气,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。

(这也就是美拉德反应,简单说我们烤一片五花肉,烤熟后肉变成了焦黄色,就是一种极简单的美拉德反应。)

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,致使未陈化烟叶表现较重的青杂气特征。通过陈化,烟叶残留叶绿素进一步降解,生成吡咯类化合物,表现陈烟香气特征。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
自然陈化过程,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,在陈化过程中逐步挥发,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。

(因而雪茄的发酵必须依靠大量的时间,杂气的挥发十分缓慢,这也就是为什么从古至今流传的雪茄要陈年的原因。)

5.酰胺与易分解氨氮化合物的脱氨挥发作用
烟草氨氮化合物在陈化过程中脱去氨基,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。烤烟陈化后总氮一般下降4%,晾晒烟的下降幅度远远大于烤烟。


6.缓慢酸化作用
陈化过程烟叶内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
通过陈化处理,烟草多酚含量迅速下降,一年陈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
烟叶内含游离烟碱常引起较强的刺激性和不良吃味,陈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,陈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。

烟草陈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
晾晒烟陈化过程烟叶内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。晾晒烟陈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。
烤烟陈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,烤烟陈化初期的激烈程度不如晾晒烟。烤烟细胞内酶类是陈化的主要催化因子,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,必须采用长时间的陈化处理。


(三)烟叶陈化与环境条件的关系
1、温度

烟叶陈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陈化香气。温度越高杂气挥发越快,香气损失也随温度上升而加快。
(雪茄烟叶在卷制前的温度是非常高的,但是后期卷制完成后,陈化温度就是一个比较低的固定值了,这其间有三大因素:其一是文中的香气损失说法;其二是为了保证雪茄的陈化过程中相对湿度会随温度而升高,过高的水份会过度影响发酵;其三就是防止生虫。)

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,但对烤烟陈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,陈化过程烟叶从空气中吸湿,含水量一般上升至13%~14%;烤烟陈化在空气相对湿度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陈化排杂和保持香质,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,避光对陈化质量有利。

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“陈化”,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,促进烟叶内酶的活动,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内在品质变化的条件(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陈烟质量。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
(略去)
2.白肋烟发酵方法
(略去)
3.香料烟发酵法
(略去)
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、内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。内包皮和芯烟则与外包皮烟相反,发酵时不控制颜色,只注重提高内在质量,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。

(这里是指的卷制前于发酵场的发酵办法)
5.晒黄烟的发酵方法
(略去)
6.晒红烟的发酵方法
(略去)


第二节  烟叶发酵过程中的变化
一、发酵过程中干物质损耗
在发酵过程中,烟叶内在化学成分发生很大变化,主要表现为氧气的吸收和二氧化碳、水、氨、挥发性小分子物质的排出,最终导致干物质的减少。一般而言,经发酵后,烤烟干物质的减少范围从微量到2%,晾晒烟干物质损耗较大,一般在3%~4%。但是,有些晾晒烟在采用特殊方法进行人工发酵时干物质损耗则较大,最高可达18%左右。
烟叶中的亲水性胶体物质在发酵过程中会进一步分解,从而使那些原来与胶体物质结合在一起的水分被游离出来,导致烟叶表现出“回潮现象”。发酵过程中出现的这种特异现象,在发酵成熟度差的烟叶上表现尤为突出。当然,造成烟叶发生“回潮现象”所用的水分,除了发酵过程中烟叶内某些物质的结合水可能被释放排出外,还可能由氧化反应的结果所产生。这又可能是由于脱氢作用过程中产生的氢与氧结合的产物。显然,这种现象表现的强烈程度与烟叶干制加工进行的深度有关。换言之,如果烟叶在干制时化学变化比较小,那么,这种烟叶在发酵过程中从结合状态释放出来的水分就多,发酵时发生“回潮现象”就比较明显,烟叶内部发热就高。此类烟叶在发酵时的干物质损耗就大。


(一)干物质的损耗量
烟叶发酵过程中的干物质损耗主要是有机物挥发造成的,这些挥发性物质主要是:游离烟碱氧化;果胶质解体时甲醇排出体外;在条件适宜的情况下氨类物质的排出。另外,还有一些芳香油类和有机酸类物质的排出。
有试验报道,烟叶内有机酸含量越高,发酵时干物质损耗就越大,其结果见表9—1(略去)。


(二)影响干物质损耗的因素
烟叶等级不同,发酵时干物质的变化不同,等级越低的烟叶,发酵后干物质的损耗越大。烟叶水分对于烟叶干物质的变化也有很大影响,烟叶水分含量越高,发酵后干物质损耗越大。烟包容量越大,干物质的损耗越多。发酵时烟叶温度与干物质损耗量呈正相关。
晒烟烟叶在发酵过程中干物质的损耗比烤烟多,其原因主要是:一方面晒烟烟叶具有较高的原始水分;另一方面是在调制过程中,晒烟中的胶体物质未受到充分破坏,干制后烟叶仍具有较强的持水力。此外,成熟度越差的烟叶,发酵时干物质损失越大。
需要说明的是:烟叶发酵虽然造成其干物质的损耗,使其重量有所下降,但发酵明显地改善了烟叶的内在和外观品质,故这种干物质的损耗是一种正常的工艺损耗。
烟叶发酵过程中,由于干物质损耗而造成重量下降的多少,只能反映烟叶发酵时进行的猛烈程度,并不能说明发酵方法的好坏,也就是说,发酵对烟叶重量的损失多少并不表明发酵成功与否。在某种情况下,烟叶发酵时有相当多的物质减少,并未获得发酵的成功。相反,烤烟借助陈化,改善了品质,但烟叶干物质损耗却比较少,这是因为叶组织里发生一些很细微的或者更重要的化学变化,并不释放出挥发性产物而使干物质减少。


二、发酵过程中糖类化合物的变化
(一)淀粉的变化
香料烟自然发酵前淀粉含量为5.18%,经2年自然发酵变为4.38%,烤烟人工发酵前后的淀粉含量分别为4.15%和4.08%。说明淀粉在整个发酵过程中,尽管有所消耗,但总含量变化很小,尤其是烤烟的变化最小,见表9—2(略去)。


(二)水溶性糖的变化
调制后的烤烟,一般含有10%~30%的可溶性糖。在发酵过程中,由于烟叶内部发生强烈的化学反应,使烟叶中的水溶性糖含量发生明显的变化。以香料烟和烤烟为例(见表9—2),经过发酵的烟叶水溶性糖损失量达16%~25%之多。
发酵后的烟叶中一般都不含蔗糖,蔗糖在发酵过程中几乎全部被分解。而复杂多糖类物质,如纤维素、半纤维素和木质素等都改变极微。相反,这些成分在发酵后的烟叶中含量有所增加,原因是发酵过程中其它许多成分被消耗,烟叶干物质明显减少,而纤维素等则几乎未被分解,这些物质的含量比例相对地增加。

(蔗糖在发酵过程中几乎全部被分解,也就是说所谓烟灰上的颗粒,根本就不是糖,这算是解开了一个谜底)

三、发酵过程中含氮化合物的变化
(一)蛋白质的变化
烟叶的蛋白质属于复杂高分子化合物,性质比较稳定,在通常的发酵条件下,一般变化不大。因此,发酵处理烟叶,蛋白质几乎不减少,甚至有的烟叶在发酵后蛋白质含量反而会略有增加,其主要原因是由于发酵后烟叶干物质总量减少,蛋白质则几乎保持不变,结果在干物质总量中所占的比例相对增长。见表9—3(略去)。


(二)水溶性含氮化合物的变化
烟叶中的水溶性含氮化合物主要是指氨基酸、水溶性短肽、烟碱和氨,与蛋白质的变化相反,上述水溶性含氮化合物在发酵过程中却发生明显的变化,见表9—3(略去)。
由上表可以看出,无论是经过自然醇化,还是经过人工发酵,烟叶中的水溶性含氮化合物变化较大。经发酵后水溶性氮降低33%以上;烟碱氮损失量达14%左右。
总氮量在发酵过程中一般损失占干物质重量的0.01%~0.6%,或者是原始氮含量的0.25%~12%。据张德厚报道,采用同年份、同地区、同品种、同等级的烤烟,经过2.5年的自然醇化,其总氮量减少6.84%,烟碱减少10.95%。烟叶中氮量损失的主要原因是一部分挥发性氮化合物的分解产物——氨散失到了空气中。当然这种氨挥发量的多少,要依据烟叶组织的pH、烟叶的温度、水分、周围环境的温度以及空气流动的情况而定。如果被发酵烟叶含水量较大,发酵过程空气的温度和湿度较高,而且烟叶又呈碱性反应,那么烟叶中的氮量损失就较大,即氨容易从烟叶组织中逸出。此外,氮量损失的另一原因,可能是在发酵过程中,氮化合物从叶片中转移到主脉中去,因为一般烟叶的主脉在分析以前均去掉。这种转移的结果,虽然使叶片中的氮减少,却不能从发酵烟堆中发现有含氮物质的挥发。
烟碱部分主要是游离态烟碱发生变化,因为挥发性生物碱类易于氧化。经过发酵之后,烟叶中的游离态烟碱明显减少。游离态烟碱是挥发性的,即使在呈酸性反应的介质中,仍具有较强的挥发性。前已述及,发酵过程中烟碱含量下降14%左右,其主要就是由于游离态烟碱的挥发损失。游离态烟碱在烟叶中的绝对含量不大,通常为0.2%以下,但它对于烟叶的吃味影响特别大。因此,烟叶中游离态烟碱降低,意味着烟叶的内在品质在一定程度上得到改善。


四、发酵过程烟叶其它化学成分的变化
(一)多酚类的变化
烟叶在调制之后,多酚类物质被氧化转变为醌类,而不能发生鲜叶活组织中醌类加氢还原为多酚的反应。在发酵过程中,多酚类经过氧化之后,醌可以与氨基酸相互作用,并能形成黑色素物质,多酚物质一般在发酵烟叶内要减少40%~50%。


(二)果胶质的变化
果胶类物质具有还原特性,能进一步被分解。烟叶中含有相当数量的果胶质,尤其是上部烟。果胶质数量和性质的变化,必导致烟叶持水性的变化。在发酵过程中,烟叶中的果胶质受果胶分解酶的催化而发生水解,其中的某些成分被分离出来,使果胶质的结构发生改变。
通过发酵过程,甲醇大部分被离析挥发出来。由此可见,发酵对于改善烟叶品质具有重要意义。甲醇从果胶质中被分离的程度与发酵的温度有关。在一般情况下,发酵时的温度越高,则甲醇的分解及损失量也越大。经过发酵的烟叶,甲醇的损失量约为其含量的25%~50%,而在高温下发酵的雪茄烟叶,甲醇含量要降低90%左右,烟叶发酵后,果胶质的分解和甲醇的析出,降低了烟叶的吸湿性和膨胀性,因而对烟叶机械性能有所影响,其结果使烟叶的弹性和吸湿力都得到改善。


(三)有机酸的变化
在发酵过程中,烟叶有机酸含量增加,水浸出液的pH变小,见表9—4(略去)。
发酵后烟叶中水溶性有机酸增加的原因可以概括为以下四个方面:

第一,部分氨基酸在酶促反应分解析出氨,使原来与氨结合的酸基以自由状态的酸存在。
第二,在烟叶发酵过程中,一部分有机酸矿物盐会发生组成形式上的变化。其中一部分有机酸矿物质盐发生离解,其阳离子有可能与酸性气体(如碳酸气)结合成稳定的盐,而阴离子部分便可能形成自由态的有机酸。
第三,在发酵过程中,烟叶中的某些糖类化合物发生氧化分解,也可能产生一系列有机酸。例如,葡萄糖经氧化变成葡萄糖酸(略去图示)。
第四,经过发酵,烟叶中的果胶质和木质素等复杂高分子化合物发生分解,也可得到部分有机酸。
在发酵过程中,由于烟叶中有机酸含量比例发生变化,必然引起其它组分的改变。例如,与挥发酸(蚁酸或醋酸)结合而成的烟碱盐。由于分解作用,这部分烟碱可能与不挥发酸重新组合成较稳定的烟碱有机酸盐。据化学分析结果表明,经过发酵,烟叶中的游离态烟碱降低60%以上,而化合态烟碱则平均增长5%以上。这一点充分说明,发酵过程中,烟碱盐发生重新组合盐化,显然,这一过程是与有机酸含量的变化相伴发生的。


(四)香气物质的变化
烟叶中的香气物质,按其产生香气的特点,可分为两大类:第一类为烟叶香气物质,它是指在通常情况下能从烟叶中散发出芳香气味的物质,主要是指挥发油;第二类为烟气香气物质,是指经过燃烧后产生特殊香气的物质,多为复杂高分子化合物,也称潜香物质。
由于烟叶的香气物质中有一部分具有较强的挥发特性,因此,若想获得香气较浓的烟叶,应特别注意发酵温度的控制。一般来说,烟叶发酵时的温度宜控制在40℃左右,否则,烟叶中原有的易挥发性香气物质会因温度高而损失掉。而由复杂高分子化合物分解产生的香气物质也可能因高温而散失,所以,高温发酵对于烟叶中香气物质的积累是不利的。
一般而言,经过发酵后,烟叶中的挥发油含量会减少,但总的香气物质会增加(见表9—5)(略去)。
然而,下述情况并非普遍规律,有的烟叶经发酵后,其石油醚提取物是下降的,特别是香料烟。其原因可能是此类烟叶原始挥发油较多,在发酵过程中这部分物质损失亦较多。
尽管烟叶在发酵之后香气物质略有下降或增长甚微,但是烟叶的芳香特性只有通过较好的发酵之后才能充分显现出来,这是因为经过发酵,烟叶中的胶体物质,高分子含氮化合物以及其它能产生劣性气味的物质被除去,或者发生质的改变,其结果使烟叶的芳香特性能突出地表现出来,就如同叶绿素的分解使得黄色素被表现出来一样。因此,发酵后的烟叶更富有芬芳特性。
总之,各种类型的烟叶都只有通过良好的发酵,才能具有最佳的品质。如前所述,烟叶经过长时间的贮存陈化或人工发酵之后,总的质量特性得到显著的改善,烟叶的色泽更加均匀、协调,香气被显露出来,烟叶更具有芬芳、舒适的特征芳香,吃味变得醇和而谐调,烟叶的物理特性有了良好的改善,持水力下降,弹性增加,其商品品质得到全面改善,可用性提高。


第三节  烟叶发酵过程中的非酶棕色化反应
早在1912年L.C.Maillard研究氨基酸和还原糖的反应,企图阐明蛋白质的生物合成。他的目的没有达到,但他发现了葡萄糖和甘氨酸在水中加热到100℃时变成红棕色至棕黑色,粘度增加,并放出CO2最后产生一种黑色聚合物,不溶于水和酸液中,即所谓类黑素,其产率为56%。类黑素的结构很复杂至今尚不十分明了,据红外光谱分析,知道有羟基、羰基的存在。
烟草中发生的棕色化反应可分为两类:一是有酶参与的棕色化反应。例如绿原酸和其他多酚类化合物,在酶的作用下氧化成醌,最后与氨基酸、蛋白质以及其他化合物缩合成为有颜色的大分子化合物。另一类为非酶棕色化反应(Maillard Reaction)。
在烟叶陈化发酵中产生香味物质的乃是糖类与氨基酸、多肽和蛋白质作用的美拉德反应的产物。其中有些化合物具有令人愉快的香气和吸味,但有些却带有不好的气息和吸味。寻求最适的反应条件和研究其反应机理,使反应产物具有良好的香味,是烟草化学工作者所追求的主要目的。


一、非酶棕色化反应机理
烟草中糖类和氨基酸所进行的非酶棕色化反应,其机理非常复杂。现就霍琪(J.E.Hodge)等对各种反应的总结进行阐述,如图9-1所示(前面已略去)。
糖类和氨基酸的非酶棕色化反应的第一步是氨基糖的缩合反应(Condensation of aminosugars)。形成的氨基糖经阿马杜里和海因氏重排(Amadori and Heyns Reassorgement)得到的中间产物,可产生糠醛类和还原酮类或脱氢还原酮类。这些酮类又环化和裂解成各种化合物。其中二酮类和氨基酸的反应,即斯特雷克尔降解反应——(Strecker degradation),所生成醛类和氨基酮是杂环化合物的重要来源。在图中可以看到醛类的自身缩合以及缩合物与氨基酸的作用成为醛亚胺或酮亚胺,最后产生含氮的高分子共聚物(类黑素)。由于分子量的不同,产物具有棕黄至黑的颜色。G.Vernin等人根据霍琪的图再加以简化,如图9-2所示,使香味物质中杂环化合物的来源更有清晰的概念。
图9-2  杂环化合物的形成(略去)
根据图9—2的各种反应,举例加以说明(略去这里,太专业了)。


二、影响非酶棕色化反应的条件
棕色化反应机理复杂,影响因素较多,其中主要的影响因素有反应物的种类、反应温度、反应系含水量、反应时间、pH和压力等。

(一)反应物的种类
参与棕色化反应的糖和氨基酸的种类不同,产生的物质的香气有所不同,见表9-6(略去)。   

  (二)反应温度
反应温度是重要因素,相同的反应物,反应温度不同,生成的香气可能不同(参见表9-7)。香味物质主要在高温下生成。

表9-7   葡萄糖与不同氨基酸反应后产物的香味(这里不能略去,但不是重点表格)
氨基酸名称                                香      味
                           反应温度100℃          反应温度180℃
缬氨酸               黑面包气味                刺鼻的巧克力香味
亮氨酸               甜巧克力气味             灼烧干乳酪气味
异亮氨酸            霉香                           灼烧干乳酪气味
脯氨酸               灼烧蛋白质气味          愉快的面包香
蛋氨酸               土豆气味                     土豆气味
精氨酸               爆米花气味                 燃烧糖味
(请用电脑端看表9-7,否则排版可能会有问题)


(三)反应时间
反应时间有可能影响反应的完全程度,因而有可能影响产物的香气。

(四)水分
水分对于棕色化反应是必需的,但过量水分则对反应有抑制作用。含水量为0或高于90%时,均观察不到褐变现象。

(五)pH
pH升高,溶液碱性增大,反应速度加快;反之,棕色化反应会受到抑制。

(六)压力
压力也可能影响棕色化反应速度和产物的香味。

烟叶在调制中发生棕色化反应,生成许多致香成分,对于改善卷烟的气味,增加香气,降低杂气和刺激性,都是十分有益的。
烟叶在自然陈化和人工发酵过程中也存在棕色化反应。陈化和发酵的烟叶从外观上看,颜色加深,香气透露,这与棕色化反应有关。
此外,棕色化反应还应用于白肋烟的高温处理和烟丝加香加料中。因此,应用棕色化反应来改善烟草制品的品质已成为国际上的一个热门课题,许多研究正在广泛进行。在应用棕色化反应的同时,进一步弄清楚反应机理,不仅具有重要的理论意义,而且有重大的实际作用。



三、非酶棕色化反应产物中的代表性香味物质
前面已讲到糖类和氨基酸的非酶棕色化反应中,氨基糖的生成为以后各种反应提供了条件。阿马杜里和海因氏重排生成各种含羰基和二羰基化合物,斯特雷克尔降解形成氨基酮化合物和醛类,这三种反应是极其重要的。上述各种化合物间错综复杂的反应,产生了多种致香物质,已知在烟草或烟气中存在的非酶棕色化反应所产生的致香成分列入表9-8(虽然很重要,但是还是略去了,因为数据太多,不好排版):


第四节
烟叶发酵过程中萜烯类化合物的降解和香气物质的形成
烟草内含丰富的萜烯类化合物,种类很多,但主要分为三类,一是类胡萝卜素,二是西柏烷类,三是赖百当类。其中烤烟和白肋烟所含萜烯类物质属类胡萝卜素和西柏烷类。香料烟除含有丰富的类胡萝卜素外,还特别含有赖百当类,是香料烟特征香气不同于其他类型烟草的主要原因之一。萜烯类化合物是烟草重要的香气前体物质,它们的降解产物是烟草最重要的香气来源之一。

以雪茄外包皮烟为材料,在温度49℃,相对湿度为60%的条件下在恒温恒湿箱中进行发酵,发酵天数为40天,结果表明:发酵开始后,大部分香气物质成分的含量上升,在发酵15天-25天时,烟叶香气物质含量最高,而后又开始下降。本实验条件下,发酵15-25天雪茄外包皮烟的香气物质达到最高值。
(略去一段)
烟叶发酵是烟草加工过程中最关键的环节之一。实践证明,在制造卷烟之前,烟叶必须经过自然陈化和发酵,其内在香吃味质量才能得以充分显现和发挥,使用价值才会有所提高。有关烤烟成熟、烘烤及醇化过程中烟叶香气物质成份的变化曾有过一些研究,但对雪茄烟发酵过程中香气物质的变化规律在国内几乎没有报道。本文以雪茄外包皮烟为材料,研究了在发酵过程中烟叶的香气物质变化规律,旨在为雪茄外包皮烟的合理应用提供一些理论依据。(略去后面的试验过程,只保留结果与分析)

1、材料与方法
2、结果与分析
2.1发酵期间烟叶主要香气成分的变化规律
烟叶的香气成分是烟叶香吃味形成的重要因素,且烟叶内部的香味物质十分复杂,各种成分对香吃味的影响也很复杂。对发酵期间雪茄外包皮烟香气物质的主要成分进行测定,定性测出31种香气物质。苯丙氨酸类4种,棕色化产物3类,西柏烷和赖百当类2种,类胡萝卜素类11种,其它类别的有10种,还有含量最高的新植二烯。
烟叶发酵后香气物质总量呈上升趋势,第25天时达到最大,之后逐渐下降。新植二烯的变化规律和香气物质总含量的变化规律是一致的。在雪茄外包皮烟发酵过程中,含量最高的是新植二烯,其次是植醇,再次是茄酮。其它含量较多的物质为:
(此处略去表格、物质列表和图片,基本上信息已经够用了,不需要太多专业的化学描述)

2.2 发酵过程中雪茄外包皮烟各类香气物质的变化规律
从图1、图2中我们可以明显看出,在所有的香气物质中,新植二烯的含几乎相当于其它所有香气物质含量的总和,最高含量为991ug/g。二者在整个发酵过程中的含量变化规律一致,随着发酵过程的进行,含量开始上升,到25天时达到最大值,25天后又开始下降。而其它类别的总含量次于新植二烯,在25天前呈V字形变化,25天后开始下降,在发酵25天时含量最大。类西柏烷和赖百当类与类胡萝卜素类含量变化规律一样,上升―下降,但前者在25天达到最大值,含量为188ug/g,后者在15天达到最大值,含量为136ug/g。苯丙氨酸类和棕色化产物含量较低,变化不太大,变化趋势为上升―下降,都是在15天时含量达到最大值。


2.2.1 发酵过程中苯丙氨酸类香气物质的变化规律
一些醇类物质如沉香醇、苯甲醇、苯乙醇等烟草的香味作用很明显。在烤烟的挥发油中,最重要的致香化合物是苯甲醇和苯乙醇,它们可使烟气增加花香的香味。图3显示苯丙氨酸类物质的含量除去苯甲醛外都为上升——下降,而苯甲醛的变化为先下降后上升。苯甲醇含量最高,在25天时达到最大值14ug/g,而苯乙醇、苯乙醛在15天时含量最高,含量分别为10ug/g、8ug/g。苯甲醛的含量在发酵过程中总体含量是有所下降的。


2.2.2 发酵过程中棕色化产物的变化规律
棕色化反应产物中含有不少优质烟草的致香成分,自70年代以来,美国、日本、西德都已出现过以棕色化反应产物作为烟草增香剂的专利、文献。由图4可知,在发酵过程中,糠醇一直处于下降趋势,而糠醛在25天前变化不明显,在25天后呈“V”字形变化。5-甲基-2-糠醛在发酵前阶段明显上升,后阶段有所下降,而下降幅度不太明显。


2.2.3 类西柏烷和赖百当类物质的变化规律
西柏烷类通过一定的降解途径可形成多种醛、酮等致香成分,如茄酮在烟叶中存在数量较大,赋予一种醇和的酮的烟味。茄酮在发酵过程中15天以前变稍微有所上升,含量最大是在15天时,含量为60ug/g,以后有所下降;而西柏三烯醇在发酵的25天以前快速上升,25天以后开始下降,最高含量为133ug/g,而发酵前含量仅为26ug/g。


2.2.4 类胡萝卜素类物质的变化规律
一些高沸点的酮,如4-甲基苯乙酮、β-大马酮、β-二氢大马酮、β-紫罗兰酮等具有明显的致香作用,不少已用于烟草制品的加香中。由图6中我们可以看出,大马酮、合金欢基丙酮、二氢猕猴桃内酯、香叶基丙酮的含量都可以通过合适的发酵时间而大幅度提高。大马酮、二氢猕猴桃内酯、香叶基丙酮的含量都在15天时达到最高值,15天以后开始有所下降。合金欢基丙酮在25天时达到最大值。而异辛二烯酮只有在25天时含量才能测定出来,含量为3ug/g,而在25天前后它的含量都为痕量。


3 结果与讨论
雪茄外包皮烟是烟叶制品中较为名贵的一类,其用途十分特殊,仅用于卷制雪茄烟的外包皮,是烟支品质和档次的象征,因此世界上高档雪茄对所使用的外包皮烟叶都十分讲究。 而皮烟占雪茄烟的10%,皮烟香气的要求与芯烟配伍,所以雪茄外包皮烟在使用前必须经过2~3次的发酵过程,来改善烟叶的颜色、色泽、弹性、香吃味和配伍性等,以期满足工业的要求。但包皮烟的发酵设备、发酵工艺和发酵环境条件等技术参数,各个厂家一般作为核心技术秘而不宣。目前,国外有关这方面的研究报道十分少见,国内基本没有开展这方面的工作。
(此处略去一段烤烟内容)
香气是构成烟叶香吃味质量的主要内容,烟叶中香气物质成分十分复杂,其中有些物质的含量虽然很小,但对烟叶的香吃味有较大影响。有关雪茄外包皮烟发酵期间香气物质含量的变化特点尚未见到报导。本试验结果表明,烟叶中绝大多数香气物质含量在陈化过程中呈上升起势,少部分香气物质表现为下降趋势。同时,随着陈化时间的延长,多数香气物质成份在15天-25天含量达到高峰,之后持续下降。因此,在本实验条件下,雪茄外包皮烟的发酵时间在15天-25天为好。

(后面有关种植的部分就略去了)
后面还有一部分,就不继续了,篇幅太长,字数有限制,接下来的内容对雪茄而言也不是很重要了。

最后,我针对这些文字和别人的研究成果,简单给大家缕一缕:
1、雪茄发酵可以肯定不是微生物发酵,所以跟细菌、真菌没有关系,发霉的雪茄绝对不是发酵好的雪茄,这个没商量。
2、雪茄的发酵跟诸多降解和酶的活动有关,对水份、空气的要求最高,这是雪茄客维持恒定温湿度的真相。
3、雪茄的燃烧随着温度的高低会对吃味和香味造成决定性的影响,要善于利用燃烧节奏。
4、雪茄合适的陈化一定是对雪茄本身有利的。
5、非酶棕色化反应也是影响雪茄香气和吃味的原因之一,充分说明了雪茄烟叶颜色对体验的影响。
6、香气物质的前期含量和后续发酵都会影响结果,所以起点和发酵一样重要。



 


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发表于 2020-10-9 09:29:16 | 显示全部楼层
请勿在公共场所吸烟,请勿在禁止吸烟场所吸烟,周围有不吸烟人群请勿吸烟,文明吸烟从你我做起。
瓶子和罐子 发表于 2020-10-9 09:15
是的

原文里有这么一段:

是的,陈化的作用一定有,但有多少很难评估,能尽可能地让雪茄燃烧在良好的状态就很不错了。这种偏学术的文章看了以后,最大的好处就是明白了一些原理,避免过度相信玄学而交了智商税。


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发表于 2020-10-7 09:20:00 | 显示全部楼层
拜读了,科研工作是一切真相的基础


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是的,向科研工作者致敬~  详情 回复 发表于 2020-10-8 09:16
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发表于 2020-10-7 09:56:07 | 显示全部楼层
知识使人进步,客观的说一句,瓶大对中国雪茄文化发展是有不少贡献的。自己懂,再多也不算多;让大家都懂,再少都不会少。


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感谢兄弟的肯定,但是我还没那么大的能力哈,只是分享一些东西,对大家有用就好  详情 回复 发表于 2020-10-8 09:15
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发表于 2020-10-7 10:07:43 【发自手机】 | 显示全部楼层
多谢瓶大的科普,果然灰茄也是个科学问题


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发表于 2020-10-7 10:56:34 【发自手机】 | 显示全部楼层
先说牛逼再慢慢看


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发表于 2020-10-7 10:58:04 【发自手机】 | 显示全部楼层
瓶大不由得让我想起了以前有个人叫做王教授


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王教授都不上论坛了  详情 回复 发表于 2020-10-8 09:15
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发表于 2020-10-7 11:22:54 【发自手机】 | 显示全部楼层
理论知识还是很重要的,赞一个


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发表于 2020-10-7 18:29:03 | 显示全部楼层
年中说要发的贴子终于发出来了


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发表于 2020-10-7 21:35:33 | 显示全部楼层
学习到了牛逼


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发表于 2020-10-8 01:29:03 | 显示全部楼层
学习到了牛逼


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发表于 2020-10-8 03:59:22 【发自手机】 | 显示全部楼层
感谢瓶大 牛逼啊


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发表于 2020-10-8 07:46:26 【发自手机】 | 显示全部楼层
太深奥了,看一遍肯定不够,神贴需要不断复习,谢谢瓶大


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科研人员写的文确实对于我们普通雪茄爱好者来说有点不够亲切,但是其中理论还是值得研究和联想的,更好的指导我们买、抽、存、养~  详情 回复 发表于 2020-10-8 09:14
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 楼主| 发表于 2020-10-8 09:14:32 | 显示全部楼层
ljh716 发表于 2020-10-8 07:46
太深奥了,看一遍肯定不够,神贴需要不断复习,谢谢瓶大

科研人员写的文确实对于我们普通雪茄爱好者来说有点不够亲切,但是其中理论还是值得研究和联想的,更好的指导我们买、抽、存、养~


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 楼主| 发表于 2020-10-8 09:15:01 | 显示全部楼层
长尾巴票夹 发表于 2020-10-7 10:58
瓶大不由得让我想起了以前有个人叫做王教授

王教授都不上论坛了


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 楼主| 发表于 2020-10-8 09:15:46 | 显示全部楼层
捏起来有点湿 发表于 2020-10-7 09:56
知识使人进步,客观的说一句,瓶大对中国雪茄文化发展是有不少贡献的。自己懂,再多也不算多;让大家都懂, ...

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 楼主| 发表于 2020-10-8 09:16:15 | 显示全部楼层
dongdong1976 发表于 2020-10-7 09:20
拜读了,科研工作是一切真相的基础

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发表于 2020-10-8 09:51:51 【发自手机】 | 显示全部楼层
瓶子和罐子 发表于 2020-10-8 09:15
王教授都不上论坛了

无非就是金钱或者美色耽误教授生涯了。不来可惜可惜了。


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发表于 2020-10-8 10:43:00 【发自手机】 | 显示全部楼层
越来越专业了,理科不好的有点儿吃不消了啊


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发表于 2020-10-8 10:50:18 【发自手机】 | 显示全部楼层
原来雪茄发酵是化学反应,并不是一直说的微生物发酵


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是的。很久以来,绝大多数人都是跟风学习的雪茄知识,也有不少人是奉行的经验主义,认为抽了多久、抽了多少,就一定掌握了雪茄的真谛。老实讲,在烟草行业专业领域的人士那里,也许他们并不抽烟,但是人家对烟草的研  详情 回复 发表于 2020-10-8 12:40
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 楼主| 发表于 2020-10-8 12:40:37 | 显示全部楼层
本帖最后由 瓶子和罐子 于 2020-10-8 12:43 编辑
wfckmu945 发表于 2020-10-8 10:50
原来雪茄发酵是化学反应,并不是一直说的微生物发酵

是的。很久以来,绝大多数人都是跟风学习的雪茄知识,也有不少人是奉行的经验主义,认为抽了多久、抽了多少,就一定掌握了雪茄的真谛。老实讲,在烟草行业专业领域的人士那里,也许他们并不抽烟,但是人家对烟草的研究和掌握,跟我们普通消费者完全不是一个维度的。
他们的维度是真相,我们的维度是表象。
其实,我们绝大多数人所依靠的雪茄知识,都是没有理论支持的。当然,雪茄是一个圈子,纯玩的意义更大,如果上升到学术范围,那就玩的相当累人了。
我认为我们玩雪茄最好的状态是:懂一定的理论,分得清真假善恶,能快乐的、无负担的玩,就行了。

雪茄的行水渠道、保养陈化、新旧真假、各种体验,是四大主题,国人接触雪茄……至少通过互联网接触雪茄这么多年了,该是理性对待的时候了。


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涨知识了  详情 回复 发表于 2020-10-8 22:36

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