烟叶发酵的化学基础原理.doc

.-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，没有陈化烟叶的特征香气，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。（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（Demole,E.,and P.Dietrich 1977）。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。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。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（Frankenburg.W.G 1950 Enzymology 10:325-431）。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（卢红、王晶晶、陆富，2001），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90110，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。以烤烟品质而论，陈化温度以3038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（12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1215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22.5d；第二阶段，发酵的烟叶保温10d；第三阶段：发酵终了后22.5d。总的发酵时间为1415d，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46倍，其熔点只有5967。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4045较宜，发酵时间为3045d。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、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。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。晒黄烟的发酵以湖北均县为例，用60发酵，相对湿度在65%70%，发酵时间911d，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，吉林延边的晒红烟，已用于著名的人参牌卷烟中；再如，贵州的打宾、独山，湖南的凤凰、辰溪，江西的云都、广丰，广东的罗定，浙江的桐乡和遂昌，其晒红烟都是较好的混合型卷烟原料。但上述地方晒红烟的特点是烟碱含量高，含糖量低，土杂气重，烟味辛辣、苦涩，劲头特大，要改进其质量，必须采用人工发酵方法。真空回潮法是将烟包温度升到90再进行发酵，发酵室的温度为50，相对湿度70%，发酵时间24d，晒红烟质量便有很大改善，不仅杂气减轻，氨气消除，而且劲头亦有所降低。60人工发酵法是发酵前将烟叶水分从16%加至30%左右，在发酵室内发酵46d，其杂气和氨气消除，劲头和刺激性减轻，烟香显露，但颜色转变为较暗淡。蒸、煮、漂、洗的方法以蒸的烟叶质量最佳，蒸的时间按烟叶质量好坏确定，一般23h即可，煮、漂、洗对烟叶香气有损失，处理时间宜短，一般35min即可。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91。表91 室内发酵时干物质和有机酸类的损耗（Frankenbury. W. G., 1947）等 级实 验重 复烟叶干物质损耗（mg/100mgCa）损 耗（%）有机酸类（mg/100mgCa）损 耗（%）发酵前发酵后损 耗发酵前发酵后损 耗1126762640361.353302933711.21224202390301.242852523311.58324222393291.202942593511.90423322300321.372812483311.74524712439321.273022663611.92平 均31.81.2934.811.672126392602371.424153615413.01227042663411.533883365213.40324942459351.303352914413.42423982363351.472982584013.13525422584381.493633164712.94平 均37.21.4647.413.183126592604552.074363756113.99226102560502.004513856614.63324102361492.024183605813.88424712418532.164463806614.08524972445522.094183586014.35平 均51.82.0762.214.33（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92。表92 发酵后烟叶糖类化合物的变化品种发酵方法淀粉（%）可溶性糖（%）总计（%）香料烟自然发酵前5.1811.0316.21自然发酵一年4.439.0313.46自然发酵二年4.388.7813.16烤烟人工发酵前4.1519.0223.17人工发酵后4.0816.7320.81注：引自钟庆辉.烟草化学基础知识.上海烟业，1994（2）.（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92），经过发酵的烟叶水溶性糖损失量达16%25%之多。另据玉溪卷烟厂张德厚报道，采用同年份、同地区、同品种、同等级烤烟的可比条件，经过2.5年自然发酵过程的烟叶，其总糖量减少7.64%。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。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93。（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93。表93发酵后烟叶中含氮化合物的变化（%）品种发酵方法蛋白质氮可溶性氮烟碱总氮香料烟烤烟自然发酵前0.950.2171.002.17自然发酵一年0.930.1560.922.01自然发酵二年0.920.1450.861.93变化(%)-3.1-33.1-14.0-11.2人工发酵前0.730.1692.052.95人工发酵后0.770.1131.962.84变化（%）5.20-33.1-4.39-3.60 注：引自钟庆辉.烟草化学基础知识.上海烟业，1994（2）.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94。表94 发酵后烟叶有机酸的变化品种发酵方法pH水溶性酸不挥发酸发酵前发酵后发酵前发酵后发酵前发酵后土耳其烟自然发酵二年4.404.31烤 烟人工发酵4.994.814.354.76烤烟人工发酵5.034.763.654.7712.8812.89注：引自肖协忠等.烟草化学.中国农业科技出版社，1997.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： O CH2OH(CHOH)4CHO CH2OH(CHOH)4COOH葡萄糖酸还可进一步氧化形成葡萄糖二酸： O CH2OH(CHOH)4COOH COOH(CHOH)4COOH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95）。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。表95 发酵后烟叶芳香物质的变化品种发酵方法石油醚提取物（%）发酵前发酵后变化（%）烤烟人工发酵7.017.17+2.28烤烟自然发酵5.715.73+0.35注：引自肖协忠等.烟草化学.中国农业科技出版社，1997.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。N取代葡萄糖胺醛糖 + 氨基酸 + H2O 阿马杜里重排1-氨基-1-脱氧-2酮糖 2H2O 羟甲基糠醛的席夫碱或糠醛 氨基酸还原酮类 裂解产物（丙酮醇，丙酮酸，乙二烯等） 斯特雷克尔降解CO2 氨基酸 2H 2H 水 醛类羟甲基糠醛或糠醛脱氢还原酮类 氨基酸 醛醇类聚合物醛亚胺类 氨基酸 有或没有醛亚胺类 氨基化合物醛亚胺或酮亚胺类 氨基化合物类黑素(棕色含氮聚合物和共聚物) 图9-1 美拉德棕色化反应路线（引自李汉超等，烟草烟气化学及分析.河南科学技术出版社，1991.）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。还原糖类 氨基酸N葡糖胺或N果糖胺1氨基1脱氧2酮糖或2氨基2脱氧醛糖 糠醛 羟甲基5糠醛还原酮类或脱氢还原酮类NH3 H2S 逆醛醇缩合反应 氨基酸 斯特雷克尔降解3呋喃酮类 羟基丙酮 乙二醛4吡喃酮类 环烯类 丙酮醛 醛类氨基酮类 吡咯类 二羟基丙酮 乙醇醛 噻吩类 羟基乙酰 甘油醛 3羟基2丁酮 杂环化 吡啶类 噻唑类吡嗪类 吡咯类口恶 唑类 咪唑类图9-2 杂环化合物的形成引自李汉超等.烟草烟气化学及分析. 河南科学技术出版社，1991.根据图92的各种反应，举例加以说明：第一，糖类和氨基酸的缩合反应。葡萄糖和氨基酸反应以1：1的比例生成N葡萄糖胺。缩合作用涉及糖的开环，胺基的亲核加成应除去一个水分子。同样，果糖和氨基酸反应可以生成果糖胺：第二，阿马杜里和海因氏重排反应。N葡糖胺的分子重排叫阿马杜里（Amadori）重排。它生成产物1-氨基-1-脱氧-2-酮糖。氨基酸自身对这一反应具有催化作用。氨基糖类的重排受到阻碍（即Amadori重排受阻）则棕色化反应停止发生。氨基果糖的重排产生1-氨基-2-脱氧-2-醛糖，这一反应叫做海因氏重排反应。阿马杜里和海因氏重排反应产物在天然产品如杏、甜菜、糖蜜、调制后的烟草、甘草、茶叶、肝和烤肉中均有存在。这个中间产物的分解对棕色化反应产物有重要影响。第三，阿马杜里和海因氏中间体的重排和脱氨形成还原酮、脱氢还原酮。1-氨基-1-脱氧-2-酮糖加热至100110，即能重排成为2,3-烯二醇，在C1位置上脱去氨基产生脱氢还原酮和还原酮。氨基酸和氧能加速反应。还原酮的存在可抑制脂类和酚类氧化所产生的不良香味。除2，3重排外，与海因氏中间体一样也可进行1，2重排，脱氨脱水成为3,4-烯-1,2-二酮。第四，阿马杜里和海因氏中间体的裂解，形成二羰基化合物，如丙酮醛、乙二醛、2,3-丁二酮、羟基丙酮等。第五，糠醛类和呋喃酮的生成。阿马杜里或海因氏重排所产生的中间体，脱氨形成还原酮类，可以环化为糠醛类化合物。戊糖生成糠醛，己糖生成羟甲基糠醛。糠醛类是呋喃