煙葉果膠研究進展

聶立璇，陳善義，陳千思，王超超，齊凌峰，葉 潤

（1.福建中煙工業有限責任公司，福建廈門 361021；2.中國煙草總公司鄭州煙草研究院，鄭州 450001）

中國是煙草大國，其種植面積和產銷量均位居世界首位。煙草質量的好壞直接影響消費者的體驗。果膠是植物細胞壁所特有的組成成分，其在煙草中的含量為5%～13%，在煙草植株生長過程中，它和纖維素、木質素共同形成細胞壁，發揮水勢調節、抵御病原物入侵的作用［1-3］。但過高的果膠含量使得煙草燃燒不完全，分解成小分子物質如甲醇、乙酸等使卷煙吸食品質下降，辛辣和刺激性明顯增大［4］；同時因其較強的親水特性，易使煙葉吸濕過度，造成倉儲安全性降低。本研究綜述了果膠化學組成、提取方法、烤煙煙葉果膠物質含量與烤煙煙葉外觀質量、感官質量的關系及調控煙草中果膠含量的相關研究進展，以期為提高卷煙原料品質提供科學依據。

1 果膠的結構與組成

果膠也叫果膠酯酸，是一種由半乳糖醛酸作為基本組成單元的高分子多糖，是植物細胞壁中結構較為復雜的大分子物質。在高等植物的Ⅰ型初生壁及胞間層中，果膠含量高達30%；Ⅱ型初生壁、次生壁中的含量也較豐富，含量為5%～10%。此外，低等植物（如苔蘚、蕨類等）也含有豐富的果膠［5，6］。

果膠是一種分子結構很復雜的大分子物質，前人研究表明果膠多糖主要有3 種結構類型組成［7］，即同聚半乳糖醛酸（HG）、鼠李半乳糖糖醛酸聚糖Ⅰ（RGI）和鼠李半乳糖糖醛酸聚糖Ⅱ（RGⅡ），分別約占果膠總量的70%、20%和10%。生物化學及分子生物學研究表明，果膠在細胞器內的合成場所為高爾基體。核苷酸糖為果膠合成的活性糖供體，腺苷蛋氨酸、乙酰輔酶A 則分別為甲基、乙酰基供體，在大約65 個糖基轉移酶（GTs）、67 個甲基轉移酶（MTs）和60 余個乙酰基轉移酶（ATs）等酶獨立或協同作用下，完成果膠的起始、延長、分支過程［8，9］。

有關果膠合成過程，學術界存在2 種模型假說：一是結構域模型假說，由脂糖或核苷酸糖先形成引物（類似于脫氧核糖核酸復制時所需要的寡聚脫氧核糖核酸），并在糖基轉移酶的作用下實現多聚半乳糖醛酸鏈的延伸，最后形成高分子的果膠；二是連續合成模型假說，即果膠在途經細胞器內的高爾基體時，活性糖供體不斷地加入多聚半乳糖醛酸鏈上，形成高分子的果膠。果膠通過與纖維素、半纖維素、木質素交聯形成超分子化合物，構成胞壁結構，在植物生長過程中的細胞分裂、抵御病原物入侵等方面發揮著重要作用［10］。

2 果膠的提取方法

2.1 酸提取法

酸提取法因操作步驟簡便、工藝完善，成為工業上廣泛使用的生產方法。該方法實現原理如下：在加熱條件下，采用酸性物質（如硫酸、鹽酸、醋酸、檸檬酸等）隨機性地打斷長鏈果膠分子的化學連接鍵，達到將不溶于水的大分子果膠分解成可溶于水的小分子果膠的目的，隨后用乙醇進行沉淀并析出，實現果膠的提取。酸提法已在煙草、蘋果、香蕉等植物果膠的提取中實現了應用［11，12］。肖厚榮等［13］采用混酸提取法從煙梗中提取果膠，發現在混酸pH 0.5、萃取時間60 min、溫度90 ℃工藝條件下，果膠提取率可達12.4%左右，且脫色效果理想。

2.2 酶分離法

酶分離法的原理是以果膠為營養源的菌種在生長過程中產生能使果膠分離出來的酶，將其與原料一起發酵，以達到提取果膠的目的［14］。徐志強等［15］優化了煙草粉末中果膠酶解的方法，最終確定了酶解參數，樣品使用80%乙醇回流萃取2 次后，加入pH 4.0 的檸檬酸三鈉/檸檬酸緩沖溶液和480 U/g 的果膠酶，于58 ℃下反應2 h。同熱酸提取法相比，該方法提取的果膠質量穩定、重復性好、萃取率高，但也存在生產周期較長，使用條件較為苛刻的缺陷，且酶解反應的溫度、時間、緩沖溶液pH、酶使用量等都會影響酶提取效率，提取工藝尚不成熟，故尚未廣泛應用于工業生產。

2.3 微波提取法

微波提取法是一種能耗低、提取效率高且對環境友好的果膠提取新技術［16］。主要實現原理是水、甲醇、丙酮等極性溶劑吸收微波能量后轉換成熱能，從而確保整個樣品得以均勻受熱，溫度升高加速植物細胞內的水分散失，最終在膨脹機制作用下細胞壁結構被破壞，加快果膠的溶解和提取［17］。Bagherian 等［18］比較了酸提取法、微波提取法2 種方法對柚子果膠的提取效率，發現采用微波提取法當輻射功率為900 W 時，微波加熱2 min 果膠提取效率與酸提取法90 min 的相當，在900 W 輻照功率下處理6 min，果膠提取率可高達27.81%。微波用于果膠的提取，具有溶劑耗量小、耗時短、提取率高的優點，是果膠提取有發展潛力的新技術。

3 煙葉果膠與外觀質量的關系

煙葉外觀質量是化學內涵的外部表征，是煙葉劃分等級的主要依據。任曉紅等［19］分析了中國烤煙煙葉細胞壁物質的含量及其與烤煙煙葉外觀質量的關系，發現煙葉著生部位與果膠含量呈如下關系，部位越高，其煙葉的果膠含量越低，這解釋了煙葉加工過程中下部葉吸濕性差、造碎率高的現象；相同部位不同顏色煙葉中果膠含量是桔黃、紅棕色煙葉的含量高于檸檬黃煙葉；不同成熟度煙葉的果膠含量規律差異明顯，假熟煙葉中果膠含量明顯高于成熟煙葉。李興波等［20］測定了河南省烤煙（40 級）各等級煙葉的果膠質的含量，結果表明，果膠質含量隨著厚度的增加而增加，即厚＞稍厚＞中等＞稍薄＞薄；不同油分的煙葉總果膠含量差異不顯著。閻克玉等［21］研究表明，果膠含量與煙葉等級的高低呈負相關，烤后煙葉的果膠含量和葉片厚度呈正相關，而果膠含量與油分含量間無顯著關系，這與李興波等［20］所得結論一致。郭松［22］比較了不同煙區、部位、年份、等級的烤煙果膠含量，發現長江中上游煙區果膠含量最低，且與東南煙區、北方煙區及國外煙區之間差異顯著，但各煙區果膠含量變異系數較小。

4 煙葉果膠與感官質量的關系

外觀質量是煙葉生產上評價煙葉質量的直觀性指標，而感官質量則是反映煙葉原料使用價值的決定性指標。對于煙草感官質量來說，果膠在煙草燃燒熱解過程中會生成甲醇，進而氧化為甲醛、甲酸等成分，帶來青雜氣息增強、香氣不夠透發、辛辣和刺激性增強等負面作用。此外，煙葉中果膠含量高還會導致卷煙產品焦油量高［23-25］。因此，在煙葉烘烤和醇化過程中，應盡可能創造促進果膠降解的條件，提高煙葉質量。

前人進行了大量關于不同因素對烤煙評吸質量影響的研究并取得了豐碩成果。郭松［22］研究不同果膠含量對烤煙品質的影響，根據烤煙果膠含量進行聚類分析，按果膠含量將樣品劃分為低、中、高3個類群，對比評吸不同含量果膠煙葉的感官質量，發現高果膠含量的烤煙其香氣質、余味、刺激性等指標得分顯著低于中、低果膠含量類群；雜氣指標方面，低果膠含量類群得分顯著高于中、高果膠含量類群，此外還發現濃香型烤煙其果膠含量顯著低于清香型，說明烤煙果膠含量還影響烤煙的香型特征。任曉紅等［19］研究指出糖類化合物中，果膠對香氣質的影響僅次于總糖，而高于還原糖、纖維素和淀粉；對刺激性的影響僅次于木質素和鉀，高于總糖；對燃燒性的影響低于總糖、還原糖和鉀，高于纖維素；對灰色影響低于纖維素，高于鉀、木質素和揮發堿。陳紅麗等［26］在對四川省烤煙煙葉果膠含量與吸食品質關系研究中發現，烤煙中果膠含量與感官評吸的香氣質、香氣量、雜氣、余味的指標得分以及評吸總得分呈負相關，而與燃燒性指標得分呈正相關。

5 煙葉果膠的調控措施

煙草中對感官吸食品質不利的大分子物質得以有效地分解和轉化以及小分子致香物質的積累，對于促進煙草內在品質的提高具有重要作用［27］。基于該原理，前人利用生物酶制劑把煙葉中的果膠轉化為水溶性糖，進而在提高煙葉質量方面進行了積極探索。鄧國賓等［28］從優質煙葉上分離出降果膠質的功能菌株，發酵所得的酶液處理上部煙葉，發現處理后煙葉果膠含量顯著下降，降幅可達18.44%，同時煙葉的香氣質、雜氣、刺激性、勁頭和余味都有所改善，煙葉的使用價值提高。于建軍等［29］在果膠酶解試驗中，研究了果膠酶用量與煙草果膠含量、常規化學成分、中性致香物質含量的關系，確定了果膠酶的最佳用量為100 U/g，此時煙葉中性致香物質總量較對照提高29.94%，感官評吸的香氣質和香氣量指標得分顯著提高。閻克玉等［21］進一步研究了復配酶制劑的施用參數，發現果膠酶和纖維素酶用量均為30 U/g 煙葉、煙葉含水率25%、反應溫度50 ℃、反應時間4 h 時，煙葉細胞壁物質含量下降7.9%～11.3%，經過酶處理的煙葉香氣質變好，灼燒感和枯焦氣減輕，刺激性和嗆咳感減輕，煙氣甜味增加，余味變好，煙葉總體質量得以提升。林凱［30］提出了卷煙制絲工藝的新方法，在現有煙梗處理工藝基礎上，通過加酶洗梗處理，發現在果膠酶濃度0.10%、纖維素酶濃度0.10% 條件下，煙梗含量降低32.50%～37.18%，且煙梗絲的內在質量明顯提高。

6 小結

果膠與纖維素、半纖維素、木質素是煙草細胞壁的重要組成部分，但果膠含量過高對煙草的倉儲安全性、吸食品質有負面影響，因而調控煙草中的果膠含量成為煙草行業研究的熱點。生物酶技術的發展為煙草中果膠含量的調控提供了重要途徑。但該方法存在處理程度較重、能耗高、生產線需要進行大量的技術改進等問題，限制了果膠酶的應用，因而急需開發一種反應條件要求低、常溫下即可實現有效降解果膠的酶制劑，利于生物酶技術在卷煙制造上實現推廣和應用。隨著生物技術的發展，最適反應溫度較低（如常溫）、反應效率高、與現有制絲生產線工藝匹配度高的果膠降解酶資源會被充分挖掘出來，并開發成固態煙草專用果膠酶制劑，卷煙原料煙草生物酶應用過程中出現的上述難題將會被攻破，最終在市場上得以推廣和應用。