杨金初，郝辉，马宇平，陈芝飞，王宏伟，于建春，聂聪，张展，高明奇，董艳娟

河南中烟工业有限责任公司技术中心，郑州市陇海东路72号 450000

甘薯浸膏的开发及其香气成分分析

杨金初，郝辉，马宇平，陈芝飞，王宏伟，于建春，聂聪，张展，高明奇，董艳娟

河南中烟工业有限责任公司技术中心，郑州市陇海东路72号 450000

通过对甘薯组分、原料品种、酶解方法等因素进行优化，成功研制出了甘薯浸膏，并对其进行了致香成分分析和卷烟烟气危害性指数评价。结果表明：①以西农431甘薯汁为原料，通过耐高温α-淀粉酶处理、高温烤制可制备甘薯浸膏；②甘薯浸膏致香成分大部分为美拉德/焦糖化反应产物，麦芽糖可能是此类挥发物的重要底物；③甘薯浸膏的添加对卷烟烟气的危害性指数无负面影响；④甘薯浸膏与卷烟烟丝存在良好的配伍性，可能是一种潜在的新型烟用香料。

甘薯；浸膏；香气；卷烟；烤甜香；美拉德反应

甘薯资源丰富，价格低廉，是我国继水稻、小麦、玉米之后的第四大粮食作物[1-2]。由于其营养均衡，且具有良好的保健功能，因而，被世界卫生组织评为“最佳蔬菜”[3]。近年来，国内学者在甘薯淀粉加工[4-5]、天然产物提取[6-7]、保健食品开发[8-9]等方面做了大量研究。烤甘薯是我国历史悠久的焙烤食品，其浓郁、诱人的烤甜香味深受大众的喜爱。许多消费者认为，烤甘薯香味与卷烟“烤甜香韵”有着一定的相似性。然而，迄今为止，以甘薯为原料制备烟用香料的研究鲜有报道。本文通过研究烤甘薯香气的主要来源以及制备甘薯浸膏的较佳原料品种、较佳酶解方法，确定了甘薯浸膏的制备工艺。通过致香成分分析和卷烟烟气危害性指数评价，验证了甘薯浸膏对改善卷烟吸食品质的潜在价值，并探讨了其反应机制，为开发烟用甘薯香精提供了科学依据。

1 材料与方法

1.1 材料、试剂与仪器

甘薯（西农431、秦薯5号、日本农艺21、冀薯99四个品种，均为河南省农科院提供）；实验烟丝（河南中烟工业有限责任公司提供）。

耐高温α-淀粉酶（20000U/g）、高转化率糖化酶（100000U/g，枣庄市杰诺生物酶有限公司）；果胶酶（30000U/g，科邦生物科技有限公司）；葡萄糖、果糖、蔗糖、麦芽糖、无水硫酸钠（AR，国药集团化学试剂有限公司）；无水乙醇(色谱纯，美国J.T.BAKER公司)；二氯甲烷（色谱纯，美国Dikma公司）；乙酸苯乙酯（内标）（＞97%，美国Tedia公司）。

Agilent 7890A/5975C气质联用仪（美国Agilent公司）；Waters 600高效液相色谱仪（美国WATERS公司）；FK-A组织捣碎匀浆机（金坛市晶玻仪器厂）；R-210旋转蒸发仪（瑞士Buchi公司）；CMB120型卷烟机（德国BURGHART公司）；L-550型离心机（湘仪离心机仪器有限公司）；BS200S 型电子天平(感量：0.001g，北京赛多利斯公司)；BINDER恒温恒湿箱（德国BINDER公司）；Binder FED烘箱（德国BINDER公司）。

1.2 实验方法

1.2.1 甘薯浸膏制备工艺的研究

1.2.1.1 不同甘薯组分的香味比较

取1kg西农431甘薯，清洗去皮，按照水：甘薯（m/m）=1∶1，采用高速组织捣碎机打浆5min，200目筛子过滤得滤渣；将滤液在4000rpm下离心20min，沉淀即为粗淀粉，上清液为甘薯汁；分别测定皮渣、滤渣、粗淀粉和甘薯汁的湿基含量（甘薯汁以出汁率计），并置于150℃下烤制2h，组织15名省级卷烟感官评吸委员，按照YC/T145.6—1998[10]对其进行嗅香描述性评价。通过比较皮渣、滤渣、粗淀粉和甘薯汁等4个组分的化学成分及高温烤制后的嗅香特征，找出烤甘薯香气的主要来源。

1.2.1.2 不同品种甘薯汁的理化分析

精确称取四种甘薯各100g，参照文献[11]的方法，分别测定西农431、秦薯5号、日本农艺21、冀薯99四种甘薯水分含量、淀粉含量、出汁率和还原糖含量。取四个品种的甘薯汁，分别置于150℃下烤制2h制备甘薯浸膏，按照1.2.1.1方法进行嗅香评价。通过比较四个品种甘薯汁的理化指标及其甘薯浸膏的嗅香特征，确定甘薯原料的较佳品种。

1.2.1.3 不同酶解方法的成分变化

取1kg西农431甘薯，清洗去皮，按照水：甘薯（m/m）=1∶1，采用高速组织捣碎机打浆5min，纱布过滤得甘薯汁（pH6.63，标注为Z0）；参照文献[11-12]的酶解方法依次采用α-淀粉酶（温度90℃、时间120min、pH6.5、酶用量40U/g）、糖化酶（温度60℃、时间120min、pH5.0、酶用量400U/g）和果胶酶（温度30℃、时间120min、pH4.0、酶用量200U/g）对甘薯汁进行酶解处理；每次酶解工序后分别取200g甘薯汁，标注为Z1～Z3，参照文献[11]的方法分析其蔗糖、麦芽糖、葡萄糖、果糖和淀粉含量，并将甘薯汁Z0～Z3置于150℃烘箱中烤制2h制备甘薯浸膏，对应编号分别为J0～J3，按照1.2.1.1方法进行嗅香评价。通过比较甘薯汁及α-淀粉酶、糖化酶和果胶酶处理后甘薯汁中糖类物质含量及其甘薯浸膏嗅香特征，确定较佳酶解方法。

1.2.2 挥发性成分分析

分别准确称取甘薯浸膏J0～J3各1.00g，用二氯甲烷（20mL×3）萃取，无水硫酸钠干燥，过滤，加入50μL乙酸苯乙酯作为内标，滤液在45℃和常压下浓缩至1mL，GC/MS分析，利用NIST08和Wiley谱库检索，以匹配度高于85%定性，并假定相对校正因子为1进行定量。分析条件为[13-14]：

色谱柱：DB-WAXetr（30 m × 250 mm，0.25 μm）毛细管柱；进样温度：220℃；升温程序：35℃保持2min，以3℃/min升至220℃，保持20 min；载气：He，流速1mL/min，进样量：1.0μL，分流比10：1，接口温度280℃；电离方式：EI；电离能量：70eV；离子源温度230℃；四极杆温度：150℃；质量扫描范围：35～400amu。

1.2.3 卷烟烟气危害性指数评价

将甘薯浸膏J0～J3按照较佳用量添加至空白卷烟中制备样品卷烟，测定卷烟主流烟气中7种卷烟烟气代表性有害成分的释放量，并与空白卷烟样品对照，根据式（1）计算其卷烟烟气危害性指数H[15-17]，以考察甘薯浸膏J0～J3对卷烟危害性指数的影响。

2 结果与讨论

2.1 香味来源的确定

由表1可知，皮渣、滤渣、粗淀粉和甘薯汁等4个甘薯组分高温烤制后嗅香特征差异显著，烤制皮渣主要表现为清香、果香、花香，烤制滤渣无明显香气，烤制粗淀粉具有焦糊味，而只有烤甘薯汁中具有浓郁的烤甘薯香味，原因可能是：甘薯汁中含有大量的还原糖、氨基酸等[20]，高温烤制过程中发生美拉德反应，产生烤甘薯香味，而其他组分都缺乏美拉德反应原料。因此，甘薯汁是烤甘薯香味的主要来源，是制备甘薯浸膏的原料。

2.2 甘薯品种的选择

由上文可知，甘薯汁是烤甘薯香味的主要来源，其中含有的还原糖是美拉德反应的关键底物，因而，出汁率和还原糖含量是选择甘薯品种的重要指标。本试验选取红瓤、黄瓤、紫瓤和白瓤4种具有代表性的甘薯品种西农431、秦薯5号、日本农艺21、冀薯99作为实验原料，分别分析其化学成分和嗅香特征，结果如表2所示。实验结果表明，西农431的出汁率显著高于其余三个甘薯品种，且甘薯汁中还原糖含量也高于其余三个甘薯品种，故西农431为制备甘薯浸膏的优良品种。从甘薯浸膏嗅香特征看，西农431甘薯具有烤甘薯香味，且香味最浓郁，秦薯5号和冀薯99也具有烤甘薯香味，但香味不够浓郁，而日本农艺21具有烤紫薯特有香味，与烤甘薯香味不同，且香味淡薄，因而西农431为研制甘薯浸膏的较佳品种。

表2 不同品种甘薯汁理化指标及其甘薯浸膏嗅香特征Tab.2 Physicochemical index of different varieties sweetpotato juice and sensory characteristics of their corresponding sweetpotato concrete

2.3 酶解方法的筛选

甘薯汁Z0以及依次经过α-淀粉酶、糖化酶和果胶酶处理后的甘薯汁Z1～Z3中糖组分的变化由表3所示。由表3可知，未处理的甘薯汁中含有大量淀粉、一定量的蔗糖、葡萄糖和少量的果糖，几乎不含麦芽糖。经过α-淀粉酶处理后，麦芽糖含量从0.05 mg/mL迅速升高到38.42mg/mL，淀粉含量从47.08mg/mL迅速降低到0.17mg/mL，这说明甘薯汁中的淀粉经耐高温α-淀粉酶水解之后，产生了大量麦芽糖。此外，蔗糖含量略有降低，果糖和葡萄糖含量略有升高。经过糖化酶处理后，麦芽糖含量迅速降低，葡萄糖含量迅速升高，淀粉含量几乎不变，这说明糖化过程主要是麦芽糖大量转化为葡萄糖。此外，果糖的含量略有升高，而蔗糖含量进一步降低，这可能是因为蔗糖在酸性条件下发生微弱水解。经过果胶酶处理后，麦芽糖和蔗糖含量略有降低，葡萄糖进一步升高，果糖含量升高较大，这可能是因为果胶酶解过程中麦芽糖和蔗糖在酸性条件下继续水解造成的。此时果糖和葡萄糖增加幅度较大，一方面可能由于体系pH进一步降低有利于水解反应的进行，另一方面可能是由于部分糊精参与水解引起的。

从甘薯浸膏嗅香特征看，未酶解的甘薯浸膏J0中具有烤甘薯特有香味，且香味浓郁。α-淀粉酶处理后，甘薯浸膏J1仍保持烤甘薯特有香味，且香味更加浓郁；经糖化酶和果胶酶处理后，甘薯浸膏J2和J3的烤甘薯特有香味逐渐变弱，香味变淡薄。原因可能是甘薯汁经α-淀粉酶处理后产生大量麦芽糖，而麦芽糖是烤甘薯香味物质合成的关键前体物质[21]，这为烤制过程中烤甘薯香味物质合成提供了充足的原料，并且该过程对其他物质含量影响不大，pH（从6.63降至6.5）几乎不变，因而香味保留完全；糖化酶和果胶酶处理后，甘薯汁中麦芽糖几乎消耗完全，合成烤甘薯香味物质的原料不足[21]，其他糖类含量变化较大，这可能打破了甘薯内部的物质平衡，此外，甘薯汁的pH从6.63分别降至5.0和4.0，反应条件发生显著变化，因而不利于烤甘薯特有香味的产生。

表3 甘薯汁Z0-Z3的糖类含量及其甘薯浸膏嗅香特征Tab.3 Sugar content in Z0-Z3 and sensory characteristics of their corresponding sweetpotato concrete

2.4 主要致香成分分析

采用GC/MS从甘薯浸膏J0-J3中共鉴定出39种致香成分，表4将其按照来源分为五大类[22]。由表4可知，在甘薯浸膏J0-J3中，美拉德/焦糖化反应产物种类多达17种，且含量占总挥发物比例超过60%，说明美拉德反应和焦糖化反应产物在甘薯浸膏致香成分中占主导，正是这些物质赋予了甘薯浸膏浓郁的烤甜香、焦甜香和烘烤香等香韵[23]。脂类衍生物种类多达11种，但含量较低，可为甘薯浸膏带来一定的酸香、壤香和果香[23]。Strecker降解产物、类胡萝卜素降解物和萜类化合物种类较少，含量较低，主要赋予甘薯浸膏少量的花香和果香[23]。

不同酶解方法制备的甘薯浸膏致香成分差异明显：甘薯浸膏J0总致香成分只有13.96μg/g，经过α-淀粉酶处理后，甘薯浸膏J1总致香成分升高到71.37μg/g，增长了近5倍，继续采用糖化酶和果胶酶处理，甘薯浸膏J2和J3总致香成分迅速降低至23.20μg/g和14.27μg/g。从致香成分类型来看，甘薯浸膏J0-J3的Strecker降解产物、类胡萝卜素降解物、脂类衍生物和萜类化合物含量差异较小，其总致香成分的变化主要源于美拉德/焦糖化反应产物的变化，且与甘薯汁Z0-Z3的麦芽糖含量成正相关，这表明美拉德/焦糖化反应在甘薯浸膏香味形成过程中起着重要作用，麦芽糖是该反应过程的关键底物。

甘薯浸膏的大部分致香成分与烤烟相同[24]，且其中含量较大的致香成分也是主流烟气粒相物水溶性组分中对烤甜香有直接贡献的成分[25]，这说明甘薯浸膏是一种潜在的天然烤甜香原料。张启东等[25]认为烤甜香是一种兼具烘烤香、甜香和焦甜香的复合香气，是卷烟香气的重要组成部分。在主流烟气粒相物水溶性组分中对烤甜香有直接贡献的成分主要为呋喃类、呋喃酮类、吡喃酮类和环戊烯酮类化合物。而甘薯浸膏中含量较大的致香成分：糠醇、5-羟甲基糠醛、2,3-二氢-3,5-二羟基-6-甲基-4氢-吡喃酮、麦芽酚和糠醛等均属此类。糠醇具有甜香、面包香、咖啡香[23]；5-羟甲基糠醛具有甜香、花香、烤烟香[26]；2,3-二氢-3,5-二羟基-6-甲基-4氢-吡喃酮具有甜烤香、焦甜味[26-27]，是一种甜度很大的香味物质，可增加烟气的甜感[28-29]；麦芽酚具有浓烈的焦糖香和果香，可与烟香谐调，提调豆香、果香和可可香韵，并赋予烟气柔和醇厚的口感[30-31]；糠醛具有面包香、焦甜香，并带有烘烤食品的气味，可赋予卷烟木香、花香、果香和甜香[23,31]，这些挥发物共同作用可为卷烟带来优美愉悦的烤甜香韵。

结合酶解方法研究和致香成分分析可知，甘薯汁Z0直接烘烤制成甘薯浸膏J0虽可增加卷烟烤甜香韵，但由于其中残留大量淀粉，对杂气和余味可能有不利影响[32-33]。经过α-淀粉酶处理后，甘薯汁Z1产生了大量麦芽糖，甘薯浸膏J1在烤制过程中发生美拉德和焦糖化反应生成了大量的美拉德/焦糖化反应产物[22]，形成浓郁的烤甘薯香味，这些致香成分在卷烟燃吸时可转移至烟气，赋予卷烟良好的感官品质。同时，淀粉含量降低，将减轻淀粉燃烧所带来的不利影响[32-33]。因而，甘薯浸膏J1对于改善卷烟感官品质效果较好。经过糖化酶处理后，甘薯汁Z2麦芽糖含量急剧减少，pH有所降低，反应底物不足，反应条件发生改变，不利于烤甘薯香味物质合成，因此甘薯浸膏J2作用效果不如J1。经过果胶酶处理后，甘薯汁Z3中麦芽糖和蔗糖几乎全部消耗完，pH大幅度降低，反应条件和反应底物均发生显著变化，这将打破了甘薯内部的物质平衡，不利于烤甘薯特有香味的产生，因此甘薯浸膏J3总体效果也不如J1。

综上所述，在甘薯浸膏制备过程中，添加耐高温α-淀粉酶可在甘薯汁中生成大量麦芽糖，麦芽糖在高温烤制过程中发生美拉德和焦糖化反应产生了大量的“烤甜”类致香成分，这些致香成分在卷烟燃吸时转移至烟气，可能赋予卷烟烤甜香韵，并带来烤甘薯样甜润口感。

表4 甘薯浸膏J0-J3的致香成分分析结果Tab.4 Comparison of aroma constituents of J0-J3 μg/g

续表4

2.5 卷烟烟气危害性指数

添加甘薯浸膏J0～J3的卷烟烟气分析检测结果如表5所示，由表5可知，J0～J3的焦油量略高于空白样品，烟气烟碱量同空白样品持平。J2和J3卷烟主流烟气中7种代表性有害成分的释放量均低于空白样品，因而其卷烟烟气危害性指数H明显低于空白样品。J0卷烟除了氨释放量略高于空白样品，其余六个有害成分的释放量均低于空白样品，其卷烟烟气危害性指数H也明显低于空白样品。尽管J1卷烟HCN、NNK和苯酚释放量略高于空白样品，但其余四种有害成分的释放量均低于空白样品，其卷烟烟气危害性指数H也低于空白样品。综上所述，甘薯浸膏J0～J3对卷烟烟气的危害性无负面影响。

甘薯浸膏与烤烟的大部分致香成分相同，与卷烟烟丝存在良好的配伍性，且添加后对卷烟烟气的危害性无负面影响，是一种潜在的烟用香料。作为一种新型烤甜香料，甘薯浸膏的研制可弥补烟草行业“烤甜”香原料的短缺，对于“黄金叶”品牌“浓香品类，醇香风格”品类构建、彰显“烤甜香”风格特色具有重要意义。然而，由于甘薯浸膏暂未列入《烟草制品许可使用的添加剂名单》[34]，其能否作为烟用香料在卷烟中应用，尚需通过安全性评价。

表5 卷烟烟气危害性指数评价结果Tab.5 The result of the hazard index evaluation on J0-J3

3 结论

通过甘薯组分粗分离试验表明，甘薯汁是烤甘薯香味的主要来源；对四个品种甘薯汁的理化指标及其甘薯浸膏嗅香特征的比较研究表明，西农431为研制甘薯浸膏的较佳品种；不同酶解方法的比较研究表明，采用耐高温α-淀粉酶可将甘薯汁中的淀粉水解成麦芽糖，有利于烤甘薯香味的产生。因此，以西农431甘薯汁为原料，通过耐高温α-淀粉酶处理、高温烤制可制备甘薯浸膏。

美拉德反应和焦糖化反应产物在甘薯浸膏致香成分中占主导，美拉德/焦糖化反应在甘薯浸膏香味形成过程中起着重要作用，麦芽糖是该反应的关键底物。甘薯汁Z1经α-淀粉酶处理后，制备的甘薯浸膏J1与卷烟烟丝存在良好的配伍性，添加后对卷烟烟气的危害性指数无负面影响，是一种潜在的新型烤甜香料。

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YQ 52-2015. Permitted additives to tobacco products [S].

Development of sweet potato extract and its flavor components analysis

YANG Jinchu, HAO Hui, MA Yuping, CHEN Zhifei, WANG Hongwei, YU Jianchun, NIE Cong, ZHANG Zhan, GAO Mingqi,DONG Yanjuan
Technology Center, China Tobacco Henan Industrial Co., Ltd., Zhengzhou 450000, China

Sweet potato extract was developed by optimizing factors of sweet potato fractions, varieties of raw materials and enzymatic method. Flavor components in sweet potato extract were analyzed by gas chromatography-mass spectrometry(GC-MS), and hazard index evaluation was conducted. Results showed that∶ 1)Taking Xi Nong 431 sweet potato juice as raw material, sweet potato extract was prepared by adding α-amylase with high temperature heating. 2)Most of the flavor components in sweet potato extract were Maillard/caramelization products, and maltose may be a key precursor contributing to the formation of these volatiles. 3)Compared with the control,the addition of sweet potato extract did not impose any negative influence on hazard index of cigarette smoke. 4)Sweet potato extract could be a potential new tobacco flavor as it had good compatibility with cut tobacco.

sweet potato; extract; aroma; cigarette; roasted sweet flavor; Maillard reaction

杨金初，郝辉，马宇平，等. 甘薯浸膏的开发及其香气成分分析[J]. 中国烟草学报，2016,22（5）

杨金初（1987—），硕士，工程师，主要从事卷烟配方和香精香料研究，Email：yjinchu@163.com

马宇平（1965—），Email：mayp159659@126.com

2015-11-16

：YANG Jinchu, HAO Hui, MA Yuping, et al. Development of sweet potato extract and its flavor components analysis[J]. Acta Tabacaria Sinica, 2016, 22(5)