杜红毅 陶文生 李朝荣 马明 汪长国

摘要 为充分发掘复合酶制剂在提高烟叶综合品质方面的潜力，通过开发较大比例重庆产烟叶叶组配方模块，研究酶制剂在线提升烟叶模块品质的关键技术。通过叶组配方筛选、加料评吸确定了3种较大比例重庆产烟叶叶组配方模块；通过计算机直接试验设计，结合感官质量评价赋分方法，开发了针对烟叶模块的不同酶系并组配适用的助剂与料液。结果表明，经过加酶处理后蛋白质含量降低率最高达21.73%，水溶性总糖和还原糖含量提高率最高分别达27.76%和27.61%，在线中试试验对烟叶模块在降低刺激性、去除杂气、改善口感、提高纯净度方面的效果明显。

关键词 复合酶制剂；卷烟生产；烟叶模块品质；中试试验

中图分类号 TS452  文献标识码 A  文章编号 0517-6611（2024）11-0169-07

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2024.11.036

Study on the Application of Compound Enzyme Preparations in Cigarette Production on Improving Tobacco Module Quality

DU Hong-yi， TAO Wen-sheng， LI Zhao-rong et al

（Technical Center of China Tobacco Chongqing Industrial Co.， Ltd.， Chongqing 400060）

Abstract In order to fully exploit the potential of compound enzyme preparations in improving the comprehensive quality of tobacco， cigarette blend modules were developed from large ratio Chongqing tobacco to study the key techniques of enzyme preparations for improving tobacco module quality in cigarette production. Three large ratio Chongqing tobacco blend modules were determined by blend formula selection and oral evaluation. By means of computer direct design and sensory quality scoring， different enzyme preparations and coordinated additive solvent system were developed， in combination with the sensory quality evaluation assigning means. The results showed after enzyme treatments， protein reduction rate could reach 21.73%， while water-soluble total sugar and reducing sugar increase rate could reach 27.76% and 27.61% respectively. The pilot test had significant effects on tobacco module about reducing the irritancy， removing offensive odors， improving taste and purity of smoke.

Key words Compound enzyme preparations;Cigarette production;Tobacco module quality;Pilot test

作者简介 杜红毅（1982—），男，重庆人，工程师，博士，从事烟草生物技术研究。

*通信作者，研究员，硕士，从事烟草化学研究。

收稿日期 2023-05-17

烟草工业是我国国民经济的重要支柱产业。作为其重要原料的烟叶，尤其是库存的低次等级、年限久和产地生长条件较差的烟叶在正常醇化期内很难转化为工业可用性达标的适用性原料，因此探索提升烟叶综合品质的方法对卷烟工业企业而言尤为重要，对于优化企业库存结构、降本增效意义重大［1-3］。

采收的新鲜烟叶可通过生物酶技术处理，在烟叶调制、打叶复烤、仓储醇化和片烟制丝等工序段，去除刺激性与杂气关联成分前体物、加速大分子物质降解转化为致香成分前体物或其他有利于卷烟口感提升的小分子活性成分［4-12］。烟梗、膨胀烟丝等作为叶组配方辅助原料，已有借助生物酶技术进行提质的相关报道，且取得了良好效果［13-15］。针对烟叶模块的酶制剂配方研究以及利用微生物和酶协同作用来改善烟叶品质的研究也有一定进展［16-18］。

笔者通过剖析重庆中烟工业有限责任公司库存烟叶的品质特性并构建烟叶模块，科学设计与模块相匹配的酶组合配方，并在实验室小试试验、工厂中试试验过程中进行逐级优化，探索出制丝在线工艺耦合酶制剂处理的具体配方构成、工艺参数。

1 材料与方法

1.1 试验材料

1.1.1 原辅材料与功能材料。

库存烟叶、烟丝样品、CQYY料液、反应助剂-03、HD提取物、K326提取物均由重庆中烟工业有限责任公司提供。

1.1.2 生物酶。

中性蛋白酶（100 000 U/g）、中温α-淀粉酶（2 000 U/g）、酸性纤维素酶（15 000 U/g）、果胶酶（10 000 U/g）、β-葡萄糖苷酶（4 000 U/g）、酸性木聚糖酶（100 000 U/g），均由烟台中海钓台生物技术开发有限公司生产。

1.1.3 试剂与耗材。

主要试剂：柠檬酸、苹果酸、无水乙醇、二氯甲烷、甲醇、异丙醇、酶活检测试剂盒（索桥生物）。

主要耗材：尼龙滤网（孔径100～120目），各种容量烧杯、量筒与容量瓶，移液器，不锈钢样品托盘，喷枪，金属筛网（孔径40～80目），空烟筒，手动卷烟器。

1.2 仪器与设备

KBF115恒温恒湿箱（德国BINDER公司）；HH-S6数显恒温水浴锅（江苏金怡仪器科技有限公司）；AX523ZH电子天平（美国OHAUS仪器有限公司）；LabMill120锤式旋风磨（瑞典PERTEN公司）；QS-1烟叶切丝机（开封捷利美嘉机械设备有限公司）；B-490旋转蒸发仪（瑞士BUCHI公司）；HP 7890GC-5977MS气相色谱-质谱联用仪（美国Agilent公司）；RM200A转盘式吸烟机（德国博瓦特－凯西公司）；SM450直线型吸烟机（英国Cerulean公司）；San++连续流动分析仪（荷兰SKALAR公司）；L-8900氨基酸分析仪（日本HITACHI公司）。

1.3 试验方法

1.3.1 生物酶预处理与配方设计。

与液态生物酶产品不同之处在于：粉末状生物酶需要经过水浴活化工序，以达到在烟叶表面添加的最佳状态。该研究首先将多种生物酶活化并配制成复合酶制剂，再将其用于烟叶原料及烟叶模块的处理。其次，复合酶制剂的酶系组成和配比需要充分剖析待处理烟叶原料和烟叶模块的特性，根据其特性提取待提升的品质缺陷，并结合各单一酶种差异化的反应条件而设计其在复合酶制剂中的组合比例。最后，根据实验室小试试验的感官评价及化学成分测定结果，优选出可用性好的复合酶制剂配方，用于中试试验。

1.3.2 烟叶模块构建。

在分析烟叶原料和烟叶模块特性的基础上构建模块，便于生物酶的处理。基于烟叶风格、生态特性、化学成分等库存原料历史数据，结合产品开发人员经验研判，开发出3种重庆烟叶占比较高的烟叶模块，含1个通用模块、2个部位模块。

1.3.3 实验室小试试验。

开展单等级烟叶、烟叶部位模块下的酶组合处理，采用模拟加料方式：按照加酶制剂后终点含水率25%的原则设计酶用量，喷施于烟叶表面，以喷施等体积蒸馏水为对照，将酶处理样品与对照样品放入密封袋内置于KBF115恒温恒湿箱中，于温度45 ℃、湿度70%条件下反应18 h；取出后放入109 ℃烘箱中灭活，取出50%切成标准尺寸的烟丝，再卷制成样品卷烟用于感官评价；另外50%用于物理指标和化学成分检测。

1.3.4 中试试验。

以通用模块为处理对象，基于实验室小试试验结果，将酶用量换算成相对用量，在制丝线松散回潮段按投料量0.60%加入反应助剂-03，在制丝线润叶加料段按投料量0.95%加入酶制剂或按投料量1.79%～1.93%加入酶制剂，与CQYY料液、HD提取物、K326提取物。贮叶柜加膜放置6 h，进行酶促醇化。制丝参数如下：加料出口水分25%、HT工作蒸汽压力0.5 MPa、热风温度110 ℃、筒壁温度133 ℃，其他参数与重庆中烟工业有限责任公司的现行工艺标准要求相同。制丝结束后用烟丝卷制样品卷烟，用于感官评价；采用与龙凤呈祥（软魅力朝天门）相同的“三纸一棒”进行卷制，即卷烟纸（HTBE02-34-60）、滤棒120 mm（CQ38-S）、不打孔接装纸64 mm。另外，取烟丝用于物理指标和化学成分检测。

1.3.5 感官评价排序赋分法。

感官质量评价依据GB 5606.4—2005规定的方法进行，采用定性和定量方法对样品进行评价，并以定性指标为参考，以定量指标计算评价指标，通过统计学方法（方差或层次分析法）计算出每个指标的权重，然后将权重与指标均值相乘，最后加总得出。

1.3.6 烟丝物理指标测定。

填充值依据YC/T 152—2001规定的方法进行测定。

1.3.7 常规化学成分测定。

水溶性总糖、还原糖、总植物碱、氯、钾、总氮、蛋白质含量分别依据YC/T 159—2002、YC/T 159—2002、YC/T 468—2013、YC/T 162—2002、YC/T 217—2007、YC/T 161—2002、YC/T 249—2008规定的方法进行测定。

1.3.8 致香成分检测。

依据YC/T 176—2003规定的方法进行致香成分测定。

GC/MS分析条件如下：色谱柱为DB-5MS（60 m×0.25 mm×0.25 μm）毛细管色谱柱；载气为高纯氦气；流速为1.0 mL/min（恒流）；进样体积1.0 μL；分流比为10∶1；进样口温度250 ℃；升温程序为初始温度50 ℃保持2 min，以8 ℃/min速度升至280 ℃，保持25 min；传输线温度为280 ℃；离子源温度为230 ℃；四极杆温度为150 ℃；EI电离能量70 eV；溶剂延迟时间为5.7 min；全扫描质量数范围为33～400 amu。全扫描后采用SIM定量。采用NIST谱库进行数据分析。

1.3.9 数据统计与分析。

试验数据使用Office Excel 2019软件进行统计分析与制表。

2 结果与分析

2.1 烟叶模块的构建

2.1.1 通用模块。

构建基于生物酶处理中试试验需要的通用模块，必要时可根据库存变化进行动态调整，具体见表1。

2.1.2 部位模块。

依据重庆产烟叶库存情况，选取上、中2个部位的代表性烟叶，并按照库存量进行配比，组成2个部位模块，用于酶组合处理试验，具体见表2。

2.2 单等级烟叶酶组合处理试验

将初烤单等级烟叶（2017年丰都，B3F云烟87）作为小试试验对象，采用“基于均匀设计的计算机辅助设计”设计酶组合试验方案，详见表3。处理完成后，进行排序赋分法感官评价及常规化学成分测定，结果见表4～5。

MZ0（CK）、7个酶组合处理样品的感官评分排序为MZ5＞MZ4＞MZ6＞MZ2＞MZ3＞MZ1＞MZ7＞MZ0（CK），这表明添加酶制剂后样品的感官质量均优于CK。

由表4～5可知，与CK相比，酶组合处理单等级烟叶蛋白质含量有所降低（降幅9.35%～21.73%），水溶性总糖含量（增幅7.02%～27.76%）和还原糖含量（增幅5.39%～27.61%）均有所提升，同时感官质量最好的MZ5组合处理蛋白质含量降低率（21.73%）和水溶性总糖含量提高率（27.76%）、还原糖含量提高率（27.61%）均最高。

2.3 烟叶部位模块酶组合处理试验

将构建的烟叶部位模块作为小试试验对象，采用“基于均匀设计的计算机辅助设计”设计酶组合试验方案，详见表6。2个部位模块酶处理完成后，分别进行排序赋分法感官评价。

上部烟叶模块试验组感官评价的排序为BM-ZH-5>BM-ZH-1>BM-ZH-4>BM-ZH-3>BM-ZH-6>BM-ZH-2>BM-ZH-7>BM-ZH-CK。中部烟叶模块试验组感官评价的排序为CM-ZH-5>CM-ZH-6>CM-ZH-1>CM-ZH-4>CM-ZH-3>CM-ZH-7>CM-ZH-2>CM-ZH-CK。利用感官评价排序结果，结合计算机辅助神经网络建模，进行酶组合优化设计，结果见表7～8。

由表9～10可知，酶组合处理样品经感官评价排序获得最优酶组合，上部烟叶模块YHB-2感官评价总分较BM-ZH-CK提升5.5分；中部烟叶模块YHC-2感官评价总分较CM-ZH-CK提升5.0分。同时，由于纤维素酶和果胶酶的存在具有副作用，使得样品卷烟普遍因填充值不足而出现热塌陷、空头等品质缺陷，因此考虑在中试试验设计方案中不添加纤维素酶和果胶酶。

2.4 中试试验

以通用模块为处理对象，在实验室小试结果的基础上，针对性地设计了中试试验方案，具体见表11。

检测烘后烟丝的填充值，结果发现各样品填充值均较高且差异不大，烟丝填充值在4.4 cm3/g以下。

对中试卷烟样品进行感官评价，重点关注杂气、刺激性及口感等指标，详见表12。由表12可知，相较于CK，处理样品杂气、刺激性及口感均明显改善，烟香纯净度有所提高，与实验室小试结果相一致。

测定了烘后烟丝的常规化学成分，结果见表13。由表13可知，相较于CK，处理样品烟丝常规化学成分变化不明显。

以MCL-0为空白对照，以MCL-1（纯酶处理）作为阳性对照，测定了烟气TPM致香成分，分析结果见表14。结合Poucher分类法、色谱保留时间，将致香成分分为3段：分段Ⅰ、分段Ⅱ、分段Ⅲ。

由表14可知，相对于空白对照（MCL-0），纯酶处理（MCL-1）样品3段致香成分总量均有所降低（分段Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ分别降低11.27%、8.92%和7.92%），这与感官评价结果相一致，即在降低不利于香味成分的同时，致香成分含量降低，从而使杂气减少、刺激性降低、口感改善及烟香纯净度提高。MCL-2、MCL-3、MCL-4在纯酶处理（MCL-1）已有感官品质提升效果的基础上，组分中还增加了CQYY料液、2种提取物，除了MCL-4酚类总量有所降低外，3段致香成分总量均有所提高，MCL-2分段Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ致香成分总量分别提高13.18%、8.47%和12.66%，MCL-3分段Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ致香成分总量分别提高13.55%、9.67%和12.64%；MCL-4分段Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ致香成分总量分别提高14.27%、0.32%和5.59%。由于2种提取物用量极低（0.02%），推测3段致香成分总量提高的原因是增加了CQYY料液，其具体作用机制值得深入研究。

3 讨论

该研究中单一酶种与酶组合筛选、酶制剂在线添加工序和制丝工艺参数调整优化、酶处理效果评价等，均建立在叶组配方式烟叶模块的选型与特性剖析的基础上，再依据酶种反应特性和制丝在线生产实际，开展相应的酶制剂组合开发和工艺设计。目前虽然已达到良好的提质处理效果，但烟叶原料种质资源覆盖面还有较大提升空间。在卷烟产品开发过程中，烟叶原料受气候、土壤、水肥等生态条件的影响以及农艺栽培、调制复烤醇化等多种人工生产因素的干预，再加上不同烤烟品种的遗传差异因素，使得所构建烟叶模块之间存在较大品质差异和不同可用性缺陷。因此，烟草行业在加大生物技术研发投入的背景下，有必要通过生物酶制剂的定制化开发思路，在卷烟厂制丝线深挖可使酶促反应效率更高的工艺手段，比如定制专用高精度动态加料与底物浓度监控装置等，在科学设计和生物酶在线处理平台上进行常态化投入，进一步开发卷烟用酶处理技术。

传统轻工业领域在生物技术上的突破，从生化反应的成本控制和技术升级2个方面考虑，既需要取得工艺适应性研究成果，更需要深层次理解所涉及生化反应体系的作用机理，从而对限速步骤加以改进，确保技术优势的不断巩固和可持续发展，有利于实现技术迭代、自优化和成果高效转化。该研究立足于生物技术在制丝工艺在线应用的需求，在分析烟叶特性并构建模块、生物酶选型与酶系构建、效果评价与中试试验应用等方面开展了有关工作。该研究也发现，处理后样品评价手段单一，工艺参数（如加料温度、贮叶温湿度和时间等）与生物酶作用最佳条件匹配度不高皆是由于对烟叶外源酶作用的机理研究有限，仍然需要进一步提升酶处理效果和降低成本，保证酶技术的高效转化应用。

4 结论

该研究重点开发了以酶制剂为主体的生物反应调控技术，用于提高烟叶模块的综合品质，以改善烟气口感与香味。通过对库存烟叶原料的感官评价赋分与主要化学成分分析，选定原料种类并构建烟叶模块，结合生物酶的催化特性和反应条件分析，确定了采用单酶种类、用法用量和实验室小试阶段预处理的多酶复合配比。在实验室小试过程中，采用以感官评价质量为主并适当参考化学成分协调性的方法，耦合与酶系协作的助剂、料液等组分，获得了可用于中试试验的多组酶制剂配方，并通过中试试验确定了适用于在线制丝的最优配方，验证了生物酶制剂用于在线提升烟叶模块综合品质的技术可行性，该技术有利于实现优化烟叶库存结构的目标。

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