响应面优化木糖与谷氨酸制备烟用美拉德香精工艺

  田怀香，严岚，李风华，肖作兵，冯涛，苏强

  上海应用技术学院香料香精技术与工程学院(上海201418)

摘要  为了对制备烟用美拉德香精工艺进行优化。以木糖与谷氨酸为原料，以卷烟感官质量评吸分数为主要衡量指标，利用响应面法结合单因素试验分析考察反应时间、反应温度、底物浓度和反应体系初始pH四因素三水平的中心组合试验设计，得到多元线性模拟回归方程，并确定木糖与谷氨酸制备烟用美拉德香精的最佳工艺条件为反应时间4.10 h、反应温度111℃、反应体系质量浓度5.15%、反应体系pH 6.06。此工艺条件下卷烟感官质量评吸分数为87.25,回归模型的预测值86.50。

关键词木糖：谷氨酸：美拉德；响应面；烟用香精

 随着我国卷烟焦油含量不断降低，烟草行业面临的挑战性问题就是要保持卷烟有足够的香味。美拉德反应产物的大部分香味与烟香协调，可作为有效增香物质在低焦油卷烟上使用，以增强卷烟的香味，降低杂气和刺激性。

 美拉德反应产物在烟草增香中的应用研究在国内外都很受关注。杨叶昆等采用水解酪蛋白得到的水解液和糖进行美拉德反应合成了具有烤土豆香的非酶棕色化香料，能显著增强烟香，减少杂气，改善吸味。张敦铁等对丙氨酸、缬氨酸、脯氨酸与葡萄糖在不同温度点生成的Amadori产物进行热解研究，产物醛类、吡嗪类、呋喃、呋喃酮、吡唑、吡咯、吡喃酮等是卷烟烟气中重要的致香成分，能够用于卷烟增香。Nishi等使用葡萄糖、果糖和麦芽糖和甘氨酸、丙氨酸等进行美拉德反应得到棕化产物，使得卷烟香味增强，烟气协调醇和，刺激性减小。Wu等用含两个氮原子以上的氨基酸在一个基本无溶剂的系统中与还原糖反应制备烟草增香剂。Baker等将美拉德反应产生的“焦甜香”风味成分加入到烟草中，获得芳香浓郁、柔和细腻的口感，被广大吸烟者所喜爱。因此，采用响应面法优化木糖与谷氨酸制备烟用美拉德香精工艺，以期为工业化生产木糖与谷氨酸制备烟用美拉德香精提供试验依据。

1材料与方法

1.1材料和仪器

1.1.1试验材料

 木糖：食用级，国药集团化学试剂有限公司；丙二醇、氢氧化钠、盐酸：分析纯，国药集团化学试剂有限公司；L-谷氨酸：生物纯，国药集团化学试剂有限公司；试验烟：  “红塔山经典100”空白卷烟（未加香料），云南玉溪红塔烟草集团。

1.1.2试验仪器

  BS124S型电子天平：赛多利斯科学仪器（北京）有限公司；Delta 320型pH计：梅特勒一托利多仪器上海有限公司；524G型恒温磁力搅拌器：上海梅颖浦仪器仪表制造有限公司；DF-II型集热式磁力加热搅拌器：江苏省金坛市荣华仪器制造有限公司。

1.2方法

1.2.1美拉德反应产物的制备

  准确称取一定量木糖与谷氨酸，加入丙二醇，边搅拌边加入，于一定温度下溶解。溶解完全后，调节pH至一定范围，将溶液转移至美拉德反应器中，恒温快速搅拌，油浴加热搅拌一定时间后，得到美拉德反应产物。

1.2.2单因素试验

 以刘国珍等、孙凤玲等对于谷氨酸和葡萄糖的美拉德反应制备烟草增香剂的研究为基础，结合大量的预试验，以感官评价人员评吸卷烟的感官质量为指标，分别考察反应时间、底物浓度、反应体系初始pH和反应温度对于美拉德反应产物的影响。

1.2.2.1反应时间对美拉德反应的影响

  称取木糖和谷氨酸各0.5 g，以丙二醇为溶剂，反应温度为120℃，用磷酸缓冲液将反应体系初始pH调解为5.5，反应体系浓度为5.0%，将反应时间设置为1.0，2.0，3.0，4.0和5.0 h进行试验。将美拉德反应产物注射入“红塔经典100”空白卷烟（简称“经典100”卷烟），每支烟注射2.5 μL，在温度为25℃，湿度为60%的条件下平衡24 h后，交由12位评吸人员进行评吸，以“经典100”卷烟作为对照，并填写卷烟感官质量评吸表。

1.2.2.2底物浓度对美拉德反应的影响

 称取木糖和谷氨酸各0.5 g，以丙二醇为溶剂，反应温度为120℃，反应时间为2.0h，用磷酸缓冲液将反应体系初始pH调解为5.5，将反应体系浓度设置为3.5%，4.0%．4.5%．5.0%和5.5%进行试验。将美拉德反应产物注射人“经典100”卷烟，每支烟注射2.5“L，在温度为25℃，湿度为60%的条件下平衡24 h后，交由12位评吸人员进行评吸，以“经典100”卷烟作为对照，并填写卷烟感官质量评吸表。

1.2.2.3 pH对酶解反应的影响

 称取木糖和谷氨酸各0.5 g，以丙二醇为溶剂，反应体系浓度为5.0%，反应温度为120℃，反应时间为2.0 h。将用磷酸缓冲液将反应体系初始pH分别调解为4.5，5.0，5.5，6.0和6.5进行试验。将美拉德反应产物注射入“经典100”卷烟，每支烟注射2.5μL，在温度为25℃，湿度为60%的条件下平衡24 h后，交由12位评吸人员进行评吸，以“经典100”卷烟作为对照，并填写卷烟感官质量评吸表。

1.2.2.4反应温度对美拉德反应的影响

 称取木糖和谷氨酸各0.5 g，以丙二醇为溶剂，用磷酸缓冲液将反应体系初始pH调解为5.5，反应体系浓度为5.0%，反应时间为2.0 h，将反应温度设置为80℃，90℃，100℃，1 10℃，120℃和130℃进行试验。将美拉德反应产物注射入“经典100”卷烟，每支烟注射2.5μL，在温度为25℃，湿度为60%的条件下平衡24 h后，交由12位评吸人员进行评吸，以“经典100”卷烟作为对照，并填写卷烟感官质量评吸表。

1.2.3卷烟加香评吸

 将美拉德反应产物注射人“经典100”卷烟中，每支空白烟注射2.5μL ，在温度为25℃，湿度为60%的条件下平衡24 h后，交由12位评吸人员进行评吸，以“经典100”卷烟作为对照，并填写卷烟感官质量评吸表（表1），平均值为最后分数。

2结果与讨论

2.1反应体系单因素对美拉德产物加香效果的影响

 影响美拉德反应的因素有很多，影响较大的因素是反应时间、反应温度、反应体系底物浓度和反应体系初始pH。以卷烟感官质量评吸分数为指标，通过单因素试验（图1~图4）可以得到美拉德产物加香效果在反应时间4.0 h，反应温度110℃，反应体系底物浓度5.0%，反应体系初始pH为6时效果较好。

2.2响应面试验设计及结果

2.2.1  响应面优化试验的设计

 在单因素试验的基础上，采用Design-Expert 7.0.0软件中的Box-Behnken Design( BBD)设计原理设计响应面试验，选取反应时间、反应温度、底物浓度和反应体系初始pH 4个因素作为变量，以卷烟感官质量评吸分数为响应值设计了4因素3水平共29个试验点的响应面分析试验。试验设计的水平编码见表2，响应面分析方案和试验结果见表3。

2.2.2二次多项式回归方程

  采用Design-Expert 7.0.0软件，对表3中卷烟感官质量评吸分数( Y)进行多元回归拟合统计分析，得到反应时间(A)、反应温度(B)、底物浓度(C)、pH (D)的二次多项式回归方程：

  Y=85.90+2.04A+1.83B+1.75C+1.75D+1.69AC-1.37AD+0.63 BC-1.3 1BD+0.56CD-12.10A2-7.72B2-

4.03C2-6.91D2

 2.2.3方差分析

  该二次方程回归方差分析结果与回归方程系数显著性检验见表4。

  由表4可知，该模型F=15.04，表明该模型高度显著；模型的p<0.000 1，表明总体上模型各因素水平项极显著；失拟项不显著( p=0.120 0>0.05)，模型的R2=0.928 7，修正后为R2adj=0.867 0，表明模型的相关度很好，可以解释卷烟感官质量评吸分数响应值的变化情况，综上说明该模型所得结果与实际状况拟合很好。从表4中也可以看到，一次项A、B、C、偏回归系数显著，说明反应时间、反应温度、底物浓度、反应体系初始pH对卷烟感官质量评吸分数有显著性影响；二次项A2、B2、D2的偏回归系数达到极显著水平，C2的偏回归系数达到高度显著水平，所以由方差分析统计结果可知方程一次项、二次项对试验结果影响均很显著。综合以上各参数情况表明该试验方法有效可靠，可以通过该回归模型代替试验真实点对试验结果进行统计分析。

2.2.4响应面分析

2.2.4.1  卷烟感官质量评吸分数随反应时间和反应温度的变化情况

 由图5可知，在美拉德反应体系初始pH为6.0，底物浓度为5.0%的情况下，随着反应时间的延长，卷烟感官质量评吸分数先增大后减小；而随着反应温度的增大，卷烟感官质量评吸分数也是先增大后减小，且其增幅较反应时间的增幅小，说明反应时间对卷烟感官质量评吸分数的影响较反应温度对卷烟感官质量评吸分数的影响显著。

2.2.4.2卷烟感官质量评吸分数随反应温度和反应体系初始pH的变化情况

 由图6可知，在美拉德反应体系底物浓度为5.0%、反应时间为4.0 h的情况下，随着反应温度的延长，卷烟感官质量评吸分数先增大后减小；而随着体系初始pH的增大，卷烟感官质量评吸分数也是先增大后减小，且其增幅较反应温度的增幅小，说明反应温度对卷烟感官质量评吸分数的影响较对反应体系初始pH对卷烟感官质量评吸分数的影响显著。

2.2.4.3卷烟感官质量评吸分数随体系底物浓度和反应体系初始pH变化情况

 由图7可知，在美拉德反应体系反应时间为4.0h、反应温度为110℃的情况下，随着体系底物浓度的延长，卷烟感官质量评吸分数先增大后减小；而随着体系pH的增大，卷烟感官质量评吸分数也是先增大后减小，且其增幅较底物浓度的增幅大，说明体系初始pH对卷烟感官质量评吸分数的影响较对底物浓度对卷烟感官质量评吸分数的影响显著。

 综上所述，美拉德反应体系反应时间与反应温度的变化相对卷烟感官质量评吸分数的影响最显著，且影响的主次顺序为反应时间>反应温度>pH>底物浓度。根据Design-Expert 7.0.0软件对试验卷烟感官质量评吸分数结果进行最优化统计分析，最终确定试验的最佳美拉德反应条件为反应时间为4.10 h、反应温度为111℃、体系底物浓度为5.15%、体系初始pH为6.06。在此条件下预测到试验中卷烟感官质量评吸分数为86.50。根据模型预测结果进行近似验证试验，并对卷烟进行卷烟质量评吸，验证试验得到卷烟感官质量评吸分数为87.25，与相对标准误差为0.86%，表明采用响应面法优化得到的提取条件真实可靠。

3结论

 试验首先通过单因素试验研究了反应时间、反应温度、底物浓度和反应体系初始pH对烟感官质量评吸分数的影响。并进一步将响应面优化试验应用到优化木糖与谷氨酸制备烟用美拉德香精的工艺上，得到影响烟感官质量评吸分数的4个主要影响因素的主次顺序为反应时间>反应温度>pH>底物浓度。根据Design-Expert 7.0.0软件对试验中烟感官质量评吸分数结果进行最优化统计分析，确定最佳的美拉德反应条件为反应时间为4.10 h、反应温度为111℃、体系底物浓度为5.15%、体系初始pH 6.06，此条件下卷烟感官质量评吸得分为86.50，而验证试验得到卷烟感官质量评吸分数为87.25。该模型对优化木糖与谷氨酸制备烟用美拉德香精工艺可行。