烟草增香生物技术研究进展*

孙福艳，杨雪鹏，杨 成，王 龙，刘志宏，曾 祥，卢玉松，杨 楠

(1.湖北中烟工业有限责任公司，湖北 武汉 430000;2.郑州轻工业大学 食品与生物工程学院，河南 郑州 450000)

烟草中的淀粉、蛋白质、纤维素等燃烧产生大量有害物质，危害身体健康，也降低卷烟品质。降焦减害、提高卷烟的安全性成为烟草行业的共同目标，但烟草香味物质很大一部分存在于焦油中，降焦减害同时也使卷烟香味物质不同程度的流失，难以满足消费者抽吸需求，进而影响卷烟的销售。

目前，增香方法主要有：①物理方法。如微波处理烟梗，能增加杂环类物质，即烟草典型香味化合物的含量[1]，但大量耗能，很难实现大规模应用；直接提取芳香植物或动物中的天然挥发性物质，但原料有限、成本高、产量低，不能满足市场需求。②化学合成。香味物质合成周期短且纯度高，但香气单一、安全性低且许多优良香气成分不能规模化生产。③生物方法。产香功能的微生物发酵或者生物转化产香[2]，微生物利用天然原料发酵产香，绿色安全、香味物质品质高、反应条件温和、周期短[2-3]。因此烟草行业专家纷纷将微生物增香作为研究的重点。

微生物产香种类丰富，如芽孢杆菌发酵可增加醇香、果香、甜香、辛香、蜂蜜香、醋酸香和酱香等特征香气；酵母发酵可产生玫瑰香、蟠桃香等花果香[4]。微生物产生的一系列高活性酶系会将底物分解、转化为复杂的小分子化合物，如醇类、酮类、酯类、呋喃类等香味化合物，烟草的香味就是这类物质凸显出来的。通过筛选特定产香菌、优化培养基及发酵条件，定向产生烟草香气物质[5]。相关研究表明，氧化作用、微生物作用及酶作用是烟叶发酵三大机理[6]。在烟叶发酵中，添加微生物或酶制剂，卷烟的杂气、刺激性降低，香气量、香气质、吸味醇度等均有提升[7]。

目前烟草生物技术增香主要分为：①添加烟草香精香料，弥补了香气不足，突出卷烟风格，利于品牌稳定发展[8]。目前主要通过调控发酵条件、基因工程改造等生产烟用香料，制备较多的烟用香料如香兰素、2-苯乙醇等单体香料，胡萝卜素降解香料、多糖类及其他复合香料[9]。②将有益产香微生物或生物酶制剂接种于烟叶表面，使其在最优的发酵条件下产香，高效实用，安全专一，极具发展潜力[10]。

1 烟草增香微生物的种类和来源

烟草发酵过程中，烟叶表面存在大量的微生物，细菌的数量和种类均占绝对优势，霉菌次之[10]。利用现代生物学手段将有益菌株筛选分离出来，将其应用于烟草发酵过程中，以此人为地达到增香提质目的。本文主要针对国内近10年内有关增香微生物种类、来源文献进行综述，文献检索策略主要是利用关键词“烟草产香微生物”“烟草增香菌株”等进行检索，并对检索得到的文献进一步的研读与分析。结果如表1所示。

表1 增香微生物的种类及来源

表1(续)

从表1中可知，烟草增香微生物的种类多样，分别为酵母菌、霉菌、细菌以及混合菌；酶的种类分为单一酶和混合酶，以及酶+微生物混合发酵增香。烟草增香菌主要是细菌和酵母，少数为霉菌；混合菌株仍以细菌和酵母菌居多，这与李秀妮、余玉莎等人的研究结果一致[10,24]。细菌以芽孢杆菌为优势菌属，酵母菌中产香酵母、酿酒酵母为优势菌属。芽孢杆菌代谢过程中产生大量胞外酶，经过酶催化转化积累各种多肽、氨基酸和还原糖类以及乙偶姻、四甲基吡嗪等美拉德反应产物[76]。酵母菌具有优良的发酵及营养特性，可产生诸多风味物质，增香效果显著，安全性也较强[77]。

烟草增香微生物来源分为烟草源微生物、非烟草源微生物。从表1中看出，增香微生物主要筛选自烟草源，烟叶表面筛选的比例最大，其次为烟草土壤和浸提液。烟草源微生物能很好的适应烟叶生化环境，可与烟叶内源微生物整体协调发酵，提升香气质、香气量，改善卷烟吸味品质，安全性高[78-79]。非烟草源微生物是指从非烟草环境中筛选出的微生物，此类微生物目前研究较少，主要是以食物为主，如葡萄、酒糟、酒曲、茶叶等。增香微生物从食源性材料中筛选，应用于烟草发酵，经过一系列生物化学反应，产生香味物质，整个过程绿色、安全。

酶制剂是从微生物中提取的具高催化活性的生物制品。从表1中看出，相比微生物发酵产香，添加酶制剂的研究较少，主要为单一酶、混合酶、微生物和酶联合催化产香。单一酶有果胶酶、纤维素酶、蛋白酶、淀粉酶等，针对性解决烟叶本身不足；复合酶种类较杂，且一般是三种及三种以上的酶共同催化产香，故催化产生的小分子香气物质种类多，协调性好；增香微生物在生长过程中会产生一系列酶系，酶+微生物联合催化产生香气。研究表明，烟叶中淀粉、蛋白质、纤维素和果胶等在不完全燃烧时，显著影响卷烟烟气的焦油、氢氰酸、亚硝胺类、苯并[a]芘(B[a]P)等有毒有害物质的释放量[58]。采用生物法酶解烟草中的蛋白质、果胶等大分子物质定向生成小分子增香，专一高效，提升烟叶整体品质及协调性。酶制剂一部分直接从生物酶有限公司购得，纯度高，活性强；一部分由微生物发酵代谢产生浓缩所得，经济实惠，产香丰富。

2 烟草增香微生物应用场景

本文对国内近十年来增香微生物在烟草领域的应用统一归纳总结，主要分为五类。

2.1 增香微生物与卷烟

利用生物学手段定向筛选微生物(或添加酶制剂)应用于卷烟增香较多，精准性高，专一性好，取得了一定的成效。王晓丹等筛选毕赤酵母发酵烟叶(发酵前切丝，或者切丝后发酵)，得到烟草带玫瑰花香、粉香、蜂蜜样香气[19]。张知晓利用白地霉(G.candidum) 发酵烟叶，产生酯类、醇类、酮类等挥发性香味物质。李宁研究了蜡样芽孢杆菌(Bacilluscereus)人工发酵雪茄烟叶，可以使杂气减轻，香气增加[22]。薛磊等筛选得到芽孢杆菌属(Bacillussp.)发酵烟丝，烟气香味物质含量、细腻度、甜感均增加[39]。曾婉俐等将甲基营养型芽孢杆菌应用于烟叶发酵，烟叶产生明显奶香味[42]。于少藤等将假单胞菌yc10粗酶液用于烟叶发酵达到提质增香的效果[43]。Lan Yao等利用芽孢杆菌Bacillusvelezensis发酵雪茄茄叶，结果表明酮类香味物质显著提高，茄叶香气质和香气量均提升[46]。苏加坤等筛选产酶菌株(芽孢杆菌)添加到烟丝上进行陈化，卷烟的香气更加充实、杂气及刺激性降低、余味更净[55]。杨婧等将多酚氧化酶、抗坏血酸氧化酶生物酶制剂加入烟丝中制成新型烟草制品，抽吸过程中生物酶在适宜的条件下作用于烟丝，使其快速碳化，散发烟香，结果表明加入生物酶产生致香物质的种类更多，含量更高，口感更好[70]。

2.2 增香微生物与烟用香料

利用微生物发酵生产纯天然的烟用香料来弥补烟叶自身香气缺陷，产生的香味物质丰富、醇和、与烟丝配伍性好。马海昌利用耐高温淀粉酶、糖化酶、复合植物水解酶处理烟梗制备烟用香料，GC-MS检测结果显示，糠醛、糠醇、茄酮等烟草典型致香成分含量增加，香气浓郁而舒适[12]。巩效伟等利用酿酒酵母菌(Saccharomycescerevisiae)KMLY1-2制备的电子烟烟液香气谐调饱满，余味干净，抽吸品质好[20]。杨金初等利用耐高温α-淀粉酶发酵制备甘薯浸膏，该浸膏(烤甜香)致香成分为美拉德/焦糖化反应产物，与卷烟烟丝存在良好的配伍性[64]。

2.3 增香微生物与低废烟草

利用低等级烟叶(或烟草废弃物)发酵增香，减小烟草低次原料的库存压力，充分利用烟草废弃物(烟末、烟梗等)价值，提升经济效益。吴长伟等利用贝莱斯芽孢杆菌HF-09(BacillusvelezensisHF-09) 固体发酵红大烟梗(C3F)，结果表明该菌株能高效降解烟梗纤维素转化生糖，菌株HF-09休止细胞发酵工艺的转化效率和生香率更高[44]。伍雪莹添加增香菌群处理低等级烟叶，结果表明，昆明菌群明显提升了烟叶香气质、香气量及透发性[53]。郭林青等筛选得汉逊酵母菌株YG-4，将其用于烟末发酵，发酵液醇类、杂环类物质含量均有不同程度的增加，产生了特征香味物质，改善了发酵液香味[56]。孙伟峰利用复配酶(多糖酶、中性蛋白酶、果胶酶、淀粉酶)处理低等级烟叶，结果表明，烟叶基本成分和含量更加协调，卷烟中性香味成分含量增加[63]。王毅等利用短小芽孢杆菌Bacilluspumilus0855-9发酵制得发酵蛋白酶液，将粗酶液均匀地喷洒至低次烟叶烟丝，明显改善了烟叶的品质、香气质，杂气减轻，抽吸口感较好[67]。

2.4 增香微生物与烟草浸提液

浸提液为烟草液体环境，理论上有利于微生物建立对烟草(有害物质)的耐受性，更适合增香微生物在烟叶中生长、发酵。马海昌利用生香酵母发酵烟梗提取液获得了增香的效果[12]。叶建斌等利用类芽孢杆菌发酵再造烟叶浸提液，提高了发酵液中香味物质种类和总量，样品裂解过程中增加了γ-丁内酯、2,3-二氢-5-甲基呋喃、糠醛等特征烟气致香组分[40]。骆莉利用生香酵母和植物乳杆菌发酵烟梗提取液，提升了卷烟的香气、烟气及口感特性[52]。

2.5 微生物降解潜香物质

在含有潜香物质的培养基中进行微生物增香发酵，目的性强，产香定向、高效。段焰青等利用米曲霉(Aspergillusoryzae) 发酵降解β-胡萝卜素，经GC-MS检测分析得发酵产物具有典型果香味[23]。黄申等将新鞘氨醇杆菌 (Novosphingobiumpanipatense) 在含有西柏三烯-4,6-二醇培养基上进行发酵降解试验，该菌株将西柏三烯-4,6-二醇降解为金合欢醛(8.57%)[34]。蒿洪欣等分离、筛选得到降解类胡萝卜素的芽孢杆菌属，生成了2-庚酮、棕榈酸、邻苯二甲酸酐等降解产物[80]。

综上所述，近10年来关于烟草增香微生物的应用主要集中在赋予卷烟典型香味、开发新型烟用香料、弥补低次烟叶的香气缺陷、提升烟草薄片品质、降解潜香物质增香等，增香微生物已成为烟叶提质增香的重要支柱，为烟草行业的发展注入新的活力。

3 结语及展望

通过总结分析，目前国内烟草生物技术的相关研究主要有以下几部分：

1)烟草生物增香技术主要有：微生物发酵生产烟用香料，微生物发酵烟草增香，添加酶制剂或微生物+酶制剂结合发酵烟草增香。

2)烟草增香菌主要是细菌和酵母，少数为霉菌。细菌以芽孢杆菌为增香优势菌属，酵母菌中产香酵母、酿酒酵母为增香优势菌属。主要从烟草环境筛选增香微生物，筛选比例排序为：烟叶表面>烟草土壤>浸提液。

3)烟草增香技术应用主要集中在赋予卷烟特色香味、开发新型烟用香料、弥补低次烟叶的香气缺陷、提升烟草薄片品质、降解潜香物质增香等方面。

烟草增香生物技术研究取得了一定成果，但还存在许多的问题，今后可以从以下几方面进一步开展：

1) 烟草源高效率微生物或酶制剂的开发研究。利用现代生物技术从烟草源环境中筛选优势增香微生物或制备酶制剂，应用于烟草发酵增香。

2)微生物增香机理探索研究，逐步挖掘出发酵增香机理、产香基因等，利用转基因技术将增香基因导入大肠杆菌或芽孢杆菌等菌株，控制代谢途径，定向、高效产生烟用香味物质。

3)完善烟草应用场景的工业化工艺技术，针对不同烟叶，研究菌株对烟叶生化反应的影响，优化发酵及产酶条件等，完善微生物发酵产香的工业化工艺技术，精准指导工业化生产。