基于模糊数学综合评价雪茄烟用美拉德反应产物的加香效果

李林林，王荣浩，陈 栋，李秀妮，李 猛，时向东

河南农业大学烟草学院 国家烟草栽培生理生化研究基地，郑州市金水区农业路63 号 450002

高档雪茄烟一般由全烟叶手卷而成，烟叶原料的质量直接决定雪茄烟的品质[1]。相比于古巴、多米尼加等雪茄烟叶生产国，目前国产雪茄烟叶仍存在香气不足、杂气重、刺激性强等问题[2]，因此有必要开展雪茄烟加香加料方面的研究。但由于雪茄烟属特殊烟草制品，崇尚烟草本香，大部分烟用香精香料添加到雪茄烟上后会改变雪茄烟风格，因此，雪茄烟受外源添加物的限制较多，其对调香材料来源的要求也较高。美拉德反应是一种普遍的天然非酶褐变现象，其产物健康、安全，深受人们的青睐[3-4]，近年来在卷烟提质增香方面已经得到了广泛的应用[5-6]。手卷雪茄烟在卷制过程中会产生大量碎料，这些废弃烟末中的特征风味物质与烟叶中的致香物质相似，并且含有较多美拉德反应所需要的糖类物质与氨基酸，因此通过美拉德反应实现废弃烟末的再利用，不仅可以实现烟草原料的再利用，而且可以降低生产成本[7-9]。

感官质量评吸是烟叶质量评价的主要手段和重要依据[10]，有关感官质量的定量方法主要有指数和法、模糊综合评价法等，目前对烟叶质量评价多采用指数和法[11-12]。但是，运用指数和法进行评价时一般评价对象较少，且未引入权重，另外，往往会出现因部分处理分值相近而使比较结果差异不明显的现象[13-14]。而模糊综合评价法可根据客观的方法为各评价指标赋权，且根据实际评分结果计算评价标准，在不改变原始结果的前提下放大处理间差异，使组合间对比结果更加明显[15-16]，适合于多指标多组合处理结果比较的实际情况。

本课题组通过预实验发现：以雪茄烟末酶解液为反应基液，外加谷氨酸和葡萄糖进行美拉德反应，将所得产物添加到雪茄烟叶上进行感官质量评价，处理后雪茄烟在彰显雪茄烟风格的同时，可丰富雪茄烟香气，有效降低烟叶杂气和刺激性，使烟气醇和细腻，有效提升了雪茄烟的感官质量。为此，本研究中以雪茄烟末酶解液为反应基液，外加不同的糖（葡萄糖、果糖、木糖）与氨基酸（谷氨酸、亮氨酸、苯丙氨酸、天冬氨酸、脯氨酸、甘氨酸）组合进行美拉德反应，将反应产物用于雪茄烟上，并采用模糊数学综合评价方法对感官评吸结果进行分析，旨在筛选出对雪茄烟影响较优的处理组合，为工业应用提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料、试剂和仪器

烟末：为手卷雪茄碎料，50 ℃烘干研磨；评吸烟叶：海南儋州2017 年初次发酵雪茄茄芯中部叶3 kg。将评吸样品烟叶卷制成单料烟（由茄芯和茄套组成），采用碎叶手卷。卷制前将反应液按照1∶5（体积比）的比例稀释后均匀喷洒到茄芯和茄套上，反应液添加量为烟叶质量的2.5%；6 种氨基酸与3 种单糖两两组合共18 个处理，对照（CK）样品喷洒相同量的蒸馏水。

甘氨酸、L-苯丙氨酸、L-天冬氨酸、L-亮氨酸、L-谷氨酸、L-脯氨酸，D-葡萄糖、D-果糖、D-9（+）-木糖（分析纯，国药集团化学试剂有限公司）；盐酸、氢氧化钠（分析纯，北京博奥拓达科技有限公司）；纤维素酶（3 U/mg）、碱性蛋白酶（200 U/g）（索莱宝生物科技有限公司）。

RE-52AA 型旋转蒸发器（上海亚荣生化仪器厂）；DLHR-D2803 恒温振荡器（北京东联哈尔仪器制造有限公司）；3-18K 高速冷冻离心机（德国Sigma 公司）；EL104E 型电子天平（感量0.000 1 g，瑞士Mettler Toledo 公司）；DF-101S 型集热式恒温加热磁力搅拌器（巩义市予华仪器有限责任公司）；FE20 型pH 计（瑞士Mettler Toledo 公司）；DHG-2200B 型电热鼓风干燥箱（郑州生元仪器有限公司）；KBF 240 型恒温恒湿柜（德国Binder 公司）；HP5890-5972 气质联用仪（美国Agilent 公司）。

1.2 方法

1.2.1 美拉德反应液的制备

1.2.1.1 美拉德反应基液的制备

取一定量烟末置于锥形瓶中，按照1∶10（质量比）的料液比加水，用0.1 mol·L-1盐酸调节pH 为4.5～6.5；添加0.5%（以烟末质量计）的纤维素酶，在50 ℃恒温振荡器中振荡酶解6 h；用0.1 mol·L-1NaOH 溶液调节pH 为9～12；添加0.5%碱性蛋白酶在45 ℃恒温振荡器中振荡酶解6 h；在8 000 r/min、20 ℃条件下离心20 min，取上清液，用旋蒸仪浓缩至体积为原体积的1/2。

1.2.1.2 美拉德反应

取一定量的美拉德反应基液置于锥形瓶中，用0.1 mol·L-1盐酸调节pH 为7.3；用量筒量取100 mL 反应基液至250 mL 圆底烧瓶中，按照3%∶6%的氨糖比[17]（以反应基液质量计）添加3 种单糖[18]和雪茄烟叶中含量较多的6 种氨基酸[19]的不同组合；100 ℃油浴锅中反应3 h，然后冷却。

1.2.2 感官质量评价

对照样品喷洒相同量的蒸馏水。将卷制好的雪茄样品在温度18 ℃，相对湿度65%的恒温恒湿箱中平衡后供评吸使用。邀请10 名雪茄烟评吸专家对其香气质、香气量、透发程度、杂气、浓度、劲头、刺激性、成团性、干净程度、细腻程度、干燥度、甜感、燃烧性和灰色14 个指标进行评分（9 分制）。

1.2.3 模糊数学模型的建立

1.2.3.1 评价目标因素集、评语集、评价标准和权重集的构建

因素集是影响被评判对象的指标集合，用字母U 表示。本研究中的因素集根据评吸结果确定，由美拉德反应液对雪茄烟评吸产生实际影响的指标组成。

评语集是评价者对被评价指标可能做出的各种总的评价结果组成的评语等级的集合，用V 表示。本研究中将感官质量定为5 级，即V={好、较好、中等、稍差、差}={Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ}，5 个等级分别对应9、7、5、3、1 这5 个分值，即评价等级K={K1、K2、K3、K4、K5}={9、7、5、3、1}。

因素集和评语集确定后，需要明确各项指标等级数值区间（评价标准），以便于对各处理雪茄烟感官质量进行评价。对于上述5 个评判等级数值区间，采用如下方式求取：将原始打分表中各处理同一指标的最高值和最低值分别作为最好值和最差值，平分为5 个等级，计算各评价指标感官评价标准。

多指标定量化评价时，指标权重的确定尤为重要，它关系到评价结果的准确性。本研究中引入了客观的定权方法——熵权法，将其用于模糊综合评价中各因素的赋权，以研究多指标定量化评价问题。计算步骤按照邱宛华[20]的方法进行，权重集由各指标权重量组成，用X 表示。

1.2.3.2 模糊矩阵的确立和模糊转换

对10 名雪茄烟评吸专家评吸结果进行统计，将各等级的票数除以10 得到评价模糊关系矩阵R，通过将权重集X 与R 合成得到第i 个美拉德反应液的感官质量评价结果Yi=X×R（i 为1～19）。最后，引入综合评分矩阵T。对模糊关系评价结果Y进行处理，根据感官评价的特殊性，评价等级集K={9、7、5、3、1}，得到样品的模糊综合评价总分T=Y×K。

1.2.4 中性香气成分的测定

取评吸样品烟叶1 kg，剪碎后充分混合，平分为4 等份；将模糊数学感官评价综合得分较高的3种反应液按照与1.1 节相同的添加量添加到样品中得到处理样品，对照样品喷洒相同量的蒸馏水；将处理和对照样品烘干研磨，过250 μm（60 目）筛，采用同时蒸馏萃取法提取香味成分，并进行GC-MS 分析[21]。

1.2.5 数据处理

采用Microsoft Excel 2007 软件对数据进行统计分析。

2 结果与讨论

2.1 不同处理雪茄烟样品感官质量评价结果

评吸专家对处理（18 个）和对照（1 个）雪茄烟样品的14 项指标进行的感官评价的结果显示：添加美拉德反应液后，对雪茄烟评吸产生实际影响的指标共有8 个，即香气质、香气量、透发程度、杂气、刺激性、干净程度、细腻程度和甜感。10 名专家感官质量评价结果平均分见表1。由表1 可知：各处理雪茄烟样品的刺激性、干净程度、细腻程度和甜感的平均分均高于CK，说明美拉德反应液可使雪茄烟刺激性减小，烟气更加细腻、干净，甜感增加；除天冬氨酸和脯氨酸与糖类物质组合的反应液处理的雪茄烟样品的香气质、香气量、透发程度和杂气的平均分低于CK，其余处理均高于CK，说明天冬氨酸和脯氨酸与糖类物质组合的反应液对雪茄烟香气有负面影响。

表1 各处理雪茄烟感官质量评价结果Tab.1 Results of sensory quality evaluation of cigars under different treatments （分）

表1（续）

2.2 因素集、评价标准和权重集

根据感官质量评价结果，美拉德反应液对雪茄烟产生影响的指标有8 个，由此确定本实验评价目标因素集U={U1U2U3U4U5U6U7U8}={香气质 香气量 透发程度 杂气 刺激性 干净程度 细腻程度 甜感}。根据原始打分表，确定各处理感官质量5 个等级的区间临界值（评价标准），见表2。

在模糊综合评价中，权重的设计是一项重要的内容，现有的模糊综合评价方法中评价指标权重的确定主要采用专家打分和层次分析等主观赋权法[10，22]。主观赋权法中各评价指标权重会因专家个人经验和认识程度不同而不同，因此，人为赋予的权重往往不能反映研究对象的实际情况。熵权法是客观综合定权法，其主要根据各指标传递给决策者的信息量大小来确定权重，能准确反映雪茄烟各评价指标所含的信息量，可解决不同处理雪茄烟各评价指标信息量大、准确量化难的问题。

表2 各处理雪茄烟感官质量5 个等级的区间临界值Tab.2 Critical values of five sensory quality intervals of cigars under different treatments（分）

本研究中，将原始数据构成的矩阵进行归一化处理，根据熵权法计算各评价指标熵权，结果如表3所示。可知，各指标权重集X={0.138 7 0.126 2 0.110 7 0.136 9 0.161 8 0.079 8 0.108 3 0.137 7}。

2.3 不同处理雪茄烟样品模糊数学感官评价结果

以1 号雪茄烟样品（添加由谷氨酸+葡萄糖制备的美拉德反应液）为例，对各处理雪茄烟样品进行模糊数学感官质量评价，根据2.2 节评价标准，将10 名评吸专家的评吸结果汇总后进行统计分析，结果见表4。

表3 各指标的熵值与权重Tab.3 Entropy value and weight of each indicator

表4 1 号雪茄烟样品感官质量评价结果统计Tab.4 Results of sensory quality evaluation of cigar sample No.1

由表4可知，以1号样品的香气质为例，8名专家评分为2 等级，2 名专家为3 等级，因此U1={0 0.8 0.2 0 0}。同理可得U2={0 0.3 0.7 0 0}，U3={0.2 0.4 0.4 0 0}，U4={0.3 0.5 0.2 0 0}，U5={0.4 0.2 0.4 0 0}，U6={0 0.2 0.7 0.1 0}，U7={0.4 0.1 0.2 0.2 0.1}，U8={0.3 0.4 0.2 0 0.1}。将计算得出的8 个指标的单因素集合的评价结果列为1个矩阵，即：

同理，可得其他处理单因素集合的评价结果矩阵。

结合本实验中需对整体因素进行综合评价的特点，且综合考虑M（●,⊕）算子的优点和适用范围[23]，采用M（●,⊕）算子计算样品对各等级的综合隶属度，得到样品1 的评价结果Y1=X×R1={0.212 6 0.375 8 0.357 5 0.029 6 0.024 6}。模糊综合评价总分T=Y×K，已知1 号样品的模糊感官评价结果Y1和评价等级集K，计算得出1 号雪茄烟样品感官评价总分：

T1=Y1×K={0.212 6 0.375 8 0.357 5 0.029 6 0.024 6}×{9、7、5、3、1}=6.44

同理，可得其他样品雪茄烟模糊数学感官评价综合得分。

不同处理雪茄烟样品模糊数学感官评价的综合得分和感官描述见表5。样品的综合得分越高说明其感官评价越好，综合得分越低说明其感官评价越差。从表5 可以看出，谷氨酸、甘氨酸、亮氨酸和苯丙氨酸与不同糖类物质组合制备的美拉德反应液均在不同程度上丰富了雪茄烟叶香气，使青杂气、土腥气等杂气显著降低，烟气的成熟感增加，烟气醇和细腻，雪茄烟叶的品质有不同程度的提升，其中，以谷氨酸与果糖组合制备的美拉德反应液对雪茄烟感官质量改善效果最好，综合评价得分最高，为7.02 分。天冬氨酸与糖类物质组合的反应液处理的雪茄烟样品综合得分略低于CK，尽管该反应液使烟叶刺激性降低，烟气柔和细腻，但其对雪茄烟香气有遮盖作用，这可能与天冬氨酸有抑制褐变反应的作用有关[17]。据文献报道，脯氨酸与糖类物质美拉德反应的产物对烤烟型卷烟有较好的加香效果[24-25]，但关于其产物对雪茄烟的影响研究较少，本研究中脯氨酸与糖类物质组合的反应液对雪茄烟香气均产生负面影响，原因可能是：在本实验中100 ℃、pH=7.3 的反应条件下产生的香味物质与雪茄烟风格特征不协调，影响烟气透发，对香气有负面影响。整体而言，各处理均影响雪茄烟香气风格，且各处理对雪茄烟感官质量的影响不同。美拉德反应的底物主要是糖类物质和氨基酸，不同的底物会形成不同的致香物质[26]。不同处理间风格的差异可能是由于致香物质含量、种类存在差异所致[27]。

表5 不同处理雪茄烟样品模糊数学综合评价结果比较与感官描述Tab.5 Fuzzy mathematical comprehensive evaluation results and sensory description of cigar samples treated with different Maillard reaction solutions

表5（续）

2.4 加料后雪茄烟叶的香气成分分析

采用GC-MS 测定综合评价结果较好的雪茄烟叶样品的中性香气成分，结果如表6 所示。可以看出，处理烟叶样品中的主要挥发性成分有29种，与对照样品相比，处理烟叶中大部分原有致香成分的含量增加。呋喃、吡咯等杂环化合物主要由美拉德反应产生，其中2-乙酰基呋喃、2-乙酰基吡咯赋予烟气清甜特征、烤香和坚果香[28]。酮类香味物质是烟草中重要香味物质，其与感官质量的相关性非常高，是烟草加香中的主要物质[29]，如β-大马酮具有玫瑰特征香气，巨豆三烯酮可增加烟气中花香、木香、烤香和甜味特征。二氢猕猴桃内酯赋予烟气木香风格[24]。以苯甲醛为代表的醛类物质具有浓郁的果香香韵[30]，并有定香作用，3 个处理雪茄烟叶中苯甲醛含量分别为1.77、2.35和2.33 μg/g，比CK 的0.1 μg/g 分别高16.7、22.5 和22.3 倍。糠醇、苯甲醇等醇类物质是烟草中含量较丰富的香味成分之一，具有甜香和坚果香[31]；芳樟醇可促进香气透发[32]；上述物质含量增加，可增强并赋予雪茄烟木香、烤香和蜜甜香气，促进香气透发。糠醛、5-甲基糠醛等在本实验弱碱性环境中生成被抑制，导致其含量与对照相比有所降低。二氢猕猴桃内酯可起到降低刺激性的作用[24]。芳樟醇、苯甲醇等可使烟叶香气平和[32]。新植二烯可增加卷烟的吸味和香气，进入烟气时具有降低刺激性和醇和香气的作用[33]，3 个实验样品中新植二烯含量较CK 的358.11 μg/g 分别增加了60.05%、42.62%和75.53%。与对照样品相比，3 个处理后的雪茄烟叶中大部分对雪茄烟叶风味特征有贡献的风味物质有不同程度的增加，香气成分总量较CK 分别增加了41.01%、29.76%和53.05%，因此，雪茄烟青杂气、木质气等杂气降低，刺激性减弱，烟气更加柔和细腻，烟气成熟感增加。

表6 部分处理雪茄烟样品GC-MS 分析结果Tab.6 GC-MS analysis results of tobacco leaf samples of cigars under three treatments （μg·g-1）

表6（续）

3 结论

①建立了一种雪茄烟感官品质的模糊数学综合评价模型，利用熵权法对影响雪茄烟感官质量的8 个指标进行赋权，通过放大处理间的差异，使处理（18）和对照（1）之间的比较结果更加明显，评价结果表明此模型适用于多指标多组合处理间结果的比较。②在本实验条件下，天冬氨酸和脯氨酸与糖类物质组合的美拉德反应液对雪茄烟香气有负面影响，各香气指标得分低于CK，其余处理综合评价得分均高于CK，以谷氨酸与果糖组合制备的反应液处理的雪茄烟样品综合评价得分最高，为7.02 分。③GC-MS 分析结果表明：经处理后的雪茄烟叶中大部分对雪茄烟叶风味特征有贡献的香味物质有不同程度的增加，3 个处理烟叶香气成分总量较CK 分别增加了41.01%、29.76%和53.05%。④以雪茄烟末酶解液为反应基液制备的美拉德反应液，应用到雪茄烟上，可使烟叶刺激性、杂气显著降低，促进雪茄烟风格的彰显，增加雪茄烟香气丰富度，使烟气的成熟感增加，烟气变得醇和细腻，从而提高雪茄烟的感官质量。