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(1.河南农业大学烟草学院,河南郑州 450002；2.湖北中烟工业有限责任公司,湖北武汉 430030)

近年来,中国每年约有25%的烟叶因地理、种植等原因不能用于卷烟生产,由此造成的浪费极大污染了环境[1]。这些废弃烟叶含有丰富的多糖、茄尼醇等,能够被应用到食品、医药等领域[2-3]。其中,多糖作为一种天然高分子化合物,具备良好的持水保润能力[4-5],其原理是多糖分子中有能够和水分子结合形成氢键的羟基。因此,对多糖进行羧甲基化,即在多糖中引入能够和水分子结合效果更好的羧基,可以更有效提高多糖的保润效果[6]。

烟叶在生产、运输过程保持适当含水率,对防止烟叶破碎、霉变起着重要作用,为了提高烟叶的物理性能,降低破丝率,工业上在烟叶制品中加入甘油、丙二醇等保润剂,但这类保润剂保湿效果并不理想,且在卷烟燃吸时会形成焦油、甲苯、苯酚等致癌物质[7]。因此,寻找高效且能够改善卷烟品质的烟草保润剂,成为行业发展的重要课题。目前,大多数研究都集中在天然多糖的保润研究上[8-9],对羧甲基多糖的持水保润及其热裂解过程中挥发性、半挥发性成分对烟气香味的影响却鲜有报道。

基于以上现状,本实验以废弃烟叶为原料,将提取的烟叶多糖进行羧甲基化,考察羧甲基烟叶多糖在烟丝上的持水保润能力,为开发新型保润剂,同时扩大废弃烟叶的用途,减少资源浪费提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

废弃烟叶、烟丝 国家烟草栽培生理生化基地提供;Sephadex G-100凝胶色谱柱、3500 Da透析袋 北京索莱宝科技有限公司;无水乙醇、氯乙酸、正丁醇、氯仿 均为分析纯,天津市大茂化学试剂厂。

Nicolet iS50傅立叶变换红外光谱仪 美国Thermo/Nicolet公司;CDS5250T热裂解顶空进样器 美国CDS公司;7890B-5977A气相色谱质谱联用仪 美国安捷伦科技公司;KBF240恒温恒湿箱 香港路易企业有限公司;KQ5200DE数控超声波清洗器 昆山市超声仪器有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 烟叶粗多糖的提取 本实验采取的是超声辅助提取法[10]。称取20 g烟末,加入700 mL蒸馏水,在超声功率为400 W、温度为60 ℃,超声10 min,抽滤,滤液浓缩至150 mL,加入600 mL的无水乙醇,醇沉过夜。经8000 r/min离心10 min,取沉淀,得到烟叶粗多糖。

1.2.2 Sevage法脱蛋白 在25 ℃下,将烟团粗多糖用200 mL蒸馏水溶解,采用Sevage法(氯仿∶正丁醇=5∶1)脱蛋白[11],取上层溶液浓缩至50 mL,并用蒸馏水透析72 h,在浓缩液中加入150 mL无水乙醇,再次醇沉过夜,经8000 r/min离心10 min,得多糖沉淀。

1.2.3 烟叶多糖的纯化 使用Sephadex G-100层析柱对烟叶粗多糖进行纯化。将20 mg 1.2.2所得烟叶粗多糖溶于2 mL 0.1 mol/L的NaCl溶液,上样后,用浓度为0.1 mol/L的NaCl进行洗脱,以流速为0.1 mL/min,5 mL/管的速度收集洗脱液,同时以苯酚-硫酸法[12]跟踪检测多糖。将洗脱液用蒸馏水透析72 h后,冷冻干燥,得到纯化的烟叶多糖。

1.2.4 羧甲基烟叶多糖的制备 参考孙志涛等[13]的方法略有调整,称取0.1 g纯化烟叶多糖于50 mL烧瓶中,加入20 mL 80%乙醇,搅拌30 min;加入70 mL 2 mol/L的NaOH溶液,搅拌碱化1 h;加入8 mL 1.6 mol/L的氯乙酸,50 ℃下醚化反应3.8 h。冷却至室温,用0.5 mol/L的HCl调pH至中性。离心取沉淀,用80%乙醇洗至洗液里无Cl-(用AgNO3溶液测定)。溶液置于透析袋中透析2 d,用乙醇醇沉24 h,经8000 r/min离心10 min,取沉淀冷冻干燥,得到羧甲基烟叶多糖。

1.2.5 多糖红外光谱分析 分别取1～2 mg的烟叶多糖和羧甲基烟叶多糖,用溴化钾分别压片,在4000～400 cm-1范围内对压片进行红外扫描。

1.2.6 烟叶多糖对烟丝持水能力的影响

1.2.6.1 烟丝前处理 取适量空白烟丝置于温度(22±1) ℃、相对湿度60%±2%的环境中平衡48 h。分别称取一定量的烟叶多糖、羧甲基烟叶多糖和甘油溶于水,分别配成质量分数为5%的溶液,将这三种溶液分别均匀的喷洒到烟丝上,添加量均为烟丝质量的0.01%。将喷洒溶液的烟丝在温度(22±1) ℃、相对湿度60%±2%的环境中平衡48 h,并将烟丝含水率烘至14.5%±0.5%,作为初始含水率。

1.2.6.2 持水能力测试 取平衡后的3种烟丝各两份,其中一份放入低湿条件下,相对湿度为40%±2%、温度为(22±1) ℃的恒温恒湿干燥箱中,并以未添加任何溶液的烟丝放入同样环境中作为空白对照;另一份放入高湿条件下,相对湿度为70%±2%、温度为(22±1) ℃的恒温恒湿干燥箱中,同样以未添加任何溶液的烟丝放入相同环境中作为空白对照,参照烘箱法[14]测量含水率。每份样品第一天分别在4、12、24 h称量一次,此后每天称量两次,直至质量不再变化。每份样品进行三次平行实验取平均值,根据公式测量烟丝即时含水率。对比羧甲基烟叶多糖、烟叶多糖、甘油对烟丝的持水能力的影响。

式中:w:烟丝含水率(%);m0:测前烟丝质量(g);w0:烟丝初始含水率(%);m:烟丝即时重量(g)。

1.2.7 热裂解 裂解氛围为混合气(9%氧气和91%氮气)。热解温度分别为300、600、900 ℃[15]。采用裂解器和GC-MS联机在线方式对样品的裂解产物进行测定。取专用石英管一根,装填2 mg样品,两端塞入适量的石英棉,将样品调整至裂解石英管中央位置。

裂解条件:初始温度为40 ℃,保持5 s,然后以20 ℃/ms,将终温分别升至300、600、900 ℃,保持15 s。裂解氛围为氦气。

GC-MS条件:色谱柱:DB-5 ms弹性石英毛细管色谱柱(30 m×250 μm×0.25 μm);升温程序:40 ℃保持3 min,以10 ℃/min升至240 ℃,再以20 ℃/min升至280 ℃保持10 min;进样口温度:280 ℃;进样量:1 μL;载气:氦气;传输线温度:280 ℃;EI源电子能量:70 eV;电子倍增器电压:1600 V;质量扫描范围:33～550 amu;离子源温度:230 ℃;四级杆温度:150 ℃。

采用NIST14.L和WILEY数据库检索,以匹配度≥80%者定性,峰面积归一化法定量。

1.2.8 数据处理 用Origin 8.5对实验数据进行分析。

2 结果与分析

2.1 结构鉴定结果

图1为烟叶多糖和羧甲基烟叶多糖的红外光谱图,其归属如下:3455 cm-1为-OH的伸缩振动吸收峰,1643 cm-1为C=O伸缩振动吸收峰,1375 cm-1为C-H键弯曲振动吸收峰,1120 cm-1为糖环上的C-O-C的特征骨架振动,这与郭振楚研究结果相同[16]。羧甲基烟叶多糖的红外特征吸收峰:3440 cm-1为-OH的伸缩振动吸收峰,1120 cm-1处的吸收峰说明存在糖环C-O-C的特征骨架振动,1610 cm-1为C=O伸缩振动吸收峰,1410 cm-1为C-H吸收峰,1320 cm-1为-COOCH3的C-H变角振动吸收峰,这与韦毅铭的研究结果一致[17]。因此,该反应在没改变烟叶多糖的结构下,引入了-CH2COO-基团,实现了烟叶多糖的羧甲基化修饰。

图1 烟叶多糖和羧甲基烟叶多糖的红外光谱图Fig.1 FTIR spectra of tobacco polysaccharide and carboxymethyl tobacco leaf polysaccharide

2.2 羧甲基烟叶多糖持水性能分析

低湿条件下,添加羧甲基烟叶多糖、烟叶多糖和甘油的烟丝以及空白烟丝的含水率变化如图2所示。由图2可知,在0～18 h内,4组样品烟丝的含水率均下降较快,18～32 h内,烟丝含水率下降速度变慢,32～72 h烟丝含水率变化较小。在低湿环境中,4份样品烟丝含水率由大到小为羧甲基烟叶多糖>甘油>烟叶多糖>空白。说明在干燥的环境中,添加适量的羧甲基烟叶多糖能使烟丝具备较好的保水效果。其中,羧甲基烟叶多糖的保水性最好,其次是甘油,最后是烟叶多糖。这可能是因为羧甲基烟叶多糖含有的羟基数量远大于甘油和烟叶多糖,这些羟基与水分子形成大量氢键,防止水分散失。同时,羧甲基比羟基具有更强的氢键作用[18],因此,羧甲基烟叶多糖的保水效果好于甘油和烟叶多糖。

图2 四组样品烟丝低湿条件含水率变化Fig.2 Change of moisture content of four groups of samples in low-humidity condition

高湿条件下,添加羧甲基烟叶多糖、烟叶多糖、甘油以及空白对照的烟丝含水率变化如图3所示。由图3可知,在0～18 h内,4组样品烟丝的含水率均上升较快,18～32 h内,烟丝含水率上升速度变慢,32～72 h烟丝含水率变化较小。烟丝含水率由大到小为甘油>空白>烟叶多糖>羧甲基烟叶多糖。由此可知,甘油没有防潮效果。添加烟叶多糖的烟丝含水率和空白对照相比,没有明显的差别,因此也没有明显的防潮效果,可能是由于甘油和烟叶多糖中的羟基为亲水基团,容易吸收空气中的水分子。羧甲基烟叶多糖的防潮能力较好,可能是因为羧甲基烟叶多糖中的羧基形成网状结构,在烟丝表面形成一层薄膜,在高湿条件下,当水分子与多糖中的羧基结合达到一定状态后,这层薄膜有效阻碍了环境中的水分子继续进入烟丝[19]。

图3 四组样品烟丝高湿条件含水率变化Fig.3 Change of moisture content of four groups of samples in high-humidity condition

2.3 热裂解产物分析

烟叶多糖和羧甲基烟叶多糖的裂解产物如表1和表2所示,由表可知,裂解产物主要有糠醛类、酮类、吡嗪类、呋喃类和吡啶类,其中糠醛类具有杏仁香;酮类具有奶油香、水果香;吡啶类具有香草、烟草气味;吡嗪类具有烤香、坚果香;呋喃类物质具有甜香和焦糖香[20]。以上物质可以在卷烟燃吸时提高香气,掩盖杂气,改善卷烟品质。

表1 不同温度下烟叶多糖的热裂解产物Table 1 Pyrolysis products of tobacco polysaccharide at different temperatures

续表

表2 不同温度下羧甲基烟叶多糖的热裂解产物 Table 2 Pyrolysis products of carboxymethyl tobacco leaf polysaccharides at different temperatures

表1为不同裂解温度下烟叶多糖的热裂解产物。由表1可知,在300 ℃时,裂解产物12种,其中糠醛类物质含量为67.37%,酮类物质含量为4.14%;在600 ℃时,裂解产物39种,糠醛类含量为21.82%,酮类的含量为15.85%,吡啶类、呋喃类的含量分别为1.58%、0.66%;在900 ℃时,裂解产物51种,其中糠醛含量为15.28%,酮类、吡嗪类、呋喃类和吡啶类的含量分别为18.90%、0.92%、2.00%和0.97%。此外,烟叶多糖在裂解过程中产生甲苯、苯酚、2,4-二甲基苯酚等致癌物质[21-22]随着裂解温度的升高含量升高。

表2为不同裂解温度下羧甲基烟叶多糖的热裂解产物。由表2可知,在300 ℃时,有9种裂解产物,其中糠醛类含量为75.39%,酮类含量为6.61%。600 ℃时,裂解物种类达到29种,与300 ℃相比,新增了20种化合物,糠醛类含量为44.35%,酮类含量为19.35%,呋喃类含量为0.8%。在900 ℃时,裂解产物为38种,其中糠醛类含量为27.52%,酮类、吡嗪类、呋喃类和吡啶类的含量分别为19.58%、1.15%、2.14%和1.11%。此外,2,4-二甲基苯酚未被检测到,甲苯和苯酚含量均呈现不同程度下降。

由表1和表2可知,随着温度的升高,羧甲基烟叶多糖和烟叶多糖中糠醛类含量均下降,而酮类、吡啶类、呋喃类和吡嗪类含量则缓慢上升,可能高温条件下,糠醛类物质会进一步裂解成小分子物质,这些小分子物质经过重排,形成了酮类及一些杂环物质。此外,在不同裂解温度下,羧甲基烟叶多糖产物中糠醛类含量均显著高于烟叶多糖,酮类、吡嗪类、呋喃类和吡啶类的含量微高于烟叶多糖。这可能是羧甲基烟叶多糖中的一些结构在高温下可以更有效的分解、重排成致香物质,而不易转化成有害物质,具体机理有待进一步分析。

3 结论

由烟丝含水率变化可知,羧甲基烟叶多糖的持水能力优于烟叶多糖和甘油。通过对烟叶多糖和羧甲基烟叶多糖在不同温度下的裂解产物分析可知,烟叶多糖和羧甲基烟叶多糖均可以产生对烟气有贡献的香味物质,例如糠醛、5-羟甲基糠醛、2-甲基吡啶、2-甲氧基-3-甲基吡嗪等。其中,烟叶多糖的裂解产物有55种,除产生吡啶类、吡嗪类致香成分外,烟叶多糖还裂解出甲苯、二甲苯、苯酚等有害物质。羧甲基烟叶多糖的裂解产物有43种,在裂解过程中,苯酚、二甲苯等物质的产生被抑制,而能够提高卷烟香气、掩盖杂气的香味物质的含量显著提高。羧甲基烟叶多糖的制备步骤简单、安全,且羧甲基烟叶多糖具备较好的持水效果,裂解产物能够改善卷烟烟气,提高香气,这对废弃烟叶的开发利用具有实际意义。