裙带菜多糖的热裂解产物分析及卷烟应用研究

刘珊，张军涛，胡军，胡有持

1 中国烟草总公司郑州烟草研究院，郑州市高新技术产业开发区枫杨街2号 450001；2 厦门烟草工业有限责任公司，厦门市海沧新阳工业区 361026

我国拥有丰富的海洋植物资源——海藻。研究表明，将海藻提取物加入卷烟后具有生津降刺、改善口感、提高吸食品质的作用[1-3]。为了进一步研究海藻多糖在烟草中是如何发挥作用的，本文以裙带菜多糖为研究对象，进行了多糖的热裂解分析研究，即在模拟卷烟燃烧的条件下，考察裙带菜多糖在热裂解过程中香味物质的生成情况，同时进行了多糖的卷烟应用研究，为卷烟香料研究提供技术参考依据。

1 材料、仪器与方法

1.1 主要材料和仪器

裙带菜（Undaria pinnati fida，大连沿海）；空白卷烟（江苏中烟工业有限责任公司提供）。

无水乙醇、95%(质量分数)乙醇(AR，天津市凯通化学试剂有限公司)；正丁醇、三氯甲烷（AR，天津市富宇精细化工有限公司）；D-葡萄糖，D-果糖，D-半乳糖，D-半乳糖醛酸，D-甘露糖，L-鼠李糖，D-木糖，L-岩藻糖（分析纯生化试剂，Sigma）；硅烷化试剂，三氟乙酸，吡啶等（均为国产分析纯）。

CP224S型电子天平（感量：0.0001 g，北京赛多利斯公司）；GC-2010气相色谱仪（日本岛津）；Pyroprobe 5000热裂解仪（CDS Analytical, Oxford,PA）；HP6890/5973 GC/MS联用仪（美国Agilent公司）。

1.2 方法

1.2.1 裙带菜多糖的制备方法

裙带菜依次经洗净、除杂、晾晒、烘干和粉碎后，过20目筛。称取一定量裙带菜干粉，加水回流提取3 h，提取液过滤浓缩后加入95%乙醇，静置过夜，过滤并干燥得到裙带菜粗多糖。将粗多糖溶于水中，加入一定量的三氯乙酸，放置过夜，过滤除去沉淀的蛋白质，滤液浓缩后加入乙醇静置过夜，过滤后将沉淀干燥即得裙带菜多糖。

1.2.2 裙带菜多糖的单糖组成分析方法

称取多糖样品2 mg ，加入三氟乙酸高温水解120 min，冷却，减压旋转蒸发蒸干。先加入吡啶，待样品溶解后，加入硅烷化试剂制备衍生化样品。以肌醇为内标。单糖标准品同法衍生化并进行气相色谱分析。

GC工作条件：色谱柱：RTX-5（30 m × 320 μm，0.25 μm）毛细管柱；进口温度：230℃；检测器温度：230℃；升温程序： 130℃保持1.0 min，以2℃ /min升至180℃，保持3 min，再以10℃ /min升至220℃，保持3 min；载气流速3.0 mL/min；不分流模式。

1.2.3 裙带菜多糖的热裂解方法

取专用石英管一根，装填2 mg多糖样品，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：氧氮混合气（氧气和氮气按体积比9:91混合），裂解初温为50℃，保持5 s，然后以30 ℃/s的升温速率，将终温分别升至300℃，600℃，900 ℃，并保持5 s。吸附阱设置：吸附温度-60 ℃，脱附温度300 ℃，保持1 min，脱附气为氦气。裂解腔附件的初始温度：50 ℃，最终温度：250 ℃，保持8 min。反应气的流量：20 mL/min。

GC工作条件：色谱柱：DB-5ms（30 m × 250 μm，0.25 μm）毛细管柱；进样口温度：280 ℃；升温程序：40 ℃保持3 min，以10 ℃/min升至240 ℃，再以20 ℃/min升至280 ℃，保持5 min；载气流速：1.2 mL/min；分流比50∶1。

MS工作条件：质谱传输线温度：280 ℃；电离方式：EI；离子源温度：230 ℃；四极杆温度：150 ℃；电离能量：70 eV；扫描范围：33～350 amu；溶剂延迟5 min。

采用Wiley和NIST05数据库检索，以匹配度≥85%者定性，峰面积归一化法定量。

1.2.4 裙带菜多糖的感官评价方法

多糖以水稀释后，采用香精注射机按照烟丝质量的0.008%均匀地注入空白卷烟，对照样加入相同量的水，加料烟支于温度（22±1）℃ 和相对湿度（60±20）% 环境中平衡48 h后，由7名具有省级及省级以上卷烟感官评价资格的评委进行评价。采用单体香料评价方法，主要从香气特性、烟气特性和口感特性3个方面进行评价。

2 结果和讨论

2.1 裙带菜多糖的单糖组成

通过与单糖标准品的保留时间相比较与峰面积的计算，可得到裙带菜多糖所含单糖单元的种类以及含量，如下表所示。由表1可知，裙带菜多糖主要由葡萄糖构成，并含有一定量的木糖与少量的甘露糖、半乳糖、半乳糖醛酸、果糖以及岩藻糖。

表1 裙带菜多糖的单糖组成 （%）

2.2 裙带菜多糖裂解结果分析

在典型的卷烟燃烧过程中，其燃烧锥中心处于无氧的裂解状态，温度通常在700～900 ℃，裂解区周围的温度在400～700 ℃，靠近抽吸端的蒸馏区温度一般低于400 ℃[4]。在裂解过程中设定不同的温度可一定程度上模拟这一过程。为此，在实验中选取卷烟燃烧有代表性的300℃、600℃和900 ℃进行比较，分别代表挥发性物质开始进入烟气、烟草开始燃烧和抽吸时最高温度这3个典型温度[5]。

图1所示为300℃、600℃和900 ℃下裙带菜多糖裂解总离子流图。表2为裙带菜多糖3个不同温度裂解后GC-MS检索分析结果。其中化合物的定性采用Wiley和NIST05数据库检索，以匹配度≥85%定性，峰面积归一化法相对定量，表2所示为检索出的化合物种类与面积百分比含量。

图1 裙带菜多糖300℃、600℃和900 ℃下裂解总离子流图

从图1和表2可看出，在300 ℃时，产生的化合物种类较少，主要是呋喃类化合物，其中糠醛的峰面积占到总峰面积的60%以上，相对含量较高的化合物还包括5-甲基糠醛和5-羟甲基糠醛。当裂解温度上升至600 ℃与900 ℃时，产生的化合物种类显著增加，与300 ℃相比，增加了许多低分子量的物质，主要是一些酮类化合物，但是呋喃类化合物仍处于主导地位，其峰面积仍占据总峰面积的20%以上。600 ℃的裂解产物中含量较高的有糠醛、糠醇、5-甲基糠醛、5-羟甲基糠醛、1,4:3,6-双脱水-α-D型吡喃葡萄糖等。900 ℃的裂解产物中含量较高的主要有糠醛、5-甲基糠醛、甲基环戊烯醇酮、1,4:3,6-双脱水-α-D型吡喃葡萄糖、3,5-二羟基-2-甲基-4(H)-吡喃-4-酮等。

表2 裙带菜多糖热裂解产物分析 （%）

续表2

从裙带菜多糖的热裂解产物分析结果看，主要热裂解产物以呋喃类、酮类、有机酸类、醛类为主。多糖裂解时，首先进行链剪切作用，发生逆醇醛缩合反应，再进行下一步的裂解，形成小分子[6]。裙带菜多糖主要由葡萄糖构成，因此其裂解产物主要由葡萄糖裂解产生。其中呋喃类物质的产生，例如糠醛和5-羟甲基糠醛，可能是由多糖中的葡萄糖单元结构通过裂解形成[7,8]，并且随着温度的升高，大分子的呋喃类物质可进一步裂解形成小分子物质或者发生聚合[9]。

在较低温度时，多糖处于热裂解初期，主要发生脱水和解聚反应，糖醛酸侧链断裂，其内在结构开始发生变化。随着温度的升高，多糖热裂解程度加剧，产物也变得复杂。在此阶段，多糖结构中的主要糖苷键和C-C键断开，发生脱羟、脱羧和脱羰反应，形成一些羰基和羧基化合物[10]，例如4-环戊烯-1,3-二酮、3-甲基-2-环戊烯-1-酮、肉豆蔻酸等。

此外，裙带菜多糖热裂解过程中还产生了含硫物质(Z)-3-(苯硫基)-1,3-戊二烯与含氮物质7-甲基-2,4-二羟基蝶啶。由于海藻与陆生植物相比具有较高的硫元素含量水平，主要以多糖硫酸酯的形式存在，门晓媛等[11]报道裙带菜多糖硫酸基的含量高达10%左右，它们在高温条件下可能发生裂解等一系列反应生成较小分子的含硫化合物。而在裙带菜多糖的提取过程中虽然进行了脱蛋白处理，但仍可能残留有少量的蛋白质与氨基酸等含氮物质，并且裙带菜本身也含有一些含氮的色素类物质，这些物质都有可能在高温过程中反应生成新的含氮化合物。

裙带菜多糖裂解结果表明，在裂解过程中产生了很多有利于改善卷烟感官品质的香味物质，例如5-羟甲基糠醛、2-乙酰基呋喃、糠醛、糠醇、肉豆蔻酸等。同时，裂解过程中也产生了酚类等有害成分，并且相对含量随着裂解温度的上升有增加的趋势。

2.3 裙带菜多糖试验卷烟感官评价结果

添加裙带菜多糖的试验卷烟的感官评价结果表明：裙带菜多糖与烟香的谐调性较好，无异味。添加裙带菜多糖对卷烟的香气质有一定改善，能够明显降低杂气，提高细腻程度，降低干燥程度，增加回甜感（图2），但是余味方面与空白卷烟相比稍显不足。总体上看，裙带菜多糖对卷烟的感官舒适度具有改善作用。

图2 试验卷烟感官质量评吸结果

3 结论

在模拟卷烟抽吸的温度范围内，裙带菜多糖的热裂解产物随温度的提高而趋向复杂。裙带菜多糖在热裂解过程中产生丰富的香味物质，如5-羟甲基糠醛、2-乙酰基呋喃、糠醛、糠醇、肉豆蔻酸等。裙带菜多糖的卷烟感官质量评价结果也表明，裂解产生的香味物质能够改善卷烟的感官质量，能与烟香谐调，具有降低杂气，提高烟气细腻柔和度，增强回甜舒适感的作用。

[1]朱尊权，胡有持，刘惠民，等.羊栖菜水提取液及其在烟草中的应用[P]，CN1961761.

[2]朱尊权，胡有持，张晓兵，等.羊栖菜乙醇提取液及其在烟草中的应用[P]，CN1961762.

[3]朱尊权，胡有持，周细才，等.羊栖菜多糖及其在烟草中的应用[P]，CN1962699.

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