朱晓兰,马扩彦,高芸,戴亚
1 中国科学技术大学烟草与健康研究中心,合肥, 230052;2 重庆中烟工业有限责任公司技术研发中心, 重庆, 400060
糖或酸介质处理对烟草纤维素结构的影响
朱晓兰1,马扩彦2,高芸1,戴亚2
1 中国科学技术大学烟草与健康研究中心,合肥, 230052;2 重庆中烟工业有限责任公司技术研发中心, 重庆, 400060
为探索烟草纤维素结构的改善方法,提高低次烟叶和烟梗的使用价值。分别用2%的5种糖溶液(葡萄糖、果糖、木糖、甘露糖、蔗糖)和2种酸溶液(柠檬酸和苹果酸)浸泡烟样3 d,之后按照行业标准方法提取纤维素,利用13C 固态核磁波谱法(13C NMR)、X射线衍射法(XRD)和红外光谱法(FTIR)研究了处理前后烟草纤维素的晶型、结晶度以及原纤尺寸等结构信息的变化。结果表明,介质处理后烟草纤维素的晶体类型没有改变,但其形态结构发生了变化,除果糖外的介质处理均使纤维素的含量和结晶度下降,相对应的基原纤聚集束尺寸也有下降,尤其是柠檬酸和苹果酸介质处理。这些变化对纤维素反应的可及度和均一性以及细胞壁类物质的降解均有有利影响。
烟草;纤维素;结晶结构;介质处理
纤维素类物质是自然界中丰富的有机物质,占植物所有多糖的50%以上,是一种线性的由D-吡喃葡萄糖为单位,以β-1,4键连接而成的多糖[1]。纤维素作为构成烟叶细胞组织和骨架的基本物质,在烟叶中含量一般在11%左右,并随着烟叶等级的下降而增加。在低次烟叶中,还原糖和可溶性总糖含量很低,纤维素、半纤维素含量较高,在烟叶燃吸时会引起刺激性的呛咳。烟草配方中高纤维素含量,会对燃吸品质产生副作用,赋予烟气一种尖刺的刺激性和一种“烧纸”的气味,使烟叶的香气不能显露,影响烟叶的感官质量[2-3]。
在烟草的加工过程中,纤维素大分子晶型结构及原纤尺寸的变化等因素对于烟草的润胀吸湿性能和柔韧性等品质都有重要的影响。有研究将天然纤维素经适当处理后作为烟草薄片的添加剂或制作卷烟滤嘴,可改善烟叶吸食质量,降低卷烟烟气焦油量,提高卷烟的安全性[4-5]。Husson等[6]和Wan等[7]利用多种混合酶类处理纤维素样品,制成有超微结构的改性纤维素,具备更高的力学性能和降解性能。Pejic等分别用NaOH和NaClO2溶液处理大麻纤维样品,发现随着半纤维素含量的减少,大麻纤维吸湿性增大而润胀性能降低[8]。Chen[9]研究表明在纤维制浆过程中,随着木质素和半纤维素的脱除,纤维细胞壁孔隙增加,纤维润胀性能增大。笔者[10]也曾利用纤维素酶和果胶酶对烟草样品进行改性,结果显示加酶催化得当可以改变纤维素的结晶度和晶型比例及微晶尺寸,使纤维素反应的可及度增加,经过酶处理的烟叶香气质变好,烟叶总体质量得到提高。
在烟叶中加入适量的含糖物质或酸的混合物,可以降低卷烟的刺激性,减轻杂气和改善吸味,同时,又具有降低烟气焦油和烟碱量的作用,还可增加烟叶的柔韧性,减少工艺加工中的造碎。但目前为止,此类研究多数都局限于烟气焦油、烟碱及香气的变化[11-12],此过程中生物大分子的含量和结构变化鲜有研究。13C 核磁共振法由于能够直接采用固体粉末定量地估计其化学组成和化学结构而获得可靠的结构信息,已经成为研究高分子化合物化学结构和物理性质最重要的工具之一[13]。本研究采用13C NMR、XRD和FTIR光谱技术研究烟草纤维素晶体在糖和酸处理过程中的晶型结晶度、原纤聚集态尺寸等结构信息的变化,对于研究其对烟草加工和润胀性能的影响,改善烟叶的吸食质量,提高低次烟叶和烟梗的使用价值具有重要应用价值和现实意义。
试剂:十六烷基三甲胺溴(C19H42BrN)、正辛醇(C8H18O,消泡剂)领自中国科学技术大学化学试剂库,标准纤维素样品购自上海百灵威化学品公司。
云南清香型烟叶C3F,取自安徽中烟工业公司,烟叶回潮后切丝干燥4h后,粉碎备用。
主要仪器:AVANCE AV 400 spectrometer超导傅立叶数字化核磁共振谱仪(瑞士布鲁克公司);TTR-Ⅲ型样品水平型大功率X射线粉末衍射仪(日本玛珂公司);MAGNA-IR 8700型傅里叶变换红外光谱仪(美国Nicolet公司);2000型纤维素分析仪(美国ANKOM公司,配置石英过滤坩埚)。小型设备有HHS11-2型恒温水浴锅;D2010W型电动搅拌器;SL234型电子天平(感量:0.0001 g,美国Denver公司);PHS3C型精密pH计;FZ102型植物粉碎机等。
将每份50g (干重)烟叶样品分别加入200 mL的浓度为2%的五种糖溶液(葡萄糖、木糖、果糖、蔗糖和甘露糖)和2种酸溶液(苹果酸和柠檬酸)中浸泡均匀,在常温下(20±2)℃放置3d,离心,用蒸馏水洗涤2次再离心,固体烘干至恒重后备用。
取对照样两份,按照行业标准(YC/T 347—2010)[14]进行相同的前处理,即依次采用酸性洗涤剂溶剂和72%硫酸溶液洗脱烟草有机溶剂溶解物如糖、淀粉、蛋白质、果胶及半纤维素等得到酸性洗涤纤维和酸洗木质素样品,一份进一步灰化计算出含量(纤维素含量为14.3%,木质素1.68%),另一份作为烟草纤维素参比样品,干燥后研磨成细粉,过100目筛,进行后续的13C NMR、XRD和FTIR光谱分析。此样品的光谱图扣除根据灰化测定的纤维素含量所制备的纤维素标准样品光谱吸收,得到烟草样品的非纤维素背景光谱吸收。待测烟样同样采用行标方法洗脱后,其CP/MAS13C NMR光谱扣除非纤维素背景光谱吸收即可得到待测样品的纤维素光谱图。
不同介质处理得到的酸性洗涤纤维样品按文献[15]的方法用硝酸-乙醇(1:4,v/v)溶液进行回流,固体残渣经过滤后用水洗涤,干燥后研磨成细粉,过100目筛,进行后续的FTIR光谱分析。
红外光谱分析是将烟草纤维素样品制成KBr压片后,在美国Nicolet MAGNA-IR8700型傅里叶变换红外光谱仪上进行测定,光谱仪分辨率为0.1 cm-1,扫描范围:4000~400 cm-1,扫描次数为50次,扫描速度:0.1 cm/s。
XRD分析在日本玛珂公司TTR-Ⅲ型样品水平型大功率X射线粉末衍射仪上进行测定,纤维素样品安放在玻璃样品架上,在稳定条件下分析。测试条件:Ni滤波,Cu靶Kα射线,管压 40 kV,管流200 mA,扫描速度2°/min,扫描范围从3°~50°。波长:1.541841A。根据文献[16]计算纤维素的结晶度X和微晶的尺寸Lhkl。
CP/MAS13C NMR光谱利用AVANCE AV 400 spectrometer超导傅立叶数字化核磁共振谱仪(瑞士布鲁克)记录,测试条件:场强9.40 T,7 mm魔角探头,转速15 kHz,脉冲宽度90°,交叉极化时间4 µs,接触时间2 ms,采样时间34 ms,采样间隔时间2.0 s,扫描次数:1024,谱宽300 ppm,一级定标用四甲基硅烷(CH3)4Si。13C CP/MAS NMR光谱化学位移、光谱峰面积及在δ 60~110 ppm的分解峰形拟合的计算是采用MestReNova 6.1.1核磁软件进行分析,峰形分解的结果按照文献[17]用来计算纤维素的晶型分布及比例、纤维素的结晶度、原纤聚集态尺寸等结构信息。
不同介质处理后烟草样品提取的纤维素样品FTIR光谱如图1所示。从图中可看出,经过不同介质预处理的烟草纤维素的红外吸收光谱形状基本相同。纤维素大分子中每个单元都含有3个醇羟基,因此纤维素分子链间及分子链与表面水分子间都可形成氢键,会导致其他反应试剂对纤维素的可及度低,反应性能差[18]。经过介质处理后,波数3300~3500cm-1处分子内羟基O-H伸缩振动谱带减弱,说明部分纤维素分子间氢键被破坏,使纤维素发生润胀,对反应试剂的可及度增加,有利于纤维素的进一步降解[19]。波数1635 cm-1处的吸收峰是表征吸附水的伸展振动,以2900 cm-1处吸收峰为内标,葡萄糖(0.795)、木糖(0.805)、蔗糖(0.825)、苹果酸(0.848)和柠檬酸(0.857)处理后的纤维素中1635 cm-1处的吸收强度都要明显高于对照样(0.788),这说明经过糖或酸处理后烟样中纤维素都得到润胀,对水的可及度增加,因而对样品的细胞壁物质降解性能起着重要作用。
图1 经不同介质预处理的烟草样品中纤维素的红外光谱图Fig.1 FTIR spectra of cellulose extracted from tobacco samples pretreated by different medium solution
不同介质溶液处理后的烟草纤维素XRD光谱如图2所示。从图中可看出,烟草纤维素XRD 2θ在22.0 °和18.0 °处各有一个主要峰和次要峰,分别代表的是002面峰的强度(即结晶区的衍射强度和无定形区的衍射强度),表明糖或酸溶液到达了无定形区和结晶区的表面,发生了结晶区间的润胀,对纤维素的结晶区影响较小,其晶体类型没有变化,仍然保持晶区与非晶区共存的状态[20]。
由XRD光谱图计算出纤维微晶体结晶度和尺寸的变化如表1所示,与对照相比,经过介质处理后纤维素的结晶度有下降,尤其是经甘露糖和木糖、苹果酸和柠檬酸处理的烟样更显著,而果糖、葡萄糖和蔗糖处理样变化较小。这说明了在果糖、葡萄糖和蔗糖处理时,主要发生在纤维素的无定形区,结晶区的分子链取向良好,分子间的结合力强,不易被破坏,因此结晶度改变很小。而采用甘露糖和木糖、苹果酸和柠檬酸尤其是酸处理烟样时,介质溶液在经历润胀后已到达纤维素结晶区,对结晶表面造成了一定的破坏,导致结晶度的下降。另外,纤维素中002面微晶位置基本没有改变,但垂直002面微晶体尺寸(Lhkl)略有变小。
图2 经不同介质预处理的烟草样品中纤维素的XRD光谱图Fig. 2 XRD spectra of cellulose extracted from tobacco samples pretreated by different medium solution
表1 由XRD光谱计算的不同介质处理的烟草纤维素样品的纤维微晶体结晶度和尺寸Tab. 1 Crystallinity and micro fi brils size of cellulose extracted from tobacco samples pretreated by different medium solution through XRD spectra
表2为由13C NMR光谱计算的不同介质处理后的烟草样品中纤维素的含量及晶型比例。由表可以看出,不同介质处理后纤维素的含量是果糖>对照>葡萄糖>甘露糖>蔗糖>木糖>苹果酸>柠檬酸,除果糖外所有样品中均有降低,这是由于糖或酸介质的加入,样品发生润胀,使得溶液的可及性增加,原来样品的纤维素内部的氢键结构减弱,使最终纤维素含量有所降低[21]。果糖介质处理略有上升,这可能是由于几种糖中,仅果糖属于酮糖,结构上的这种差异使其改变样品中纤维素内部氢键结构的能力下降,不能降低纤维素含量。另外,纤维素的晶型没有发生明显改变,仍然是以Iβ为主,但Iα比例有所下降(木糖上升),次晶比例略有增加,尤其是果糖、甘露糖和蔗糖介质处理后样品。次晶表示的是有序性不及但运动性大于纤维素Iα和Iβ的结晶结构,因此,次晶含量的变化可以用来反映晶体结构的变化[22],介质处理后烟叶中纤维素晶体内部有少量结晶体从有序到无序发生了转变。
表2 由13C CP/MAS NMR光谱计算的不同烟草纤维素样品的晶型含量Tab. 2 Crystalline allomorphs of cellulose extracted from tobacco samples pretreated by different medium solution through 13C CP/MAS NMR spectra
表3为不同介质处理后的烟草样品中纤维素的结晶纤维素、次晶纤维素、结晶度、可及表面、不可及表面、微晶体尺寸的变化。介质处理后,纤维素的结晶度是果糖>对照>葡萄糖>蔗糖>甘露糖>木糖>苹果酸>柠檬酸,除果糖外其余介质处理均使得结晶纤维素的比例下降,其中尤以甘露糖、木糖、苹果酸和柠檬酸处理降低为甚。Tokoh等[23]曾报道糖介质处理使纤维素晶型Iα比例和微晶尺寸下降,其结果显示甘露糖介质中纤维素微晶尺寸最小,本实验也得出了相一致的结论。其原因是糖元酸使纤维素内部氢键作用减弱,可能是由于果糖属于酮糖,反而会使结晶纤维素比例略有增加。本实验中除了糖介质,酸介质会比糖介质更进一步减弱纤维素的氢键作用,因此苹果酸和柠檬酸的效果会更显著。葡萄糖处理后,由于介质的润胀作用,次晶的含量从25.1%下降到11.5%,同时结晶纤维素含量从34.5%上升到46.9%,说明更多的次晶转变为有序性更高的纤维素Iα和Iβ,少量转变为纤维素的无序结构,因此,纤维素的结晶度仅从从59.6%降到58.4%。表3还显示了介质处理使得纤维素的可及基原纤表面比例增加,尤其是柠檬酸和苹果酸介质,相对应的基原纤聚集束尺寸也会下降,原纤间相互作用力减弱,纤维素分子间氢键网络减弱,结晶度下降,基原纤尺寸下降。植物纤维的润胀能力主要体现在无定形区,生成的基原纤聚集束尺寸越小,可及基原纤的表面越大,越能增加纤维素羟基的反应性和可及度[24-25]。因此可以推断,介质处理会使烟样的纤维素结晶区可反应表面积增加,对纤维素反应的可及度和均一性以及细胞壁类物质的降解均有有利影响。
表3 由13C CP/MAS NMR光谱计算的不同介质处理的烟草纤维素样品的结晶度和微晶尺寸Tab. 3 Crystallinity and micro fi brils size of cellulose extracted from tobacco samples pretreated by different medium solution through 13C CP/MAS NMR spectra
通过糖、酸介质处理,烟草纤维素的形态结构发生了变化,部分纤维素分子间氢键被破坏,使纤维素发生润胀,对反应试剂的可及度增加。
从介质的使用效果来看,除果糖介质外,所有介质处理均使得纤维素的含量和结晶纤维素的比例下降,尤其是柠檬酸和苹果酸介质,相对应的可及基原纤表面比例增加,基原纤聚集束尺寸下降。这些变化表明糖或酸处理能提高烟草纤维素的可及度和反应性,提高了烟草的润胀能力,有利于烟草纤维素的进一步降解。
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E ff ect of sugar or acid medium treatment on cellulose structure in tobacco
ZHU Xiaolan1, MA Kuoyan2, GAO Yun1, DAI Ya2
1 Research Center of Tobacco and Health, University of Science and Technology of China, Hefei 230052, China;2 Technology Center, China Tobacco Chongqing Industrial Co., Ltd, Chongqing 400060, China
To explore structure of cellulose and improve utilization rate of low-grade tobacco leaves and leaf stem, fi ve sugar medium solutions (glucose, fructose, xylose, mannose and sucrose) and two acid medium solutions (citric acid and malic acid) with concentration of 2% were used to treat tobacco. E ff ects on the structure of cellulose from these tobacco samples were studied by13C NMR, XRD and FTIR spectroscopy. Results showed that medium treatment did not change crystalline allomorphs type of cellulose, but changed its morphological structure. All but fructose treatment decreased content, crystallinity of cellulose, and elementary fi brils aggregate size, especially after mannose and malic acid treatment. These changes were bene fi cial for the reaction and accessibility between cellulose fi bril surfaces and medium solution due to degradation of cell wall materials.
tobacco; cellulose; crystalline structure; medium treatment
朱晓兰,马扩彦,高芸,等. 糖或酸介质处理对烟草纤维素结构的影响[J]. 中国烟草学报,2016,22(2)
重庆中烟工业有限责任公司科技项目(JL/CYZYG SJ003-04)
朱晓兰(1972—),博士,副研究员,主要从事分析化学和烟草化学研究,Email:zxl8906@ustc.edu.cn
戴亚(1946—),研究员,Email:dycy@263.net
2015-05-20
: ZHU Xiaolan, MA Kuoyan, GAO Yun, et al. E ff ect of sugar or acid medium treatment on cellulose structure in tobacco [J]. Acta Tabacaria Sinica, 2016,22(2)