在线热裂解-气相色谱-质谱研究茄尼醇的热裂解

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(1.河南农业大学 烟草学院，河南 郑州450002；2.河南农业大学 生命科学学院,河南 郑州 450002)

我国拥有着丰富的烟草资源，但是很多烟叶由于不能用于正常的卷烟生产而被归为低次烟叶，从而被废弃，造成了资源浪费、环境污染等，从低次烟叶中提取茄尼醇，既能降低成本，又能节约资源[1]。茄尼醇是合成预防肿瘤、抗溃疡、治疗冠心病等新型药物的重要原料。茄尼醇所合成的辅酶Q10能够保护人类器官，增强人体的非特异性免疫性能[2-4]，尤其是以纯度高的茄尼醇为原料制备的辅酶Q10被许多发达国家生产和使用。由此，茄尼醇在医药、化工等领域[5-6]突出的作用使其成为当前市场上炙手可热的合成原料。但由于茄尼醇的结构链长，合成步骤难以控制，因此不易进行人工合成。而目前茄尼醇主要从烟草中提取获得。

热裂解-气相色谱-质谱法分析技术可有效预测燃烧产物，目前已广泛应用于烟草研究[7-10]。本试验模仿卷烟燃吸的状况，在有氧条件下，探究茄尼醇在300、600、900℃下的热裂解情况，并对裂解产物进行分析，推测茄尼醇的裂解机理，为茄尼醇在资源回收方面提供一定的理论依据[11]。

1　材料和方法

1.1　仪器和材料

Nicolet IR200红外吸收光谱仪(美国Thermo公司)；5000+质谱系统(美国Agilent公司)；Agilent7890B/7593气质联用仪(美国Agilent公司)；CDSPyrobe5250T热裂解仪(美国CDS公司)； Waters2690高效液相色谱仪(美国Waters公司)；其他试剂和溶剂均为市售AR；低次烟叶由国家烟草栽培生理生化基地提供(河南平顶山)。

1.2　茄尼醇样品的提取及鉴定

参照文献[12]以闪式提取法提取茄尼醇，将得到茄尼醇浸膏再经皂化、柱层析和重结晶处理纯化得到茄尼醇样品。采用溴化钾压片方法测定茄尼醇的红外光谱。红外光谱和文献[13]的结果一致，证实为茄尼醇。

1.3　茄尼醇高效液相色谱检测

色谱柱：Ultimate XB-C18(4.6×150mm)；流动相：甲醇：乙醇(75: 25)；检测波长：213 nm[14]；柱温：30 ℃；流速：1.0mL/min；进样量：10 μL。将测得的不同浓度下茄尼醇标品的峰面积为纵坐标、质量浓度为横坐标绘制标准曲线，得出标准曲线的回归方程，再将茄尼醇样品保留时间和峰面积代入，经计算确定茄尼醇样品纯度为93.63%。文献表明该化合物数据为高纯度茄尼醇[15]。

1.4　热裂解-气相色谱-质谱分析

1.4.1热裂解采样称取1 mg茄尼醇样品，装入进样石英玻璃管中，再置于进样盘上，设置裂解炉压力：1.03×106Pa，接口温度：280 ℃，此后，再分别在300、600和900 ℃下进行瞬间裂解，保持时间为15 s，裂解产物被氮氧混合气体(体积比9: 1)导入气相色谱-质谱中进行分离和鉴定。

1.4.2气相色谱-质谱条件色谱柱：HP-FFAP弹性石英毛细管柱(60 m×320 μm×0.5 μm)；进样口温度为250 ℃；载气为He(纯度为99.999%)，流速为1.5 mL/min；升温程序：40 ℃ 时保持3 min，以10 ℃/min升至240 ℃后保持10 min；20 ℃/min升至280 ℃后保持10 min；分流比为401。

质谱条件：EI离子源，电子能量为70 eV；扫描范围为29-550 m/z；传输线温度为280 ℃；四极杆温度为150 ℃，离子源温度为200 ℃；溶剂延迟时间2 min。

2　结果与分析

2.1　茄尼醇样品的热裂解产物的定性与半定量分析

在典型的卷烟燃烧过程中，烟支中心温度最高，在700～900 ℃，燃烧区的气相温度相对较低，400～700 ℃，靠近抽吸端的蒸馏区温度一般不高于400 ℃[16]。因此，把热裂解实验温度设置为300、600、900 ℃三个温度，以模拟人工抽烟的过程。利用GC-MS，对茄尼醇在300、600、900 ℃下的裂解产物进行定性分析。通过保留时间和NIST质谱数据库检索鉴定，并用峰面积归一化法测定裂解产物的相对含量，结果如表1所示。

表1　茄尼醇在300、600、900 ℃下的热裂解产物相对含量

续表1

续表1

-：表示在相应温度下未检测到该成分。

2.2　茄尼醇样品的裂解产物分析

在有氧条件下，茄尼醇在300 ℃时，有41种物质裂解产生，占总挥发性成分的84.83%。在这些挥发性产物中金合欢醛的相对含量最高(12.13%)，其次是香叶基香叶醇(11.26%)和反式 - 2, 3 - 环氧癸烷(5.4%)；在600 ℃时，有25种物质裂解产生，占总挥发性成分的93.19%，除了300 ℃条件下形成的7种外，新形成19种新物质。热裂解的挥发性产物中D - 柠檬烯的相对含量最高(23.86%)，其次是化合物2, 6, 10, 14, 18 - 五甲基 - 2, 6, 10, 14, 18 - 二十碳五烯(18.32%)和香叶基香叶醇(11.26%)，香叶基香叶醇的相对含量明显下降，而角鲨烯的相对含量明显上升；在900 ℃时，有34种物质裂解产生，占总挥发性成分的88.88%，其中7种在600 ℃时也稳定存在，14种是裂解新形成的，热裂解的挥发性产物中D-柠檬烯的相对含量最高(14.85%)，其次是金合欢醛(7.05%)和香叶基香叶醇(6.02%)，角鲨烯、香叶基香叶醇和山嵛醇在上述3个裂解温度下均存在，900℃时，香叶基香叶醇的相对含量明显上升，角鲨烯的相对含量明显降低，可能是随着温度的上升这两种转变成其他物质；山嵛醇的相对含量随着温度的升高而增加。在这些热解成分中有D-柠檬烯、3-羟基-2-丁酮、樟脑萜、甲酸香草酯、α-大马酮、薰衣草醇、柠檬醛、香叶醇、紫罗兰醇、法尼基丙酮、苯乙酸香叶酯、香叶基香叶醇和角鲨烯等是常用的香气增香剂和保健产品主要成分[17]。其中D-柠檬烯有类似柠檬的香味，其抑菌效果显著，除可以作为食品添加剂外，也可以投入到清洗剂研究开发领域[18-19]；3-羟基-2-丁酮高度稀释后有令人愉快的奶香气；薰衣草醇带有青草气可作为日化香精使用；柠檬醛呈浓郁柠檬香味可用于食品中；香叶醇是可以广泛使用的花香型香精；法尼基丙酮可作为花香精的定香剂；苯乙酸香叶酯具有蜂蜜和玫瑰似香气，是允许使用的食用香料；甲酸香草酯、紫罗兰醇和樟脑萜为GB2760-2014规定允许使用的食用香料；α-大马酮是具有甜蜜香型的调香原料；另外相对含量较高的香叶基香叶醇本身具有广泛的生理活性，是萜类、类胡萝卜素等的生化合成前体；在三种裂解温度下都存在的角鲨烯是多种保健品主要成分，具有提高体内SOD活性、增强机体免疫力、抗肿瘤等多种生理功能[20]。因此，在模拟卷烟条件下研究茄尼醇的热裂解行为，从裂解产物上分析，茄尼醇主要热解挥发性成分可给卷烟带来一定香味成分的烯烃类、醇类、醛酮类、酯类等。

2.3　茄尼醇的热裂解机理

茄尼醇在不同温度下裂解出D-柠檬烯、柠檬醛、香叶基香叶醇和角鲨烯等物质，它们可能发生的裂解过程如图2。具体分析如下：①茄尼醇受热在c处断裂分解，生成角鲨烯(52)，在a处分解断裂，生成香叶基香叶醇(53)；②茄尼醇受热在b处断裂生成一个醇，在有氧条件下，发生氧化反应，生成D-柠檬烯(20)；③茄尼醇受热在d断裂生成异戊二烯，并环化异构化生成D-柠檬烯(8)。

图2　茄尼醇的热裂解机理

3　结果与讨论

本实验采用高效液相色谱仪测量皂化、重结晶后茄尼醇样品的纯度，然后在模拟卷烟燃吸条件下，采用热裂解-气相色谱-质谱联用分析法研究了茄尼醇的热裂解产物。结果表明，其裂解的挥发性产物D-柠檬烯、3-羟基-2-丁酮、甲酸香草酯等香味物质可以增加卷烟香气，表明茄尼醇是香气成分的前体物。

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