环糊精对烟草浸提液浓缩过程中化学成分挥发性的影响

郭 洋，王相凡，李学红*，于国强，丁红营，杨 峰，许红涛

1.郑州轻工业大学食品与生物工程学院，郑州高新技术产业开发区科学大道136 号 450001

2.河南卷烟工业烟草薄片有限公司技术中心，河南省许昌市金叶大道666 号 461000

造纸法再造烟叶是将烟草原料（如烟末、碎烟片、片烟、烟梗等）进行水浸提，将不溶物经造纸工艺制成薄片，将浸提液浓缩后涂布于薄片上而制成的均质化再造烟叶［1-5］。在再造烟叶工艺中，浸提液的真空浓缩过程会导致一定烟草化学成分挥发，从而影响再造烟叶产品的品质。例如，叶建斌等［6］发现烟草浸提液经浓缩后，一些重要致香成分如糠醛、苯乙醛、大马酮和二氢猕猴桃内酯等的质量分数明显降低。李华雨等［7-8］研究表明烟草提取液浓缩过程中平均约30%左右的挥发性致香成分挥发损失，其中羧酸酯类化合物、烟碱和新植二烯分别减少约71.32%、73.15%和54.46%。浓缩时如果真空度低、温度高，致香成分挥发较大；而浓缩真空度高、温度低时，则被真空抽走的致香成分量增加［7-8］。因此，如何减少烟草浸提液浓缩过程中化学成分特别是致香成分的损失是再造烟叶生产中面临的一个重要问题。

环糊精（Cyclodextrin，CD）是一类由D-吡喃型葡萄糖单元通过α-1,4-糖苷键相互连接而成的环状低聚糖，其分子呈现为一个外表亲水的疏水内腔结构，可以将疏水性客体包埋在其空腔内而形成包合物，从而提高客体的稳定性［9-11］。目前已实现商业化的环糊精主要有α-、β-和γ-环糊精（α-、β-和γ-CD）3 种，其中β-CD 价格低廉，应用十分广泛，而α-和γ-CD 由于有独特的应用特性，其生产规模也在逐年增长［12］。将环糊精应用于烟草产品进行增香已有不少报道，例如Kobayashi等［13］将香料用环糊精包埋后加入卷烟滤棒中，不仅提高了香料的稳定性，还可改善香气质量；Zhu 等［14］和Ciobanu 等［15］用β-环糊精包埋烟用香料，提高了香料成分的热稳定性、延长了烟草的留香时间。截至目前，将环糊精添加至烟草浸提液减少浓缩过程中化学成分损失的研究还鲜见报道。因此，将3 种环糊精（α-、β-和γ-CD）添加至再造烟叶生产中的烟草浸提液中，研究环糊精对浸提液浓缩过程中化学成分挥发的影响，旨在为提高再造烟叶吸食品质开发新的途径。

1 材料与方法

1.1 材料、试剂和仪器

烟草碎料由河南卷烟工业烟草薄片有限公司提供。

α-、β-和γ-环糊精（98%，山东滨州智源生物科技有限公司）；乙酸苯乙酯（内标，99%，上海麦克林生化科技有限公司）；其他试剂均为分析纯，购自中国医药集团有限公司。

6890-5973N 气相色谱-质谱联用仪（美国Agilent 公司）；RE52-99 旋转蒸发器（上海亚荣生化仪器厂）；MP-501A 超级恒温循环槽（上海一恒科学仪器有限公司）；DF-101S 集热式恒温加热磁力搅拌器（河南省予华仪器有限公司）；同时蒸馏萃取装置（北京玻璃集团公司）。

1.2 方法

1.2.1 烟草浸提液的制备

称取200 g 碎烟料，首次加入6 倍质量的去离子水，60 ℃水浴搅拌浸提1 h，8 层纱布过滤，收集浸提液；第二次将残余物加入4 倍质量的水，再次60 ℃浸提30 min 后过滤；再重复4 倍质量的水浸提，最后将3 次浸提液合并，4 000 r/min 离心10 min，将上清液密封后置于冰箱中冷藏。

1.2.2 添加或不添加环糊精烟草浸提液的浓缩及挥发物的冷凝回收

由于真空浓缩过程的挥发物通过冷凝方法不能被全部回收（大量低沸点成分被抽走），无法对挥发的化学成分进行全面分析，因此本实验中采用常压加热浓缩-冷凝的方法，整个系统处于相对密闭状态，确保所有挥发的化学成分得以全部收集并分析。具体操作如下：

准确称取100 g 浸提液于圆底烧瓶中，加入质量分数为1.0%的环糊精，磁力搅拌0.5 h。将加样烧瓶接入常压加热浓缩-冷凝装置中，磁力搅拌下120 ℃油浴加热2.5 h［16］［最终浓缩 液浓度约 为（25.5±0.5）波美度］，5 ℃冷却水循环冷凝，同时冷凝管下端用玻璃导管插入含有水-二氯甲烷混合物（体积比1∶1）的三角瓶中，铝箔密封瓶口。浓缩完毕且体系冷却后，先后用蒸馏水和二氯甲烷冲洗冷凝管内壁，收集冲洗液并与三角瓶中液体合并，密封条件下混合搅拌10 min，静置后分离有机相，水相中再重复加入10 mL 二氯甲烷萃取2 次，合并有机相。

向有机相中加入10 g 无水硫酸钠干燥过夜，用孔径为0.45 μm 的有机针式过滤器过滤至浓缩瓶中，40 ℃水浴浓缩至1 mL，准确加入50 μL 乙酸苯乙酯内标后进行GC-MS 分析。GC-MS 测试条件［17-18］：

色谱柱：DB-5MS 毛细管柱（60 m×0.25 mm×0.25 μm）；进样口温度：250 ℃；载气：高纯He；载气流速：1.50 mL/min；进样方式：不分流；进样量：1 μL；升温程序：50 ℃（2 min）280 ℃（5 min）；电离方式：EI；离子源温度：230 ℃；电离能量：70 eV；四极杆温度：150 ℃；质量扫描范围：50～450 amu；溶剂延迟：5 min。FID 检测器温度：250 ℃；氢气流速：40 mL/min；空气流速：450 mL/min；尾吹气（He）流速：30 mL/min。

利用气质联用仪自带软件（增强型数据分析化学工作站）对所得质谱结果进行NIST 谱库检索识别，并结合一些标准样品的GC 保留时间、相关文献中烟草成分的GC 保留时间进行定性分析，选择匹配度≥75%；以乙酸苯乙酯为内标，用相应的校正因子校准待测组分的峰值并与内标物的峰值进行比较，求出待测组分的质量分数。

分别进行α-CD、β-CD、γ-CD 组以及3 种环糊精混合组的浓缩挥发实验，同时以不加环糊精组作为对照。单独环糊精组中α-CD、β-CD 和γ-CD添加量均为1.0%（质量分数，下同），混合组中α-CD、β-CD 和γ-CD 添加量分别为0.25%、0.5%和0.25%。

2 结果与分析

研究环糊精对化学成分挥发性的影响，可以通过分析添加或不添加环糊精时浓缩液中化学成分的种类和质量分数变化来进行，也可以通过分析浸提液浓缩过程中挥发的化学成分的变化来比较。但考虑到浓缩液中部分化学成分是以环糊精包合物的形式存在，不易于定量，因此本实验中采用后者即收集挥发的化学成分并GC-MS 分析来进行研究。

在前期实验中，采用83 ℃、0.075 MPa 的参数（模拟实际生产条件）对浸提液进行浓缩、0 ℃冷凝回收化学成分，发现浓缩可导致浸提液中化学成分损失达44.1%，主要集中于挥发性相对较高的52 种化学成分，而0 ℃冷凝只能回收其中约30 种成分，且这些成分的回收量远低于浓缩过程的损失量。因此，为了确保浓缩过程挥发出的化学成分被全部回收，又采用常压的半封闭加热浓缩系统进行实验。

2.1 单独加入3 种环糊精对浸提液浓缩过程中化学成分挥发的影响

浸提液经浓缩后回收的挥发物质经GC-MS分析，检测出的主要化学成分及其质量分数结果见表1。可知，从二氯甲烷萃取液中主要检测出58 种化学成分，其中酮类20 种、醇类10 种、醛类4种、酯类6 种、酚类3 种、杂环类6 种、酸类3 种、烃类6 种。相对于对照组，在添加量为1%的条件下，3 种CD 均能不同程度地降低浓缩过程中化学成分的挥发。

表1 单独加入3 种CD 时浸提液浓缩挥发物中化学成分的质量分数Tab.1 Contents of chemical components in volatile components during extraction when adding three CDs separately（μg·g-1)

表1（续1）

表1（续2）

为了更好地分析实验结果，对表1 中数据进行计算，可得到加入3 种CD 后浸提液浓缩过程中58种化学成分的相对挥发减少量，对照保留时间，结果列于表2。

表2 3 种CD 对浸提液浓缩过程化学成分挥发减少量的影响Tab.2 Effects of three CDs on volatilization of chemical components during extraction and concentration

表2（续1）

由表2 可知，3 种环糊精降低化学成分挥发性的作用存在差异。α-CD 整体降低较少，除了能够降低小分子酮或醇、α-香附酮、苯甲醛、苯乙醛、苯、有机酸和部分杂环类化合物的挥发外，对其他类型成分的挥发性影响相对较小。β-CD 和γ-CD降低化学成分挥发的量相对较大，影响到的化学成分范围也相对更大，特别是γ-CD，对大部分化学成分的挥发均有较好的降低作用，在成分范围方面也宽于α-CD 和β-CD。

为了探索3 种CD 与化学成分出峰时间的关系，以GC-MS 保留时间为横坐标、3 种CD 条件下浸提液浓缩过程化学成分的挥发减少量为纵坐标作图，得图1。

由图1 并结合表2 可知，γ-CD 降低化学成分挥发明显，β-和α-CD 相对较弱。具体来说，γ-CD除了对保留时间分别为8.66、8.82、20.45 和26.53 min 的异戊醛、苯、苯酚和芳樟醇没有效果外，对整个出峰保留时间范围内的其他化学成分的挥发均有不同影响。β-CD 影响的化学成分范围也较广，但总体效果不如γ-CD，其使化学成分挥发减少约19.7%。α-CD 主要对保留时间在8.82～20.14 min 之间的化学成分以及保留时间分别为23.87、54.30、56.13、58.58 和72.62 min 的化学成分有影响，对化学成分挥发的降低程度为19.8%，特别是其对保留时间小于12.83 min 的几种化学成分的影响，可以与β-和γ-CD 形成互补。

3 种环糊精对烟草化学成分挥发性的影响跟其疏水空腔与客体分子尺寸的匹配度、客体疏水性等因素有关［19-20］。α-CD 的空腔直径在0.47～0.53 nm 之间，通常只能包埋体积相对较小的分子，而β-CD 和γ-CD 的空腔直径分别为0.60～0.65 nm 和0.75～0.83 nm，随着空腔直径的增大，其所能包埋的客体的分子量范围也增大。从本实验结果来看，β-CD 和γ-CD 对烟草化学成分的包埋选择性不强，而α-CD 则表现一定的分子尺寸选择性。

2.2 加入3 种环糊精混合物对浸提液浓缩过程中化学成分挥发性的影响

3 种环糊精降低化学成分挥发性的能力依次为γ-CD＞β-CD＞α-CD。但γ-CD 价格较高，实际应用受限，β-CD 成本低廉，在工业领域中应用最广，α-CD 价格居中且在降低小分子成分挥发方面有一定优势，三者具有一定程度的互补性。考虑上述因素，初步选择使用α-CD、β-CD 和γ-CD 添加质量比例为1∶2∶1，结果见表3。

浸提液浓缩后得到的挥发性成分经GC-MS分析，共鉴定出64 种化学成分，其中酮类22 种、醇类12 种、醛类4 种、酯类7 种、酚类3 种、杂环类6种、酸类5 种、烃类5 种。相对于未添加环糊精的对照组，加入1%环糊精混合物，化学成分的挥发量均显著降低。酮类化合物中3 种低浓度组分9-羟基-4,7-巨豆二烯-3-酮、α-香附酮和螺岩兰草酮未检出，可能被CDs 保留在浓缩液中，挥发量减少20.0%～33.3%的有11 种，8.3%～19.4%的有8 种；对于12 种醇类化合物，其中有6 种组分的挥发量减少20.0%～31.6%，3 种组分的挥发量减少10.0%～20.0%，2 种组分的挥发量减少小于10%，低质量分数的镰叶芹醇在挥发物中未检出，可能被保留在浓缩液中；对于酯类化合物，二氢猕猴桃内酯和闭鞘姜酯的挥发量分别减少41.4%和35.6%，其余酯类的挥发量减少7.6%～18.2%；6 种杂环类化合物中，除3-（4,8,12-三甲基十三烷基）呋喃挥发量减少61.5%外，其余的减少量在13.2%～25.6%之间；5种有机酸中，低浓度的2-癸烯酸和棕榈酸未检出，丁酸、2-甲基丁酸和己酸的挥发量减少分别为25.3%、9.1%和30.3%；另外，醛类和酚类化合物挥发量减少分别在13.9%～26.2%和16.4%～23.8%之间，烃类化合物减少9.3%～26.9%（4,4-二甲基-3-（3-甲基-3-丁烯亚基）-2-亚甲基双环［4.1.0］庚烷未检出，八氢-2-（1-甲基亚乙基）-4,7-亚甲基-1H-茚挥发量减少50.0%）。

为了更直观显示3 种CD 的混合物对挥发性成分的影响，以化学成分的组分序号为横坐标，以化学成分的相对挥发减少量为纵坐标进行作图，得图2。可知，各数据点的纵坐标值主要分布于10.0%～30.0%之间，说明加入1%CD 混合物后，大多数化合物的相对挥发减少量处于此范围内，相比单独加入3 种CD，混合环糊精可以对整体化合物挥发量起到降低效果。

表3 添加3 种CD 混合物对浸提液浓缩过程化学成分挥发减少量的影响Tab.3 Effects of three CDs mixture on volatilization loss of chemical components during extraction and concentration

表3（续1）

图2 3 种环糊精混合物对各化学成分挥发减少量的影响Fig.2 Effects of three CDs mixture on the volatilization loss of chemical components

3 结论

①向烟草浸提液中添加3 种环糊精可有效降低浓缩过程中化学成分的挥发量，但不同环糊精对各化学成分挥发量的降低程度存在差异。其中，γ-CD 降低作用最强，β-CD 次之，α-CD 的效果最差；γ-CD 和β-CD 对较广范围的化学成分有影响，α-CD 对中小分子化合物的影响更为显著且具有选择性。②相比于单独加入3 种环糊精，加入混合环糊精能够降低化合物的整体挥发量，更有利于烟草化学成分整体挥发量的减少。