巨豆三烯酮-β-环糊精包合物的制备及其卷烟加香应用

刘云飞， 郭 琪， 姬小明， 董爱君， 付 博， 周冰怡

(1.河南农业大学 烟草学院 河南省香精香料与调香工程技术研究中心， 河南 郑州 450002； 2.河南新郑金叶香料有限公司， 河南 新郑 451100； 3.湖北中烟工业有限责任公司 技术研发中心， 湖北 武汉 430040)

0 引言

巨豆三烯酮(MEG)为黄色透明油状液体，通常为同分异构体的混合物，是烟草中一种重要的致香成分，具有烟草香和辛香底韵，有增强烟香、改善吸味、调和烟气、减少刺激性的作用，是卷烟调香不可缺少的香原料[1,2]，烤烟中MEG的含量与中性香气成分含量呈极显著正相关关系[3].MEG对卷烟的香气起着重要的作用，但因其双键多，共轭体系大而容易聚合，难以储存，因而会影响卷烟产品质量的稳定和风格的一致[4].

环糊精(CD)是一类由多个D-吡喃葡萄糖单元通过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[5,6].目前已实现商业化的环糊精主要有α-环糊精、β-环糊精、γ-环糊精(α-CD、β-CD、γ-CD)三种产品[7]，它们分别含有6、7、8个葡萄糖单元.应用最为广泛的是β-CD，因为它生产成本低，分子空洞空隙适中，适用于多个领域[8].在包合物体系中，客体分子穿入到环糊精的空腔内，二者之间主要通过范德华力结合，形成较为稳定的结构.研究表明，环糊精可提高客体分子的化学稳定性[9]和生物利用度，还可增加某些药物分子的抗氧化活性[10].Zhu等[11]、Ciobanu等[12]用β-CD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；郭洋等[13]向再造烟叶生产中的烟草浸提液添加环糊精，可以降低化学成分的挥发量.以环糊精为载体对MEG进行包埋提高MEG稳定性的相关文献未见报道，因此，以β-CD作为载体，采用饱和水溶液法制备MEG包合物，研究包合物的热稳定性，旨在为MEG的加香应用提供新的思路.

1 试验部分

1.1 试剂与仪器

1.1.1 主要试剂

MEG(AR，≥97%)，河南新郑金叶香料有限公司；β-环糊精(≥99.5%)，国药集团化学试剂有限公司；无水乙醇(AR)，北京化工厂.

1.1.2 主要仪器

UV-8100 B型紫外可见分光光度计(中国北京莱伯泰科仪器有限公司)；Thermo Nicolet Nexus iS10型傅里叶变换红外光谱仪(美国Thermo公司)；DSC-60A型差示扫描量热仪(日本).

1.2 试验方法

1.2.1 包合物的制备

采用饱和水溶液法[14]制备MEG和β-CD的包合物.称取1.85 gβ-CD，加入100 mL去离子水，在温度25 ℃下制备其饱和溶液.按β-CD与MEG摩尔比1∶1，称取0.31 g MEG，溶于20 mL无水乙醇中，搅拌下缓慢加入到100 mLβ-CD饱和溶液中，控制温度60 ℃，转速200 r/min，搅拌6 h.将所得反应液的温度缓慢降至4 ℃，静置48 h，抽滤，依次用少量水和无水乙醇反复洗涤固形物，在40 ℃的真空干燥箱中烘干得到β-CD与MEG的包合物MEC，冷却，称重，干燥器储存备用.

1.2.2 包合率的测定

采用紫外-可见分光光度法测定包合物中被包合的MEG的量[15].用无水乙醇配置不同浓度的MEG溶液，筛选合适浓度用紫外可见分光光度计进行全波长扫描，结果显示MEG无水乙醇溶液在326 nm处有最大吸收.准确称MEG 0.20 g，用无水乙醇稀释定容至1 L作为母液，精确量取1 mL、2 mL、3 mL、4 mL、5 mL置25 mL容量瓶中，定容，摇匀，在326 nm处测定吸光度，以吸光度(A)对MEG无水乙醇溶液的浓度(μg/mL)进行线性回归.回归方程为A=0.026 5x-0.018 6，R2=0.999 9.结果表明在8～40μg/mL范围内MEG无水乙醇溶液的浓度与吸光度线性关系良好.

称取3份包合物，每份0.25 g，分别加无水乙醇溶解，超声提取15 min后，定容至250 mL；再取上清液1 mL置25 mL容量瓶中，定容，摇匀，用0.45μm的微孔滤膜过滤，滤液于326 nm处测定吸光度值，将吸光度值代入回归方程计算包合物中MEG的平均含量.

包合产率及包合率的计算按照公式(1)、(2)进行：

(1)

式(1)中：M1为包合物质量，g；M2为投入MEG和β-环糊精的总质量，g；Ip为包合产率，%.

(2)

式(2)中：m为包合物中MEG的质量，g；M为制备包合物投入的MEG的质量，g；Ir为包合率，%.

1.3 结构表征与稳定性试验

1.3.1 傅里叶变换红外光谱(FT-IR)测定

利用傅里叶变换红外光谱分析仪对干燥的β-CD、MEG、混合物(MIXT，β-CD与MEG摩尔比1∶1搅拌均匀)和MEC进行结构表征，将样品与溴化钾共磨、压片，测量范围为4 000～500 cm-1，分辨率为4 cm-1.

1.3.2 差示扫描量热(DSC)测定

分别取3.00 mgβ-CD、MEG、MIXT、MEC四种样品放置于差示扫描量热仪内，设置测定条件载气(高纯Ar)流速为20 mL/min，升温速率为10 ℃/min，升温范围为30 ℃～500 ℃，进行DSC测定.

1.3.3 热重-微商热重(TG-DTG)测定

将MEG-β-CD包合物置于差示扫描量热仪内，设置测定条件载气(高纯Ar)流速为20 mL/min，升温范围为30 ℃～500 ℃，升温速率为10 ℃/min，对包合物进行TG-DTG测定.

1.4 加香试验

参考文献[16,17]确定加香适宜用量为50 mg/kg，用95%乙醇分别溶解MEG、MIXT、MEC，装入喉头喷雾器均匀喷洒到烟丝上，烟丝在恒温 (22±1) ℃、恒湿 (相对湿度65%) 条件下平衡48 h后卷制成烟支.由湖北中烟工业有限责任公司专家评吸，经7名专业评委评吸对加香后0 d、30 d、60 d、90 d的単料烟进行感官评价.

2 结果与讨论

2.1 包合产率及包合率

包合物质量M1平均值为1.55 g，MEG和β-环糊精的投入量M2为2.16 g，由式(1)计算包合物产率为71.76%.测得吸光度平均值为0.826 0，由回归方程计算包合物中MEG的浓度为31.87μg/mL，包合物中MEG的质量m为199.20 mg，由式(2)计算出包合率为79.68%.包合产率及包合率均高于70.00%，说明用β-CD包合MEG可行.

2.2 FT-IR分析

图1为β-CD、MEG、MIXT、MEC在4 000～500 cm-1范围内的FTIR谱图.图1中a曲线的3 380.75 cm-1、2 925.61 cm-1和1 027.92 cm-1处为β-CD的特征峰[18].b曲线中1735.69 cm-1频率处的C=O伸缩振动，为MEG的特征峰[19].c曲线中既包含β-CD的O-H的伸缩振动、CH2和C-C的对称和反对称拉伸以及O-H的弯曲振动，又有MEG的特征峰，为二者的加和，说明混合物只是二者简单的混合，没有发生包和作用形成包合物.与c曲线相比，d曲线峰数明显减少，峰强度减弱，尤其在1 735.69 cm-1处的C=O振动峰，MEG的特征峰峰值强度明显降低，且d曲线与a曲线峰的形状基本吻合，说明MEG插入β-CD的锥形空腔中与β-CD形成包合物.

图1 β-CD、MEG、MIXT和MEC的FT-IR图

2.3 DSC分析

如图2(a)所示，β-CD在99.41 ℃和258.59 ℃分别有一个特征吸热峰；图2(b)显示MEG在42.58 ℃和238.58 ℃分别有一个特征吸热峰；图2(d)显示MEC在79.61 ℃和265.51 ℃出现吸热峰，与β-CD在99.41 ℃和258.59 ℃的特征吸热峰相比峰形较宽，与MEG在42.58 ℃和 238.59 ℃的特征吸热峰相比吸热峰温度明显提高，证明了MEC的形成和热稳定性的提高；图2(c)显示MIXT在86.80 ℃和285.01 ℃出现吸热峰，与β-CD相比峰形相似第二个吸热峰温度提高，可能由于主客体在高温熔融条件下部分形成包合物所致[20].

2.4 TG-DTG分析

如图3(a)所示，随着温度的升高，β-CD的热降解可分为三个阶段：第一阶段发生在30.00 ℃～282.46 ℃的温度范围内，β-CD的质量损失约为20.91%，在此阶段，DTG曲线顶部出现一个峰值温度(Tp，1=85.16 ℃)；第二阶段质量损失开始于282.46 ℃，结束于349.94 ℃，是质量快速损失阶段，总质量损失为42.00%，β-CD的DTG曲线显示出一个明显的峰值温度(Tp，2=322.49 ℃)；从375.00 ℃到500.00 ℃，TG曲线趋于平缓，显示出前一步骤的残余碳质物质.

如图3(b)所示，MEG的热分解过程明显分两步进行：第一阶段在30.00 ℃～262.58 ℃范围内，MEG的质量损失为82.41%；第二阶段为缓慢的质量损失过程，质量损失为13.70%，在30.00 ℃～262.58 ℃的温度范围内，MEG的DTG曲线出现一个峰值温度(Tp，1=230.08 ℃).

如图3(c)所示，MIXT经历了四个主要的质量损失阶段：在30.00 ℃～99.96 ℃温度范围内，MIXT质量总质量损失为7.05%，在此过程中MIXT的DTG曲线显示出峰值温度(Tp，1=85.06 ℃)；99.96 ℃～282.46 ℃下MIXT质量损失，总质量损失为3.09%；282.46 ℃～359.96 ℃温度范围内MIXT总质量损失为58.92%，MIXT的DTG曲线显示出峰值温度(Tp，2=322.47 ℃)从359.96 ℃到500.00 ℃，TG曲线趋于平缓.

从图3(d) MEC的TG和DTG曲线可以看出，热分解有三个阶段：第一阶段分解发生在30.00 ℃～284.99 ℃之间，总质量损失为13.71%，质量损失较少，说明MEC分解较少；第二个质量损失步骤开始于284.99 ℃，结束于347.49 ℃，TG曲线显示了一个非常急剧的损失过程，质量损失为原始质量的64.34%，在此阶段，MEC的DTG曲线只有一个峰温(Tp，1=322.51 ℃)；347.49 ℃后，TG曲线趋于稳定，质量损失约为原始质量的12.08%.结果表明，在30.00 ℃～262.58 ℃温度范围内，MEG的质量损失为82.41%，而MEC的质量损失仅为11.04%，与MEG相比MEC的热稳定性提高了71.37%.在30 ℃～500 ℃范围内MEC的分解质量损失为76.43%，MEG的分解质量损失为96.12%，与MEG相比MEC的热稳定性提高了19.71%.以上结果表明MEG和β-CD形成了包合物，MEC中β-CD的腔体对MEG具有保护作用，使MEG的稳定性提高.

图3 β-CD、MEG、MIXT和MEC的 La2O3(12) TG和DTG曲线图

2.5 加香评吸结果分析

如表1所示，在最初加香时，MEG、MIXT和MEC加香后均提高了香气质、香气量、浓度、杂气、刺激性和余味得分，说明在最初加香MEG、MIXT和MEC的效果一致，均能提高卷烟感官质量.随着时间的推移，空白卷烟的感官质量变化不大，MEG、MIXT和MEC处理香气质、香气量、浓度、杂气、刺激性和余味得分均呈下降趋势，说明加香物质加香效果会随着时间的推移而减弱.MEG和MIXT处理各指标得分随加香时间推移下降趋势较MEC处理快，MEG和MIXT处理各指标得分随着加香时间的推移下降趋势及程度基本一致，香气质、香气量、浓度、杂气得分均在60 d比30 d时减少较多分别减少了0.3、0.4、0.4、0.2和0.3、0.4、0.3、0.2，而MEC加香后只分别减少了0.1、0.1、0.1、0.1，说明在60 d时MEC加香效果开始明显优于MEG和MIXT.在加香90 d时， MEC处理与MEG处理相比香气质、香气量、浓度、杂气、刺激性和余味得分分别提高了6.45%、8.06%、9.84%、3.27%、1.59%和3.33%，MEC处理与MIXT处理相比香气质、香气量、浓度、杂气、刺激性和余味得分分别提高了4.76%、8.06%、8.06%、5.00%、3.23%和1.64%.

综上可知，MEG加香能提高卷烟部分感官质量指标得分，但随着加香时间的推移加香效果逐渐减弱，在加香后60 d后加香效果减弱明显，而MEC能够提高MEG的稳定性，使MEG随着加香时间的推移加香效果减弱较慢.

表1 MEG、MIXT和MEC单料烟加香后的 感官质量评价

3 结论

为提高巨豆三烯酮的稳定性及其卷烟加香效果，以β-环糊精为包埋材料，采用饱和水溶液法对巨豆三烯酮进行包合，对包合物的形成进行表征，并分析包合物的稳定性，然后将其应用于卷烟产品进行感官质量评价，得结论如下：

(1)饱和水溶液法可以制备巨豆三烯酮-β-环糊精包合物，提高巨豆三烯酮的稳定性.升温速率为10 ℃/min，温度升至262.58 ℃时，与MEG相比，MEC的热稳定性提高了71.37%；温度升至500 ℃时，MEC的热稳定性比MEG提高了19.71%.

(2)随着加香时间的推移到90 d，MEC香气质、香气量、浓度、杂气、刺激性和余味均高于未包合的MEG和MIXT.合成的MEC有效的提高了巨豆三烯酮的稳定性，从而在卷烟加香起到缓释效果，为巨豆三烯酮在卷烟加香应用提供了新的途径.

(3)以β-环糊精为包埋材料，其生产成本低，安全性可靠，饱和水溶液法包合巨豆三烯酮制备条件简单，易于工业化生产，能够有效弥补巨豆三烯酮易聚合，难储存的缺点，加香应用效果明显.