糯米香净油的制备及其热裂解产物

徐秀娟，薛 云，胡 军，白家峰，马 骥，孙建生，杨春强*，吴 彦*

1. 中国烟草总公司郑州烟草研究院，郑州高新技术产业开发区枫杨街2 号 450001

2. 广西中烟工业有限责任公司技术中心，南宁市北湖南路28 号 530001

糯米香（Strobilanthes tonkinensis Lindau）是爵床科马蓝属多年生草本植物，鲜叶香味不浓，但经过晾晒、杀青和揉捻等工艺后，会散发出一股浓郁的糯米清香。傣族人民常将其作为茶叶冲泡饮用，具有清凉解毒的作用；也可用于提取香精，用作茶叶和糕点等的配料，以增加糯米香气［1］。

糯米香具有独特浓郁的米香和烘焙香气，是卷烟加香的优质资源。目前，关于糯米香的研究主要集中在挥发性成分分析、提取物的制备及生物活性等方面［2-3］。张彦军等［4］、HE 等［5］采用顶空固相微萃取技术结合GC-MS、GC-O 等方法明确了糯米香的关键呈香成分。但目前的研究多停留在提取工艺的优化和提取物的化学组成层面，关于糯米香的特征香气成分及其热裂解产物的研究还未见报道。基于此，本研究中开展了糯米香净油的制备及挥发性成分的分析工作，探讨了蒸馏温度对糯米香净油化学组成的影响，同时在不同温度条件下对糯米香净油进行热裂解研究，明确制备工艺和热裂解温度对热裂解产物的影响，以期为糯米香净油在不同烟草制品中的合理使用提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 材料、试剂和仪器

糯米香叶（干叶，含水率8.86%；产地：广西）。

乙酸苯乙酯、无水乙醇［色谱纯，阿拉丁试剂（中国）有限责任公司］；液氮（河南源正科技发展有限公司）；食用乙醇（AR，新乡酒精厂）；尼龙66滤膜（0.22 μm，天津津腾公司）。

CP224S 型电子天平（感量0.000 1 g，德国Sartorius公司）；YB2500-A型多功能粉碎机（永康市速锋工贸有限公司）；R-210旋转蒸发仪（瑞士Büchi公司）；DLSB-5/20 低温冷却循环泵（郑州长城仪器有限公司）；HC-24L超临界提取设备（南阳汇萃植物制品有限公司）；KDL5分子蒸馏仪（德国UIC公司）；HYC-610 低温冰箱（青岛海尔特种仪器有限公司）；8890-5977B 气相色谱-质谱联用仪（美国Agilent 公司）；EGA/PY-3030D 热裂解仪（日本Frontier Lab 公司）。

1.2 方法

1.2.1 糯米香净油的制备

（1）超临界萃取法：将干燥的糯米香叶置于多功能粉碎机中粉碎，过孔径0.425 mm（40目）分样筛后得到糯米香粉末。称取1.0 kg 糯米香粉末置于5 L萃取釜中，密闭萃取釜后设置超临界萃取参数：萃取压力为40 MPa，萃取温度为40 ℃，以95%乙醇为夹带剂，用量为原料质量的5%。CO2流量为12 L/h；分离釜Ⅰ压力为8 MPa，分离温度为40 ℃；分离釜Ⅱ压力为4 MPa，分离温度为45 ℃；提取时间为2 h。提取结束后，打开分离釜出料口，收集萃取液。将萃取液转移至-20 ℃冰箱中冷冻过夜，离心后除去沉淀，将上清液在0.03 MPa、浴温40 ℃下浓缩至无溶剂，得到1#糯米香净油样品，得率9.0%。

（2）分子蒸馏法：①称取198.37 g 糯米香净油1#样品，在蒸馏温度40 ℃、压力0.1 Pa、进料速度1.5 mL/min 和搅拌速率120 r/min 条件下，分别收集轻、重组分；②将收集到的重组分进行二级蒸馏，蒸馏温度为60 ℃；③将重新收集到的重组分进行三级蒸馏，蒸馏温度为80 ℃；④将再次收集到的重组分进行四级蒸馏，蒸馏温度为100 ℃；⑤将第四次收集到的重组分进行五级蒸馏，蒸馏温度为120 ℃。经上述逐级蒸馏后，得到的5 个轻组分即为2#～6#糯米香净油样品：2#（40 ℃，0.38 g）、3#（40～60 ℃，2.81 g）、4#（60～80 ℃，12.18 g）、5#（80～100 ℃，30.49 g）和6#（100～120 ℃，20.38 g）。

1.2.2 糯米香净油成分分析

分别称取100.00 mg糯米香净油样品，用5 mL乙醇溶解稀释，向稀释溶液中加入10 μL 10.00 mg/mL的乙酸苯乙酯作为内标溶液，进行GC-MS分析。分析条件：

色谱柱：DB-WAXetr 毛细管柱（60 m×250 μm×0.25 μm）；进样口温度：250 ℃；载气：高纯氦气，流速1.0 mL/min；进样量：1 μL；分流比：5∶1；程序升温：（10 min）。电离源：EI 源；电离电压70 eV；离子源温度：230 ℃；四极杆温度：150 ℃；电子倍增器电压：1.89 kV；质量扫描范围：33～550 aum；溶剂延迟：7 min。

1.2.3 定性定量方法

利用NIST19谱库对挥发性成分进行检索，以匹配度大于85%为标准对未知化合物进行鉴定；对于鉴定出的成分，采用“单一内标校正法”进行定量。

1.2.4 糯米香净油的热裂解分析

称取50.00 mg 样品，用乙醇配制成50.00 mg/L的溶液。分别取1µL 该溶液置于热裂解仪中，分别在300、600、900 ℃下进行快速热裂解，裂解产物由载气He 直接导入GC-MS 进行分析，分析条件同1.2.2节。经NIST19标准谱库检索定性，峰面积归一化法计算热裂解产物的相对百分含量。

2 结果与讨论

2.1 糯米香净油成分分析

为探寻糯米香净油的关键致香成分，降低不利成分的含量，采用分子蒸馏法在40～120 ℃的温度范围内进行逐级蒸馏，得到5种物理形态差异较大的净油，结果见表1。随着蒸馏温度的升高，净油的得率先增加后降低，当蒸馏温度为100 ℃时，得率最高（16.66%），低温状态下净油得率极低（40 ℃，0.19%）。同时净油的黏度随蒸馏温度的升高而变大，80 ℃以下均为可流动液体，100 ℃以上时则为黏稠浸膏。

表1 糯米香净油样品的信息Tab.1 Information of absolute oils of Strobilanthes tonkinensis Lindau

对1#～6#糯米香净油样品进行GC-MS 分析，结果见表2。共鉴定出140种化合物，其中包括烷烃类4种，烯烃类14种，酸类25种，醇类21种，酯类19种，杂环类28种，酮类14种，酚类5种、醛类4种和其他6种。随着蒸馏温度的升高，糯米香净油的化学组成和质量分数均有较大变化，3#和4#净油样品中鉴定出的化合物最多，分别为105和104种；6#净油样品中最少，仅65种。随着蒸馏温度的升高，各净油样品中挥发性成分的总质量分数总体呈先升高后降低的趋势，其中，5#净油样品最高（296.90 mg/g），其次为4#净油样品（259.59 mg/g），2#净油样品最低（116.98 mg/g）。这说明糯米香净油挥发性成分主要集中在100 ℃以下的馏分中，尤其是80～100 ℃的范围内。从挥发性成分的质量分数上看，亚油酸、十六酸和油酸虽香气极弱，但仍是净油的主要成分，在1#净油样品中所占比例分别为36.48%、13.12%和16.19%，这与文献报道的结果一致［1-2］；且随着蒸馏温度的升高，亚油酸、油酸和十六酸等的质量分数显著增加，40 ℃时，2#净油样品中亚油酸和十六酸的质量分数为0.55和1.83 mg/g，分别为1#净油样品的0.01和0.08倍，同时该温度下油酸未检出；当蒸馏温度升高至80 ℃时，4#净油样品中亚油酸、油酸和十六酸的质量分数远高于1#净油样品，其中，十六酸的质量分数是1#净油样品中的2.4倍；当蒸馏温度为100 ℃时，3种有机酸在挥发性成分总量中的所占比例已高达68.94%。可见，蒸馏温度低时，馏分中被检出的主要是低沸点的烷烃和烯烃，以及分子量较小的酸类、醇类、酯类和杂环化合物等成分；当蒸馏温度升高时，长链脂肪酸等大分子化合物的质量分数增大。

表2 糯米香净油的GC-MS分析结果Tab.2 GC-MS analysis results of absolute oils of Strobilanthes tonkinensis Lindau

1#～6#净油样品中各类成分的组成见表3，从总体上看，烯烃类、酸类、醇类、酯类和杂环类化合物的质量分数较高，且不同蒸馏温度下，不同类化合物的总量均有一定差异，差异最大的为烯烃类，其次为酸类和杂环类化合物。烯烃中贡献最高的是角鲨烯，如5#净油样品中角鲨烯占烯烃总量的98.35%；有机酸中贡献最高的是亚油酸、油酸和十六酸，三者占酸类总量的91.58%（5#净油样品）。这些大分子化合物均在蒸馏温度为100 ℃时迅速增加，40 ℃时烯烃类和酸类成分的质量分数仅为0.81 和27.11 mg/g。杂环类化合物质量分数最高的为2#净油样品（40.44 mg/g），最低的为1#净油样品（7.72 mg/g）。

表3 糯米香净油中各类成分组成Tab.3 Composition of different aroma components in absolute oils of Strobilanthes tonkinensis Lindau（mg·g-1）

酸类成分的质量分数随蒸馏温度升高先升高再降低，在100 ℃时达到最高。由表2 可知，丁酸、己酸、庚酸、反式-2-己烯酸、苯甲酸、苯乙酸等小分子有机酸多在80 ℃以下被蒸出，其中，甲酸和乙酸等具有酸香，丁酸、戊酸、异戊酸、4-甲基戊酸、庚酸和反式-3-己烯酸具有干酪香，反式-2-己烯酸具有似菠萝、山楂、草莓和奶酪的持久油脂气息，己酸和辛酸具有脂肪气息，苯乙酸具有蜂蜜样甜香。100 ℃时长链有机酸的质量分数显著增加，在卷烟中多会增加蜡味。由此可见，调节蒸馏温度会影响精油中有机酸的组成，在较低的温度下可富集具有酸香、干酪香及甜香的成分［6］。

醇类化合物中质量分数较高的为芳樟醇、苯乙醇和植醇，芳樟醇和苯乙醇均在40 ℃馏分中最高（6.86 和5.30 mg/g）；分子量较大的植醇，在80 ℃时质量分数显著增加（13.95 mg/g）。芳樟醇、苯乙醇和植醇在水中的嗅觉阈值分别为0.01、0.479 和0.64 mg/kg［7-8］，虽然植醇的质量分数高于其他两种化合物，但其嗅觉阈值偏高，因此，对香气的贡献度低于芳樟醇，例如，在1#净油样品中，苯乙醇、芳樟醇和植醇的香气活力值（OAV）分别为466.99、192 941.18和8 203.50。由此可见，三者均对糯米香净油的香气特征具有较大贡献，且芳樟醇的贡献度更高，其香气为青香带甜，并带有花香的木青气。此外，醇类化合物中还含有香叶基香叶醇、1-辛烯-3-醇、反-1-甲基-4-（1-甲基乙烯基）环己-2-烯-1-醇、反式-橙花叔醇和对羟基苯乙醇等成分，能够提供甜香、青香、果香和花香等特征香气［6，9］。

酮类化合物中α-紫罗兰酮、β-紫罗兰酮和植酮的质量分数相对较高，当蒸馏温度为40 ℃时富集效果最好，例如，2#净油样品中α-紫罗兰酮的质量分数为3.48 mg/g，是分离前的18.32 倍，随蒸馏温度的升高，其质量分数逐渐降低，当蒸馏温度为120 ℃时，降低至0.16 mg/g。由此可见，通过调节蒸馏温度，可定向实现部分特征成分的有效富集。

文献报道吡啶类杂环化合物是糯米香挥发性成分的重要组成部分，如2-丙酰基-3,4,5,6-四氢吡啶、2-丙酰基-1,4,5,6-四氢吡啶、哌啶-2-甲酸乙酯、2-乙酰基-3,4,5,6-四氢吡啶和丙酰基吡啶等［4］。本研究中也鉴定出了多种吡啶和哌啶类化合物，如6-丙基-2,3,4,5-四氢吡啶、2-丙酰基吡啶、2-乙酰基-1,4,5,6-四氢吡啶、哌啶-2-甲酸乙酯、1-甲基-2-哌啶甲酸乙酯、2-哌啶酮、1-乙酰基-2-哌啶甲酸乙酯和1-甲基-2-哌啶甲醇等。2-乙酰基-1,4,5,6-四氢吡啶具有烘烤香和甜香，尽管在净油中的质量分数极低（0.02～0.24 mg/g），但其阈值较低（0.001 6）［8］，其OAV为12.5～150.0，对香韵的贡献较大。此外，仅在4#净油样品中检测到了2,6-二乙基吡嗪，说明该化合物在未分离样品1#中的质量分数较低，仅在80 ℃蒸馏富集后出现，其阈值为0.006［8］，尽管质量分数只有1.72 mg/g，但其OAV 高达286.67，对糯米香净油的特征香气有重要贡献。从质量分数上看，2#与4#净油样品中杂环类化合物的质量分数相近（40.44 和34.73 mg/g），但其组成差异略大，2#净油样品中质量分数较高的为麦芽酚、2-哌啶酮和哌啶-2-甲酸乙酯，4#净油样品中质量分数较高的为哌啶-2-甲酸乙酯和1,2-二甲基-5-氧代-2-吡咯烷甲酸甲酯，同时含有OAV 贡献较大的2,6-二乙基吡嗪。化学组成的差异可能会导致两者感官作用的不同。

此外，与文献［2］相似，烯烃类化合物中质量分数最高的为角鲨烯。未分子蒸馏时，其质量分数为12.27 mg/g；蒸馏温度较低时，净油样品中几乎不含角鲨烯（2#，0.24 mg/g）；当蒸馏温度升高至100 ℃时，角鲨烯的质量分数最高（31.08 mg/g），占挥发性成分总质量分数的10.47%。随着蒸馏温度的升高，检测到的烯烃种类逐渐减少，当蒸馏温度为120 ℃时，仅鉴定出角鲨烯和β-石竹烯。烯烃类成分大多具有木香香气，如β-石竹烯、大根香叶烯、β-氧化石竹烯等；D-柠檬烯具有柑橘样青香。

上述研究结果表明，当蒸馏温度较低时，馏分中酮类、醇类和杂环类等致香成分的质量分数较高，蒸馏温度较高时，角鲨烯和大分子有机酸等化合物的质量分数显著升高。通过调节分子蒸馏的温度，可以改变糯米香净油的化学组成，从而改变其感官作用效果。

2.2 糯米香净油的热裂解产物分析

烟用香料在不同烟草制品（如传统卷烟、电子烟、加热不燃烧卷烟等）中在加热或燃烧等过程中会通过蒸馏、裂解和燃烧等复杂的反应途径生成多种成分，与原组分有较大差异，而风味的感知与裂解产物有较大关系。因此，为进一步探讨糯米香净油在不同烟草制品中的适用性，通过热裂解模拟卷烟燃吸的裂解条件，在300、600、900 ℃条件下，对6 种糯米香净油样品进行热裂解研究，裂解产物中共鉴定出154种化合物，其中醇类、酸类、酮类、氮杂环类、酯类、酚类、烯烃类、苯系物和其他的化合物数量分别为11、8、10、14、11、3、48、37 和12。随着裂解温度的升高，裂解产物中化合物的数量逐渐增多，当裂解温度为300 ℃时，裂解产物为21～36个；当温度升高至900 ℃时，裂解产物高达34～69个。表4列举了1#、2#和6#净油样品的裂解产物中相对百分含量高于1.00%的化合物信息，不同温度条件下裂解产物的化合物种类分布如图1 所示，300 ℃时，裂解产物以酸类化合物为主，所占比例高达84.02%（5#净油样品）；600 ℃时，裂解产物中最多的虽然仍为酸类化合物，但其所占比例下降，同时酯类化合物的比例上升，最高为15.78%（4#净油样品）；900 ℃时，酸类和酯类化合物的比例均大幅下降，烯烃类和苯系物的相对百分含量迅速增加，两者所占比例高达90.24%（5#净油样品）。从组成上看，2#净油样品的裂解产物与其他样品差异较大，以醇类和氮杂环类化合物为主，300 ℃时，两者的相对百分含量分别为21.53%和16.88%，而酸类化合物的相对百分含量仅为1#净油样品的0.047倍。此外，随着裂解温度的升高，2#净油样品裂解产物的组成变化较小，当裂解温度升高至600 ℃时，氮杂环类化合物的相对百分含量从16.88%降低至16.37%；当温度为900 ℃时，氮杂环类化合物的相对百分含量升高至22.79%，酚类化合物的相对百分含量几乎不变。

图1 糯米香净油样品在不同温度下热裂解产物种类对比Fig.1 Comparison of pyrolysis products of absolute oils of Strobilanthes tonkinensis Lindau at different temperatures

表4 1#、2#和6#糯米香净油样品的热裂解分析结果①Tab.4 Pyrolysis products of samples No. 1#, 2# and 6# of absolute oils of Strobilanthes tonkinensis Lindau（%）

醇类化合物中，芳樟醇、苯乙醇、2,4,4-三甲基-2-环己烯-1-醇、植醇和异植醇的含量及检出率较高，其中，芳樟醇、苯乙醇和植醇均是糯米香净油中原有的成分，植醇在6个净油样品中的质量分数从高到低依次为4#、6#、5#、1#、3#、2#，这与300 ℃时6种净油样品裂解产物中相对百分含量的变化规律相同；当温度升高至900 ℃时，裂解产物中均未检出植醇。植醇可裂解产生新植二烯、异植醇和植烯等多种成分，6#、1#和3#净油样品的300 ℃裂解产物中均检出异植醇，600 ℃时异植醇的相对百分含量开始降低，900 ℃时未检出；新植二烯的相对百分含量随裂解温度的升高先升高后降低，600 ℃时最高，而900 ℃时未检出。这可能与生成的新植二烯随温度的升高进一步裂解成其他成分有关［10］。芳樟醇的相对百分含量随裂解温度的升高而降低，这是因为低温状态下芳樟醇以原型转移为主，高温下部分裂解，可产生罗勒烯、月桂烯和香叶醇等成分，600 ℃的裂解产物中检出少量的罗勒烯（0.06%，1#净油样品）和月桂烯（0.54%，2#净油样品）［11］。

氮杂环化合物中检出了2-丙酰基-1,4,5,6-四氢吡啶、2-丙酰基-3,4,5,6-四氢吡啶和2-丙酰基吡啶等对糯米香风味贡献较大的成分，其相对百分含量随裂解温度的升高而降低，900 ℃的裂解产物中均未检出以上3种成分。在900 ℃的裂解产物中，检出了2-甲基吡啶、2-乙烯基吡啶、吲哚、喹啉和1-乙酰基哌啶-2-羧酸乙酯，其中，1-乙酰基哌啶-2-羧酸乙酯的相对百分含量为2.45%（2#净油样品），其他成分均低于1%，这些均不是糯米香净油的挥发性成分，仅出现在900 ℃的裂解产物中，可能与高温下蛋白质等的裂解有关［12］。糯米香净油的挥发性成分中，2-吡咯烷酮和2-哌啶酮的质量分数较高，且在2#净油样品中最高；同样，2#净油样品裂解产物中氮杂环类化合物的相对百分含量显著高于其他样品。氮杂环类化合物，如吡啶类及其衍生物、吲哚和喹啉等在卷烟中可增强烟草香和丰满度，对改善卷烟品质有较好作用［13］。

酸类化合物中含量较高的为棕榈酸、亚油酸和α-亚麻酸，三者相对百分含量占酸类成分总量的97.68%以上，且随着裂解温度的升高而降低，900 ℃时裂解程度大大增加，仅在部分样品中检出，且相对百分含量大大降低。酯类成分的分布及变化规律与酸类成分类似，含量较高的为棕榈酸、亚油酸和亚麻酸等长链脂肪酸的甲酯或乙酯，且900 ℃时在多数样品中均未检出。这表明长链脂肪酸及其酯类在高温状态下裂解程度较高，几乎全裂解产生其他小分子成分。

高温状态下烯烃和苯系物的检出数量和相对百分含量逐渐增加。300 ℃的裂解产物中，烯烃类主要为角鲨烯和新植二烯，个别样品中检出了反-2-己烯酸和反-3-己烯酸，其中角鲨烯的相对百分含量最高，这可能与糯米香净油中角鲨烯的质量分数较高有关，随着温度的升高，角鲨烯发生热裂解，其相对百分含量降低，900 ℃仅在6#净油样品的裂解产物中检出（1.23%），其余样品均未检出。600 ℃以下，只在个别样品中检出对二甲苯和1,1,6-三甲基-1,2-二氢萘；900 ℃时，苯系物的种类和相对百分含量大大增加，出现了萘、茚、菲和蒽等稠环芳烃及其衍生物，而2#净油样品裂解产物中仅检出6种苯系物，且相对百分含量最低（11.90%），这可能与该组分的蒸馏温度较低，且大分子化合物的含量相对较低有关。

由此可见，制备工艺、裂解温度均对糯米香净油的热裂解产物产生较大影响。当裂解温度低于600 ℃时，裂解产物以酸类和醇类化合物为主。当裂解温度为900 ℃时，苯系物和烯烃类的含量大大增加；长链脂肪酸及其酯类降解，酸类、酯类和醇类的相对百分含量均大大降低。2#净油样品的热裂解产物组成与其他样品差异较大，以醇类和氮杂环类化合物为主，同时烯烃类和苯系物的相对百分含量均较低，900 ℃裂解产物中氮杂环类化合物相对百分含量上升至22.79%。

3 结论

①糯米香净油中酸类、醇类、酯类和杂环类成分的质量分数较高，亚油酸、十六酸、油酸、植醇、角鲨烯、1,2-二甲基-5-氧代-2-吡咯烷甲酸甲酯、2-哌啶甲酸乙酯、麦芽酚和芳樟醇等是糯香叶净油的主要成分，2-乙酰基-1,4,5,6-四氢吡啶和2,6-二乙基吡嗪等氮杂环类化合物的质量分数较低，但对糯米香净油的风味贡献较大；②糯米香净油在300 ℃条件下的裂解产物以棕榈酸、亚油酸和亚麻酸等酸类化合物为主，相对百分含量高达84.02%；随着裂解温度的升高，裂解产物中酸类成分的相对百分含量逐渐降低至0，而苯系物和烯烃类的相对百分含量逐渐升高；③2#净油样品的热裂解产物组成与其他样品差异较大，900 ℃时，醇类、酮类和氮杂环类化合物的相对百分含量远高于其他样品，主要的裂解产物有芳樟醇、苯乙醇、2,4,4-三甲基-2-环己烯-1-醇、麦芽酚、紫罗兰酮、植酮和2-哌啶酮等。