羧甲基煙葉多糖的持水性及熱解產物研究

,,, , ,,*

(1.河南農業大學煙草學院,河南鄭州 450002；2.湖北中煙工業有限責任公司,湖北武漢 430030)

近年來,中國每年約有25%的煙葉因地理、種植等原因不能用于卷煙生產,由此造成的浪費極大污染了環境[1]。這些廢棄煙葉含有豐富的多糖、茄尼醇等,能夠被應用到食品、醫藥等領域[2-3]。其中,多糖作為一種天然高分子化合物,具備良好的持水保潤能力[4-5],其原理是多糖分子中有能夠和水分子結合形成氫鍵的羥基。因此,對多糖進行羧甲基化,即在多糖中引入能夠和水分子結合效果更好的羧基,可以更有效提高多糖的保潤效果[6]。

煙葉在生產、運輸過程保持適當含水率,對防止煙葉破碎、霉變起著重要作用,為了提高煙葉的物理性能,降低破絲率,工業上在煙葉制品中加入甘油、丙二醇等保潤劑,但這類保潤劑保濕效果并不理想,且在卷煙燃吸時會形成焦油、甲苯、苯酚等致癌物質[7]。因此,尋找高效且能夠改善卷煙品質的煙草保潤劑,成為行業發展的重要課題。目前,大多數研究都集中在天然多糖的保潤研究上[8-9],對羧甲基多糖的持水保潤及其熱裂解過程中揮發性、半揮發性成分對煙氣香味的影響卻鮮有報道。

基于以上現狀,本實驗以廢棄煙葉為原料,將提取的煙葉多糖進行羧甲基化,考察羧甲基煙葉多糖在煙絲上的持水保潤能力,為開發新型保潤劑,同時擴大廢棄煙葉的用途,減少資源浪費提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

廢棄煙葉、煙絲 國家煙草栽培生理生化基地提供;Sephadex G-100凝膠色譜柱、3500 Da透析袋 北京索萊寶科技有限公司;無水乙醇、氯乙酸、正丁醇、氯仿 均為分析純,天津市大茂化學試劑廠。

Nicolet iS50傅立葉變換紅外光譜儀 美國Thermo/Nicolet公司;CDS5250T熱裂解頂空進樣器 美國CDS公司;7890B-5977A氣相色譜質譜聯用儀 美國安捷倫科技公司;KBF240恒溫恒濕箱 香港路易企業有限公司;KQ5200DE數控超聲波清洗器 昆山市超聲儀器有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 煙葉粗多糖的提取 本實驗采取的是超聲輔助提取法[10]。稱取20 g煙末,加入700 mL蒸餾水,在超聲功率為400 W、溫度為60 ℃,超聲10 min,抽濾,濾液濃縮至150 mL,加入600 mL的無水乙醇,醇沉過夜。經8000 r/min離心10 min,取沉淀,得到煙葉粗多糖。

1.2.2 Sevage法脫蛋白 在25 ℃下,將煙團粗多糖用200 mL蒸餾水溶解,采用Sevage法(氯仿∶正丁醇=5∶1)脫蛋白[11],取上層溶液濃縮至50 mL,并用蒸餾水透析72 h,在濃縮液中加入150 mL無水乙醇,再次醇沉過夜,經8000 r/min離心10 min,得多糖沉淀。

1.2.3 煙葉多糖的純化 使用Sephadex G-100層析柱對煙葉粗多糖進行純化。將20 mg 1.2.2所得煙葉粗多糖溶于2 mL 0.1 mol/L的NaCl溶液,上樣后,用濃度為0.1 mol/L的NaCl進行洗脫,以流速為0.1 mL/min,5 mL/管的速度收集洗脫液,同時以苯酚-硫酸法[12]跟蹤檢測多糖。將洗脫液用蒸餾水透析72 h后,冷凍干燥,得到純化的煙葉多糖。

1.2.4 羧甲基煙葉多糖的制備 參考孫志濤等[13]的方法略有調整,稱取0.1 g純化煙葉多糖于50 mL燒瓶中,加入20 mL 80%乙醇,攪拌30 min;加入70 mL 2 mol/L的NaOH溶液,攪拌堿化1 h;加入8 mL 1.6 mol/L的氯乙酸,50 ℃下醚化反應3.8 h。冷卻至室溫,用0.5 mol/L的HCl調pH至中性。離心取沉淀,用80%乙醇洗至洗液里無Cl-(用AgNO3溶液測定)。溶液置于透析袋中透析2 d,用乙醇醇沉24 h,經8000 r/min離心10 min,取沉淀冷凍干燥,得到羧甲基煙葉多糖。

1.2.5 多糖紅外光譜分析 分別取1～2 mg的煙葉多糖和羧甲基煙葉多糖,用溴化鉀分別壓片,在4000～400 cm-1范圍內對壓片進行紅外掃描。

1.2.6 煙葉多糖對煙絲持水能力的影響

1.2.6.1 煙絲前處理 取適量空白煙絲置于溫度(22±1) ℃、相對濕度60%±2%的環境中平衡48 h。分別稱取一定量的煙葉多糖、羧甲基煙葉多糖和甘油溶于水,分別配成質量分數為5%的溶液,將這三種溶液分別均勻的噴灑到煙絲上,添加量均為煙絲質量的0.01%。將噴灑溶液的煙絲在溫度(22±1) ℃、相對濕度60%±2%的環境中平衡48 h,并將煙絲含水率烘至14.5%±0.5%,作為初始含水率。

1.2.6.2 持水能力測試 取平衡后的3種煙絲各兩份,其中一份放入低濕條件下,相對濕度為40%±2%、溫度為(22±1) ℃的恒溫恒濕干燥箱中,并以未添加任何溶液的煙絲放入同樣環境中作為空白對照;另一份放入高濕條件下,相對濕度為70%±2%、溫度為(22±1) ℃的恒溫恒濕干燥箱中,同樣以未添加任何溶液的煙絲放入相同環境中作為空白對照,參照烘箱法[14]測量含水率。每份樣品第一天分別在4、12、24 h稱量一次,此后每天稱量兩次,直至質量不再變化。每份樣品進行三次平行實驗取平均值,根據公式測量煙絲即時含水率。對比羧甲基煙葉多糖、煙葉多糖、甘油對煙絲的持水能力的影響。

式中:w:煙絲含水率(%);m0:測前煙絲質量(g);w0:煙絲初始含水率(%);m:煙絲即時重量(g)。

1.2.7 熱裂解 裂解氛圍為混合氣(9%氧氣和91%氮氣)。熱解溫度分別為300、600、900 ℃[15]。采用裂解器和GC-MS聯機在線方式對樣品的裂解產物進行測定。取專用石英管一根,裝填2 mg樣品,兩端塞入適量的石英棉,將樣品調整至裂解石英管中央位置。

裂解條件:初始溫度為40 ℃,保持5 s,然后以20 ℃/ms,將終溫分別升至300、600、900 ℃,保持15 s。裂解氛圍為氦氣。

GC-MS條件:色譜柱:DB-5 ms彈性石英毛細管色譜柱(30 m×250 μm×0.25 μm);升溫程序:40 ℃保持3 min,以10 ℃/min升至240 ℃,再以20 ℃/min升至280 ℃保持10 min;進樣口溫度:280 ℃;進樣量:1 μL;載氣:氦氣;傳輸線溫度:280 ℃;EI源電子能量:70 eV;電子倍增器電壓:1600 V;質量掃描范圍:33～550 amu;離子源溫度:230 ℃;四級桿溫度:150 ℃。

采用NIST14.L和WILEY數據庫檢索,以匹配度≥80%者定性,峰面積歸一化法定量。

1.2.8 數據處理 用Origin 8.5對實驗數據進行分析。

2 結果與分析

2.1 結構鑒定結果

圖1為煙葉多糖和羧甲基煙葉多糖的紅外光譜圖,其歸屬如下:3455 cm-1為-OH的伸縮振動吸收峰,1643 cm-1為C=O伸縮振動吸收峰,1375 cm-1為C-H鍵彎曲振動吸收峰,1120 cm-1為糖環上的C-O-C的特征骨架振動,這與郭振楚研究結果相同[16]。羧甲基煙葉多糖的紅外特征吸收峰:3440 cm-1為-OH的伸縮振動吸收峰,1120 cm-1處的吸收峰說明存在糖環C-O-C的特征骨架振動,1610 cm-1為C=O伸縮振動吸收峰,1410 cm-1為C-H吸收峰,1320 cm-1為-COOCH3的C-H變角振動吸收峰,這與韋毅銘的研究結果一致[17]。因此,該反應在沒改變煙葉多糖的結構下,引入了-CH2COO-基團,實現了煙葉多糖的羧甲基化修飾。

圖1 煙葉多糖和羧甲基煙葉多糖的紅外光譜圖Fig.1 FTIR spectra of tobacco polysaccharide and carboxymethyl tobacco leaf polysaccharide

2.2 羧甲基煙葉多糖持水性能分析

低濕條件下,添加羧甲基煙葉多糖、煙葉多糖和甘油的煙絲以及空白煙絲的含水率變化如圖2所示。由圖2可知,在0～18 h內,4組樣品煙絲的含水率均下降較快,18～32 h內,煙絲含水率下降速度變慢,32～72 h煙絲含水率變化較小。在低濕環境中,4份樣品煙絲含水率由大到小為羧甲基煙葉多糖>甘油>煙葉多糖>空白。說明在干燥的環境中,添加適量的羧甲基煙葉多糖能使煙絲具備較好的保水效果。其中,羧甲基煙葉多糖的保水性最好,其次是甘油,最后是煙葉多糖。這可能是因為羧甲基煙葉多糖含有的羥基數量遠大于甘油和煙葉多糖,這些羥基與水分子形成大量氫鍵,防止水分散失。同時,羧甲基比羥基具有更強的氫鍵作用[18],因此,羧甲基煙葉多糖的保水效果好于甘油和煙葉多糖。

圖2 四組樣品煙絲低濕條件含水率變化Fig.2 Change of moisture content of four groups of samples in low-humidity condition

高濕條件下,添加羧甲基煙葉多糖、煙葉多糖、甘油以及空白對照的煙絲含水率變化如圖3所示。由圖3可知,在0～18 h內,4組樣品煙絲的含水率均上升較快,18～32 h內,煙絲含水率上升速度變慢,32～72 h煙絲含水率變化較小。煙絲含水率由大到小為甘油>空白>煙葉多糖>羧甲基煙葉多糖。由此可知,甘油沒有防潮效果。添加煙葉多糖的煙絲含水率和空白對照相比,沒有明顯的差別,因此也沒有明顯的防潮效果,可能是由于甘油和煙葉多糖中的羥基為親水基團,容易吸收空氣中的水分子。羧甲基煙葉多糖的防潮能力較好,可能是因為羧甲基煙葉多糖中的羧基形成網狀結構,在煙絲表面形成一層薄膜,在高濕條件下,當水分子與多糖中的羧基結合達到一定狀態后,這層薄膜有效阻礙了環境中的水分子繼續進入煙絲[19]。

圖3 四組樣品煙絲高濕條件含水率變化Fig.3 Change of moisture content of four groups of samples in high-humidity condition

2.3 熱裂解產物分析

煙葉多糖和羧甲基煙葉多糖的裂解產物如表1和表2所示,由表可知,裂解產物主要有糠醛類、酮類、吡嗪類、呋喃類和吡啶類,其中糠醛類具有杏仁香;酮類具有奶油香、水果香;吡啶類具有香草、煙草氣味;吡嗪類具有烤香、堅果香;呋喃類物質具有甜香和焦糖香[20]。以上物質可以在卷煙燃吸時提高香氣,掩蓋雜氣,改善卷煙品質。

表1 不同溫度下煙葉多糖的熱裂解產物Table 1 Pyrolysis products of tobacco polysaccharide at different temperatures

續表

表2 不同溫度下羧甲基煙葉多糖的熱裂解產物 Table 2 Pyrolysis products of carboxymethyl tobacco leaf polysaccharides at different temperatures

表1為不同裂解溫度下煙葉多糖的熱裂解產物。由表1可知,在300 ℃時,裂解產物12種,其中糠醛類物質含量為67.37%,酮類物質含量為4.14%;在600 ℃時,裂解產物39種,糠醛類含量為21.82%,酮類的含量為15.85%,吡啶類、呋喃類的含量分別為1.58%、0.66%;在900 ℃時,裂解產物51種,其中糠醛含量為15.28%,酮類、吡嗪類、呋喃類和吡啶類的含量分別為18.90%、0.92%、2.00%和0.97%。此外,煙葉多糖在裂解過程中產生甲苯、苯酚、2,4-二甲基苯酚等致癌物質[21-22]隨著裂解溫度的升高含量升高。

表2為不同裂解溫度下羧甲基煙葉多糖的熱裂解產物。由表2可知,在300 ℃時,有9種裂解產物,其中糠醛類含量為75.39%,酮類含量為6.61%。600 ℃時,裂解物種類達到29種,與300 ℃相比,新增了20種化合物,糠醛類含量為44.35%,酮類含量為19.35%,呋喃類含量為0.8%。在900 ℃時,裂解產物為38種,其中糠醛類含量為27.52%,酮類、吡嗪類、呋喃類和吡啶類的含量分別為19.58%、1.15%、2.14%和1.11%。此外,2,4-二甲基苯酚未被檢測到,甲苯和苯酚含量均呈現不同程度下降。

由表1和表2可知,隨著溫度的升高,羧甲基煙葉多糖和煙葉多糖中糠醛類含量均下降,而酮類、吡啶類、呋喃類和吡嗪類含量則緩慢上升,可能高溫條件下,糠醛類物質會進一步裂解成小分子物質,這些小分子物質經過重排,形成了酮類及一些雜環物質。此外,在不同裂解溫度下,羧甲基煙葉多糖產物中糠醛類含量均顯著高于煙葉多糖,酮類、吡嗪類、呋喃類和吡啶類的含量微高于煙葉多糖。這可能是羧甲基煙葉多糖中的一些結構在高溫下可以更有效的分解、重排成致香物質,而不易轉化成有害物質,具體機理有待進一步分析。

3 結論

由煙絲含水率變化可知,羧甲基煙葉多糖的持水能力優于煙葉多糖和甘油。通過對煙葉多糖和羧甲基煙葉多糖在不同溫度下的裂解產物分析可知,煙葉多糖和羧甲基煙葉多糖均可以產生對煙氣有貢獻的香味物質,例如糠醛、5-羥甲基糠醛、2-甲基吡啶、2-甲氧基-3-甲基吡嗪等。其中,煙葉多糖的裂解產物有55種,除產生吡啶類、吡嗪類致香成分外,煙葉多糖還裂解出甲苯、二甲苯、苯酚等有害物質。羧甲基煙葉多糖的裂解產物有43種,在裂解過程中,苯酚、二甲苯等物質的產生被抑制,而能夠提高卷煙香氣、掩蓋雜氣的香味物質的含量顯著提高。羧甲基煙葉多糖的制備步驟簡單、安全,且羧甲基煙葉多糖具備較好的持水效果,裂解產物能夠改善卷煙煙氣,提高香氣,這對廢棄煙葉的開發利用具有實際意義。