多糖的保潤增香機制研究及其在卷煙中的應用

劉歡，楚桂林，任周營，羅海濤，邵燈寅，何力*

1. 南昌大學食品科學與技術國家重點實驗室（南昌 330047）；2. 江西中煙工業(yè)有限責任公司（南昌 330096）

為提高煙絲在加工生產過程中的耐磨性能、降低其因加工而造成的水分蒸發(fā)，煙廠往往會在煙絲中添加各類保潤性物質[1]，如甘油、丙二醇、山梨醇等羥基類化合物，以達到提升卷煙耐加工特性的目的[2]。但是這類傳統(tǒng)型物質屬于單向保潤劑，對煙草的保潤效果較差[3]，還會在高溫條件下產生致癌類物質[4]，對人體造成一定程度的危害。近年來的研究發(fā)現，多糖可以作為一類新型的保潤劑添加到卷煙中，既能起到保潤的效果[5]，又能在抽吸時達到增加香氣的目的[6]。

植物多糖是由大量單糖分子因糖苷鍵之間可以發(fā)生聚合反應而生成的生物類活性大分子，具有抗氧化[7]、抗腫瘤[8]、抗病毒[9]及降低血糖[10]等生物活性作用。將多糖噴灑至煙絲中，主要有2個方面的效果：一是保潤防潮；二是增加煙氣中的香味物質。其保潤機制：多糖內部結構中含有大量的多羥基官能團，極易與水分子發(fā)生緊密結合，形成穩(wěn)定的三維網狀結構，達到抑制水分散失的目的[11]。其加香機制：多糖在高溫條件下可以產生宜人的風味物質，如酚類物質、酯類物質和芳香族類化合物等，提高卷煙在燃吸時的果甜香、藥草香等氣味，可顯著改善卷煙的感官舒適度[12]。

通過用果膠、阿拉伯膠、刺槐豆膠、瓜爾豆膠和甲基纖維素噴灑的方式，研究5種多糖對卷煙的保濕防潮特性和感官增香的評價效果，并利用PY-GC/MS儀器對多糖高溫熱解的作用機制及降解產物進行鑒定分析，為多糖在煙絲中的應用機制提供理論支持和技術支撐。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

1.1.1 材料與試劑

丙二醇、果膠（從柑橘中提取，分子量546.38 kDa，酯化度75%）、阿拉伯膠（分子量260 kDa）、刺槐豆膠（分子量300 kDa）、瓜爾豆膠（分子量220 kDa）、甲基纖維素（分子量180 kDa，均購自北京索萊寶科技有限公司）；超純水；某牌號配方煙絲（江西中煙工業(yè)有限責任公司）；溴化鈉、碳酸鉀和碘化鉀（均購自上海阿拉丁生化科技股份有限公司）。

1.1.2 儀器與設備

90 mm培養(yǎng)皿（江蘇華歐玻璃有限公司）；精密型電子天平（廈門精藝興業(yè)科技有限公司）；鼓風干燥箱（上海一恒科學儀器有限公司）；棕色干燥皿；噴壺（泰州市高港區(qū)澳翔醫(yī)療器械廠）；掃描電鏡（SU8010，日本日立公司）；熱失重分析儀（STA6000，美國PE公司）；Pyroprobe 5000熱裂解儀（CDS Analytical，Oxford，PA）；HP6890/5973 GC/MS聯(lián)用儀（美國Agilent公司）。

1.2 試驗方法

1.2.1 樣品前處理

將果膠、阿拉伯膠、刺槐豆膠、瓜爾豆膠、甲基纖維素5種多糖樣品放置在以變色硅膠為干燥劑的干燥皿中，于40 ℃干燥至恒重，保存?zhèn)溆谩?/p>

稱取2.00±0.02 g的干燥煙絲過0.250 mm（60目）篩，過濾掉煙絲廢渣，將留存完整的煙絲置于22 ℃、60% RH的棕色干燥皿中均衡水分48 h，保存?zhèn)溆谩?/p>

1.2.2 多糖保潤性試驗測定

1.2.2.1 煙絲體系多糖保潤防潮性能的測定

分別稱取25 mg的果膠、阿拉伯膠、刺槐豆膠、瓜爾豆膠和甲基纖維素樣品，分別加5 mL超純水配制成0.5%水溶液，以丙二醇為對照，移取2.0 mL糖溶液噴灑在平衡水分后的煙絲上，放置于干燥皿中，保證空氣中的環(huán)境濕度為60%±5%，環(huán)境溫度22 ℃，平衡水分48 h。

將上述煙絲均分成2份，每份3組平行，分別置于有飽和碳酸鉀40%±5%和飽和碘化鉀70%±5%溶液放置的棕色干燥皿中，溫度22 ℃，每隔12 h稱重1次，記錄樣品的質量變化，測量其48 h內水分變化，采用烘箱法[13]，按式（1）計算其水分含量。

式中：W為水分含量，%；m0為稱量皿質量，g；m1為烘干前每隔12 h稱量皿與試樣的總質量，g；m2為烘干后稱量皿與試樣的總質量，g。

1.2.2.2 煙葉微結構掃描電鏡（SEM）分析

以噴灑濃度0.5%多糖溶液的煙絲為對象，平衡水分后將其切成小片段，使用導電膠帶將樣品固定在鏡臺上，并對樣品進行真空噴金（80 s）。用SEM對煙絲進行觀察拍照[14]。SEM的工作電壓為5.0 kV，每個煙絲樣品的放大倍數分別為300倍和1 500倍[15]，用于對比分析煙絲的表面微結構的區(qū)別。

1.2.3 多糖加香試驗測定

稱取50 mg多糖樣品，加10 mL超純水配制成0.5%多糖溶液，移取2 mL糖溶液噴灑在平衡水分后的煙絲上，放置于棕色干燥皿中，保證干燥皿中環(huán)境為60%±5% RH、22 ℃，均衡水分48 h，設空白煙絲為對照[16-17]。

將上述處理后的樣品模擬卷制成可以抽吸的卷煙，按照風格口味（甜、酸、苦和涼）、煙氣特征（香氣、豐富性、光滑/溫和/圓潤、煙氣濃度和勁頭）和香氣特征（晾曬煙煙香、烤煙香、烘烤香、木香、辛香、果甜香和清香等香氣）3個指標對卷煙進行感官評分測定。

感官測評人員共有7人，均為專業(yè)的評吸人員，評吸結果可靠性高。

1.2.4 多糖加香機制研究

1.2.4.1 多糖的熱失重分析

稱取5～10 mg的多糖樣品放入干燥的坩堝內，輕輕振動搖晃，使之均勻平鋪于坩堝內，用鑷子夾住將其放入熱失重分析儀器中，控制升溫速率15 ℃/min，室內溫度從30 ℃升至900 ℃，在充滿氮氣的環(huán)境中，檢測多糖質量損失隨溫度的升高而發(fā)生的變化[18]。

1.2.4.2 多糖的熱裂解試驗[19]

取1根配套石英管，充填0.25±0.05 mg的多糖粉末，并在管兩端塞入少量的石英纖維棉，將樣品位置調整放置在裂解石英管的中心位置，在氮氣氛圍下進行無氧高溫熱解試驗。

熱裂解條件：起始溫度55 ℃，熱裂解溫度300 ℃（揮發(fā)氣體化合物開始進入煙絲主流煙氣的溫度）、600 ℃（煙絲開始燃吸的溫度）和900 ℃（煙絲燃吸時的最高中心溫度），升溫速率10 ℃/ms，升到目標溫度后維持時間30 s。

GC條件：色譜柱HP-PONA石英毛細管柱（50.00 m×0.20 mm×0.50 μm）；進樣口溫度280 ℃；進樣量1 μL；分流比50∶1；載氣為氮氣；升溫程序，在40 ℃維持2 min，以升溫速率4 ℃/min升到220 ℃，保持5 min，以升溫速率10 ℃/min升到280 ℃，維持15 min；傳輸線溫度280 ℃。

MS條件：電離方式EI；電子能量70 eV；電子倍增器電壓1 600 V；質量掃描范圍50～550 amu；離子源溫度230 ℃；四極桿溫度150 ℃。

將裂解得到的產物與標準譜庫進行對比檢索，匹配度≥86%者對熱解產物進行定性。

1.3 數據處理

使用Excel 2019制表，使用Origin 2018和GraphPad Prism 8進行非線性擬合和繪圖。

2 結果與分析

2.1 多糖的保潤性研究

2.1.1 不同多糖的保潤防潮性能測定

圖1展示2組煙絲在解濕（圖1a保潤）和吸濕（圖1b防潮）過程中的水分隨時間的變化曲線。

圖1 不同種類多糖及丙二醇噴灑煙絲樣品在解濕（22 ℃、40%）和吸濕（22 ℃、70%）過程中的水分變化

圖1（a）顯示0.5%含量下不同多糖噴灑的煙絲樣品在40%濕度環(huán)境下的保潤特性。可以發(fā)現，0～24 h內，丙二醇及多糖的含水率均迅速降低，24～48 h內其含水率的降低速率趨于平緩，在48 h時，水分高低表現為瓜爾豆膠處理＞果膠處理＞刺槐豆膠處理＞甲基纖維素處理＞阿拉伯膠處理＞丙二醇處理。結果表明，多糖的保潤效果均比丙二醇的作用效果強，其中，瓜爾豆膠具有最佳的保潤效果，其次是果膠，最差是阿拉伯膠。

圖1（b）顯示0.5%含量下不同多糖噴灑的煙絲樣品在70%濕度環(huán)境下的防潮特性。可以發(fā)現，丙二醇和多糖處理的煙絲樣品其水分隨著時間的增加而不斷增長。0～24 h內，多糖的持水量均比丙二醇的高，36 h后，丙二醇處理的煙絲樣品其含水率上升速率均較5種多糖快，48 h時水分高低顯示為瓜爾豆膠處理＞阿拉伯膠處理＞丙二醇處理＞甲基纖維素處理＞刺槐豆膠處理＞果膠處理。刺槐豆膠、甲基纖維素和果膠其防潮效果較丙二醇強，瓜爾豆膠和阿拉伯膠較丙二醇差，其中，瓜爾豆膠的防潮效果最差，其次是阿拉伯膠，效果最優(yōu)的是果膠。

結果表明：瓜爾豆膠保潤效果較好，但是其防潮效果最差；阿拉伯膠保潤效果和防潮作用均較差；果膠、刺槐豆膠和甲基纖維素三種多糖保潤和防潮效果均表現出較好的作用。綜合來看，果膠的保潤防潮作用效果最優(yōu)，刺槐豆膠和甲基纖維素的作用效果差異不大，表明果膠、刺槐豆膠和甲基纖維素是可以作為一類雙向煙草保潤劑添加到卷煙煙絲中，這3種多糖不僅可以顯著提升煙絲在低濕度環(huán)境下的持水鎖水能力，還可以明顯降低煙草在高濕度環(huán)境下的吸水能力，具備較優(yōu)的保潤和防潮的雙重作用[20]。

2.1.2 不同多糖對煙葉表面微結構的影響

純煙絲與噴灑了丙二醇、果膠、甲基纖維素、刺槐豆膠的煙絲進行不同放大倍數的掃描電鏡試驗，結果如圖2所示。

圖2 噴灑多糖和丙二醇煙樣的微結構SEM圖

煙絲內部結構中含有一定數量的多孔體，其表面孔縫主要由2個腎形保衛(wèi)細胞環(huán)繞構成的氣孔及表面的腺毛和腺毛脫落構成的孔隙組成。煙絲的微結構和自身化學組分決定其具備一定的保潤特性[21]。將一定濃度的保潤劑添加到煙絲中，可使其內部的含水量顯著增加，微觀結構中的氣孔保衛(wèi)細胞也會有相當程度的脹大，導致內部氣孔變狹窄。因此，可以根據煙絲微觀結構中的氣孔大小，判斷多糖的保潤效果[22]。

圖2是以0.5%多糖含量為指標，噴灑不同多糖處理后的煙絲表面的電鏡圖像。可以發(fā)現：與純煙絲相比（圖2 a），噴灑丙二醇的煙絲（如圖2 b）內部孔道呈現纖維狀網絡結構，易吸附毛細管水，但因其孔徑較大，對水的束縛能力薄弱而導致其極易散失[23]；噴灑果膠的煙樣（圖2 c）其微觀結構褶皺頗深，氣孔數量減少，氣孔之間的距離也較小；添加傳統(tǒng)保潤劑（圖2 b）和其余2種新型保潤劑（圖2 d和e）的煙絲內部組織結構較為光滑。氣孔寬度和面積大小順序為果膠＜刺槐豆膠＜甲基纖維素＜丙二醇。試驗進一步證明，與傳統(tǒng)保潤劑相比，新型多糖類保潤劑對卷煙的保濕效果更強。

2.2 多糖加香試驗測定

將刺槐豆膠、果膠和甲基纖維素3種多糖噴灑在卷煙中，進行感官加香試驗的抽吸評價測定，結果如表1所示。可以看出，與空白卷煙評吸結果相比，噴灑0.5%刺槐豆膠和甲基纖維素，其煙氣特性評分均較低，如香氣特性、光滑感、溫和感及圓潤感等，而口味風格、香氣風格特征與空白煙絲無異，說明刺槐豆膠和甲基纖維素對煙絲感官舒適度的作用并不顯著，反而存在一定消極影響。但是噴灑果膠的煙絲，其香氣較濃，豐富性較好，細膩感/柔和感/圓潤感加強，煙氣濃度也較為舒適。此外，對于噴灑果膠的煙絲，評吸人員在抽吸過程中發(fā)現其具有較濃的烤煙煙香、甜香、果香和清香，對煙絲的感官作用具有較為顯著的改進效果。

表1 不同多糖對卷煙加香效果

綜合來看，刺槐豆膠和甲基纖維素的感官效果較空白差，而果膠的加香效果較空白優(yōu)，故選擇果膠為較優(yōu)的加香劑。

2.3 多糖加香機制研究

2.3.1 多糖的熱失重分析

圖3是果膠多糖的熱失重過程。可以看出，果膠的主要熱失重階段可以分成3個階段。第1階段是從室溫升至150 ℃，為果膠多糖內部含有的游離水和結合水蒸發(fā)的過程，失重峰較深，說明果膠內部含有的水分較多；在150～200 ℃，果膠質量穩(wěn)定不變，說明水分已經蒸發(fā)完全。第2階段是在200～370 ℃，為果膠多糖的主要熱失重過程，具體過程伴隨著多糖內部糖苷鍵的斷裂和熱裂解反應的發(fā)生，會產生大量的揮發(fā)性物質。第3階段為370～900 ℃，果膠多糖的質量恒定不變，為殘渣的炭化過程。分析結果可為熱裂解試驗的溫度區(qū)間范圍提供一定參考。

圖3 果膠的TG和DTG分析曲線

2.3.2 多糖的熱裂解產物分析

果膠在不同高溫下的熱解產物結果，其PY-GC/MS分離譜圖如圖4所示，熱裂解產物種類分析如圖5所示，各類裂解產物所占比例如圖6所示。

由圖4可知：在無氧條件下，300 ℃時果膠裂解成分中共鑒定出19種組分，主要為糠醛、5-羥甲基糠醛、D-檸檬烯、3-呋喃甲醇、2-甲基呋喃、2-糠醛甲酯、1, 2-環(huán)戊二酮、2（5H）-呋喃酮、2-環(huán)戊烯-1-酮、2, 2, 4-三甲基-1, 3-戊二醇二異丁酸酯、2-氨基-4-甲基-1-戊醇、4-環(huán)戊烯-1, 3-二酮和鄰苯二甲酸二丁酯等物質；600 ℃時果膠裂解成分中共鑒定出42種組分，與果膠在300 ℃時的裂解產物相比，主要增加了很多較低分子量化合物，如酮類物質、酚類物質和酸類物質等，還增加了一些雜環(huán)類化合物、苯及其同系物類物質；900 ℃時果膠裂解成分中共鑒定出50個組分，除酯類物質、酸類物質未鑒定出以外，均與300 ℃和600 ℃時裂解的產物種類類似，尤其是苯及其同系物類化合物，含量明顯增多，如甲苯、乙苯、鄰二甲苯、1-丙炔基苯、萘、2-甲基-萘和苊等物質，所占比例較高。可見隨著裂解溫度的上升，裂解產物的種類逐漸增多，這是因為一些裂解成分在較低溫度時難以揮發(fā)，而在高溫條件下才可以發(fā)生裂解的原因[24]。

圖4 300，600和900 ℃溫度下果膠的PY-GC/MS圖

從圖5果膠的裂解產物種類鑒定結果來看，其裂解產物主要可以分為四大類：一是烷烯烴、醇、醛酮、酯和酸類，如亞甲基環(huán)丁烷、1, 3-環(huán)戊二烯、3-呋喃甲醇、丁醛、2-環(huán)戊烯酮、2-糠酸甲酯和4-羥基-3-吡啶羧酸，這類物質在高溫環(huán)境中會產生非常宜人的果甜香氣味[25]，調節(jié)主流煙氣中的pH，減少對喉部的刺激感，提高感官舒適度[26]；二是酚類化合物，如苯酚、2-乙酰間苯二酚、3, 5-二甲基苯酚、2-乙基-4-甲基-苯酚等，這類物質在高溫條件下可以產生豐富的藥草香氣味，是煙絲和主流煙氣中非常常見的加香類物質[27]；三是雜環(huán)類化合物，如糠醛、吡啶、2-甲基吡啶和1-甲基-1-吡唑等，這類物質在卷煙中可以增強煙氣的烤煙香及焦糖香，特別是糠醛的存在對卷煙的加香效果和影響作用最大；四是苯及其同系物，如萘、2-甲基萘、苊、芴和菲等物質，這類物質在高溫環(huán)境中會非常快地轉變成穩(wěn)定性更強的稠環(huán)類和芳香族化合物[28]，如萘、苊和菲等，進而導致其對卷煙的加香效果更濃烈。

圖5 果膠在不同溫度下的熱裂解產物種類

圖6展現果膠在不同溫度下的高溫快速熱解后的產物占比。結果顯示：烷烴、苯及其同系物隨著溫度升高，其相對含量呈現增加的趨勢，分別從0.76%增加到7.64%，從3.92%增加到42.62%；醇、醛、酯和雜環(huán)類4種化合物的占比隨著溫度升高而逐漸下降，分別從4.31%減少到1.71%，從6.13%減少到0.68%，從6.52%減少到0，從28.73%減少到7.37%；酮、酸和酚類3種物質的產物占比隨著溫度增加呈現先增長后下降趨向，均在600 ℃時產物占比達到最高；烯烴類化合物卻隨著溫度逐漸增加到900 ℃，呈現先降后升的趨向。這些結果的出現，可能是因為在較低溫度環(huán)境中，果膠處于熱裂解初期，內部結構中發(fā)生一系列脫水和解聚等復雜的反應；且隨著溫度增加，果膠的熱解程度逐漸加深，導致多糖內部構造中的糖苷鍵和化學鍵均發(fā)生斷裂，經過系列脫羧、脫羥、脫羰、異構化和芳構化等反應[29]，產生大量上述裂解化合物。

圖6 在300，600和900 ℃溫度下裂解產物種類占比

3 結論

通過將5種多糖噴灑在煙絲上，結果表明多糖對卷煙的保潤防潮性效果呈現積極的作用，其中，5種多糖對煙絲的持水性能大小表現為果膠＞刺槐豆膠＞甲基纖維素＞瓜爾豆膠＞阿拉伯膠。多糖的加入能顯著減小煙絲的氣孔孔徑，即這是多糖能提高煙絲保潤防潮性能的原因。果膠、刺槐豆膠和甲基纖維素的加香感官評價結果表明，多糖的添加在評吸時可以起到增加果甜香、藥草香等香味的效果，其中作用效果最強的多糖是果膠。因此，對果膠在高溫下的熱裂解產物進行鑒定，并對其進行歸類研究，同時對裂解產物中的主要致香成分進行效果研究和分析，結果表明主要發(fā)揮致香作用的物質為烷烯烴類、酚類和雜環(huán)化合物等，可為多糖在卷煙中的應用提供堅實的理論依據。