不同植物多糖的提取及其在卷煙中的應用

羅海濤，劉思奎，邵燈寅，楚桂林，劉歡，任周營*

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

卷煙在生產加工及銷售過程中極易受外界環境的影響，尤其是濕度對卷煙的影響，高濕度環境會導致煙絲發霉，低濕度環境會致使卷煙自身失水過量，發生劣變[1-2]。如何提高卷煙品質是當前熱門話題。卷煙制造中加入小分子羥基有機化合物可以達到抑制水分損失的目的，從而改善卷煙的感官品質。但這類物質屬于單向保潤劑[3]，非但不能長期保潤，且會產生有毒有害物質。多糖分子中含有大量羥基，且單分子具有的羥基數量愈多，鎖水能力愈強[4]，這是因為分子纏繞成致密的網狀結構，達到抑制水分流失的作用[5]，同時熱裂解會產生宜人的香氣，改善卷煙在抽吸時的不良氣味[6]。

靈芝多糖、銀耳多糖、茶多糖、甘草多糖、葫蘆巴多糖、蓮子多糖和木耳多糖都屬于植物多糖，這些多糖均由10個及以上單糖分子聚合形成，具有抗氧化[7]、抗病毒[8]和降血脂[9]等作用。將多糖噴灑在煙絲上主要有兩方面的作用，即保潤防潮和增加香味物質[10]，同時不產生對人體有毒有害的物質。因此，植物多糖是值得研究和深入探索的天然型保潤劑。

選取7種植物原料，采用熱水浸提法提取多糖，并分析其理化性質和結構特性，同時將多糖噴灑在煙絲中，評定其保濕、防潮和增香效果，以揭示多糖在卷煙中的作用機制，對于多糖在卷煙研發中的應用提供參考，具有一定的前瞻性意義。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

1.1.1 材料與試劑

靈芝粉末（云南貝朗生物科技有限公司）；銀耳粉末；綠茶粉末；甘草粉末、葫蘆巴粉末、蓮子粉末（亳州市貴美康中藥材銷售有限公司）；黑木耳粉末（福貞堂參茸有限公司）。無水乙醇（西隴科學股份有限公司）；木瓜蛋白酶；超純水；某牌號配方煙絲（江西中煙有限責任公司）。

1.1.2 儀器與設備

圓底燒瓶；試管；具塞試管；冷凝管；量筒；燒杯；移液槍；攪拌子；10 mL離心管；棕色干燥皿。

電熱套（ZNHW，鄭州賽克斯玻璃儀器有限公司）；精密型電子天平（AL-104，上海梅特勒-托利多儀器公司）；離心機（LXJ-IIC，上海安亭科學儀器廠）；懸臂式攪拌器（IKA RW20 digital，廈門精藝興業科技有限公司）；磁力攪拌器（RH S025，德國IKA公司）；旋轉蒸發器（EYELA WB-1100，日本東京理化器械株式會社）；4 ℃冰箱（BC-980Y，浙江星星優品網絡科技有限公司）；冷凍干燥機（FreeZone-12，美國Labconco公司）；離子色譜儀（ICS500003030623，美國戴安公司）；傅里葉紅外光譜儀（Nicolet 5700型，美國熱電公司）；熱失重分析儀（STA6000，美國PE公司）；噴灑壺（泰州市高港區澳翔醫療器械廠）；90 mm培養皿（江蘇華歐玻璃有限公司）；搖擺式高速粉碎機（DFY-1000C，溫嶺市林大機械有限公司）；80目篩（約0.180 mm孔徑，長沙市思科儀器紗篩廠）；鼓風干燥箱（GZX-9420 MBE，上海博迅實業有限公司）。

1.2 試驗方法

1.2.1 多糖的提取

7種植物多糖均采用熱水浸提法[11-12]提取。稱取100 g樣品，加入一定量超純水，在高溫下進行冷凝回流提取，提取條件見表1。

表1 7種植物原料的提取條件

將7種植物提取液進行濃縮，調節為體積分數80%的乙醇環境，按5 000 r/min離心10 min，棄置上清液，溶解沉淀，加入15 mg/g的木瓜蛋白酶，于60 ℃水浴恒溫1 h，立即置于100 ℃水浴鍋中30 min，離心，將所得溶液進行冷凍干燥，得精制多糖。

1.2.2 單糖組成測定

混合標準溶液配制：單糖標準品主要有11種，分別為葡萄糖（glucose）、果糖（fructose）、阿拉伯糖（arabinose）、甘露糖（mannose）、木糖（xylose）、半乳糖（galactose）、鼠李糖（rhamnose）、巖藻糖（fucose）、核糖（ribose）、半乳糖醛酸（galacturonic acid）和葡萄糖醛酸（glucuronic acid）。分別精確稱取11種單糖標準品，各10 mg，均配成單糖濃度0.1 mg/mL的疊氮鈉（NaN3）溶液。稀釋成10.0，8.0，6.0，4.0，2.0，1.0和0.5 μg/mL的系列混合標準溶液，供離子色譜檢測。

樣品溶液配制：稱取5 mg多糖放入具塞試管中，在冰浴條件下加入0.5 mL 12 mol/L H2SO4（V濃H2SO4∶V水= 16.7∶8.7）。放入攪拌子，在冰浴條件下磁力攪拌0.5 h，使其完全溶解。溶解后在試管中加入2.5 mL屈臣氏水（旋轉試管加入），在105 ℃下油浴2 h（需提前打開油浴鍋）。將試管中多糖溶液倒入50 mL容量瓶中，多次潤洗定容（此時濃度為100 μg/mL）。取出1 mL在EP管中，加入4 mL屈臣氏水（此時質量濃度20 μg/mL）。過孔徑0.22 μm的水系濾膜，進離子色譜儀進行定性、定量分析。

通過比較樣品和標準品之間的保留時間來確定單糖的類型和含量。

1.2.3 傅里葉紅外光譜測定

取少量7種植物多糖樣品，用KBr作為背景，兩者混合均勻，充分研磨成細粉，壓成薄片，采用傅里葉紅外光譜儀，在4 000～400 cm-1波長范圍內進行紅外掃描、測定。

1.2.4 熱失重測定

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，用坩堝鉗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 ℃，在充滿氮氣的環境中，監測多糖質量損失隨溫度的升高而發生的變化[13]。

1.2.5 多糖的吸濕性和保濕性測定

1.2.5.1 樣品前處理

將7種植物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，保存備用。

稱取2.00±0.02 g的干燥煙絲，過0.250 mm（60目）孔徑篩，將留存完整的煙絲置于22 ℃、60%Hr的棕色干燥皿中均衡水分48 h，保存備用。

1.2.5.2 保潤防潮性能測定

稱取25 mg的7種植物多糖樣品，加5 mL超純水分別配制成0.5%的水溶液，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，放置在干燥皿中，保證空氣中的環境濕度60%±5%，環境溫度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%溶液的棕色干燥皿中，溫度為22 ℃，每隔12 h稱重1次，記錄樣品的質量變化，測定其48 h內水分變化，采用烘箱法[14]，按照式（1）計算其水分。

式中：W為水分，%；m0為稱量皿質量，g；m1為烘干前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。

1.2.6 多糖的增香性測定

稱取50 mg多糖樣品，加10 mL超純水配制成0.5%的多糖水溶液，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，保證干燥皿中相對濕度60%±5%、環境溫度22 ℃，均衡水分48 h，設空白煙絲為對照[15-16]。

將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，均為專業的評吸人員，評吸結果可靠性高。

2 結果與分析

2.1 單糖組成分析

多糖是由單糖聚合形成，單糖的組成對于多糖的性質具有很重要的研究意義。7種提取物的單糖組成如圖1和表2所示。結果顯示：7種植物多糖的單糖組成之間存在顯著差異，對于茶多糖，其主要單糖組分為L-鼠李糖、D-半乳糖、D-葡萄糖和葡萄糖醛酸，各成分占比分別為10.85%，8.45%，19.10%和12.45%。靈芝多糖的主要單糖組分為L-阿拉伯糖、D-半乳糖、D-葡萄糖、D-木糖和半乳糖醛酸，各成分占比分別為1.42%，3.48%，42.72%，1.13%和1.73%。銀耳多糖的主要單糖組成為巖藻糖、D-葡萄糖、D-甘露糖、D-木糖、葡萄糖醛酸和半乳糖醛酸，分別占比7.78%，5.22%，21.53%，7.08%，8.63%和10.92%。甘草多糖的主要單糖構成為L-阿拉伯糖、D-半乳糖、D-葡萄糖和葡萄糖醛酸，分別占比1.94%，1.44%，59.47%和2.02%。葫蘆巴多糖的單糖成分為D-半乳糖、D-甘露糖和葡萄糖醛酸，成分占比分別為28.99%，20.00%和1.06%。蓮子多糖的主要單糖組分為D-半乳糖、D-葡萄糖和半乳糖醛酸，分別占比1.81%，50.30%和3.03%。木耳多糖的主要單糖成分為巖藻糖、D-半乳糖、D-葡萄糖、D-甘露糖、D-木糖、葡萄糖醛酸和半乳糖醛酸，分別占比1.43%，2.52%，42.88%，2.55%，8.73%，2.08%和4.52%。

表2 7種植物多糖的單糖組成含量分布

圖1 7種植物多糖的單糖組成堆積圖

通過分析可以發現：茶多糖和銀耳多糖的糖醛酸含量占比較高，可以判斷兩者均是酸性多糖，而靈芝多糖、甘草多糖、葫蘆巴多糖、蓮子多糖和木耳多糖的糖醛酸含量比例較低，故判斷其是含有酸性糖的酸性雜多糖，且主要單糖組成成分之間存在顯著差異。

2.2 紅外光譜分析

干燥后的7種植物多糖的紅外光譜（400～4 000 cm-1）結果如圖2所示。蓮子多糖在3 326.6 cm-1和2 929.7 cm-1的吸收峰為糖類物質分子內或分子間O—H鍵，在1 046.4 cm-1處的吸收峰是羥基O—H的變角振動導致的。木耳多糖在3 381.3 cm-1處的吸收峰是—OH鍵（且可能是分子內締合的化學鍵）。甘草多糖在3 186 cm-1處出現強烈的吸收峰，是多糖類化合物中官能團的特征吸收峰，屬于O—H鍵之間的伸縮振動峰[17]。茶多糖在3 163.7 cm-1處的吸收峰是締合O—H的伸縮振動峰，在1 048 cm-1處的吸收峰，也是羥基（—OH）的特征吸收峰，表明多糖內部結構中含有一定數量的氫鍵（包括分子間氫鍵和分子內氫鍵）。靈芝多糖在3 355.5 cm-1處出現強烈的吸收峰，是O—H鍵的特征吸收峰，1 049.4 cm-1處出現的吸收峰屬于C—O—H伸縮振動峰。葫蘆巴多糖在3 418.4 cm-1處的吸收峰為多糖類—OH的伸縮振動峰，在1 074.5 cm-1和530.9 cm-1處的吸收峰則分別是由—OH的面內彎曲振動、—OH基團的面外彎曲振動的橫向振動引起的。銀耳多糖在3 420 cm-1處的吸收帶是來自糖類分子的O—H的可伸縮振動峰。

通過FTIR對7種多糖的內部結構中所含有的官能團進行定性檢測可以發現，7種植物多糖中均含有一定數量的羥基，羥基是決定多糖具有保潤特性的主要因素，羥基含量越多，往往所起到的保潤作用越強。

2.3 熱失重分析

圖3是7種植物多糖的TG曲線和DTG曲線分析圖。7種多糖的熱失重階段均為3個過程，其中最主要的失重過程為第2階段，即靈芝多糖200～390 ℃、茶多糖210～410 ℃、銀耳多糖250～370 ℃、甘草多糖150～410 ℃、葫蘆巴多糖250～390 ℃、蓮子多糖200～420 ℃、木耳多糖200～400 ℃，過程伴隨著糖苷鍵的斷裂，同時釋放大量揮發性增強香味的物質[17]。

圖3 7種植物多糖的TG（a）和DTG（b）曲線

2.4 多糖的保潤性分析

圖4（a）和（b）分別為純煙絲、噴灑多糖及丙二醇的煙絲在解濕和吸濕時的水分。

圖4（a）顯示，0.5%多糖添加量下不同保潤劑噴灑的煙絲樣品在較低濕度（40%）環境下的保濕效果。可以發現，0～24 h間，丙二醇及多糖的煙絲的含水率均迅速下降，24 h后其含水率的下降速率趨于平緩。在48 h時，7種噴灑多糖的煙絲水分最多的4種多糖為銀耳、木耳、葫蘆巴和甘草多糖，其保濕效果均高于對照組。

圖4（b）顯示，0.5%多糖添加量下不同保潤劑噴灑的煙絲樣品在較高濕度（70%）環境下的防潮效果。可以發現，0～24 h間，噴灑丙二醇及多糖的煙絲的含水率均迅速上升，隨后其含水率的上升速率趨于平緩。在48 h時，7種噴灑多糖的煙絲水分最少的4種多糖為葫蘆巴、銀耳、靈芝和木耳多糖，表明其防潮作用優于對照組。

結果表明，向煙絲中添加銀耳多糖和木耳多糖可以提高卷煙的保潤和防潮效果[19]。

2.5 多糖的增香性分析

將銀耳多糖和木耳多糖噴灑在卷煙中，進行感官加香試驗的抽吸評價，結果如表3所示。與空白卷煙評吸結果相比，噴灑銀耳多糖和木耳多糖的煙絲的感官評分較高，主要是因為這2種多糖豐富了卷煙的口味風格、煙氣特性和香氣風格特征。添加木耳多糖的煙絲，增加煙絲的甜味、烤煙煙香和烘焙香，降低卷煙的清香。而添加銀耳多糖的煙絲則具有更好的細膩感/柔和感/圓潤感，其他特性與空白無異。

表3 木耳多糖和銀耳多糖對卷煙的感官評價表

綜合來看，木耳多糖對煙絲的增香效果最好，故木耳多糖是最優的卷煙加香劑。

3 結論

結果表明，采用熱水浸提法提取的7種植物多糖，單糖組成中均包含D-葡萄糖和糖醛酸，且分子結構中含有一定數量的多羥基官能團，可以吸附水分達到對卷煙保濕防潮的效果。另外，熱失重結果表明，7種植物多糖的主要質量損失階段在200～410 ℃，說明將多糖添加至卷煙中進行燃吸時，燃燒溫度可以達到多糖裂解的溫度。感官評價結果也顯示，添加多糖的煙絲表現出豐富的甜味、烤煙煙香和烘焙香，尤其是木耳多糖的添加，對卷煙的作用效果更加明顯。因此，將植物多糖添加到卷煙中確實是一種值得研究和開發的課題。試驗結果可為多糖在卷煙中的實際應用提供重要參考價值。