羅昌榮 謝 焰 印黔黔

LUO Chang-rong1 XIE Yan2 YIN Qian-qian1

沈世豪2 黃 偉1 李炎強(qiáng)3 劉百戰(zhàn)2

SHEN Shi-hao2 HUANGWei1 LIYan-qiang3 LIU Bai-zhan2

（1.上海牡丹香精香料有限公司，上海 201200；2.上海煙草集團(tuán)有限責(zé)任公司，上海 200082；3.鄭州煙草研究院，河南 鄭州 450001）

(1.Shanghai Peony Flavor&Fragrance Co.,Ltd.,Shanghai201200,China;2.Shanghai Tobacco Group Co.,Ltd.,Shanghai200082,China;3.Zhengzhou Tobacco Research Institute,Zhengzhou,Henan 450001,China)

烤煙型卷煙或煙葉中最重要的組成成分是碳水化合物。碳水化合物的組成對(duì)卷煙香氣和卷煙風(fēng)格具有非常重要的影響，因此，研究卷煙產(chǎn)品中的碳水化合物在卷煙燃吸過程中的變化行為或機(jī)理具有非常重要的意義。但是，卷煙產(chǎn)品中的其它化學(xué)組分對(duì)碳水化合物的裂解產(chǎn)物種類、產(chǎn)物相對(duì)比例形成也具有一定的影響。這些化學(xué)組分包括蛋白質(zhì)、氨基酸、脂肪酸、無機(jī)酸、有機(jī)酸以及無機(jī)鹽等。因此，研究這些化學(xué)組分和碳水化合物的共同裂解尤其重要。由于煙葉的化學(xué)成分非常復(fù)雜，裂解時(shí)的化學(xué)反應(yīng)（降解、裂解合成）也非常復(fù)雜，其中的反應(yīng)機(jī)理和反應(yīng)規(guī)律難于探索。用簡(jiǎn)單體系對(duì)復(fù)雜體系進(jìn)行模擬，研究裂解過程中的產(chǎn)物形成和產(chǎn)物變化規(guī)律，對(duì)揭示復(fù)雜體系的反應(yīng)機(jī)理具有一定的幫助。

木聚糖是煙葉半纖維素或煙草薄片用木漿（闊葉木和針葉木木漿）的主要組成成分，其主鏈由D-木糖基相互連接成均聚物線性分子。聚木糖類半纖維素是以1，4-B-D-吡喃木糖為主鏈，以4-氧甲基-吡喃型葡萄糖醛酸為支鏈的多糖。脯氨酸是烤煙型煙葉中含量最高的游離氨基酸，而且其與葡萄糖、果糖形成的1-L-脯氨酸-1-脫氧-D-果糖產(chǎn)物 (一種A－madori化合物)的含量可以達(dá)到2%～3.5%，本試驗(yàn)采用木糖與脯氨酸的混合體系，利用二者不同的組成比例，研究二者共同裂解形成的揮發(fā)性化合物形成規(guī)律，對(duì)揭示卷煙煙氣形成具有一定的借鑒作用。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

D（+）-木糖：超純級(jí)，Acros Organics；

L-脯氨酸：純度 99%，Sigma-Aldrich Corporation；

石英棉：農(nóng)殘級(jí)，CDSAnalytical，LLC.。

1.2 設(shè)備與儀器

熱裂解儀：CDS2000型，美國(guó)CDSAnalytical公司；

氣相色譜—質(zhì)譜聯(lián)用儀：Agilent 6890/5973型，美國(guó)Agilent公司；

分析天平：XP603S型，瑞士Mettler Toledo公司；

程序升溫進(jìn)樣器：CIS4型，美國(guó)Gerstel公司；

控制器：C506型，美國(guó)Gerstel公司。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 樣品配制 準(zhǔn)確稱取1 g木糖，用5mL水溶解后，然后轉(zhuǎn)移到10 mL容量瓶中，用水定容至10 mL。所得木糖溶液濃度為100mg/mL。

稱取0.2 g的脯氨酸，用5 mL水溶解后，然后轉(zhuǎn)移到10mL容量瓶中，用水定容至10mL。所得脯氨酸溶液濃度為20mg/mL。

1.3.2 裂解方法和氣相色譜以及質(zhì)譜條件 參照文獻(xiàn)[1]。

1.3.3 裂解產(chǎn)物定性和分析 熱裂解產(chǎn)物采用RTE積分方式，峰面積大于最大峰峰面積0.5%的予以積分，并應(yīng)用質(zhì)譜譜庫進(jìn)行檢索定性。產(chǎn)物含量采用峰面積歸一化進(jìn)行計(jì)算，以2次平行測(cè)定的平均值為測(cè)定結(jié)果，具體參見文獻(xiàn)[1]。

2 結(jié)果與討論

2.1 木糖單獨(dú)裂解時(shí)形成的揮發(fā)性裂解產(chǎn)物

圖1 木糖裂解時(shí)形成的揮發(fā)性裂解產(chǎn)物總離子流圖Figure 1 Total ion chromatogram of volatile pyrolysates of xylose

表1 木糖裂解時(shí)形成的主要揮發(fā)性化合物Table1 Themain volatile compounds formed in the pyrolysis process of xylose

由圖1和表1可知，木糖裂解時(shí)所產(chǎn)生的主要裂解產(chǎn)物包括呋喃類[糠醛、5-甲基糠醛、2-糠醇、3-糠醇、3-甲基-2（5H）呋喃酮、2-乙酰基呋喃、2（5H）呋喃酮、5-甲基-2（5H）呋喃酮、3-羥基-2（5H）呋喃酮、二氫-4-羥基-2（3H）呋喃酮]、吡喃類（2H-吡喃-2-酮、5,6-二氫-2H-吡喃-2-酮,2,3-二氫-3,5-二羥基-6-甲基-4H-吡喃-4-酮）、環(huán)戊烷類（2-環(huán)戊烯-1,4-二酮、4-環(huán)戊烯-1,3-二酮、環(huán)戊酮、(S)-4-甲基-1-環(huán)戊烯甲醛、2-環(huán)戊-1-烯醇、2-羥基-3-甲基-2-環(huán)戊烯-1-酮、3-甲基-1,2-環(huán)戊二酮）、環(huán)己烷類、無水糖類以及脂肪酸類及其酯類。

木糖裂解形成的主要產(chǎn)物是糠醛，占揮發(fā)性化合物的45%，這與葡萄糖、果糖等己糖和蔗糖裂解的情況不同[2]，這3種糖裂解時(shí)形成的揮發(fā)性產(chǎn)物中糠醛的含量分別為18.4%，35.4%，27.5%。葡萄糖和果糖的主要裂解產(chǎn)物是5-羥甲基糠醛，具體裂解路線見圖2，二者裂解時(shí)所形成的5-羥甲基糠醛的量分別是28.9%和38.4%，蔗糖裂解形成的主要產(chǎn)物也是5-羥甲基糠醛，其形成量為37.4%，而木糖裂解產(chǎn)物中5-羥甲基糠醛的含量非常低，僅為1%左右。同時(shí)，木糖和葡萄糖以及果糖的裂解產(chǎn)物的不同，可以說明戊糖和己糖的裂解機(jī)理存在較大的不同。戊糖裂解時(shí)容易形成糠醛，不易形成5-羥甲基糠醛，己糖和蔗糖裂解更容易形成5-羥甲基糠醛，其次是糠醛。

圖2 葡萄糖和果糖單獨(dú)熱裂解以及它們和脯氨酸共裂解形成5-羥甲基糠醛示意圖Figure 2 Proposed HMF formationmechansim when glucose and fructose were pyrolyzed alone respectively or co-pyrolyzed with proline

由圖3可知，木糖在單獨(dú)裂解時(shí)，可以直接脫去3分子水生成糠醛，這是一條比較簡(jiǎn)單和直接的途徑，而且形成糠醛的得率非常高，這一點(diǎn)在工業(yè)中經(jīng)常被利用。許多學(xué)者[3-7]也研究了利用木糖或木聚糖來制備糠醛。

由表1還可以得知，在裂解過程中大約有8.6%的木糖沒有裂解，另外，其在裂解過程中發(fā)生了脫水，形成了一些脫水產(chǎn)物，這些脫水產(chǎn)物不能用質(zhì)譜得到很好的結(jié)構(gòu)鑒定。這和葡萄糖、果糖以及蔗糖裂解的情況比較類似，葡萄糖、果糖以及蔗糖在裂解時(shí)經(jīng)脫水形成了左旋葡聚糖，其形成量分別是20.1%，1.0%，8.5%，左旋葡聚糖是糖裂解不完全的產(chǎn)物，這說明在高溫裂解情況下，葡萄糖的穩(wěn)定性最高，果糖最差，蔗糖的穩(wěn)定性介于二者之間。這與糖裂解時(shí)所產(chǎn)生的揮發(fā)性化合物總峰面積的結(jié)果非常一致，在裂解時(shí)，果糖裂解所產(chǎn)生的揮發(fā)性化合物總峰面積最大（說明果糖易裂解），其次為蔗糖，葡萄糖最?。ㄆ咸烟亲罘€(wěn)定）。這也從另一個(gè)角度說明，煙葉在裂解時(shí)，木糖和果糖的反應(yīng)活性最好，它有利于發(fā)生次級(jí)反應(yīng)，它裂解形成的產(chǎn)物可能會(huì)與煙葉中其它化學(xué)成分裂解形成的產(chǎn)物發(fā)生裂解合成等次級(jí)反應(yīng)，形成其它新的化合物，葡萄糖的反應(yīng)活性要比果糖差，而蔗糖的反應(yīng)活性居中。木糖屬于戊糖，它裂解過程中不能形成己糖，所以在它的裂解產(chǎn)物中檢測(cè)不到左旋葡聚糖的存在，但是在它的裂解產(chǎn)物中大約有8.6%的沒有裂解的木糖存在，同時(shí)也有部分木糖的脫水產(chǎn)物存在。

圖3 木糖單獨(dú)熱裂解以及它和脯氨酸共裂解形成2-糠醛示意圖Figure 3 Proposed furfural formationmechansim when xylose was pyrolyzed alone or co-pyrolyzed with proline

在木糖裂解產(chǎn)物中，也檢測(cè)到苯酚的存在，其含量大約為0.43%。這與葡萄糖、果糖以及蔗糖裂解的情況基本一樣，葡萄糖、果糖和蔗糖在裂解過程中都形成了苯酚，其含量分別為0.65%，0.36%，0.50%。另外，在木糖裂解過程中未能檢測(cè)到苯、甲苯、乙基苯、苯乙烯以及萘等稠環(huán)芳烴的存在。

2.2 脯氨酸單獨(dú)裂解時(shí)所產(chǎn)生的揮發(fā)性裂解產(chǎn)物

在高溫作用下，煙葉中的蛋白質(zhì)和氨基酸會(huì)與碳水化合物進(jìn)行反應(yīng)，形成許多重要的揮發(fā)性化合物。脯氨酸是烤煙型煙葉中一種非常重要的氨基酸，其與葡萄糖形成的A－madori產(chǎn)物占烤煙型煙葉干重的2%～4%。游離的脯氨酸在烤煙型煙葉中含量也非常高。

由圖4和表2可知，脯氨酸裂解時(shí)，其主要產(chǎn)物是Cyclo(L-prolyl-L-prolyl)，一個(gè)由兩個(gè)脯氨酸形成的哌嗪二酮，占揮發(fā)性裂解產(chǎn)物的88.61%。這與文獻(xiàn)[8]報(bào)道的結(jié)果相一致，它們認(rèn)為氨基酸在裂解過程中形成的主要產(chǎn)物為哌嗪二酮，混合氨基酸裂解形成的產(chǎn)物為兩個(gè)氨基酸相復(fù)合的哌嗪二酮，單一氨基酸裂解的產(chǎn)物為兩分子氨基酸自身形成的哌嗪二酮。

圖4 脯氨酸裂解產(chǎn)物的總離子流圖Figure 4 Total ion chromatography of pyrolysates of proline

表2 脯氨酸裂解形成的主要裂解產(chǎn)物Table2 Themain pyrolysates of proline

2.3 木糖/脯氨酸混合物共裂解

木糖/脯氨酸共裂解產(chǎn)物的總離子流圖見圖5。揮發(fā)性化合物總峰面積見表3。

與木糖單獨(dú)裂解相比較，木糖和脯氨酸共裂解時(shí)形成的糠醛的絕對(duì)含量和相對(duì)含量都迅速下降，單獨(dú)裂解時(shí)糠醛的峰面積為12 175 032，而共裂解時(shí)糠醛的峰面積為1 742 729（木糖/脯氨酸為10∶1時(shí)），相對(duì)含量也從45%下降到13.8%。而當(dāng)木糖/脯氨酸為5∶1時(shí)，其裂解產(chǎn)物中糠醛的相對(duì)含量為5.3%。糠醛是裂解過程中的中間產(chǎn)物，氨基酸的存在會(huì)迅速降低裂解產(chǎn)物中糠醛的含量，在木糖明顯過剩的體系中也是如此。這也說明當(dāng)木糖和氨基酸混合體系進(jìn)行共裂解時(shí)，木糖降解的路線與其單獨(dú)裂解時(shí)是不一樣的，其是先和氨基酸反應(yīng)形成Amadori產(chǎn)物，然后經(jīng)1,2-烯醇化路線，最后降解形成糠醛，具體糠醛形成途徑見圖3，這條降解路徑形成糠醛的含量與木糖直接降解形成的糠醛含量相比較就要低許多。這條降解途徑可以從熱力學(xué)角度進(jìn)行解釋，木糖單獨(dú)降解時(shí)，其活化能較高，需要更多的熱量才能形成糠醛，但是，當(dāng)木糖和脯氨酸進(jìn)行共裂解時(shí)，較木糖單獨(dú)進(jìn)行熱裂解時(shí)，由于氨基酸的存在，木糖與脯氨酸混合后反應(yīng)活化能要比其單獨(dú)降解時(shí)的活化能有了很大程度的降低。因此，當(dāng)有氨基酸存在時(shí)，木糖的降解路線與其單獨(dú)降解時(shí)的路線不一樣，其會(huì)經(jīng)Amadori產(chǎn)物降解路線形成糠醛，而不是直接裂解形成糠醛后，再與脯氨酸進(jìn)行反應(yīng)。在木糖含量明顯過剩的體系中也是如此，因?yàn)樵诮?jīng)Maillard反應(yīng)形成糠醛的路徑中，脯氨酸其實(shí)只是起到一個(gè)催化劑的作用，降低了反應(yīng)的活化能，其本身并沒有被消耗，脯氨酸只是與木糖裂解經(jīng)2,3-烯醇化產(chǎn)生的小分子碎片進(jìn)行次級(jí)反應(yīng)或與裂解產(chǎn)生的糠醛反應(yīng)而被消耗。對(duì)于5-羥甲基糠醛，共裂解產(chǎn)物中的含量非常低，相對(duì)含量分別為 0.15%（5∶1）和 0.32%（10∶1），而木糖單獨(dú)裂解時(shí)其相對(duì)含量為1%左右。

圖5 木糖/脯氨酸共裂解產(chǎn)物的總離子流圖Figure 5 Total ion chromatography of co-pyrolysates of xylose/proline

表3 揮發(fā)性化合物總峰面積Table3 The total peak area of volatiles formed in the pyrolysis process

從表1、表4和前面的討論可以知道，木糖在裂解時(shí)，其未能得到充分的裂解，產(chǎn)物中大約有8.6%的木糖沒有裂解，同時(shí)也有部分木糖的脫水產(chǎn)物存在。但是，在與脯氨酸共裂解時(shí)，木糖的降解產(chǎn)物中已經(jīng)檢測(cè)不到木糖的存在，原來一些木糖降解形成的脫水糖類產(chǎn)物的絕對(duì)含量和相對(duì)含量都有了明顯的下降，這可能有兩方面的原因：①可能是因?yàn)槟咎呛透彼峤Y(jié)合形成了大分子物質(zhì)，這些物質(zhì)未能完全降解而仍然殘留在裂解管內(nèi)（碳化）；② 可能是因?yàn)楦彼岬拇嬖?，催化加速二者的結(jié)合，降低了反應(yīng)的活化能，加快了木糖的轉(zhuǎn)化進(jìn)程。但是，結(jié)合表3來看，由于共裂解時(shí)所產(chǎn)生的揮發(fā)性化合物總峰面積要遠(yuǎn)小于木糖單獨(dú)裂解時(shí)所形成的由此可以推斷，木糖和脯氨酸結(jié)合形成大分子物質(zhì)未能得到充分裂解，在裂解過程中它們被碳化。

表4 木糖與脯氨酸共裂解形成的揮發(fā)性產(chǎn)物Table4 Themain pyrolysates of the co-pyrolysis of xylose/prolinemixtures

另外，共裂解時(shí)，裂解形成的苯酚含量也比單獨(dú)裂解時(shí)形成的苯酚含量有明顯下降，共裂解形成的苯酚含量約為單獨(dú)裂解時(shí)的33%左右（木糖/脯氨酸200μg/20μg時(shí)）。而前面也剛討論到共裂解時(shí)所產(chǎn)生的糠醛含量約為單獨(dú)裂解時(shí)的14%左右。因此，在烤煙型卷煙產(chǎn)品中，盡管存在高含量的糖類成分，但由于氨基酸的存在，降低了糖類單獨(dú)降解時(shí)會(huì)形成的苯酚和糠醛含量，因此，在卷煙煙氣中苯酚和糠醛的含量其實(shí)并不高，要遠(yuǎn)低于糖類單獨(dú)裂解所形成的糠醛和苯酚形成量。卷煙產(chǎn)品中，氨基酸的存在，會(huì)改變糖的降解途徑，影響糖的降解產(chǎn)物形成，從而改變卷煙的香型和風(fēng)格。

3 結(jié)束語

(1)木糖單獨(dú)裂解的主要產(chǎn)物為糠醛，糠醛占裂解形成的揮發(fā)性化合物的45%，而葡萄糖、果糖和蔗糖裂解時(shí)所形成的主要產(chǎn)物5-羥甲基糠醛（分別為28.9%，38.4%，37.4%）和糠醛（18.4%，35.4%，27.5%）。脯氨酸裂解時(shí)，其主要產(chǎn)物是哌嗪二酮，占揮發(fā)性裂解產(chǎn)物的88.61%。

(2)對(duì)木糖、葡萄糖、果糖和蔗糖裂解裂解形成糠醛以及5-羥甲基糠醛的路徑進(jìn)行了推測(cè)，木糖單獨(dú)裂解時(shí)是通過脫去3分子水直接變成糠醛。

(3)對(duì)5∶1和10∶1的木糖和脯氨酸混合物進(jìn)行了共裂解，木糖和脯氨酸之間的比例對(duì)揮發(fā)性產(chǎn)物的形成比例具有明顯的影響。

(4)脯氨酸的存在改變了木糖形成糠醛的路徑，木糖主要經(jīng)形成Amadori產(chǎn)物降解路線形成糠醛，脯氨酸在木糖降解路徑中開始只是起到催化劑的作用，然后脯氨酸才與木糖裂解形成的碎片反應(yīng)而開始被消耗。

(5)木糖和氨基酸共裂解形成的揮發(fā)性產(chǎn)物的含量要低于木糖單獨(dú)裂解時(shí)所形成的揮發(fā)性產(chǎn)物含量，說明木糖與脯氨酸結(jié)合形成了大分子物質(zhì)，而這些大分子物質(zhì)在裂解過程中主要是被碳化。

(6)共裂解形成的苯酚含量也比單獨(dú)裂解時(shí)形成的苯酚含量有明顯下降，共裂解形成的苯酚含量約為單獨(dú)裂解時(shí)的33%左右。

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