在線熱裂解-氣相色譜-質(zhì)譜研究茄尼醇的熱裂解

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(1.河南農(nóng)業(yè)大學(xué) 煙草學(xué)院，河南 鄭州450002；2.河南農(nóng)業(yè)大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院,河南 鄭州 450002)

我國(guó)擁有著豐富的煙草資源，但是很多煙葉由于不能用于正常的卷煙生產(chǎn)而被歸為低次煙葉，從而被廢棄，造成了資源浪費(fèi)、環(huán)境污染等，從低次煙葉中提取茄尼醇，既能降低成本，又能節(jié)約資源[1]。茄尼醇是合成預(yù)防腫瘤、抗?jié)儭⒅委煿谛牟〉刃滦退幬锏闹匾?。茄尼醇所合成的輔酶Q10能夠保護(hù)人類器官，增強(qiáng)人體的非特異性免疫性能[2-4]，尤其是以純度高的茄尼醇為原料制備的輔酶Q10被許多發(fā)達(dá)國(guó)家生產(chǎn)和使用。由此，茄尼醇在醫(yī)藥、化工等領(lǐng)域[5-6]突出的作用使其成為當(dāng)前市場(chǎng)上炙手可熱的合成原料。但由于茄尼醇的結(jié)構(gòu)鏈長(zhǎng)，合成步驟難以控制，因此不易進(jìn)行人工合成。而目前茄尼醇主要從煙草中提取獲得。

熱裂解-氣相色譜-質(zhì)譜法分析技術(shù)可有效預(yù)測(cè)燃燒產(chǎn)物，目前已廣泛應(yīng)用于煙草研究[7-10]。本試驗(yàn)?zāi)７戮頍熑嘉臓顩r，在有氧條件下，探究茄尼醇在300、600、900℃下的熱裂解情況，并對(duì)裂解產(chǎn)物進(jìn)行分析，推測(cè)茄尼醇的裂解機(jī)理，為茄尼醇在資源回收方面提供一定的理論依據(jù)[11]。

1　材料和方法

1.1　儀器和材料

Nicolet IR200紅外吸收光譜儀(美國(guó)Thermo公司)；5000+質(zhì)譜系統(tǒng)(美國(guó)Agilent公司)；Agilent7890B/7593氣質(zhì)聯(lián)用儀(美國(guó)Agilent公司)；CDSPyrobe5250T熱裂解儀(美國(guó)CDS公司)； Waters2690高效液相色譜儀(美國(guó)Waters公司)；其他試劑和溶劑均為市售AR；低次煙葉由國(guó)家煙草栽培生理生化基地提供(河南平頂山)。

1.2　茄尼醇樣品的提取及鑒定

參照文獻(xiàn)[12]以閃式提取法提取茄尼醇，將得到茄尼醇浸膏再經(jīng)皂化、柱層析和重結(jié)晶處理純化得到茄尼醇樣品。采用溴化鉀壓片方法測(cè)定茄尼醇的紅外光譜。紅外光譜和文獻(xiàn)[13]的結(jié)果一致，證實(shí)為茄尼醇。

1.3　茄尼醇高效液相色譜檢測(cè)

色譜柱：Ultimate XB-C18(4.6×150mm)；流動(dòng)相：甲醇：乙醇(75: 25)；檢測(cè)波長(zhǎng)：213 nm[14]；柱溫：30 ℃；流速：1.0mL/min；進(jìn)樣量：10 μL。將測(cè)得的不同濃度下茄尼醇標(biāo)品的峰面積為縱坐標(biāo)、質(zhì)量濃度為橫坐標(biāo)繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線，得出標(biāo)準(zhǔn)曲線的回歸方程，再將茄尼醇樣品保留時(shí)間和峰面積代入，經(jīng)計(jì)算確定茄尼醇樣品純度為93.63%。文獻(xiàn)表明該化合物數(shù)據(jù)為高純度茄尼醇[15]。

1.4　熱裂解-氣相色譜-質(zhì)譜分析

1.4.1熱裂解采樣稱取1 mg茄尼醇樣品，裝入進(jìn)樣石英玻璃管中，再置于進(jìn)樣盤(pán)上，設(shè)置裂解爐壓力：1.03×106Pa，接口溫度：280 ℃，此后，再分別在300、600和900 ℃下進(jìn)行瞬間裂解，保持時(shí)間為15 s，裂解產(chǎn)物被氮氧混合氣體(體積比9: 1)導(dǎo)入氣相色譜-質(zhì)譜中進(jìn)行分離和鑒定。

1.4.2氣相色譜-質(zhì)譜條件色譜柱：HP-FFAP彈性石英毛細(xì)管柱(60 m×320 μm×0.5 μm)；進(jìn)樣口溫度為250 ℃；載氣為He(純度為99.999%)，流速為1.5 mL/min；升溫程序：40 ℃ 時(shí)保持3 min，以10 ℃/min升至240 ℃后保持10 min；20 ℃/min升至280 ℃后保持10 min；分流比為401。

質(zhì)譜條件：EI離子源，電子能量為70 eV；掃描范圍為29-550 m/z；傳輸線溫度為280 ℃；四極桿溫度為150 ℃，離子源溫度為200 ℃；溶劑延遲時(shí)間2 min。

2　結(jié)果與分析

2.1　茄尼醇樣品的熱裂解產(chǎn)物的定性與半定量分析

在典型的卷煙燃燒過(guò)程中，煙支中心溫度最高，在700～900 ℃，燃燒區(qū)的氣相溫度相對(duì)較低，400～700 ℃，靠近抽吸端的蒸餾區(qū)溫度一般不高于400 ℃[16]。因此，把熱裂解實(shí)驗(yàn)溫度設(shè)置為300、600、900 ℃三個(gè)溫度，以模擬人工抽煙的過(guò)程。利用GC-MS，對(duì)茄尼醇在300、600、900 ℃下的裂解產(chǎn)物進(jìn)行定性分析。通過(guò)保留時(shí)間和NIST質(zhì)譜數(shù)據(jù)庫(kù)檢索鑒定，并用峰面積歸一化法測(cè)定裂解產(chǎn)物的相對(duì)含量，結(jié)果如表1所示。

表1　茄尼醇在300、600、900 ℃下的熱裂解產(chǎn)物相對(duì)含量

續(xù)表1

續(xù)表1

-：表示在相應(yīng)溫度下未檢測(cè)到該成分。

2.2　茄尼醇樣品的裂解產(chǎn)物分析

在有氧條件下，茄尼醇在300 ℃時(shí)，有41種物質(zhì)裂解產(chǎn)生，占總揮發(fā)性成分的84.83%。在這些揮發(fā)性產(chǎn)物中金合歡醛的相對(duì)含量最高(12.13%)，其次是香葉基香葉醇(11.26%)和反式 - 2, 3 - 環(huán)氧癸烷(5.4%)；在600 ℃時(shí)，有25種物質(zhì)裂解產(chǎn)生，占總揮發(fā)性成分的93.19%，除了300 ℃條件下形成的7種外，新形成19種新物質(zhì)。熱裂解的揮發(fā)性產(chǎn)物中D - 檸檬烯的相對(duì)含量最高(23.86%)，其次是化合物2, 6, 10, 14, 18 - 五甲基 - 2, 6, 10, 14, 18 - 二十碳五烯(18.32%)和香葉基香葉醇(11.26%)，香葉基香葉醇的相對(duì)含量明顯下降，而角鯊烯的相對(duì)含量明顯上升；在900 ℃時(shí)，有34種物質(zhì)裂解產(chǎn)生，占總揮發(fā)性成分的88.88%，其中7種在600 ℃時(shí)也穩(wěn)定存在，14種是裂解新形成的，熱裂解的揮發(fā)性產(chǎn)物中D-檸檬烯的相對(duì)含量最高(14.85%)，其次是金合歡醛(7.05%)和香葉基香葉醇(6.02%)，角鯊烯、香葉基香葉醇和山崳醇在上述3個(gè)裂解溫度下均存在，900℃時(shí)，香葉基香葉醇的相對(duì)含量明顯上升，角鯊烯的相對(duì)含量明顯降低，可能是隨著溫度的上升這兩種轉(zhuǎn)變成其他物質(zhì)；山崳醇的相對(duì)含量隨著溫度的升高而增加。在這些熱解成分中有D-檸檬烯、3-羥基-2-丁酮、樟腦萜、甲酸香草酯、α-大馬酮、薰衣草醇、檸檬醛、香葉醇、紫羅蘭醇、法尼基丙酮、苯乙酸香葉酯、香葉基香葉醇和角鯊烯等是常用的香氣增香劑和保健產(chǎn)品主要成分[17]。其中D-檸檬烯有類似檸檬的香味，其抑菌效果顯著，除可以作為食品添加劑外，也可以投入到清洗劑研究開(kāi)發(fā)領(lǐng)域[18-19]；3-羥基-2-丁酮高度稀釋后有令人愉快的奶香氣；薰衣草醇帶有青草氣可作為日化香精使用；檸檬醛呈濃郁檸檬香味可用于食品中；香葉醇是可以廣泛使用的花香型香精；法尼基丙酮可作為花香精的定香劑；苯乙酸香葉酯具有蜂蜜和玫瑰似香氣，是允許使用的食用香料；甲酸香草酯、紫羅蘭醇和樟腦萜為GB2760-2014規(guī)定允許使用的食用香料；α-大馬酮是具有甜蜜香型的調(diào)香原料；另外相對(duì)含量較高的香葉基香葉醇本身具有廣泛的生理活性，是萜類、類胡蘿卜素等的生化合成前體；在三種裂解溫度下都存在的角鯊烯是多種保健品主要成分，具有提高體內(nèi)SOD活性、增強(qiáng)機(jī)體免疫力、抗腫瘤等多種生理功能[20]。因此，在模擬卷煙條件下研究茄尼醇的熱裂解行為，從裂解產(chǎn)物上分析，茄尼醇主要熱解揮發(fā)性成分可給卷煙帶來(lái)一定香味成分的烯烴類、醇類、醛酮類、酯類等。

2.3　茄尼醇的熱裂解機(jī)理

茄尼醇在不同溫度下裂解出D-檸檬烯、檸檬醛、香葉基香葉醇和角鯊烯等物質(zhì)，它們可能發(fā)生的裂解過(guò)程如圖2。具體分析如下：①茄尼醇受熱在c處斷裂分解，生成角鯊烯(52)，在a處分解斷裂，生成香葉基香葉醇(53)；②茄尼醇受熱在b處斷裂生成一個(gè)醇，在有氧條件下，發(fā)生氧化反應(yīng)，生成D-檸檬烯(20)；③茄尼醇受熱在d斷裂生成異戊二烯，并環(huán)化異構(gòu)化生成D-檸檬烯(8)。

圖2　茄尼醇的熱裂解機(jī)理

3　結(jié)果與討論

本實(shí)驗(yàn)采用高效液相色譜儀測(cè)量皂化、重結(jié)晶后茄尼醇樣品的純度，然后在模擬卷煙燃吸條件下，采用熱裂解-氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用分析法研究了茄尼醇的熱裂解產(chǎn)物。結(jié)果表明，其裂解的揮發(fā)性產(chǎn)物D-檸檬烯、3-羥基-2-丁酮、甲酸香草酯等香味物質(zhì)可以增加卷煙香氣，表明茄尼醇是香氣成分的前體物。

參考文獻(xiàn)：

[1]于華忠.廢次煙葉中茄尼醇的提取、分離技術(shù)研究[D].長(zhǎng)沙: 湖南農(nóng)業(yè)大學(xué), 2006.

[2]Chen B, Zhao J, Wang C.Chemical Researches, 1999, 10(1): 29-31.

[3]王虹玲,武婷茹,戰(zhàn)秀梅.輔酶Q10抗氧化性及應(yīng)用研究進(jìn)展[J].食品研究與開(kāi)發(fā),2015,36(19):188-190.

[4]萬(wàn)艷娟,吳軍林,吳清平.輔酶Q_(10)生理功能及應(yīng)用研究進(jìn)展[J].食品工業(yè)科技,2014,35(14):390-395.

[5]王非, 鄭珩, 余永柱, 等.高純度茄尼醇的現(xiàn)狀與市場(chǎng)前景[J].浙江化工, 2005, 36(7):2.

[6]陳愛(ài)國(guó),申國(guó)明,梁曉芳,等.茄尼醇的研究進(jìn)展與展望[J].中國(guó)煙草科學(xué),2007(06):44-48.

[7]郝菊芳,郭吉兆,謝復(fù)煒,等.不同裂解條件對(duì)天冬酰胺主要裂解產(chǎn)物的影響[J].分析測(cè)試學(xué)報(bào),2013,32(05):519-526.

[8]Stotesbury S J,Willougbby L J,Willougbby A C.Beitr.Tabakfotsch.Int .2000,19(2):55- 64．

[9]陳發(fā)元,付培培,趙銘欽,等.在線熱裂解/氣相色譜-質(zhì)譜分析3-吡啶甲酸茴香酯的熱裂解產(chǎn)物[J].分析測(cè)試學(xué)報(bào),2016,35(07):825-831.

[10]Wang S R,Liang T,Ru B,Guo X J.Chem.Res.Chin.Univ .2013,29(4):782-787.

[11]鄭奎玲, 余丹梅.廢棄煙葉的綜合利用現(xiàn)狀[J].重慶大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2004, 27(3): 61-64.

[12]陶陶,陳紅麗,姬小明,等.響應(yīng)面法優(yōu)化閃式提取廢棄煙葉中的茄尼醇[J].湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2016,42(05):484-488.

[13]尹國(guó)盛, 駱慧敏, 杜銀霄, 等.茄尼醇的紅外和拉曼光譜研究[J].河南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2003, 33 (1): 27-29.

[14]潘葳,劉文靜,翁伯琦,等.煙葉及提取物中茄尼醇的高效液相色譜標(biāo)準(zhǔn)化測(cè)定方法研究[J].中國(guó)煙草科學(xué),2013,34(04):60-66.

[15]杜陽(yáng)吉,王三永.粗煙膏中茄尼醇分離純化工藝改進(jìn)研究[J].中國(guó)食品添加劑,2012(01):168-172.

[16]Barbetta A, Dentini M, Leandri L.Reactive and Functional Polymers, 2009, 69(9): 724-736.

[17]郭靈燕,袁紅星,海洋,等.河南省不同香型煙葉香氣成分比較分析[J].河南農(nóng)業(yè)科學(xué),2010(06):40-44.

[18]王文淵,韓立路,張蕓蘭,等.橘皮檸檬烯的研究與應(yīng)用進(jìn)展[J].精細(xì)與專用化學(xué)品,2012,20(05):46-50.

[19]李巧巧,雷激,唐潔,等.柑橘精油的抑菌性及D-檸檬烯在面包的初步應(yīng)用研究[J].食品工業(yè),2012,33(01):21-23.

[20]劉純友,馬美湖,靳國(guó)鋒,等.角鯊烯及其生物活性研究進(jìn)展[J].中國(guó)食品學(xué)報(bào),2015,15(05):147-156.