羅昌榮，謝 焰，印黔黔，黃 偉，李炎強，劉百戰(zhàn)

1.上海牡丹香精香料有限公司，上海市孫橋路1067號 201200

2.上海煙草集團有限責任公司技術中心，上海市長陽路717號 200082

3.中國煙草總公司鄭州煙草研究院，鄭州高新技術產業(yè)開發(fā)區(qū)楓楊街2號 450001

卷煙中糖類物質的含量、組成及糖類物質之間的相對比例對卷煙感官品質具有非常重要的影響。因此，研究卷煙產品中糖類物質及其組成比例在卷煙燃吸過程中的行為變化具有重要意義。目前國內外已有研究大多是采用裂解的方法對各種類型的煙草樣品或煙葉組分進行裂解行為研究［1-6］，以模擬其在燃吸時的裂解行為和機理，但關于煙草組分之間的共裂解研究則鮮見報道。由于煙草是一個非常復雜的體系，一種組分的裂解行為可能會受到其他化學組分的影響，從而表現出與其單獨裂解時不一樣的裂解行為。煙葉中的糖類物質即是如此，在卷煙燃燒過程中，其裂解產物的種類、相對比例可能會受到卷煙產品中其他組分的影響，比如，卷煙產品中的蛋白質、氨基酸、有機酸等。氨基酸是煙葉中的重要組分之一，對卷煙香氣的形成和風格具有非常重要的影響。脯氨酸是烤煙型煙葉和卷煙中一種非常重要的氨基酸，約占游離氨基酸含量的40%左右，而且其與煙葉中的葡萄糖形成的1-脫氧-1-(L-脯氨酸基)-D-果糖，約占烤煙煙葉干重的1.5%～2.0%［7］。因此，對葡萄糖、果糖和蔗糖與脯氨酸的共裂解行為進行了研究，旨在考察其共裂解產物的變化規(guī)律，為煙氣成分的形成機理及其對卷煙感官品質的影響研究提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 材料、試劑和儀器

D-(+)-葡萄糖（99%）、D-(-)-果糖（98%，比利時Acros 公司）；D-(+)-蔗糖（99.9%，百靈威科技有限公司）；L-脯氨酸（99%，美國Sigma-Aldrich 公司）；石英棉（農殘級，美國CDS Analytical 公司）。

CDS2000 熱裂解儀（美國CDS Analytical 公司）；Agilent 6890-5973 氣相色譜-質譜聯用儀（GC/MS，美國Agilent 公司）；XP603S 電子分析天平（感量：0.00001 g，瑞士Mettler Toledo 公司）；CIS4 程序升溫進樣器及C506控制器（德國Gerstel 公司）；Milli-Q Advantage A10 超純水儀（美國Millipore 公司）。

1.2 方法

1.2.1 樣品配制

(1)葡萄糖、果糖和蔗糖溶液配制。準確稱取1 g 葡萄糖、果糖或蔗糖，分別用5 mL 超純水溶解后轉移至10 mL 容量瓶中，用超純水定容至10 mL，即得到濃度為100 mg/mL 的葡萄糖、果糖和蔗糖溶液。

(2)脯氨酸溶液配制。準確稱取0.1 g 的脯氨酸，用5 mL 超純水溶解后轉移至10 mL 容量瓶中，用超純水定容，即得到濃度為10 mg/mL 的脯氨酸溶液。

(3)葡萄糖、果糖、蔗糖與脯氨酸（5∶1或10∶1）共裂解溶液配制。準確稱取0.5 或1.0 g 的葡萄糖和0.1 g 的脯氨酸，用5 mL 超純水溶解后轉移至10 mL 容量瓶中，用超純水定容，即得到濃度為50 或100 mg/mL 葡萄糖+10 mg/mL 脯氨酸的溶液。采用上述的方法配制果糖/脯氨酸和蔗糖/脯氨酸的共裂解溶液。

(4)混合糖Ⅰ，Ⅱ與脯氨酸共裂解溶液的配制。首先分別準確稱取5 g葡萄糖、5 g果糖、1 或2g蔗糖放入研缽中，反復研磨，得混合糖Ⅰ（葡萄糖∶果糖∶蔗糖=5∶5∶1）和混合糖Ⅱ（葡萄糖∶果糖∶蔗糖=5∶5∶2）。然后分別稱取0.5或1 g混合糖Ⅰ（或混合糖Ⅱ）和0.1 g的脯氨酸，用5 mL 超純水溶解后轉移至10mL 容量瓶中，用超純水定容至10mL。所得溶液為50或100mg/mL 混合糖Ⅰ+10mg/mL 脯氨酸（或50或100mg/mL 混合糖Ⅱ+脯氨酸10mg/mL）。

1.2.2 樣品裂解［8］

進樣方式和進樣量：取裂解管，裝填石英棉，并壓實至2mm，固定于裂解管中央位置。在900℃下烘30 min后，冷卻備用。對樣品進行裂解時，使用10μL 進樣針取試樣2μL 置于裂解管中的石英棉上，然后用鑷子將裂解管放入裂解儀鉑絲圈上進行裂解。裂解和G C/MS條件分別為：

色譜柱：DB-5MS 彈性毛細管柱（30m×0.25 mm×0.25 μm）；載氣流量：1.0mL/min；分流比：100∶1；升溫程序：40℃；質譜傳輸線溫度：280℃；離子源溫度：230℃；四極桿溫度：150℃；電離方式：電子轟擊電離（EI）；電子能量：70eV；質量掃描范圍：29～450amu；溶劑延遲時間：5.4 min。

采用RTE 積分方式，對峰面積大于最大峰峰面積0.1%的熱裂解產物予以積分，并應用質譜譜庫進行檢索定性，采用峰面積歸一化法計算產物相對含量，以兩次平行測定的平均值為測定結果。

2 結果與討論

2.1 葡萄糖、果糖和蔗糖的單獨裂解產物

碳水化合物裂解過程中形成的產物有主要有3 類：一部分為可冷凝的化合物，一部分為不容易冷凝的氣體，剩下的為裂解形成的碳。葡萄糖、果糖和蔗糖單獨裂解時的主要揮發(fā)性化合物如表1 所示。由表1 可知，在模擬卷煙燃燒條件下，葡萄糖、果糖和蔗糖裂解形成的揮發(fā)性化合物的種類基本一致，但是揮發(fā)性化合物的生成量和各裂解產物之間的相對含量存在較大的差異。果糖裂解形成的總揮發(fā)性化合物量最大，蔗糖次之，葡萄糖最少。由此可以推斷，葡萄糖裂解形成的碳量可能會比較大，形成碳量最少的可能為果糖。Ponder等［9］通過對蔗糖和葡萄糖的真空裂解研究發(fā)現蔗糖裂解形成的焦油量要大于葡萄糖，與本研究的結果基本一致。

表1 葡萄糖、果糖和蔗糖單獨裂解形成的主要揮發(fā)性化合物①

葡萄糖、果糖和蔗糖在裂解時，主要裂解產物是5-羥甲基糠醛、糠醛、2,5-呋喃二甲醛、5-甲基糠醛以及一些脫水糖類物質。5-羥甲基糠醛是3 種糖裂解形成的最主要的裂解產物，其次為糠醛，這與Sanders［10］和Huyghues-Despointes［11］等的結論一致。果糖、蔗糖和葡萄糖3 種糖裂解形成的5-羥甲基糠醛分別占3 種糖裂解所形成揮發(fā)性化合物總量的38.39%，37.44% 和28.92%。與5-羥甲基糠醛相似，糠醛的形成也遵循同樣的規(guī)律，果糖裂解形成的糠醛量最大（35.47%），蔗糖次之（27.51%），而葡萄糖裂解產生的糠醛量最少（18.38%）。

葡萄糖、果糖和蔗糖在裂解過程中也形成了一些脫水糖類物質，比如左旋葡聚糖（Levoglucosan）和1,4:3,6-二脫水-α-D-吡喃葡萄糖。這些脫水糖類物質是在裂解過程中通過發(fā)生分子內部脫水反應而形成的。Nagodawithana 認為［12］，糖類裂解時，在相對較低的溫度下（200～250 ℃），首先會形成脫水糖類物質，然后這些脫水糖類物質在高溫下會進一步裂解形成各種揮發(fā)性化合物。由表1 可知，葡萄糖裂解時產生的左旋葡聚糖達到了20.08%，說明在實驗裂解條件下，葡萄糖裂解形成的脫水糖類物質未充分裂解，因此，未能產生更多的揮發(fā)性化合物，這與其裂解時形成的揮發(fā)性化合物產生量較少有直接的關系。果糖在裂解時形成的脫水糖類物質含量較低，說明果糖裂解產生的脫水糖類物質得到了較充分的進一步裂解，形成了較多的揮發(fā)性有機化合物，而蔗糖裂解形成的揮發(fā)性化合物的量介于二者之間。果糖裂解形成的左旋葡聚糖含量非常低，占其所產生的揮發(fā)性化合物的0.43%，而且其裂解形成的其他脫水糖類物質的量也非常少，比如，1,4:3,6-二脫水-α-D-吡喃葡萄糖只占揮發(fā)性化合物的0.49%，而1,6-脫水-β-D-呋喃葡萄糖則未能檢測到，這與Moldoveanu［13］的觀點一致。

2.2 脯氨酸的裂解產物［14］

脯氨酸單獨裂解形成的主要揮發(fā)性化合物如表2所示。從表2 中可以看出，脯氨酸裂解時，其主要產物是環(huán)(L-脯氨酸基-L-脯氨酸基)——由兩個脯氨酸形成的哌嗪二酮，占揮發(fā)性裂解產物的88.61%。這與文獻研究報道的結果相一致［15］，氨基酸在裂解過程中形成的主要產物為哌嗪二酮，混合氨基酸裂解形成的產物為兩個氨基酸相復合的哌嗪二酮，單一氨基酸裂解的產物為兩分子氨基酸自身形成的哌嗪二酮。

2.3 葡萄糖、果糖和蔗糖與脯氨酸的共裂解產物

為考察葡萄糖、果糖、蔗糖和脯氨酸分別混合后共裂解與單獨裂解時裂解行為的變化及混合比例對裂解產物的影響，將葡萄糖、果糖、蔗糖與脯氨酸分別以5∶1和10∶1 比例混合后進行共裂解，其裂解產生的主要揮發(fā)性化合物如表3 所示。由表3 可知，葡萄糖、果糖、蔗糖與脯氨酸共裂解時形成的揮發(fā)性化合物與它們單獨裂解時所形成的產物相比具有很大的變化。在共裂解時，脯氨酸單獨裂解時所產生的主要產物環(huán)（L-脯氨酸基-L-脯氨酸基）已經基本不存在，揮發(fā)性化合物的總生成量迅速增加，但是一些主要化合物的生成量則有了很大程度的下降，比如，5-羥甲基糠醛、糠醛和左旋葡聚糖。葡萄糖、果糖、蔗糖與脯氨酸在5∶1 和10∶1 兩種混合比例下共裂解時，5-羥甲基糠醛的生成量約為3種糖單獨裂解時所形成的5-羥甲基糠醛的3.4%，6.0%，20.3%和35.5%，30.0%，81.3%，分別占共裂解時所形成的揮發(fā)性 化合物總量的2.85%，10.73%，16.92% 和9.66%，17.01%，29.21%。

對于糠醛而言，與單獨裂解相比較，葡萄糖、果糖和蔗糖3 種糖與脯氨酸以5∶1 比例混合后共裂解所形成的糠醛量約為3 種糖單獨裂解時糠醛生成量的5.9%，2.0%和6.3%，而且糠醛占總揮發(fā)性化合物的比例也有明顯下降，分別從單獨裂解時的18.38%，35.47%和27.51%下降到共裂解時的3.17%，3.40%和3.88%。但是，當3 種糖分別與脯氨酸以10∶1 比例混合后共裂解時，糠醛的生成量有了較明顯的增加，約為3 種糖單獨裂解時糠醛生成量的29.9%，11.3%和22.5%。這與各種糖單獨裂解時的情況明顯不同，3 種糖在單獨裂解時，果糖裂解所形成的糠醛量最大，而共裂解時蔗糖/脯氨酸所產生的糠醛量最大。這說明在共裂解時，蔗糖比葡萄糖和果糖更有利于糠醛的形成或累積。此外，當葡萄糖、果糖、蔗糖與脯氨酸的混合比例為10∶1 時，共裂解時所形成的糠醛占總揮發(fā)性化合物的相對比例也明顯降低，分別從單獨裂解時的18.38%，35.47%和27.51%下降到共裂解時的5.22%，6.00%和5.96%。

從表1～表3 可以看出，與3 種糖的單獨裂解相比較，葡萄糖、果糖、蔗糖與脯氨酸共裂解會導致左旋葡聚糖生成量的下降，這可能是由于脯氨酸的存在導致了左旋葡聚糖的降解或反應，也有可能是由于在脯氨酸存在時，糖的裂解路徑發(fā)生了變化，而形成左旋葡聚糖的路徑不具有競爭力，從而導致其含量下降。葡萄糖、果糖和蔗糖單獨裂解時，左旋葡聚糖的相對含量分別為20.09%，0.98%和8.49%。與脯氨酸在5∶1 和10∶1 兩種混合比例下共裂解時，左旋葡聚糖的相對含量分別為0.60%，1.24%，1.64%和2.11%，1.31%，2.20%，約為3 種糖單獨裂解時所形成的左旋葡聚糖的1.0%，27.1%，8.7%和11.5%，90.6%，26.9%。

2,3-二 氫-3,5-二羥基-6-甲 基-4H-吡 喃-4-酮（DDMP）是一種具有很強甜感的香味物質，可以增加煙氣的甜感。由表1～表3 可知，與5-羥甲基糠醛、糠醛和左旋葡聚糖不同的是，3 種糖分別與脯氨酸共裂解時，DDMP 占總揮發(fā)性化合物的相對比例比單獨裂解時有明顯的增加，尤其是葡萄糖。3 種糖與脯氨酸在5∶1 和10∶1 兩種混合比例下共裂解時，生成的DDMP 占總揮發(fā)性化合物的比例分別為21.03%，4.24%，1.30%和9.21%，5.21%，1.73%，而在3 種糖單獨裂解時，其所占比例僅為0.72%，1.29%和0.85%。然而，對于DDMP 的絕對生成量而言，3 種糖存在較大的差異，當糖與脯氨酸的比例為5∶1 時，葡萄糖/脯氨酸共裂解時DDMP 的生成量是葡萄糖單獨裂解DDMP 生成量的10 倍。但是，果糖和蔗糖與葡萄糖的情況明顯不同，二者和脯氨酸共裂解時所形成的DDMP 的絕對量有一定程度的下降，果糖/脯氨酸共裂解時所形成的DDMP 約為果糖單獨裂解時的70%，蔗糖與脯氨酸共裂解時所形成的DDMP 約為其單獨裂解時的68.9%。當糖與脯氨酸的比例為10∶1 時，葡萄糖/脯氨酸共裂解形成的DDMP 約為葡萄糖單獨裂解時的13.65 倍。果糖和蔗糖與脯氨酸共裂解時所形成的DDMP 分別比它們單獨裂解時增加了171%和111%。

表2 脯氨酸裂解形成的主要揮發(fā)性化合物①

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綜上所述，脯氨酸的存在，改變了3 種糖的裂解行為，進而改變了其裂解所形成的揮發(fā)性化合物組成，但是對3 種糖的影響情況又各不相同。對于葡萄糖而言，脯氨酸的存在，有利于其裂解形成更多的DDMP，一方面大幅增加了DDMP 的絕對生成量，同時又明顯提高了DDMP 在裂解所形成的揮發(fā)性化合物中的相對含量。對果糖和蔗糖而言，脯氨酸的存在，也有利于提高DDMP 在其裂解所形成的揮發(fā)性化合物中的相對含量，但是，當果糖和蔗糖與脯氨酸的比例為5∶1 時，果糖和蔗糖裂解所形成的DDMP 的絕對量約減少30%，但當果糖和蔗糖與脯氨酸的比例為10∶1 時，二者裂解形成的DDMP 的絕對量會迅速增加。

2.4 混合糖與脯氨酸的共裂解產物

葡萄糖、果糖和蔗糖不是單獨地、而是以一定的比例存在于煙葉中，而且即使是同一品種煙葉，產地、氣候條件、栽培習慣和調制方式也會影響煙葉中的糖類組成。煙葉中的還原糖和蔗糖的比例約為5∶1～10∶1；還原糖中的葡萄糖和果糖的比例約為1∶1。因此，將葡萄糖、果糖和蔗糖以一定的比例組成混合糖Ⅰ和混合糖Ⅱ，其比例分別為葡萄糖∶果糖∶蔗糖=5∶5∶1 和葡萄糖∶果糖∶蔗糖=5∶5∶2，以模擬煙葉中的糖類組成，從而通過采用裂解技術來模擬研究卷煙抽吸過程中葡萄糖、果糖和蔗糖的行為變化，結果如圖1 和表4 所示。由圖1 可知，當混合糖與脯氨酸的比例相對較高時，其裂解產物的總離子流圖比較相似，而在當混合糖與脯氨酸的比例相對較低時，其裂解產物的總離子流圖存在較大差異，說明脯氨酸相對含量高時，對糖類物質的裂解影響會較大，這也可以從表4 中的揮發(fā)性化合物的相對比例得到驗證。從表4 可以看出，混合糖的組成（葡萄糖、果糖和蔗糖的相對比例）對5-羥甲基糠醛、糠醛、2,3-二氫-3,5-二羥基-6-甲基-4H-吡喃-4-酮和左旋葡聚糖等主要裂解產物的生成量也有一定的影響。

圖1 混合糖與脯氨酸共裂解產物的總離子流圖

表4 混合糖與脯氨酸共裂解形成的主要揮發(fā)性化合物①

（續(xù)表4）

3 結論

（1）單獨裂解時，葡萄糖、果糖和蔗糖的主要裂解產物是5-羥甲基糠醛和糠醛。果糖裂解產生的5-羥甲基糠醛和糠醛最多，蔗糖次之，葡萄糖最少。5-羥甲基糠醛分別占3 種糖裂解所形成揮發(fā)性化合物的38.39%，37.44%和28.92%，糠醛分別占3 種糖裂解所形成揮發(fā)性化合物的35.47%，27.51%和18.38%。

（2）脯氨酸的存在改變了葡萄糖、果糖、蔗糖的單獨裂解行為。5-羥甲基糠醛、糠醛和左旋葡聚糖的生成量則顯著降低。在糖與脯氨酸的比例為5∶1 時，共裂解所形成的5-羥甲基糠醛量約為單獨裂解時的3.4%，6.0%和20.3%，糠醛為單獨裂解時的5.9%，2.0%和6.3%，左旋葡聚糖為1.0%，27.1%和8.7%；而當糖與脯氨酸的比例為10∶1 時，葡萄糖、果糖和蔗糖與脯氨酸共裂解所形成的5-羥甲基糠醛約為單獨裂解時的35.5%，30.0%和81.3%，糠醛為29.9%，11.3%和22.5%，左旋葡聚糖為11.5%，90.6%和26.9%。

（3）混合糖的組成以及混合糖與脯氨酸的比例對裂解產物的形成也有明顯的影響。當脯氨酸的含量相對高時，對糖類物質的裂解影響會更大。

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