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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.湖北中煙工業(yè)有限責(zé)任公司,湖北武漢 430030)

近年來(lái),中國(guó)每年約有25%的煙葉因地理、種植等原因不能用于卷煙生產(chǎn),由此造成的浪費(fèi)極大污染了環(huán)境[1]。這些廢棄煙葉含有豐富的多糖、茄尼醇等,能夠被應(yīng)用到食品、醫(yī)藥等領(lǐng)域[2-3]。其中,多糖作為一種天然高分子化合物,具備良好的持水保潤(rùn)能力[4-5],其原理是多糖分子中有能夠和水分子結(jié)合形成氫鍵的羥基。因此,對(duì)多糖進(jìn)行羧甲基化,即在多糖中引入能夠和水分子結(jié)合效果更好的羧基,可以更有效提高多糖的保潤(rùn)效果[6]。

煙葉在生產(chǎn)、運(yùn)輸過(guò)程保持適當(dāng)含水率,對(duì)防止煙葉破碎、霉變起著重要作用,為了提高煙葉的物理性能,降低破絲率,工業(yè)上在煙葉制品中加入甘油、丙二醇等保潤(rùn)劑,但這類保潤(rùn)劑保濕效果并不理想,且在卷煙燃吸時(shí)會(huì)形成焦油、甲苯、苯酚等致癌物質(zhì)[7]。因此,尋找高效且能夠改善卷煙品質(zhì)的煙草保潤(rùn)劑,成為行業(yè)發(fā)展的重要課題。目前,大多數(shù)研究都集中在天然多糖的保潤(rùn)研究上[8-9],對(duì)羧甲基多糖的持水保潤(rùn)及其熱裂解過(guò)程中揮發(fā)性、半揮發(fā)性成分對(duì)煙氣香味的影響卻鮮有報(bào)道。

基于以上現(xiàn)狀,本實(shí)驗(yàn)以廢棄煙葉為原料,將提取的煙葉多糖進(jìn)行羧甲基化,考察羧甲基煙葉多糖在煙絲上的持水保潤(rùn)能力,為開(kāi)發(fā)新型保潤(rùn)劑,同時(shí)擴(kuò)大廢棄煙葉的用途,減少資源浪費(fèi)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

廢棄煙葉、煙絲 國(guó)家煙草栽培生理生化基地提供;Sephadex G-100凝膠色譜柱、3500 Da透析袋 北京索萊寶科技有限公司;無(wú)水乙醇、氯乙酸、正丁醇、氯仿 均為分析純,天津市大茂化學(xué)試劑廠。

Nicolet iS50傅立葉變換紅外光譜儀 美國(guó)Thermo/Nicolet公司;CDS5250T熱裂解頂空進(jìn)樣器 美國(guó)CDS公司;7890B-5977A氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用儀 美國(guó)安捷倫科技公司;KBF240恒溫恒濕箱 香港路易企業(yè)有限公司;KQ5200DE數(shù)控超聲波清洗器 昆山市超聲儀器有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 煙葉粗多糖的提取 本實(shí)驗(yàn)采取的是超聲輔助提取法[10]。稱取20 g煙末,加入700 mL蒸餾水,在超聲功率為400 W、溫度為60 ℃,超聲10 min,抽濾,濾液濃縮至150 mL,加入600 mL的無(wú)水乙醇,醇沉過(guò)夜。經(jīng)8000 r/min離心10 min,取沉淀,得到煙葉粗多糖。

1.2.2 Sevage法脫蛋白 在25 ℃下,將煙團(tuán)粗多糖用200 mL蒸餾水溶解,采用Sevage法(氯仿∶正丁醇=5∶1)脫蛋白[11],取上層溶液濃縮至50 mL,并用蒸餾水透析72 h,在濃縮液中加入150 mL無(wú)水乙醇,再次醇沉過(guò)夜,經(jīng)8000 r/min離心10 min,得多糖沉淀。

1.2.3 煙葉多糖的純化 使用Sephadex G-100層析柱對(duì)煙葉粗多糖進(jìn)行純化。將20 mg 1.2.2所得煙葉粗多糖溶于2 mL 0.1 mol/L的NaCl溶液,上樣后,用濃度為0.1 mol/L的NaCl進(jìn)行洗脫,以流速為0.1 mL/min,5 mL/管的速度收集洗脫液,同時(shí)以苯酚-硫酸法[12]跟蹤檢測(cè)多糖。將洗脫液用蒸餾水透析72 h后,冷凍干燥,得到純化的煙葉多糖。

1.2.4 羧甲基煙葉多糖的制備 參考孫志濤等[13]的方法略有調(diào)整,稱取0.1 g純化煙葉多糖于50 mL燒瓶中,加入20 mL 80%乙醇,攪拌30 min;加入70 mL 2 mol/L的NaOH溶液,攪拌堿化1 h;加入8 mL 1.6 mol/L的氯乙酸,50 ℃下醚化反應(yīng)3.8 h。冷卻至室溫,用0.5 mol/L的HCl調(diào)pH至中性。離心取沉淀,用80%乙醇洗至洗液里無(wú)Cl-(用AgNO3溶液測(cè)定)。溶液置于透析袋中透析2 d,用乙醇醇沉24 h,經(jīng)8000 r/min離心10 min,取沉淀冷凍干燥,得到羧甲基煙葉多糖。

1.2.5 多糖紅外光譜分析 分別取1～2 mg的煙葉多糖和羧甲基煙葉多糖,用溴化鉀分別壓片,在4000～400 cm-1范圍內(nèi)對(duì)壓片進(jìn)行紅外掃描。

1.2.6 煙葉多糖對(duì)煙絲持水能力的影響

1.2.6.1 煙絲前處理 取適量空白煙絲置于溫度(22±1) ℃、相對(duì)濕度60%±2%的環(huán)境中平衡48 h。分別稱取一定量的煙葉多糖、羧甲基煙葉多糖和甘油溶于水,分別配成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的溶液,將這三種溶液分別均勻的噴灑到煙絲上,添加量均為煙絲質(zhì)量的0.01%。將噴灑溶液的煙絲在溫度(22±1) ℃、相對(duì)濕度60%±2%的環(huán)境中平衡48 h,并將煙絲含水率烘至14.5%±0.5%,作為初始含水率。

1.2.6.2 持水能力測(cè)試 取平衡后的3種煙絲各兩份,其中一份放入低濕條件下,相對(duì)濕度為40%±2%、溫度為(22±1) ℃的恒溫恒濕干燥箱中,并以未添加任何溶液的煙絲放入同樣環(huán)境中作為空白對(duì)照;另一份放入高濕條件下,相對(duì)濕度為70%±2%、溫度為(22±1) ℃的恒溫恒濕干燥箱中,同樣以未添加任何溶液的煙絲放入相同環(huán)境中作為空白對(duì)照,參照烘箱法[14]測(cè)量含水率。每份樣品第一天分別在4、12、24 h稱量一次,此后每天稱量?jī)纱?直至質(zhì)量不再變化。每份樣品進(jìn)行三次平行實(shí)驗(yàn)取平均值,根據(jù)公式測(cè)量煙絲即時(shí)含水率。對(duì)比羧甲基煙葉多糖、煙葉多糖、甘油對(duì)煙絲的持水能力的影響。

式中:w:煙絲含水率(%);m0:測(cè)前煙絲質(zhì)量(g);w0:煙絲初始含水率(%);m:煙絲即時(shí)重量(g)。

1.2.7 熱裂解 裂解氛圍為混合氣(9%氧氣和91%氮?dú)?。熱解溫度分別為300、600、900 ℃[15]。采用裂解器和GC-MS聯(lián)機(jī)在線方式對(duì)樣品的裂解產(chǎn)物進(jìn)行測(cè)定。取專用石英管一根,裝填2 mg樣品,兩端塞入適量的石英棉,將樣品調(diào)整至裂解石英管中央位置。

裂解條件:初始溫度為40 ℃,保持5 s,然后以20 ℃/ms,將終溫分別升至300、600、900 ℃,保持15 s。裂解氛圍為氦氣。

GC-MS條件:色譜柱:DB-5 ms彈性石英毛細(xì)管色譜柱(30 m×250 μm×0.25 μm);升溫程序:40 ℃保持3 min,以10 ℃/min升至240 ℃,再以20 ℃/min升至280 ℃保持10 min;進(jìn)樣口溫度:280 ℃;進(jìn)樣量:1 μL;載氣:氦氣;傳輸線溫度:280 ℃;EI源電子能量:70 eV;電子倍增器電壓:1600 V;質(zhì)量掃描范圍:33～550 amu;離子源溫度:230 ℃;四級(jí)桿溫度:150 ℃。

采用NIST14.L和WILEY數(shù)據(jù)庫(kù)檢索,以匹配度≥80%者定性,峰面積歸一化法定量。

1.2.8 數(shù)據(jù)處理 用Origin 8.5對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 結(jié)構(gòu)鑒定結(jié)果

圖1為煙葉多糖和羧甲基煙葉多糖的紅外光譜圖,其歸屬如下:3455 cm-1為-OH的伸縮振動(dòng)吸收峰,1643 cm-1為C=O伸縮振動(dòng)吸收峰,1375 cm-1為C-H鍵彎曲振動(dòng)吸收峰,1120 cm-1為糖環(huán)上的C-O-C的特征骨架振動(dòng),這與郭振楚研究結(jié)果相同[16]。羧甲基煙葉多糖的紅外特征吸收峰:3440 cm-1為-OH的伸縮振動(dòng)吸收峰,1120 cm-1處的吸收峰說(shuō)明存在糖環(huán)C-O-C的特征骨架振動(dòng),1610 cm-1為C=O伸縮振動(dòng)吸收峰,1410 cm-1為C-H吸收峰,1320 cm-1為-COOCH3的C-H變角振動(dòng)吸收峰,這與韋毅銘的研究結(jié)果一致[17]。因此,該反應(yīng)在沒(méi)改變煙葉多糖的結(jié)構(gòu)下,引入了-CH2COO-基團(tuán),實(shí)現(xiàn)了煙葉多糖的羧甲基化修飾。

圖1 煙葉多糖和羧甲基煙葉多糖的紅外光譜圖Fig.1 FTIR spectra of tobacco polysaccharide and carboxymethyl tobacco leaf polysaccharide

2.2 羧甲基煙葉多糖持水性能分析

低濕條件下,添加羧甲基煙葉多糖、煙葉多糖和甘油的煙絲以及空白煙絲的含水率變化如圖2所示。由圖2可知,在0～18 h內(nèi),4組樣品煙絲的含水率均下降較快,18～32 h內(nèi),煙絲含水率下降速度變慢,32～72 h煙絲含水率變化較小。在低濕環(huán)境中,4份樣品煙絲含水率由大到小為羧甲基煙葉多糖>甘油>煙葉多糖>空白。說(shuō)明在干燥的環(huán)境中,添加適量的羧甲基煙葉多糖能使煙絲具備較好的保水效果。其中,羧甲基煙葉多糖的保水性最好,其次是甘油,最后是煙葉多糖。這可能是因?yàn)轸燃谆鶡熑~多糖含有的羥基數(shù)量遠(yuǎn)大于甘油和煙葉多糖,這些羥基與水分子形成大量氫鍵,防止水分散失。同時(shí),羧甲基比羥基具有更強(qiáng)的氫鍵作用[18],因此,羧甲基煙葉多糖的保水效果好于甘油和煙葉多糖。

圖2 四組樣品煙絲低濕條件含水率變化Fig.2 Change of moisture content of four groups of samples in low-humidity condition

高濕條件下,添加羧甲基煙葉多糖、煙葉多糖、甘油以及空白對(duì)照的煙絲含水率變化如圖3所示。由圖3可知,在0～18 h內(nèi),4組樣品煙絲的含水率均上升較快,18～32 h內(nèi),煙絲含水率上升速度變慢,32～72 h煙絲含水率變化較小。煙絲含水率由大到小為甘油>空白>煙葉多糖>羧甲基煙葉多糖。由此可知,甘油沒(méi)有防潮效果。添加煙葉多糖的煙絲含水率和空白對(duì)照相比,沒(méi)有明顯的差別,因此也沒(méi)有明顯的防潮效果,可能是由于甘油和煙葉多糖中的羥基為親水基團(tuán),容易吸收空氣中的水分子。羧甲基煙葉多糖的防潮能力較好,可能是因?yàn)轸燃谆鶡熑~多糖中的羧基形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),在煙絲表面形成一層薄膜,在高濕條件下,當(dāng)水分子與多糖中的羧基結(jié)合達(dá)到一定狀態(tài)后,這層薄膜有效阻礙了環(huán)境中的水分子繼續(xù)進(jìn)入煙絲[19]。

圖3 四組樣品煙絲高濕條件含水率變化Fig.3 Change of moisture content of four groups of samples in high-humidity condition

2.3 熱裂解產(chǎn)物分析

煙葉多糖和羧甲基煙葉多糖的裂解產(chǎn)物如表1和表2所示,由表可知,裂解產(chǎn)物主要有糠醛類、酮類、吡嗪類、呋喃類和吡啶類,其中糠醛類具有杏仁香;酮類具有奶油香、水果香;吡啶類具有香草、煙草氣味;吡嗪類具有烤香、堅(jiān)果香;呋喃類物質(zhì)具有甜香和焦糖香[20]。以上物質(zhì)可以在卷煙燃吸時(shí)提高香氣,掩蓋雜氣,改善卷煙品質(zhì)。

表1 不同溫度下煙葉多糖的熱裂解產(chǎn)物Table 1 Pyrolysis products of tobacco polysaccharide at different temperatures

續(xù)表

表2 不同溫度下羧甲基煙葉多糖的熱裂解產(chǎn)物 Table 2 Pyrolysis products of carboxymethyl tobacco leaf polysaccharides at different temperatures

表1為不同裂解溫度下煙葉多糖的熱裂解產(chǎn)物。由表1可知,在300 ℃時(shí),裂解產(chǎn)物12種,其中糠醛類物質(zhì)含量為67.37%,酮類物質(zhì)含量為4.14%;在600 ℃時(shí),裂解產(chǎn)物39種,糠醛類含量為21.82%,酮類的含量為15.85%,吡啶類、呋喃類的含量分別為1.58%、0.66%;在900 ℃時(shí),裂解產(chǎn)物51種,其中糠醛含量為15.28%,酮類、吡嗪類、呋喃類和吡啶類的含量分別為18.90%、0.92%、2.00%和0.97%。此外,煙葉多糖在裂解過(guò)程中產(chǎn)生甲苯、苯酚、2,4-二甲基苯酚等致癌物質(zhì)[21-22]隨著裂解溫度的升高含量升高。

表2為不同裂解溫度下羧甲基煙葉多糖的熱裂解產(chǎn)物。由表2可知,在300 ℃時(shí),有9種裂解產(chǎn)物,其中糠醛類含量為75.39%,酮類含量為6.61%。600 ℃時(shí),裂解物種類達(dá)到29種,與300 ℃相比,新增了20種化合物,糠醛類含量為44.35%,酮類含量為19.35%,呋喃類含量為0.8%。在900 ℃時(shí),裂解產(chǎn)物為38種,其中糠醛類含量為27.52%,酮類、吡嗪類、呋喃類和吡啶類的含量分別為19.58%、1.15%、2.14%和1.11%。此外,2,4-二甲基苯酚未被檢測(cè)到,甲苯和苯酚含量均呈現(xiàn)不同程度下降。

由表1和表2可知,隨著溫度的升高,羧甲基煙葉多糖和煙葉多糖中糠醛類含量均下降,而酮類、吡啶類、呋喃類和吡嗪類含量則緩慢上升,可能高溫條件下,糠醛類物質(zhì)會(huì)進(jìn)一步裂解成小分子物質(zhì),這些小分子物質(zhì)經(jīng)過(guò)重排,形成了酮類及一些雜環(huán)物質(zhì)。此外,在不同裂解溫度下,羧甲基煙葉多糖產(chǎn)物中糠醛類含量均顯著高于煙葉多糖,酮類、吡嗪類、呋喃類和吡啶類的含量微高于煙葉多糖。這可能是羧甲基煙葉多糖中的一些結(jié)構(gòu)在高溫下可以更有效的分解、重排成致香物質(zhì),而不易轉(zhuǎn)化成有害物質(zhì),具體機(jī)理有待進(jìn)一步分析。

3 結(jié)論

由煙絲含水率變化可知,羧甲基煙葉多糖的持水能力優(yōu)于煙葉多糖和甘油。通過(guò)對(duì)煙葉多糖和羧甲基煙葉多糖在不同溫度下的裂解產(chǎn)物分析可知,煙葉多糖和羧甲基煙葉多糖均可以產(chǎn)生對(duì)煙氣有貢獻(xiàn)的香味物質(zhì),例如糠醛、5-羥甲基糠醛、2-甲基吡啶、2-甲氧基-3-甲基吡嗪等。其中,煙葉多糖的裂解產(chǎn)物有55種,除產(chǎn)生吡啶類、吡嗪類致香成分外,煙葉多糖還裂解出甲苯、二甲苯、苯酚等有害物質(zhì)。羧甲基煙葉多糖的裂解產(chǎn)物有43種,在裂解過(guò)程中,苯酚、二甲苯等物質(zhì)的產(chǎn)生被抑制,而能夠提高卷煙香氣、掩蓋雜氣的香味物質(zhì)的含量顯著提高。羧甲基煙葉多糖的制備步驟簡(jiǎn)單、安全,且羧甲基煙葉多糖具備較好的持水效果,裂解產(chǎn)物能夠改善卷煙煙氣,提高香氣,這對(duì)廢棄煙葉的開(kāi)發(fā)利用具有實(shí)際意義。