蓝莓提取物热裂解产物分析及其在卷烟中的应用研究

  采用热裂解-气相色谱/质谱联用(Py-GC/MS)分析方法对蓝莓(Vaccinium spp.)提取物的热裂解产物进行成分分析,并对其开展了卷烟加香试验。结果表明,从300、450、600、750、900 ℃的热裂解产物中分别鉴定出14、34、76、83、87种化学成分,并且热裂解温度不同,其产物成分的种类和含量亦不同;如在450~900 ℃,5-羟甲基糠醛是主的热裂解产物,而糠醛含量随着温度的升高从最初的54.69%降至4.62%,变化尤为明显。蓝莓提取物作为加香成分能明显增加 烟气甜润感及烟香清晰度、减小烟气的刺激性、强化果香香韵、提升膏香与甜香香韵,对烟草香气香型及香韵表达具有促进作用。
关键词蓝莓(Vaccinium spp.);提取物;热裂解;气相色谱/质谱联用;卷烟加香
中图分类号S663.9;O657.63;TS41+3 文献标识码A 文章编号0439-8114(2013)14-3333-05
蓝莓(Vaccinium spp.)又名越橘,其富含花青素(Anthocyanidin),而且种类丰富1。野生种蓝莓花青素的含量高达每100 g鲜果0.33~3.38 g,栽培种的含量一般为每100 g鲜果0.07~0.15 g2。花青素又称花色素,是一类广泛存在于植物中的水溶性天然色素,属黄酮类化合物,多以糖苷的形式存在,也称花色苷3,4。花青素作为一种天然 食用色素具有安全、无毒、资源丰富等特点;并且花青素具有很强的抗氧化能力,可消除人体内的自由基、保护健康细胞、激活衰老细胞、提高人体免疫力、增强防 癌抗癌能力,因此在食品、化妆品、医药等方面有着巨大的应用前景3,4。研究表明5-7在卷烟复合滤嘴中添加含有花青素的提取物,可以有效吸附 焦油,降低烟气中的自由基、NO等有害物质,如葡萄子花青素加入到烟丝中能有效降低刺激性、增加透发性及掩盖杂气,强化药草香风格、提升辛甜和果香香韵、 提高香韵的层次感等8。但是迄今为止,鲜见将蓝莓花青素应用于烟草方面的报道。为此参考相关文献9,10提供的方法,用乙醇-超声法提取蓝莓内含 物,并模拟卷烟燃烧的条件对蓝莓提取物进行了热裂解成分分析,检测其裂解产物种类并计算各成分的相对含量,寻找其致香成分;再通过嗅香评价确定其香型及香 韵程度,同时将蓝莓提取物在卷烟中添加后对感官质量的评价结果进行验证,为其在卷烟中的添加量确定比例、并为烟用香料的开发提供参考。
1 材料与方法
1.1 材料
蓝莓果实购于南宁市某超市,产地为美国;试剂有无水乙醇、95%乙醇,为广东光华科技股份有限公司产品;仪器主有6890N/5973N气 相色谱-质谱联用仪(美国Agilent公司)、PYROPROBE 2000热裂解仪(美国CDS公司)、AB204-S型电子天平(瑞士Mettler Toledo公司);热裂解专用石英管(美国CDS公司)、SPME萃取装置(美国Supelco公司)、75 μm Carboxen-PDMS固相微萃的萃取头(美国Supelco公司)、HP-5MS毛细管柱(美国Agilent公司)、HF-2.5B超声循环提取 机(北京弘祥隆生物技术开发有限公司)、单手式双管喉头微量喷雾器(泰兴市辉春医疗器械有限公司)、金字塔填烟器(德国Gizeh公司)。
1.2 方法
1.2.1 蓝莓提取物的制备 准确称取蓝莓鲜果10 g,按料液比1∶18加入95%乙醇后,放入超声波清洗器中,设定超声功率730 W、温度55 ℃,超声提取40 min,共提取2次,合并提取液并减压浓缩至干燥后得蓝莓提取物干品。
1.2.2 在线热裂解-气相色谱/质谱联用(Py-GC/MS)分析 称取4 mg蓝莓提取物,放入热裂解仪的裂解专用石英管中,并置于热裂解仪的加热丝中,以20 ℃/ms的升温速率分别从30 ℃的初始温度升至300、450、600、750、900 ℃,并在此温度下各保持10 s,热裂解产物收集在自行设计的玻璃瓶中。将固相微萃取头插入收集热裂解产物的玻璃瓶中,在70 ℃时萃取富集热裂解产物20 mim后,将固相微萃取头插入240 ℃的GC/MS进样口进行解吸附,产物进入气相色谱-质谱联用仪(GC/MS)进行分离和鉴定。GC/MS分析条件进样口温度240 ℃,载气为He、流量为1mL/min。升温程序50℃保持1 min、3 ℃/min升到100 ℃并保持1min、8 ℃/min升到260 ℃并保持10 min。GC/MS接口温度280 ℃,离子源温度250 ℃,电离能量70 eV,质量扫描范围在35~455 amu,EM Volts为1 350。采用Wiley275、Nist05标准质谱库对不同温度下的热裂解产物挥发性成分进行定性分析,并用面积归一法测定热裂解产物挥发性成分的百分 含量。
1.2.3 嗅香评价 准确称取9 mg蓝莓提取物,用3 mL 95%乙醇溶解,溶解后放置于密闭的磨口瓶中,由桂、滇两地的卷烟评吸专家组成的专家小组进行嗅香评价,嗅其挥发性香气,分辨其香气特色,评定其类型、风格及其典型性的强弱程度,评价结果用雷达图表示。
1.2.4 加香试验 分别称取1、2、3 mg蓝莓提取物,都用1 mL 95%的乙醇溶解,制成1、2、3 mg/ mL的蓝莓提取物溶液。将成品卷烟里的烟丝吹出,置于温度22 ℃±1 ℃、空气相对湿度60%±2%条件下平衡48 h;取平衡好的烟丝30 g平均分成3份,用微量喷雾器分别喷洒1、2、3 mg/mL的蓝莓提取物溶液,于22 ℃、空气相对湿度60%的恒温恒湿箱中平衡48 h。取相同牌号烟管,用填烟器分别再将加香的烟丝制成卷烟烟支,交由卷烟评吸专家小组进行评吸。对照为喷洒同量无水乙醇的烟丝卷制的在相同条件下处理的卷 烟烟支。
2 结果与分析
  2.1 蓝莓提取物热裂解产物分析结果
试验范围内的卷烟热裂解区的温度大约在200~900 ℃,烟气的大部分成分也主在这个区间产生。因此考察蓝莓提取物在300、450、600、750、
900 ℃下的热裂解产物。试验采用Wiley275、Nist05标准质谱库对不同温度下的热裂解产物挥发性成分进行定性分析后,再用面积归一法测定热裂解产物 挥发性成分的百分含量,结果见表1。由表1可以看出,蓝莓提取物在热裂解过程中可以释放出糠醛、5-羟甲基糠醛、5-甲基-2-糠醛、苯乙烯、α-紫罗兰 酮、β-紫罗兰酮等具有特殊香味的化合物,这些香气物质已被证实能影响卷烟的风味特征和品质11,如糠醛能产生似焦糖、谷物烘烤的气味及果香和面包香 气味,可赋予卷烟木香、花香、果香与甜香气味;5-甲基-2-糠醛具有浓甜香、辛香气味及甜似焦糖的气味;5-羟甲基糠醛具有甜香、花香气味,可产生特别 的烤烟香韵;苯乙烯具有特殊的芳香、香脂香和接近花香的香气;α-紫罗兰酮和β-紫罗兰酮可产生木香、花香,使人联想起柏木香味,稀释后可使人联想起紫罗 兰香味,而且是烟草中重的香味成分,并且也是类胡萝卜素的重降解产物,有增强烟气丰满度、衬托烟香的作用12。
由表1分析可见,在300 ℃热裂解温度下,检测到了14种热裂解产物,包括醛类、呋喃类、酮类、酯类和醇类,其中以醛类和呋喃类为主,含量最高的成分为糠醛(54.69%),其次 是5-甲基-2-糠醛(4.50%)、1-(2-呋喃基)-2-羟基乙酮(1.96%)和4-氧代-戊酸乙酯(1.41%);在450 ℃热裂解温度下,检测到了34种热裂解产物,除了以上的醛类、呋喃类、酮类、酯类和醇类外,新增了烃类,其中含量最高的是5-羟甲基糠醛 (40.40%),其次是糠醛(9.90%)、5-甲基-2-糠醛(3.42%)和1-(2-呋喃基)-2-羟基乙酮(2.35%);在600 ℃热裂解温度下,检测到了76种热裂解产物,除了以上的醛类、呋喃类、酮类、酯类、醇类和烃类外,又增加了酚类和含氮杂环类,含量最高的是5-羟甲基糠醛 (18.82%),其次是糠醛(8.99%)、5-甲基-2-糠醛(4.83%)和2,5-呋喃二甲醛(2.98%);在750 ℃和900 ℃热裂解温度下,热裂解产物的种类不再变化,但热裂解产物的数量仍有增加,分别检测出了热裂解产物83种和87种,其中在750 ℃热裂解温度下含量最高的是5-羟甲基糠醛(8.54%),其次是糠醛(5.19%)、5-甲基-2-糠醛(3.41%)和2,5-呋喃二甲醛 (2.53%),在900 ℃热裂解温度下含量最高的是5-羟甲基-糠醛(20.41%),其次是糠醛(4.62%)、5-甲基-2-糠醛(2.99%)。这个结果说明随着热裂解温 度的升高,热裂解产物成分越来越复杂,特别是450 ℃以后这种变化更明显。从含量角度来看,从450 ℃起,5-羟甲基糠醛是主的热裂解产物,糠醛随着温度的升高从最初的54.69%降至4.62%,变化起伏尤为明显。此外,在600 ℃的热裂解产物中,苯及其衍生物的相对含量和种类持续增加,特别是在900 ℃的热裂解产物中新增了2,3-二氢-3,3-二甲基-1H-茚-1-酮、联苯、芴、氧芴等基本上无致香作用的成分,说明高温下热裂解产物发生了芳香化反 应和稠化反应。
2.2 嗅香评价效果
蓝莓提取物嗅香评价结果见图1。由图1可知,蓝莓提取物在果香方面表现突出,达到3分;膏香、清滋香为2分;奶香、甜香仅为1分;通常在中式 卷烟中这几种香型添加剂的使用都较为广泛。根据烟草行业专家的嗅香评价结果,蓝莓提取物具有比较理想的香型及香韵表现形式,具有在卷烟中添加的应用前景。
2.3 加香试验结果
蓝莓提取物在卷烟中的加香试验评吸结果见表2。综合表2评语,表明蓝莓提取物能明显改善和修饰卷烟的烟气,增加甜润感和烟香清晰度,并能减轻刺激性,特别是能赋予卷烟烟支一种自然的香韵。在用量方面,评吸专家小组综合评价后,认为添加2 mg/mL的最好。
3 小结
试验采用热裂解-气相色谱/质谱联用(Py-GC/MS)分析方法(模拟卷烟燃烧的条件),对蓝莓提取物进行了热裂解成分分析。结果发现随着 热裂解温度的升高,在300、450、600、750、900 ℃的热裂解产物中分别鉴定出14、34、76、83、87种化学成分,并且热裂解温度不同,其产物成分的含量亦不同,如从450 ℃起,5-羟甲基糠醛是主的热裂解产物,而糠醛含量随着温度的升高从最初的54.69%降至4.62%,变化非常明显;同时热裂解产物越来越复杂,热裂 解成分的化学类别包括醛类、呋喃类、酮类、酯类、醇类、烃类、酚类和含氮杂环类,这些化学成分具有果香、膏香、清滋香、奶香、甜香等各类香味特征,对烟草 香气香型及香韵表达可起到促进作用。
试验还把蓝莓提取物加入到卷烟烟支中,结果明显地改善和修饰了卷烟的烟气特性,增加了甜润感和烟香清晰度、减小了烟气的刺激性,特别是能赋予卷烟烟支一种自然的香韵。因此,从试验效果来看,蓝莓提取物在卷烟加香中具有可观的开发应用前景。
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