甜葉菊的熱裂解產物分析

段賓賓 羅海濤 劉思奎 何力 任周營 趙曉東

摘要 [目的]研究甜葉菊在不同溫度下的裂解行為，初步探討甜葉菊可能的裂解機理。[方法]采用離線熱裂解氣相色譜-質譜聯(lián)用法（Py-GC/MS），并以GC/MS對其裂解產物進行定性分析。[結果]裂解溫度對甜葉菊產生的裂解產物種類和含量影響較大，裂解機理不盡相同。在300、600、900 ℃下的熱裂解產物中分別鑒定出13、75、95種裂解產物，致香物質主要有醛類、吡嗪、酚類等，這些產物可改善煙氣質量，提高卷煙品質。[結論]該研究考察Py-GC/MS方法為制備新型再造煙葉原料篩選提供參考，也為甜葉菊在造紙法再造煙葉中的應用提供依據。

關鍵詞 甜葉菊;熱裂解產物;種類;含量;致香成分

中圖分類號 TS264.3? 文獻標識碼 A? 文章編號 0517-6611（2020）20-0195-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2020.20.052

Analysis of Pyrolysis Constituents of Stevia rebaudiana

DUAN Bin-bin1， LUO Hai-tao2， LIU Si-kui2 et al

（1.Yunnan Ruisheng Tobacco Technology （Group） Co.， Ltd.， Kunming， Yunnan 650106; 2. China Tobacco Jiangxi Industrial Co.，Ltd.， Nanchang， Jiangxi 330096）

Abstract [Objective] To study the pyrolysis behavior of Stevia rebaudiana at different temperatures， and to preliminary explore the possible pyrolysis mechanism of Stevia rebaudiana.[Method]By off-line pyrolysis-gas chromatography-mass spectrometry （Py-GC/MS）， the pyrolysis products were directly introduced into GC/MS and qualitatively analyzed. [Result]The pyrolysis temperature had a great influence on the types and contents of the pyrolysis products produced by Stevia rebaudiana， and the pyrolysis mechanisms were different.There were 13， 75 and 95 kinds of pyrolysates identified at temperature of 300， 600 and 900 ℃.Aroma components included aldehydes， pyrazines， phenols and so on.These products could improve the quality of smoke and cigarette quality.[Conclusion] The research gave references for the study of Py-GC/MS method for the preparation of new reconstituted tobacco raw material selection. It also provided basis for the application of Stevia rebaudiana in paper-making reconstituted tobacco.

Key words Stevia rebaudiana;Pyrolysis constituents;Type;Content;Aroma components

甜葉菊[Stevia rebaudiana（Bertoni）]是菊科甜葉菊屬多年生宿根草本植物，原產于南美巴拉圭和巴西交界的高山草地。自1977年引種栽培以來主要分布于我國的北京、河北、陜西、江蘇、安徽、湖南、福建、云南等地 [1]。甜葉菊葉中的主要成分為甜菊糖苷，不僅甜度高、熱量低，還具有一定的藥理作用。甜菊糖苷是甜葉菊中的四環(huán)二萜類化合物，被認為是“世界第三天然糖源” [2]，具有降血糖、降血壓、促進胰島素和胰高血糖素分泌、增強免疫等作用，并在飲料、化工、釀酒、醫(yī)藥等行業(yè)有廣泛應用。甜葉菊除甜味之外，含有氨基酸、蛋白質、纖維素、黃酮類、維生素、微量元素等，尤其是多酚類具有顯著的抗氧化活性物質 [3-4]。

現(xiàn)階段在傳統(tǒng)再造煙葉原料中，越來越多地應用天然植物作為原料取代原有的煙草原料，來增加再造煙葉的特有性能。將此再造煙葉調配至卷煙配方中，可賦予卷煙獨特香氣韻調，提高卷煙抽吸品質。Py-GC/MS聯(lián)用技術在煙草單體添加劑以及中草藥質量控制等方面國內外已有報道 [5-6]。由于煙支在燃吸過程中發(fā)生裂解變化，經歷蒸餾、裂解、合成、聚合、冷凝等一系列復雜的過程 [7-8]。一般在煙用添加劑的熱裂解研究中，選取卷煙具有代表性的3個溫度300、600和900 ℃作為裂解溫度，分別代表揮發(fā)性物質開始進入卷煙煙氣、煙草物質開始燃燒和煙支燃吸時最高溫度 [9-10]。

目前對天然植物本身熱裂解研究較少，為了更好地模擬甜葉菊在卷煙燃吸過程中裂解產物的變化，筆者研究了甜葉菊在不同溫度下（300、600、900 ℃）裂解產物的變化，并對其機理進行初步探討，可為天然植物在再造煙葉中的應用提供理論 依據。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

甜葉菊購于云南福林堂藥業(yè)有限公司，產地為云南保山。

賓德精密烘箱（上海楚柏實驗室設備有限公司）;YB-500A多功能粉碎機（永康市速鋒工貿有限公司）;梅特勒PB403-S/FACT經典系列先進型精密天平（上海滬沁儀器設備有限公司，感量0.001 mg）;Agilent 7890型氣相色 譜-5975 型質譜聯(lián)用儀（美國Agilent公司）;CDSPyrobe 5200熱裂解儀（美國CDS公司）;熱裂解專用石英管（美國CDs公司）;固相微萃取頭75 μm Carboxen-PDMS（黑色，Supelco， 美國）。

1.2 試驗條件與方法

1.2.1 樣品制備。取適量甜葉菊放入真空干燥箱中干燥 4 h，60 ℃，干燥后粉碎處理，過60～80目篩，篩出物為待測 樣品。

1.2.2 GC/MS分析條件。色譜條件：色譜柱為HP-5MS（ 30 m×0.25 mm×0.25 μm），載氣為He，分流比為10∶1，柱流速1.0 mL/min;程序升溫：初始溫度50 ℃，保持2 min，以 5 ℃/min 升溫至140 ℃，保持1 min，以10 ℃/min升溫至 260 ℃，保持5 min。質譜條件：EI電離能量70 eV，離子源溫度230 ℃，溶劑延遲1.0 min，掃描離子質量范圍為35～ 350 amu，質譜庫為NIST08，傳輸線溫度280 ℃，進樣口溫度280 ℃。用色譜峰面積歸一化法計算各色譜峰的相對含量。利用Wiley和NIST05譜庫對采集到的質譜圖進行檢索。

1.2.3 熱裂解條件。裂解探頭溫度以10 ℃/ms的升溫速率分別從50 ℃的初始溫度升至300、600和900 ℃的最終溫度，并在此溫度下各保持10 s，熱裂解氛圍為大氣環(huán)境。

1.2.4 試驗方法。稱取2 mg樣品放入熱裂解儀的裂解專用石英管中并置于熱裂解儀的加熱絲中瞬間裂解，在空氣裂解氛圍中的3個設定溫度（300、600和900 ℃）條件下進行熱裂解。裂解完成后，將固相微萃取頭置于熱裂解瓶中對熱裂解產物進行萃取，萃取時間為30 min，萃取溫度為70 ℃。之后將SPME進樣針插在氣相色譜的高溫汽化室中進行解吸附，時間為2 min。裂解產物進入氣相色譜/質譜聯(lián)用儀（GC/MS）分離與鑒定，進行標準譜庫檢索，若不特別說明裂解產物的匹配度均大于80。

2 結果與分析

2.1 甜葉菊裂解產物成分分析

一般認為在卷煙的燃燒過程中，其燃燒中心處于無氧的裂解狀態(tài)，溫度通常在700～900 ℃，裂解區(qū)周圍的溫度在400～700 ℃，靠近抽吸端的蒸餾區(qū)溫度一般低于400 ℃。選取卷煙燃燒具有代表性的300、600、900 ℃ 3個溫度進行裂解比較，甜葉菊在不同溫度下的裂解產物如表1所示。

甜葉菊的熱裂解成分分析表明（表1），在300 ℃熱裂解共檢出化合物13種，占總峰面積的77.59%。醛類共有 30.62%，醇類1.63%，萜類2.79%，苯及稠環(huán)芳烴類3.63%，雜環(huán)類38.92%。其中相對含量較高的有糠醛（24.76%）、2-甲基吡嗪（17.33%）、5-甲基-2-糠醛（5.86%）、2-乙基吡嗪 （5.72%）、2，5-二甲基吡嗪（4.56%）、2，6-二甲基吡嗪（ 4.40%）、吡咯（3.12%）、α-蒎烯（2.79%）、橙花叔醇 （1.63%）。

半纖維素、纖維素、木質素是植物細胞壁的組成成分?？啡┦前肜w維素熱裂解的典型產物之一 [11]。在300 ℃裂解溫度下，半纖維素木聚糖側鏈斷裂，主鏈開環(huán)形成一個直鏈中間體，經過羰基脫水生成糠醛和5-甲基糠醛 [12]。由于甜葉菊中含有大量的糖類物質，在該溫度下解聚后形成葡萄糖單體，再開環(huán)脫水或者由果糖熱轉化也可生成糠醛和5-甲基糠醛。

甜葉菊中富含的還原性糖和氨基酸類物質，在一定溫度下發(fā)生非酶棕色化反應（美拉德反應），形成大量的含氮物質。吡嗪類為該反應典型產物，且對卷煙的烤香香味具有積極貢獻 [13]。

600 ℃熱裂解共檢出化合物75種，占總峰面積的 48.16%。醛類共有4.74%，酮類4.10%，醇類1.54%，萜類 7.25%，烯烴類3.95%，酚類11.80%，苯及稠環(huán)芳烴類9.96%，雜環(huán)類4.82%。與300 ℃下相比，裂解產物新生成有酮類和酚類，烯烴類和苯及稠環(huán)芳烴類相對含量有所上升，醛類和雜環(huán)類相對含量下降明顯（圖1）。在裂解過程中，300 ℃下裂解完全，600 ℃以上溫度未有檢測出的化合物，如2， 3-二甲基吡嗪、乙基吡嗪、α-蒎烯等，說明此類化合物在 300 ℃下均裂解完全，且未有其他物質裂解成此產物;有化合物隨著裂解溫度的升高，相對含量持續(xù)降低，如2-甲基吡嗪、糠醛、 5-甲 基-2-糠醛等，說明這些化合物隨著溫度的升高，均不同程度地裂解為其他物質。

值得注意的是新生成的酚類物質基本為苯酚等酚類衍生物，由此可見在600 ℃下木質素開始逐步發(fā)生裂解反應。酚類化合物揮發(fā)性較低，燃吸時很少直接進入煙氣，但它們在卷煙燃吸時可產生酸性反應，能中和部分堿性，使吃味醇和 [14-15]。新生成的酮類物質有呋喃酮類、環(huán)戊烯酮類和吡咯酮類等，一方面是因為氨基酸和還原糖發(fā)生美拉德反應過程中產生大量的致香前體物質，另一方面是甜葉菊中的甜菊糖苷加熱裂解而成。在600 ℃下，新生成的新植二烯含量亦較高，可能是由于葉綠素降解形成植醇（3，7，11，15-四甲基-2-十六烯-1-醇），再進一步轉化而衍生出。新植二烯是煙草中重要的致香物質，且可攜帶卷煙中揮發(fā)性香氣物質和致香成分進入煙氣中，是重要的增香劑 [16]。

900 ℃熱裂解共檢出化合物95種，占總峰面積的 51.78%。醛類共有2.87%，酮類1.86%，醇類1.19%，萜類 6.33%，烯烴類7.06%，酚類4.56%，苯及稠環(huán)芳烴類 19.92%，雜環(huán)類7.99%。從圖1可以看出，在900 ℃下烯烴類、苯及稠環(huán)芳烴類及雜環(huán)類相對含量有所增加，酚類相對含量下降明顯。相對含量較高的有新植二烯（4.57%）、苯酚（1.44%）、 2，3-二氫-苯并呋喃（2.12%）、萘（1.57%）、2，6-二甲基萘 （1.44%）、吲哚（1.92%）、1，1-二甲基-1H-茚（ 1.08%）、（E）-2-十四碳烯（1.52%）、橙花叔醇（1.10%），主要是苯及稠環(huán)芳烴類、雜環(huán)和烯烴類化合物?？赡苁怯捎谠?00 ℃高溫下，裂解產物中的小分子再次聚合或相互作用使苯及稠環(huán)芳烴類物質含量增加，多為萘、菲類，均是三環(huán)及以下稠環(huán)化合物。碳氫化合物也趨向于形成高溫下比較穩(wěn)定的芳香烴，芳香烴則趨向于形成更穩(wěn)定的稠環(huán)芳烴化合物 [17]。新植二烯隨著裂解溫度升高至900 ℃，含量有所降低，一部分鍵斷裂、重排成其他低分子香味物質，如石竹烯、杜松烯等。

2.2 甜葉菊裂解產物致香成分分析

甜葉菊在300 ℃時，裂解產物大多是醛類和吡嗪類物質，具有濃郁的焦甜香、烘烤香、略帶木香等氣息，能夠掩蓋雜氣，改善余味且使煙氣豐滿，提高煙氣濃度，使卷煙具有獨特的風格特征。這些致香成分具體表現(xiàn)為糠醛有似焦糖、谷物烘烤氣息、面包香和果香，可賦予卷煙木香、花香和甜香;5-甲基-2-糠醛具有濃郁的甜香、辛香氣味，甜的焦糖氣味，可增加卷煙體香，賦予卷煙焦甜香;2-甲基吡嗪具有甜香和芳香氣息;2，6-二甲基吡嗪有芳香的炒食、烤食香氣，增加壤香、令人愉快的香氣;2-乙基吡嗪具有泥土的、令人愉快的氣息;2，3-二甲基吡嗪具有面包香和烘烤香;2-乙基-5-甲基吡嗪具有巧克力、烤堅果的香味。這些吡嗪類物質在增強煙香的同時，可進一步提高煙香濃度，掩蓋雜氣，降低刺激，使煙氣圓潤、細膩 [18-20]。

600 ℃時裂解產物大多是酚類和萜類，其自身香氣并不明顯，酚類物質主要中和煙氣中的堿性成分，使吃味醇和，具體表現(xiàn)為苯酚有甜的藥物氣味;丁香酚具有芳香氣味。萜類能夠改進和提高煙草本香，具有香味增效的作用。具體表現(xiàn)為新植二烯含量較高，有一種弱的令人愉悅的氣味，能增進煙葉的吃味和香氣。隨著溫度的繼續(xù)升高，裂解產物多為苯及稠環(huán)芳烴類較為穩(wěn)定的化合物，亦可能出現(xiàn)不利于卷煙抽吸的氣息 [21]。

裂解產物中有部分化合物存在于煙草添加劑（合成）許可目錄中，如糠醛、2-甲基吡嗪、2，6-二甲基吡嗪、2，3-二甲基吡嗪、2，4-二甲基苯酚、橙花叔醇等。且裂解產物的致香成分為甜葉菊自身具備，不屬于外加香精香料，若該原料應用于造紙法再造煙葉中，在抽吸品質方面可提供典型的焦甜香、烘烤香等主體香韻，再輔以諧調的香料，使再造煙葉產品具有獨特香氣。在開發(fā)該香型卷煙產品時，進行部分添加，可進一步掩蓋雜氣、凸顯卷煙的香氣風格。

3 結論

該研究采用熱裂解-氣相色譜質譜聯(lián)用技術對甜葉菊進行熱裂解分析，在300 ℃熱裂解產物共鑒定出13種化合物，600 ℃共鑒定出75種化合物，900 ℃共鑒定出95種化合物。主要的裂解產物是糠醛等醛類、吡嗪等雜環(huán)類、多環(huán)芳烴類及苯酚等酚類，是由原料中含有的還原性糖和氨基酸發(fā)生美拉德反應產物以及其自身含有的纖維素、半纖維素、木質素、黃酮類、酚類、氨基酸、蛋白質等物質經過一系列鍵斷裂、重排、環(huán)化反應而成。其中多數(shù)具有獨特的焦甜和烘烤氣息，在提高煙氣濃度、掩蓋雜氣、改善煙氣豐富性、凸顯煙氣特征香等方面具有明顯效果。綜上所述，以Py-GC/MS技術對甜葉菊原料進行裂解分析，可作為制備新型再造煙葉原料篩選的手段之一。該研究中甜葉菊作為造紙法再造煙葉原料具有一定的可行性，下一步需對原料的安全性進行深入可用性評價，開發(fā)出不同特色的再造煙葉產品應用于卷煙，使卷煙產品特色化進一步顯現(xiàn)。

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