沉香成分在造紙法再造煙葉中的應(yīng)用研究?

寧 勇 呂曉萍 張 朝 朱慧霞 楊仁黨

（1.煙草化學(xué)安徽省重點實驗室，安徽 合肥 230088；2.華南理工大學(xué)制漿造紙工程國家重點實驗室，廣東 廣州 510640）

沉香屬藥瑞香科植物，是我國傳統(tǒng)的保健中藥材。此外，沉香也可以指白木香中含有樹脂的木材[1]。沉香對消化道系統(tǒng)及中樞神經(jīng)系統(tǒng)均有藥理功效，并且沉香香味獨特，也被視作一種名貴香料，被廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥、化妝、食品和造紙等行業(yè)[2-4]。研究表明，將沉香木材的組織或提取物以一定形式添加在卷煙中，可有效降低煙氣中焦油、煙堿、總粒相物等有害物質(zhì)的含量，達(dá)到香薰、降焦減害的作用[5-8]。

造紙法再造煙葉因具有填充值高、焦油釋放量低、品質(zhì)相對穩(wěn)定等優(yōu)點，已成為卷煙配方中不可缺少的組成部分[9-11]。隨著人們生活質(zhì)量的提高，生產(chǎn)低焦油低煙堿的香煙是煙草業(yè)今后發(fā)展的必然趨勢。林凱等[12-13]研究將野茄子葉、番木瓜葉應(yīng)用在再造煙葉中，結(jié)果表明，可以提高產(chǎn)品的香氣量，降低刺激和熱辣感，改善卷煙的品質(zhì)。饒國華等[14]發(fā)現(xiàn)，將一定量的甜葉菊添加到再造煙葉中，具有降低煙草薄片焦油和CO釋放量的效果。陳超等[15]以甘草渣為原料與煙梗和煙末混合制成煙草薄片紙基，切絲添加到卷煙中，明顯改善了其煙氣、香氣、口味等。

本文從提升再造煙葉的品質(zhì)，生產(chǎn)功能性的香薰保健卷煙角度出發(fā)，將具有藥用價值的沉香以添加物的形式，通過造紙法與煙梗、煙末制備具有香薰、降焦減害功效的再造煙草薄片，并對其燃燒過程中產(chǎn)生的煙氣進(jìn)行分析，為煙草行業(yè)的產(chǎn)品多元化和技術(shù)的發(fā)展提供助力，為開發(fā)生產(chǎn)高檔功能性香薰和低焦油低煙堿的卷煙提供一種新途徑。

1 材料與方法

1.1 材料

越南芽莊1A級沉香木片、漂白針葉木漿，由浙江景興紙業(yè)股份有限公司提供；纖維素酶、果膠酶、堿性蛋白酶，由上海源葉生物科技有限公司提供；其他化學(xué)試劑均為分析純。

1.2 設(shè)備

萬能粉碎機(jī)（WF-130，江陰市康和機(jī)械制造有限公司）；恒溫水浴鍋（HWS26，上海一恒科學(xué)儀器有限公司）；臺式高速冷凍離心機(jī)（H2050R，湖南湘儀實驗室儀器開發(fā)有限公司）；旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀（Hei-VAP Value，Heidolph）；微波儀[P70F20CL-DG（BO），廣東格蘭仕(企業(yè)）集團(tuán)有限公司]；氣相色譜-質(zhì)譜儀（Agilent 5975，美國Agilent）；電子鼻（PEN3， 德國AIRSENSE）；吸煙機(jī)（SM450 直線型，英國Cerulean）；Agilent 氣相色譜儀（7890A，美國Agilent）。

1.3 沉香木粉化學(xué)成分組成測定

將沉香木片洗凈、晾干、粉碎至80 目，然后對其進(jìn)行成分分析，灰分含量測定參考GB/T 742—2018《造紙原料、紙漿、紙和紙板灼燒殘余物（灰分）的測定（575 ℃和900 ℃）》方法進(jìn)行，有機(jī)溶劑抽出物含量測定參考GB/T 2677.6—1994《造紙原料有機(jī)溶劑抽出物含量的測定》，纖維素含量測定參考硝酸-乙醇纖維素測定方法，綜纖維素質(zhì)量分?jǐn)?shù)測定參考GB/T 2677.10—1995《造紙原料綜纖維素含量的測定》，木質(zhì)素含量測定參考GB/T 2677.8—1994《造紙原料酸不溶木素含量的測定》和GB/T 10337—2008《造紙原料和紙漿中酸溶木素的測定》進(jìn)行，果膠含量和蛋白質(zhì)含量測定分別參考GB/T 10742—2008《造紙原料果膠含量的測定》和GB/T 35809—2018《林業(yè)生物質(zhì)原料分析方法 蛋白質(zhì)含量測定》。

1.4 沉香精油提取

稱取100 g（以絕干計）沉香木粉，按固液比1∶4加入去離子水，于微波儀中微波反應(yīng)80 s。反應(yīng)結(jié)束后依次用纖維素酶、果膠酶和堿性蛋白酶進(jìn)行生物酶處理，用1M HCl溶液和1M NaOH溶液調(diào)節(jié)至最佳pH值，在設(shè)定溫度下恒溫水浴加熱一定時間（纖維素酶50 ℃，4 h、果膠酶50 ℃，3 h、堿性蛋白酶40 ℃，3 h），每隔15 min攪動一次。反應(yīng)結(jié)束常溫下離心分離，用無水乙醚靜置萃取收集上層液體，重復(fù)多次。將上層液體用無水硫酸鈉除水，抽濾。采用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀進(jìn)行低溫濃縮得到沉香精油。

1.5 沉香精油微膠囊制備

用1 M NaOH水溶液（及1 M HCL水溶液）調(diào)節(jié)甲醛pH至8.00±0.02，取37 wt%甲醛和尿素以2.68∶1的比例于70 ℃的水浴中溶解，反應(yīng)1 h，獲得預(yù)聚體。稱取 50 mL去離子水及12.55 g 聚-（乙烯-馬來酸酐）水溶液，置于500 mL的燒杯中，在600 r/min的機(jī)械攪拌下，加入20 g沉香精油，獲得乳液。將18.875 g預(yù)聚體加入乳液中，并調(diào)節(jié)pH至2.0。將上述體系升溫至34 ℃，適當(dāng)添水（第1小時內(nèi)分4次分別添水15、15、50、50 mL）反應(yīng)3 h。最后用去離子水將微膠囊清洗干凈自然烘干，備用。

1.6 含沉香成分再造煙葉制備

分別將煙梗和煙末以1∶7的比例加入水，放于恒溫水浴鍋中在70 ℃下浸漬60 min，每隔10 min揉搓一次。浸漬處理完畢進(jìn)行固液分離，固體在高濃磨漿機(jī)KRK中進(jìn)行2段磨漿，使其打漿度為23 °SR；液體進(jìn)行旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)濃縮，得到密度為1.16 g/cm3的煙末浸漬液和密度為1.235 g/cm3的煙梗浸漬液，以5∶3的體積比混合制得涂布液[16]。

將煙梗、煙末、23 °SR針葉木漂白漿與不同形式的沉香成分（沉香木粉、沉香精油、沉香精油微膠囊）進(jìn)行配抄，定量為70 g/m2，涂布液噴涂量為再造煙葉重量的50%，在60 ℃下進(jìn)行真空干燥。配抄工藝如表1所示。

表1 再造煙葉配抄工藝Tab.1 Preparation technology of reconstituted tobacco flakes

1.7 煙氣化學(xué)組成測定

1.7.1 電子鼻檢測

如表2 所示，R1-R10 分別代表不同傳感器檢測的不同物質(zhì)種類。其大小代表該類物質(zhì)的響應(yīng)強(qiáng)度，值越小，說明響應(yīng)強(qiáng)度越弱，反之越強(qiáng)?？赏ㄟ^比較不同樣品各類物質(zhì)的顯著性差異來達(dá)到區(qū)分各類樣品的目的。

表2 電子鼻傳感器代表種類Tab.2 Types of electronic nose sensors

準(zhǔn)確稱取1 g樣品置于15 mL頂空瓶中，加蓋密封，26 ℃下靜置平衡 30 min 后檢測。電子鼻測定參數(shù)：清洗時間120 s，歸零時間5 s，預(yù)進(jìn)樣時間8 s，測定時間60 s，載氣流速400 mL/min。每個樣品測定3 次。

1.7.2 氣相色譜-質(zhì)譜儀檢測

使用色譜級乙醇溶解沉香精油，通過氣相色譜-質(zhì)譜儀進(jìn)行樣品分析。

1）色譜條件：色譜柱為RTX-5MS（30 m ×0.25 mm × 0.25 μm），程序升溫為80 ℃保持2 min，以20 ℃/min升至160 ℃，以2 ℃/min升至230 ℃，再以5 ℃/min升至 290 ℃，保持2 min，進(jìn)樣溫度290 ℃；載氣He，流速1.0 mL/min，分流比為25∶1，進(jìn)樣量1 μL。

2）質(zhì)譜條件：EI離子源，電子能量為70 eV。在氣質(zhì)聯(lián)用色譜圖庫中檢測有效化學(xué)成分。

1.7.3 常規(guī)煙氣成分檢測

將制備好的再造煙葉置于恒溫恒濕條件下平衡至少48 h后進(jìn)行切絲和手工打煙，確保煙支充實、均勻，無空頭，篩選出煙絲質(zhì)量為（0.70±0.02）g的煙支，以備煙氣檢測。按照GB/T 19609—2004《卷煙 用常規(guī)分析用吸煙機(jī)測定總粒相物和焦油》和GB/T 23203.1—2013《卷煙 總粒相物中水分的測定 第一部分：氣相色譜法》開展相應(yīng)的煙氣成分檢測。

2 結(jié)果與分析

2.1 沉香木粉化學(xué)成分組成分析

從表3 可以看出，沉香木粉中纖維素含量最多，為31.60%，半纖維素含量為22.43%。纖維素是植物纖維原料的主要組分之一，也是組成紙漿的主要成分。纖維素的分子鏈中有大量羥基，纖維和纖維之間通過氫鍵緊密地結(jié)合在一起，從而保證紙頁具有一定的強(qiáng)度[17]。將沉香木添加在再造煙葉中，其中大量的纖維素也為保證再造煙葉的強(qiáng)度提供了基礎(chǔ)。沉香木粉中木質(zhì)素含量占32.59%，主要位于纖維素纖維之間，起抗壓作用。沉香木有機(jī)溶劑抽出物含量高達(dá)14.96%，主要成分為萜烯類、色酮類及芳香族類化合物[18-19]，說明沉香木粉中含有較多的精油成分，為沉香精油的提取和沉香精油微膠囊的包裹提供基礎(chǔ)?；曳趾枯^少為0.96%，主要是鉀、鈉等無機(jī)鹽類，對再造煙葉性能的影響較小。

表3 沉香木粉主要化學(xué)成分組成Tab.3 Main chemical composition of agarwood powder

2.2 電子鼻分析

為有效對比不同卷煙紙的氣味組成，體現(xiàn)添加不同形式的沉香成分對卷煙的影響，本文選用10%沉香含量的樣品進(jìn)行對比。又因添加少量沉香木粉的再造煙葉香味不明顯，且沉香木粉添加量達(dá)到10%后的再造煙葉在抄造過程中濾水較慢，成紙強(qiáng)度相對較低，因此，在室溫下對1-1、2-3、3-3 再造煙葉進(jìn)行電子鼻分析。

圖1 為電子鼻10 個傳感器感應(yīng)強(qiáng)度隨時間變化的特征響應(yīng)曲線。由圖可見，在檢測的前30 s內(nèi)，傳感器迅速對揮發(fā)物質(zhì)作出響應(yīng)，在30 s之后逐漸趨于平穩(wěn)而達(dá)到一個穩(wěn)定的狀態(tài)。傳感器W1W和W2W感應(yīng)強(qiáng)度變化明顯，傳感器W6S感應(yīng)強(qiáng)度變化不明顯，這表明再造煙葉并不產(chǎn)生氫化物。因此，選取穩(wěn)態(tài)值（30～60 s）作為特征值進(jìn)行分析，在此選擇第59 s的響應(yīng)值利用電子鼻部分傳感器進(jìn)行分析。

圖1 電子鼻傳感器對不同沉香成分再造煙葉的響應(yīng)圖Fig. 1 Response of electronic nose sensor to reconstituted tobacco flakes with different Aquilaria components

從圖2 可以看出，在室溫下再造煙葉的氣味成分豐富，添加沉香成分的再造煙葉對比空白組變化明顯。涂布沉香精油的再造煙葉比添加沉香精油微膠囊的再造煙葉獲得傳感器響應(yīng)值信號顯著，這可能是由于微膠囊對沉香精油的揮發(fā)具有一定的阻礙和緩釋作用，室溫下微膠囊?guī)缀鯖]有被破壞，被包裹的沉香精油揮發(fā)性小，但仍有一定的揮發(fā)，可達(dá)到控制精油緩釋的目的[20-22]。電子鼻傳感器W1W（硫化類物質(zhì)）、W2W（芳香有機(jī)硫化物質(zhì)）對3 組薄片揮發(fā)性物質(zhì)響應(yīng)值信號均顯著較高，其中涂布沉香精油的再造煙葉揮發(fā)性物質(zhì)中W1W響應(yīng)值信號達(dá)到17 以上，W2W響應(yīng)值信號達(dá)12 以上，說明再造煙葉中硫化類物質(zhì)和芳香有機(jī)硫化物質(zhì)濃度高，是片基的主體香味物質(zhì)成分；W1S（甲基類）、W2S（醇類、醛酮類）、W5S（氮氧化合物）、W1C響應(yīng)值次之；W3C（芳香氨類）、W6S（氫化物）、W3S（長鏈烷烴）、W5C（短鏈烷烴芳香成分）響應(yīng)值最低。

圖2 電子鼻傳感器對不同沉香成分再造煙葉的感應(yīng)強(qiáng)度雷達(dá)圖Fig.2 Induction intensity of electronic nose sensor to reconstituted tobacco flakes with different Aquilaria components

2.3 氣相色譜-質(zhì)譜儀分析

根據(jù)NIST08 質(zhì)譜數(shù)據(jù)庫檢索并結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)，對1-1、2-3、3-3 再造煙葉的主要特征組分進(jìn)行定性分析并分類統(tǒng)計，具體見表4。

從表4 可以看出，不同再造煙葉均含有常規(guī)卷煙煙氣成分，其成分大致相同，都含有主要的含氮雜環(huán)化合物，包括尼古丁、六氫吡啶，1-甲基-4-（4-羥基-5-甲氧基苯基）、2,4-二甲基(5,6)苯并吡啶；腈類化合物，3-(2-苯基乙基)苯甲腈；以及羧酸化合物，芐達(dá)酸。含氮雜環(huán)化合物是煙草中一類重要的成分，提供煙草抽吸強(qiáng)度和滿足感，可調(diào)配豆香、辛香、焦甜香，提高香氣濃郁度等。再造煙葉中羧酸對于吸味口感特征而言具有積極的貢獻(xiàn)作用，低分子量的羧酸賦予煙氣氣味和芳香特征。

表4 不同沉香成分再造煙葉主要成分分析Tab.4 Analysis of main components in reconstituted tobacco flakes with different Agarwood components

添加沉香成分的再造煙葉對比空白組（1-1）的煙氣種類豐富程度增加，其中含硫化合物增加，2-3 的六氫-1-甲基-2H-氮雜-2-硫酮和3-3 的6-氨基-2-硫脲嘧啶的存在與結(jié)果2.2 電子鼻獲得結(jié)果相一致。除了含有常規(guī)煙草的香氣，還含有沉香特有的揮發(fā)性香氣成分。2-3 再造煙葉涂布沉香精油，氣味成分豐富，含有沉香精油特有的萜烯類化合物（柳杉二醇、三環(huán)[4.3.1.13,8]十一烷-1-羧酸）和色酮類物質(zhì)[6,7-二甲氧基-2-(苯基乙基)色酮]，以及芳香類物質(zhì)（2,6-二叔丁基苯酚、β-紫羅蘭酮）。3-3 再造煙葉添加沉香精油微膠囊，微膠囊殼材的包裹使得再造煙葉香味揮發(fā)性弱于直接涂布沉香精油，所獲的沉香成分物質(zhì)過少以致質(zhì)譜儀難以檢出，但仍能通過GC-MS觀察到其含有沉香精油特有的6,7-二甲氧基-2-(苯基乙基)色酮物質(zhì)，說明沉香精油能有效增加芳香物質(zhì)。

因此，沉香成分再造煙草薄片具有沉香典型的萜類、色酮類和芳香族類物質(zhì)，具有柔和、溫暖而甜的木香，這些成分具有諧調(diào)和增加卷煙煙香、緩和刺激性、掩蓋雜氣的作用[5，23]。其中沉香精油比沉香精油微膠囊增加的物質(zhì)種類多，這與結(jié)果2.2 電子鼻獲得結(jié)果相一致。

2.4 卷煙主流煙氣分析

按照GB/T 5606.1—2004《卷煙 第1 部分:抽樣》和GB/T 16447—2004《煙草及煙草制品 調(diào)節(jié)和測試的大氣環(huán)境》的方法抽樣并調(diào)節(jié)卷煙樣品。分別在ISO抽吸模式下，對卷煙樣品進(jìn)行抽吸測試，結(jié)果圖3 所示。

圖3 不同沉香成分對再造煙葉卷煙主流煙氣成分的影響Fig. 3 Effects of different Aquilaria components on mainstream smoke components of reconstituted tobacco flakes

從圖3 可以看出，與空白組（1-1）對照對比，添加了沉香木粉的卷煙，隨著沉香木粉用量的增加，其總粒相物、煙堿、焦油和CO含量均呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢。其中，再造煙葉添加了5%沉香木粉的卷煙煙氣中總粒相物、煙堿和焦油含量最少，這是因為沉香木粉的添加提高了再造煙葉片基結(jié)構(gòu)的疏松度，在煙支抽吸過程中，煙絲燃燒比較充分，所以使焦油量釋放量下降[24-27]。但由于沉香木粉中含有較多的木質(zhì)素、纖維素等細(xì)胞壁成分，從熱力學(xué)角度會有更多的殘余焦炭成分，從而當(dāng)沉香木粉含量增加后會引起焦油及 CO 釋放量的上升[25]。分析可知，沉香木粉的添加可在一定程度上降低卷煙煙堿和焦油的含量，但用量控制困難，效果不明顯。

將沉香精油涂布在再造煙葉上，隨著沉香精油用量的增加，再造煙葉卷煙煙氣中總粒相物、煙堿和焦油含量均呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢。當(dāng)沉香精油用量為1%時，卷煙主流煙氣中總粒相物含量降低25.88%，煙堿含量降低20.83%，焦油含量降低26.81%。煙氣中CO的含量隨著精油用量的增加而降低，可能是因為沉香精油燃燒過程中生成的物質(zhì)與CO作用，從而降低了CO的排放。當(dāng)沉香精油用量達(dá)到10%時，CO含量降低7.61%。

添加了沉香精油微膠囊的再造煙葉，其卷煙隨著沉香精油微膠囊用量的增加，主流煙氣中總粒相物、煙堿和焦油含量均呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢，其中總粒相物和焦油含量均低于空白組。沉香精油微膠囊添加量為5%時，總粒相物和焦油含量下降最為明顯，分別降低了20.23%和21.98%。隨著沉香精油微膠囊添加量的增加，卷煙主流煙氣中的CO含量逐漸上升，這可能是由沉香精油微膠囊壁材燃燒所致。

3 結(jié)論

1）沉香木具有獨特香氣并具有一定藥理功效，其含有31.6%纖維素和22.43%半纖維素，為后續(xù)制成再造煙草薄片提供強(qiáng)度保障；其含有14.96%有機(jī)溶劑抽出物，主要成分為萜烯類、色酮類及芳香族類化合物，為實現(xiàn)香薰保健作用提供基礎(chǔ)。

2）不同沉香添加物對再造煙葉主流煙氣成分均有一定程度的影響。沉香木粉的添加可以輕微降低卷煙焦油的釋放量，但由于木質(zhì)素、纖維素等細(xì)胞壁成分的存在，使得CO的量輕微增加。沉香精油的添加為再造煙葉附加了沉香特有的倍半萜類（柳杉二醇）、色酮類（6,7-二甲氧基-2-(苯基乙基)色酮）和芳香類（2,6-二叔丁基苯酚、β-紫羅蘭酮）物質(zhì)，并且具有揮發(fā)性較大的硫化類物質(zhì)和芳香有機(jī)硫化物質(zhì)，可有效降低再造煙葉主流煙氣中總粒相物、煙堿、焦油和CO的含量。在試驗范圍內(nèi)，總粒相物、煙堿、焦油和CO含量最高可分別降低25.88%、20.83%、26.81%和7.61%。

3）添加沉香成分可以增加再造煙葉獨特的清神香氣，同時還能實現(xiàn)降焦減害作用。