巨豆三烯酮-β-環(huán)糊精包合物的制備及其卷煙加香應(yīng)用

劉云飛， 郭 琪， 姬小明， 董愛(ài)君， 付 博， 周冰怡

(1.河南農(nóng)業(yè)大學(xué) 煙草學(xué)院 河南省香精香料與調(diào)香工程技術(shù)研究中心， 河南 鄭州 450002； 2.河南新鄭金葉香料有限公司， 河南 新鄭 451100； 3.湖北中煙工業(yè)有限責(zé)任公司 技術(shù)研發(fā)中心， 湖北 武漢 430040)

0 引言

巨豆三烯酮(MEG)為黃色透明油狀液體，通常為同分異構(gòu)體的混合物，是煙草中一種重要的致香成分，具有煙草香和辛香底韻，有增強(qiáng)煙香、改善吸味、調(diào)和煙氣、減少刺激性的作用，是卷煙調(diào)香不可缺少的香原料[1,2]，烤煙中MEG的含量與中性香氣成分含量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系[3].MEG對(duì)卷煙的香氣起著重要的作用，但因其雙鍵多，共軛體系大而容易聚合，難以?xún)?chǔ)存，因而會(huì)影響卷煙產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定和風(fēng)格的一致[4].

環(huán)糊精(CD)是一類(lèi)由多個(gè)D-吡喃葡萄糖單元通過(guò)α-1,4-糖苷鍵相互連接而成的環(huán)狀低聚糖，其分子呈現(xiàn)為一個(gè)外表親水的疏水內(nèi)腔結(jié)構(gòu)，可以將疏水性客體包埋在其空腔內(nèi)而形成包合物，從而提高客體的穩(wěn)定性[5,6].目前已實(shí)現(xiàn)商業(yè)化的環(huán)糊精主要有α-環(huán)糊精、β-環(huán)糊精、γ-環(huán)糊精(α-CD、β-CD、γ-CD)三種產(chǎn)品[7]，它們分別含有6、7、8個(gè)葡萄糖單元.應(yīng)用最為廣泛的是β-CD，因?yàn)樗a(chǎn)成本低，分子空洞空隙適中，適用于多個(gè)領(lǐng)域[8].在包合物體系中，客體分子穿入到環(huán)糊精的空腔內(nèi)，二者之間主要通過(guò)范德華力結(jié)合，形成較為穩(wěn)定的結(jié)構(gòu).研究表明，環(huán)糊精可提高客體分子的化學(xué)穩(wěn)定性[9]和生物利用度，還可增加某些藥物分子的抗氧化活性[10].Zhu等[11]、Ciobanu等[12]用β-CD包埋煙用香料，提高了香料成分的熱穩(wěn)定性、延長(zhǎng)了煙草的留香時(shí)間；郭洋等[13]向再造煙葉生產(chǎn)中的煙草浸提液添加環(huán)糊精，可以降低化學(xué)成分的揮發(fā)量.以環(huán)糊精為載體對(duì)MEG進(jìn)行包埋提高M(jìn)EG穩(wěn)定性的相關(guān)文獻(xiàn)未見(jiàn)報(bào)道，因此，以β-CD作為載體，采用飽和水溶液法制備MEG包合物，研究包合物的熱穩(wěn)定性，旨在為MEG的加香應(yīng)用提供新的思路.

1 試驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

1.1.1 主要試劑

MEG(AR，≥97%)，河南新鄭金葉香料有限公司；β-環(huán)糊精(≥99.5%)，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；無(wú)水乙醇(AR)，北京化工廠.

1.1.2 主要儀器

UV-8100 B型紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)(中國(guó)北京萊伯泰科儀器有限公司)；Thermo Nicolet Nexus iS10型傅里葉變換紅外光譜儀(美國(guó)Thermo公司)；DSC-60A型差示掃描量熱儀(日本).

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 包合物的制備

采用飽和水溶液法[14]制備MEG和β-CD的包合物.稱(chēng)取1.85 gβ-CD，加入100 mL去離子水，在溫度25 ℃下制備其飽和溶液.按β-CD與MEG摩爾比1∶1，稱(chēng)取0.31 g MEG，溶于20 mL無(wú)水乙醇中，攪拌下緩慢加入到100 mLβ-CD飽和溶液中，控制溫度60 ℃，轉(zhuǎn)速200 r/min，攪拌6 h.將所得反應(yīng)液的溫度緩慢降至4 ℃，靜置48 h，抽濾，依次用少量水和無(wú)水乙醇反復(fù)洗滌固形物，在40 ℃的真空干燥箱中烘干得到β-CD與MEG的包合物MEC，冷卻，稱(chēng)重，干燥器儲(chǔ)存?zhèn)溆?

1.2.2 包合率的測(cè)定

采用紫外-可見(jiàn)分光光度法測(cè)定包合物中被包合的MEG的量[15].用無(wú)水乙醇配置不同濃度的MEG溶液，篩選合適濃度用紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)進(jìn)行全波長(zhǎng)掃描，結(jié)果顯示MEG無(wú)水乙醇溶液在326 nm處有最大吸收.準(zhǔn)確稱(chēng)MEG 0.20 g，用無(wú)水乙醇稀釋定容至1 L作為母液，精確量取1 mL、2 mL、3 mL、4 mL、5 mL置25 mL容量瓶中，定容，搖勻，在326 nm處測(cè)定吸光度，以吸光度(A)對(duì)MEG無(wú)水乙醇溶液的濃度(μg/mL)進(jìn)行線(xiàn)性回歸.回歸方程為A=0.026 5x-0.018 6，R2=0.999 9.結(jié)果表明在8～40μg/mL范圍內(nèi)MEG無(wú)水乙醇溶液的濃度與吸光度線(xiàn)性關(guān)系良好.

稱(chēng)取3份包合物，每份0.25 g，分別加無(wú)水乙醇溶解，超聲提取15 min后，定容至250 mL；再取上清液1 mL置25 mL容量瓶中，定容，搖勻，用0.45μm的微孔濾膜過(guò)濾，濾液于326 nm處測(cè)定吸光度值，將吸光度值代入回歸方程計(jì)算包合物中MEG的平均含量.

包合產(chǎn)率及包合率的計(jì)算按照公式(1)、(2)進(jìn)行：

(1)

式(1)中：M1為包合物質(zhì)量，g；M2為投入MEG和β-環(huán)糊精的總質(zhì)量，g；Ip為包合產(chǎn)率，%.

(2)

式(2)中：m為包合物中MEG的質(zhì)量，g；M為制備包合物投入的MEG的質(zhì)量，g；Ir為包合率，%.

1.3 結(jié)構(gòu)表征與穩(wěn)定性試驗(yàn)

1.3.1 傅里葉變換紅外光譜(FT-IR)測(cè)定

利用傅里葉變換紅外光譜分析儀對(duì)干燥的β-CD、MEG、混合物(MIXT，β-CD與MEG摩爾比1∶1攪拌均勻)和MEC進(jìn)行結(jié)構(gòu)表征，將樣品與溴化鉀共磨、壓片，測(cè)量范圍為4 000～500 cm-1，分辨率為4 cm-1.

1.3.2 差示掃描量熱(DSC)測(cè)定

分別取3.00 mgβ-CD、MEG、MIXT、MEC四種樣品放置于差示掃描量熱儀內(nèi)，設(shè)置測(cè)定條件載氣(高純Ar)流速為20 mL/min，升溫速率為10 ℃/min，升溫范圍為30 ℃～500 ℃，進(jìn)行DSC測(cè)定.

1.3.3 熱重-微商熱重(TG-DTG)測(cè)定

將MEG-β-CD包合物置于差示掃描量熱儀內(nèi)，設(shè)置測(cè)定條件載氣(高純Ar)流速為20 mL/min，升溫范圍為30 ℃～500 ℃，升溫速率為10 ℃/min，對(duì)包合物進(jìn)行TG-DTG測(cè)定.

1.4 加香試驗(yàn)

參考文獻(xiàn)[16,17]確定加香適宜用量為50 mg/kg，用95%乙醇分別溶解MEG、MIXT、MEC，裝入喉頭噴霧器均勻噴灑到煙絲上，煙絲在恒溫 (22±1) ℃、恒濕 (相對(duì)濕度65%) 條件下平衡48 h后卷制成煙支.由湖北中煙工業(yè)有限責(zé)任公司專(zhuān)家評(píng)吸，經(jīng)7名專(zhuān)業(yè)評(píng)委評(píng)吸對(duì)加香后0 d、30 d、60 d、90 d的単料煙進(jìn)行感官評(píng)價(jià).

2 結(jié)果與討論

2.1 包合產(chǎn)率及包合率

包合物質(zhì)量M1平均值為1.55 g，MEG和β-環(huán)糊精的投入量M2為2.16 g，由式(1)計(jì)算包合物產(chǎn)率為71.76%.測(cè)得吸光度平均值為0.826 0，由回歸方程計(jì)算包合物中MEG的濃度為31.87μg/mL，包合物中MEG的質(zhì)量m為199.20 mg，由式(2)計(jì)算出包合率為79.68%.包合產(chǎn)率及包合率均高于70.00%，說(shuō)明用β-CD包合MEG可行.

2.2 FT-IR分析

圖1為β-CD、MEG、MIXT、MEC在4 000～500 cm-1范圍內(nèi)的FTIR譜圖.圖1中a曲線(xiàn)的3 380.75 cm-1、2 925.61 cm-1和1 027.92 cm-1處為β-CD的特征峰[18].b曲線(xiàn)中1735.69 cm-1頻率處的C=O伸縮振動(dòng)，為MEG的特征峰[19].c曲線(xiàn)中既包含β-CD的O-H的伸縮振動(dòng)、CH2和C-C的對(duì)稱(chēng)和反對(duì)稱(chēng)拉伸以及O-H的彎曲振動(dòng)，又有MEG的特征峰，為二者的加和，說(shuō)明混合物只是二者簡(jiǎn)單的混合，沒(méi)有發(fā)生包和作用形成包合物.與c曲線(xiàn)相比，d曲線(xiàn)峰數(shù)明顯減少，峰強(qiáng)度減弱，尤其在1 735.69 cm-1處的C=O振動(dòng)峰，MEG的特征峰峰值強(qiáng)度明顯降低，且d曲線(xiàn)與a曲線(xiàn)峰的形狀基本吻合，說(shuō)明MEG插入β-CD的錐形空腔中與β-CD形成包合物.

圖1 β-CD、MEG、MIXT和MEC的FT-IR圖

2.3 DSC分析

如圖2(a)所示，β-CD在99.41 ℃和258.59 ℃分別有一個(gè)特征吸熱峰；圖2(b)顯示MEG在42.58 ℃和238.58 ℃分別有一個(gè)特征吸熱峰；圖2(d)顯示MEC在79.61 ℃和265.51 ℃出現(xiàn)吸熱峰，與β-CD在99.41 ℃和258.59 ℃的特征吸熱峰相比峰形較寬，與MEG在42.58 ℃和 238.59 ℃的特征吸熱峰相比吸熱峰溫度明顯提高，證明了MEC的形成和熱穩(wěn)定性的提高；圖2(c)顯示MIXT在86.80 ℃和285.01 ℃出現(xiàn)吸熱峰，與β-CD相比峰形相似第二個(gè)吸熱峰溫度提高，可能由于主客體在高溫熔融條件下部分形成包合物所致[20].

2.4 TG-DTG分析

如圖3(a)所示，隨著溫度的升高，β-CD的熱降解可分為三個(gè)階段：第一階段發(fā)生在30.00 ℃～282.46 ℃的溫度范圍內(nèi)，β-CD的質(zhì)量損失約為20.91%，在此階段，DTG曲線(xiàn)頂部出現(xiàn)一個(gè)峰值溫度(Tp，1=85.16 ℃)；第二階段質(zhì)量損失開(kāi)始于282.46 ℃，結(jié)束于349.94 ℃，是質(zhì)量快速損失階段，總質(zhì)量損失為42.00%，β-CD的DTG曲線(xiàn)顯示出一個(gè)明顯的峰值溫度(Tp，2=322.49 ℃)；從375.00 ℃到500.00 ℃，TG曲線(xiàn)趨于平緩，顯示出前一步驟的殘余碳質(zhì)物質(zhì).

如圖3(b)所示，MEG的熱分解過(guò)程明顯分兩步進(jìn)行：第一階段在30.00 ℃～262.58 ℃范圍內(nèi)，MEG的質(zhì)量損失為82.41%；第二階段為緩慢的質(zhì)量損失過(guò)程，質(zhì)量損失為13.70%，在30.00 ℃～262.58 ℃的溫度范圍內(nèi)，MEG的DTG曲線(xiàn)出現(xiàn)一個(gè)峰值溫度(Tp，1=230.08 ℃).

如圖3(c)所示，MIXT經(jīng)歷了四個(gè)主要的質(zhì)量損失階段：在30.00 ℃～99.96 ℃溫度范圍內(nèi)，MIXT質(zhì)量總質(zhì)量損失為7.05%，在此過(guò)程中MIXT的DTG曲線(xiàn)顯示出峰值溫度(Tp，1=85.06 ℃)；99.96 ℃～282.46 ℃下MIXT質(zhì)量損失，總質(zhì)量損失為3.09%；282.46 ℃～359.96 ℃溫度范圍內(nèi)MIXT總質(zhì)量損失為58.92%，MIXT的DTG曲線(xiàn)顯示出峰值溫度(Tp，2=322.47 ℃)從359.96 ℃到500.00 ℃，TG曲線(xiàn)趨于平緩.

從圖3(d) MEC的TG和DTG曲線(xiàn)可以看出，熱分解有三個(gè)階段：第一階段分解發(fā)生在30.00 ℃～284.99 ℃之間，總質(zhì)量損失為13.71%，質(zhì)量損失較少，說(shuō)明MEC分解較少；第二個(gè)質(zhì)量損失步驟開(kāi)始于284.99 ℃，結(jié)束于347.49 ℃，TG曲線(xiàn)顯示了一個(gè)非常急劇的損失過(guò)程，質(zhì)量損失為原始質(zhì)量的64.34%，在此階段，MEC的DTG曲線(xiàn)只有一個(gè)峰溫(Tp，1=322.51 ℃)；347.49 ℃后，TG曲線(xiàn)趨于穩(wěn)定，質(zhì)量損失約為原始質(zhì)量的12.08%.結(jié)果表明，在30.00 ℃～262.58 ℃溫度范圍內(nèi)，MEG的質(zhì)量損失為82.41%，而MEC的質(zhì)量損失僅為11.04%，與MEG相比MEC的熱穩(wěn)定性提高了71.37%.在30 ℃～500 ℃范圍內(nèi)MEC的分解質(zhì)量損失為76.43%，MEG的分解質(zhì)量損失為96.12%，與MEG相比MEC的熱穩(wěn)定性提高了19.71%.以上結(jié)果表明MEG和β-CD形成了包合物，MEC中β-CD的腔體對(duì)MEG具有保護(hù)作用，使MEG的穩(wěn)定性提高.

圖3 β-CD、MEG、MIXT和MEC的 La2O3(12) TG和DTG曲線(xiàn)圖

2.5 加香評(píng)吸結(jié)果分析

如表1所示，在最初加香時(shí)，MEG、MIXT和MEC加香后均提高了香氣質(zhì)、香氣量、濃度、雜氣、刺激性和余味得分，說(shuō)明在最初加香MEG、MIXT和MEC的效果一致，均能提高卷煙感官質(zhì)量.隨著時(shí)間的推移，空白卷煙的感官質(zhì)量變化不大，MEG、MIXT和MEC處理香氣質(zhì)、香氣量、濃度、雜氣、刺激性和余味得分均呈下降趨勢(shì)，說(shuō)明加香物質(zhì)加香效果會(huì)隨著時(shí)間的推移而減弱.MEG和MIXT處理各指標(biāo)得分隨加香時(shí)間推移下降趨勢(shì)較MEC處理快，MEG和MIXT處理各指標(biāo)得分隨著加香時(shí)間的推移下降趨勢(shì)及程度基本一致，香氣質(zhì)、香氣量、濃度、雜氣得分均在60 d比30 d時(shí)減少較多分別減少了0.3、0.4、0.4、0.2和0.3、0.4、0.3、0.2，而MEC加香后只分別減少了0.1、0.1、0.1、0.1，說(shuō)明在60 d時(shí)MEC加香效果開(kāi)始明顯優(yōu)于MEG和MIXT.在加香90 d時(shí)， MEC處理與MEG處理相比香氣質(zhì)、香氣量、濃度、雜氣、刺激性和余味得分分別提高了6.45%、8.06%、9.84%、3.27%、1.59%和3.33%，MEC處理與MIXT處理相比香氣質(zhì)、香氣量、濃度、雜氣、刺激性和余味得分分別提高了4.76%、8.06%、8.06%、5.00%、3.23%和1.64%.

綜上可知，MEG加香能提高卷煙部分感官質(zhì)量指標(biāo)得分，但隨著加香時(shí)間的推移加香效果逐漸減弱，在加香后60 d后加香效果減弱明顯，而MEC能夠提高M(jìn)EG的穩(wěn)定性，使MEG隨著加香時(shí)間的推移加香效果減弱較慢.

表1 MEG、MIXT和MEC單料煙加香后的 感官質(zhì)量評(píng)價(jià)

3 結(jié)論

為提高巨豆三烯酮的穩(wěn)定性及其卷煙加香效果，以β-環(huán)糊精為包埋材料，采用飽和水溶液法對(duì)巨豆三烯酮進(jìn)行包合，對(duì)包合物的形成進(jìn)行表征，并分析包合物的穩(wěn)定性，然后將其應(yīng)用于卷煙產(chǎn)品進(jìn)行感官質(zhì)量評(píng)價(jià)，得結(jié)論如下：

(1)飽和水溶液法可以制備巨豆三烯酮-β-環(huán)糊精包合物，提高巨豆三烯酮的穩(wěn)定性.升溫速率為10 ℃/min，溫度升至262.58 ℃時(shí)，與MEG相比，MEC的熱穩(wěn)定性提高了71.37%；溫度升至500 ℃時(shí)，MEC的熱穩(wěn)定性比MEG提高了19.71%.

(2)隨著加香時(shí)間的推移到90 d，MEC香氣質(zhì)、香氣量、濃度、雜氣、刺激性和余味均高于未包合的MEG和MIXT.合成的MEC有效的提高了巨豆三烯酮的穩(wěn)定性，從而在卷煙加香起到緩釋效果，為巨豆三烯酮在卷煙加香應(yīng)用提供了新的途徑.

(3)以β-環(huán)糊精為包埋材料，其生產(chǎn)成本低，安全性可靠，飽和水溶液法包合巨豆三烯酮制備條件簡(jiǎn)單，易于工業(yè)化生產(chǎn)，能夠有效彌補(bǔ)巨豆三烯酮易聚合，難儲(chǔ)存的缺點(diǎn)，加香應(yīng)用效果明顯.