木糖/脯氨酸共裂解过程挥发性化合物形成规律

罗昌荣 谢 焰 印黔黔

LUO Chang-rong1 XIE Yan2 YIN Qian-qian1

沈世豪2 黄 伟1 李炎强3 刘百战2

SHEN Shi-hao2 HUANGWei1 LIYan-qiang3 LIU Bai-zhan2

（1.上海牡丹香精香料有限公司，上海 201200；2.上海烟草集团有限责任公司，上海 200082；3.郑州烟草研究院，河南 郑州 450001）

(1.Shanghai Peony Flavor&Fragrance Co.,Ltd.,Shanghai201200,China;2.Shanghai Tobacco Group Co.,Ltd.,Shanghai200082,China;3.Zhengzhou Tobacco Research Institute,Zhengzhou,Henan 450001,China)

烤烟型卷烟或烟叶中最重要的组成成分是碳水化合物。碳水化合物的组成对卷烟香气和卷烟风格具有非常重要的影响，因此，研究卷烟产品中的碳水化合物在卷烟燃吸过程中的变化行为或机理具有非常重要的意义。但是，卷烟产品中的其它化学组分对碳水化合物的裂解产物种类、产物相对比例形成也具有一定的影响。这些化学组分包括蛋白质、氨基酸、脂肪酸、无机酸、有机酸以及无机盐等。因此，研究这些化学组分和碳水化合物的共同裂解尤其重要。由于烟叶的化学成分非常复杂，裂解时的化学反应（降解、裂解合成）也非常复杂，其中的反应机理和反应规律难于探索。用简单体系对复杂体系进行模拟，研究裂解过程中的产物形成和产物变化规律，对揭示复杂体系的反应机理具有一定的帮助。

木聚糖是烟叶半纤维素或烟草薄片用木浆（阔叶木和针叶木木浆）的主要组成成分，其主链由D-木糖基相互连接成均聚物线性分子。聚木糖类半纤维素是以1，4-B-D-吡喃木糖为主链，以4-氧甲基-吡喃型葡萄糖醛酸为支链的多糖。脯氨酸是烤烟型烟叶中含量最高的游离氨基酸，而且其与葡萄糖、果糖形成的1-L-脯氨酸-1-脱氧-D-果糖产物 (一种A－madori化合物)的含量可以达到2%～3.5%，本试验采用木糖与脯氨酸的混合体系，利用二者不同的组成比例，研究二者共同裂解形成的挥发性化合物形成规律，对揭示卷烟烟气形成具有一定的借鉴作用。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

D（+）-木糖：超纯级，Acros Organics；

L-脯氨酸：纯度 99%，Sigma-Aldrich Corporation；

石英棉：农残级，CDSAnalytical，LLC.。

1.2 设备与仪器

热裂解仪：CDS2000型，美国CDSAnalytical公司；

气相色谱—质谱联用仪：Agilent 6890/5973型，美国Agilent公司；

分析天平：XP603S型，瑞士Mettler Toledo公司；

程序升温进样器：CIS4型，美国Gerstel公司；

控制器：C506型，美国Gerstel公司。

1.3 试验方法

1.3.1 样品配制 准确称取1 g木糖，用5mL水溶解后，然后转移到10 mL容量瓶中，用水定容至10 mL。所得木糖溶液浓度为100mg/mL。

称取0.2 g的脯氨酸，用5 mL水溶解后，然后转移到10mL容量瓶中，用水定容至10mL。所得脯氨酸溶液浓度为20mg/mL。

1.3.2 裂解方法和气相色谱以及质谱条件 参照文献[1]。

1.3.3 裂解产物定性和分析 热裂解产物采用RTE积分方式，峰面积大于最大峰峰面积0.5%的予以积分，并应用质谱谱库进行检索定性。产物含量采用峰面积归一化进行计算，以2次平行测定的平均值为测定结果，具体参见文献[1]。

2 结果与讨论

2.1 木糖单独裂解时形成的挥发性裂解产物

图1 木糖裂解时形成的挥发性裂解产物总离子流图Figure 1 Total ion chromatogram of volatile pyrolysates of xylose

表1 木糖裂解时形成的主要挥发性化合物Table1 Themain volatile compounds formed in the pyrolysis process of xylose

由图1和表1可知，木糖裂解时所产生的主要裂解产物包括呋喃类[糠醛、5-甲基糠醛、2-糠醇、3-糠醇、3-甲基-2（5H）呋喃酮、2-乙酰基呋喃、2（5H）呋喃酮、5-甲基-2（5H）呋喃酮、3-羟基-2（5H）呋喃酮、二氢-4-羟基-2（3H）呋喃酮]、吡喃类（2H-吡喃-2-酮、5,6-二氢-2H-吡喃-2-酮,2,3-二氢-3,5-二羟基-6-甲基-4H-吡喃-4-酮）、环戊烷类（2-环戊烯-1,4-二酮、4-环戊烯-1,3-二酮、环戊酮、(S)-4-甲基-1-环戊烯甲醛、2-环戊-1-烯醇、2-羟基-3-甲基-2-环戊烯-1-酮、3-甲基-1,2-环戊二酮）、环己烷类、无水糖类以及脂肪酸类及其酯类。

木糖裂解形成的主要产物是糠醛，占挥发性化合物的45%，这与葡萄糖、果糖等己糖和蔗糖裂解的情况不同[2]，这3种糖裂解时形成的挥发性产物中糠醛的含量分别为18.4%，35.4%，27.5%。葡萄糖和果糖的主要裂解产物是5-羟甲基糠醛，具体裂解路线见图2，二者裂解时所形成的5-羟甲基糠醛的量分别是28.9%和38.4%，蔗糖裂解形成的主要产物也是5-羟甲基糠醛，其形成量为37.4%，而木糖裂解产物中5-羟甲基糠醛的含量非常低，仅为1%左右。同时，木糖和葡萄糖以及果糖的裂解产物的不同，可以说明戊糖和己糖的裂解机理存在较大的不同。戊糖裂解时容易形成糠醛，不易形成5-羟甲基糠醛，己糖和蔗糖裂解更容易形成5-羟甲基糠醛，其次是糠醛。

图2 葡萄糖和果糖单独热裂解以及它们和脯氨酸共裂解形成5-羟甲基糠醛示意图Figure 2 Proposed HMF formationmechansim when glucose and fructose were pyrolyzed alone respectively or co-pyrolyzed with proline

由图3可知，木糖在单独裂解时，可以直接脱去3分子水生成糠醛，这是一条比较简单和直接的途径，而且形成糠醛的得率非常高，这一点在工业中经常被利用。许多学者[3-7]也研究了利用木糖或木聚糖来制备糠醛。

由表1还可以得知，在裂解过程中大约有8.6%的木糖没有裂解，另外，其在裂解过程中发生了脱水，形成了一些脱水产物，这些脱水产物不能用质谱得到很好的结构鉴定。这和葡萄糖、果糖以及蔗糖裂解的情况比较类似，葡萄糖、果糖以及蔗糖在裂解时经脱水形成了左旋葡聚糖，其形成量分别是20.1%，1.0%，8.5%，左旋葡聚糖是糖裂解不完全的产物，这说明在高温裂解情况下，葡萄糖的稳定性最高，果糖最差，蔗糖的稳定性介于二者之间。这与糖裂解时所产生的挥发性化合物总峰面积的结果非常一致，在裂解时，果糖裂解所产生的挥发性化合物总峰面积最大（说明果糖易裂解），其次为蔗糖，葡萄糖最小（葡萄糖最稳定）。这也从另一个角度说明，烟叶在裂解时，木糖和果糖的反应活性最好，它有利于发生次级反应，它裂解形成的产物可能会与烟叶中其它化学成分裂解形成的产物发生裂解合成等次级反应，形成其它新的化合物，葡萄糖的反应活性要比果糖差，而蔗糖的反应活性居中。木糖属于戊糖，它裂解过程中不能形成己糖，所以在它的裂解产物中检测不到左旋葡聚糖的存在，但是在它的裂解产物中大约有8.6%的没有裂解的木糖存在，同时也有部分木糖的脱水产物存在。

图3 木糖单独热裂解以及它和脯氨酸共裂解形成2-糠醛示意图Figure 3 Proposed furfural formationmechansim when xylose was pyrolyzed alone or co-pyrolyzed with proline

在木糖裂解产物中，也检测到苯酚的存在，其含量大约为0.43%。这与葡萄糖、果糖以及蔗糖裂解的情况基本一样，葡萄糖、果糖和蔗糖在裂解过程中都形成了苯酚，其含量分别为0.65%，0.36%，0.50%。另外，在木糖裂解过程中未能检测到苯、甲苯、乙基苯、苯乙烯以及萘等稠环芳烃的存在。

2.2 脯氨酸单独裂解时所产生的挥发性裂解产物

在高温作用下，烟叶中的蛋白质和氨基酸会与碳水化合物进行反应，形成许多重要的挥发性化合物。脯氨酸是烤烟型烟叶中一种非常重要的氨基酸，其与葡萄糖形成的A－madori产物占烤烟型烟叶干重的2%～4%。游离的脯氨酸在烤烟型烟叶中含量也非常高。

由图4和表2可知，脯氨酸裂解时，其主要产物是Cyclo(L-prolyl-L-prolyl)，一个由两个脯氨酸形成的哌嗪二酮，占挥发性裂解产物的88.61%。这与文献[8]报道的结果相一致，它们认为氨基酸在裂解过程中形成的主要产物为哌嗪二酮，混合氨基酸裂解形成的产物为两个氨基酸相复合的哌嗪二酮，单一氨基酸裂解的产物为两分子氨基酸自身形成的哌嗪二酮。

图4 脯氨酸裂解产物的总离子流图Figure 4 Total ion chromatography of pyrolysates of proline

表2 脯氨酸裂解形成的主要裂解产物Table2 Themain pyrolysates of proline

2.3 木糖/脯氨酸混合物共裂解

木糖/脯氨酸共裂解产物的总离子流图见图5。挥发性化合物总峰面积见表3。

与木糖单独裂解相比较，木糖和脯氨酸共裂解时形成的糠醛的绝对含量和相对含量都迅速下降，单独裂解时糠醛的峰面积为12 175 032，而共裂解时糠醛的峰面积为1 742 729（木糖/脯氨酸为10∶1时），相对含量也从45%下降到13.8%。而当木糖/脯氨酸为5∶1时，其裂解产物中糠醛的相对含量为5.3%。糠醛是裂解过程中的中间产物，氨基酸的存在会迅速降低裂解产物中糠醛的含量，在木糖明显过剩的体系中也是如此。这也说明当木糖和氨基酸混合体系进行共裂解时，木糖降解的路线与其单独裂解时是不一样的，其是先和氨基酸反应形成Amadori产物，然后经1,2-烯醇化路线，最后降解形成糠醛，具体糠醛形成途径见图3，这条降解路径形成糠醛的含量与木糖直接降解形成的糠醛含量相比较就要低许多。这条降解途径可以从热力学角度进行解释，木糖单独降解时，其活化能较高，需要更多的热量才能形成糠醛，但是，当木糖和脯氨酸进行共裂解时，较木糖单独进行热裂解时，由于氨基酸的存在，木糖与脯氨酸混合后反应活化能要比其单独降解时的活化能有了很大程度的降低。因此，当有氨基酸存在时，木糖的降解路线与其单独降解时的路线不一样，其会经Amadori产物降解路线形成糠醛，而不是直接裂解形成糠醛后，再与脯氨酸进行反应。在木糖含量明显过剩的体系中也是如此，因为在经Maillard反应形成糠醛的路径中，脯氨酸其实只是起到一个催化剂的作用，降低了反应的活化能，其本身并没有被消耗，脯氨酸只是与木糖裂解经2,3-烯醇化产生的小分子碎片进行次级反应或与裂解产生的糠醛反应而被消耗。对于5-羟甲基糠醛，共裂解产物中的含量非常低，相对含量分别为 0.15%（5∶1）和 0.32%（10∶1），而木糖单独裂解时其相对含量为1%左右。

图5 木糖/脯氨酸共裂解产物的总离子流图Figure 5 Total ion chromatography of co-pyrolysates of xylose/proline

表3 挥发性化合物总峰面积Table3 The total peak area of volatiles formed in the pyrolysis process

从表1、表4和前面的讨论可以知道，木糖在裂解时，其未能得到充分的裂解，产物中大约有8.6%的木糖没有裂解，同时也有部分木糖的脱水产物存在。但是，在与脯氨酸共裂解时，木糖的降解产物中已经检测不到木糖的存在，原来一些木糖降解形成的脱水糖类产物的绝对含量和相对含量都有了明显的下降，这可能有两方面的原因：①可能是因为木糖和脯氨酸结合形成了大分子物质，这些物质未能完全降解而仍然残留在裂解管内（碳化）；② 可能是因为脯氨酸的存在，催化加速二者的结合，降低了反应的活化能，加快了木糖的转化进程。但是，结合表3来看，由于共裂解时所产生的挥发性化合物总峰面积要远小于木糖单独裂解时所形成的由此可以推断，木糖和脯氨酸结合形成大分子物质未能得到充分裂解，在裂解过程中它们被碳化。

表4 木糖与脯氨酸共裂解形成的挥发性产物Table4 Themain pyrolysates of the co-pyrolysis of xylose/prolinemixtures

另外，共裂解时，裂解形成的苯酚含量也比单独裂解时形成的苯酚含量有明显下降，共裂解形成的苯酚含量约为单独裂解时的33%左右（木糖/脯氨酸200μg/20μg时）。而前面也刚讨论到共裂解时所产生的糠醛含量约为单独裂解时的14%左右。因此，在烤烟型卷烟产品中，尽管存在高含量的糖类成分，但由于氨基酸的存在，降低了糖类单独降解时会形成的苯酚和糠醛含量，因此，在卷烟烟气中苯酚和糠醛的含量其实并不高，要远低于糖类单独裂解所形成的糠醛和苯酚形成量。卷烟产品中，氨基酸的存在，会改变糖的降解途径，影响糖的降解产物形成，从而改变卷烟的香型和风格。

3 结束语

(1)木糖单独裂解的主要产物为糠醛，糠醛占裂解形成的挥发性化合物的45%，而葡萄糖、果糖和蔗糖裂解时所形成的主要产物5-羟甲基糠醛（分别为28.9%，38.4%，37.4%）和糠醛（18.4%，35.4%，27.5%）。脯氨酸裂解时，其主要产物是哌嗪二酮，占挥发性裂解产物的88.61%。

(2)对木糖、葡萄糖、果糖和蔗糖裂解裂解形成糠醛以及5-羟甲基糠醛的路径进行了推测，木糖单独裂解时是通过脱去3分子水直接变成糠醛。

(3)对5∶1和10∶1的木糖和脯氨酸混合物进行了共裂解，木糖和脯氨酸之间的比例对挥发性产物的形成比例具有明显的影响。

(4)脯氨酸的存在改变了木糖形成糠醛的路径，木糖主要经形成Amadori产物降解路线形成糠醛，脯氨酸在木糖降解路径中开始只是起到催化剂的作用，然后脯氨酸才与木糖裂解形成的碎片反应而开始被消耗。

(5)木糖和氨基酸共裂解形成的挥发性产物的含量要低于木糖单独裂解时所形成的挥发性产物含量，说明木糖与脯氨酸结合形成了大分子物质，而这些大分子物质在裂解过程中主要是被碳化。

(6)共裂解形成的苯酚含量也比单独裂解时形成的苯酚含量有明显下降，共裂解形成的苯酚含量约为单独裂解时的33%左右。

1 Richard R Baker,Louise J Bishop.The pyrolysis of tobacco ingredients[J].Journal of Analytical and Applied Pyrolysis,2004,71：223～311.

2 罗昌荣,谢焰,印黔黔.葡萄糖、果糖和蔗糖/脯氨酸的共裂解行为研究[J].烟草科技,2013(in press).

3 Joseph B Binder,Jacqueline JBlank,Anthony V Cefali,et al.Synthesis of Furfural from Xylose and Xylan[J].Chem Sus Chem,2010,3(11)：1 268～1 272.

4 Ronen Weingarten,Joungmo Cho,Wm Curtis Conner,et al.Kinetics of furfural production by dehydration of xylose in a biphasic reactor with microwave heating[J].Green Chemistry,2010,12：1 423～1 429.

5 Edmond Lam,Jonathan H Chong,Ehsan Majid,et al.Carbocatalytic dehydration of xylose to furfural in water[J].Carbon,2012,50(3)：1 033～1 043.

6 Amar Singh,Kumudeswar Das,Durlubh K.Sharma,integrated process for production of xylose,furfural,and glucose from bagasse by two-step acid hydrolysis[J].Ind.Eng.Chem.Prod.Res.Dev.,1984,23(2)：257～262.

7 Saet Byul Kim,Su Jin You,Yong Tae Kim,et al.Dehydration of D-xylose into furfural over H-zeolites[J].Korean Journal of Chemical Engineering,2011,28(3)：710～716.

8 N Gallois,J Templier,S Derenne.Pyrolysis-gas chromatographymass spectrometry of the 20 protein amino acids in the presence of TMAH[J].Journal of Analytical and Applied Pyrolysis,2007,80(1)：216～230.