2-L-丙氨酸-2-脱氧-D-葡萄糖的合成、热裂解及保润性能研究

芦昶彤 赵永振 王宏伟 顾 亮 李耀光 王鹏飞 李红涛 赵志伟 孙志涛 段 鹍

(河南中烟工业有限责任公司技术中心，河南 郑州 450000)

Maillard反应是食品加工和贮藏过程中发生的一类重要化学反应，对食品的风味、颜色及营养等品质具有重要影响[1-2]。Amadori化合物与Heyns化合物是烟草或烘焙食品中重要香味前体物，分别由葡萄糖和果糖与氨基酸经Maillard反应产生，该类化合物无色无味，但经加热可裂解释放大量呋喃、吡咯及吡嗪类香味化合物，提升烟草制品感官质量[3-4]。

Amadori化合物已有较多研究报道。Stefanowicz等[5]报道了Amadori化合物合成方法；Sanz等[6]和Davidek等[7]利用高效阴离子色谱串联质谱法测定了杏干和西红柿干中Amadori化合物；Yuan等[8]采用高效液相色谱串联质谱法测定了葡萄干中Amadori化合物和Heyns化合物含量。Despointes等[9]和Yaylayan等[10]研究了1-L-脯氨酸-1-脱氧-D-果糖在不同温度下热裂解产物；Koch[11]发现番茄制品中的1-L-组氨酸-1-脱氧-D-果糖具有较强抗氧化活性，与番茄红素相互作用可降低前列腺癌风险；Ha等[12]研究发现红参中Amadori化合物具有降血糖作用，可通过抑制糖在胃和肠内吸收，降低餐后血糖升高。由于酮糖反应活性低于醛糖，较难发生Maillard反应[13]，Heyns化合物合成报道较少，其中2-L-丙氨酸-2-脱氧-D-葡萄糖(Ala-Glu)合成研究未见报道。

本试验以L-丙氨酸(Ala)和D-果糖(Fru)为原料合成了一种Heyns化合物——2-L-丙氨酸-2-脱氧-D-葡萄糖(Ala-Glu)，采用TG-DTG和Py-GC/MS研究化合物热裂解，并对其进行物理保润性能检测及在卷烟应用研究，为Heyns化合物合成及在卷烟中应用提供理论指导。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

1.1.1 材料与试剂

L-丙氨酸：99.5%，北京索莱宝科技有限公司；

D-果糖：99%，国药集团化学试剂有限公司；

硅胶：300～400目，CP纯，青岛海洋化工厂；

无水甲醇、正丁醇、柠檬酸、无水乙醇、甘油、茚三酮、冰乙酸、丙二醇：国产分析纯。

1.1.2 主要仪器设备

电子天平：AY 120型，日本岛津公司；

智能恒温磁力搅拌器：ZNCL-G型，上海长城仪器科技有限公司；

旋转蒸发仪：R201型，瑞士Buchi公司；

红外光谱仪：5DDXB FT-IR型，美国Bruker公司；

核磁共振谱仪：Varian INOVA-600型，美国Varian公司；

高分辨率质谱仪：MAT 95XP型，美国Thermo公司；

热分析仪：SDTQ600型，美国TA公司；

气质联用仪：6890N+5975型，美国Agilent公司；

热裂解器：Pyroprobe 5200型，美国CDS公司。

1.2 方法

1.2.1 2-L-丙氨酸-2-脱氧-D-葡萄糖(Ala-Glu)的合成

Ala-Glu的合成路线见图1。

图1 Ala-Glu的合成反应路线

向三口瓶中加入19.0 g(0.11 mol)无水D-果糖和250 mL 无水甲醇，搅拌回流溶解，加入8.9 g(0.1 mol)L-丙氨酸并回流反应0.5 h，加入0.384 g(0.002 mol)的柠檬酸继续反应4 h。反应液冷却至室温后，过滤、减压蒸馏除净溶剂后，采用硅胶柱层析分离，洗脱剂为正丁醇—冰乙酸—水混合液(4∶2∶1，体积比)。采用薄层色谱法(TLC)监控，展开剂为正丁醇—冰乙酸—水混合液(4∶2∶1，体积比)，显色剂为2%茚三酮甲醇溶液。合并含有目标产物洗脱液，减压蒸馏至干后，在甲醇中重结晶2次后得白色晶体，称重计算产率为69.15%。

1.2.2 TG-DTG分析 称取3.00 mg Ala-Glu，置于高纯氧化铝坩埚内。热重分析仪温度区间设定为25～800 ℃，在体积分数为10%氧气氛围中以9 ℃/min速率升温，气体流速：90 mL/min。

1.2.3 在线Py-GC/MS热裂解产物分析

(1) 称取Ala-Glu样品0.5 mg放入裂解管中，在不同温度下瞬间裂解，裂解化合物通过氦气导入GC/MS中分析。

(2) 升温程序：初始温度为50 ℃，升温速率为20 ℃/ms，分别设定250，450，650，900 ℃ 4个温度，保持10 s；裂解氛围为体积分数90%氮气和10%氧气；传输线温度250 ℃；吸附阱条件：吸附温度50 ℃，脱附温度280 ℃。

(3) 色谱条件：毛细管色谱柱DB-5MS色谱柱(250 μm×0.25 μm×50 m)；升温程序：初始温度50 ℃，保持1.5 min，以10 ℃/min升温至200 ℃，保持10 min；进样口温度200 ℃；载气为氦气；流速1 mL/min；分流比50∶1。

(4) 质谱条件：离子源EI；离子源温度230 ℃；电子能量70 eV；扫描范围30～1 000 amu；四极杆温度150 ℃。

1.2.4 保润性能测试 按参考文献[14]的方法，测试烟丝在低湿和高湿2种环境条件下含水率变化，考察Ala-Glu对烟丝保润效果。将未添加保润剂的烟丝在温度(22±1) ℃，湿度(60±2)%下平衡2 d。以0.5%的用量(烟丝质量)将Ala-Glu、丙二醇和甘油添加到3份烟丝中，对照样为添加相同质量蒸馏水的烟丝。将4份烟丝于温度(22±1) ℃，湿度(60±2)%下平衡2 d，然后分别放置在低湿和高湿2种环境下，测试烟丝解湿和吸湿过程的含水率变化趋势，考察3种化合物的保润效果，低湿条件：温度(22±1) ℃和湿度(40±2)%；高湿条件：温度(22±1) ℃和湿度(70±2)%。

1.2.5 卷烟感官评定 分别以烟丝质量的0.1‰，0.5‰，1.0‰，1.5‰称取Ala-Glu，并以适量体积分数为95%的乙醇水溶液稀释后，均匀施加至烟丝中，卷制。按GB/T 5606.1—2014的方法挑选卷烟样品，各挑选出100支同一重量卷烟，并在温度为(22±1) ℃、湿度为(60±2)%环境下平衡2 d，按GB 5606.4—2005进行感官对比评吸，对照样为未加香料空白烟丝。

2 结果与分析

2.1 结构分析与表征

Ala-Glu的化学结构见图2，其红外光谱(IR)、核磁共振氢谱(1HNMR)、核磁共振碳谱(13CNMR)和高分辨率质谱(HRMS)数据见表1。

图2 Ala-Glu的化学结构

方法结构表征数据IR(KBr, cm-1)3 338.2(O-H); 2 922.5(C-H); 1 765.3(C=O); 1 050.1, 1 011.3, 992.9(C-O-C)1HNMR(D2O)5.311, 5.560(d, 1H, 1-CH); 3.903-3.938(m, 1H, 6-CH2); 3.800-3.861(m, 1H, 5-CH); 3.704-3.765(m, 1H, 3-CH); 3.643-3.681(m, 1H, 6-CH2); 3.500, 3.516(d, 1H, 2′-CH); 3.391-3.443(m, 1H, 4-CH); 2.829-2.880(m, 1H, 2-CH)13CNMR(D2O)174.669(1′-C); 101.392(1-C); 80.757(5-C); 76.733(4-C); 73.002(3-C); 66.606(2-C); 63.883(6-C); 56.491(2′-C)HRMS(ESI+)252.237 89[M+H]+(计算值:252.237 20)

2.2 TG-DTG分析

Ala-Glu的TG-DTG曲线图见图3。

由图3可知，Ala-Glu发生3次失重过程，第一次失重发生在常温200 ℃，样品发生明显热失重，约失重45%；第二次失重发生在200～500 ℃，样品发生略缓慢热失重，约失重40%，第一、第二阶段为样品主要失重阶段，合计失重85%。500 ℃之后样品失重较缓慢，当样品被加热到800 ℃时，样品总失重达到90%。Ala-Glu在178.9 ℃处失重速率最大。

图3 Ala-Glu的TG-DTG图

综合分析，Ala-Glu为没有熔点化合物，裂解温度为178.9 ℃。

2.3 Py-GC/MS热裂解产物分析

为确定Ala-Glu的主要裂解产物，在相同试验条件下，对裂解产物的保留时间及质谱图进行比对分析，利用标准品混合标样法分析2-乙基呋喃等18种物质，其他化合物采用质谱库分析，采用峰面积归一法确定各组分相对含量(质量分数)，结果见表2。为保证试验结果的可重复性和准确性，4个裂解温度分别重复试验3次，计算含量相对标准偏差，各裂解产物的RSD为0.86%～13.21%，说明试验方法准确可靠。

Ala-Glu在250，450，650，900 ℃ 4个裂解温度下裂解产物分别为18，28，41，45种，产物数量随裂解温度升高而逐渐增多。Ala-Glu在250 ℃下裂解时，产生15种杂环类化合物(相对含量43.38%，呋喃类、吡嗪类、吡啶类、吡咯类、糠醇类、呋喃酮类和吡喃酮类)，1种羧酸类物质(相对含量10.02%，乙酸)，酮类2种物质(相对含量1.73%，2-环戊烯-1，4-二酮、2，3-二甲基-2-环戊烯-1-酮)。其中2,3-二氢-3,5-二羟基-6-甲基-4H-吡喃-4-酮(DDMP)的相对含量最高，为25.10%；乙酸次之，为10.02%；2,5-二甲基-4-羟基-3(2H)-呋喃酮和2-乙基呋喃的相对含量均在2.60%以上。

Ala-Glu在450 ℃下裂解，裂解产物数量较250 ℃下增加10种，产生24种杂环类物质(相对含量60.59%，呋喃类、吡嗪类、吡咯类、吡啶类、糠醇类、呋喃酮类、吡喃酮类和吲哚类)，1种羧酸类物质(相对含量3.80%，乙酸)，3种酮类物质(相对含量3.01%，2-环戊烯-1，4-二酮、3-甲基-2-环戊烯-1-酮、2，3-二甲基-2-环戊烯-1-酮)。2,3-二氢-3,5-二羟基-6-甲基-4H-吡喃-4-酮(DDMP)相对含量最高，为32.51%；2,5-二甲基-4-羟基-3(2H)-呋喃酮次之，为4.67%；乙酸、2,5-二甲基吡嗪、2-乙基呋喃和2,6-二甲基吡嗪的相对含量均在1.98% 以上。

Ala-Glu在650 ℃下裂解，产生33种杂环类物质(相对含量55.33%，呋喃类、吡嗪类、吡咯类、吡啶类、糠醇类、呋喃酮类、吡喃酮类和吲哚)，1种羧酸类物质(相对含量2.23%，乙酸)，2种芳烃类物质(相对含量0.60%，甲苯和1-甲基茚)，5种酮类物质(相对含量5.72%，环戊烯酮类)。2,3-二氢-3,5-二羟基-6-甲基-4H-吡喃-4-酮(DDMP)相对含量最高，为15.67%；2,3,5-三甲基吡嗪相对含量次之，为2.82%；2,5-二甲基吡嗪、2-甲基-3-羟基-4-吡喃酮、2，5-二甲基呋喃、乙酸和2,5-二甲基-4-羟基-3(2H)-呋喃酮相对含量均在2.21% 以上。600 ℃下裂解产物数量较450 ℃下增加13种，其中杂环类化合物数量增加了9种。

Ala-Glu在900 ℃下裂解时，产物为38种杂环类物质(相对含量47.06%，吡嗪类、呋喃类、吡咯类、呋喃酮类、吡啶类、糠醇类、吡喃酮类、糠醛类和吲哚)，4种酮类物质(相对含量3.81%，环戊烯酮类)，1种羧酸类物质(相对含量1.71%，乙酸)，2种芳烃类物质(相对含量1.62%，甲苯和1-甲基茚)。2,3-二氢-3,5-二羟基-6-甲基-4H-吡喃-4-酮相对含量最高，为8.59%；3-甲基吡咯、吡咯、2-乙基呋喃和2,3,5-三甲基吡嗪相对含量均在1.94%以上。900 ℃下裂解产物数量较650 ℃下增加4种，其中杂环类化合物增加了5种，酮类减少1种。

表2 不同温度下Ala-Glu的热裂解产物及相对含量†

† “*”表示采用标准品定性； “—”表示该组分含量为0。

2.4 裂解化合物致香成分分析

Ala-Glu在不同温度下裂解产生52种化合物，裂解产物大多为烟草或食品中致香成分，根据文献[15-16]报道，裂解化合物表现为焦甜香、烘烤香、甜香和花香等香韵(表3)。DDMP是重要香味前体化合物，主要通过Maillard反应生成，形成于食品烘烤过程中，可裂解产生大量香味化合物，具有改善卷烟香气品质和增加甜香作用[17-18]。由表2可知，在4个裂解温度下，DDMP为Ala-Glu主要裂解产物，其含量分别达25.10%，32.51%，15.67%，8.59%。

表3 热裂解成分香韵分析

Ala-Glu脱去2-位氨基产生1-脱氧-2,3-己二酮糖，再经环化及异构化反应，最后脱水生成DDMP[19-20]。DDMP可进一步裂解产生2-甲基-3-羟基-4-吡喃酮和2,5-二甲基-4-羟基-3(2H)-呋喃酮等化合物[20-22]。1-脱氧-2,3-己二酮糖可进一步降解产生乙酸、2，3-二甲基-2-环戊烯-1-酮和3-甲基-1，2-环戊二酮等化合物[23]。2-乙基呋喃和2,5-二甲基呋喃等呋喃类化合物由Ala-Glu脱水裂解产生[24]。吡嗪、2-乙基-5-甲基吡嗪、2,5-二甲基吡嗪、2,3,5-三甲基吡嗪和2,6-二甲基吡嗪主要经斯特勒克降解产生[25]。吡咯和2-甲基吡咯等吡咯类化合物主要由斯特勒克降解和氨基酸残基裂解产生的醛和α-氨基醛或酮经烯醇化后脱水产生[26]。

2.5 物理保润性能对比分析

添加Ala-Glu、丙二醇和甘油样品烟丝在低湿和高湿2种环境条件下含水率变化趋势分别见图4、5。结果表明，在低湿条件下(图4)，添加Ala-Glu、丙二醇和甘油3种保润剂的烟丝含水率高于未添加任何保润剂的烟丝；在36 h内，含水率下降较快，之后较平缓；保润性能由大到小依次为Ala-Glu、甘油和丙二醇。由于Ala-Glu含有氨基、羟基和羧基等强亲水基团可束缚水分的散失，提高烟丝的物理保润性能。在高湿条件下(图5)，添加Ala-Glu、丙二醇和甘油3种保润剂的烟丝含水率高于空白烟丝；在50 h内，含水率上升较明显，之后趋于平缓。综上所述，Ala-Glu的保润效果优于传统保润剂甘油和丙二醇，在低湿条件下具有保湿烟丝作用，而在高湿条件下Ala-Glu、甘油和丙二醇均无防潮效果。

图4 烟丝在低湿条件下含水率随时间的变化

图5 烟丝在高湿条件下含水率随时间的变化

2.6 感官作用评价

Ala-Glu的卷烟加香评吸结果见表4。

表4 Ala-Glu的卷烟加香评吸结果

评吸结果表明，Ala-Glu可明显提升卷烟香气品质，使烟气变得圆润、柔和，降低刺激性和杂气，改善余味。当用量较小时，Ala-Glu对卷烟作用不明显，当用量超过1.0‰时，香气丰富性和余味略降低，因此，Ala-Glu在卷烟中的适宜用量为1.0‰。

3 结论

以D-果糖和L-丙氨酸为原料合成了Ala-Glu，产率较高，且本方法原料易得、操作简便。Ala-Glu的裂解温度为178.9 ℃，800 ℃时总失重达到90%；裂解产物数量随温度的升高而增多，裂解产物主要为杂环类化合物，具有焦甜香、烘焙香、甜香和花香等香韵。Ala-Glu的保润效果优于传统保润剂甘油和丙二醇，在低湿条件(40%)下具有保湿烟丝作用，而在高湿条件下(70%)Ala-Glu、甘油和丙二醇均无防潮作用。另外，卷烟中添加1.0‰的Ala-Glu可明显改善卷烟香气品质，使烟气变得圆润、柔和，刺激性和杂气降低，余味改善。

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