巨豆三烯酮-β-环糊精包合物的制备及其卷烟加香应用
2022-07-17刘云飞姬小明董爱君周冰怡
刘云飞, 郭 琪, 姬小明, 董爱君, 付 博, 周冰怡
(1.河南农业大学 烟草学院 河南省香精香料与调香工程技术研究中心, 河南 郑州 450002; 2.河南新郑金叶香料有限公司, 河南 新郑 451100; 3.湖北中烟工业有限责任公司 技术研发中心, 湖北 武汉 430040)
0 引言
巨豆三烯酮(MEG)为黄色透明油状液体,通常为同分异构体的混合物,是烟草中一种重要的致香成分,具有烟草香和辛香底韵,有增强烟香、改善吸味、调和烟气、减少刺激性的作用,是卷烟调香不可缺少的香原料[1,2],烤烟中MEG的含量与中性香气成分含量呈极显著正相关关系[3].MEG对卷烟的香气起着重要的作用,但因其双键多,共轭体系大而容易聚合,难以储存,因而会影响卷烟产品质量的稳定和风格的一致[4].
环糊精(CD)是一类由多个D-吡喃葡萄糖单元通过α-1,4-糖苷键相互连接而成的环状低聚糖,其分子呈现为一个外表亲水的疏水内腔结构,可以将疏水性客体包埋在其空腔内而形成包合物,从而提高客体的稳定性[5,6].目前已实现商业化的环糊精主要有α-环糊精、β-环糊精、γ-环糊精(α-CD、β-CD、γ-CD)三种产品[7],它们分别含有6、7、8个葡萄糖单元.应用最为广泛的是β-CD,因为它生产成本低,分子空洞空隙适中,适用于多个领域[8].在包合物体系中,客体分子穿入到环糊精的空腔内,二者之间主要通过范德华力结合,形成较为稳定的结构.研究表明,环糊精可提高客体分子的化学稳定性[9]和生物利用度,还可增加某些药物分子的抗氧化活性[10].Zhu等[11]、Ciobanu等[12]用β-CD包埋烟用香料,提高了香料成分的热稳定性、延长了烟草的留香时间;郭洋等[13]向再造烟叶生产中的烟草浸提液添加环糊精,可以降低化学成分的挥发量.以环糊精为载体对MEG进行包埋提高MEG稳定性的相关文献未见报道,因此,以β-CD作为载体,采用饱和水溶液法制备MEG包合物,研究包合物的热稳定性,旨在为MEG的加香应用提供新的思路.
1 试验部分
1.1 试剂与仪器
1.1.1 主要试剂
MEG(AR,≥97%),河南新郑金叶香料有限公司;β-环糊精(≥99.5%),国药集团化学试剂有限公司;无水乙醇(AR),北京化工厂.
1.1.2 主要仪器
UV-8100 B型紫外可见分光光度计(中国北京莱伯泰科仪器有限公司);Thermo Nicolet Nexus iS10型傅里叶变换红外光谱仪(美国Thermo公司);DSC-60A型差示扫描量热仪(日本).
1.2 试验方法
1.2.1 包合物的制备
采用饱和水溶液法[14]制备MEG和β-CD的包合物.称取1.85 gβ-CD,加入100 mL去离子水,在温度25 ℃下制备其饱和溶液.按β-CD与MEG摩尔比1∶1,称取0.31 g MEG,溶于20 mL无水乙醇中,搅拌下缓慢加入到100 mLβ-CD饱和溶液中,控制温度60 ℃,转速200 r/min,搅拌6 h.将所得反应液的温度缓慢降至4 ℃,静置48 h,抽滤,依次用少量水和无水乙醇反复洗涤固形物,在40 ℃的真空干燥箱中烘干得到β-CD与MEG的包合物MEC,冷却,称重,干燥器储存备用.
1.2.2 包合率的测定
采用紫外-可见分光光度法测定包合物中被包合的MEG的量[15].用无水乙醇配置不同浓度的MEG溶液,筛选合适浓度用紫外可见分光光度计进行全波长扫描,结果显示MEG无水乙醇溶液在326 nm处有最大吸收.准确称MEG 0.20 g,用无水乙醇稀释定容至1 L作为母液,精确量取1 mL、2 mL、3 mL、4 mL、5 mL置25 mL容量瓶中,定容,摇匀,在326 nm处测定吸光度,以吸光度(A)对MEG无水乙醇溶液的浓度(μg/mL)进行线性回归.回归方程为A=0.026 5x-0.018 6,R2=0.999 9.结果表明在8~40μg/mL范围内MEG无水乙醇溶液的浓度与吸光度线性关系良好.
称取3份包合物,每份0.25 g,分别加无水乙醇溶解,超声提取15 min后,定容至250 mL;再取上清液1 mL置25 mL容量瓶中,定容,摇匀,用0.45μm的微孔滤膜过滤,滤液于326 nm处测定吸光度值,将吸光度值代入回归方程计算包合物中MEG的平均含量.
包合产率及包合率的计算按照公式(1)、(2)进行:
(1)
式(1)中:M1为包合物质量,g;M2为投入MEG和β-环糊精的总质量,g;Ip为包合产率,%.
(2)
式(2)中:m为包合物中MEG的质量,g;M为制备包合物投入的MEG的质量,g;Ir为包合率,%.
1.3 结构表征与稳定性试验
1.3.1 傅里叶变换红外光谱(FT-IR)测定
利用傅里叶变换红外光谱分析仪对干燥的β-CD、MEG、混合物(MIXT,β-CD与MEG摩尔比1∶1搅拌均匀)和MEC进行结构表征,将样品与溴化钾共磨、压片,测量范围为4 000~500 cm-1,分辨率为4 cm-1.
1.3.2 差示扫描量热(DSC)测定
分别取3.00 mgβ-CD、MEG、MIXT、MEC四种样品放置于差示扫描量热仪内,设置测定条件载气(高纯Ar)流速为20 mL/min,升温速率为10 ℃/min,升温范围为30 ℃~500 ℃,进行DSC测定.
1.3.3 热重-微商热重(TG-DTG)测定
将MEG-β-CD包合物置于差示扫描量热仪内,设置测定条件载气(高纯Ar)流速为20 mL/min,升温范围为30 ℃~500 ℃,升温速率为10 ℃/min,对包合物进行TG-DTG测定.
1.4 加香试验
参考文献[16,17]确定加香适宜用量为50 mg/kg,用95%乙醇分别溶解MEG、MIXT、MEC,装入喉头喷雾器均匀喷洒到烟丝上,烟丝在恒温 (22±1) ℃、恒湿 (相对湿度65%) 条件下平衡48 h后卷制成烟支.由湖北中烟工业有限责任公司专家评吸,经7名专业评委评吸对加香后0 d、30 d、60 d、90 d的単料烟进行感官评价.
2 结果与讨论
2.1 包合产率及包合率
包合物质量M1平均值为1.55 g,MEG和β-环糊精的投入量M2为2.16 g,由式(1)计算包合物产率为71.76%.测得吸光度平均值为0.826 0,由回归方程计算包合物中MEG的浓度为31.87μg/mL,包合物中MEG的质量m为199.20 mg,由式(2)计算出包合率为79.68%.包合产率及包合率均高于70.00%,说明用β-CD包合MEG可行.
2.2 FT-IR分析
图1为β-CD、MEG、MIXT、MEC在4 000~500 cm-1范围内的FTIR谱图.图1中a曲线的3 380.75 cm-1、2 925.61 cm-1和1 027.92 cm-1处为β-CD的特征峰[18].b曲线中1735.69 cm-1频率处的C=O伸缩振动,为MEG的特征峰[19].c曲线中既包含β-CD的O-H的伸缩振动、CH2和C-C的对称和反对称拉伸以及O-H的弯曲振动,又有MEG的特征峰,为二者的加和,说明混合物只是二者简单的混合,没有发生包和作用形成包合物.与c曲线相比,d曲线峰数明显减少,峰强度减弱,尤其在1 735.69 cm-1处的C=O振动峰,MEG的特征峰峰值强度明显降低,且d曲线与a曲线峰的形状基本吻合,说明MEG插入β-CD的锥形空腔中与β-CD形成包合物.
图1 β-CD、MEG、MIXT和MEC的FT-IR图
2.3 DSC分析
如图2(a)所示,β-CD在99.41 ℃和258.59 ℃分别有一个特征吸热峰;图2(b)显示MEG在42.58 ℃和238.58 ℃分别有一个特征吸热峰;图2(d)显示MEC在79.61 ℃和265.51 ℃出现吸热峰,与β-CD在99.41 ℃和258.59 ℃的特征吸热峰相比峰形较宽,与MEG在42.58 ℃和 238.59 ℃的特征吸热峰相比吸热峰温度明显提高,证明了MEC的形成和热稳定性的提高;图2(c)显示MIXT在86.80 ℃和285.01 ℃出现吸热峰,与β-CD相比峰形相似第二个吸热峰温度提高,可能由于主客体在高温熔融条件下部分形成包合物所致[20].
2.4 TG-DTG分析
如图3(a)所示,随着温度的升高,β-CD的热降解可分为三个阶段:第一阶段发生在30.00 ℃~282.46 ℃的温度范围内,β-CD的质量损失约为20.91%,在此阶段,DTG曲线顶部出现一个峰值温度(Tp,1=85.16 ℃);第二阶段质量损失开始于282.46 ℃,结束于349.94 ℃,是质量快速损失阶段,总质量损失为42.00%,β-CD的DTG曲线显示出一个明显的峰值温度(Tp,2=322.49 ℃);从375.00 ℃到500.00 ℃,TG曲线趋于平缓,显示出前一步骤的残余碳质物质.
如图3(b)所示,MEG的热分解过程明显分两步进行:第一阶段在30.00 ℃~262.58 ℃范围内,MEG的质量损失为82.41%;第二阶段为缓慢的质量损失过程,质量损失为13.70%,在30.00 ℃~262.58 ℃的温度范围内,MEG的DTG曲线出现一个峰值温度(Tp,1=230.08 ℃).
如图3(c)所示,MIXT经历了四个主要的质量损失阶段:在30.00 ℃~99.96 ℃温度范围内,MIXT质量总质量损失为7.05%,在此过程中MIXT的DTG曲线显示出峰值温度(Tp,1=85.06 ℃);99.96 ℃~282.46 ℃下MIXT质量损失,总质量损失为3.09%;282.46 ℃~359.96 ℃温度范围内MIXT总质量损失为58.92%,MIXT的DTG曲线显示出峰值温度(Tp,2=322.47 ℃)从359.96 ℃到500.00 ℃,TG曲线趋于平缓.
从图3(d) MEC的TG和DTG曲线可以看出,热分解有三个阶段:第一阶段分解发生在30.00 ℃~284.99 ℃之间,总质量损失为13.71%,质量损失较少,说明MEC分解较少;第二个质量损失步骤开始于284.99 ℃,结束于347.49 ℃,TG曲线显示了一个非常急剧的损失过程,质量损失为原始质量的64.34%,在此阶段,MEC的DTG曲线只有一个峰温(Tp,1=322.51 ℃);347.49 ℃后,TG曲线趋于稳定,质量损失约为原始质量的12.08%.结果表明,在30.00 ℃~262.58 ℃温度范围内,MEG的质量损失为82.41%,而MEC的质量损失仅为11.04%,与MEG相比MEC的热稳定性提高了71.37%.在30 ℃~500 ℃范围内MEC的分解质量损失为76.43%,MEG的分解质量损失为96.12%,与MEG相比MEC的热稳定性提高了19.71%.以上结果表明MEG和β-CD形成了包合物,MEC中β-CD的腔体对MEG具有保护作用,使MEG的稳定性提高.
图3 β-CD、MEG、MIXT和MEC的 La2O3(12) TG和DTG曲线图
2.5 加香评吸结果分析
如表1所示,在最初加香时,MEG、MIXT和MEC加香后均提高了香气质、香气量、浓度、杂气、刺激性和余味得分,说明在最初加香MEG、MIXT和MEC的效果一致,均能提高卷烟感官质量.随着时间的推移,空白卷烟的感官质量变化不大,MEG、MIXT和MEC处理香气质、香气量、浓度、杂气、刺激性和余味得分均呈下降趋势,说明加香物质加香效果会随着时间的推移而减弱.MEG和MIXT处理各指标得分随加香时间推移下降趋势较MEC处理快,MEG和MIXT处理各指标得分随着加香时间的推移下降趋势及程度基本一致,香气质、香气量、浓度、杂气得分均在60 d比30 d时减少较多分别减少了0.3、0.4、0.4、0.2和0.3、0.4、0.3、0.2,而MEC加香后只分别减少了0.1、0.1、0.1、0.1,说明在60 d时MEC加香效果开始明显优于MEG和MIXT.在加香90 d时, MEC处理与MEG处理相比香气质、香气量、浓度、杂气、刺激性和余味得分分别提高了6.45%、8.06%、9.84%、3.27%、1.59%和3.33%,MEC处理与MIXT处理相比香气质、香气量、浓度、杂气、刺激性和余味得分分别提高了4.76%、8.06%、8.06%、5.00%、3.23%和1.64%.
综上可知,MEG加香能提高卷烟部分感官质量指标得分,但随着加香时间的推移加香效果逐渐减弱,在加香后60 d后加香效果减弱明显,而MEC能够提高MEG的稳定性,使MEG随着加香时间的推移加香效果减弱较慢.
表1 MEG、MIXT和MEC单料烟加香后的 感官质量评价
3 结论
为提高巨豆三烯酮的稳定性及其卷烟加香效果,以β-环糊精为包埋材料,采用饱和水溶液法对巨豆三烯酮进行包合,对包合物的形成进行表征,并分析包合物的稳定性,然后将其应用于卷烟产品进行感官质量评价,得结论如下:
(1)饱和水溶液法可以制备巨豆三烯酮-β-环糊精包合物,提高巨豆三烯酮的稳定性.升温速率为10 ℃/min,温度升至262.58 ℃时,与MEG相比,MEC的热稳定性提高了71.37%;温度升至500 ℃时,MEC的热稳定性比MEG提高了19.71%.
(2)随着加香时间的推移到90 d,MEC香气质、香气量、浓度、杂气、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稳定性,从而在卷烟加香起到缓释效果,为巨豆三烯酮在卷烟加香应用提供了新的途径.
(3)以β-环糊精为包埋材料,其生产成本低,安全性可靠,饱和水溶液法包合巨豆三烯酮制备条件简单,易于工业化生产,能够有效弥补巨豆三烯酮易聚合,难储存的缺点,加香应用效果明显.