多糖的保润增香机制研究及其在卷烟中的应用

刘欢，楚桂林，任周营，罗海涛，邵灯寅，何力*

1. 南昌大学食品科学与技术国家重点实验室（南昌 330047）；2. 江西中烟工业有限责任公司（南昌 330096）

为提高烟丝在加工生产过程中的耐磨性能、降低其因加工而造成的水分蒸发，烟厂往往会在烟丝中添加各类保润性物质[1]，如甘油、丙二醇、山梨醇等羟基类化合物，以达到提升卷烟耐加工特性的目的[2]。但是这类传统型物质属于单向保润剂，对烟草的保润效果较差[3]，还会在高温条件下产生致癌类物质[4]，对人体造成一定程度的危害。近年来的研究发现，多糖可以作为一类新型的保润剂添加到卷烟中，既能起到保润的效果[5]，又能在抽吸时达到增加香气的目的[6]。

植物多糖是由大量单糖分子因糖苷键之间可以发生聚合反应而生成的生物类活性大分子，具有抗氧化[7]、抗肿瘤[8]、抗病毒[9]及降低血糖[10]等生物活性作用。将多糖喷洒至烟丝中，主要有2个方面的效果：一是保润防潮；二是增加烟气中的香味物质。其保润机制：多糖内部结构中含有大量的多羟基官能团，极易与水分子发生紧密结合，形成稳定的三维网状结构，达到抑制水分散失的目的[11]。其加香机制：多糖在高温条件下可以产生宜人的风味物质，如酚类物质、酯类物质和芳香族类化合物等，提高卷烟在燃吸时的果甜香、药草香等气味，可显著改善卷烟的感官舒适度[12]。

通过用果胶、阿拉伯胶、刺槐豆胶、瓜尔豆胶和甲基纤维素喷洒的方式，研究5种多糖对卷烟的保湿防潮特性和感官增香的评价效果，并利用PY-GC/MS仪器对多糖高温热解的作用机制及降解产物进行鉴定分析，为多糖在烟丝中的应用机制提供理论支持和技术支撑。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

1.1.1 材料与试剂

丙二醇、果胶（从柑橘中提取，分子量546.38 kDa，酯化度75%）、阿拉伯胶（分子量260 kDa）、刺槐豆胶（分子量300 kDa）、瓜尔豆胶（分子量220 kDa）、甲基纤维素（分子量180 kDa，均购自北京索莱宝科技有限公司）；超纯水；某牌号配方烟丝（江西中烟工业有限责任公司）；溴化钠、碳酸钾和碘化钾（均购自上海阿拉丁生化科技股份有限公司）。

1.1.2 仪器与设备

90 mm培养皿（江苏华欧玻璃有限公司）；精密型电子天平（厦门精艺兴业科技有限公司）；鼓风干燥箱（上海一恒科学仪器有限公司）；棕色干燥皿；喷壶（泰州市高港区澳翔医疗器械厂）；扫描电镜（SU8010，日本日立公司）；热失重分析仪（STA6000，美国PE公司）；Pyroprobe 5000热裂解仪（CDS Analytical，Oxford，PA）；HP6890/5973 GC/MS联用仪（美国Agilent公司）。

1.2 试验方法

1.2.1 样品前处理

将果胶、阿拉伯胶、刺槐豆胶、瓜尔豆胶、甲基纤维素5种多糖样品放置在以变色硅胶为干燥剂的干燥皿中，于40 ℃干燥至恒重，保存备用。

称取2.00±0.02 g的干燥烟丝过0.250 mm（60目）筛，过滤掉烟丝废渣，将留存完整的烟丝置于22 ℃、60% RH的棕色干燥皿中均衡水分48 h，保存备用。

1.2.2 多糖保润性试验测定

1.2.2.1 烟丝体系多糖保润防潮性能的测定

分别称取25 mg的果胶、阿拉伯胶、刺槐豆胶、瓜尔豆胶和甲基纤维素样品，分别加5 mL超纯水配制成0.5%水溶液，以丙二醇为对照，移取2.0 mL糖溶液喷洒在平衡水分后的烟丝上，放置于干燥皿中，保证空气中的环境湿度为60%±5%，环境温度22 ℃，平衡水分48 h。

将上述烟丝均分成2份，每份3组平行，分别置于有饱和碳酸钾40%±5%和饱和碘化钾70%±5%溶液放置的棕色干燥皿中，温度22 ℃，每隔12 h称重1次，记录样品的质量变化，测量其48 h内水分变化，采用烘箱法[13]，按式（1）计算其水分含量。

式中：W为水分含量，%；m0为称量皿质量，g；m1为烘干前每隔12 h称量皿与试样的总质量，g；m2为烘干后称量皿与试样的总质量，g。

1.2.2.2 烟叶微结构扫描电镜（SEM）分析

以喷洒浓度0.5%多糖溶液的烟丝为对象，平衡水分后将其切成小片段，使用导电胶带将样品固定在镜台上，并对样品进行真空喷金（80 s）。用SEM对烟丝进行观察拍照[14]。SEM的工作电压为5.0 kV，每个烟丝样品的放大倍数分别为300倍和1 500倍[15]，用于对比分析烟丝的表面微结构的区别。

1.2.3 多糖加香试验测定

称取50 mg多糖样品，加10 mL超纯水配制成0.5%多糖溶液，移取2 mL糖溶液喷洒在平衡水分后的烟丝上，放置于棕色干燥皿中，保证干燥皿中环境为60%±5% RH、22 ℃，均衡水分48 h，设空白烟丝为对照[16-17]。

将上述处理后的样品模拟卷制成可以抽吸的卷烟，按照风格口味（甜、酸、苦和凉）、烟气特征（香气、丰富性、光滑/温和/圆润、烟气浓度和劲头）和香气特征（晾晒烟烟香、烤烟香、烘烤香、木香、辛香、果甜香和清香等香气）3个指标对卷烟进行感官评分测定。

感官测评人员共有7人，均为专业的评吸人员，评吸结果可靠性高。

1.2.4 多糖加香机制研究

1.2.4.1 多糖的热失重分析

称取5～10 mg的多糖样品放入干燥的坩埚内，轻轻振动摇晃，使之均匀平铺于坩埚内，用镊子夹住将其放入热失重分析仪器中，控制升温速率15 ℃/min，室内温度从30 ℃升至900 ℃，在充满氮气的环境中，检测多糖质量损失随温度的升高而发生的变化[18]。

1.2.4.2 多糖的热裂解试验[19]

取1根配套石英管，充填0.25±0.05 mg的多糖粉末，并在管两端塞入少量的石英纤维棉，将样品位置调整放置在裂解石英管的中心位置，在氮气氛围下进行无氧高温热解试验。

热裂解条件：起始温度55 ℃，热裂解温度300 ℃（挥发气体化合物开始进入烟丝主流烟气的温度）、600 ℃（烟丝开始燃吸的温度）和900 ℃（烟丝燃吸时的最高中心温度），升温速率10 ℃/ms，升到目标温度后维持时间30 s。

GC条件：色谱柱HP-PONA石英毛细管柱（50.00 m×0.20 mm×0.50 μm）；进样口温度280 ℃；进样量1 μL；分流比50∶1；载气为氮气；升温程序，在40 ℃维持2 min，以升温速率4 ℃/min升到220 ℃，保持5 min，以升温速率10 ℃/min升到280 ℃，维持15 min；传输线温度280 ℃。

MS条件：电离方式EI；电子能量70 eV；电子倍增器电压1 600 V；质量扫描范围50～550 amu；离子源温度230 ℃；四极杆温度150 ℃。

将裂解得到的产物与标准谱库进行对比检索，匹配度≥86%者对热解产物进行定性。

1.3 数据处理

使用Excel 2019制表，使用Origin 2018和GraphPad Prism 8进行非线性拟合和绘图。

2 结果与分析

2.1 多糖的保润性研究

2.1.1 不同多糖的保润防潮性能测定

图1展示2组烟丝在解湿（图1a保润）和吸湿（图1b防潮）过程中的水分随时间的变化曲线。

图1 不同种类多糖及丙二醇喷洒烟丝样品在解湿（22 ℃、40%）和吸湿（22 ℃、70%）过程中的水分变化

图1（a）显示0.5%含量下不同多糖喷洒的烟丝样品在40%湿度环境下的保润特性。可以发现，0～24 h内，丙二醇及多糖的含水率均迅速降低，24～48 h内其含水率的降低速率趋于平缓，在48 h时，水分高低表现为瓜尔豆胶处理＞果胶处理＞刺槐豆胶处理＞甲基纤维素处理＞阿拉伯胶处理＞丙二醇处理。结果表明，多糖的保润效果均比丙二醇的作用效果强，其中，瓜尔豆胶具有最佳的保润效果，其次是果胶，最差是阿拉伯胶。

图1（b）显示0.5%含量下不同多糖喷洒的烟丝样品在70%湿度环境下的防潮特性。可以发现，丙二醇和多糖处理的烟丝样品其水分随着时间的增加而不断增长。0～24 h内，多糖的持水量均比丙二醇的高，36 h后，丙二醇处理的烟丝样品其含水率上升速率均较5种多糖快，48 h时水分高低显示为瓜尔豆胶处理＞阿拉伯胶处理＞丙二醇处理＞甲基纤维素处理＞刺槐豆胶处理＞果胶处理。刺槐豆胶、甲基纤维素和果胶其防潮效果较丙二醇强，瓜尔豆胶和阿拉伯胶较丙二醇差，其中，瓜尔豆胶的防潮效果最差，其次是阿拉伯胶，效果最优的是果胶。

结果表明：瓜尔豆胶保润效果较好，但是其防潮效果最差；阿拉伯胶保润效果和防潮作用均较差；果胶、刺槐豆胶和甲基纤维素三种多糖保润和防潮效果均表现出较好的作用。综合来看，果胶的保润防潮作用效果最优，刺槐豆胶和甲基纤维素的作用效果差异不大，表明果胶、刺槐豆胶和甲基纤维素是可以作为一类双向烟草保润剂添加到卷烟烟丝中，这3种多糖不仅可以显著提升烟丝在低湿度环境下的持水锁水能力，还可以明显降低烟草在高湿度环境下的吸水能力，具备较优的保润和防潮的双重作用[20]。

2.1.2 不同多糖对烟叶表面微结构的影响

纯烟丝与喷洒了丙二醇、果胶、甲基纤维素、刺槐豆胶的烟丝进行不同放大倍数的扫描电镜试验，结果如图2所示。

图2 喷洒多糖和丙二醇烟样的微结构SEM图

烟丝内部结构中含有一定数量的多孔体，其表面孔缝主要由2个肾形保卫细胞环绕构成的气孔及表面的腺毛和腺毛脱落构成的孔隙组成。烟丝的微结构和自身化学组分决定其具备一定的保润特性[21]。将一定浓度的保润剂添加到烟丝中，可使其内部的含水量显著增加，微观结构中的气孔保卫细胞也会有相当程度的胀大，导致内部气孔变狭窄。因此，可以根据烟丝微观结构中的气孔大小，判断多糖的保润效果[22]。

图2是以0.5%多糖含量为指标，喷洒不同多糖处理后的烟丝表面的电镜图像。可以发现：与纯烟丝相比（图2 a），喷洒丙二醇的烟丝（如图2 b）内部孔道呈现纤维状网络结构，易吸附毛细管水，但因其孔径较大，对水的束缚能力薄弱而导致其极易散失[23]；喷洒果胶的烟样（图2 c）其微观结构褶皱颇深，气孔数量减少，气孔之间的距离也较小；添加传统保润剂（图2 b）和其余2种新型保润剂（图2 d和e）的烟丝内部组织结构较为光滑。气孔宽度和面积大小顺序为果胶＜刺槐豆胶＜甲基纤维素＜丙二醇。试验进一步证明，与传统保润剂相比，新型多糖类保润剂对卷烟的保湿效果更强。

2.2 多糖加香试验测定

将刺槐豆胶、果胶和甲基纤维素3种多糖喷洒在卷烟中，进行感官加香试验的抽吸评价测定，结果如表1所示。可以看出，与空白卷烟评吸结果相比，喷洒0.5%刺槐豆胶和甲基纤维素，其烟气特性评分均较低，如香气特性、光滑感、温和感及圆润感等，而口味风格、香气风格特征与空白烟丝无异，说明刺槐豆胶和甲基纤维素对烟丝感官舒适度的作用并不显著，反而存在一定消极影响。但是喷洒果胶的烟丝，其香气较浓，丰富性较好，细腻感/柔和感/圆润感加强，烟气浓度也较为舒适。此外，对于喷洒果胶的烟丝，评吸人员在抽吸过程中发现其具有较浓的烤烟烟香、甜香、果香和清香，对烟丝的感官作用具有较为显著的改进效果。

表1 不同多糖对卷烟加香效果

综合来看，刺槐豆胶和甲基纤维素的感官效果较空白差，而果胶的加香效果较空白优，故选择果胶为较优的加香剂。

2.3 多糖加香机制研究

2.3.1 多糖的热失重分析

图3是果胶多糖的热失重过程。可以看出，果胶的主要热失重阶段可以分成3个阶段。第1阶段是从室温升至150 ℃，为果胶多糖内部含有的游离水和结合水蒸发的过程，失重峰较深，说明果胶内部含有的水分较多；在150～200 ℃，果胶质量稳定不变，说明水分已经蒸发完全。第2阶段是在200～370 ℃，为果胶多糖的主要热失重过程，具体过程伴随着多糖内部糖苷键的断裂和热裂解反应的发生，会产生大量的挥发性物质。第3阶段为370～900 ℃，果胶多糖的质量恒定不变，为残渣的炭化过程。分析结果可为热裂解试验的温度区间范围提供一定参考。

图3 果胶的TG和DTG分析曲线

2.3.2 多糖的热裂解产物分析

果胶在不同高温下的热解产物结果，其PY-GC/MS分离谱图如图4所示，热裂解产物种类分析如图5所示，各类裂解产物所占比例如图6所示。

由图4可知：在无氧条件下，300 ℃时果胶裂解成分中共鉴定出19种组分，主要为糠醛、5-羟甲基糠醛、D-柠檬烯、3-呋喃甲醇、2-甲基呋喃、2-糠醛甲酯、1, 2-环戊二酮、2（5H）-呋喃酮、2-环戊烯-1-酮、2, 2, 4-三甲基-1, 3-戊二醇二异丁酸酯、2-氨基-4-甲基-1-戊醇、4-环戊烯-1, 3-二酮和邻苯二甲酸二丁酯等物质；600 ℃时果胶裂解成分中共鉴定出42种组分，与果胶在300 ℃时的裂解产物相比，主要增加了很多较低分子量化合物，如酮类物质、酚类物质和酸类物质等，还增加了一些杂环类化合物、苯及其同系物类物质；900 ℃时果胶裂解成分中共鉴定出50个组分，除酯类物质、酸类物质未鉴定出以外，均与300 ℃和600 ℃时裂解的产物种类类似，尤其是苯及其同系物类化合物，含量明显增多，如甲苯、乙苯、邻二甲苯、1-丙炔基苯、萘、2-甲基-萘和苊等物质，所占比例较高。可见随着裂解温度的上升，裂解产物的种类逐渐增多，这是因为一些裂解成分在较低温度时难以挥发，而在高温条件下才可以发生裂解的原因[24]。

图4 300，600和900 ℃温度下果胶的PY-GC/MS图

从图5果胶的裂解产物种类鉴定结果来看，其裂解产物主要可以分为四大类：一是烷烯烃、醇、醛酮、酯和酸类，如亚甲基环丁烷、1, 3-环戊二烯、3-呋喃甲醇、丁醛、2-环戊烯酮、2-糠酸甲酯和4-羟基-3-吡啶羧酸，这类物质在高温环境中会产生非常宜人的果甜香气味[25]，调节主流烟气中的pH，减少对喉部的刺激感，提高感官舒适度[26]；二是酚类化合物，如苯酚、2-乙酰间苯二酚、3, 5-二甲基苯酚、2-乙基-4-甲基-苯酚等，这类物质在高温条件下可以产生丰富的药草香气味，是烟丝和主流烟气中非常常见的加香类物质[27]；三是杂环类化合物，如糠醛、吡啶、2-甲基吡啶和1-甲基-1-吡唑等，这类物质在卷烟中可以增强烟气的烤烟香及焦糖香，特别是糠醛的存在对卷烟的加香效果和影响作用最大；四是苯及其同系物，如萘、2-甲基萘、苊、芴和菲等物质，这类物质在高温环境中会非常快地转变成稳定性更强的稠环类和芳香族化合物[28]，如萘、苊和菲等，进而导致其对卷烟的加香效果更浓烈。

图5 果胶在不同温度下的热裂解产物种类

图6展现果胶在不同温度下的高温快速热解后的产物占比。结果显示：烷烃、苯及其同系物随着温度升高，其相对含量呈现增加的趋势，分别从0.76%增加到7.64%，从3.92%增加到42.62%；醇、醛、酯和杂环类4种化合物的占比随着温度升高而逐渐下降，分别从4.31%减少到1.71%，从6.13%减少到0.68%，从6.52%减少到0，从28.73%减少到7.37%；酮、酸和酚类3种物质的产物占比随着温度增加呈现先增长后下降趋向，均在600 ℃时产物占比达到最高；烯烃类化合物却随着温度逐渐增加到900 ℃，呈现先降后升的趋向。这些结果的出现，可能是因为在较低温度环境中，果胶处于热裂解初期，内部结构中发生一系列脱水和解聚等复杂的反应；且随着温度增加，果胶的热解程度逐渐加深，导致多糖内部构造中的糖苷键和化学键均发生断裂，经过系列脱羧、脱羟、脱羰、异构化和芳构化等反应[29]，产生大量上述裂解化合物。

图6 在300，600和900 ℃温度下裂解产物种类占比

3 结论

通过将5种多糖喷洒在烟丝上，结果表明多糖对卷烟的保润防潮性效果呈现积极的作用，其中，5种多糖对烟丝的持水性能大小表现为果胶＞刺槐豆胶＞甲基纤维素＞瓜尔豆胶＞阿拉伯胶。多糖的加入能显著减小烟丝的气孔孔径，即这是多糖能提高烟丝保润防潮性能的原因。果胶、刺槐豆胶和甲基纤维素的加香感官评价结果表明，多糖的添加在评吸时可以起到增加果甜香、药草香等香味的效果，其中作用效果最强的多糖是果胶。因此，对果胶在高温下的热裂解产物进行鉴定，并对其进行归类研究，同时对裂解产物中的主要致香成分进行效果研究和分析，结果表明主要发挥致香作用的物质为烷烯烃类、酚类和杂环化合物等，可为多糖在卷烟中的应用提供坚实的理论依据。