丙二醇添加量对卷烟滤棒中薄荷颗粒持香能力的影响

贾学伟，马兵杰，崔 春，李天笑，高明奇，许春平*

1.郑州轻工业大学食品与生物工程学院，郑州高新技术产业开发区科学大道136 号 4500002.河南中烟工业有限责任公司技术中心，郑州经济技术开发区第三大街9 号 450016

薄荷作为常用的、重要的芳香植物，其天然提取物是香精和香料的重要组成部分［1］。与薄荷脑相比，天然薄荷组成成分多［2］，致香作用更为丰富饱满。目前，常在卷烟滤嘴中添加吸附有薄荷脑的多孔颗粒用于缓和烟气刺激性和去除杂气［3-6］；但普通多孔颗粒多为物理吸附［7］，吸附力小且载香量低，随着存放时间的增加，薄荷香气逸失较多，易使薄荷型卷烟质量产生波动。与普通多孔颗粒相比，天然薄荷颗粒对香气分子的吸附作用除了物理多孔吸附还有化学吸附。在一定含水率条件下，植物组织中纤维素和蛋白质等生物大分子可对香气分子通过氢键吸附和空间位阻等方式产生束缚和包埋的作用［8］。例如，因足干茶叶的含水率极低，按照自由能最小化的原理，其蛋白质亲水基团将会折叠包埋起来，而疏水基团外露，这样香气分子中的极性基团便较难与蛋白质分子形成氢键缔合，而在一定含水率下，蛋白质亲水基团外露，可通过氢键束缚产生较强的持香能力［8］。类似地，在肉类风味食品的研究中也证明改变含水率可对挥发性风味物质的保留产生影响，水分过高或者过低均会导致风味物质的快速逸失［9］。

因此，本研究中以天然薄荷颗粒为原料，通过添加不同比例丙二醇用于改善薄荷颗粒的持水能力，增强薄荷颗粒中纤维素和蛋白质等分子与香气成分的结合能力，进而改善薄荷颗粒的持香能力。并将改良后的薄荷颗粒应用于卷烟滤棒中，以期得到一种特色增香方式，能在抽吸卷烟时引入特色香味，实现不参与燃烧的卷烟增香、补香技术，为开展天然植物颗粒香料在卷烟香味补偿中的应用提供技术支撑。

1 材料与方法

1.1 材料、试剂和仪器

薄荷叶（2022 年，购自安徽省亳州市）；“红旗渠（硬金红）”空白卷烟（河南中烟工业有限责任公司）。

二氯甲烷（>99%）、乙酸苯乙酯（色谱纯）（美国Sigma公司）；丙二醇（>99%，天津德恩化学试剂有限公司提供）；无水硫酸钠（AR，天津大茂化学试剂厂）。

NMI20 低场核磁共振仪（上海纽迈电子科技有限公司）；Regulus8100 型扫描电子显微镜（SEM，日本日立公司）；7890GC/5975MS 型气质联用仪（美国Agilent公司）；DGX-9143电热恒温鼓风干燥箱（上海福玛实验设备有限公司）；EL204 型电子天平［感量0.000 1 g，梅特勒-托利多仪器（上海）有限公司］；HH-4型数显恒温水浴锅（金坛科析仪器有限公司）；KP-150 粉碎机、KPGD5/20 型低温冷却液循环泵（郑州凯鹏实验仪器有限公司）；KDM-1000 型可调式电热套（北京科伟永兴仪器有限公司）；同时蒸馏萃取装置（郑州科技玻璃仪器厂）。

1.2 方法

1.2.1 样品制备

挑选新鲜无病害干薄荷叶，将其粉碎至0.25～0.85 mm（20～60目）的颗粒。以占薄荷颗粒质量1%、2%、3%、4%的丙二醇分别与占薄荷颗粒质量5%的水混匀后均匀喷洒至薄荷颗粒表面，密闭并充分浸润2 h，取出后常温下晾干即得含不同比例丙二醇的薄荷颗粒。

1.2.2 低场核磁共振（LF-NMR）谱测定

将存放90 d后的样品置于温度为22 ℃、相对湿度（RH）为60%条件下平衡48 h后，称取3.0 g样品于低场核磁共振样品管中，再插入磁体线圈内进行核磁共振测定。采用CPMG 序列测定弛豫时间（T2），磁铁温度为32 ℃，主频SF=18 MHz，采样频率SW=200 kHz，偏移频率O1=601 648.13，90°脉冲时间P1=13 μs，180°脉冲时间P2=26.00 μs，重复采样等待时间TW=1 500 ms，重复采样次数NS=32，采样点数TD=108 010，回波时间TE=0.180 ms，回波个数NECH=3 000，射频延时RFD=0.020 ms，数字增益DRG1=3，模拟增益RG1=30 dB，放大倍数PRG=3。测定结束后对结果进行反演得到T2弛豫图谱。

1.2.3 平衡含水率测定

将不同丙二醇添加量的样品置于温度为22 ℃、RH为60%的恒温恒湿箱中平衡48 h。根据YC/T 31—1996中［10］规定的方法测定薄荷颗粒的平衡含水率。

1.2.4 扫描电子显微镜（SEM）测定

将未添加丙二醇的薄荷颗粒及含2%（质量分数）丙二醇的薄荷颗粒样品分散于导电胶上，经真空喷金后采用SEM观察其微观形貌，加速电压为3 kV。

1.2.5 持香能力评价

根据存放不同时间后的残余载香量衡量不同薄荷颗粒香料的持香能力。对1.2.1节中所述不同薄荷颗粒各取5份，每份20 g，分别在温度为22 ℃、RH为60%的恒温恒湿箱中存放0、15、30、60、90 d，采用文献［11］中的方法对挥发性香味成分进行同时蒸馏萃取及浓缩。以100 μL 0.871 g/L 的乙酸苯乙酯为内标，进行GC-MS分析。分析条件：

色谱柱：HP-5MS 型毛细管柱（60 m×0.25 mm×0.25 μm）；进样口温度：280 ℃；进样量：1 μL；分流比：10∶1；载气：He，流速1.0 mL/min；升温程序：40 ℃（2 min）。传输线温度：280 ℃；电子倍增器电压：1 635 V；EI 源电子能量：70 eV；质量扫描范围：30～550 amu；离子源温度：230 ℃；四极杆温度：150 ℃。

1.2.6 香味物质质量分数的计算方法

利用Nist20 谱库将质谱图中各色谱峰进行检索，同时进行人工解析，对化学成分进行定性分析。采用内标法对物质进行定量分析。按照公式（1）计算各挥发性香味物质的质量分数。

式中：W—挥发性物质的质量分数，µg/g；M1—内标物质量，µg；S2—挥发性物质峰面积；M3—样品质量，g；S1—内标物峰面积。

1.2.7 薄荷颗粒卷烟滤棒加香应用

在醋酸纤维滤棒成型过程中，将改良后的薄荷颗粒均匀散落在滤棒中，考察添加量为滤棒质量的0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%时的加香效果，筛选出最适宜的香料用量。并根据YC/T 31—1996 中的要求，在温度（22±2）℃、相对湿度60%±5%的恒温恒湿箱中平衡48 h。组织具备烟草行业感官评吸鉴定资质的人员（每组10人）进行感官特点评价。

2 结果与讨论

2.1 存放时间对未添加丙二醇的薄荷颗粒香味成分的影响

对未添加丙二醇的薄荷颗粒在存放90 d后的香味成分与存放前对照组香味成分进行对比分析，结果见表1。

表1 薄荷颗粒存放90 d后与对照组挥发性成分对比分析Tab.1 Comparative results of volatile components in peppermint powders and the control group after storage for 90 days（μg·g-1）

由表1可知，薄荷颗粒中鉴定出的挥发性成分主要包括醇类、酮类、酚类和萜烯类等。其中，质量分数较高的成分为醇类，共有5种。薄荷醇最主要的特征成分，具有轻快的、甜的气味和很强的清凉作用［12］；3-辛醇呈玫瑰和橙子似的香气，并具有辛辣的脂肪气；异蒲勒醇呈樟脑和薄荷香气，同时带有玫瑰和香茅香韵；α-松油醇具有丁香味。酮类成分有8种，均具有令人愉悦的花香［13］，其中，L-薄荷酮具有淡的椒样薄荷香气。烯烃类成分有7种，大都具有甜香、花香和木香［14］，主要为呈柠檬香气的柠檬烯、呈茴香气的榄香烯［15］、1-石竹烯具有淡的丁香似香味。酚类化合物主要为香芹酚，具有宜人的辛香和草香，对口腔咽喉黏膜有杀菌作用，能促进气管纤毛运动及气管黏液的分泌，起到祛痰作用［16］。

从挥发性成分的种类看，存放前的薄荷颗粒共含有26种挥发性成分，存放90 d后薄荷颗粒中的挥发性成分减少为22 种。从挥发性成分的质量分数看，存放前薄荷颗粒挥发性成分的质量分数为6 153.05 µg/g，存放后则为2 519.15 µg/g，存放后挥发性成分的总量相较存放前下降59.06%，其中，酮类化合物下降最多，为65.43%。醇类、萜烯类、酚类化合物下降幅度分别为57.15%、56.91%、38.21%。总体来说，天然薄荷颗粒在存放过程中香味损失较快，不利于其加工应用，本研究中将进一步采用丙二醇改良其持香能力。

2.2 丙二醇添加量对薄荷颗粒持香能力的影响

不同丙二醇添加量（0、1%、2%、3%、4%）的薄荷颗粒存放后挥发性成分总量结果如图1所示。可知，不同丙二醇添加量的薄荷颗粒存放后残余挥发性物质总量依次为2 519.15、3 959.69、4 472.69、2 281.68.00、1 536.98 µg/g。随着丙二醇添加量的增加，挥发性成分总量呈现出先升高后降低的趋势。挥发性成分总量最多的为丙二醇添加量2%时的样品。当丙二醇添加量从0 升高至2%时，由于薄荷颗粒含水率逐渐增大，使得颗粒中纤维素和蛋白质等大分子更易与香气分子以氢键结合等方式形成较稳定的络合物［17］，对香气成分束缚能力逐渐增强。当丙二醇添加量大于2%时，由于样品强结合水比例下降，样品表面过于湿润，易发生恒速干燥［18-19］，挥发性香味成分容易随水分蒸发而损失。

图1 不同丙二醇添加量的薄荷颗粒存放90 d后挥发性香味成分总量Fig.1 Total amount of volatile aroma components in peppermint powders with different PG addition rates after storage for 90 days

由图1可知，当丙二醇添加量为2%时，薄荷颗粒的持香能力最强。进一步研究了存放时间对其挥发性香味成分总量的影响，结果见图2。在不同存放时间（0、1、30、60、90 d）下，样品挥发性成分总量依次为6 153.05、5 915.42、5 408.21、4 950.61 和4 472.69µg/g。随着存放时间的延长，挥发性成分总量呈现出逐步降低的趋势，在存放90 d 后，残余量约为72.69%，与未添加丙二醇的薄荷颗粒残余量40.94%相比，挥发性成分保留量大大增加。根据GC-MS分析结果，进一步对比了存放时间对薄荷颗粒（添加2%丙二醇）不同极性的挥发性香味成分的影响，结果见图3。可知，随着存放时间的延长，醇类化合物在挥发性成分中所占的比例增加，酮类化合物在挥发性成分中所占的比例有下降趋势，烯烃类化合物在挥发性成分中所占的比例下降最为明显，这是因为醇类化合物的极性强于酮类及烯烃类化合物［20］，而且醇类化合物分子结构中含有羟基（—OH），既可以作为氢键受体，也可以作为氢键供体［21］；酮类化合物只能作为氢键受体；烯烃类化合物不可以作为氢键供体或受体。因此，醇类化合物更容易与大分子类极性基团或水分子形成氢键，从而在薄荷颗粒中形成复杂的氢键结构［22］。所以添加一定量的丙二醇提高薄荷颗粒含水率之后，薄荷颗粒中纤维素和蛋白质等大分子可以在结合水的帮助下通过氢键与醇类分子形成较稳定的络合物［9,21,23］，从而使薄荷醇等极性分子难以挥发。因薄荷醇对于薄荷香型的香料至关重要，丙二醇改良型天然薄荷颗粒香料能够提高薄荷醇的留香能力，因此具有良好的应用前景。

图2 存放时间对薄荷颗粒（添加2%丙二醇）挥发性香味成分总量的影响Fig.2 Effect of storage time on total amount of volatile aroma components in peppermint powders adding 2% PG

图3 存放时间对薄荷颗粒中不同种类挥发性香味成分所占比例的影响Fig.3 Effect of storage time on proportions of different types of volatile aroma components in peppermint powder

2.3 丙二醇添加量对薄荷颗粒水分分布状态的影响

采用低场核磁共振（LF-NMR）技术，通过检测水分子中质子的弛豫行为，能够反映水分子的存在状态［24］。T2是激发自旋质子与相邻质子进行能量交换后达到动态平衡所需的时间，反映了样品中水分的自由度大小［25］。T2弛豫时间越短，说明该部分水分子与样品中其他成分的结合越紧密，水的自由度就越小［23］。T2弛豫图谱呈现多组分特征，代表不同的水分状态，弛豫时间最小的一般定义为结合水，弛豫时间最大的定义为自由水，各弛豫峰面积对应不同状态水分的分布比例［26-29］。因此，综合弛豫时间和弛豫峰面积，可以分析薄荷香料中水分分布状态，从而明晰丙二醇对水分分布的影响。

图4 为添加不同质量分数丙二醇的薄荷香料在22 ℃、RH 60%的条件下达到平衡时的T2弛豫图谱。由图4可知，薄荷颗粒T2弛豫图谱中共有3个弛豫峰T21、T22和T23，分别对应着弛豫时间0.2、7.0 和100.0 ms左右。根据玫瑰花和烟叶等植物水分分布状态的研究，对薄荷颗粒T2弛豫峰进行了归属［27-28］，T21弛豫时间最短（0.2 ms 左右），代表薄荷的强结合水，包括颗粒中大分子内部结合水以及化学结合水等。T22（7.0 ms左右）对应微毛细管凝结水和细胞质结合水等不易流动的弱结合水；T23（100.0 ms 左右）对应物理吸附水以及润湿水等自由水。添加不同质量分数丙二醇的薄荷香料的水分分布状态如表2所示，各样品平衡含水率随丙二醇质量分数的增加而增加。与未添加丙二醇的干薄荷颗粒相比，添加丙二醇后薄荷颗粒的T22小幅向右位移，T23大幅向右位移，说明其弱结合水尤其是自由水的自由度增加，应是添加丙二醇水溶液改良样品的过程中经过了水分浸润-复干这一过程导致的。如图5所示，丙二醇改良后薄荷颗粒植物组织表皮褶皱有明显塌陷，物理结构的改变导致丙二醇改良后的薄荷颗粒对自由水的束缚力下降，自由水氢质子横向弛豫时间大幅增加，也就是T23向右位移。

图4 不同丙二醇添加量的薄荷颗粒的T2弛豫图谱Fig.4 T2 relaxation pattern of peppermint powders with different PG addition rates

图5 丙二醇添加前后薄荷颗粒的扫描电镜图Fig.5 Scanning electron microscopy images of peppermint powders before and after PG addition

添加丙二醇后薄荷颗粒中的强结合水所占比例（峰面积A21）均增加，这表明丙二醇可以增强薄荷颗粒对水分的吸附。随着丙二醇添加量的增大，吸附机制发生明显变化，样品物理吸附水以及润湿水等自由水含量大大下降，转向不易流动的弱结合水以及化学吸附为主的强结合水。丙二醇的添加量为2%时，薄荷颗粒强结合水比例最高，自由水含量最低，对水分的吸附作用最强。当丙二醇的添加量大于2%时，强结合水比例有所下降而弱结合水比例略有升高，这可能是因为吸附水分增多，化学吸附在一定程度上饱和，转向了不易流动的弱结合水。

可知，随着丙二醇添加量的增大，存放90 d 后各样品挥发性成分残留量及其结合水的相对峰面积均随丙二醇质量分数的增加呈现先升高后降低的趋势，在丙二醇的添加量为2%时，其挥发性成分残留量与强结合水的相对峰面积均最高。对样品挥发性成分的残留量与强结合水的相对峰面积利用SPSS软件进行相关性分析，结果如表3所示，其相关系数为0.906，P值为0.034，表明挥发性成分的残留量与强结合水的相对峰面积间显著正相关。因此，薄荷颗粒中强结合水的相对峰面积越大，薄荷颗粒挥发性成分的残留量越多。

表3 存放90 d后样品挥发性成分残余量与结合水峰面积A21的相关性分析Tab.3 Correlation analysis between residual amount of volatile components and peak area of bound water（A21）after storage for 90 days

2.4 卷烟感官评吸结果

将丙二醇改良型薄荷颗粒加入卷烟滤棒中，在恒温恒湿箱中平衡48小时后进行卷烟感官评吸，结果如表4所示。薄荷颗粒香料能够提升卷烟的香气、掩盖杂气、减少刺激性，能够明显提升卷烟的薄荷香，在添加量为滤棒质量的2%时，烟香较协调。且对比空白样品发现，加入薄荷颗粒后能在一定程度上减轻口腔干燥感。这可能是薄荷颗粒中添加的丙二醇的保润性能改善了卷烟的抽吸口感［30］。同时，将添加有薄荷颗粒的滤嘴在常温敞口环境下放置90 d，滤嘴无发霉变质等现象，这是由于天然薄荷本身具有抗菌、抗氧化等药理活性。

表4 丙二醇改良型薄荷颗粒的感官评吸结果Tab.4 Results of sensory evaluation for PG modified peppermint powders

3 结论

（1）天然薄荷颗粒存放90 d 后挥发性成分种类减少4 种、总量下降59.06%，香味损失较快，不利于其加工应用；在丙二醇的添加量为2%时薄荷颗粒的持香能力最强，存放90 d 后，挥发性成分的残余量约为72.69%，与未添加丙二醇的固体香料的残余量40.94%相比，挥发性成分的保留量增加31.75%。添加丙二醇对薄荷颗粒中不同种类挥发性香味成分的留香效果不同，对醇类分子的保留效果最佳。

（2）添加丙二醇后薄荷颗粒自由水的比例下降，说明添加丙二醇后可有效改善薄荷颗粒中的水分分布，增强薄荷颗粒含水率的稳定性；其中，丙二醇的添加量为2%时，薄荷颗粒中强结合水的相对比例最高。

（3）薄荷颗粒挥发性成分的残留量与强结合水的相对峰面积显著正相关，薄荷颗粒中强结合水所占比例越高，薄荷颗粒挥发性成分的残留量越大。

（4）在添加量为滤棒质量的2%时，凉感明显，有薄荷香气，烟香较协调，且对比空白样品发现，加入薄荷颗粒后能在一定程度上减轻口腔干燥感。