蘆昶彤 趙永振 王宏偉 顧 亮 李耀光 王鵬飛 李紅濤 趙志偉 孫志濤 段 鹍

(河南中煙工業(yè)有限責任公司技術中心，河南 鄭州 450000)

Maillard反應是食品加工和貯藏過程中發(fā)生的一類重要化學反應，對食品的風味、顏色及營養(yǎng)等品質具有重要影響[1-2]。Amadori化合物與Heyns化合物是煙草或烘焙食品中重要香味前體物，分別由葡萄糖和果糖與氨基酸經Maillard反應產生，該類化合物無色無味，但經加熱可裂解釋放大量呋喃、吡咯及吡嗪類香味化合物，提升煙草制品感官質量[3-4]。

Amadori化合物已有較多研究報道。Stefanowicz等[5]報道了Amadori化合物合成方法；Sanz等[6]和Davidek等[7]利用高效陰離子色譜串聯(lián)質譜法測定了杏干和西紅柿干中Amadori化合物；Yuan等[8]采用高效液相色譜串聯(lián)質譜法測定了葡萄干中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-脫氧-D-果糖在不同溫度下熱裂解產物；Koch[11]發(fā)現(xiàn)番茄制品中的1-L-組氨酸-1-脫氧-D-果糖具有較強抗氧化活性，與番茄紅素相互作用可降低前列腺癌風險；Ha等[12]研究發(fā)現(xiàn)紅參中Amadori化合物具有降血糖作用，可通過抑制糖在胃和腸內吸收，降低餐后血糖升高。由于酮糖反應活性低于醛糖，較難發(fā)生Maillard反應[13]，Heyns化合物合成報道較少，其中2-L-丙氨酸-2-脫氧-D-葡萄糖(Ala-Glu)合成研究未見報道。

本試驗以L-丙氨酸(Ala)和D-果糖(Fru)為原料合成了一種Heyns化合物——2-L-丙氨酸-2-脫氧-D-葡萄糖(Ala-Glu)，采用TG-DTG和Py-GC/MS研究化合物熱裂解，并對其進行物理保潤性能檢測及在卷煙應用研究，為Heyns化合物合成及在卷煙中應用提供理論指導。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

1.1.1 材料與試劑

L-丙氨酸：99.5%，北京索萊寶科技有限公司；

D-果糖：99%，國藥集團化學試劑有限公司；

硅膠：300～400目，CP純，青島海洋化工廠；

無水甲醇、正丁醇、檸檬酸、無水乙醇、甘油、茚三酮、冰乙酸、丙二醇：國產分析純。

1.1.2 主要儀器設備

電子天平：AY 120型，日本島津公司；

智能恒溫磁力攪拌器：ZNCL-G型，上海長城儀器科技有限公司；

旋轉蒸發(fā)儀：R201型，瑞士Buchi公司；

紅外光譜儀：5DDXB FT-IR型，美國Bruker公司；

核磁共振譜儀：Varian INOVA-600型，美國Varian公司；

高分辨率質譜儀：MAT 95XP型，美國Thermo公司；

熱分析儀：SDTQ600型，美國TA公司；

氣質聯(lián)用儀：6890N+5975型，美國Agilent公司；

熱裂解器：Pyroprobe 5200型，美國CDS公司。

1.2 方法

1.2.1 2-L-丙氨酸-2-脫氧-D-葡萄糖(Ala-Glu)的合成

Ala-Glu的合成路線見圖1。

圖1 Ala-Glu的合成反應路線

向三口瓶中加入19.0 g(0.11 mol)無水D-果糖和250 mL 無水甲醇，攪拌回流溶解，加入8.9 g(0.1 mol)L-丙氨酸并回流反應0.5 h，加入0.384 g(0.002 mol)的檸檬酸繼續(xù)反應4 h。反應液冷卻至室溫后，過濾、減壓蒸餾除凈溶劑后，采用硅膠柱層析分離，洗脫劑為正丁醇—冰乙酸—水混合液(4∶2∶1，體積比)。采用薄層色譜法(TLC)監(jiān)控，展開劑為正丁醇—冰乙酸—水混合液(4∶2∶1，體積比)，顯色劑為2%茚三酮甲醇溶液。合并含有目標產物洗脫液，減壓蒸餾至干后，在甲醇中重結晶2次后得白色晶體，稱重計算產率為69.15%。

1.2.2 TG-DTG分析 稱取3.00 mg Ala-Glu，置于高純氧化鋁坩堝內。熱重分析儀溫度區(qū)間設定為25～800 ℃，在體積分數(shù)為10%氧氣氛圍中以9 ℃/min速率升溫，氣體流速：90 mL/min。

1.2.3 在線Py-GC/MS熱裂解產物分析

(1) 稱取Ala-Glu樣品0.5 mg放入裂解管中，在不同溫度下瞬間裂解，裂解化合物通過氦氣導入GC/MS中分析。

(2) 升溫程序：初始溫度為50 ℃，升溫速率為20 ℃/ms，分別設定250，450，650，900 ℃ 4個溫度，保持10 s；裂解氛圍為體積分數(shù)90%氮氣和10%氧氣；傳輸線溫度250 ℃；吸附阱條件：吸附溫度50 ℃，脫附溫度280 ℃。

(3) 色譜條件：毛細管色譜柱DB-5MS色譜柱(250 μm×0.25 μm×50 m)；升溫程序：初始溫度50 ℃，保持1.5 min，以10 ℃/min升溫至200 ℃，保持10 min；進樣口溫度200 ℃；載氣為氦氣；流速1 mL/min；分流比50∶1。

(4) 質譜條件：離子源EI；離子源溫度230 ℃；電子能量70 eV；掃描范圍30～1 000 amu；四極桿溫度150 ℃。

1.2.4 保潤性能測試 按參考文獻[14]的方法，測試煙絲在低濕和高濕2種環(huán)境條件下含水率變化，考察Ala-Glu對煙絲保潤效果。將未添加保潤劑的煙絲在溫度(22±1) ℃，濕度(60±2)%下平衡2 d。以0.5%的用量(煙絲質量)將Ala-Glu、丙二醇和甘油添加到3份煙絲中，對照樣為添加相同質量蒸餾水的煙絲。將4份煙絲于溫度(22±1) ℃，濕度(60±2)%下平衡2 d，然后分別放置在低濕和高濕2種環(huán)境下，測試煙絲解濕和吸濕過程的含水率變化趨勢，考察3種化合物的保潤效果，低濕條件：溫度(22±1) ℃和濕度(40±2)%；高濕條件：溫度(22±1) ℃和濕度(70±2)%。

1.2.5 卷煙感官評定 分別以煙絲質量的0.1‰，0.5‰，1.0‰，1.5‰稱取Ala-Glu，并以適量體積分數(shù)為95%的乙醇水溶液稀釋后，均勻施加至煙絲中，卷制。按GB/T 5606.1—2014的方法挑選卷煙樣品，各挑選出100支同一重量卷煙，并在溫度為(22±1) ℃、濕度為(60±2)%環(huán)境下平衡2 d，按GB 5606.4—2005進行感官對比評吸，對照樣為未加香料空白煙絲。

2 結果與分析

2.1 結構分析與表征

Ala-Glu的化學結構見圖2，其紅外光譜(IR)、核磁共振氫譜(1HNMR)、核磁共振碳譜(13CNMR)和高分辨率質譜(HRMS)數(shù)據(jù)見表1。

圖2 Ala-Glu的化學結構

方法結構表征數(shù)據(jù)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]+(計算值:252.237 20)

2.2 TG-DTG分析

Ala-Glu的TG-DTG曲線圖見圖3。

由圖3可知，Ala-Glu發(fā)生3次失重過程，第一次失重發(fā)生在常溫200 ℃，樣品發(fā)生明顯熱失重，約失重45%；第二次失重發(fā)生在200～500 ℃，樣品發(fā)生略緩慢熱失重，約失重40%，第一、第二階段為樣品主要失重階段，合計失重85%。500 ℃之后樣品失重較緩慢，當樣品被加熱到800 ℃時，樣品總失重達到90%。Ala-Glu在178.9 ℃處失重速率最大。

圖3 Ala-Glu的TG-DTG圖

綜合分析，Ala-Glu為沒有熔點化合物，裂解溫度為178.9 ℃。

2.3 Py-GC/MS熱裂解產物分析

為確定Ala-Glu的主要裂解產物，在相同試驗條件下，對裂解產物的保留時間及質譜圖進行比對分析，利用標準品混合標樣法分析2-乙基呋喃等18種物質，其他化合物采用質譜庫分析，采用峰面積歸一法確定各組分相對含量(質量分數(shù))，結果見表2。為保證試驗結果的可重復性和準確性，4個裂解溫度分別重復試驗3次，計算含量相對標準偏差，各裂解產物的RSD為0.86%～13.21%，說明試驗方法準確可靠。

Ala-Glu在250，450，650，900 ℃ 4個裂解溫度下裂解產物分別為18，28，41，45種，產物數(shù)量隨裂解溫度升高而逐漸增多。Ala-Glu在250 ℃下裂解時，產生15種雜環(huán)類化合物(相對含量43.38%，呋喃類、吡嗪類、吡啶類、吡咯類、糠醇類、呋喃酮類和吡喃酮類)，1種羧酸類物質(相對含量10.02%，乙酸)，酮類2種物質(相對含量1.73%，2-環(huán)戊烯-1，4-二酮、2，3-二甲基-2-環(huán)戊烯-1-酮)。其中2,3-二氫-3,5-二羥基-6-甲基-4H-吡喃-4-酮(DDMP)的相對含量最高，為25.10%；乙酸次之，為10.02%；2,5-二甲基-4-羥基-3(2H)-呋喃酮和2-乙基呋喃的相對含量均在2.60%以上。

Ala-Glu在450 ℃下裂解，裂解產物數(shù)量較250 ℃下增加10種，產生24種雜環(huán)類物質(相對含量60.59%，呋喃類、吡嗪類、吡咯類、吡啶類、糠醇類、呋喃酮類、吡喃酮類和吲哚類)，1種羧酸類物質(相對含量3.80%，乙酸)，3種酮類物質(相對含量3.01%，2-環(huán)戊烯-1，4-二酮、3-甲基-2-環(huán)戊烯-1-酮、2，3-二甲基-2-環(huán)戊烯-1-酮)。2,3-二氫-3,5-二羥基-6-甲基-4H-吡喃-4-酮(DDMP)相對含量最高，為32.51%；2,5-二甲基-4-羥基-3(2H)-呋喃酮次之，為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對含量均在1.98% 以上。

Ala-Glu在650 ℃下裂解，產生33種雜環(huán)類物質(相對含量55.33%，呋喃類、吡嗪類、吡咯類、吡啶類、糠醇類、呋喃酮類、吡喃酮類和吲哚)，1種羧酸類物質(相對含量2.23%，乙酸)，2種芳烴類物質(相對含量0.60%，甲苯和1-甲基茚)，5種酮類物質(相對含量5.72%，環(huán)戊烯酮類)。2,3-二氫-3,5-二羥基-6-甲基-4H-吡喃-4-酮(DDMP)相對含量最高，為15.67%；2,3,5-三甲基吡嗪相對含量次之，為2.82%；2,5-二甲基吡嗪、2-甲基-3-羥基-4-吡喃酮、2，5-二甲基呋喃、乙酸和2,5-二甲基-4-羥基-3(2H)-呋喃酮相對含量均在2.21% 以上。600 ℃下裂解產物數(shù)量較450 ℃下增加13種，其中雜環(huán)類化合物數(shù)量增加了9種。

Ala-Glu在900 ℃下裂解時，產物為38種雜環(huán)類物質(相對含量47.06%，吡嗪類、呋喃類、吡咯類、呋喃酮類、吡啶類、糠醇類、吡喃酮類、糠醛類和吲哚)，4種酮類物質(相對含量3.81%，環(huán)戊烯酮類)，1種羧酸類物質(相對含量1.71%，乙酸)，2種芳烴類物質(相對含量1.62%，甲苯和1-甲基茚)。2,3-二氫-3,5-二羥基-6-甲基-4H-吡喃-4-酮相對含量最高，為8.59%；3-甲基吡咯、吡咯、2-乙基呋喃和2,3,5-三甲基吡嗪相對含量均在1.94%以上。900 ℃下裂解產物數(shù)量較650 ℃下增加4種，其中雜環(huán)類化合物增加了5種，酮類減少1種。

表2 不同溫度下Ala-Glu的熱裂解產物及相對含量?

? “*”表示采用標準品定性； “—”表示該組分含量為0。

2.4 裂解化合物致香成分分析

Ala-Glu在不同溫度下裂解產生52種化合物，裂解產物大多為煙草或食品中致香成分，根據(jù)文獻[15-16]報道，裂解化合物表現(xiàn)為焦甜香、烘烤香、甜香和花香等香韻(表3)。DDMP是重要香味前體化合物，主要通過Maillard反應生成，形成于食品烘烤過程中，可裂解產生大量香味化合物，具有改善卷煙香氣品質和增加甜香作用[17-18]。由表2可知，在4個裂解溫度下，DDMP為Ala-Glu主要裂解產物，其含量分別達25.10%，32.51%，15.67%，8.59%。

表3 熱裂解成分香韻分析

Ala-Glu脫去2-位氨基產生1-脫氧-2,3-己二酮糖，再經環(huán)化及異構化反應，最后脫水生成DDMP[19-20]。DDMP可進一步裂解產生2-甲基-3-羥基-4-吡喃酮和2,5-二甲基-4-羥基-3(2H)-呋喃酮等化合物[20-22]。1-脫氧-2,3-己二酮糖可進一步降解產生乙酸、2，3-二甲基-2-環(huán)戊烯-1-酮和3-甲基-1，2-環(huán)戊二酮等化合物[23]。2-乙基呋喃和2,5-二甲基呋喃等呋喃類化合物由Ala-Glu脫水裂解產生[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經斯特勒克降解產生[25]。吡咯和2-甲基吡咯等吡咯類化合物主要由斯特勒克降解和氨基酸殘基裂解產生的醛和α-氨基醛或酮經烯醇化后脫水產生[26]。

2.5 物理保潤性能對比分析

添加Ala-Glu、丙二醇和甘油樣品煙絲在低濕和高濕2種環(huán)境條件下含水率變化趨勢分別見圖4、5。結果表明，在低濕條件下(圖4)，添加Ala-Glu、丙二醇和甘油3種保潤劑的煙絲含水率高于未添加任何保潤劑的煙絲；在36 h內，含水率下降較快，之后較平緩；保潤性能由大到小依次為Ala-Glu、甘油和丙二醇。由于Ala-Glu含有氨基、羥基和羧基等強親水基團可束縛水分的散失，提高煙絲的物理保潤性能。在高濕條件下(圖5)，添加Ala-Glu、丙二醇和甘油3種保潤劑的煙絲含水率高于空白煙絲；在50 h內，含水率上升較明顯，之后趨于平緩。綜上所述，Ala-Glu的保潤效果優(yōu)于傳統(tǒng)保潤劑甘油和丙二醇，在低濕條件下具有保濕煙絲作用，而在高濕條件下Ala-Glu、甘油和丙二醇均無防潮效果。

圖4 煙絲在低濕條件下含水率隨時間的變化

圖5 煙絲在高濕條件下含水率隨時間的變化

2.6 感官作用評價

Ala-Glu的卷煙加香評吸結果見表4。

表4 Ala-Glu的卷煙加香評吸結果

評吸結果表明，Ala-Glu可明顯提升卷煙香氣品質，使煙氣變得圓潤、柔和，降低刺激性和雜氣，改善余味。當用量較小時，Ala-Glu對卷煙作用不明顯，當用量超過1.0‰時，香氣豐富性和余味略降低，因此，Ala-Glu在卷煙中的適宜用量為1.0‰。

3 結論

以D-果糖和L-丙氨酸為原料合成了Ala-Glu，產率較高，且本方法原料易得、操作簡便。Ala-Glu的裂解溫度為178.9 ℃，800 ℃時總失重達到90%；裂解產物數(shù)量隨溫度的升高而增多，裂解產物主要為雜環(huán)類化合物，具有焦甜香、烘焙香、甜香和花香等香韻。Ala-Glu的保潤效果優(yōu)于傳統(tǒng)保潤劑甘油和丙二醇，在低濕條件(40%)下具有保濕煙絲作用，而在高濕條件下(70%)Ala-Glu、甘油和丙二醇均無防潮作用。另外，卷煙中添加1.0‰的Ala-Glu可明顯改善卷煙香氣品質，使煙氣變得圓潤、柔和，刺激性和雜氣降低，余味改善。

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