賈學(xué)偉,馬兵杰,崔 春,李天笑,高明奇,許春平*
1.鄭州輕工業(yè)大學(xué)食品與生物工程學(xué)院,鄭州高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開(kāi)發(fā)區(qū)科學(xué)大道136 號(hào) 4500002.河南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司技術(shù)中心,鄭州經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)第三大街9 號(hào) 450016
薄荷作為常用的、重要的芳香植物,其天然提取物是香精和香料的重要組成部分[1]。與薄荷腦相比,天然薄荷組成成分多[2],致香作用更為豐富飽滿。目前,常在卷煙濾嘴中添加吸附有薄荷腦的多孔顆粒用于緩和煙氣刺激性和去除雜氣[3-6];但普通多孔顆粒多為物理吸附[7],吸附力小且載香量低,隨著存放時(shí)間的增加,薄荷香氣逸失較多,易使薄荷型卷煙質(zhì)量產(chǎn)生波動(dòng)。與普通多孔顆粒相比,天然薄荷顆粒對(duì)香氣分子的吸附作用除了物理多孔吸附還有化學(xué)吸附。在一定含水率條件下,植物組織中纖維素和蛋白質(zhì)等生物大分子可對(duì)香氣分子通過(guò)氫鍵吸附和空間位阻等方式產(chǎn)生束縛和包埋的作用[8]。例如,因足干茶葉的含水率極低,按照自由能最小化的原理,其蛋白質(zhì)親水基團(tuán)將會(huì)折疊包埋起來(lái),而疏水基團(tuán)外露,這樣香氣分子中的極性基團(tuán)便較難與蛋白質(zhì)分子形成氫鍵締合,而在一定含水率下,蛋白質(zhì)親水基團(tuán)外露,可通過(guò)氫鍵束縛產(chǎn)生較強(qiáng)的持香能力[8]。類似地,在肉類風(fēng)味食品的研究中也證明改變含水率可對(duì)揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)的保留產(chǎn)生影響,水分過(guò)高或者過(guò)低均會(huì)導(dǎo)致風(fēng)味物質(zhì)的快速逸失[9]。
因此,本研究中以天然薄荷顆粒為原料,通過(guò)添加不同比例丙二醇用于改善薄荷顆粒的持水能力,增強(qiáng)薄荷顆粒中纖維素和蛋白質(zhì)等分子與香氣成分的結(jié)合能力,進(jìn)而改善薄荷顆粒的持香能力。并將改良后的薄荷顆粒應(yīng)用于卷煙濾棒中,以期得到一種特色增香方式,能在抽吸卷煙時(shí)引入特色香味,實(shí)現(xiàn)不參與燃燒的卷煙增香、補(bǔ)香技術(shù),為開(kāi)展天然植物顆粒香料在卷煙香味補(bǔ)償中的應(yīng)用提供技術(shù)支撐。
薄荷葉(2022 年,購(gòu)自安徽省亳州市);“紅旗渠(硬金紅)”空白卷煙(河南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司)。
二氯甲烷(>99%)、乙酸苯乙酯(色譜純)(美國(guó)Sigma公司);丙二醇(>99%,天津德恩化學(xué)試劑有限公司提供);無(wú)水硫酸鈉(AR,天津大茂化學(xué)試劑廠)。
NMI20 低場(chǎng)核磁共振儀(上海紐邁電子科技有限公司);Regulus8100 型掃描電子顯微鏡(SEM,日本日立公司);7890GC/5975MS 型氣質(zhì)聯(lián)用儀(美國(guó)Agilent公司);DGX-9143電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱(上海?,攲?shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司);EL204 型電子天平[感量0.000 1 g,梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司];HH-4型數(shù)顯恒溫水浴鍋(金壇科析儀器有限公司);KP-150 粉碎機(jī)、KPGD5/20 型低溫冷卻液循環(huán)泵(鄭州凱鵬實(shí)驗(yàn)儀器有限公司);KDM-1000 型可調(diào)式電熱套(北京科偉永興儀器有限公司);同時(shí)蒸餾萃取裝置(鄭州科技玻璃儀器廠)。
1.2.1 樣品制備
挑選新鮮無(wú)病害干薄荷葉,將其粉碎至0.25~0.85 mm(20~60目)的顆粒。以占薄荷顆粒質(zhì)量1%、2%、3%、4%的丙二醇分別與占薄荷顆粒質(zhì)量5%的水混勻后均勻噴灑至薄荷顆粒表面,密閉并充分浸潤(rùn)2 h,取出后常溫下晾干即得含不同比例丙二醇的薄荷顆粒。
1.2.2 低場(chǎng)核磁共振(LF-NMR)譜測(cè)定
將存放90 d后的樣品置于溫度為22 ℃、相對(duì)濕度(RH)為60%條件下平衡48 h后,稱取3.0 g樣品于低場(chǎng)核磁共振樣品管中,再插入磁體線圈內(nèi)進(jìn)行核磁共振測(cè)定。采用CPMG 序列測(cè)定弛豫時(shí)間(T2),磁鐵溫度為32 ℃,主頻SF=18 MHz,采樣頻率SW=200 kHz,偏移頻率O1=601 648.13,90°脈沖時(shí)間P1=13 μs,180°脈沖時(shí)間P2=26.00 μs,重復(fù)采樣等待時(shí)間TW=1 500 ms,重復(fù)采樣次數(shù)NS=32,采樣點(diǎn)數(shù)TD=108 010,回波時(shí)間TE=0.180 ms,回波個(gè)數(shù)NECH=3 000,射頻延時(shí)RFD=0.020 ms,數(shù)字增益DRG1=3,模擬增益RG1=30 dB,放大倍數(shù)PRG=3。測(cè)定結(jié)束后對(duì)結(jié)果進(jìn)行反演得到T2弛豫圖譜。
1.2.3 平衡含水率測(cè)定
將不同丙二醇添加量的樣品置于溫度為22 ℃、RH為60%的恒溫恒濕箱中平衡48 h。根據(jù)YC/T 31—1996中[10]規(guī)定的方法測(cè)定薄荷顆粒的平衡含水率。
1.2.4 掃描電子顯微鏡(SEM)測(cè)定
將未添加丙二醇的薄荷顆粒及含2%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))丙二醇的薄荷顆粒樣品分散于導(dǎo)電膠上,經(jīng)真空噴金后采用SEM觀察其微觀形貌,加速電壓為3 kV。
1.2.5 持香能力評(píng)價(jià)
根據(jù)存放不同時(shí)間后的殘余載香量衡量不同薄荷顆粒香料的持香能力。對(duì)1.2.1節(jié)中所述不同薄荷顆粒各取5份,每份20 g,分別在溫度為22 ℃、RH為60%的恒溫恒濕箱中存放0、15、30、60、90 d,采用文獻(xiàn)[11]中的方法對(duì)揮發(fā)性香味成分進(jìn)行同時(shí)蒸餾萃取及濃縮。以100 μL 0.871 g/L 的乙酸苯乙酯為內(nèi)標(biāo),進(jìn)行GC-MS分析。分析條件:
色譜柱:HP-5MS 型毛細(xì)管柱(60 m×0.25 mm×0.25 μm);進(jìn)樣口溫度:280 ℃;進(jìn)樣量:1 μL;分流比:10∶1;載氣:He,流速1.0 mL/min;升溫程序:40 ℃(2 min)。傳輸線溫度:280 ℃;電子倍增器電壓:1 635 V;EI 源電子能量:70 eV;質(zhì)量掃描范圍:30~550 amu;離子源溫度:230 ℃;四極桿溫度:150 ℃。
1.2.6 香味物質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的計(jì)算方法
利用Nist20 譜庫(kù)將質(zhì)譜圖中各色譜峰進(jìn)行檢索,同時(shí)進(jìn)行人工解析,對(duì)化學(xué)成分進(jìn)行定性分析。采用內(nèi)標(biāo)法對(duì)物質(zhì)進(jìn)行定量分析。按照公式(1)計(jì)算各揮發(fā)性香味物質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。
式中:W—揮發(fā)性物質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù),μg/g;M1—內(nèi)標(biāo)物質(zhì)量,μg;S2—揮發(fā)性物質(zhì)峰面積;M3—樣品質(zhì)量,g;S1—內(nèi)標(biāo)物峰面積。
1.2.7 薄荷顆粒卷煙濾棒加香應(yīng)用
在醋酸纖維濾棒成型過(guò)程中,將改良后的薄荷顆粒均勻散落在濾棒中,考察添加量為濾棒質(zhì)量的0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%時(shí)的加香效果,篩選出最適宜的香料用量。并根據(jù)YC/T 31—1996 中的要求,在溫度(22±2)℃、相對(duì)濕度60%±5%的恒溫恒濕箱中平衡48 h。組織具備煙草行業(yè)感官評(píng)吸鑒定資質(zhì)的人員(每組10人)進(jìn)行感官特點(diǎn)評(píng)價(jià)。
對(duì)未添加丙二醇的薄荷顆粒在存放90 d后的香味成分與存放前對(duì)照組香味成分進(jìn)行對(duì)比分析,結(jié)果見(jiàn)表1。
表1 薄荷顆粒存放90 d后與對(duì)照組揮發(fā)性成分對(duì)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,薄荷顆粒中鑒定出的揮發(fā)性成分主要包括醇類、酮類、酚類和萜烯類等。其中,質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高的成分為醇類,共有5種。薄荷醇最主要的特征成分,具有輕快的、甜的氣味和很強(qiáng)的清涼作用[12];3-辛醇呈玫瑰和橙子似的香氣,并具有辛辣的脂肪氣;異蒲勒醇呈樟腦和薄荷香氣,同時(shí)帶有玫瑰和香茅香韻;α-松油醇具有丁香味。酮類成分有8種,均具有令人愉悅的花香[13],其中,L-薄荷酮具有淡的椒樣薄荷香氣。烯烴類成分有7種,大都具有甜香、花香和木香[14],主要為呈檸檬香氣的檸檬烯、呈茴香氣的欖香烯[15]、1-石竹烯具有淡的丁香似香味。酚類化合物主要為香芹酚,具有宜人的辛香和草香,對(duì)口腔咽喉黏膜有殺菌作用,能促進(jìn)氣管纖毛運(yùn)動(dòng)及氣管黏液的分泌,起到祛痰作用[16]。
從揮發(fā)性成分的種類看,存放前的薄荷顆粒共含有26種揮發(fā)性成分,存放90 d后薄荷顆粒中的揮發(fā)性成分減少為22 種。從揮發(fā)性成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)看,存放前薄荷顆粒揮發(fā)性成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6 153.05 μg/g,存放后則為2 519.15 μg/g,存放后揮發(fā)性成分的總量相較存放前下降59.06%,其中,酮類化合物下降最多,為65.43%。醇類、萜烯類、酚類化合物下降幅度分別為57.15%、56.91%、38.21%??傮w來(lái)說(shuō),天然薄荷顆粒在存放過(guò)程中香味損失較快,不利于其加工應(yīng)用,本研究中將進(jìn)一步采用丙二醇改良其持香能力。
不同丙二醇添加量(0、1%、2%、3%、4%)的薄荷顆粒存放后揮發(fā)性成分總量結(jié)果如圖1所示??芍?,不同丙二醇添加量的薄荷顆粒存放后殘余揮發(fā)性物質(zhì)總量依次為2 519.15、3 959.69、4 472.69、2 281.68.00、1 536.98 μg/g。隨著丙二醇添加量的增加,揮發(fā)性成分總量呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢(shì)。揮發(fā)性成分總量最多的為丙二醇添加量2%時(shí)的樣品。當(dāng)丙二醇添加量從0 升高至2%時(shí),由于薄荷顆粒含水率逐漸增大,使得顆粒中纖維素和蛋白質(zhì)等大分子更易與香氣分子以氫鍵結(jié)合等方式形成較穩(wěn)定的絡(luò)合物[17],對(duì)香氣成分束縛能力逐漸增強(qiáng)。當(dāng)丙二醇添加量大于2%時(shí),由于樣品強(qiáng)結(jié)合水比例下降,樣品表面過(guò)于濕潤(rùn),易發(fā)生恒速干燥[18-19],揮發(fā)性香味成分容易隨水分蒸發(fā)而損失。
圖1 不同丙二醇添加量的薄荷顆粒存放90 d后揮發(fā)性香味成分總量Fig.1 Total amount of volatile aroma components in peppermint powders with different PG addition rates after storage for 90 days
由圖1可知,當(dāng)丙二醇添加量為2%時(shí),薄荷顆粒的持香能力最強(qiáng)。進(jìn)一步研究了存放時(shí)間對(duì)其揮發(fā)性香味成分總量的影響,結(jié)果見(jiàn)圖2。在不同存放時(shí)間(0、1、30、60、90 d)下,樣品揮發(fā)性成分總量依次為6 153.05、5 915.42、5 408.21、4 950.61 和4 472.69μg/g。隨著存放時(shí)間的延長(zhǎng),揮發(fā)性成分總量呈現(xiàn)出逐步降低的趨勢(shì),在存放90 d 后,殘余量約為72.69%,與未添加丙二醇的薄荷顆粒殘余量40.94%相比,揮發(fā)性成分保留量大大增加。根據(jù)GC-MS分析結(jié)果,進(jìn)一步對(duì)比了存放時(shí)間對(duì)薄荷顆粒(添加2%丙二醇)不同極性的揮發(fā)性香味成分的影響,結(jié)果見(jiàn)圖3??芍?,隨著存放時(shí)間的延長(zhǎng),醇類化合物在揮發(fā)性成分中所占的比例增加,酮類化合物在揮發(fā)性成分中所占的比例有下降趨勢(shì),烯烴類化合物在揮發(fā)性成分中所占的比例下降最為明顯,這是因?yàn)榇碱惢衔锏臉O性強(qiáng)于酮類及烯烴類化合物[20],而且醇類化合物分子結(jié)構(gòu)中含有羥基(—OH),既可以作為氫鍵受體,也可以作為氫鍵供體[21];酮類化合物只能作為氫鍵受體;烯烴類化合物不可以作為氫鍵供體或受體。因此,醇類化合物更容易與大分子類極性基團(tuán)或水分子形成氫鍵,從而在薄荷顆粒中形成復(fù)雜的氫鍵結(jié)構(gòu)[22]。所以添加一定量的丙二醇提高薄荷顆粒含水率之后,薄荷顆粒中纖維素和蛋白質(zhì)等大分子可以在結(jié)合水的幫助下通過(guò)氫鍵與醇類分子形成較穩(wěn)定的絡(luò)合物[9,21,23],從而使薄荷醇等極性分子難以揮發(fā)。因薄荷醇對(duì)于薄荷香型的香料至關(guān)重要,丙二醇改良型天然薄荷顆粒香料能夠提高薄荷醇的留香能力,因此具有良好的應(yīng)用前景。
圖2 存放時(shí)間對(duì)薄荷顆粒(添加2%丙二醇)揮發(fā)性香味成分總量的影響Fig.2 Effect of storage time on total amount of volatile aroma components in peppermint powders adding 2% PG
圖3 存放時(shí)間對(duì)薄荷顆粒中不同種類揮發(fā)性香味成分所占比例的影響Fig.3 Effect of storage time on proportions of different types of volatile aroma components in peppermint powder
采用低場(chǎng)核磁共振(LF-NMR)技術(shù),通過(guò)檢測(cè)水分子中質(zhì)子的弛豫行為,能夠反映水分子的存在狀態(tài)[24]。T2是激發(fā)自旋質(zhì)子與相鄰質(zhì)子進(jìn)行能量交換后達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡所需的時(shí)間,反映了樣品中水分的自由度大?。?5]。T2弛豫時(shí)間越短,說(shuō)明該部分水分子與樣品中其他成分的結(jié)合越緊密,水的自由度就越小[23]。T2弛豫圖譜呈現(xiàn)多組分特征,代表不同的水分狀態(tài),弛豫時(shí)間最小的一般定義為結(jié)合水,弛豫時(shí)間最大的定義為自由水,各弛豫峰面積對(duì)應(yīng)不同狀態(tài)水分的分布比例[26-29]。因此,綜合弛豫時(shí)間和弛豫峰面積,可以分析薄荷香料中水分分布狀態(tài),從而明晰丙二醇對(duì)水分分布的影響。
圖4 為添加不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)丙二醇的薄荷香料在22 ℃、RH 60%的條件下達(dá)到平衡時(shí)的T2弛豫圖譜。由圖4可知,薄荷顆粒T2弛豫圖譜中共有3個(gè)弛豫峰T21、T22和T23,分別對(duì)應(yīng)著弛豫時(shí)間0.2、7.0 和100.0 ms左右。根據(jù)玫瑰花和煙葉等植物水分分布狀態(tài)的研究,對(duì)薄荷顆粒T2弛豫峰進(jìn)行了歸屬[27-28],T21弛豫時(shí)間最短(0.2 ms 左右),代表薄荷的強(qiáng)結(jié)合水,包括顆粒中大分子內(nèi)部結(jié)合水以及化學(xué)結(jié)合水等。T22(7.0 ms左右)對(duì)應(yīng)微毛細(xì)管凝結(jié)水和細(xì)胞質(zhì)結(jié)合水等不易流動(dòng)的弱結(jié)合水;T23(100.0 ms 左右)對(duì)應(yīng)物理吸附水以及潤(rùn)濕水等自由水。添加不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)丙二醇的薄荷香料的水分分布狀態(tài)如表2所示,各樣品平衡含水率隨丙二醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而增加。與未添加丙二醇的干薄荷顆粒相比,添加丙二醇后薄荷顆粒的T22小幅向右位移,T23大幅向右位移,說(shuō)明其弱結(jié)合水尤其是自由水的自由度增加,應(yīng)是添加丙二醇水溶液改良樣品的過(guò)程中經(jīng)過(guò)了水分浸潤(rùn)-復(fù)干這一過(guò)程導(dǎo)致的。如圖5所示,丙二醇改良后薄荷顆粒植物組織表皮褶皺有明顯塌陷,物理結(jié)構(gòu)的改變導(dǎo)致丙二醇改良后的薄荷顆粒對(duì)自由水的束縛力下降,自由水氫質(zhì)子橫向弛豫時(shí)間大幅增加,也就是T23向右位移。
圖4 不同丙二醇添加量的薄荷顆粒的T2弛豫圖譜Fig.4 T2 relaxation pattern of peppermint powders with different PG addition rates
圖5 丙二醇添加前后薄荷顆粒的掃描電鏡圖Fig.5 Scanning electron microscopy images of peppermint powders before and after PG addition
添加丙二醇后薄荷顆粒中的強(qiáng)結(jié)合水所占比例(峰面積A21)均增加,這表明丙二醇可以增強(qiáng)薄荷顆粒對(duì)水分的吸附。隨著丙二醇添加量的增大,吸附機(jī)制發(fā)生明顯變化,樣品物理吸附水以及潤(rùn)濕水等自由水含量大大下降,轉(zhuǎn)向不易流動(dòng)的弱結(jié)合水以及化學(xué)吸附為主的強(qiáng)結(jié)合水。丙二醇的添加量為2%時(shí),薄荷顆粒強(qiáng)結(jié)合水比例最高,自由水含量最低,對(duì)水分的吸附作用最強(qiáng)。當(dāng)丙二醇的添加量大于2%時(shí),強(qiáng)結(jié)合水比例有所下降而弱結(jié)合水比例略有升高,這可能是因?yàn)槲剿衷龆啵瘜W(xué)吸附在一定程度上飽和,轉(zhuǎn)向了不易流動(dòng)的弱結(jié)合水。
可知,隨著丙二醇添加量的增大,存放90 d 后各樣品揮發(fā)性成分殘留量及其結(jié)合水的相對(duì)峰面積均隨丙二醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì),在丙二醇的添加量為2%時(shí),其揮發(fā)性成分殘留量與強(qiáng)結(jié)合水的相對(duì)峰面積均最高。對(duì)樣品揮發(fā)性成分的殘留量與強(qiáng)結(jié)合水的相對(duì)峰面積利用SPSS軟件進(jìn)行相關(guān)性分析,結(jié)果如表3所示,其相關(guān)系數(shù)為0.906,P值為0.034,表明揮發(fā)性成分的殘留量與強(qiáng)結(jié)合水的相對(duì)峰面積間顯著正相關(guān)。因此,薄荷顆粒中強(qiáng)結(jié)合水的相對(duì)峰面積越大,薄荷顆粒揮發(fā)性成分的殘留量越多。
表3 存放90 d后樣品揮發(fā)性成分殘余量與結(jié)合水峰面積A21的相關(guān)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
將丙二醇改良型薄荷顆粒加入卷煙濾棒中,在恒溫恒濕箱中平衡48小時(shí)后進(jìn)行卷煙感官評(píng)吸,結(jié)果如表4所示。薄荷顆粒香料能夠提升卷煙的香氣、掩蓋雜氣、減少刺激性,能夠明顯提升卷煙的薄荷香,在添加量為濾棒質(zhì)量的2%時(shí),煙香較協(xié)調(diào)。且對(duì)比空白樣品發(fā)現(xiàn),加入薄荷顆粒后能在一定程度上減輕口腔干燥感。這可能是薄荷顆粒中添加的丙二醇的保潤(rùn)性能改善了卷煙的抽吸口感[30]。同時(shí),將添加有薄荷顆粒的濾嘴在常溫敞口環(huán)境下放置90 d,濾嘴無(wú)發(fā)霉變質(zhì)等現(xiàn)象,這是由于天然薄荷本身具有抗菌、抗氧化等藥理活性。
表4 丙二醇改良型薄荷顆粒的感官評(píng)吸結(jié)果Tab.4 Results of sensory evaluation for PG modified peppermint powders
(1)天然薄荷顆粒存放90 d 后揮發(fā)性成分種類減少4 種、總量下降59.06%,香味損失較快,不利于其加工應(yīng)用;在丙二醇的添加量為2%時(shí)薄荷顆粒的持香能力最強(qiáng),存放90 d 后,揮發(fā)性成分的殘余量約為72.69%,與未添加丙二醇的固體香料的殘余量40.94%相比,揮發(fā)性成分的保留量增加31.75%。添加丙二醇對(duì)薄荷顆粒中不同種類揮發(fā)性香味成分的留香效果不同,對(duì)醇類分子的保留效果最佳。
(2)添加丙二醇后薄荷顆粒自由水的比例下降,說(shuō)明添加丙二醇后可有效改善薄荷顆粒中的水分分布,增強(qiáng)薄荷顆粒含水率的穩(wěn)定性;其中,丙二醇的添加量為2%時(shí),薄荷顆粒中強(qiáng)結(jié)合水的相對(duì)比例最高。
(3)薄荷顆粒揮發(fā)性成分的殘留量與強(qiáng)結(jié)合水的相對(duì)峰面積顯著正相關(guān),薄荷顆粒中強(qiáng)結(jié)合水所占比例越高,薄荷顆粒揮發(fā)性成分的殘留量越大。
(4)在添加量為濾棒質(zhì)量的2%時(shí),涼感明顯,有薄荷香氣,煙香較協(xié)調(diào),且對(duì)比空白樣品發(fā)現(xiàn),加入薄荷顆粒后能在一定程度上減輕口腔干燥感。