（中药学专业论文）四种中草药烟用香料裂解行为及挥发油提取工艺研究.pdf

摘要 烟用香精香料是形成卷烟风格的重要因素，其配方技术是烟草企业的 核心技术之一，也卷烟生产中极为重要的一个环节。本论文主要分两大部 分讨论了四种成分相近的中草药香料的裂解行为及其挥发油提取工艺： 第一部分为第2 章，通过模拟卷烟抽吸时的烟支燃烧过程，运用 p y g c m s 分析技术，在不同温度( 3 0 0 。c ，6 0 0 。c ，9 0 0 。c ) 和不同环境 ( 不同氮氧比) 下，对四种中草药香料进行热裂解，探讨了这四种烟用香 料的可能致香原因。结果表明，在高温下，香料中的化学成分发生了裂解， 产生了糠醛、苯乙酮、苯甲醛等致香成分，从而丰富了烟香，并探讨了几 种成分类型的可能裂解行为。 第二部分为第3 、4 章采用水蒸气蒸馏法和超临界萃取法提取两种中 药中的挥发油，用g c m s 联用技术分析挥发油中的成分，然后与卷烟评 吸结果相结合，确定最适合烟用香精提取的工业化方式。结果表明，水蒸 气蒸馏法中所含长链脂肪烃的比例比超临界提取法中所含的少，对烟气的 刺激作用小，因此，水蒸气蒸馏法比较适合提取这两种烟用香料原植物的 挥发性成分。 本论文对裂解行为的研究能在一定程度上反应这四种中草药的可能 致香原因，这是目前烟草技术科学化、数据化发展的必然要求。在提取方 式的确定上，本论文以卷烟评吸结果为首要参考依据，同时关注得率，这 与一般重点关注挥发油得率的工艺思路有所不同。 关键词中草药；热裂解；香精香料；g c m s ；挥发油；水蒸气蒸馏；超 临界萃取 a b s t r a c t f l a v o u ri sa l li m p o r t a n tp r o p e r t yo ff o r m i n gc i g a r e t t e ss t y l ea n dac r i t i c a lf a c t o ro ft h e p r o d u c t i o no fc i g r a t t e f l a v o u rp r e s c r i p t i o ni sam a j o rt e c h n i q u eo fc i g r a t t ei n d u s t r y , a n da k e ys t e pf o rd e v e l o p m e n to fc i g a r e t t e sb r a n d i nt h i st h e s i s ，t h ep y r o l y s i sb e h a v i o u r sa n d t h ee x t r a c t i o np r o c e s s e so ff o u rc h i n e s eh e r bf l a v o u r sw e r e c o m p a r e da n dd i s c u s s e d p a r t1 p y r o l y s i sb e h a v i o u rs t u d y ( c h a p t e r 2 ) ：b ys i m u l a t i n gt h et o b a c o os m o k e ， f o u rc h i n e s eh e r bf l a v o u r sw e r es p l i ti nd i f f e r e n tt h e r m a ls p l i tc o n d i t i o n s ( t h ed i f f e r e n t r a t i ob e t w e e nn i t r o g e na n do x y g e na t3 0 0 ，6 0 0 ，9 0 0 ) b yp y c , c m sa n dd i s c u s s e d t h ep o s s i b l ea r o m a t i cc a u s e t h ec o n c l u s i o ni n d i c a t e dt h a tc o m p o n e n t so ff r a g r a n c ew e r e s p l i ti n t os o m ea r o m a , s u c ha sf u r f u r a l ，1 - p h e n y l - 1 一e t h a n o n e ，b e n z a l d e h y d e ，w h i c he n r i c h t h es m o k ea r o m a a l s o ，t h ep o s s i b l ep y r o l y s i sb e h a v i o u r so fs o m et y p i c a lc o m p o n e n t sw e r e d i s c u s s e d p a r t2 e x t r a c t i o np r o c e s ss t u d y ( c h a p t e r3a n d4 ) ：o i lc o m p o n e n t sf r o mt w o e x t r a c t i o np r o c e s s - - s f ea n ds t e a md i s t i l l a t i o nw e r ea n a l y z e d , a n dt h ea n a l y s i sd a t aw e r e c o r r e l a t e dt or e s u l t so ft h es m o k i n gq u a l i t y t h er e s u l ts h o w e dt h a tt h es t e a md i s t i l l a t i o n e x t r a c t e dl e s sl o n ga l i p h a t i ch y d r o c a r b o n s ，a n do i lf r o ms t e a md i s t i l l a t i o nh a sl e s ss m o k e s t i m u l a t i o nt h a ns f ep r o c e s s t h es t u d yo fp y r o l y s i sb e h a v i o u rc o u l dr e v e a lt h em e c h a n i s mo fa r o m a t i cg e n e r a t i o n i ns m o k i n g ，w h i c hi sa ni m p o r t a n tb a s er e s e a r c hf o rt o b a c o ot e c h n o l o g yd e v e l o p m e n t i n d e t e r m i n i n gt h ee x t r a c t i o no fv o l a t i l e ，g e n e r a li n d u s t r yi so n l yf o c u so ne x t r a c t e dr a t e h o w e v e r , t h es m o k i n gq u a l i t yo ft h ev o l a t i l es h o u l dg i v em o r ea t t e n t i o n k e yw o r d s ：c h i n e s eh e r b sp y r o l y s i s f l a v o u ra d d i c t i v eg c m s v o l a t i l eo i l s t e a md i s t i l l a t i o n 湖北中医学院学位论文原仓! i 性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。除了论文中特别加以标注和致谢的地方外，本论文不包含其他个人或集体已经 发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得湖北中医学院或其他单位的学位或证书而 使用过的材料。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在论文中作了明确的说明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学箕论亭竺者签名乡钐 姗，年6 只乙b 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解湖北中医学院有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部份内容， 可以采用复印、缩印或其他手段保留学位论文；学校可以根据国家或湖北省有关部门 的规定送交学位论文。同意中国优秀博硕士论文全文数据库出版章程的内容。 ( 保密论文在解密后遵守此规定) 论文作者签名：扫幻。弓 导师签名： 7 i 芳形 l 吵年月l 日 四种中草药烟用香料裂解行为及挥发油提取工艺研究 1前言 卷烟作为一种特殊的食品，一般来讲，其香味来源于烟叶，通过燃吸 产生烟气，刺激吸烟者的嗅觉器官而满足吸烟者的生理需求。但是，烟叶 在燃烧过程中除了产生令人愉快的吃味物质外，还会带来一些令人不太愉 快的杂气、涩感、刺激等。为了改善或消除这些负面效应，在烟草中进行 加香加料的技术处理就显得特别重要。随着卷烟市场的市场化程度越来越 高，市场竞争更趋激烈，消费者对卷烟的风格特征、口感以及吸食的舒适 性提出了越来越高的要求，这就迫切要求卷烟企业在保持卷烟满足感的同 时，应用绿色、环保、具有一定减害效果的天然香原料，开发出能够降低 卷烟危害，并能够补偿香气的香料，满足市场和消费者需求、具有鲜明的 中式卷烟风格特点、能有效缓解吸烟引起的呼吸系统不适症状的卷烟。 另外，随着烟草控制框架公约相关要求的实施和消费者对“吸烟 与健康问题的关注度不断提高，卷烟的焦油量不断降低，但伴随着焦油 含量的降低，烟味变淡，香气减弱，卷烟也失去了其原有风格，难以被消 费者接收。因此，在降低焦油含量的同时，又要提高和丰富烟气浓度及香 气，只有借助于加香加料技术。总之，在改善烟叶品质、稳定卷烟质量、 满足个性化需求、提高安全性等诸多方面，加香加料技术都具有重要作用。 而且通过树立“中式卷烟 品牌和降焦减害工作的深入，烟草加香加料技术 已成为卷烟生产过程中必不可少的环节。 1 1烟用香精香料的研究背景及国内外研究现状 在烟草中添加香料最早可以追溯到1 5 1 9 年哥伦布发现美洲新大陆以 后，人们目睹印第安人往烟草中施加柑橘皮油以增加烟香。在此基础上， 人们对历史悠久的烟用香料物质进行了深入的分析研究，弄清了许多化学 成分对构成特殊香味的贡献，并人工合成香料作为烟草香料，使加香加料 更具针对性【1 】。卷烟加香和加料由于作用的机制不同，其效果也不一样， 但是它们之间又有着彼此谐调、相得益彰的共性。卷烟加香作用是赋予烟 湖北中医学院2 0 0 9 届硕士学位论文 草制品优美舒适的嗅香，增强人们的吸烟欲望；赋予烟草制品的烟气特征 香气，消除不同等级烟叶之间的差异并使之相互谐调，谐调不同类型烟叶 的香气，增加或增强某些香气，使烟香丰满，模拟某些类型烟叶的香气； 减轻烟气的刺激性，掩盖杂气，使烟气柔和圆润，并能改善余味。卷烟加 料作用是减轻刺激性，使烟气柔和细腻，改善余味，并可改进烟草的物理 性能，如保润性、柔韧性、燃烧性和防霉，所用香原料成分多为沸点较高、 不易挥发的天然香料和人工合成香料。卷烟加香加料是通过影响卷烟主流 烟气化学组成而起作用的，卷烟主流烟气化学组成决定卷烟品质，其中香 味成分的种类和比例决定香气质，香味成分的总量决定香气量。烟气的酸 碱平衡也对口感有重要影响。卷烟加香加料可对主流烟气组成产生重要影 响。因为挥发性香料和添加剂可以直接转移到主流烟气中；香料和添加剂 在卷烟加工、放置和燃吸过程中，发生化学反应产生新物质；香料和添加 剂在卷烟燃吸过程中热解产生新物质。例如糖类物质在燃烧后产生酸性烟 雾能中和烟草含氮物燃烧后产生的碱性物质，从而减轻刺激性和改善余 味；糖类物质在烟草加工过程中和烟草燃烧时参与棕化反应，产生香味物 质；糖在烟草燃烧时本身会焦化、产生优美舒适的焦甜香等。 香料是从带香物质中提取或以人工合成方法得到的致香物质的总称， 通常根据香料的来源，可将其分为天然香料和合成香料两大类。天然香料 是从各种天然植物的花、果、叶、茎、根、皮或动物的分泌物中提取出来 的致香物质。目前已知天然香料有3 0 0 0 多种，合成香料更多达7 0 0 0 余种， 并且新的品种还在不断涌现【2 l 。下面对香料的来源及制备研究等做一综 球。 1 2 烟用香料来源 1 2 1合成香料 针对一种天然香料，通过化学技术来分析、确定出其芳香成分的化学 结构，再用相应的化学方法生产出具有相同结构的化合物，即为人工合成 香料。目前对香料前体致香物质的研究是合成香料的重要参考。烟用人工 四种中草药烟用香料裂解行为及挥发油提取工艺研究 合成香料的前体化合物主要包括呋喃类前体化合物、醚类香料前体化合 物、醛类香料前体化合物、低级脂肪酸和吡嗪类前体化合物等。早在1 9 7 2 年，化学家们就在白肋烟、土耳其烟和希腊烟叶中发现了一种极重要的成 分大柱三烯酮，之后瑞典化学家又发现了类似结构的化合物，如3 一氧代紫 罗兰醇。又在佛吉尼亚烟叶中发现5 ，8 一大柱二烯- 4 酮。化学家们还在东 方烟叶中发现赖百当烷系的二萜化合物以及与之相关的c 1 4 一c 18 的降萜 化合物，这些化合物以及它们的代谢产物均有重要的嗅感特性。日本烟草 公司曾从1 0 0 k g 东方烟花蕾中经溶剂萃取和层析，得到了1 5 m g 的2 e ， 6 e 11 氢过氧2 ，6 ，1 2 西柏三烯一4 ，8 一二醇，然后配成0 0 1 乙醇溶液喷 洒于烟叶上，可大大改善烟的香和味【3 】。现在很多合成香料公司都在利用 先进分析设备和技术深入探索烟草中尚未被发现的量小而有特征香味的 成分，经结构鉴定后进行化学合成，如高砂公司一专刊称，能明显改善卷 烟香味的降倍半萜醛可以通过从香叶基丙酮经环氧化和异构化制得。与茄 酮骨架相近的同系物2 ，8 一二甲基5 异丙基2 ，6 ，8 。壬三烯醛可从2 ，8 一 二甲基5 异丙基1 ，3 ，7 壬三烯用二氧化硒氧化而得。另一份美国专利 披露自香紫苏醇用发酵法制取香紫苏内酯时，得到了一种三环醚取代的乙 酸，也可用作烟用香料【4 】。日本一专利披露自波泪杉醇用微生物法处理可 得到一种c 1 8 的双环甲基酮，以o 5 溶液喷于烟丝上有良好的效果【5 】。陈 永宽等【6 】从柠檬醛出发，经三步反应即环化反应、d a r z e n 反应和氧化反应 制备了二氢猕猴桃内酯，总产率为3 3 5 ，二氢猕猴桃内酯经m p ，i r ， m s ，1 h n m r 和元素分析鉴定，同时用于烤烟中评价，试验结果表明二氢 猕猴桃内酯具有增加卷烟香气，丰满卷烟香味和降低刺激的作用。陈永宽 等【7 】以巴伦西亚烯为原料合成圆抽酮，并对其结构进行了鉴定。该化合物 属于单料晶系，在卷烟中使用具有增加卷烟香气，丰满卷烟香味和降低刺 激的作用。丁建军等【8 】发现在烤烟中苯甲醇对改善卷烟香气质和香气量上 都有正面作用，硬脂醇有柔和烟气的作用，其它很多合成香料也能从不同 方面改善烟气。合成类香料还在进一步开发中，以生产出更多能满足个性 需求的香料。 湖北中医学院2 0 0 9 届硕士学位论文 1 2 2 天然香料 合成类香料成分明晰，在烟草中得到了很好的应用，但同时，合成香 料也有其明显缺陷，其成分单一，致香作用虽好，但是特点单一，往往需 要通过混配才能达到复合型致香作用。而天然香料则不一样，它们本身成 分多样，性质不同，在燃吸过程中产生的香气物质成分复杂，尽管也会有 负面影响，但是在正面效应上的作用比单一成分的作用更加丰富，有些单 一天然香料甚至单独作为一种香料产品使用，天然香料的研究越来越深 入，也越来越受到国内烟草行业的重视。 1 2 2 1中草药类香料 中药型卷烟即我们通常所说的新混合型卷烟，是一种添加中药制剂后 而具有一定疗效作用的卷烟。在吸烟与健康问题等外部因素的推动下，中 药型卷烟在二十世纪七十年代就已经出现了，但仅是一个新生事物的萌 芽。二十世纪九十年代中期，南昌卷烟厂开发出的中药型卷烟曾得到了部 分消费者的认可。从2 0 0 3 年起，湖北中烟工业公司开始对天然香料，特 别是中草药类香料展开了系统的研究，开发出了一系列具有解决喉部舒适 性的天然香料，并在卷烟中成功应用，得到了国家烟草专卖局的高度评价， “黄鹤楼不伤喉 的美誉在业内得到了充分认可，并由此开辟了中式卷 烟新的研究方向。柯亨林等【9 】研究了降低卷烟烟气中多环芳烃和自由基的 中药添加剂，通过正交实验优化条件提取有效成分为添加剂，采用邻苯三 酚自氧化紫外方法和荧光法筛选中药，得到几种中草药的复方，喷洒于烟 丝卷制成烟支后，利用电子自旋共振波谱仪( e s r ) 及气相色谱质谱法 ( g c m s ) 对卷烟焦油中多环芳烃和焦油及烟气中自由基含量进行测定分 析，实验结果表明，该添加剂对卷烟焦油中多环芳烃和焦油及烟气中的自 由基含量具有良好的降低作用。由17 种天然中草药组成的绿色东方牌卷 烟中药添加制剂，采用蒸馏法及中沸点馏程技术精制而成，添加入卷烟燃 吸后，因添加成分沸点低、挥发性高，在烟支未燃烧、炭化前已经气化， 而随烟气气流吸入人体，故不产生附加成分并且赋予烟气中人参皂甙、淫 四种中草药烟用香料裂解行为及挥发油提取工艺研究 羊霍皂甙等多种对人体有益的中药成分，达到减少烟气有害物质，降低卷 烟危害性的目的。郑勤安等【1 0 1 还将中草药与烟草混合，制备含中草药成分 的再造烟叶，制成的含中草药成分再造烟叶充分保留了不溶性有效药用成 分，与烟香谐调，安全性好，同时具有较高的填充值，可以明显降低卷烟 的制造成本。除了制备保健型中草药添加剂外，近年来，也开发出了若干 种适用于中式卷烟加香加料用香原料，扩大了中草药香原料在卷烟中的应 用范围。闫克玉等【l l l 采用同时蒸馏萃取法制备了款冬花挥发油，对其进行 g c m s 分析，检测出3 3 种化合物，主要成分为p 红没药烯、7 ，1 0 ，1 3 十 六三烯醛、p 一荜澄茄油烯、双环吉玛烯和6 杜松烯等，单料烟加香试验表 明：款冬花挥发油可改善单料烟的香气，增加烟香，提高香气品质，改善 余味，掩盖杂气，减少刺激性。黄龙【1 2 】等利用g c 、g c m s 对缬草油的化 学成分进行分析，共鉴定出6 5 种化台物，所介绍的分析方法可用于生产 中的质量监控和常规分析，分析结果可为配方、产品开发和调香等提供指 导。 1 2 2 2 烟草提取物 任何物质或现象的自然属性都有其独特的风格，卷烟中的香味物质也 是一样，虽然香精香料的加入可以很多方面改善卷烟吸味，但是保留烟草 本香是加香加料的前提。现在很多香料生产机构对烟草下脚料进行处理， 制备具有烟草本香的香料。朱大恒等f 1 3 1 从烟叶表面分离纯化到一株产香菌 株，并将其应用到烟末、烟桔梗、顶牙、腋芽、豆粕等混合原料中，制得 一棕黄色树脂状物( 以乙醚为萃取剂) 、深棕色粘稠状膏体( 以乙醇为萃取 剂) 香料，具有浓郁的果香、坚果香、焦糖香、烤香、酱香、草药香、烟 草香，卷烟加香结果表明该香料与烟香谐调，能显著提高卷烟香气质量， 使烟气醇和而饱满，并能减轻杂气和刺激性，改善余味，可用于中、高档 卷烟加香。胡旺云等【1 4 l 以烤烟、白肋烟和四川糊毛晒烟等为原料，开发出 一系列烟草反应物香料，在卷烟加香应用方面能显著增加烟香，增加厚实、 圆润感，除了用于卷烟加香效果较好外，还能用于梗丝加料。程伟隆等【1 5 l 湖北中医学院2 0 0 9 届硕士学位论文 用乙醇，环己烷作主溶剂，对马里兰烟叶进行提取，经过滤，浓缩制得马 里兰烟叶提取物。将该提取物加入卷烟中进行评吸，具有提高卷烟香气， 增大烟味浓度，掩盖杂气，使吸味醇和，余味干净舒适的作用。 1 2 2 3 果蔬类香料 果蔬原料中含有丰富的氨基酸、还原糖和维生素等成分，是反应型香 料的重要来源。同时，果蔬中酯和内酯类、醇类成分含量较高，部分与烟 草本香谐调性好，且种类繁多，选择性广，具有较好的优势。张峻松掣1 6 1 以山楂果为原料，通过酶发酵法制备了新型山楂香料，将其进行了评香和 卷烟加香试验。结果表明新型山楂香料既保持了浓郁的山楂特征香气又增 加了酿香、果香，风格典型且能有效去除杂气，改善和修饰卷烟香气，使 烟气柔和。戴勇等【1 7 】用超临界c 0 2 流体萃取法制备无花果挥发油，采用 色质谱仪和谱图库检索法对无花果挥发油进行了定性分析，共鉴定出6 1 种香味成分，卷烟加香试验结果显示，该香料能有效地掩盖卷烟杂气，使 烟气柔和，香气细腻，具有明显改进烟气质量的作用。张峻松等【18 】对天然 枣香料进行致香成分分析和卷烟加香评吸试验，发现该香料能有效去除卷 烟的杂气，改善和修饰香气，使烟气柔和，香气细腻，烟气质量明显改进。 1 2 2 4 蜜类香料 蜂蜜的化学成分极其复杂，它含有生物体生长发育所必需的多种营养 物质，不同来源品种的蜂蜜，所含成分不尽相同，即使是同一来源或同一 种的蜂蜜，因受植物种类、气候条件和产地土壤等各种内外因素的影响， 其成分也存在某些差异。一般而言，蜂蜜成分的主体是糖类，约占蜂蜜总 量的3 4 ，糖中主要是果糖和葡萄糖，占蜂蜜总糖分的8 5 9 5 。双糖中以 蔗糖为主，占5 左右。此外，蜂蜜中还含有蛋白质、氨基酸、色素、有 机酸、芳香物质、糊精、胶质物、酶、激素、维生素和由蜜蜂采集时带进 来的花粉。现已从蜂蜜中检测出18 0 余种不同的物质，不同的单花蜜具有 不同的颜色、香气和味道，就是因为它含有不同的芳香性成分，蜂蜜中芳 四种中草药烟用香料裂解行为及挥发油提取工艺研究 香性物质主要是醇和醇的衍生物一醛、酮及其相应的酯，香味与花的香味 是一致的。暴露于空气中的蜂蜜，它的含水量与空气中的湿度取得动态平 衡。蜂蜜吸收空气中的水分而很快地从表层稀释，并不断地缓慢地扩散到 深层、当蜂蜜暴露于干燥的空气中，就散失水分，但比较慢，因为在表层 形成了一层“干燥膜。将蜂蜜或其提取物用于卷烟加香加料正是利用了 其吸湿性和特殊的香味成分。 1 2 2 5 茶叶类香料 茶大致分为未发酵绿茶，半发酵乌龙茶，全发酵红茶。红茶在发酵过 程中使得其内的茶多酚、儿荼酚和单宁酸减少，产生了茶黄素、茶红素等 新的成分和醇类、醛类、酮类、酯类等芳香物质，由于少了苦涩味，因而 味道更香甜、醇厚，且能保存相当长的时间而味道不变，红茶发酵过程中 产生的紫罗兰酮类关联物质及酮类、醇类等与烟草香气成分非常类似 1 1 9 - 2 1 1 ，以红茶为原料制得的烟用香料在卷烟加香加料方面有着广阔的应用 前景。与红茶相反的是绿茶中含有大量茶多酚，据报道茶鲜叶中含有 2 0 3 0 的茶多酚，制成不同的茶类，茶多酚的保留量不一致，绿茶含 量最多。一系列的科学试验发现，茶多酚具有杀菌抗病毒作用、抗氧化作 用等【2 2 1 ，茶多酚有助于抑制人体内氧自由基的活动，氧自由基过多会损害 人体，甚至诱发癌症。常福厚等【2 3 】通过烟焦油对小鼠肝微粒体a n d m 和 g s t 的作用，探讨甘草、黄芪、五味子及绿茶的抗烟毒作用，结果表明： 中、高剂量的五味子、甘草、黄芪及绿茶可使焦油升高的a n d m 的活性 水平均有显著性降低，其作用顺序为黄芪 绿茶 甘草 五味子；中、大剂 量的黄芪、甘草、五味子和绿茶均可使g s t 升高( p 绿茶 甘草 五味子，试验结果表明五味子、黄芪、甘草 及绿茶均有一定抗烟毒作用。 1 2 2 6 其它类香料 烟草行业的发展与激烈的竞争以及国外卷烟品牌的入侵对香精香料 湖北中医学院2 0 0 9 届硕士学位论文 提出了越来越高的要求，为了突显差异化，越来越多的特色原料被用来制 备烟用香料，如海藻、树苔、啤酒花等。 1 2 3 生物技术制备 生物技术是近年来国际研究的热点技术，引起了国际上许多相关行业 的高度重视，同时相继为各行业所利用和采纳，其中也包括香精香料行业。 生物工程技术通常分为发酵工程、细胞工程、酶工程、基因工程和蛋白质 工程。目前在香精香料行业中取得了一定成绩的主要是酶工程和发酵工 程。 1 2 3 1 发酵工程 发酵工程是指利用微生物制造工业原料或工业产品的过程。根据各种 微生物的特性，在有氧或无氧条件下，利用生物催化( 酶) 的作用，将多 种低值原料转化为不同产品的过程或者把一种低值原料转化成另一种高 价值的产品。发酵工程包括上游工程和下游工程两部分，上游过程是对菌 种加以改造，提高生产能力或者导入外源基因等以获得工程菌，通过优化 发酵条件如温度、营养、供气量等进行生物转化、生物合成或修饰等以获 得目的产物；下游过程是运用生物化学、物理学方法分离、纯化产品，最 终将产品推向市场并获得社会或经济效益。利用发酵工程技术可以制备香 原料或进行香原料的转化，如林瑜等【2 4 1 利用微生物发酵无花果开发特色香 料，采用同时蒸馏萃取技术对其中挥发性成分进行分析，经毛细管色谱分 离出4 7 种成分，其中大部分香气成分为酯类物质。 1 2 3 2 酶工程 目前，在香精香料行业中，酶工程的应用取得了一定成绩，例如用微 生物细胞或生物酶催化合成甜味水果型香料特别成功。在香精香料中，酶 工程的主要任务是：( 1 ) 香味物质酶法合成中新酶的开发；( 2 ) 利用基因 工程技术开发新酶种和提高酶产量；( 3 ) 香料物质( 消旋体) 的酶法拆分； ( 4 ) 香料物质的酶法转化；( 5 ) 酶的非水向催化技术。 四种中草药烟用香料裂解行为及挥发油提取工艺研究 1 2 4 梅拉德技术制备 梅拉德反应是利用还原糖和氨基酸在加热条件下所发生的糖氨反应， 它可以根据还原糖和氨基酸类型的不同，加工条件的不同产生不同香料物 质。h o d g e 、m a u r o n 和n a m i k i 等人都对m a i l l a r d 反应的化学原理作了论 述，至今，h o d g e 提出的m a i l l a r d 分类图解仍然是对m a i l l a r d 反应化学原 理最简明扼要的阐述。其过程一般可以分成初级、高级和最终反应等三个 反应阶段。 梅拉德反应机理复杂，影响因素较多，其中主要的影响因素为反应物 的种类、反应温度、反应系含水量、反应时间、p h 和压力等。 梅拉德反应形成的香料可以显著增强和谐调烟香、掩盖木杂气、改善 口感和改善烟草颜色，从而提高卷烟的质量，同时还能使卷烟形成独特的 吸食风格。利用m a i l l a r d 反应合成香味料的研究国外较早，并且在许多方 面已应用于食品和烟草生产 2 5 - 3 0 】，p h i l l i pm o r r i s 公司用含量为7 4 的果糖 同天门冬酰胺、异戊醛、氢氧化铵一起加热，稀释后用于重组烟丝，烟味 足而无粗糙感】。用氢氧化铵处理过的碱性水解蛋白和富含果糖的玉米糖 浆起加热到1 0 0 。c 历经2 5 小时，经水稀释后用于卷烟，吸味更为平衡而 少粗糙感【3 2 1 。另外，将含有一个羟基的氨基酸在1 0 0 。c 和0 1 0 0 0 p s i 时处 理可得到能改变主流烟气的香味混合物【3 3 1 。国内这方面研究还比较薄弱， 国内对m a i l l a r d 反应香料的制备及应用技术始于2 0 世纪8 0 年代，而且大 多集中于对某特定的氨基酸与糖的模型体系棕色化反应的研究。孙凤玲等 【3 4 】制备了甘氨酸等1 8 种单一氨基酸与葡萄糖进行的梅拉德反应产物以及 复合氨基酸粉。动物水解蛋白与葡萄糖进行的梅拉德反应产物，筛选出了 两组适合于烤烟加香的混合氨基酸。郭俊成等【3 5 】采用不同的原料在不同的 反应条件下合成出1 4 种香气较好的产物，对适合的反应产物进行筛选， 并运用色谱分析法鉴定出1 2 种挥发性致香成分，卷烟加香试验表明，筛 选出的反应香料能显著地增强烟香，减少杂气，改善吸味。 湖北中医学院2 0 0 9 届项士学位论文 1 3 挥发油的简介 挥发油( v o l a t i l eo i l s ) 也称精油( e s s e n t i a lo i l s ) ，是存在于植物体中 的一类在常温下具有挥发性、可随水蒸气蒸馏出来的、与水不相混的油状 液体的总称。挥发油在植物中分布极广，是中药中的一类常见的重要有效 成分，大多具有香气，具有多种生理活性3 6 ，3 刀。 挥发油虽然组成成分复杂1 3 8 , 3 9 1 ，但多以数种化合物占较大比例，从而 使不同的挥发油具有相对固定的理化性质及生物活性，组成挥发油的成分 主要可以分为以下三类：萜类化合物，芳香族化合物，脂肪族化合物，其 中以萜类居多。 由于挥发油都有自己特征的香气，常常被用来调配各种香型的食品香 精、日化香精，因此挥发油在香精香料中的应用非常广泛。随着香精香料 在烟草中应用日益广泛，挥发油在卷烟中的应用也越来越广泛，它常常能 给卷烟带来特殊高雅的香气。 1 4 水蒸气蒸馏法 在植物性天然香料生产中，水蒸气蒸馏是最常用的一种技术，该方法 特点是设备简单容易操作、成本低、产量大。除在沸水中主香成分容易溶 解、水解或分解的植物原料外( 如茉莉、紫罗兰金和欢等一些鲜花) ，绝大 多数芳香植物均可以用水蒸气蒸馏方法生产精油。 水蒸气蒸馏法生产精油主要有如下三种形式：水中蒸馏、水上蒸馏和 水气蒸馏。水中蒸馏加热温度一般为9 5 c 左右，植物原料中的高沸点芳 香成分不易蒸出。水气蒸馏在工艺操作上对温度和压力的变化可自行调 节，生产出的精油质量最佳，但其设备条件要求较高，需要附设锅炉，适 于大规模生产。此外，加热方式、蒸汽速度、操作压力、操作温度等因素 对出油率均有影响。 b o u t e k e d j i r e t 等采用蒸馏的方法对迷迭香精油进行提取，研究表明在 各种蒸馏方式中以水蒸气蒸馏操作最为简单，不但可降低香料成分馏出温 度，而且可防止分解或变质，并且一些脂类成分不会在提取过程中混杂进 四种中草药烟用香料裂解行为及挥发油提取工艺研究 来，使得水蒸汽蒸馏出来的挥发油纯度较高。但是，水蒸气蒸馏也存在一 定的缺点，其提取过程时间长、温度高、系统开放，其过程易造成热不稳 定及易氧化成分的破坏及挥发损失，对部分组分有破坏作用。 基于水蒸气蒸馏存在的问题，人们开始致力于改进蒸馏设备。出现了 加压串蒸、连续蒸馏、带复馏柱蒸馏、以及蜗轮式快速水蒸气蒸馏等形式。 由上海轻工设计院设计的双柱式连续蒸馏装置，日处理原料为4 0 到6 0 吨，使用效果良好，p h i n e a s 对蒸馏装置进行改进，减少了水溶性组分的 挥发损失，而且降低了能耗，减少了废弃物对环境的污染，兼顾了经济效 益和环境保护。 湖北中医学院2 0 0 9 届硕士学位论文 2 四种中草药烟用香料的热裂解研究 2 1引言 随着烟草行业对天然烟用香料的深入研究，天然香料已成为卷烟生产 中不可缺少的部分，无论是果蔬、蜂蜜、中草药、茶或其衍生物的香料品 种十分繁多，而且香料类型也多种多样，如酊剂、浸膏、挥发油等，它们 中很多都能在卷烟抽吸过程中起到正面香气作用。那他们起作用的原因是 什么呢? 为了研究天然香料对烟草香气的影响，本节制备了四种中草药香 料，并对其进行热裂解研究。 当卷烟点燃时，在烟条尾端形成一个燃烧区。在抽吸过程中，存在两 种不同性质的燃烧方式：吸燃和两次抽吸间的自然阴燃，同时根据燃烧温 度分布以及不同区域内所发生的反应，可分为3 个主要反应区：高温燃烧 区，中温热解蒸馏吸热区和低温冷凝区当温度上升到3 0 0 。c 时，来自烟 草和香料中的挥发性物质进入烟气；到4 5 0 。c 时，烟草发生焦化；6 0 0 0 c 时，烟草就被点燃而开始燃烧；抽吸时最高温度可达9 0 0 * ( 2 。在此过程中， 挥发性物质在低温下就随烟气挥发出来；不易挥发性物质在较高温度下才 随烟气流挥发出来，但它们随烟气流温度的下降也可能被冷却而凝聚在没 燃烧的烟丝上，在以后的一次次抽吸时，它们又有可能被蒸发或分解释放 出来；一些难挥发性物质经高温分解生成新的物质，分解产物也可能与其 它物质结合生成新物质【4 0 1 。 由此可见，在卷烟的燃烧过程中 4 1 1 ，其燃烧中心处于无氧的裂解状态， 温度通常在7 0 0 9 0 0 。c ，裂解区周围的温度在4 0 0 7 0 0 。c ，靠近抽吸 端的蒸馏区温度一般低于4 0 0 。c 。本文选择了在烟草裂解研究中最具代表 性的三个温度段，即低温热裂解3 0 0 。c ，中温热裂解6 0 0 。c ，和高温热裂 解9 0 0 c 1 4 2 1 - - 个温度梯度，对四种中草药香料进行热裂解研究。 2 2 实验材料和仪器 四种中草药烟用香料裂解行为及挥发油提取工艺研究 2 2 1实验材料 制备四种中草药香料：对四种成分相近的中草药采取相同的提取工 艺，即： 中草药 醇回流2 h 提取液i残渣 j 提取 i 烟用香料 四种香料分别标记为1 、2 、3 、4 号样品。 7 0 乙醇同流1 h 2 2 2 热裂解仪器及条件 仪器：p y r o p r o b e2 0 0 0 热裂解仪( 美国c d s 公司) 。 热裂解氛围：大气环境、氮气和1 0 氧气+ 氮气。 热裂解探头( 热解头) 初温：3 0 。c ，以2 0 。c m s 速率分别升至最终温 度3 0 0 、6 0 0 。c 和9 0 0 。c ，持续时间1 0 s 。 2 2 3g c m s 仪器及实验条件 仪器：6 8 9 0 n 一5 9 7 3 n 气相色谱一质谱联用仪( 美国a g i l e n t 公司) ， 色谱柱：h p m s ( 3 0 m x 0 2 5 m m x 0 2 5 9 m ) ；程序升温：4 0 。c ( 保持l m i n ) ， 湖北中医学院2 0 0 9 届硕士学位论文 以2 。c m i n 升温至l o o 。c ( 保持l m i n ) ，以8 。c m i n ，升温至2 8 0 。c ( 保持 5 m i n ) ；进样口温度：2 6 0 。c ；接口温度i2 8 0 。c ；进样方式：分流，流速 1 0m l m i n ；电离能：7 0 e v 。扫描范围：3 5 4 0 0 a m u ，标准质谱库：n i s t 9 8 和w i l e y 2 7 5 谱库。 2 2 4s p m e 及条件 s p m e 萃取装置：s u p e l c o 萃取装置。采用黑色萃取头从自行设计的 裂解瓶中对裂解产物进行萃取，萃取头的固定相为7 5 # m c a r b o x e n p d m s ( 黑色，s u p e l c o ，u s a ) 。萃取时间：2 0 m i m ；萃取温度： 7 0 。 2 3 实验方法 称取2 0 m g 的功能型盘纸添加剂样品加入到裂解专用石英管中，然后 将石英管置于热裂解仪的加热丝中，在大气环境下置于裂解瓶中进行不同 温度的热裂解。之后将s p m e 萃取头置于裂解瓶中对裂解产物进行萃取， 萃取时间为1 5 m i n ，萃取温度为7 0 c 。之后再将s p m e 进样针插入气相 色谱进样口进行热解吸，时间为2 m i n 。裂解产物经气相色谱分离后用质 谱鉴定。检出匹配度大于8 0 的裂解产物。 2 4 实验结果 2 4 1氮气中裂解产物及其相对含量 表2 - 11 号样品在氮气中热裂解产物及其相对含量 2 甲基呋喃 乙酸乙酯 巴豆醛 4 羟基一2 一丁酮 乾 他 l 互 乙 殳 l 2 3 4 四种中草药烟用香料裂解行为及挥发油提取工艺研究 1 5 湖北中医学院2 0 0 9 届硕士学位论文 1 9 6 2 2 2 2 3 4 2 8 8 3 4 2 4 5 7 4 9 4 5 4 5 5 2 1 5 2 8 5 6 7 5 7 6 5 7 7 6 2 7 7 5 5 7 6 2 8 2 2 8 5 2 9 6 5 8 6 9 9 3 3 9 3 3 9 8 5 2 甲基呋喃 丁烯醛 苯 2 乙烯基呋喃 焦化甲苯 糠醛 2 丙烯基呋喃 苯乙炔 2 一丙基呋喃 a - 当归内酯 2 环戊烯1 ，4 二酮 1 ，3 ，5 ，7 环辛四烯 苯乙烯 2 一乙酰基呋喃 苯甲醛 5 甲基糠醛 1 0 2 0 5 6 4 4 0 5 0 5 6 0 4 5 o 7 6 1 4 0 8 4 苯甲腈 苯并呋喃 5 甲基一2 一乙酰基呋喃0 6 4 苯酚 1 环丙基苯 邻乙烯基甲苯 1 丙炔基甲苯 1 0 6 2 苯乙酮 1 1 3 5 苯甲酸甲酯 1 6 0 5 5 o 1 5 0 7 4 o 1 7 o 5 8 9 2 0 1 1 0 2 l o 3 8 0 7 9 0 3 2 4 5 9 1 8 3 o 1 0o 1 1 0 1 o 0 9 3 0 31 2 5 0 1 2 0 0 6 0 0 9 0 1 1 0 2 60 3 l o 1 5 2 8 2 96 3 1 3 0 6 8 o 1 6 0 5 3 3 3 5 0 3 l 1 2 3 4 5 6 7 8 9 旧 h 2 3 4 5 6 7 8 9 o 1 2 3 4 5 1 l 1 l 1 l l 1 1 1 2 2 2 2 z z 四种中草药烟用香料裂解行为及挥发油提取工艺研究 1 7 湖北中医学院2 0 0 9 届硕士学位论文 1 4 9 2 2 4 2 3 l 2 5 6 3 0 5 3 2 1 3 4 2 4 5 4 5 0 8 5 2 7 5 6 7 5 7 6 6 2 7 7 6 4 8 6 3 9 6 4 丙烯腈 巴豆醛 苯 2 ，3 戊二酮 3 戊烯2 酮 2 甲基呋喃 焦化甲苯 糠醛 异戊醇 1 , 3 二甲基苯 2 环戊烯1 ，4 二酮 苯乙烯 a 一乙酰基呋喃 5 甲基糠醛 苯酚 5 甲基一2 乙酰基呋喃 1 0 5 2 苯乙酮 1 0 62 甲基苯酚 1 1 2 5 4 甲基苯酚 1 1 6 l 2 甲基苯并呋喃 1 3 0 3 1 甲基1 h 一茚 1 3 1 7 对甲氧基苯乙烯 1 3 2 1 3 4 1 1 丁炔基苯 2 ，4 一二甲基苯酚 0 4 80 5 o 7 0 0 6 2 5 9 9 6 2 2 4 8 1 8 1 1 2 0 5 4 o 2 7 0 3 2 0 1 8 o 0 7 o 2 7 o 1 3 0 1 3 6 2 7 4 7 0 0 7 6 5 1 7 2 0 9 0 1 9 0 5 2 1 1 2 0 1 4 o 4 2 o 3 7 o 2 3 0 1 9 0 6 9 0 5 1 0 1 1 0 3 8 3 3 8 2 8 7 0 1 1 0 2 9 3 2 5 o 3 2 0 3 l 0 4 3 2 5 1 3 6 乙酸对甲酚酯 0 6 4 0 4 5 1 8 l 2 3 4 5 6 7 8 9 旧 h 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 1 1 1 l 1 l 1 1 l l 2 2 z z z 四种中草药烟用香料裂解行为及挥发油提取工艺研究 1 9 湖北中医学院2 0 0 9 届硕士学位论文 1 9 5 2 2 3 2 3 4 2 8 8 3 4 2 4 5 7 4 9 4 5 4 5 5 2 l 5 2 8 5 6 7 5 7 6 5 7 7 6 2 7 7 5 5 9 6 4 2 甲基呋喃 丁烯醛 苯 焦化甲苯 糠醛 2 一丙烯基呋喃 苯乙炔 2 丙基呋喃 o 【当归内酯 2 环戊烯1 ，4 二酮 l ，3 ，5 ，7 一环辛四烯 苯乙烯 2 乙酰基呋喃 苯甲醛 苯酚 5 甲基2 乙酰基呋喃 1 0 5 2 苯乙酮 1 0 6 2 甲基苯酚 1 1 6 1 2 甲基苯并呋喃 1 3 0 3 1 甲基一1 h 茚 1 3 1 7 对甲氧基苯乙烯 1 3 2 1 3 4 1 1 丁炔基苯 2 ，4 二甲基苯酚 1 3 6 0f i l i f o l o n e 1 3 7 7 3 一甲基苯乙酮 2 0 1 4 2 0 1 2 0 8 8o 5 1 0 5 7 0 6 10 5 5 3 5 0 51 1 7 62 8 9 1 5 4 0 5 6 0 2 11 8 3 0 6 3 0 7 6 1 3 2 o 6 5 0 5 4 0 2 6 0 0 9 2 1 3 4 0 7 3 4 7 1 0 9 0 1 7 0 7 4 1 1 2 0 1 7 6 0 1 1 1 2 1 2 7 2 5 6 0 4 l 3 1 8 1 3 2 0 1 3 1 1 3 1 5 0 2 3 4 5 6 7 8 9 m n 佗 b h 塔 拖 体 侈 加 扒 勉 m 药 四种中草药烟用香料裂解行为及挥发油提取工艺研究 2 4 21o 氧气中裂解产物及其相对含量 表2 - 51 号样品在1o 氧气中热裂解产物及其相对含量 1 6 4 3 9 1 7 1 8 2 甲基呋喃 糠醛 苯酚 2 1 o 3 3 1 1 3 81 0 2 9 5 1 0 7 1 4 5 5 湖北中医学院2 0 0 9 届硕士学位论文 7 6 1 8 6 9 8 8 8 9 1 6 9 7 6 苯并呋喃 5 甲基2 乙酰基呋喃 1 丙炔基苯 2 甲基苯酚 4 甲基苯酚 1 0 5 5 2 甲基苯并呋喃 1 0 6 1壬醛 1 1 8 6 2 ，4 二甲基苯酚 1 2 3 3 邻羟基苯乙酮 1 3 4 2 (