不同植物多糖的提取及其在卷烟中的应用
时间：2023-01-15 16:35:07 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
罗海涛，刘思奎，邵灯寅，楚桂林，刘欢，任周营*
1. 江西中烟工业有限责任公司（南昌 330096）；
2. 南昌大学食品科学与技术国家重点实验室（南昌 330047）
卷烟在生产加工及销售过程中极易受外界环境的影响，尤其是湿度对卷烟的影响，高湿度环境会导致烟丝发霉，低湿度环境会致使卷烟自身失水过量，发生劣变[1-2]。如何提高卷烟品质是当前热门话题。卷烟制造中加入小分子羟基有机化合物可以达到抑制水分损失的目的，从而改善卷烟的感官品质。但这类物质属于单向保润剂[3]，非但不能长期保润，且会产生有毒有害物质。多糖分子中含有大量羟基，且单分子具有的羟基数量愈多，锁水能力愈强[4]，这是因为分子缠绕成致密的网状结构，达到抑制水分流失的作用[5]，同时热裂解会产生宜人的香气，改善卷烟在抽吸时的不良气味[6]。
灵芝多糖、银耳多糖、茶多糖、甘草多糖、葫芦巴多糖、莲子多糖和木耳多糖都属于植物多糖，这些多糖均由10个及以上单糖分子聚合形成，具有抗氧化[7]、抗病毒[8]和降血脂[9]等作用。将多糖喷洒在烟丝上主要有两方面的作用，即保润防潮和增加香味物质[10]，同时不产生对人体有毒有害的物质。因此，植物多糖是值得研究和深入探索的天然型保润剂。
选取7种植物原料，采用热水浸提法提取多糖，并分析其理化性质和结构特性，同时将多糖喷洒在烟丝中，评定其保湿、防潮和增香效果，以揭示多糖在卷烟中的作用机制，对于多糖在卷烟研发中的应用提供参考，具有一定的前瞻性意义。
1.1 材料与仪器
1.1.1 材料与试剂
灵芝粉末（云南贝朗生物科技有限公司）；
银耳粉末；
绿茶粉末；
甘草粉末、葫芦巴粉末、莲子粉末（亳州市贵美康中药材销售有限公司）；
黑木耳粉末（福贞堂参茸有限公司）。无水乙醇（西陇科学股份有限公司）；
木瓜蛋白酶；
超纯水；
某牌号配方烟丝（江西中烟有限责任公司）。
1.1.2 仪器与设备
圆底烧瓶；
试管；
具塞试管；
冷凝管；
量筒；
烧杯；
移液枪；
搅拌子；
10 mL离心管；
棕色干燥皿。
电热套（ZNHW，郑州赛克斯玻璃仪器有限公司）；
精密型电子天平（AL-104，上海梅特勒-托利多仪器公司）；
离心机（LXJ-IIC，上海安亭科学仪器厂）；
悬臂式搅拌器（IKA RW20 digital，厦门精艺兴业科技有限公司）；
磁力搅拌器（RH S025，德国IKA公司）；
旋转蒸发器（EYELA WB-1100，日本东京理化器械株式会社）；
4 ℃冰箱（BC-980Y，浙江星星优品网络科技有限公司）；
冷冻干燥机（FreeZone-12，美国Labconco公司）；
离子色谱仪（ICS500003030623，美国戴安公司）；
傅里叶红外光谱仪（Nicolet 5700型，美国热电公司）；
热失重分析仪（STA6000，美国PE公司）；
喷洒壶（泰州市高港区澳翔医疗器械厂）；
90 mm培养皿（江苏华欧玻璃有限公司）；
摇摆式高速粉碎机（DFY-1000C，温岭市林大机械有限公司）；
80目筛（约0.180 mm孔径，长沙市思科仪器纱筛厂）；
鼓风干燥箱（GZX-9420 MBE，上海博迅实业有限公司）。
1.2 试验方法
1.2.1 多糖的提取
7种植物多糖均采用热水浸提法[11-12]提取。称取100 g样品，加入一定量超纯水，在高温下进行冷凝回流提取，提取条件见表1。
表1 7种植物原料的提取条件
将7种植物提取液进行浓缩，调节为体积分数80%的乙醇环境，按5 000 r/min离心10 min，弃置上清液，溶解沉淀，加入15 mg/g的木瓜蛋白酶，于60 ℃水浴恒温1 h，立即置于100 ℃水浴锅中30 min，离心，将所得溶液进行冷冻干燥，得精制多糖。
1.2.2 单糖组成测定
混合标准溶液配制：单糖标准品主要有11种，分别为葡萄糖（glucose）、果糖（fructose）、阿拉伯糖（arabinose）、甘露糖（mannose）、木糖（xylose）、半乳糖（galactose）、鼠李糖（rhamnose）、岩藻糖（fucose）、核糖（ribose）、半乳糖醛酸（galacturonic acid）和葡萄糖醛酸（glucuronic acid）。分别精确称取11种单糖标准品，各10 mg，均配成单糖浓度0.1 mg/mL的叠氮钠（NaN3）溶液。稀释成10.0，8.0，6.0，4.0，2.0，1.0和0.5 μg/mL的系列混合标准溶液，供离子色谱检测。
样品溶液配制：称取5 mg多糖放入具塞试管中，在冰浴条件下加入0.5 mL 12 mol/L H2SO4（V浓H2SO4∶V水= 16.7∶8.7）。放入搅拌子，在冰浴条件下磁力搅拌0.5 h，使其完全溶解。溶解后在试管中加入2.5 mL屈臣氏水（旋转试管加入），在105 ℃下油浴2 h（需提前打开油浴锅）。将试管中多糖溶液倒入50 mL容量瓶中，多次润洗定容（此时浓度为100 μg/mL）。取出1 mL在EP管中，加入4 mL屈臣氏水（此时质量浓度20 μg/mL）。过孔径0.22 μm的水系滤膜，进离子色谱仪进行定性、定量分析。
通过比较样品和标准品之间的保留时间来确定单糖的类型和含量。
1.2.3 傅里叶红外光谱测定
取少量7种植物多糖样品，用KBr作为背景，两者混合均匀，充分研磨成细粉，压成薄片，采用傅里叶红外光谱仪，在4 000～400 cm-1波长范围内进行红外扫描、测定。
1.2.4 热失重测定
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，用坩埚钳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，监测多糖质量损失随温度的升高而发生的变化[13]。
1.2.5 多糖的吸湿性和保湿性测定
1.2.5.1 样品前处理
将7种植物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）孔径筛，将留存完整的烟丝置于22 ℃、60%Hr的棕色干燥皿中均衡水分48 h，保存备用。
1.2.5.2 保润防潮性能测定
称取25 mg的7种植物多糖样品，加5 mL超纯水分别配制成0.5%的水溶液，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，放置在干燥皿中，保证空气中的环境湿度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%溶液的棕色干燥皿中，温度为22 ℃，每隔12 h称重1次，记录样品的质量变化，测定其48 h内水分变化，采用烘箱法[14]，按照式（1）计算其水分。
式中：W为水分，%；
m0为称量皿质量，g；
m1为烘干前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。
1.2.6 多糖的增香性测定
称取50 mg多糖样品，加10 mL超纯水配制成0.5%的多糖水溶液，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，保证干燥皿中相对湿度60%±5%、环境温度22 ℃，均衡水分48 h，设空白烟丝为对照[15-16]。
将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。
2.1 单糖组成分析
多糖是由单糖聚合形成，单糖的组成对于多糖的性质具有很重要的研究意义。7种提取物的单糖组成如图1和表2所示。结果显示：7种植物多糖的单糖组成之间存在显著差异，对于茶多糖，其主要单糖组分为L-鼠李糖、D-半乳糖、D-葡萄糖和葡萄糖醛酸，各成分占比分别为10.85%，8.45%，19.10%和12.45%。灵芝多糖的主要单糖组分为L-阿拉伯糖、D-半乳糖、D-葡萄糖、D-木糖和半乳糖醛酸，各成分占比分别为1.42%，3.48%，42.72%，1.13%和1.73%。银耳多糖的主要单糖组成为岩藻糖、D-葡萄糖、D-甘露糖、D-木糖、葡萄糖醛酸和半乳糖醛酸，分别占比7.78%，5.22%，21.53%，7.08%，8.63%和10.92%。甘草多糖的主要单糖构成为L-阿拉伯糖、D-半乳糖、D-葡萄糖和葡萄糖醛酸，分别占比1.94%，1.44%，59.47%和2.02%。葫芦巴多糖的单糖成分为D-半乳糖、D-甘露糖和葡萄糖醛酸，成分占比分别为28.99%，20.00%和1.06%。莲子多糖的主要单糖组分为D-半乳糖、D-葡萄糖和半乳糖醛酸，分别占比1.81%，50.30%和3.03%。木耳多糖的主要单糖成分为岩藻糖、D-半乳糖、D-葡萄糖、D-甘露糖、D-木糖、葡萄糖醛酸和半乳糖醛酸，分别占比1.43%，2.52%，42.88%，2.55%，8.73%，2.08%和4.52%。
表2 7种植物多糖的单糖组成含量分布
图1 7种植物多糖的单糖组成堆积图
通过分析可以发现：茶多糖和银耳多糖的糖醛酸含量占比较高，可以判断两者均是酸性多糖，而灵芝多糖、甘草多糖、葫芦巴多糖、莲子多糖和木耳多糖的糖醛酸含量比例较低，故判断其是含有酸性糖的酸性杂多糖，且主要单糖组成成分之间存在显著差异。
2.2 红外光谱分析
干燥后的7种植物多糖的红外光谱（400～4 000 cm-1）结果如图2所示。莲子多糖在3 326.6 cm-1和2 929.7 cm-1的吸收峰为糖类物质分子内或分子间O—H键，在1 046.4 cm-1处的吸收峰是羟基O—H的变角振动导致的。木耳多糖在3 381.3 cm-1处的吸收峰是—OH键（且可能是分子内缔合的化学键）。甘草多糖在3 186 cm-1处出现强烈的吸收峰，是多糖类化合物中官能团的特征吸收峰，属于O—H键之间的伸缩振动峰[17]。茶多糖在3 163.7 cm-1处的吸收峰是缔合O—H的伸缩振动峰，在1 048 cm-1处的吸收峰，也是羟基（—OH）的特征吸收峰，表明多糖内部结构中含有一定数量的氢键（包括分子间氢键和分子内氢键）。灵芝多糖在3 355.5 cm-1处出现强烈的吸收峰，是O—H键的特征吸收峰，1 049.4 cm-1处出现的吸收峰属于C—O—H伸缩振动峰。葫芦巴多糖在3 418.4 cm-1处的吸收峰为多糖类—OH的伸缩振动峰，在1 074.5 cm-1和530.9 cm-1处的吸收峰则分别是由—OH的面内弯曲振动、—OH基团的面外弯曲振动的横向振动引起的。银耳多糖在3 420 cm-1处的吸收带是来自糖类分子的O—H的可伸缩振动峰。
通过FTIR对7种多糖的内部结构中所含有的官能团进行定性检测可以发现，7种植物多糖中均含有一定数量的羟基，羟基是决定多糖具有保润特性的主要因素，羟基含量越多，往往所起到的保润作用越强。
2.3 热失重分析
图3是7种植物多糖的TG曲线和DTG曲线分析图。7种多糖的热失重阶段均为3个过程，其中最主要的失重过程为第2阶段，即灵芝多糖200～390 ℃、茶多糖210～410 ℃、银耳多糖250～370 ℃、甘草多糖150～410 ℃、葫芦巴多糖250～390 ℃、莲子多糖200～420 ℃、木耳多糖200～400 ℃，过程伴随着糖苷键的断裂，同时释放大量挥发性增强香味的物质[17]。
图3 7种植物多糖的TG（a）和DTG（b）曲线
2.4 多糖的保润性分析
图4（a）和（b）分别为纯烟丝、喷洒多糖及丙二醇的烟丝在解湿和吸湿时的水分。
图4（a）显示，0.5%多糖添加量下不同保润剂喷洒的烟丝样品在较低湿度（40%）环境下的保湿效果。可以发现，0～24 h间，丙二醇及多糖的烟丝的含水率均迅速下降，24 h后其含水率的下降速率趋于平缓。在48 h时，7种喷洒多糖的烟丝水分最多的4种多糖为银耳、木耳、葫芦巴和甘草多糖，其保湿效果均高于对照组。
图4（b）显示，0.5%多糖添加量下不同保润剂喷洒的烟丝样品在较高湿度（70%）环境下的防潮效果。可以发现，0～24 h间，喷洒丙二醇及多糖的烟丝的含水率均迅速上升，随后其含水率的上升速率趋于平缓。在48 h时，7种喷洒多糖的烟丝水分最少的4种多糖为葫芦巴、银耳、灵芝和木耳多糖，表明其防潮作用优于对照组。
结果表明，向烟丝中添加银耳多糖和木耳多糖可以提高卷烟的保润和防潮效果[19]。
2.5 多糖的增香性分析
将银耳多糖和木耳多糖喷洒在卷烟中，进行感官加香试验的抽吸评价，结果如表3所示。与空白卷烟评吸结果相比，喷洒银耳多糖和木耳多糖的烟丝的感官评分较高，主要是因为这2种多糖丰富了卷烟的口味风格、烟气特性和香气风格特征。添加木耳多糖的烟丝，增加烟丝的甜味、烤烟烟香和烘焙香，降低卷烟的清香。而添加银耳多糖的烟丝则具有更好的细腻感/柔和感/圆润感，其他特性与空白无异。
表3 木耳多糖和银耳多糖对卷烟的感官评价表
综合来看，木耳多糖对烟丝的增香效果最好，故木耳多糖是最优的卷烟加香剂。
结果表明，采用热水浸提法提取的7种植物多糖，单糖组成中均包含D-葡萄糖和糖醛酸，且分子结构中含有一定数量的多羟基官能团，可以吸附水分达到对卷烟保湿防潮的效果。另外，热失重结果表明，7种植物多糖的主要质量损失阶段在200～410 ℃，说明将多糖添加至卷烟中进行燃吸时，燃烧温度可以达到多糖裂解的温度。感官评价结果也显示，添加多糖的烟丝表现出丰富的甜味、烤烟烟香和烘焙香，尤其是木耳多糖的添加，对卷烟的作用效果更加明显。因此，将植物多糖添加到卷烟中确实是一种值得研究和开发的课题。试验结果可为多糖在卷烟中的实际应用提供重要参考价值。
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