丁香酚-β-D-葡萄糖苷的合成、熱裂解及其在卷煙中的應用

梁德民，張 瑋，王嘉樂，費 婷，李德國，奚 安，顧文博，吳 達

上海煙草集團有限責任公司技術中心，上海市浦東新區秀浦路3733 號 201315

糖苷類物質是許多天然香料的前體物，存在于自然界各種植物中，其本身無氣味或氣味很弱，常溫下性質穩定，但經過熱解、酶解或水解等條件，斷裂糖苷鍵并釋放出香味成分［1-2］。基于上述特性，糖苷類香料在卷煙加香領域有較好的應用前景。段海波等［3］合成了天然等同結構的玫瑰醇糖苷并添加至卷煙中，可以改善和修飾卷煙煙氣、減輕刺激性，且克服了玫瑰醇因揮發而導致的釋香不穩定問題。郭亞勤等［4］研究了紅景天糖苷的熱裂解成分并應用于卷煙中，發現紅景天糖苷具有豐富卷煙煙氣，提升煙氣細膩柔和度，降低雜氣的作用。曾世通等［5］研究合成了β-紫羅蘭醇糖苷，在主流煙氣中能裂解生成多種香味成分，且具有良好的釋放穩定性和均勻性。李有桂等［6］報道了甲基環戊烯醇酮-β-D-吡喃葡糖苷的合成方法并進行熱裂解實驗，可為新型焦甜香煙用香原料的研發提供參考。

丁香酚（Eugenol），化學名稱為4-烯丙基-2-甲氧基苯酚（FEMA 2467），是一種重要的天然芳香酚類香原料，具有典型的強烈丁香和辛香特征，在食品、醫藥及卷煙調香領域廣泛應用［7］。丁香酚作為一種重要的煙用香原料，不僅能賦予卷煙辛香吃味，使卷煙的香氣質、香氣量有所增加，煙氣中凸顯細膩、圓潤及柔和特征，還能夠降低卷煙煙氣的刺激性，對卷煙煙氣有積極正面的作用，但常溫下丁香酚在空氣中易氧化，且嗅香重、揮發性強，對加香穩定性存在一定影響［8-9］。丁香酚-β-D-葡萄糖苷（以下簡稱丁香酚糖苷）是丁香酚的香味前體物，常溫下穩定且不揮發，可明顯改善丁香酚在卷煙加香中存在的問題，具有較好的應用前景［10-11］。因此，本研究中以實驗室合成的丁香酚糖苷為研究對象，通過熱失重及熱裂解-氣相色譜-質譜法對丁香酚糖苷進行熱裂解規律研究，結合卷煙主流煙氣分析考察丁香酚的煙氣釋放及糖苷加香應用效果，旨在為丁香酚糖苷類香料前體物在卷煙加香中的應用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料、試劑和儀器

空白未加香卷煙樣品（上海煙草集團有限責任公司提供）。

丁香酚（＞98%）、安伯萊特IR 120（H）離子交換樹脂（北京百靈威科技有限公司）；氫氧化鋰、甲醇鈉、正十七烷、葡萄糖及其他試劑（AR，國藥集團化學試劑有限公司）；丁香酚-β-D-葡萄糖苷（自制，產物結構經IR、NMR、HRMS表征，純度＞98%）。

TGA8000熱失重儀器（美國PerkinElmer公司）；5250 熱裂解儀（美國CDS 公司）；7890A/5975C 氣相色譜-質譜聯用儀（美國Agilent 公司）；RM20H 轉盤式吸煙機（德國Borgwaldt公司）；AV500核磁共振儀（500 MHz，德國Bruker 公司）；RE-52 旋轉蒸發儀（上海亞榮生化儀器廠）；CIJECTOR 香精香料注射儀（德國Burghart 公司）；XS105DU 電子天平（感量0.000 1 g，瑞士Mettler 公司）；KBF240 恒溫恒濕箱（德國Binder公司）。

1.2 方法

1.2.1 糖苷的合成

丁香酚糖苷的合成路線如圖1 所示，中間體和產物的結構以NMR 進行表征，產物4 為目標化合物。

圖1 丁香酚-β-D-葡萄糖苷的合成路線Fig.1 The synthetic route for eugenol-β-D-glucoside

1.2.1.1 溴代四乙酰葡萄糖（1）的合成

參考文獻［12］的方法合成溴代四乙酰葡萄糖（1），得到淡黃色的固體，熔點為87～89 ℃，與文獻報道值［13-14］符合，產品需低溫保存。

1.2.1.2 丁香酚-2,3,4,6-四-O-乙酰基-D-葡萄糖苷（3）的合成

取5.08 g（12.1 mmol）2,3,4,6-四-O-乙酰基-D-葡萄糖溴化物，溶于30 mL丙酮中；另取丁香酚6.01 g（36.5 mmol），溶于氫氧化鋰的水溶液（1 mol/L，15 mL）中。將上述體系混合，室溫下劇烈攪拌3 h，通過薄層色譜法監測反應進程。反應完成后，減壓將反應體系中的丙酮除去，剩下的混合物用二氯甲烷（15 mL×3）萃取，合并的有機相再用10%氫氧化鈉溶液（15 mL×3）洗滌，洗滌后的有機相用無水硫酸鈉干燥，過濾并減壓濃縮，得到粗產物。硅膠柱色譜法純化粗產物，洗脫劑：V石油醚∶V乙酸乙酯=5∶1，得到2.25 g 目標化合物（3），為黃色油狀液體，產率為37%。1H NMR（500 MHz，CDCl3），δ：7.07（1H，s），6.74（1H，s），6.70（1H，s），5.95（1H，s），5.29（2H，d，J=7.9 Hz），5.19（1H，s），5.11（2H，d，J=17.6 Hz），4.93（1H，s），4.29（1H，s），4.19（1H，s），3.82（3H，s），3.80（1H，s），3.36（2H，s），2.07（12H，d，J=22.5 Hz）。13C NMR（125 MHz，CDCl3），δ：170.6，170.2，169.4，169.2，150.5，143.8，137.5，136.5，121.5，120.5，115.8，113.4，101.1，77.2，76.8，72.5，72.1，61.5，57.2，39.8，20.6，20.6，20.5，20.5；ESI-MS（m/z）：517.1［M+Na］+。

1.2.1.3 丁香酚葡萄糖苷（4）的合成

將2.25 g（4.55 mmol）產物3溶解在V二氯甲烷∶V甲醇=1 ∶4 的10 mL 混合溶液中，加入甲醇鈉245.9 mg（4.55 mmol），室溫攪拌1 h，通過薄層色譜法監測反應進程。反應完成后，攪拌下加入安伯萊特IR 120（H）離子交換樹脂直至體系pH=6～7，體系經過墊有硅藻土的漏斗過濾，濾液經減壓濃縮，得到粗產物。硅膠柱色譜法純化粗產物，洗脫劑：V石油醚∶V乙酸乙酯=1∶2 至純乙酸乙酯，進行梯度洗脫，得到目標化合物（4）1.45 g，為白色固體，產率為97%，熔點為131～132 ℃。1H NMR（500 MHz，DMSO-d6），δ：7.00（1H，d，J=8.2 Hz），6.80（1H，s），6.67（1H，d，J=8.2 Hz），5.95（1H，td，J=16.9 Hz，6.8 Hz），5.19（1H，s），5.09（1H，s），5.04（2H，d，J=17.0 Hz），5.00（1H，d，J=5.1 Hz），4.84（1H，d，J=7.0 Hz），4.51（1H，s），3.74（3H，s），3.66（1H，d，J=11.9 Hz），3.44（1H，dd，J=11.6 Hz，5.8 Hz），3.30（2H，d，J=6.7 Hz），3.24（2H，s），3.14（2H，s）；13C NMR（125 MHz，DMSO-d6），δ：148.9，144.9，138.1，133.5，120.4，117.0，115.6，113.1，100.3，77.1，76.9，73.3，69.8，60.8，55.7，39.2；ESI-MS（m/z）：349.1［M+Na］+。

1.2.2 熱裂解研究

1.2.2.1 丁香酚糖苷的熱失重分析

分別稱取2 mg 丁香酚糖苷和丁香酚至不同的100 μL 氧化鋁盤中。以高純氮氣為載氣，流速為20 mL/min，以升溫速率為20 ℃min 從50 ℃升溫至600 ℃，記錄質量變化曲線。

1.2.2.2 丁香酚糖苷的熱裂解分析

稱取1 mg 左右的丁香酚糖苷固體，置于填充有玻璃毛的小石英管中，另一頭用玻璃毛封上，將該石英管放入熱裂解儀的加熱絲中進行有氧裂解，裂解產物可通過GC-MS進行分析。

（1）熱裂解條件：

A.不同溫度條件下的裂解：裂解探頭起始溫度50 ℃，升溫速率20 ℃/ms，分別升溫至200、300、600、900 ℃后，分別保持30 s。

B.模擬卷煙燃燒裂解：按照Baker 裂解實驗方法［15-16］，300 ℃保持5 s；30 ℃/s 升溫至900 ℃，保持5 s。

冷阱的捕集溫度為-60 ℃，冷阱進樣條件為-60 ℃升至280 ℃，保持5 min。

（2）GC-MS 色譜條件：HP-5 毛細管柱（30 m×0.25 mm×0.25 μm）；進樣口溫度：250 ℃；載氣He；載氣流量：1.0 mL/min；分流比：100∶1；升溫程序：40 ℃（3 min）離子源：EI 源；電離能量：70 eV；傳輸線溫度：250 ℃；離子源溫度：230 ℃；四極桿溫度：150 ℃；質量掃描范圍：40～450 amu。

（3）裂解產物定性和分析：應用NIST 和WILEY質譜庫進行檢索定性熱裂解產物，采用峰面積歸一化法計算產物的質量分數。

1.2.3 加香應用研究

1.2.3.1 卷煙加香樣品制備

稱取0.2 g 丁香酚糖苷固體，溶解于10 mL 無水乙醇，配制濃度為20.0 g/L的溶液。

（1）煙絲加香：用香精香料注射儀將丁香酚糖苷溶液注射至空白卷煙中，每支卷煙加香量為10 μL，起始加香點為距煙絲與濾嘴連結處2 mm，終止加香點為距煙絲與濾嘴連結處58 mm。

（2）卷煙紙加香：使用香精香料注射儀將10 μL糖苷溶液均勻涂布在卷煙紙上。

分別取等量的丁香酚和無水乙醇采用相同方式加香制備對照卷煙和空白卷煙。

1.2.3.2 主流煙氣釋放分析

（1）主流煙氣粒相物分析：取平衡過的加香煙支，用轉盤式吸煙機按照標準條件抽吸卷煙。用劍橋濾片捕集煙氣，每張濾片捕集20支卷煙的煙氣粒相物。抽吸畢，將捕集粒相物的劍橋濾片折疊，放入250 mL 錐形瓶中，加入20 mL 甲基叔丁基醚溶液及200 μL 5.0 mg/mL 正十七烷內標溶液，室溫下振蕩萃取30 min，靜置5 min。直接取樣進行GC-MS分析。

（2）不同糖苷添加量分析：按不同加香量將丁香酚糖苷添加至卷煙煙絲中，同本節（1）中的操作方法，進行GC-MS分析。

（3）逐口分析：將煙絲加香的卷煙樣品于轉盤式吸煙機上分別收集卷煙的第2～第5口的逐口煙氣粒相物，同本節（1）的方法處理劍橋濾片后，進行GC-MS分析。

（4）GC-MS條件：

色譜柱：DB-FATWAX UI 毛細管柱（30 m×250 μm×0.25 μm）；進樣口溫度：270 ℃；載氣：He；載氣流量：1.0 mL/min；分流模式：不分流；程序升溫：離子源：EI源；電離能量：70 eV；傳輸線溫度：250 ℃；離子源溫度：230 ℃；四極桿溫度：150 ℃；質量掃描范圍：35～450 amu。

（5）主流煙氣化合物定性和分析：應用NIST 和WILEY質譜庫檢索并定性主流煙氣化合物，采用內標半定量法計算產物的質量分數。

2 結果與分析

2.1 熱失重分析結果

丁香酚和丁香酚糖苷的熱失重DTG曲線如圖2所示。丁香酚的DTG曲線只有一個吸收峰，丁香酚質量開始損失的溫度約為50 ℃，其質量最大損失的溫度約為149.5 ℃。丁香酚糖苷的DTG曲線有兩個峰：第一個峰（小于100 ℃）可能是丁香酚糖苷中的水分、低沸點溶劑揮發而導致，而第二個峰是由于丁香酚糖苷分解而導致，質量損失的起始溫度約為220 ℃，質量損失的最終溫度約為370 ℃，其質量最大損失的溫度約為290.5 ℃。丁香酚糖苷的熱解溫度相比丁香酚提高近170 ℃，因此，與丁香酚相比，丁香酚糖苷的熱穩定性明顯提高，有利于其在卷煙中的應用。

圖2 丁香酚和丁香酚糖苷的DTG曲線Fig.2 DTG curves of eugenol and eugenol glycoside

2.2 丁香酚糖苷熱裂解分析結果

不同溫度條件下丁香酚糖苷的裂解結果如圖3所示。300 ℃條件下，發現有裂解產物丁香酚產生，而200 ℃未發生裂解，這與熱失重的結論一致。如表1所示，丁香酚糖苷裂解的主要產物為丁香酚，其他產物主要有糠醛、苯酚和2-甲氧基苯酚等。模擬卷煙燃燒的熱裂解條件下，丁香酚糖苷裂解主要產物為丁香酚，占主要裂解產物的94%以上；裂解產物種類也未增加。

表1 不同溫度條件下的熱裂解產物峰面積Tab.1 Peak areas of pyrolysis products at different temperatures

圖3 由80 ℃分別升至200和300 ℃時丁香酚糖苷熱裂解的總離子流圖Fig.3 TIC chromatograms of eugenol glycoside under pyrolysis from 80 ℃to 200 ℃and 300 ℃respectively

2.3 加香卷煙的主流煙氣分析結果

2.3.1 主流煙氣中丁香酚的釋放量

考察丁香酚糖苷裂解產物在卷煙主流煙氣中的釋放情況。將空白、煙絲添加糖苷及卷煙紙添加糖苷、煙絲添加丁香酚的卷煙樣品在標準條件下抽吸，采用GC-MS法分析其主流煙氣粒相物成分。表2為主流煙氣中主要代表性成分的化合物釋放情況，結果表明：①與空白卷煙相比，添加丁香酚糖苷的卷煙主流煙氣中產生丁香酚，焦糖化產物有些許增加，其他組分變化不明顯。表明丁香酚糖苷在卷煙燃吸的過程中除糖苷鍵斷裂生成丁香酚外，無其他明顯副反應發生；此外，添加丁香酚的卷煙主流煙氣中也產生丁香酚。②對比糖苷在卷煙中的兩種加香方式可知，煙絲加香卷煙主流煙氣中丁香酚釋放量明顯高于卷煙紙加香。這表明煙絲加香條件下，裂解生成的丁香酚更易進入主流煙氣中，而卷煙紙加香裂解生成的丁香酚可能更易進入到側流煙氣中。以不同加香方式在卷煙中添加糖苷，可達到不同的加香效果。

表2 卷煙樣品主流煙氣中主要代表性成分的釋放量①Tab.2 Releases of representative components in mainstream smoke of cigarette samples

2.3.2 糖苷添加量對主流煙氣丁香酚釋放量的影響由圖4可以看出，卷煙煙氣中丁香酚的釋放量隨著糖苷添加量的增加而增大，在所設加香濃度的梯度下，丁香酚的釋放量與糖苷添加量基本上呈線性關系。

圖4 主流煙氣中丁香酚釋放量與糖苷或丁香酚加香量的關系Fig.4 Relationships of eugenol releases in mainstream smoke with glycoside or eugenol addition rate

2.3.3 主流煙氣丁香酚逐口釋放量分析

煙絲加香卷煙樣品的煙氣丁香酚逐口釋放量分析結果如圖5所示。添加丁香酚糖苷的卷煙主流煙氣中丁香酚逐口釋放量基本一致，逐口穩定性較好；而添加丁香酚的卷煙煙氣中丁香酚的逐口釋放量呈現前高后低的變化趨勢。這表明添加丁香酚糖苷的卷煙煙氣中丁香酚的釋放更為均勻。

圖5 不同抽吸口數對應的主流煙氣中丁香酚的逐口釋放量Fig.5 Puff-by-puff releases of eugenol in mainstream cigarette smoke

2.4 丁香酚糖苷在卷煙中的應用

將空白卷煙與添加丁香酚、丁香酚糖苷的加香卷煙進行對比分析。添加了丁香酚、丁香酚糖苷的卷煙相比空白卷煙，煙氣中均產生丁香酚，丁香酚的釋放量均隨添加量的增加呈線性增長，且丁香酚糖苷的添加效果優于丁香酚，主要表現為卷煙燃吸時釋香均勻，前后一致。此外，由于丁香酚糖苷常溫下十分穩定，耐高溫、不揮發且氣味弱，解決了丁香酚常溫下易揮發、嗅香重，及加香不穩定等問題。

3 結論

①丁香酚糖苷的裂解溫度在220 ℃以上，相比丁香酚具有更好的熱穩定性。②丁香酚糖苷主要的裂解產物為丁香酚，副產物較少。③添加丁香酚糖苷的卷煙在主流煙氣中釋放丁香酚，釋放量隨糖苷添加量的增加而增加，且糖苷的不同添加方式可達到不同的加香效果。④丁香酚糖苷在卷煙應用中具有良好的加香穩定性，卷煙的釋香更為均勻，加香效果不僅優于丁香酚，還可解決丁香酚存在的加香不穩定等問題，因此，可作為一種穩定的煙用香料前體，在卷煙加香中有較好的應用前景。