丙二醇添加量對卷煙濾棒中薄荷顆粒持香能力的影響

賈學偉，馬兵杰，崔 春，李天笑，高明奇，許春平*

1.鄭州輕工業大學食品與生物工程學院，鄭州高新技術產業開發區科學大道136 號 4500002.河南中煙工業有限責任公司技術中心，鄭州經濟技術開發區第三大街9 號 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，隨著存放時間的增加，薄荷香氣逸失較多，易使薄荷型卷煙質量產生波動。與普通多孔顆粒相比，天然薄荷顆粒對香氣分子的吸附作用除了物理多孔吸附還有化學吸附。在一定含水率條件下，植物組織中纖維素和蛋白質等生物大分子可對香氣分子通過氫鍵吸附和空間位阻等方式產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，其蛋白質親水基團將會折疊包埋起來，而疏水基團外露，這樣香氣分子中的極性基團便較難與蛋白質分子形成氫鍵締合，而在一定含水率下，蛋白質親水基團外露，可通過氫鍵束縛產生較強的持香能力［8］。類似地，在肉類風味食品的研究中也證明改變含水率可對揮發性風味物質的保留產生影響，水分過高或者過低均會導致風味物質的快速逸失［9］。

因此，本研究中以天然薄荷顆粒為原料，通過添加不同比例丙二醇用于改善薄荷顆粒的持水能力，增強薄荷顆粒中纖維素和蛋白質等分子與香氣成分的結合能力，進而改善薄荷顆粒的持香能力。并將改良后的薄荷顆粒應用于卷煙濾棒中，以期得到一種特色增香方式，能在抽吸卷煙時引入特色香味，實現不參與燃燒的卷煙增香、補香技術，為開展天然植物顆粒香料在卷煙香味補償中的應用提供技術支撐。

1 材料與方法

1.1 材料、試劑和儀器

薄荷葉（2022 年，購自安徽省亳州市）；“紅旗渠（硬金紅）”空白卷煙（河南中煙工業有限責任公司）。

二氯甲烷（>99%）、乙酸苯乙酯（色譜純）（美國Sigma公司）；丙二醇（>99%，天津德恩化學試劑有限公司提供）；無水硫酸鈉（AR，天津大茂化學試劑廠）。

NMI20 低場核磁共振儀（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 型氣質聯用儀（美國Agilent公司）；DGX-9143電熱恒溫鼓風干燥箱（上海福瑪實驗設備有限公司）；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型數顯恒溫水浴鍋（金壇科析儀器有限公司）；KP-150 粉碎機、KPGD5/20 型低溫冷卻液循環泵（鄭州凱鵬實驗儀器有限公司）；KDM-1000 型可調式電熱套（北京科偉永興儀器有限公司）；同時蒸餾萃取裝置（鄭州科技玻璃儀器廠）。

1.2 方法

1.2.1 樣品制備

挑選新鮮無病害干薄荷葉，將其粉碎至0.25～0.85 mm（20～60目）的顆粒。以占薄荷顆粒質量1%、2%、3%、4%的丙二醇分別與占薄荷顆粒質量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 低場核磁共振（LF-NMR）譜測定

將存放90 d后的樣品置于溫度為22 ℃、相對濕度（RH）為60%條件下平衡48 h后，稱取3.0 g樣品于低場核磁共振樣品管中，再插入磁體線圈內進行核磁共振測定。采用CPMG 序列測定弛豫時間（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°脈沖時間P1=13 μs，180°脈沖時間P2=26.00 μs，重復采樣等待時間TW=1 500 ms，重復采樣次數NS=32，采樣點數TD=108 010，回波時間TE=0.180 ms，回波個數NECH=3 000，射頻延時RFD=0.020 ms，數字增益DRG1=3，模擬增益RG1=30 dB，放大倍數PRG=3。測定結束后對結果進行反演得到T2弛豫圖譜。

1.2.3 平衡含水率測定

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YC/T 31—1996中［10］規定的方法測定薄荷顆粒的平衡含水率。

1.2.4 掃描電子顯微鏡（SEM）測定

將未添加丙二醇的薄荷顆粒及含2%（質量分數）丙二醇的薄荷顆粒樣品分散于導電膠上，經真空噴金后采用SEM觀察其微觀形貌，加速電壓為3 kV。

1.2.5 持香能力評價

根據存放不同時間后的殘余載香量衡量不同薄荷顆粒香料的持香能力。對1.2.1節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［11］中的方法對揮發性香味成分進行同時蒸餾萃取及濃縮。以100 μL 0.871 g/L 的乙酸苯乙酯為內標，進行GC-MS分析。分析條件：

色譜柱：HP-5MS 型毛細管柱（60 m×0.25 mm×0.25 μm）；進樣口溫度：280 ℃；進樣量：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 香味物質質量分數的計算方法

利用Nist20 譜庫將質譜圖中各色譜峰進行檢索，同時進行人工解析，對化學成分進行定性分析。采用內標法對物質進行定量分析。按照公式（1）計算各揮發性香味物質的質量分數。

式中：W—揮發性物質的質量分數，μg/g；M1—內標物質量，μg；S2—揮發性物質峰面積；M3—樣品質量，g；S1—內標物峰面積。

1.2.7 薄荷顆粒卷煙濾棒加香應用

在醋酸纖維濾棒成型過程中，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量的0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%時的加香效果，篩選出最適宜的香料用量。并根據YC/T 31—1996 中的要求，在溫度（22±2）℃、相對濕度60%±5%的恒溫恒濕箱中平衡48 h。組織具備煙草行業感官評吸鑒定資質的人員（每組10人）進行感官特點評價。

2 結果與討論

2.1 存放時間對未添加丙二醇的薄荷顆粒香味成分的影響

對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照組香味成分進行對比分析，結果見表1。

表1 薄荷顆粒存放90 d后與對照組揮發性成分對比分析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性成分主要包括醇類、酮類、酚類和萜烯類等。其中，質量分數較高的成分為醇類，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，對口腔咽喉黏膜有殺菌作用，能促進氣管纖毛運動及氣管黏液的分泌，起到祛痰作用［16］。

從揮發性成分的種類看，存放前的薄荷顆粒共含有26種揮發性成分，存放90 d后薄荷顆粒中的揮發性成分減少為22 種。從揮發性成分的質量分數看，存放前薄荷顆粒揮發性成分的質量分數為6 153.05 μg/g，存放后則為2 519.15 μg/g，存放后揮發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%。總體來說，天然薄荷顆粒在存放過程中香味損失較快，不利于其加工應用，本研究中將進一步采用丙二醇改良其持香能力。

2.2 丙二醇添加量對薄荷顆粒持香能力的影響

不同丙二醇添加量（0、1%、2%、3%、4%）的薄荷顆粒存放后揮發性成分總量結果如圖1所示。可知，不同丙二醇添加量的薄荷顆粒存放后殘余揮發性物質總量依次為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，揮發性成分總量呈現出先升高后降低的趨勢。揮發性成分總量最多的為丙二醇添加量2%時的樣品。當丙二醇添加量從0 升高至2%時，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等大分子更易與香氣分子以氫鍵結合等方式形成較穩定的絡合物［17］，對香氣成分束縛能力逐漸增強。當丙二醇添加量大于2%時，由于樣品強結合水比例下降，樣品表面過于濕潤，易發生恒速干燥［18-19］，揮發性香味成分容易隨水分蒸發而損失。

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，當丙二醇添加量為2%時，薄荷顆粒的持香能力最強。進一步研究了存放時間對其揮發性香味成分總量的影響，結果見圖2。在不同存放時間（0、1、30、60、90 d）下，樣品揮發性成分總量依次為6 153.05、5 915.42、5 408.21、4 950.61 和4 472.69μg/g。隨著存放時間的延長，揮發性成分總量呈現出逐步降低的趨勢，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，揮發性成分保留量大大增加。根據GC-MS分析結果，進一步對比了存放時間對薄荷顆粒（添加2%丙二醇）不同極性的揮發性香味成分的影響，結果見圖3。可知，隨著存放時間的延長，醇類化合物在揮發性成分中所占的比例增加，酮類化合物在揮發性成分中所占的比例有下降趨勢，烯烴類化合物在揮發性成分中所占的比例下降最為明顯，這是因為醇類化合物的極性強于酮類及烯烴類化合物［20］，而且醇類化合物分子結構中含有羥基（—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或水分子形成氫鍵，從而在薄荷顆粒中形成復雜的氫鍵結構［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等大分子可以在結合水的幫助下通過氫鍵與醇類分子形成較穩定的絡合物［9,21,23］，從而使薄荷醇等極性分子難以揮發。因薄荷醇對于薄荷香型的香料至關重要，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，因此具有良好的應用前景。

圖2 存放時間對薄荷顆粒（添加2%丙二醇）揮發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 存放時間對薄荷顆粒中不同種類揮發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

2.3 丙二醇添加量對薄荷顆粒水分分布狀態的影響

采用低場核磁共振（LF-NMR）技術，通過檢測水分子中質子的弛豫行為，能夠反映水分子的存在狀態［24］。T2是激發自旋質子與相鄰質子進行能量交換后達到動態平衡所需的時間，反映了樣品中水分的自由度大小［25］。T2弛豫時間越短，說明該部分水分子與樣品中其他成分的結合越緊密，水的自由度就越小［23］。T2弛豫圖譜呈現多組分特征，代表不同的水分狀態，弛豫時間最小的一般定義為結合水，弛豫時間最大的定義為自由水，各弛豫峰面積對應不同狀態水分的分布比例［26-29］。因此，綜合弛豫時間和弛豫峰面積，可以分析薄荷香料中水分分布狀態，從而明晰丙二醇對水分分布的影響。

圖4 為添加不同質量分數丙二醇的薄荷香料在22 ℃、RH 60%的條件下達到平衡時的T2弛豫圖譜。由圖4可知，薄荷顆粒T2弛豫圖譜中共有3個弛豫峰T21、T22和T23，分別對應著弛豫時間0.2、7.0 和100.0 ms左右。根據玫瑰花和煙葉等植物水分分布狀態的研究，對薄荷顆粒T2弛豫峰進行了歸屬［27-28］，T21弛豫時間最短（0.2 ms 左右），代表薄荷的強結合水，包括顆粒中大分子內部結合水以及化學結合水等。T22（7.0 ms左右）對應微毛細管凝結水和細胞質結合水等不易流動的弱結合水；T23（100.0 ms 左右）對應物理吸附水以及潤濕水等自由水。添加不同質量分數丙二醇的薄荷香料的水分分布狀態如表2所示，各樣品平衡含水率隨丙二醇質量分數的增加而增加。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，說明其弱結合水尤其是自由水的自由度增加，應是添加丙二醇水溶液改良樣品的過程中經過了水分浸潤-復干這一過程導致的。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，物理結構的改變導致丙二醇改良后的薄荷顆粒對自由水的束縛力下降，自由水氫質子橫向弛豫時間大幅增加，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結合水所占比例（峰面積A21）均增加，這表明丙二醇可以增強薄荷顆粒對水分的吸附。隨著丙二醇添加量的增大，吸附機制發生明顯變化，樣品物理吸附水以及潤濕水等自由水含量大大下降，轉向不易流動的弱結合水以及化學吸附為主的強結合水。丙二醇的添加量為2%時，薄荷顆粒強結合水比例最高，自由水含量最低，對水分的吸附作用最強。當丙二醇的添加量大于2%時，強結合水比例有所下降而弱結合水比例略有升高，這可能是因為吸附水分增多，化學吸附在一定程度上飽和，轉向了不易流動的弱結合水。

可知，隨著丙二醇添加量的增大，存放90 d 后各樣品揮發性成分殘留量及其結合水的相對峰面積均隨丙二醇質量分數的增加呈現先升高后降低的趨勢，在丙二醇的添加量為2%時，其揮發性成分殘留量與強結合水的相對峰面積均最高。對樣品揮發性成分的殘留量與強結合水的相對峰面積利用SPSS軟件進行相關性分析，結果如表3所示，其相關系數為0.906，P值為0.034，表明揮發性成分的殘留量與強結合水的相對峰面積間顯著正相關。因此，薄荷顆粒中強結合水的相對峰面積越大，薄荷顆粒揮發性成分的殘留量越多。

表3 存放90 d后樣品揮發性成分殘余量與結合水峰面積A21的相關性分析Tab.3 Correlation analysis between residual amount of volatile components and peak area of bound water（A21）after storage for 90 days

2.4 卷煙感官評吸結果

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小時后進行卷煙感官評吸，結果如表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，在添加量為濾棒質量的2%時，煙香較協調。且對比空白樣品發現，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性能改善了卷煙的抽吸口感［30］。同時，將添加有薄荷顆粒的濾嘴在常溫敞口環境下放置90 d，濾嘴無發霉變質等現象，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吸結果Tab.4 Results of sensory evaluation for PG modified peppermint powders

3 結論

（1）天然薄荷顆粒存放90 d 后揮發性成分種類減少4 種、總量下降59.06%，香味損失較快，不利于其加工應用；在丙二醇的添加量為2%時薄荷顆粒的持香能力最強，存放90 d 后，揮發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，揮發性成分的保留量增加31.75%。添加丙二醇對薄荷顆粒中不同種類揮發性香味成分的留香效果不同，對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，說明添加丙二醇后可有效改善薄荷顆粒中的水分分布，增強薄荷顆粒含水率的穩定性；其中，丙二醇的添加量為2%時，薄荷顆粒中強結合水的相對比例最高。

（3）薄荷顆粒揮發性成分的殘留量與強結合水的相對峰面積顯著正相關，薄荷顆粒中強結合水所占比例越高，薄荷顆粒揮發性成分的殘留量越大。

（4）在添加量為濾棒質量的2%時，涼感明顯，有薄荷香氣，煙香較協調，且對比空白樣品發現，加入薄荷顆粒后能在一定程度上減輕口腔干燥感。