研究糖苷化合物的热解反应

烟草中普遍存在的糖苷类化合物在烟叶调制过程中，通过一系列复杂的生理生化变化转化形成一系列致香化合物，影响烟叶的品质，被认为是重要香味、风味化合物的前体，引起了广泛关注。一方面该类化合物属于天然或天然等同组分；另一方面由于其本身不直接致香不会干扰产品本香。

糖苷类物质是一些植物体内的二级代谢产物，广泛存在于植物体的各个器官中（花、果实、叶、皮、根等），是植物组织挥发性香味化合物的前体。糖苷类化合物是单糖或低聚糖的半缩醛羟基和另一分子中的羟基、氨基、硫羟基等失水而产生的化合物，是糖或糖的衍生物与配基通过苷键连接形成的化合物。其结构式如图4-26所示。

图4-26　糖苷类型示意图

糖苷类物质通过热解释放出配糖体结构类型的香味成分，在改善主流烟气和侧流烟气的香味和吸味方面具有重要作用。胡晓妹［53］等利用质谱技术开展了烟叶中重要香味中间体和潜香物质分析研究，研究采用PTV-GC-MS分析技术建立了烟叶中结合态糖苷类成分的分析方法。通过GC-MS/MS鉴定了烟草中22种香味成分，主要为以茄酮、大马酮、巨豆三烯酮、3-羟基-β-二氢大马酮、3-氧代-α-紫罗兰醇等配基为主的糖苷香气前体。同时测定了来源于不同烟草产区的不同香型（浓香型、清香型和中间香型）烟叶中茄酮、大马酮、巨豆三烯酮、3-羟基-β-二氢大马酮、3-氧代-α-紫罗兰醇等主要糖苷类成分。Kapfer［54］等人研究了烟草中糖苷结合的香味成分，游离的糖苷配体没有十分明显改善卷烟烟气香味的作用效果，但当形成糖苷结合的物质后却具有明显提高卷烟烟气的香味效果，这些键合产物可随主流烟气进入烟气冷凝物中，并定量测定了该类物质在烟气中的转移率为10%左右。此外，香味成分与葡萄糖等结合成糖苷后，不具挥发性或挥发性很低，降低了脂溶性，具有运输萜烯醇类和其他芳香化合物的重要作用。

通过以热裂解为主的热分析技术，对糖苷化合物在热解条件下配体的释放研究、产物鉴定已有较多应用。Ninomya［55］等人合成并研究了L-薄荷基-β-D-葡萄糖苷的热裂解情况，这种糖苷在230.7℃热解释放出L-薄荷醇，在烟丝中加入1 ppm这种糖苷进行感官评定，发现能很大程度地提高卷烟香味。Chi-kuen［56］等人对合成的2-苯乙基-α-葡萄糖苷燃烧裂解进行了研究，结果表明，产物的较强挥发性不仅可以消除，而且可通过卷烟的燃烧，热解释放出蔷薇科的花香味。曾世通［57］等对所合成的β-紫罗兰醇葡萄糖苷在氧气含量25%的氦气氛围和 300℃下进行了热裂解-气相色谱/质谱（Py-GC/MS）分析，鉴定出巨豆三烯、β-紫罗兰醇、β-紫罗兰酮、7,8-二氢-β-紫罗兰酮、3-氧代-β-紫罗兰酮、2,2,6-三甲基环己酮和二氢猕猴桃内酯等多种香味成分。将β-紫罗兰醇葡萄糖苷添加于卷烟中，在卷烟燃烧过程中能够有效释放出β-紫罗兰醇、β-紫罗兰酮和巨豆三烯，同时巨豆三烯酮释放量也呈增大趋势，随着添加量的增大，特征香味成分的释放量随之增大。实验结果表明裂解产物在卷烟主流烟气中的释放具有良好的稳定性和均匀性。

4.2.4.1　3-氧代-α-紫罗兰醇-β-D-吡喃葡萄糖苷的热裂解分析

3-氧代-α-紫罗兰醇-β-D-吡喃葡萄糖苷是典型糖苷代表之一，能产生对烟草吸味有良好贡献的巨豆三烯酮和3-氧代-α-紫罗兰醇。笔者对3-氧代-α-紫罗兰醇-β-D-吡喃葡萄糖苷和7,8-二氢-3-氧代-α-紫罗兰醇-β-D-吡喃葡萄糖苷进行了热裂解分析，并以热重-红外-气相色谱/质谱联用对3-氧代-α-紫罗兰醇-β-D-吡喃葡萄糖苷的裂解机理进行讨论，考察了烟草中糖苷香味成分释放的规律，为卷烟加香提供了理论依据。

3-氧代-α-紫罗兰醇-β-D-吡喃葡萄糖苷的裂解产物的总离子流图见图4-27，由谱图可以观察到特征化合物峰的强度与分离度。质谱法对裂解产物进行归属，并用面积归一化法对各组分进行了定量（见表4-7）。

图4-27　3-氧代-α-紫罗兰醇-β-D-吡喃葡萄糖苷不同温度下的在线热裂解图谱

表4-7　3-氧代-α-紫罗兰醇-β-D-吡喃葡萄糖苷在氦气环境中的主要热裂解产物

通过表4-7可知，3-氧代-α-紫罗兰醇-β-D-吡喃葡萄糖苷在氦气环境中的主要热裂解产物有9种，从300～900℃，裂解产物逐渐增加，300℃时主要裂解产物为巨豆三烯酮及其同分异构体，到600℃时产生3-氧代-α-紫罗兰醇，巨豆三烯酮及其同分异构体含量降低，到900℃时3-氧代-α-紫罗兰醇，巨豆三烯酮及其同分异构体含量继续降低，并且增加了苯乙烯及一些美拉德反应产物等香气物质，对体系的香气均有贡献，可见控制降解温度不但可以得到较多的香气物质，同时还可以使香气质量更加丰满。

图4-28　3-氧代-α-紫罗兰醇-β-D-吡喃葡萄糖苷裂解的主要途径

裂解机理探讨:

3-氧代-α-紫罗兰醇-β-D-吡喃葡萄糖苷是烟草香味中主要的物质，主要裂解产物有巨豆三烯酮及其同分异构体、3-氧代-α-紫罗兰醇，它们通过降解、环化、重排、脱氢等反应形成，其机理非常复杂。根据主要裂解产物来推导降解机理，如图4-28所示。

根据图4-28可知:在300℃时3-氧代-α-紫罗兰醇-β-D-吡喃葡萄糖苷主要裂解产物为巨豆三烯酮及其同分异构体，①H迁移生成巨豆三烯酮D，它是动力学产物，为2构型，较稳定；②H迁移生成巨豆三烯酮B，它是热力学产物，为构型，较稳定，由于实验采用吹扫捕集方式，所以主要生成热力学产物；②H脱去，③H迁移到④H的位置，生成巨豆三烯酮A；①H脱去，②H迁移到④H的位置，生成巨豆三烯酮C。在600℃时3-氧代-α-紫罗兰醇-β-D-吡喃葡萄糖苷直接断裂成3-氧代-α-紫罗兰醇和配糖体。在900℃时配糖体经过一系列迁移生成5-甲基-2-呋喃甲醛。

4.2.4.2　7,8-二氢-3-氧代-α-紫罗兰醇-β-D-吡喃葡萄糖苷的热裂解分析

7,8-二氢-3-氧代-α-紫罗兰醇-β-D-吡喃葡萄糖苷的裂解产物的总离子流图见图4-29，由谱图可以观察到特征化合物峰的强度与分离度。质谱法对裂解产物进行归属，并用面积归一化法对各组分进行了定量（见表4-8）。

图4-29　7,8-二氢-3-氧代-α-紫罗兰醇-β-D-吡喃葡萄糖苷裂解产物的总离子流图

表4-8　7,8-二氢-3-氧代-α-紫罗兰醇-β-D-吡喃葡萄糖苷在氦气环境中的主要热裂解产物

续表

通过表4-8可知，7,8-二氢-3-氧代-α-紫罗兰醇-β-D-吡喃葡萄糖苷在氦气环境中的主要热裂解产物有13种，从300～900℃，裂解产物逐渐增加，副产物增加。300℃时主要裂解产物为2-环戊烯-1,4-二酮和3,5,5三甲基-2-环己烯-1-酮，到600℃时产生4-(3-羟丁基)-3,5,5-三甲基，2-环己烯-1-酮和巨豆三烯酮及其同分异构体，到900℃时4-（3-羟丁基）-3,5,5-三甲基，2-环己烯-1-酮，巨豆三烯酮及其同分异构体含量明显增加，并且增加了一些烯烃及一些美拉德反应产物等香气物质，对体系的香气均有贡献，可见控制降解温度不但可以得到较多的香气物质，同时还可以使香气质量更加丰满。

裂解机理探讨:

7,8-二氢-3-氧代-α-紫罗兰醇-β-D-吡喃葡萄糖苷是烟草香味中主要的物质，主要裂解产物有巨豆三烯酮及其同分异构体、4-（3-羟丁基）-3,5,5-三甲基，2-环己烯-1-酮，它们通过降解、环化、重排、脱氢等反应形成，其机理非常复杂。根据主要裂解产物来推导降解机理，如图4-30所示。

图4-30　7,8-二氢-3-氧代-α-紫罗兰醇-β-D-吡喃葡萄糖苷裂解的主要途径

根据图4-30可知，在300℃时7,8-二氢-3-氧代-α-紫罗兰醇-β-D-吡喃葡萄糖苷主要裂解产物为巨豆三烯酮及其同分异构体:①H迁移生成巨豆三烯酮D，它是动力学产物，为2构型，较稳定；②H迁移生成巨豆三烯酮B，它是热力学产物，为构型，较稳定，由于实验采用吹扫捕集方式，所以主要生成热力学产物；②H脱去，③H迁移到④H的位置，生成巨豆三烯酮A；①H脱去，②H迁移到④H的位置，生成巨豆三烯酮C，裂解巨豆三烯酮的方式和3-氧代-α-紫罗兰醇-β-D-吡喃葡萄糖苷相同。在600℃时7,8-二氢-3-氧代-α-紫罗兰醇-β-D-吡喃葡萄糖苷直接断裂成4-(3-羟丁基)-3,5,5-三甲基，2-环己烯-1-酮和配糖体，4-(3-羟丁基)-3,5,5-三甲基，2-环己烯-1-酮进一步裂解成3,5,5-三甲基-2-环己烯-1-酮，配糖体经过一系列迁移生成5-甲基-2-呋喃甲醛，5-甲基-2-呋喃甲醛脱去甲基生成糠醛。

4.2.4.3　3-氧代-α-紫罗兰醇-β-D-吡喃葡萄糖苷的热重-红外-GC/MS联用分析

将3-氧代-α-紫罗兰醇-β-D-吡喃葡萄糖苷加入到热重分析仪器的试样杯中，在50℃下称量其重量，以升温程序:50℃（1 min）900℃，热解氛围为氮气，氮气流量为49.8 mL/min。它的热重曲线图如图4-31所示。热解产物在惰性气体的携带下，经过红外检测池，可以对产生的气体进行实时的红外分析，如图4-32所示。为了对失重点热解产物进行研究，把失重点下的产物通过六通阀进行切换，使其切入到GC-MS进样，通过GC色谱柱进行分离，然后进行质谱检测。

图4-31　3-氧代-α-紫罗兰醇-β-D-吡喃葡萄糖苷的热重曲线图

通过图4-31可以看出有三个明显的失重点分别在194.73℃、242.30℃和320.00℃，本实验选择265.00℃作为切点，在265.00℃时所能检测到的物质如表4-9所示。其三维和二维红外扫描图见图4-32和图4-33，其中在3 576 cm-1附近的宽峰是分子内氢键的伸缩振动vO-H产生的吸收峰，糖苷中糖基部分的多羟基形成氢键缔合后，偶极距增大形成宽峰。3 372 cm-1附近为不饱和C-H的伸缩振动，2 931 cm-1为结构中甲基的吸收峰，1 693 cm-1为羰基VC‖O的吸收峰，从红外图中可以看出羰基的吸收峰很强烈，1 595 cm-1、1 448 cm-1为单环芳烃的C‖C伸缩振动，这是芳环骨架的特征谱带，1 262 cm-1、1 039 cm-1、1 026 cm-1为C—O的伸缩振动，是该区吸收最强的峰，较易识别，729 cm-1处有峰为苯环上的邻位双取代峰，4个C—H，单吸收带。(www.xing528.com)

图4-32　265℃3-氧代-α-紫罗兰醇-β-D-吡喃葡萄糖苷的（三维）FT-IR图

图4-33　265℃下3-氧代-α-紫罗兰醇-β-D-吡喃葡萄糖苷的（二维）FT-IR图

图4-34　265℃3-氧代-α-紫罗兰醇-β-D-吡喃葡萄糖苷GC-MS色谱图

表4-9　265℃3-氧代-α-紫罗兰醇-β-D-吡喃葡萄糖苷GC-MS所检测到的物质

续表

通过GC-MS共检测到8种挥发性物质，通过表4-9可知，在265℃3-氧代-α-紫罗兰醇-β-D-吡喃葡萄糖苷的主要配基巨豆三烯酮及同分异构体明显脱落。

4.2.4.4　槲皮素3-β-D-芸香糖苷的热重-红外-GC/MS联用分析

通过图4-35可以看出有两个明显的失重点分别在256.97℃和300.46℃，本实验选择300℃作为切点，在300℃时所能检测到的物质如表4-10所示，GC-MS色谱图如图4-38所示。其红外扫描图见图4-36和图4-37，其中在3 589 cm-1附近的宽峰是分子内氢键的伸缩振动vO-H产生的吸收峰，糖苷中糖基部分的多羟基形成氢键缔合后，偶极距增大形成宽峰。2 979 cm-1为结构中甲基的吸收峰，2 355 cm-1、2 383 cm-1、2 299 cm-1为叁键和累积双键伸缩振动吸收峰，主要是等累积双键的非对称伸缩振动，呈现中等强度的吸收。1 733 cm-1为羰基vC‖O的吸收峰，从红外图中可以看出羰基的吸收峰很强烈。1 509 cm-1，为单环芳烃的C‖C的伸缩振动，这是芳环骨架的特征谱带，1 183 cm-1、1 062 cm-1为C—O的伸缩振动，是该区吸收最强的峰，较易识别，706 cm-1、667 cm-1处有峰为苯环的单取代，有两个吸收峰。

图4-35　300℃槲皮素3-β-D-芸香糖苷的热重曲线图

图4-36　300℃槲皮素3-β-D-芸香糖苷的三维FT-IR图

图4-37　300℃下槲皮素3-β-D-芸香糖苷二维FT-IR图

图4-38　300℃下槲皮素3-β-D-芸香糖苷GC-MS色谱图

表4-10　300℃槲皮素3-β-D-芸香糖苷GC-MS所检测到的物质

续表

通过GC-MS共检测到9种挥发性物质，通过表4-10可知，在300℃槲皮素3-β-D-芸香糖苷的主要基团糖基甲基-α-D-吡喃甘露糖苷明显脱落。

4.2.4.5　山奈酚3新橘皮糖苷的热重-红外-GC/MS联用分析

图4-39　山奈酚3新橘皮糖苷的热重曲线图

将山奈酚3新橘皮糖苷加入热重分析仪器的试样杯中，在50℃下称量其重量，以升温程序:500℃（1min）900℃，热解氛围为氮气，氮气流量为49.8 mL/min。它的热重曲线图如图4-39所示。热解产物在惰性气体的携带下，经过红外检测池，可以对产生的气体进行实时的红外捕集，如图4-40所示。为了对失重点热解产物进行研究，把失重点下的产物通过六通阀进行切换，使其切入到GC-MS进样，通过GC色谱柱进行分离，然后进行质谱检测。

图4-40　山奈酚3新橘皮糖苷的三维FT-IR图

通过图4-39和图4-40可以看出有两个明显的失重点分别在253.67℃和298.79℃，本实验选择300℃作为切点，在300℃时山奈酚3新橘皮糖苷CGCMS，所能检测到的物质如表4-11所示，GC-MS色谱图如图4-41所示。

图4-41　300℃下山奈酚3新橘皮糖苷GC-MS色谱图

表4-11　300℃山奈酚3新橘皮糖苷GC-MS所检测到的物质

续表

通过GC-MS共检测到10种挥发性物质，通过表4-11可知，在300℃山奈酚3新橘皮糖苷的主要基团糖基甲基-α-D-吡喃葡糖苷、甲基-α-D-吡喃甘露糖苷明显脱落。