色谱  2015, Vol. 33 Issue (1): 46-51   PDF (1003 KB)    
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赵博亚
包晓容
赵铭钦
姬小明
付培培
张渝婕
新型潜香化合物3,6-二甲基-2,5-吡嗪二甲酸二薄荷醇酯的热裂解产物
来苗1, 赵博亚2, 包晓容1, 赵铭钦1 , 姬小明1, 付培培1, 张渝婕1    
1. 河南农业大学烟草学院, 河南 郑州 450002;
2. 太原理工大学化学化工学院, 山西 太原 030024
收稿日期：2014-08-01
基金项目：河南省科技厅重点科技攻关项目(132102210042).
通讯作者：赵铭钦,E-mail:zhaomingqin@126.com
摘要：为开发新型高温释放型烟用香料,以2,3,5,6-四甲基吡嗪和薄荷醇为原料,经过酯化反应制备了3,6-二甲基-2,5-吡嗪二甲酸二薄荷醇酯(DPAME).采用在线热裂解-气相色谱-质谱联用技术(Py-GC-MS)在空气氛围和不同的温度(300、600和900 ℃)下,对DPAME进行热裂解研究,裂解产物经GC-MS进行了定性和半定量分析.结果表明,DPAME在300 ℃下裂解产生了多种有致香效果的醛类、薄荷烯和薄荷醇等;在600 ℃和900 ℃下裂解产生了烯烃类、烷基吡嗪、薄荷醇和薄荷烯等香味物质,并且吡嗪类的种类和相对含量在这两个温度下明显增加.结合DPAME的热裂解产物分析和卷烟感官评吸结果,初步推测了其可能的裂解机理.采用该方法可以方便、快速地分离鉴定物质的热裂解产物,为该物质在烟草中的加香应用提供理论依据.
关键词： 气相色谱-质谱     3,6-二甲基-2,5-吡嗪二甲酸二薄荷醇酯     热裂解     烟草添加剂    
Pyrolysates of novel latent fragrant compound 3,6-dimethyl- 2,5-pyrazinedicarboxylic acid menthol ester
LAI Miao1, ZHAO Boya2, BAO Xiaorong1, ZHAO Mingqin1 , JI Xiaoming1, FU Peipei1, ZHANG Yujie1    
1. College of Tobacco Science, Henan Agricultural University, Zhengzhou 450002, China;
2. College of Chemistry and Chemical Engineering, Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024, China
Received: 2014-08-01
Abstract: In order to develop a new tobacco flavor released at high-temperature, the novel latent fragrant compound 3,6-dimethyl-2,5-pyrazinedicarboxylic acid menthol ester (DPAME) was synthesized by esterification using 2,3,5,6-tetramethylpyrazine and menthol as raw materials. In air atmosphere, the pyrolysis behavior of DPAME was investigated using an on-line pyrolysis-gas chromatography-mass spectrometry (Py-GC-MS) method at three temperature levels of 300, 600 and 900 ℃, separately. The pyrolysis products were directly introduced into GC-MS and were qualitatively and semi-quantitatively analyzed. The results showed that a variety of aroma compounds of aldehydes, 3-p-menthene and menthol were released and identified at 300 ℃. While at 600 ℃ and 900 ℃, flavor alkene class, the alkyl pyrazines, menthol and 3-p-menthene were generated. And the types and relative amounts of pyrazines were significantly increased at these two temperatures. Combined the analytical results of DPAME pyrolysates and the results of sensory evaluation of the cigarette, the possible pyrolysis mechanism was preliminarily speculated. The Py-GC-MS technique for the study of the pyrolysis products of DPAME was convenient and rapid. The investigation provided a reliable theoretical foundation for the perfume reinforcement technology in tobacco products, contributing to the development of cigarette products with better aroma and taste. This method is an accurate and quick way to study the pyrolysis products of latent fragrant substance.
Key words: gas chromatography-mass spectrometry (GC-MS)     3,6-dimethyl-2,5-pyrazinedicarboxylic acid menthol ester (DPAME)     pyrolysis     tobacco additives    

薄荷醇是一种传统的食用香原料,因其独有的薄荷清凉感而被广泛应用于烟草、医药、日化和食品调料等行业[1, 2]。Dessirier等[3]报道薄荷醇能有效地降低尼古丁诱发的舌苔发炎几率,Hickman等[4]研究发现含有薄荷醇的香烟可以有效缓解心理压力。但是薄荷醇在高温食品及烟草制品中的应用存在一些显著的缺点,即阈值低,挥发性强,浓度稍大会让人感觉不适,并且易造成生产线的污染等。另外,据报道[5]简单的烷基吡嗪类化合物因其浓郁的焦烤香和爆米花香很早就被用作烟草添加剂。傅见山等[6]发现烷基羟基吡嗪在卷烟燃烧时释放出多种致香成分,具有增香和改善余味的作用。但是这些烷基吡嗪类物质也存在阈值太低和留香不持久的问题,从而限制了其在卷烟加香中的使用效果。

图1 DPAME的合成路线 Fig.1 Synthesis route of 3,6-dimethyl-2,5-pyrazinedicarboxylic acid menthol ester (DPAME) a. 2,3,5,6-tetramethylpyrazine; b. 3,6-dimethyl-2,5-pyrazinedicarboxylic acid; c. 3,6-dimethyl-2,5-pyrazinedicarbonyl chloride; d. 3,6-dimethyl-2,5-pyrazinedicarboxylic acid menthol ester.

为解决薄荷醇和烷基吡嗪的上述缺点,通过化学方法对其结构进行修饰,合成化学性质稳定,且不易挥发的吡嗪酸薄荷酯类潜香化合物[7],以期望该物质在卷烟燃吸条件下释放出种类更多的香味小分子化合物,为卷烟产品提供清凉感和柔和香气。由于本实验室所合成的3,6-二甲基-2,5-吡嗪二甲酸二薄荷醇酯(DPAME)是一种未见文献报道的新型薄荷酯类化合物,因此关于其热裂解的研究尚未见报道。

热裂解-气相色谱-质谱联用技术(Py-GC-MS)自20世纪70年代发展至今已相当成熟,广泛用于烟草研究[8]。Py-GC-MS技术能有效模拟卷烟的真实燃烧过程[9],还具有灵敏度高、样品用量少、分离效能高和重现性好等优点[10, 11]。杨叶昆等[12]采用该技术分析了灵香草浸膏的热裂解产物,为卷烟加香提供了参考。同时Py-GC-MS技术还可以用于烟用香料的裂解转移规律[13]和热裂解机理[14, 15]的研究。为了探讨DPAME在卷烟燃烧裂解时香味物质的释放效果,本文利用Py-GC-MS技术分别在300、600和900 ℃条件下,对DPAME的裂解产物进行分析,结合其卷烟感官评吸结果,初步探讨了DPAME的裂解机理,为其在烟草工业中的实际应用提供理论参考价值。

1 实验部分
1.1 仪器、试剂及材料

WC-1型显微熔点仪(瑞士Büchi公司); Perkin-Elmer 341型红外分光光度计(KBr压片)(赛默飞世尔科技公司); DPX-400型超导核磁共振仪(瑞士Bruker公司)(CDCl3为溶剂,四甲基硅烷(TMS)为内标); Agilent 1290LC-6540 Accurate Mass Q-TOF质谱仪(美国Agilent公司); Agilent-7890A/5975C气相色谱-质谱联用仪(美国Agilent公司); CDSPyrobe 5000热裂解仪(美国CDS公司)。

薄荷醇(分析纯,河南省新郑金叶香料有限公司); 2,3,5,6-四甲基吡嗪(分析纯,Aladdin Industrial Corporation);氯化亚砜(分析纯,天津市永大化学试剂研发中心);其余试剂均为国产分析纯。感官评吸实验所用烟丝来自山西平陆中部橘黄3级烟叶(C3F)。

1.2 实验方法
1.2.1 DPAME的制备

合成路线见图1,首先2,3,5,6-四甲基吡嗪即化合物a(10 mmol)经中性KMnO4(50 mmol)氧化,后经5.5 mL浓H2SO4酸化得到3,6-二甲基-2,5-吡嗪二羧酸即化合物b,然后取化合物b(3.0 mmol),经过SOCl2酰化得到3,6-二甲基-2,5-吡嗪二甲酰氯即化合物c(3.0 mmol)[16],化合物c保存在10 mL乙醚溶液中;冰浴条件下,在化合物c (3.0 mmol)的乙醚溶液中依次加入薄荷醇(0.781 g,5.0 mmol),催化剂4-二甲氨基吡啶(DMAP) (0.5 mmol,61 mg)和干燥处理后的缚酸剂三乙胺(Et3N)(5.0 mmol,0.7 mL),常温搅拌6 h,产生淡黄色沉淀后,抽滤,滤液减压浓缩,粗产物经硅胶柱层析(石油醚-乙酸乙酯,35 ∶ 1,v/v)分离得淡黄色固体DPAME(化合物d)0.584 g,纯度98.5% ,收率53.5% ,熔点:101.2～101.9 ℃。

1.2.2 Py-GC-MS分析条件

热裂解条件:称取0.1 mg合成的DPAME样品,放入专用石英裂解管中,两端塞入适量的石英棉,将石英裂解管放入热解头中,再置于已调节好预定温度的裂解炉中旋紧螺栓,分别在设定好的系列温度下进行瞬间裂解。 裂解温度为300、600和900 ℃,分别保持10 s,裂解炉压力为1.03×106 Pa(高于气相色谱柱头压力),裂解氛围为空气。

裂解产物由氦气直接导入GC-MS中进行分离和鉴定。

色谱条件:石英毛细管色谱柱DB-5MS(50 m×250 μ m×0.25 μ m),进样口温度250 ℃。升温程序:50 ℃保持1 min,以10 ℃/min 升至250 ℃,保持10 min。载气(He)流速1 mL/min,分流比50 ∶ 1。

质谱条件:电子轰击(EI)离子源,电子能量70 eV;传输线温度280 ℃;离子源温度230 ℃;四极杆温度150 ℃;扫描范围m/z 30～400;溶剂延迟3.6 min。

1.2.3 DPAME的感官评吸方法

准确称取0.5 g的DPAME置于50 mL的容量瓶中,加入95%的乙醇溶液定容至50 mL,即得10 g/L 的母液。分别移取上述溶液0.25、0.5、0.75 mL,用95%的乙醇溶液稀释至5 mL,灌入喉头喷雾器后均匀地喷洒在50 g平衡好水分的烟丝上,即得到添加量分别为0.05‰、0.1‰、0.15‰的烟丝,再制成烟支;空白对照样(CK)只喷洒5 mL的95%乙醇溶液。然后在恒温恒湿条件下平衡48 h后,由专家评吸。采用单体香料评价方法,主要从香气特性、烟气特性和口感特性等方面进行评价。

2 结果与讨论
2.1 DPAME的结构鉴定

采用酰氯酯化法合成了未见文献报道的新型酯类化合物3,6-二甲基-2,5-吡嗪二甲酸二薄荷醇酯,其结构经核磁共振(NMR)、红外光谱(IR)、高分辨质谱(HR MS)等测试方法表征,实际测得的表征数据为1H NMR(400 MHz,CDCl3) δ : 0.81(d,6H,J=6.96 Hz,2CH3),0.90(d,6H,J=6.96 Hz,2CH3),0.94(d,6H,J=6.52 Hz,2CH3),1.09～1.24(m,4H,2CH2),1.53～1.61(m,4H,2CH2),1.71～1.76(m,4H,2CH2),1.93～1.99(m,2H,2CH),2.17～2.20(m,2H,2CH),2.74(s,6H,2CH3),5.00～5.06(m,2H,2OCH);13C NMR(100 MHz,CDCl3) δ : 16.31,20.72,22.03,22.28(CH3),23.45(CH2),26.29(CH(CH3)2),31.54(CHCH3),34.15,40.72(CH2),46.95(CH),144.66(N=C),150.06(C=N),165.09(COOR)。IR(KBr) ν : 2 954 cm-1 (C-C-H),2 870 cm-1 (C-C-H),1 731 cm-1 (O=C-OR),1 408 cm-1 (吡嗪环C-C),1 261 cm-1 (C-O-C),1 132 cm-1(C-O-C)。 HR MS: [M+H]+473.338 0(calcd. 473.337 4),[M+Na]+459.320 0 (calcd. 459.319 3)。结果与预期的目标化合物理论数据一致,由此可以确定所得到的化合物d为DPAME。

2.2 DPAME的热裂解产物分析

在典型的卷烟燃烧过程中,燃烧锥中心温度在700～900 ℃,裂解区周围的温度达到400～700 ℃,靠近抽吸端的蒸馏区温度一般低于400 ℃[17]。设定不同的裂解温度可在一定程度上模拟这一过程,因此在裂解实验中选取卷烟燃烧有代表性的3个温度300、600和900 ℃进行热裂解。根据GC-MS分析结果,用NIST05a. L质谱数据库、面积归一化法对DPAME的热裂解产物进行定性和半定量分析(见表1)。

DPAME在300 ℃裂解时,主要生成2-甲基己烷、乙酸、3-甲基己烷、庚烷、环己酮、苯甲醛、薄荷烯、壬醛和薄荷醇等13种物质,由此可推断在300 ℃下主要发生了酯键的断裂和重排;在600 ℃下主要裂解出2-甲基吡嗪、2,5-二甲基吡嗪、2,6-二甲基吡嗪、薄荷烯、4-甲基-1-异丙烯基环己烯、3-甲基-6-(1-甲基亚乙基)环己烯和薄荷醇等27种物质,大多数为致香物质,其中薄荷烯的相对含量占总含量的45.44% ,2,5-二甲基吡嗪的相对含量占28.81% ;在900 ℃下主要裂解产生了4-甲基-1-环己烯、2-甲基吡嗪、苏合香烯、2,5-二甲基吡嗪、异丙基苯、(E)-3-壬烯-1-炔、薄荷烯和薄荷醇等22种物质,释放出多种致香物质,其中薄荷烯的相对含量占41.74% ,薄荷醇的相对含量占15.12% ,2,5-二甲基吡嗪的相对含量占24.53% 。可推断吡嗪酸在600 ℃和900 ℃下发生了脱羧、重排、芳构化和降解等反应,在此两个温度下裂解产生的吡嗪类物质比在300 ℃下明显增多,裂解生成的物质中以薄荷烯、2,5-二甲基吡嗪、薄荷醇的相对含量最多。

表1 在不同热裂解温度下DPAME的裂解产物分析结果 Table 1 Analytical results of the pyrolysis products of DPAME at different temperatures

薄荷烯又称3-对孟烯,存在于麝香草中,有薄荷的清香;2,5-二甲基吡嗪具有巧克力和奶油气味,是我国GB 2760-86《食品添加剂使用卫生标准》中允许使用的香精;薄荷醇又称薄荷脑,是薄荷和薄荷精油中的主要成分,常用在香烟和食品方面。此外,生成的2-甲基吡嗪、苏合香烯、2,6-二甲基吡嗪、萜品油烯、辛醛、壬醛、(+)-香茅醛、3,7-二甲基-7-辛醇、薄荷酮、2,4-二甲基-3-乙基吡咯、藜芦醛等具焦烤香、柠檬香、甜橙香、百合玫瑰香、薄荷清凉香和香荚兰果实甜香等具有香气特征的化合物,能改善卷烟内在的抽吸品质,赋予卷烟独特的香味。

2.3 烟丝中加入DPAME的感官评吸结果

Py-GC-MS技术是对卷烟燃烧裂解真实情况的模拟,初步的卷烟感官评吸实验有助于分析DPAME的热裂解产物对卷烟抽吸品质的影响。对空白样卷烟CK以及添加量为0.05‰、0.1‰、0.15‰的卷烟分别进行评吸,根据感官评吸从香气质、香气量、杂气、透发性、细腻程度、柔和程度、圆润感、刺激性、干燥感和余味等方面进行打分,各项评分标准0～5分,评吸实验结果见图2。

图2 烟丝中添加不同量DPAME的感官评吸结果 Fig.2 Sensory evaluation of the cigarettes by adding different contents of DPAME * CK: 50 g tobacco added with 5 mL 95% ethanol; 0.05‰: 50 g tobacco added with 5 mL of 0.5 g/L DPAME/95% ethanol; 0.1‰: 50 g tobacco added with 5 mL of 1.0 g/L DPAME/95% ethanol; 0.15‰: 50 g tobacco added with 5 mL of 1.5 g/L DPAME/95% ethanol.

初步的卷烟感官评吸实验结果表明,与对照样卷烟CK相比,添加DPAME后卷烟的香气量增加,香气质在一定程度上得到改善,杂气降低,卷烟的细腻柔和程度提高,干燥感和刺激性降低,余味干净。这说明裂解产生的薄荷醇和薄荷烯以及小分子香味物质和烷基吡嗪类起到了作用。但当添加量过大时,则掩盖了烟草本身的香味,与烟香不协调。综合比较,在添加量为0.1‰时,卷烟的品质特征达最佳。初步的卷烟评吸结果也表明,DPAME的裂解产物能提高卷烟的香气量,改善吸食品质,这与Py-GC-MS分析的结果一致。

2.4 DPAME可能的裂解机理

结合DPAME的Py-GC-MS分析和感官评吸结果,初步探讨了DPAME的裂解机理,其可能的裂解方式如图3所示。

图3 DPAME可能的裂解机理 Fig.3 Hypothetical pyrolysis mechanism of DPAME * Six possible pyrolysis ways.

DPAME在高温下可能发生降解、重排、异构化、环化、芳构化和聚合等反应,所以其裂解产物非常复杂,但它主要裂解为小分子的烷基吡嗪类、薄荷醇、薄荷烯等有特征香味的物质。DPAME具有酯的通性,在热作用下易发生酯键的断裂,生成3,6-二甲基-2,5-吡嗪二羧酸和薄荷醇。其一,3,6-二甲基-2,5-吡嗪二羧酸高温下发生脱羧降解反应后,(1)形成与表1中峰号17对应的裂解产物2,5-二甲基吡嗪;(2)2,5-二甲基吡嗪失去一个甲基后生成与峰号10对应的裂解产物2-甲基吡嗪;(3)2-甲基吡嗪再捕获一个甲基,或者2,5-二甲基吡嗪发生重排后生成与峰号19对应的2,6-二甲基吡嗪。其二,薄荷醇在裂解温度下易失去羟基,形成薄荷基碳正离子;(4)薄荷基碳正离子再失去一个质子,得到与峰号24对应的裂解产物薄荷烯;薄荷基碳正离子发生迁移,迁移至环上与异丙基相连的叔碳位后发生两种可能的反应途径(5)和(6),分别生成与峰号30对应的裂解产物4-甲基-1-异丙烯基环己烯和与峰号33对应的3-甲基-6-(1-甲基亚乙基)环己烯,经历的裂解途径是否准确,还待后续验证。

3 结论

利用在线热裂解-气相色谱-质谱联用技术对新型化合物3,6-二甲基-2,5-吡嗪二甲酸二薄荷醇酯的裂解行为进行了分析。并对DPAME进行了卷烟感官评吸实验,在此基础上初步推测了其可能的裂解机理。由于热裂解反应机理比较复杂,中间产物也难以分离鉴定,所以本推测尚需进一步验证。在卷烟燃吸条件下,该DPAME能裂解释放出多种具有清凉感的薄荷类和具有浓郁致香效果的吡嗪类物质,这些物质提高了卷烟香气量,降低了杂气和刺激性,能改善卷烟的抽吸品质。结合现代调香技术有望推动DPAME在烟草制品中的实际应用,并对于进一步开发新型热稳定型香原料提供参考价值。

参考文献
[1]Mao C X, Luo S H, Wang Q F, et al. J Appl Polym Sci, 2012, 125(S2): E339
[2]Dai J, Orsat V, Vijaya Raghavan G S, et al. J Food Eng, 2010, 96(4): 540  
[3]Dessirier J M, O'Mahony M, Carstens E. Physiol Behav, 2001, 73(1): 25
[4]Hickman N J Ⅲ, Delucchi K L, Prochaska J J. Tob Control, 2014, 23(1): 7  
[5]Guo Z, Lü J M. Tobacco Science and Technology (郭正, 吕建明. 烟草科技), 1996(3): 4
[6]Fu J S, Yang H W, Liu J F, et al. Journal of Natural Science of Hunan Normal University (傅见山, 杨华武, 刘建福, 等. 湖南师范大学自然科学学报), 2004, 27(1): 59
[7]Wu Y Q, Yang L, Liu F, et al. Chinese Journal of Analytical Chemistry (吴亿勤, 杨柳, 刘芳, 等. 分析化学), 2007, 35(7): 1035
[8]Miao E M, Li X M, Geng Y Q, et al. Journal of Yunnan University: Natural Sciences Edition (缪恩铭, 李雪梅, 耿永勤, 等. 云南大学学报: 自然科学版), 2011, 33(6): 690
[9]Lu L, Yang L, Wu Y Q, et al. Journal of Instrumental Analysis (卢岚, 杨柳, 吴亿勤, 等. 分析测试学报), 2011, 30(9): 983
[10]Gerber L, Eliasson M, Trygg J, et al. J Anal Appl Pyrol, 2012, 95: 95  
[11]Li X H, Meng Y Z, Zhu Q, et al. Polym Degrad Stabil, 2003, 81(1): 157  
[12]Yang Y K, Miao E M, Geng Y Q, et al. Chinese Journal of Chromatography (杨叶昆, 缪恩铭, 耿永勤, 等. 色谱), 2014, 32(5): 547
[13]Kong H H, Lu H, Chen C L, et al. Journal of Instrumental Analysis (孔浩辉, 鲁虹, 陈翠玲, 等. 分析测试学报), 2010, 29(6): 612
[14]Wang S R, Liang T, Ru B, et al. Chem Res Chinese U, 2013, 29(4): 782  
[15]Wang S, Guo X, Liang T, et al. Bioresour Technol, 2012, 104: 722  
[16]Wu H L. [MS Dissertation]. Xi'an: Northwest University (吴红玲. [硕士学位论文]. 西安: 西北大学), 2009: 15
[17]Baker R R, Bishop L J. J Anal Appl Pyrol, 2004, 71(1): 223