减压内部沸腾法提取烟草中的烟碱

曾淼洋，童张法,2，韦藤幼,2

1 广西大学化学化工学院，南宁市大学路100号 530004；2 广西石化资源加工及过程强化技术重点实验室，南宁市大学路100号 530004

烟碱，又名尼古丁(nicotine)，化学名称为1-甲基-2-(2-吡啶基)吡咯烷，是烟草和卷烟的重要成分之一，也是具有药用价值的活性物质。烟碱约占烟草生物碱总量的95%，其次为降烟碱、假木贼碱、新烟草碱和麦斯明等[1]。天然烟碱的用途十分广泛，可用于农业无公害高效杀虫剂，也可用于医药等领域。目前提取烟碱的方法有传统溶剂萃取法[2-4]、蒸馏-萃取法[5-6]、超临界流体萃取[7-9]、液膜萃取[10]、离子交换法[11]、超声[12-13]、微波技术[14]、索氏提取器和微波协同萃取技术[15]等方法。水提取法虽然绿色经济，但是提取率低、温度高，水溶性杂质溶出量多；传统的有机溶剂萃取法存在溶剂消耗大、操作安全要求高等缺点；其他现代的提取方法都需要昂贵的设备及较高的操作成本。减压内部沸腾法是一种低温快速的有效成分提取方法，它具有有机溶剂消耗量少、收率高、产品杂质少及容易实现等优点，与其他提取工艺相比，该法在提取效率及提取质量方面具有优越性[16-19]，由于提取时间短，温度低，经提取后的烟草形貌和颜色与提取前基本无差别，故可以回收供烟草工业使用。本实验采用内部沸腾法提取烟草烟碱，为烟碱的安全、绿色提取提供基础。

1 实验部分

1.1 材料与试剂

干燥的烟叶（粉碎至100目，河南卷烟工业烟草薄片有限公司提供）；烟碱对照品（纯度98.00%，批号MUST-12032201，北京金宝在线科技有限公司）；乙醇、甲醇（一级色谱纯、分析纯，西陇化工股份有限公司），磷酸、三乙胺（分析纯，西陇化工股份有限公司），十二水合磷酸氢二钠（分析纯，广东光华化学厂有限公司）。

1.2 仪器

CBM–10A vp高效液相色谱仪（日本岛津公司），HS-4精密恒温浴槽（成都仪器厂），SHB—Ⅲ循环水式多用真空泵（郑州长城科工贸有限公司），RE–52AA型旋转蒸发器（上海亚荣生化仪器厂），ZKF035电热真空干燥箱（上海实验仪器厂有限公司），SZM 45-T2 体视显微镜（宁波舜宇仪器有限公司）。

1.3 减压内部沸腾法提取

减压内部沸腾法提取：首先称取5.00 g烟草粉末，加入3倍体积某个浓度乙醇解吸剂使之湿润均匀，室温下静置30 min。然后往湿物料中加入一定量某温度下的热水，将其置于精密恒温水浴槽中，并迅速减压到某一压强下，使物料内部有少量气泡连续冒出，提取一段时间后，抽滤，取样分析，计算烟碱的得率。

按单因素实验考察减压内部沸腾法解吸剂乙醇浓度（提取剂用量20 mL·g-1，提取温度50 ℃，提取5 min）、提取剂水用量（解吸剂70%，提取温度50 ℃，提取时间5 min）、提取温度（解吸剂70%，提取剂用量15 mL·g-1，提取时间5 min）、操作压强（解吸剂70%，提取剂水用量15 mL·g-1，提取温度50 ℃，提取时间5 min）、提取时间（解吸剂70%，提取剂水用量15 mL·g-1，提取温度50 ℃）对烟碱提取率的影响。

1.4 水煎煮与乙醇回流法提取

为与减压内部沸腾法对比，进行水煎煮和乙醇回流法提取烟碱。

水煎煮法：称取10.00g烟草粉末，加入15倍体积的水，煎煮提取1 h，过滤，取样分析。

乙醇传统回流法：称取10.00g烟草粉末，加入15倍体积的70%乙醇回流提取1 h，过滤，取样分析。

1.5 显微镜扫描

取不同提取工艺的滤渣，50 ℃真空干燥后，用显微镜(放大20-30倍)进行放大扫描，记录照片。

1.6 烟碱含量测定

1.6.1 色谱条件

色谱柱为：C18 Hypersil ODS色谱柱(4.6 mm×250 mm, 5 μm)， 检 测 波 长：259 nm， 流 速：0.6 mL·min-1，流动相：甲醇：磷酸缓冲溶液=60：40，磷酸缓冲溶液为：0.02 mol·L-1磷酸氢二钠，0.5%三乙胺，0.5%磷酸的混合水溶液，进样量20 μL，柱温：室温。

1.6.2 标准曲线绘制

取25.0 mg烟碱标准品用50%甲醇定容到20 mL，用 50% 甲醇溶液配置 0.20、0.10 、0.016 、0.0080、0.00064 mg·mL-1的系列浓度的烟碱标准液。每个浓度标准液进样三次，取平均值。拟合得直线方程：Y=63466351.13 C + 51199.55 （R2= 0.9998），在0.00064-0.2 mg·mL-1线性相关，Y为峰面积，C为浓度，单位 mg·mL-1。

1.6.3 烟碱提取率测定

烟碱提取率按下式计算：

式中：y为烟碱提取率；N为稀释倍数；c为烟碱浓度，mg·mL–1；V为提取液体积，mL；m为烟草质量，g。

2 结果与讨论

2.1 烟碱提取率的影响因素

2.1.1 解吸剂乙醇浓度对烟碱提取率的影响

图1 解吸剂乙醇浓度对烟碱提取率的影响

图1是不同解吸剂乙醇浓度对烟碱提取率的影响。乙醇浓度低烟碱的解吸不完全，过高则渗透烤烟细胞组织的效果不好，乙醇浓度为70%比较适宜。

2.1.2 提取温度及压强对烟碱提取率的影响

图2 提取温度对烟碱提取率的影响

图3 提取压强对烟碱得率的影响

图2和图3分别是不同提取温度和压强对烟碱提取率的影响。由两图可以看出，提取温度和压强都存在最佳值。这是因为渗透到烟草细胞内部的乙醇浓度为70%，当操作压强为0.019 MPa时其泡点温度最接近50 ℃。温度过低或压强过高时烟草内部的乙醇不能发生沸腾或沸腾的强度不够，而温度过高或压强过低时会导致内部沸腾强度过高，烟草内部的乙醇扩散出来太快，导致烟碱溶出量减少。

2.1.3 提取时间和提取剂水用量对烟碱提取率的影响

图4 提取时间对烟碱提取率的影响

图5 提取剂水用量对烟碱提取率的影响

图4和图5分别是不同提取时间和提取剂水用量对烟碱提取率的影响。由图4可以看出，只需提取4 min，烟碱提取已完全，这是由于提取传质过程为对流扩散，其速度为普通的分子扩散的100倍[16]。由图5可知，存在最佳提取剂用量。当水用量太少时，提取不够充分，当水用量超过15 mL·g-1后，随着提取剂水用量的增加，体系乙醇浓度降低，得率稍微下降。

表1 减压内部沸腾法与水煎煮法和乙醇回流法的比较

2.2 减压内部沸腾提取与水煎煮和乙醇回流提取的比较

表1是本方法与水煎煮和乙醇回流提取主要指标的比较，其中本方法的提取时间包括解吸过程的30 min。从表中可看出，本方法提取烟碱得率高于水提和传统乙醇回流法。与乙醇回流法比较，减压内部沸腾法提取温度低30 ℃、乙醇溶剂消耗量仅为其1/5，大大降低了乙醇用量，并降低了生产的危险性。用水提取法虽然安全、绿色，但是提取温度高，得率低，提取物纯度低。

图6 原烟草粉与提取残渣的对比

图6所示为提取前烟草粉及三种方法提取后烟草残渣的显微照片。减压内部沸腾法提取后的烟草残渣与提取前的烟草粉形貌与颜色差别不大，提取后的残渣变形少。而水煎煮法和传统回流法的提取残渣色泽加深、变黑、腐烂结团，颗粒膨胀及溶化较严重，其主要原因是加热过程的棕色化反应，烤烟糖-氨基类棕色化产物导致颜色加深。所以减压内部沸腾法提取的烟草粉残渣经烘干、粉碎等简单处理即可以回收，作为烟草薄片等工艺添加原料。

3 结论

本实验采用减压内部沸腾法提取烟碱，分析了提取条件的影响，得到的适宜提取条件为解吸剂乙醇浓度为70%、提取剂水用量为15 mL·g-1、提取温度为50 ℃、操作压强为0.019 MPa、提取时间为4 min，在此条件下，烟碱提取率为1.15%。与水煎煮和乙醇回流法比较，减压内部沸腾法提取温度低、速度快、溶剂消耗量少，大大提高了提取生产过程的安全性，所得提取液质量高。提取后烟草残渣形貌和颜色与原烟草粉末差别不大，可作为工艺添加原料。

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