超临界CO2萃取烟草精油的工艺研究

刘亚娟，刘 芸，王志祥

(1.广东食品药品职业学院，广东 广州 510520；2.中国药科大学药学院，江苏 南京 210009)

烟草精油是从烟草中提取的具有烟草特征香气的一类化合物，其主要成分为萜烯类、醛类、挥发性酸类、酯类、酮类、醇类、芳香环类、杂环类、烃类和生物碱等[1-2]。将烟草精油作为烟草的增香剂反添加于烟草中可弥补因烟草降焦处理而损失的香味[3-5]。此外，烟草精油对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌和绿脓杆菌等有一定的抑菌作用[6]。

已报道的烟草精油提取方法有水蒸气蒸馏法、溶剂提取法、超临界萃取法等[7-12]，前两种方法设备简单、成本低，但工艺繁琐、收率低。由于烟草精油中的挥发性芳香成分大多是非极性或弱极性化合物，在超临界CO2流体中溶解度很大，故用超临界CO2萃取是非常合适的提取方法。但目前采用超临界CO2萃取烟草精油的研究大多只考虑了精油粗提物的收率而没有考虑精油中致香成分的收率和精油品质，对于烟草精油的进一步开发利用指导意义不大。

新植二烯在烟草挥发性物质中含量最高，是形成烤烟清香特色的重要成分，其本身具有一定的香气，可分解转化为低分子香味成分，且新植二烯具有携带烟叶中挥发性香气物质和致香成分进入烟气的能力，是烟叶的重要增香剂[13-14]。

作者采用超临界CO2萃取烟草精油，以精油提取率、新植二烯提取率、精油品质为评价指标，考察相关因素对萃取效果的影响，优选萃取工艺条件，拟为烟草精油的进一步开发利用和工业化生产提供理论依据。

1 实验

1.1 材料、试剂与仪器

烟草，南京卷烟厂。

乙醇、二氯甲烷、乙酸乙酯、丙酮，南京化学试剂有限公司；蒸馏水，自制。

Speed SFE型超临界萃取装置，美国Applied Separations公司；GC-2010型气相色谱仪，日本岛津公司；RTX-5型色谱柱，美国Restek公司。

1.2 超临界CO2萃取方法

取17 g已干燥、粉碎的烟草装入50 mL萃取釜中进行静态萃取(夹带剂由高压泵输送至萃取釜)。溶解了萃取物的超临界CO2通过降压阀转变为常压气体，萃取物与CO2分离后由接收瓶接收，CO2气体经转子流量计计量后放空，取萃取产物进行气相色谱分析。

1.3 萃取效果评价

为评价超临界CO2萃取烟草精油的效果，从精油品质、精油提取率及新植二烯提取率三方面对萃取效果进行评价。

1.3.1 精油品质及提取率

精油的品质主要从精油的颜色、香味及夹带剂残留等方面进行评价。

精油提取率(mg·g-1)依式(1)计算：

(1)

1.3.2 新植二烯提取率

1)样品预处理

将萃取得到的精油充分溶解于二氯甲烷中，加少量无水Na2SO4干燥12 h，过滤后待分析。

2)气相色谱分析

色谱条件：RTX-5型毛细管柱(30 m×0.32 mm,0.25 μm)；进样口温度310 ℃；载气为氮气，流速30 mL·min-1；空气流量400 mL·min-1；氢气流量47 mL·min-1；柱头压79 kPa；检测器(FID)温度320 ℃；分流比10∶1；进样量1 μL；程序升温：45 ℃保持2 min，以30 ℃·min-1升温至135 ℃，再以15 ℃·min-1升温至220 ℃并保持1 min，再以1 ℃·min-1升温至226 ℃，保持1 min，再以20 ℃·min-1升温至300 ℃并保持30 min。

烟草精油的气相色谱如图1所示。可以看出，新植二烯的出峰时间约在18.45 min。

图1 精油气相色谱

3)新植二烯提取率的计算

新植二烯提取率(mg·g-1)依式(2)、式(3)计算：

(2)

(3)

式中：c新植二烯为新植二烯的质量分数；A新植二烯为新植二烯的气相色谱峰面积，无因次；Ai为扣除溶剂峰后各个组分的气相色谱峰面积，无因次；n为组分数。

2 结果与讨论

2.1 夹带剂乙醇体积分数对萃取效果的影响

保持萃取压力为25 MPa、萃取温度为45 ℃、CO2流量为2.0 L·min-1、萃取时间为2.0 h，以不同体积分数的乙醇为夹带剂进行萃取，结果如图2所示。

图2 乙醇体积分数对精油提取率和新植二烯提取率的影响

实验表明：以水和无水乙醇作为夹带剂时萃取所得的精油色泽棕黄、浑浊，品质较差；采用6%、50%、94%的乙醇溶液作为夹带剂时，精油色泽金黄、清亮，品质较好。由图2可知，当乙醇体积分数为94%时，精油和新植二烯的提取率均达到最大。这是因为，烟草中的挥发性物质多为弱极性成分，通过改变乙醇和水的比例能调节夹带剂的极性，进而调节整个萃取体系的极性，使之更接近于被萃取的产物，水的比例过大或过小均不利于萃取。综合考虑精油和新植二烯的提取效果，选择体积分数为94%的乙醇作为夹带剂较为合适，同时也有利于后续萃取物的处理[15]。

2.2 夹带剂流量对萃取效果的影响

保持萃取压力为25 MPa、萃取温度为45 ℃、CO2流量为2.0 L·min-1、萃取时间为2.0 h，以不同流量的94%乙醇为夹带剂进行萃取，结果如图3所示。

图3 夹带剂流量对精油提取率和新植二烯提取率的影响

实验表明：夹带剂流量较小时，萃取所得的精油品质较好，当流量大于0.03 mL·min-1时萃取精油中杂质逐渐增多，有夹带剂残留，精油品质变差。由图3可知，精油提取率随着夹带剂流量的增大而增大;新植二烯提取率则呈现先增大后减小的趋势，在夹带剂流量为0.04 mL·min-1时最大。这是因为，夹带剂的流量会影响萃取溶剂的极性，流量增大时，夹带剂在CO2溶剂中的比例增大，萃取溶剂的极性增大，其对产品的溶解能力提高，但是流量过大，导致萃取溶剂极性过大，会将一些杂质提取出来，影响精油的品质，反而不利于新植二烯的提取。因此，选择夹带剂的流量以0.02～0.04 mL·min-1为宜。

2.3 萃取压力对萃取效果的影响

保持萃取温度为45 ℃、CO2流量为2.0 L·min-1、萃取时间为2.0 h、94%乙醇作夹带剂、夹带剂流量为0.02 mL·min-1，在不同萃取压力下进行萃取，结果如图4所示。

图4 萃取压力对精油提取率和新植二烯提取率的影响

由图4可知，当萃取压力由15 MPa增大至20 MPa时精油的提取率显著增大，超过20 MPa后增幅趋缓。且实验中当萃取压力超过30 MPa时精油由金黄色变为棕黄，黏稠度增加。这是因为，萃取压力增大时，CO2的密度增大，对溶质溶解能力提高，因此萃取能力增强，但压力过大会使树脂类物质溶出从而影响精油品质。新植二烯提取率则随着萃取压力的增大呈现先增大后减小的趋势，在25 MPa时最大，这可能是压力过大会导致CO2分子、水分子和乙醇分子之间发生复杂的作用从而使溶剂对新植二烯溶解度降低造成的。因此，选择萃取压力以25 MPa为宜。

2.4 萃取温度对萃取效果的影响

保持萃取压力为25 MPa、CO2流量为2.0 L·min-1、萃取时间为2.0 h、94%乙醇作夹带剂、夹带剂流量为0.02 mL·min-1，分别在不同温度下进行萃取，结果如图5所示。

由图5可知，当萃取温度低于45 ℃时，精油和新植二烯的提取率都随萃取温度的升高显著增大，当萃取温度高于45 ℃时两者都逐渐减小，但前者变化较为平缓、后者变化较大。实验中65 ℃时萃取的精油呈淡黄色。这是因为，对于超临界萃取过程，温度升高一方

图5 萃取温度对精油提取率和新植二烯提取率的影响

面使溶质扩散速度加快，有利于提取；另一方面使CO2的密度减小，对溶质的溶解能力降低，不利于提取；且温度过高会使精油挥发较快，对某些易分解的致香成分也不利。综合考虑，选择提取温度以45 ℃为宜。

2.5 CO2流量对萃取效果的影响

保持萃取压力为25 MPa、萃取温度为45 ℃、萃取时间为2.0 h、94%乙醇作夹带剂、夹带剂流量为0.02 mL·min-1，分别在不同CO2流量下进行萃取，结果如图6所示。

图6 CO2流量对精油提取率和新植二烯提取率的影响

由图6可知，当CO2流量在1.0～2.5 L·min-1范围内增大时精油和新植二烯的提取率增长非常缓慢；当CO2流量由2.5 L·min-1增大到3.0 L·min-1时，提取率陡增。实验中，当CO2流量超过2.5 L·min-1后提取物中出现夹带剂并逐渐增多，精油品质较差并给后处理带来困难。这可能是因为，CO2流量适当增大时，萃取溶剂与被萃取物的质量比上升，被萃取物易于向溶剂扩散，有利于萃取；但CO2流量过大会将夹带剂带出萃取釜，导致萃取物中夹带剂残留增多，精油品质变差。因此，选择CO2流量以2.0 L·min-1为宜。

2.6 萃取时间对萃取效果的影响

保持萃取压力为25 MPa、萃取温度为45 ℃、CO2流量为2.0 L·min-1、94%乙醇作夹带剂、夹带剂流量为0.02 mL·min-1，分别萃取不同时间，结果如图7所示。

图7 萃取时间对精油提取率和新植二烯提取率的影响

一般来说，延长萃取时间，能够使萃取进行得更充分更完全，但由图7可知，当萃取时间超过3.0 h后，精油和新植二烯的提取率增加并不显著。从经济角度考虑，选择萃取时间以3.0 h为宜。

2.7 超临界CO2萃取烟草精油的正交实验

为使萃取工艺更科学合理，在单因素实验的基础上以新植二烯提取率为考核指标，采用L9(34)正交实验考察萃取压力(A)、萃取温度(B)、夹带剂流量(C)及萃取时间(D)等主要因素对萃取效果的影响，以确定最佳工艺条件。各实验中均采用94%乙醇为夹带剂，并保持CO2流量为2.0 L·min-1，正交实验结果与分析见表1。

表1正交实验结果与分析

Tab.1Results and analysis of orthogonal experiment

由表1可知，各因素对萃取效果的影响大小依次为：萃取压力>萃取时间>夹带剂流量>萃取温度，即萃取压力对萃取效果的影响是最显著的。最佳工艺条件组合为A2B2C3D3，即超临界CO2流体萃取烟草精油的最佳条件为：萃取压力25 MPa，萃取温度50 ℃，以流量0.04 mL·min-1的94%乙醇为夹带剂，CO2流量2.0 L·min-1，萃取时间3.0 h。

2.8 验证实验

在正交实验优化的萃取条件下进行验证实验，结果见表2。

表2验证实验结果/(mg·g-1)

Tab.2Results of confirm experiment/(mg·g-1)

由表2可知，在正交实验确定的优化条件下，精油平均提取率为37.58 mg·g-1、新植二烯平均提取率为4.045 mg·g-1，精油金黄透亮，具有烟草特有的清香，夹带剂残留少，表明正交实验结果合理、可靠。

3 结论

通过单因素实验和正交实验确定超临界CO2萃取烟草精油的优化工艺条件为：以流量为0.04 mL·min-1的94%乙醇为夹带剂、萃取压力25 MPa、萃取温度 50 ℃、CO2流量2.0 L·min-1、萃取时间3.0 h，在此条件下精油提取率达37.58 mg·g-1、新植二烯提取率达4.045 mg·g-1，且精油金黄透亮，夹带剂残留少，具有烟草特有的清香，品质较好。此工艺兼顾了精油和新植二烯的提取率，无溶剂残留，可为烟草精油的进一步开发利用和工业化生产提供参考。

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