分子蒸馏技术用于烟叶碎片超临界流体萃取物的精细分离

危　彬　丁朦朦　邹　鹏　葛少林　张　朝　盛六四　黄　兰*

(1.中国科学技术大学国家同步辐射实验室，合肥 230029；2.安徽中烟工业有限责任公司技术中心，合肥 230088)



研究与讨论

分子蒸馏技术用于烟叶碎片超临界流体萃取物的精细分离

危彬1丁朦朦1邹鹏2葛少林2张朝2盛六四1黄兰2*

(1.中国科学技术大学国家同步辐射实验室，合肥 230029；2.安徽中烟工业有限责任公司技术中心，合肥 230088)

为了较好地富集分离烟草中的特征香味物质，采用分子蒸馏技术对烟草萃取物进行分级分离，并用气相色谱-质谱法对各级馏分进行分析。通过改变温度和压力，设计两种分离方案，比较两种方案下分离效果。结果表明：通过分子蒸馏，致香物质的峰面积相对百分比含量均可显著提高，两种分离方案的四级馏分共鉴定出32种成分，其中低沸点化合物采用A方案效果较好，高沸点化合物采用B方案的效果较好。

分子蒸馏 烟草香味物质分级分离

烟叶碎片是烟叶在复烤、制丝等加工过程中产生的[1]，其中含有大马酮、茄酮、香叶基丙酮、金合欢基丙酮、西柏三烯二醇等重要致香成分[2]，这些成分是烤烟香味的主要来源[3]。利用烟叶碎片为原料提取制备烟用香料对低焦油卷烟香气进行有效补偿，是近年来人们一直比较关注的问题，最早使用的是蒸馏法得到的产品，这类产品虽然能较好地弥补烟香，但较高的温度和使用溶剂会损害产品的总体品质[4]，超临界CO2萃取技术能够有效地解决因较高温度和使用溶剂而带来的一些问题,有关超临界流体萃取烟草的应用实例很多[5],但是烟草成分复杂,不同组分的萃取工艺条件亦不同,选择合适的萃取工艺条件,与其他先进分析仪器联用以提高目标组分的萃取效率和选择性是本实验研究的重点。

分子蒸馏技术是国际上一种新型的精细分离技术，它是运用不同物质分子运动自由程的差别来实现物质的分离，因而能够实现远离沸点下的操作。鉴于其在高真空下运行，且因其特殊的结构型式，因而它又具备蒸馏压强低、受热时间短、分离程度高等特点，能大大降低高沸点物料的分离成本，极好地保护热敏性物质的品质。该技术目前已经广泛应用于高纯物质的提取，它可摆脱化学处理方法的束缚，真正保持了纯天然的特性，所以特别适用于天然物质的提取与分离[ 6-8]，在国际上已被广泛应用于食品、医药、香料等工业中。分子蒸馏技术在烟草方面也有一些应用，2001 年孔宁川[ 9]等用分子蒸馏对烟草浸膏进行处理制得烟草净油及富集茄尼醇。2003年唐自文[ 10]等采用体积分数95%的乙醇、工业无水丙酮、无水乙醚等溶剂溶解烟草萃取物后经分子蒸馏分离，考察以上溶剂对烟草提取物的选择性。2004年Masahiro . Chida[ 11]等将烟叶萃取物利用分子蒸馏设备处理, 蒸馏出低沸点的醇类、酮类后, 剩余物经GC-MS 分析出60 种烟草芳香成分。2009年高旭[12]等利用分子蒸馏技术富集分离烟叶碎片中的致香物质形成香料，加入卷烟来改善烟气质量。2009年杨靖[13]等利用分子蒸馏技术富集云烟中的香味物质。2010年熊国玺[14]等采用超临界CO2萃取与分子蒸馏联用技术来提取烟草香味物质。2010年王萍[15]等采用分子蒸馏技术对溶剂法制备的香料烟浸膏进行了分离。2013年宋红平[16]等采用分子蒸馏技术来分离薄片浓缩液中的致香成分。关于分子蒸馏富集烟草萃取物的文献很多，但大都是对分子蒸馏的温度、物料流速和转子/刮膜转速进行选择优化得到最佳的分离条件，关于分子蒸馏的温度和压力对萃取物分步分离的影响，目前文献还没有报道过。本实验以湖南郴州烟叶碎片为原料，采用固定蒸馏温度逐步降低蒸馏压力(a方案)和固定蒸馏压力逐步提高蒸馏温度(b方案)两种方案，利用分子蒸馏技术对烟草碎片超临界萃取物进行分步分离富集，并采用GC-MS对富集后产物进行分析，考察两种方案下萃取物的分离效果。

1　实验材料和方法

1.1材料和仪器

湖南郴州B2F烟叶碎片；二氯甲烷(色谱纯，TEDIA Company, Inc.公司)；无水乙醇(食用级)；无水硫酸钠(分析纯，国药集团化学试剂有限公司)；蒸馏水；高纯氦气。

SFE-2型超临界萃取仪(美国ASI公司)；HP7890GC-5975MS气相色谱-质谱联用仪(美国Agilent公司)，配备NIST2008谱库和MSDCHEM化学工作站；分子蒸馏设备(德国VTA公司)；JMF-320G多级闪蒸器(河南金鼐科技发展有限公司)；SHZ-Ⅲ型循环水真空泵(上海亚荣生化仪器厂)；电子分析天平 (感量 0.0001g, Mettler Toledo公司，AL204-2C )。

1.2方法

1.2.1烟草萃取物的制备

称取0.5 kg郴州B2F烟叶装入1 L萃取釜中，在温度60 ℃，压力250 MPa，CO2流量为5 mL/min，夹带剂(乙醇)流量为0.2 mL/min条件下萃取2 h，超临界CO2流体粗提物用乙醇溶解，依次进行除蜡质和溶剂后用于分子蒸馏。

1.2.2分子蒸馏分离工艺

鉴于文献已对分子蒸馏的物料流速和刮膜转速进行了研究，实验直接采用文献中通常采用的转速250转/min，物料流速70 mL/h，重点考察蒸馏压力和蒸馏温度两个因素，分子蒸馏分离郴州B2F烟叶SFE萃取物的工艺流程见图1。

利用分子蒸馏设备在蒸馏压力10 kPa(100 mbar)，温度90 ℃条件下，首先蒸出溶剂及一些容易挥发的轻组分；再将蒸余物分别按照表实验方案A和方案B条件依次进行分级蒸馏，分别收集各不同蒸馏条件下的馏出物和蒸余物组分进行分析和评价。

1.2.3香味物质分析

分别准确称取各馏出物0.2 g于三角瓶中，精确到0.0001 g，加入1.2028 mg/mL的乙酸苯乙酯内标0.25 mL，加入5 mL二氯甲烷混合均匀后进行GC-MS测定。

MS条件：质谱检测器；传输线温度280 ℃；离子源温度230 ℃；四极杆温度：150 ℃；电离源EI；电离能70 ev；质量数范围35～550 amu；质谱扫描方式：全扫描 (SCAN)；溶剂延迟：3.5 min；使用NIST谱库进行检索，并结合标准质谱图和有关文献，确定香气物质，用色谱峰面积归一化法定量计算得到各香味物质在原料中的相对百分含量。

2　结果与讨论

2.1香味物质的GC-MS分析

按上述GC-MS条件对超临界萃取物和分子蒸馏各级馏出物进行分析鉴定，使用NIST谱库进行检索，结合标准质谱图和有关文献，确定香味物质，并用色谱峰面积归一化法定量计算得各香味物质在烟草原料中的相对百分比含量，分析出32种主要物质见表1。

其中酯类10种：包括二氢猕猴桃内酯、十六酸甲酯等；酮类14 种，包括茄酮、β-大马酮、β-二氢大马酮、香叶基丙酮等；醇类4种，包括苯乙醇、3-氧代-α-紫罗兰醇和西柏三烯二醇；烃类1种，为新植二烯；醌类1种，为2,3,6-三甲基-1,4-萘醌；氮杂环类2 种，包括烟碱和2,3'-联吡。

表1　分子蒸馏馏出物的化学成分

2.2分子蒸馏得率

计算两种方案条件下分子蒸馏的得率见图2，计算公式见式(1)。

(1)

其中：得到轻组分总含量是指计算点之前所有级别分馏时得到的轻组分总量，单位g；投入样品量是指进行分子蒸馏实验时的初始投入样品量，单位g。

由图2可见，经过分级蒸馏，B方案的总得率比A方案总得率上升的快，总体上B方案分级蒸馏后的总得率均比A方案要高，A方案经过第二级蒸馏后总得率显著增加，B方案经过第三、第四级蒸馏后总得率显著增加，说明低沸点化合物受蒸馏压力影响较大，高沸点化合物受蒸馏温度的影响较大。

2.3蒸馏压力对分离结果的影响

将实验室得到的数据进行汇总后得到不同蒸馏压力条件下各轻组分峰面积相对百分比含量见表2。

表2不同蒸馏压力条件下各轻组分峰面积相对百分比含量

续表2

注：“-”表示未检出，下同。

从表2可以看出：① 经过分子蒸馏后，原样中未检出的一些成分在轻组分a1、a2中出现，可能是它们在原样中含量较低，而通过分子蒸馏技术得到富集并通过GC-MS检出，主要有苯乙醇、β-大马酮、β-二氢大马酮、β-紫罗兰酮等；② 分子蒸馏处理过的样品与原样相比，各香味物质的相对含量均有较大的提高，其中烟碱、 茄酮、二氢猕猴桃内酯、西伯三烯二醇等相对含量提高10倍以上，新植二烯含量提高30倍以上；③经过分子蒸馏，轻组分a1中主要富集了保留时间较短的部分，有烟碱、茄酮、香叶基丙酮、β-紫罗兰酮、二氢猕猴桃内酯、巨豆三烯酮等对香气贡献较大且香型表现突出的物质成分，轻组分a2中主要富集了保留时间适中的部分，主要是3-氧代-a-紫罗兰醇、法尼基丙酮、十六酸甲酯和十六酸乙酯等物质；轻组分a3中主要富集了保留时间较长的部分，有亚油酸乙酯、油酸乙酯、十八酸乙酯；轻组分a4中主要是高沸点的西柏三烯二醇。

2.4蒸馏温度对分离结果的影响

表3列出了不同蒸馏温度条件下各轻组分峰面积相对百分比含量结果。

表3　不同蒸馏温度条件下各轻组分峰面积相对百分比含量

续表3

从表3可以看出：① 经过分子蒸馏后，原样中未检出的一些成分在轻组分b1、b2中出现，可能是在原样中含量较小，而通过分子蒸馏技术得到富集并通过GC-MS检出，主要有苯乙醇、β-大马酮、β-二氢大马酮、β-紫罗兰酮等；② 分子蒸馏处理过的样品与原样相比，各香味物质的相对含量均有较大的提高，其中烟碱、二氢猕猴桃内酯、香叶基丙酮、巨豆三烯酮、新植二烯、西柏三烯二醇等相对含量提高15倍以上；③经过分子蒸馏，轻组分b1中主要富集了沸点相对较低的部分，有烟碱、茄酮、香叶基丙酮、二氢猕猴桃内酯、巨豆三烯酮等对香气贡献较大且香型表现突出的物质成分，轻组分b2中主要富集了沸点相对较高的部分，主要是3-氧代-α-紫罗兰醇、法尼基丙酮、十六酸甲酯和十六酸乙酯、亚油酸甲酯等物质；轻组分b3中主要富集了高沸点的物质，有西柏三烯二醇、亚油酸乙酯、油酸乙酯、十八酸乙酯；轻组分b4中主要是高沸点的西柏三烯二醇。

2.5两种方案分离结果的比较

A与B两种实验方案结果相比：① A方案的4个轻组分与B方案的4个轻组分所含有的化合物种类基本相同；② 对于沸点相对较低的香味物质而言，采用A方案所分离的总含量要高于B方案，这部分主要是茄酮、香叶基丙酮、巨豆三烯酮、3-羟基-β-二氢大马酮、新植二烯等一些重要的致香物质，而对于沸点较高的香味物质而言，采用B方案所分离的总含量要高于A方案，这部分主要是十六酸甲酯、十六酸乙酯、西伯三烯二醇等，说明对于沸点较高的香味物质，蒸馏温度影响更大，而对于低沸点的香味物质，蒸馏压力影响较大；③ 就两种方案分步分离的效果而言， 一些重要的香味物质经过三步基本可分离完全，茄酮、香叶基丙酮、巨豆三烯酮、法尼基丙酮和新植二烯主要在第一和第二级馏分中(图3、图4)，西伯三烯二醇主要在第三和第四级馏分中(图5)，高沸点的酯类主要分布在第二和第三级馏分中(图6)，因此，可以针对要分离的化合物种类来选择最合适的分离条件。

2.6结论

通过改变蒸馏压力(方案A)和蒸馏温度(方案B)两种方案分别实现了样品的有效分离，取得了较好的效果，经过分子蒸馏，茄酮、香叶基丙酮、二氢猕猴桃内酯、巨豆三烯酮、3-羟基-β-大马酮、3-氧代-α-紫罗兰醇和法尼基丙酮等一些重要香味物质的相对含量显著提高，同时还增加了β-大马酮和β-紫罗兰酮等一些重要的香味物质。A和B两种方案分离结果相比，A方案对低沸点香味物质分离效果较好，B方案更适合于高沸点香味物质的分离，大部分香味物质经过三步分离基本可实现完全分离，香味物质在各级馏分中的分布情况，为选择最佳条件实现化合物的有效分离提供了重要的参考依据。

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Application of molecular distillation on separation of flavor components from tobacco extract.

Wei Bin1, Ding Mengmeng1, Zou Peng2, Ge Shaolin2, Zhang Zhao2, Sheng Liusi1, Huang Lan2*

(1.NationalSynchrotronRadiationLaboratory,UniversityofScienceandTechnologyofChina,Hefei230029,China；2.ResearchandDevelopmentCentre,ChinaTobaccoAnhuiIndustrialCo.,Ltd.,Hefei230088,China)

The main flavor components of tobacco extract were graded by molecular distillation technique and analyzed by GC-MS with area normalization. The influences of distillation temperature and pressure on flavor components were studied. The results showed that relative area mass content of aroma components can be significantly improved after molecular distillation, 32 components in 4 grades of distillate from two experiment programs were indentified. The experimental scheme A was better in separating low boiling point components, and the experimental scheme B was more appropriate for high boiling point components.

molecular distillation; tobacco; flavor components; grade

安徽中烟工业有限责任公司科技项目“烟草萃取物的分类分离与改性技术研究”(2014111)

危彬，女，1991年出生，硕士，主要从事气相色谱/质谱分析烟草化学成分的研究,E-mail:grabby@mail.ustc.edu.cn。

黄兰，女，1982年出生，硕士，工程师，主要从事气相色谱/质谱、全二维气相色谱飞行时间质谱等分析烟草化学成分及烟用添加剂的研究,E-mail:kdhl318@mail.ustc.edu.cn。

10.3936/j.issn.1001-232x.2016.02.012

2015-11-11