烟梗本香物质的超临界CO2萃取*

易聪华 冀唯妮 孔浩辉 周瑢

(1.华南理工大学 化学与化工学院， 广东 广州 510640； 2.广东中烟工业责任有限公司技术中心， 广东 广州 510385)

烟梗本香物质的超临界CO2萃取*

易聪华1冀唯妮1孔浩辉2周瑢2

(1.华南理工大学 化学与化工学院， 广东 广州 510640； 2.广东中烟工业责任有限公司技术中心， 广东 广州 510385)

为了实现烟梗的高值化利用，采用超临界CO2萃取法提取烟梗中的香味成分，制备具有烟草本香的浸膏.以烟草浸膏收率为指标，采用单因素试验及正交试验优化萃取工艺，用气相色谱-质谱法分析了所得烟草浸膏的成分.优化后的最佳工艺条件为：萃取温度60 ℃，萃取压力32 MPa，CO2流量24 L/h，萃取时间2.5 h，使用体积分数为85%的乙醇溶液为夹带剂，其在烟梗中的质量分数为20%，此条件下浸膏得率为1.70%；烟草浸膏的挥发物中共检测出27种成分，含有多种烟草中的关键致香物质，如β-二氢大马酮、巨豆三烯酮、西柏三烯醇、香叶基丙酮、新植二烯等.

烟梗；超临界CO2萃取；烟草本香；正交试验

烟梗是烟叶的粗硬叶脉，卷烟工业的副产物，约占烟叶总重的25%～30%，全国每年产生的烟梗有数百万吨.目前烟梗主要用于制备烟草薄片[1- 2]、膨胀梗丝[3]、有机肥料[4]等.由于烟梗制成的烟草薄片及梗丝在燃吸时香气淡薄，杂气、木质气重，刺激性大，在卷烟中的掺量十分有限，到目前为止，烟梗的利用率只有40%，每年仍有数十万吨烟梗被废弃，不能用于卷烟生产[5].由于烟梗废弃物中含有烟碱等有毒化合物，不能与普通垃圾共同处理，烟梗废弃物的不当处理既会造成环境污染也会造成资源的极大浪费.另一方面，烟梗具有与烟叶相近的化学成分，由烟梗制备出的烟草精油具有烟草的多种关键致香物质，回涂至烟草薄片上可以透发出烟草本香，掩盖烟草薄片的杂气及木质气息，其烟草本香是其他外加单一香味的烟用香精不能替代的，因此可为废弃烟梗的高值化利用开辟一条新路径.

据文献报道，烟叶中香味物质的提取方法有水蒸气蒸馏法[6- 8]和溶剂提取法[9- 10]，前者加热温度高，会使部分热敏性香味物质随水蒸气蒸发，造成精油香气不够逼真；后者将烟叶中的树脂、蜡质等也同时提出[11]，致使精油含杂质较多，掩盖主要致香成分，必须进行进一步精制[12- 14].

超临界CO2萃取法可在常温下进行，并且CO2无毒、无残留，具有萃取温度低、溶剂价廉易得、绿色环保等特点，尤其适于不稳定及热敏性天然产物的萃取[15].目前超临界CO2萃取法已广泛应用于各类植物精油的提取[16- 19]，所得精油香气逼真，热变性物质少，且生物功能性好，具有很高的经济价值.目前采用超临界CO2萃取烟梗中的烟草本香物质鲜有报道.文中以废弃烟梗为原料，以烟草浸膏收率为指标，优化超临界CO2萃取法制备烟草浸膏的工艺，对所得烟草精油进行GC-MS分析，采用内标法对香味物质定性、定量，旨在为今后的规模化生产提供基础数据.

1 实验

1.1 实验材料、试剂和仪器

烟梗样品由广东中烟工业有限责任公司技术中心提供；无水乙醇、丙酮，分析纯，广州化学试剂厂生产；乙酸苯乙酯，分析纯，TCI试剂公司生产；CO2气体(纯度99.5%)，广州卓正气体有限公司生产；SFE221- 50- 06型超临界CO2萃取装置，南通华兴石油仪器有限公司与华南理工大学联合研制；QP-2010型气-质联用分析仪，日本岛津公司生产.

1.2 实验方法

1.2.1 烟梗的超临界CO2萃取

烟梗50 ℃烘干后粉碎，过40目筛.称取一定质量的乙醇溶液作为夹带剂与烟梗粉末混合均匀，保存于密封袋中静置一夜.将烟梗粉末装入超临界CO2萃取釜中进行静态超临界CO2萃取.萃取物在50 ℃下减压蒸馏至近干并于真空干燥箱中干燥至恒重，所得物即为烟草浸膏，称取其质量.萃取率按式(1)进行计算：

(1)

1.2.2 单因素试验

影响超临界CO2法萃取烟梗得率的因素主要有：萃取压力、温度、时间、CO2流量、夹带剂体积分数及在烟梗中的质量分数，选择以上6个因素进行单因素试验，以浸膏萃取率为考核指标，以确定各因素的较优范围.

1.2.3 正交试验

在单因素试验的基础上，对超临界CO2萃取烟梗的工艺进行L9(34)正交试验.考查萃取温度(A)、萃取压力(B)、CO2流量(C)、萃取时间(D)4个因素对浸膏萃取率的影响程度.其中各实验均采用85%(体积分数，下同)的乙醇溶液为夹带剂，其在烟梗中的质量分数为20%.因素水平设计见表1.

表1 L9(34)正交试验因素水平表Table 1 Factors and levels of L9(34) orthogonal experiment

1.2.4 烟草浸膏的GC-MS分析

(1)样品预处理

准确称量烟草浸膏0.1 g，用2 mL丙酮将其溶解，加入20 μL(质量浓度为20 g/L)内标物乙酸苯乙酯，经0.45 μm微孔滤膜过滤，以备GC-MS检测.

(2)GC-MS分析

色谱条件：DB-5型毛细管柱(30 m×0.25 mm×0.25 μm)；进样口温度：260 ℃；载气：He；流速：0.96 mL/min；恒压模式：50 kPa；升温程序：50 ℃保持3 min，10 ℃/min 升至180 ℃，保持20 min，5 ℃/min升至260 ℃，保持2 min；进样量：1 μL；分流比为10∶1；传输线温度：280 ℃；电离方式：EI；电离能量：70 eV；离子源温度：200 ℃；扫描范围：35～600 amu；溶剂延迟：3 min.

所得图谱经计算机谱库(NIST14)检索，确定挥发性成分，并采用内标法对其进行定量计算，假设相对校正因子(相对于内标物)为1，香味物质相对质量(mg/g)按式(2)进行计算：

(2)

2 结果与讨论

2.1 单因素试验结果

2.1.1 萃取时间对萃取率的影响

取萃取压力为30 MPa，CO2流量为20 L/h，以60%的乙醇溶液作为夹带剂，其在烟梗中的质量分数为20%，萃取温度50 ℃，考察萃取时间对浸膏得率的影响，结果见图1.

图1 萃取时间对萃取率的影响Fig.1 Effect of extraction time on extraction rate

从图1可看出：由于开始时CO2与原料未完全接触，萃取率较低；随着时间的延长，萃取更加充分，浸膏得率逐渐增大；3.0 h之后，浸膏得率增加缓慢，萃取效果提高不明显.因此从经济角度考虑，选择最佳萃取时间为3.0 h.

2.1.2 夹带剂在烟梗中的质量分数对萃取率的影响

取萃取压力为30 MPa，CO2流量为20 L/h，以60%的乙醇溶液作为夹带剂，萃取温度50 ℃，萃取时间3.0 h，考察夹带剂在烟梗中的质量分数对浸膏得率的影响，结果见图2.

图2 夹带剂在烟梗中的质量分数对萃取率的影响

Fig.2 Effect of entrainer’s mass fraction in tobacco stem on extraction rate

适当加入夹带剂可改变CO2流体的极性，同时与溶质分子间形成范德华作用力或氢键等分子间作用力，从而提高萃取效率[20].如图2所示，当夹带剂在烟梗中的质量分数增大时，大大增加了溶质在气相中的溶解度，提高了溶质溶解度对温度、压力的敏感程度，萃取率增大；当夹带剂与萃取溶剂的比例过大时会使CO2的密度降低，溶解度减小，导致萃取率略微下降.因此，选择夹带剂在烟梗中质量分数为20%.

2.1.3 夹带剂体积分数对萃取率的影响

取萃取压力为30 MPa，CO2流量为20 L/h，夹带剂在烟梗中质量分数为20%，萃取温度为50 ℃，萃取时间为3.0 h，考察夹带剂体积分数对浸膏得率的影响，结果见图3.

图3 夹带剂体积分数对萃取率的影响Fig.3 Effect of entrainer’s volume fraction on extraction rate

不同的夹带剂体积分数可以改变夹带剂的极性，由于烟梗中的致香成分大多为极性化合物，因此可调整乙醇和水的比例，以达到与烟梗中致香成分极性最为接近的效果.实验证明，纯水和无水乙醇作为夹带剂时，浸膏得率低且浑浊，品质不佳.由图3可知，随着乙醇体积分数的增加，浸膏得率呈现先增加后减小的趋势，在乙醇体积分数为85%时最大，且此时浸膏烟草本香充足.因此选择85%的乙醇溶液作为夹带剂.

2.1.4 萃取压力对萃取率的影响

取CO2流量为20 L/h，夹带剂为85%的乙醇溶液，其在烟梗中的质量分数为20%，萃取时间为3.0 h，萃取温度为50 ℃，考察萃取压力对浸膏得率的影响，结果见图4.

图4 萃取压力对萃取率的影响Fig.4 Effect of extraction pressure on extraction rate

萃取压力是影响浸膏得率的重要参数之一.如图4所示，随着压力的增大，萃取率先增大后减小.适当增加压力可使CO2的溶解性显著增强，从而提高萃取率.当压力大于32 MPa时，萃取率不升反降，原因在于：高压下CO2密度较大，可压缩性较小，增加压力对溶质的溶解度影响很小；在一定温度下，扩散系数与压力成反比，增加压力使扩散系数减小而不利于萃取[21]；同时，压力过高会使原料粉末结块，阻碍传质的进行，从而使萃取率下降.因此，选择萃取压力为32 MPa.

2.1.5 CO2流量对萃取率的影响

取萃取压力为30 MPa，夹带剂选择85%的乙醇溶液，其在烟梗中质量分数为20%，萃取时间为3.0 h，萃取温度为50 ℃，考察CO2流量对浸膏得率的影响，结果见图5.

CO2流量增大时，萃取溶剂与被萃取物的质量比增大，有利于被萃取物向溶剂扩散，使萃取率升高.但CO2流量过大时，由于流速过快，CO2与物料接触不够充分，导致浸膏得率上升缓慢，因此选择CO2流量为24 L/h.

图5 CO2流量对萃取率的影响Fig.5 Effect of CO2 flow rate on extraction rate

2.1.6 温度对萃取率的影响

取萃取压力为30 MPa，夹带剂为85%的乙醇溶液，其在烟梗中质量分数为20%，萃取时间为3.0 h，CO2流量为20 L/h，考察萃取温度对浸膏得率的影响，结果见图6.

图6 温度对萃取率的影响Fig.6 Effect of temperature on extraction rate

超临界流体的溶解能力与其密度有关，密度越大，其溶解能力越强，越利于萃取.密度是关于温度和压力的函数，适宜改变温度和压力会导致超临界流体密度的显著变化.从图6可知，随着温度的升高，浸膏的得率先增大后减小，在60 ℃时浸膏得率最大.这是因为在超临界萃取过程中，萃取温度取决于升温所增加的扩散系数与所降低的CO2密度两种效应竞争的结果[22]，温度升高一方面使溶质扩散速度加快，有利于提取，另一方面会使CO2对溶质的溶解能力降低，不利于提取；同时温度过高会使浸膏挥发较快，热敏香味成分分解，对其品质产生负面影响.因此，萃取温度选择为60 ℃.

2.2 超临界CO2萃取烟梗的正交试验

超临界CO2萃取烟梗正交试验结果如表2所示.

根据正交试验结果，分别对有关数据进行极差、方差分析，结果表明(见表2)：各因素对烟梗萃取率的影响程度为A>B>C>D，温度对萃取率的影响最大，萃取压力和CO2流量对萃取率的影响相对较小，萃取时间对萃取率的影响最小.根据正交试验结果，最佳萃取工艺应定为A2B3C3D3.

表2 正交试验结果Table 2 Results of orthogonal experiment

2.3 验证试验

由表2可知，时间对烟梗萃取率的影响较小，考虑到工艺的经济性，将A2B3C3D3和A2B3C3D2分别进行验证试验，每个条件进行3组平行试验，取平均值，以进一步确定萃取工艺条件，结果见表3.

表3 验证试验结果Table 3 Results of verification tests

由表3中可得，在其他最优条件下，3.0 h与2.5 h下萃取率相差不大，仅增长2.31%，综合考虑工业化生产效率与成本，最终将最佳萃取工艺定为A2B3C3D2，即温度为60 ℃，压力为32 MPa，CO2流量为24 L/h，时间为2.5 h，使用85%的乙醇溶液为夹带剂，夹带剂在烟梗中质量分数为20%.同时可看出该工艺的重现性较好，符合工业生产要求.

2.4 烟草浸膏的GC-MS分析结果

烟草浸膏的总离子流色谱图及挥发性成分见图7和表4.

烟草浸膏的挥发物中共鉴定出27种成分，包括7种有机酸、6种酯类、5种酮类、7种萜类、1种杂环类及烟碱.其中，萜类及醛酮类化合物均为烟草中的重要致香物质，如巨豆三烯酮、β-二氢大马酮、香叶基丙酮、新植二烯、西柏三烯醇等；高级脂肪酸及其酯类可使烟气醇和，消除刺激性，如棕榈酸、棕榈酸甲酯等；杂环类化合物可为烟气增加烘烤香、焦糖香.

图7 烟草浸膏的总离子流色谱图Fig.7 Total ion chromatogram of tobacco essential oil

序号保留时间/min名称质量含量/(mg·g-1)18.45桉叶油醇0.1028.88泛酰内酯0.2839.352-乙酰基吡咯0.83411.302-茨酮0.18511.43羟基麦芽酚1.98611.962-茨醇0.17714.73苯乙酸1.64814.94乙酸龙脑酯0.58916.99烟碱45.311018.70石竹烯0.051119.35香叶基丙酮0.201220.28月桂酸0.691323.72β-二氢大马酮0.371424.04巨豆三烯酮0.501524.30橙花叔醇0.041627.93肉豆蔻酸0.361730.76新植二烯4.671832.16正十五酸0.671934.67法尼基丙酮0.332035.62棕榈酸甲酯0.942139.64棕榈酸39.742240.66棕榈酸乙酯1.072345.41西柏三烯醇5.272448.45硬脂酸甲酯0.122549.05亚油酸1.832649.47亚麻酸乙酯0.822749.73硬脂酸6.54

3 结论

(1)超临界CO2萃取法提取烟梗香味物质的最佳条件为：萃取温度60 ℃，萃取压力32 MPa，CO2流量24 L/h，萃取时间2.5 h，使用85%的乙醇溶液为夹带剂，其在烟梗中质量分数为20%，此条件下烟草浸膏的得率为1.70%.

(2)GC-MS结果表明，烟草浸膏含有烟草中的关键致香物质，如巨豆三烯酮、β-二氢大马酮、香叶基丙酮、新植二烯、西柏三烯醇等.

(3)超临界CO2萃取法制备烟草浸膏工艺稳定、可行、重现性良好，可以为今后的工业化生产提供一定参考.

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Supercritical CO2Fluid Extraction of Natural Flavor Components in Tobacco Stem

YI Cong-hua1JI Wei-ni1KONG Hao-hui2ZHOU Rong2

(1.School of Chemistry and Chemical Engineering, South China University of Technology, Guangzhou 510640, Guangdong, China; 2. Technology Center, China Tobacco Guangdong Industrial Co., Guangzhou 510385, Guangdong, China)

In order to implement the high-valued utilization of tobacco stem, supercritical CO2fluid extraction was conducted to extract the flavor components from waste tobacco stem and to prepare essential oil with natural tobacco flavors. Then, by taking the extraction yield as an evaluation index, single-factor and orthogonal experiments were respectively carried out to optimize the extraction process. Finally, the flavor components in the obtained extracts were analyzed by means of GC-MS. The results show that, under the optimal extraction conditions, that is, an extraction temperature of 60 ℃, an extraction pressure of 32 MPa, a CO2flow rate of 24 L/h, an extraction time of 2.5 h, when 85% ethanol solution with a mass fraction in tobacco stem of 20% is adopted as the entrainer, the extraction yield reaches 1.70%; and that many important flavor components are contained in the 27 kinds of identified components, such asβ-damascenone, megastigmatrienone,β-cembrenediol, geranyl acetone, neophytadiene, and so on.

tobacco stem; supercritical CO2fluid extraction; natural tobacco flavor; orthogonal experiment

2016- 07- 22

国家重点基础研究发展计划(973计划)项目(2012CB215302);广东中烟工业责任有限公司项目(粤烟工05XM-QK[2014]008) Foundation item: Supported by the National Program on Key Basic Research Project of China(973 Program)(2012CB215302)

易聪华(1979-)，女，博士，副教授，主要从事工业木质素的资源化利用研究.E-mail：chyi@scut.edu.cn

1000- 565X(2017)06- 0103- 06

TS 45

10.3969/j.issn.1000-565X.2017.06.016