新型烟草制品用烟草香味物质提取与分离纯化技术研究进展

淡俊豪+齐绍武+黎娟+朱益+靳辉勇+梁仲哲

摘要：综述了烟草香味物质提取新技术，包括超临界CO2萃取、微波萃取、双水相萃取、超声波提取、酶法提取等，分离纯化技术包括分子蒸馏技术、膜分离技术、大孔吸附树脂分离法、高速逆流色谱法、分子印迹技术。通过多种提取分离方法的例举阐述了烟草制品用烟草香味物质的研究现状，并对烟草香味物质提取与分离纯化技术的发展前景进行了展望。

关键词：新型烟草制品；烟草香味物质；提取；分离纯化

中图分类号：S572文献标识号：A文章编号：1001-4942（2017）11-0151-06

Research Progress of Extraction， Separation and Purification Techniques

about Tobacco Fragrance Compounds Used in New Tobacco Products

Dan Junhao1， Qi Shaowu1，2， Li Juan1， Zhu Yi1， Jin Huiyong1， Liang Zhongzhe1

（1. College of Agronomy，Hunan Agricultural University，Changsha 410128， China；

2. Hunan Hybrid Rice Research Center，Changsha 410128， China）

AbstractThe extraction， separation and purification techniques of tobacco fragrance compounds were reviewed. The extraction techniques included supercritical CO2 extraction， microwave extraction， aqueous two-phase extraction， supersonic extraction， enzyme extraction and so on. The separation and purification techniques included molecular distillation technique， membrane separation technique， large hole adsorption resin separation method， high-speed countercurrent chromatography and molecular imprinting technique. The research status of tobacco fragrance compounds used in new tobacco products were elaborated. The development prospects of extraction， separation and purification techniques about tobacco fragrance compounds were put forward.

KeywordsNew tobacco products； Tobacco fragrance compound； Extraction； Separation and purification

煙草中的致香成分，一般认为精油、树脂、蜡和类黑素等都包含。烟草的腺毛是烟草香味物质的重要来源，并且可以用有机溶剂提取这些物质。烟草香气是衡量烟草内在质量的重要指标。烟叶香气成分复杂，按不同致香基团分类，一般可分为酸类、醇类、酮类、醛类、酯类、内酯类、酚类、氮杂环类、呋喃类、酰胺类、醚类及烃类[1]。烟叶香气物质除包括分子结构简单的挥发性香气成分外，还包括分子结构较复杂的香气前体物。烟草有机酸、酚类、类脂、甾醇类和萜类化合物，不仅本身对烟草香味有重要影响，而且它们的转化、降解产物也多是致香物质，杂环类化合物大多是由相关物质转化而来，是一类特殊致香物质。由于烟草香味物质种类繁多，则烟草的香味成分需要多级分离提纯。一些分离技术如依靠平衡分离的蒸馏、萃取、层析、吸附、结晶、离子交换等；依靠速率分离的分子蒸馏、超滤、电渗析、反渗透等；这些作为常规的分离技术时间较长，应用较广，而现在发展起来的提取分离新技术，如酶法提取技术、膜分离技术、分子印迹技术等，在特定选择性、分离得率、降耗和环保方面具有明显优势，表现出极大的应用前景。

近年来，传统烟草制品由于一定程度影响人类健康，随着世界控烟力度的加强，以及一系列控烟政策的出台，烟草制品结构将朝着多元化的方向发展。新型烟草制品主要分为电子烟、低温卷烟、无烟气烟草制品等[2]。电子烟，它是通过电子加热手段向呼吸系统传送尼古丁的电子装置。相对于传统卷烟，添加到电子烟中的尼古丁含量可控，可通过逐渐减少其添加量来使吸烟者摆脱对香烟的依赖达到戒烟的目的。低温卷烟是利用特殊热源对烟丝进行加热，在低于500℃的温度下烘烤出烟草中的尼古丁和香味物质，不仅能满足消费者需求，又能降低烟气中的有害成分。无烟气烟草制品是指未经过燃烧过程并通过口腔或鼻腔吸食消费的烟草制品，可分为鼻烟、嚼烟、口含烟等。目前，我国新型烟草制品处于初级阶段，且烟草香味物质的提取分离技术还在摸索效仿阶段，本文通过综述这些提取分离新技术，以期能对提高烟草质量、发展新型烟草制品提供技术参考。这方面技术的突破将能使我国的“中式”新型烟草制品在国际市场具有较大的竞争力。

1提取新技术

1.1超临界CO2萃取技术

超临界萃取技术是以CO2为萃取剂对原料进行萃取的一种提取分离技术。它的工作原理是利用超临界流体独特的溶解能力，将超临界流体调节到临界温度和临界压力，当恢复到常温常压条件时，溶解在超临界流体的目标提取物从超临界流体中分离出来，达到有针对性地分离提取原料的目的。超临界CO2萃取具有工艺简单、安全性高、有机溶剂无残留、有效成分不易被破坏、选择性好、萃取率高、萃取周期短等优点。该技术在烟草方面的应用主要是烟草脱烟碱、提取香味成分、烟草分析等方面。

王宏发等[3]采用超临界萃取烟草中的烟碱，结果表明在烟草样品中加入质量分数4.0%～4.5%的水，超临界CO2中以质量分数5%～10%的甲醇作为夹带剂，在60℃下加压到350× 101.325 kPa，萃取30 min，能提取出85%～97%的烟碱量，并且分离简单、省时、省溶剂。有研究表明，利用超临界CO2装置能将烟草样品中的尼古丁含量降到5%，并对烟草吃味无实质性影响[4]。熊国玺等[5]采用超临界CO2流体萃取技术提取烟草香味物质，以萃取出烟草中香味物质香气质与得率为指标，探索出烟草中香味物质超临界CO2萃取的最佳工艺条件。高勇等[6]将超临界CO2萃取技术应用于烟草香味组分的提取，结果表明该技术不仅去除了烟草类植物中的树脂和蜡等杂质，而且还避免了溶剂污染的影响，保证了烟草净油的天然性和安全性。

1.2微波萃取技术

微波萃取技术是利用电磁波频率300～3×105 MHz时所释放的能量来萃取原料的一种选择性较高的提取技术。由于在外加电场下介质分子会发生极化，将其在电磁场中吸收的能量转化为热能[7]。不同结构物质对微波的吸收能力不同，所以介质中不同组分吸收与释放热量的程度有别。微波萃取技术的原理是利用不同组分对微波能吸收的程度不同，对组分选择性加热，使目标产物从体系中分离出来，进入到对微波吸收相对较差的萃取剂中，从而选择性溶出。此方法的优点是产率大、选择性高、价格低廉、操作简单、对溶剂消耗较少、加热效率高、对环境污染小等。王美兰等[8]采用微波萃取技术提取废次烟叶中的烟碱，在优化后的工艺条件下，烟碱得率为90.8%。杨铃[9]以藤茶中的二氢杨梅素为研究对象，以萃取物的得率为指标，通过正交试验探索出微波萃取二氢杨梅素的最佳工艺技术，且在此工艺参数下藤茶中的二氢杨梅素的得率高达27.33%，萃取效率较传统提取法提高50%。

1.3双水相萃取技术

双水相萃取技术是利用组分在两相间的分配系数不同对待分离物进行提取分离的方法。该技术是一种新型液液分离技术，由于物质进入双水相体系后，在两相中的浓度不同，从而达到分离的目的，适用于活性生物大分子的分离。它的优势在于操作条件温和、分离时间短、无溶剂残留、能耗低、易于放大和操作等，目前应用于生物工程、发酵工程、药物等领域[10]。

有研究表明，以聚乙二醇/盐为双水相体系，萃取废次烟叶中的烟碱，提取烟叶得率为99.87%[11]。齐清华等[12]将双水相萃取技术应用到分离螺旋藻粗提液中的藻蓝蛋白和多糖中，以PEG 2000-硫酸镁为双水相体系，上相萃取出藻蓝蛋白，萃取率为93.9%，下相萃取糖类，萃取率为59.58%。有研究表明，以乙醇/磷酸氢二钾为双水相萃取体系，利用双水相技术萃取茶叶中茶多酚，其中茶多酚萃取率高达92.1%[13]。

1.4超声波提取技术

超声波提取技术是利用超声波（频率﹥20 kHz）具有的机械效应、空化效应及热效应，通过增大介质分子的运动速度和频率，增加介质的穿透力，从而提高药物有效成分的溶出度。它的工作原理是超聲波使介质质点在传播空间内产生振动，从而强化溶质扩散与传递；超声波使介质内部溶解的微气泡增大，形成共振腔，然后瞬间闭合产生空化效应；介质吸收超声波声能部分转化为热能，介质内部温度升高，从而促使有效成分的溶解。超声波提取技术会对植物细胞进行破坏，使细胞中的有效成分溶于溶剂中。与传统提取方法相比，它的优势在于提取效率高、用时短、提取温度低、简单易行、药液杂质少、适用面广。

瞿永生等[14]在发明专利中利用超声波破碎提取技术，对一种烟草香味成分进行提取，结果表明该技术对烟草香味物质的提取效率高，能减少香味物质的散失，并能定量提取烟草香味成分。梁柏林等[15]以乙醇为提取液，探索出低次烟叶超声波提取烟碱的最佳工艺，在此工艺条件下烟碱提取量为23.1 mg/mL，且超声波对烟碱的提取效率高于加酸蒸馏法。谢明杰等[16]以脱脂豆粕中的大豆异黄酮为研究对象，结果表明在提取时间为120 min时，超声波提取大豆异黄酮的提取率较加热回流的提取技术高约46%。杨荣华等[17]采用正交试验研究银杏叶中的总黄酮，结果显示超声波提取总黄酮的提取效率比传统的溶剂提取法高约1.5倍，在超声功率为100%、超声时间45 min、溶剂浓度30%的工艺条件下提取2次，总黄酮的提取率达1.2%。

1.5酶法提取技术

酶是指具有生物催化功能的高分子物质。植物的有效成分被包裹在细胞壁中，而天然植物的细胞壁由纤维素构成，酶法就是利用纤维素酶、果胶酶、胰蛋白酶、复合酶等破坏植物的细胞壁，使植物内的有效成分转移到溶媒中的一种提取技术。在天然产物有效成分提取中，酶提取法的优势在于提取率相对于传统的提取方法较高，操作简单，价格低廉。凌军等[18]以红大碎片为原料，以还原糖得率和氨基酸得率为指标，在单因素试验的基础上采用L9（34）正交试验法对酶法提取制备烟草浸膏工艺进行优化。结果表明，酶法提取制备烟草浸膏较优工艺为：同时添加原料质量0.2%的Viscozyme L复合水解酶、淀粉酶和风味蛋白酶，在40℃下水浴酶解4.0 h后，微沸提取0.5 h。采用该工艺制备得到的红大烟叶浸膏得率较常规提取增加11.84个百分点，还原糖含量增加36.46%，氨基酸含量增加8.08%，致香成分总量增加8.08%，其中含量增加较明显的美拉德反应产物是2-糠醛缩二乙醇、糠醛、5-甲基糠醛和吡咯，分别增加204.07%、108.21%、92.28%和42.67%。

2分离提纯技术

2.1分子蒸馏技术

分子蒸馏技术是一种在高真空度（绝压0.133 Pa）下特殊的液—液分离技术。它在连续蒸馏过程中蒸馏系统处于极高真空条件下，能使待分离混合物在远低于其沸点温度下将其分离，此技术适用于高沸点、易氧化物系、黏度大、热敏性的分离[19]。由于轻分子的平均自由程大于重分子的平均自由程，分子蒸馏就利用不同种类分子逸出液面后平均自由程不同这一性质对混合物进行分离，它具有受热时间短、工作真空度高、分离程度高、成本低廉等优点，目前分子蒸馏技术广泛应用于化工、食品、医药、香料等领域。

唐自文等[20]将分子蒸馏技术应用于烟草提取液溶剂选择性的萃取试验研究，他们通过正交试验，确定了较优的萃取条件，以石油醚为萃取溶剂，其烟草提取液的提取率达4.09%。高旭等[21]用分子蒸馏技术提取烟叶碎片萃取物的致香物质，结果表明，在压力0.1 Pa、提取温度60℃、进料流速70 mL/h、转速250 r/min工艺条件下，该技术对烟叶碎片萃取物致香物质的提取率为2.874%。前人研究表明，以云烟净油为研究对象，利用分子蒸馏技术以60℃蒸馏云烟净油时香气质较好[22]。高英等[23]以超临界萃取的香附油为研究对象，采用分子蒸馏技术对其进行精制，得率为2.8%。

2.2膜分离技术

膜分离技术是利用超滤膜的选择透过性，以膜两侧的能量差或压力差为推动力，根据不同组分的分子大小不同，透过超滤膜的迁移率不同这一特性，对不同组分的混合物进行分离的高效分离技术。超滤膜可以通过溶剂和分子较小的组分，而分子较大的组分则被截留，通过对混合物的选择渗透性对原料进行分离。膜分离技术的优势在于操作简单、分离效率高、对环境污染小、对热敏性物质无破坏等。杜锐等[24]在研究膜技术对提高造纸法再造烟叶的感官品质的结果显示，M50微滤膜与GU超滤膜1（标称截留分子量50 000 Da）组合对烟梗、烟末萃取液进行过滤，在其滤液中加入再造烟叶的感观品质较好。周仲实[25]用膜分离技术提取果胶的研究结果表明，超滤膜的超滤效率与滤膜透过分子量的大小成正比，与透过液的浓缩倍数成反比，显示在透过分子量为50 000的膜、透过液浓缩倍数为1时进行超滤，设备效率较高，果胶损失较小。

2.3大孔吸附树脂分离法

大孔吸附树脂是一种具有多孔立体结构和较高比表面积的有机高分子聚合物，它可以对原料提取液进行吸附和筛选，从而达到分离目标物的目的。大孔树脂柱色谱是以大孔吸附树脂为固定相，将原料提取液倾倒入大孔树脂柱中，树脂通过物理吸附从原料提取液中选择性吸附有效成分，再用适当的溶剂对柱子进行洗脱，从而收集到含有效成分的溶液[26]。大孔吸附树脂分离法的优点是选择性好、解析容易、可反复使用等优点，目前广泛应用于食品、医药、环保等方面。有研究表明，XDA-1树脂对烟草绿原酸的分离富集能力较强，采用该技术分离出烟草绿原酸含量为39.2%[27]。张海悦等[28]以狭叶荨麻提取液为研究对象，利用AB-8大孔吸附树脂分离狭叶荨麻提取液中的生物碱，以40%乙醇为洗脱剂，研究结果表明此时大孔的吸附率高达70.1%，样品液与洗脱液的比例为1∶2时分离效果最好。采用大孔吸附树脂纯化野菊花多糖的工艺，结果显示在工艺参数达到最佳工艺时，野菊花多糖中色素的脱色率为80.90%，多糖中所含蛋白质去除率为52.84%，多糖保留率达82.59%[29]。

2.4高速逆流色谱法

高速逆流色谱利用了互不相溶的两相溶剂具有单向性流体动力的一种特殊流体动力学，使两相溶剂在旋转螺旋管内单向分布。其中一相液体为固定相，固定相保留在色谱柱中，利用样品具有不同的分配系数而在两相溶剂中进行分离[30]。高速逆流色谱固定相与样品不会相互污染、不可逆吸附，该技术不需要升温加热、操作简便，适用于分离极性物质的制备性分离。曹晓莹[31]以废次烟草茄尼醇粗品中的茄尼醇为研究对象，以氯仿∶正己烷∶乙腈=3∶10∶7为溶剂分离体系，利用高速逆流色谱法纯化所得茄尼醇纯度达96%。李忠琴等[32]以正己烷∶乙酸乙酯∶甲醇∶水=1∶5∶1∶5为溶剂体系，利用高速逆流色谱对中药诃子醇提物中的没食子酸进行分离，结果分离出的没食子酸纯度高达96.40%。程悦等[33]采用正己烷∶二氯甲烷∶甲醇∶水=1∶5∶4∶2为两相溶剂系统，从苦茶总生物碱提取物中分离得到了可可堿、苦茶碱、咖啡碱，且纯度均在99%以上。

2.5分子印迹技术

分子印迹技术是制备具有高度特异性分子识别功能的高分子聚合物材料的技术，所制备的聚合物材料具有大孔、网状结构，被称为分子印迹聚合物。分子印迹聚合物作为固定相，在一定条件下去除印迹分子，从而达到对待分离分子进行分离、纯化的目的[34]。由于分子印迹聚合物具有选择性、识别性和实用性，该技术广泛应用于食品、医药、天然植物有效成分的分离提取等方面，具有广阔的应用前景。陈潜等[35]以烟碱为模板分子，甲基丙烯酸为功能单体，二甲基丙烯酸乙二醇酯为交联剂，制备出烟碱分子印迹聚合物，并将其作为卷烟添加剂加入滤嘴棒中，结果表明，该分子印迹聚合物能选择性降低烟气中烟碱含量，证明该技术应用于卷烟的选择性降焦减害的可行性。前人以儿茶素活性成分为研究对象，通过采用分子合成技术将分子印迹聚合物进行固相萃取茶多酚，分离得到其中的儿茶素活性成分单体表没食子儿茶素没食子酸酯，并获得了理想的效果[36]。

3结语

就上述新提取技术而言，超临界CO2萃取技术的主要发展方向是找到合适的夹带剂，因为夹带剂可增加被分离组分在流体相中的溶解度和选择性，有利于针对性地萃取烟草有效成分。微波萃取技术由于存在溶剂水和细胞内水分需同时吸收微波及微波辅助设备工业放大的问题，需采用一定工艺解决，其萃取机理也需进一步研究，国内利用微波萃取技术提取烟草香味物质的研究报道较少，有较大的发展空间。双水相萃取技术需要完善液液平衡理论，并建立和完善双水相萃取机理的理论，使双水相萃取能成为一种优良的提取技术。超声波提取技术对烟叶进行破碎提取，技术突破点主要在于减少烟草香味物质损失，降低烟叶有效成分的危害性。酶法提取技术是在传统天然产物成分提取的基础上进行，多用于植物有效成分的提取，在烟草上的应用较少，鉴于其操作简便、成本低廉这一优点，该技术用于烟草香味物质提取的前景较好。

除以上提取方法外，半仿生提取法也可作为提取烟草香味物质的一种可行性提取技术，半仿生法是从生物药剂学的角度，模仿口服给药在胃肠道的运转过程，将原料经一定pH的酸水提取，继以一定pH的碱水提取，以提取出“活性混合体”。半仿生提取法得到的是粗提物，目前该技术在中药制药方面的研究较多，但在烟草上的研究较少，它的优点是生产周期短、有效成分损失少、经济适用等。霍丹群等[37]研究半仿生提取葛根黄酮，结果表明，以乙醇溶液为浸取剂进行半仿生提取，对葛根黄酮的提取率达5.54%。马涛等[38]以五味子多糖为研究对象，以多糖得率为指标，探索出微波辅助-半仿生法提取五味子多糖的最佳工艺，且此条件下五味子的得率为14.70%。

关于分离提纯技术，如分子蒸馏技术，影响分子蒸馏过程的因素较多，建立的数学模型也相对比较复杂，所以需要加强其基础理论研究，建立相应的数学模型，才能更好地应用于新型烟草制品用香味物质的精制。膜分离技术面临着膜污染、膜通量衰减、费用较高等问题，应加大高分子膜和无机膜等新型材料的开发，此技术在烟草香味成分提取应用上有较大前景。大孔吸附树脂分离法的缺点在于对糖类的吸附量较小，用此法提取烟草糖类会有一定难度，其次，树脂对茄尼醇的比吸附量较小，想采用此法对茄尼醇进行纯化不可取，但可应用于茄尼醇中杂质的去除。高速逆流色谱法的不足之处是溶剂使用量较大、检测限较低等，但其对粗制样品的分离能力不可否认，应用前景十分广阔。分子印迹技术突破点在于需要合成高吸附容量的聚合物，满足实际要求，需要对分子印迹机理进一步研究。

上述烟草香味物质的提取分离纯化技术，各有其优势与特点，想要从烟草中提取出有效成分应用到新型烟草中，应根据烟草中不同香味成分选择适宜的技术，不可简单地将上述技术做优劣比较，才能达到较为满意的分离效果。上文所阐述的新技术在某些提取分离过程中不一定优于传统方法，所以在科研、生产应用中需要综合考虑，选定出最优的提取分离技术和工艺条件。随着科学的发展，传统的提取分离方法和上述提取分离新技术将迅速发展，两者相互交叉、融合，預示着未来烟草香味物质提取分离技术必将朝着安全高效、节能易控、成本低廉的方向发展，并更加系统与完善，可为新型烟草制品的发展提供强大的推动力。

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收稿日期：2017-09-22

基金项目：山东省自然科学基金青年基金项目“农地确权对农地流向家庭农场的影响研究：基于供求意愿视角”（ZR2016GQ10）

作者简介：张蕴晖（1991—），男，在读硕士研究生，研究方向：小微企业融资。E-mail：sdauzhangyunhui@163.com

通讯作者：董继刚（1962—），男，教授。E-mail：jgd@sdau.edu.cn