云南烟叶提取物的分子蒸馏分离及在卷烟中应用

邹 鹏，戴 魁，张亚平，黄 兰，王文斌，徐 峻，刘 非，郭东锋

安徽中烟工业有限责任公司技术中心，合肥市天达路9 号 230088

分子蒸馏技术是在高真空蒸馏条件下，利用 不同分子间的运动平均自由程差别，实现复杂物质精细分离的技术[1]。与常规蒸馏相比，分子蒸馏具有操作温度低、受热时间短、分离效果好、产物变化少等优势，目前已广泛应用在石油化工[2]、食品加工[3]和精细化学品制备[4]等方面。此外，分子蒸馏技术在香料加工领域有较多的应用[5-6]。由于香料中通常含有受热易变质的成分，因此采用分子蒸馏技术处理能较好地富集香料中的显效致香成分，同时除去杂质[7-8]。分子蒸馏技术在烟草提取物分离精制方面的应用研究也有文献报道[9-16]。杨靖等[9]使用分子蒸馏分离烤烟的超临界CO2萃取物，通过考察进料流量、转子转速、蒸馏温度等参数对云烟萃取物中特征成分分离收率的影响，确定了工艺参数，进而使云烟萃取物中特征香味物质的含量增加。毛多斌等[10]使用分子蒸馏分离超临界CO2萃取的云烟净油，通过改变蒸馏温度梯度，分离得到了不同馏分，并考察了馏分对卷烟感官质量的影响。然而，上述研究中还存在一些问题。首先，目前常用的萃取溶剂大多是超临界CO2或石油醚等低极性溶剂[10-11，14-15]，但低极性溶剂制备的浸膏、净油的收率普遍较低[9]。此外，根据“相似相溶”原则，低极性溶剂对酮类、醇类、糖苷类等强极性物质的溶解能力较低，因此影响溶剂对烟草特征香味成分的萃取效率。其次，目前针对分子蒸馏产物的研究主要集中在成分剖析和烟用效果考察方面，对产物的热行为研究较少。在某种程度上，分子蒸馏技术也是利用样品化学成分之间的热行为差异，实现其液液分离。本研究中，以乙酸乙酯为溶剂制备云南烟叶提取物，并从化学成分、热行为和烟用效果等3 个方面考察分子蒸馏技术对烟叶提取物的分离效果，旨在为开发适用于不同烟草制品的烟用香料提供技术支持。

1 材料与方法

1.1 材料、试剂和仪器

烟叶原料为2014 年云南产区烤烟烟叶，分别是玉溪C2F（K326）、曲靖C2F（云烟97）、昆明C2F（云烟87）。空白不加料不加香卷烟由安徽中烟工业有限责任公司卷制，采用国内主产区烟叶配方，并掺配10%梗丝、8%膨胀烟丝和6%造纸法再造烟叶丝。

乙酸乙酯（AR，上海国药集团化学试剂有限公司）；二氯甲烷、乙酸苯乙酯（色谱纯，美国Aldrich 公司）。

VDL-70 分子蒸馏仪（德国VTA 公司）；HP6890/5975 气相色谱/质谱联用仪（配有Nist2008谱库和MSDchem 化学工作站，美国Agilent 公司）；CIJECTOR 加香注射机（德国Burghart 公司）；KBF240 型恒温恒湿箱（德国Binder 公司）；DF-101S 型集热式磁力加热搅拌器（常州普天仪器制造有限公司）；RW-120S 型机械搅拌机（上海精科实业公司）；R-215 型旋转蒸发仪（瑞士Büchi 公司）；STA8000 型热重分析仪（美国PE 公司）；AG104 型电子天平（感量0.000 1 g，瑞士Mettler Toledo 公司）。

1.2 方法

1.2.1 提取物及分子蒸馏产物制备

将玉溪、昆明和曲靖等产区烟叶制成烟草提取物，并通过分子蒸馏将其分为不同组分，具体流程见图1。以玉溪烟叶为例，使用乙酸乙酯回流萃取5.4 kg 玉溪烟叶粉末，提取特定时间后进行固液分离；提取液冷冻过夜后过滤并进行纯化，得到精制的烟叶提取物；旋转蒸发除去大部分溶剂，并在60 ℃、1 kPa 条件下浓缩除去剩余溶剂，得到烟叶浸膏A（YX-A）。将烟叶浸膏添加到分子蒸馏仪中，在100 ℃、100 Pa 条件下进行分子蒸馏，冷凝得到的第一馏分即为一级轻组分L1（YX-L1）；继续进行分子蒸馏分离，分别得到二级轻组分L2（YX-L2）、三级轻组分L3（YX-L3）、四级轻组分L4（YX-L4）和最终的蒸馏剩余物即重组分H（YX-H）。在蒸馏过程中，进料速率为70 mL/h，转子转速为300 r/min。

1.2.2 GC-MS 检测

图1 云南烟叶浸膏及分子蒸馏产物制备流程图Fig.1 Preparation flow of Yunnan tobacco extracts and molecular distillation products

取0.20 g烟叶浸膏或分子蒸馏产物，加入10 mL二氯甲烷溶解，然后添加0.25 mL 1.176 mg/mL 乙酸苯乙酯（内标）溶液，过滤后进行GC-MS 检测。GC-MS 条件为：

色谱柱：HP-5MS 毛细管色谱柱（60 m×0.25 mm i.d.×0.25µm d.f.）；进样口温度：250 ℃；载气：He；流速：1 mL/min；进样量：1 μL，分流比10∶1；升温 程 序：50 ℃保 持5 min，以2 ℃/min 升 温 至200 ℃，再以5 ℃/min 升温至250 ℃，保持10 min。电离方式：电子轰击离子源（EI）；离子源温度：230 ℃；电离能量：70 eV；传输线温度：280 ℃；四极杆温度：150 ℃；隔垫吹扫流量：3 mL/min；扫描方式：全离子扫描（Scan）模式；扫描范围：43～450 amu；溶剂延迟5 min。

采用Nist2008 谱库检索法进行定性分析，选择匹配度≥90%。采用内标法进行定量分析，乙酸苯乙酯内标的出峰时间在42.50 min 左右。定量公式为Mi=C内标Ai/（A内标Fi）。式中，Mi为样品中i 物质的含量（质量分数，mg/g）；C内标为加入的内标含量（mg/g）；Fi为相对校正因子，假定校正因子为1；Ai和A内标分别为i 物质和内标的峰面积。

1.2.3 热失重分析

热失重分析测试条件为：初始温度40 ℃，升温速率30 ℃/min，终止温度700 ℃，环境气体为氮气，流速50 mL/min。使用空白坩埚在相同的升温程序下测得空白曲线。再称取（10±1）mg 样品，置于热重分析仪的氧化铝坩埚中进行热分析测试，扣除空白后得到样品的热失重TG/DTG 曲线。

1.2.4 感官质量评价

将烟草浸膏和分子蒸馏产物用75%乙醇进行稀释，并以10 mg/kg 的添加量注射到空白卷烟中，得到试验卷烟样品。以注射等量75%乙醇的卷烟为空白卷烟样品。所有卷烟样品均在22℃、相对湿度（RH）60%的恒温恒湿箱中平衡48 h，然后采用烟草行业标准YC/T 415—2011《烟草在制品 感官评价方法》进行感官质量评价，评价小组由安徽中烟工业有限责任公司技术中心的7 名具有评吸员资质的人员组成。

2 结果与讨论

2.1 分子蒸馏产物分析

3 种云南烟叶浸膏的收率及分子蒸馏产物的收率如表1 所示。可以看出，所有浸膏的收率均在3.5%以上，昆明烟叶样品的浸膏收率相对较高，而曲靖烟叶样品的收率相对较低。与超临界CO2等低极性溶剂相比[9]，以乙酸乙酯为提取溶剂的产物收率相对较高。另外，不同条件下对浸膏进行分子蒸馏所得到的产物也存在差异。

表1 3 种云南烟叶的溶剂提取收率及分子蒸馏分离收率①Tab.1 Yields of extraction and separation by molecular distillation from three kinds of Yunnan tobacco

2.2 分子蒸馏产物GC-MS 分析

2.2.1 玉溪烟叶分子蒸馏产物化学成分分析

对云南（玉溪）烟叶浸膏及其分子蒸馏产物进行GC-MS 分析，结果如图2 和表2 所示。由图2 可以看出，烟草浸膏YX-A 中含有较多的挥发性成分，其保留时间分布于5～90 min 之间。YX-L1 主要成分的保留时间集中在5～70 min 之间，YX-L2主要成分在50～80 min 之间。YX-L3 中烟碱和新植二烯的含量均明显减少，主要成分的保留时间在80 min 以后。在YX-L4 和YX-H 的色谱图中，内标的峰高增加，而可检测物质的峰数目减少，说明这两个组分中的主要成分可能为不适合采用GC-MS 分析的非挥发性成分。可见，烟叶浸膏中的大部分易挥发成分集中在L1 和L2 组分中，通过分子蒸馏对烟草提取物中的复杂成分按照挥发性大小进行分离是可行的。

由表2 可以看出，从玉溪烟叶浸膏YX-A 中共检出41 种成分，YX-L1、YX-L2、YX-L3、YX-L4 和YX-H 中分别检出56、42、29、23 和17 种成分。随着分子蒸馏强度的增加，分子蒸馏产物中可检测到的挥发性成分越来越少，而蒸馏最后的重组分中大部分成分为GC-MS 难以检测的非挥发性成分。一级轻组分YX-L1 中检出成分的数量比烟草浸膏YX-A 中多，说明分子蒸馏处理后挥发性成分更多地富集在YX-L1 中，例如浸膏中含量相对较低的成分4-乙烯基愈创木酚、香兰素等可在YX-L1 中被检出。

图2 玉溪烟叶浸膏及分子蒸馏产物的GC 总离子流图Fig.2 GC total ion chromatogram of Yuxi tobacco extract and its molecular distillation products

表2 玉溪烟叶浸膏及分子蒸馏产物GC-MS 结果Tab.2 GC-MS analysis results of Yuxi tobacco extract and its molecular distillation products

表2（续）

表2（续）

比较分子蒸馏产物所含香味成分可知，烟碱和新植二烯主要集中在YX-L1 和YX-L2 中，其他组分中这两种物质的含量相对较低。挥发性较强的成分主要集中在YX-L1 中，其次是YX-L2 中，其他组分中挥发性成分的含量较低。半挥发性成分如十六酸、莨菪葶、西柏三烯二醇、亚麻酸、亚麻酸甲酯和亚油酸甲酯等主要集中在YX-L2 和YX-L3中。YX-L4 和YX-H 中主要为非挥发性成分如甾醇、长链烷烃等。YX-L3、YX-L4 和YX-H 等组分中可检出的香味成分数量较少，这是因为GC-MS难以准确定性分析分子量较大的化合物；此外，烟叶浸膏经过分子蒸馏处理后，性质较为接近的大分子脂肪族化合物如亚麻酸、亚油酸、脂肪烃以及其他非挥发性物质被富集在同一组分中，这些成分在GC 中的出峰位置极易重叠，且由于其含量较高，导致这几个分子蒸馏产物中可准确定性的成分相对较少。

2.2.2 不同产区烟叶分子蒸馏产物L1 组分的化学成分比较

从玉溪、昆明和曲靖产区烟叶浸膏的分子蒸馏产物L1 组分中检出的成分如表3 所示。可以看出，从昆明和曲靖烟叶KM-L1 中分别检出47 和42种成分，均低于玉溪烟叶（56 种）。YX-L1 中含有较多的苯酚、5-甲基-2-呋喃甲醇、3-甲基-2-羟基-环戊烯-1-酮（甲基环戊烯醇酮，MCP）、甲酸苯甲酯、愈创木酚等成分，而这些成分在KM-L1 和QJ-L1 中均未检出。

表3 3 种云南烟叶浸膏分子蒸馏一级轻组分GC-MS 结果Tab.3 GC-MS results of first-step fraction from three kinds of Yunnan tobacco extracts by molecular distillation

表3（续）

2.3 分子蒸馏产物热失重分析

玉溪烟叶浸膏及其5 种分子蒸馏产物的热失重分析结果如图3 所示。可以看出，所有产物在加热到500 ℃左右均基本完全挥发。YX-A 的主要热失重温度在400 ℃左右，另外在100 和250 ℃还存在少量的质量损失，其DTG 曲线与分子蒸馏产物的曲线均有重合。4 级轻组分的热失重区间存在明显差异，其主要热失重温度分别在220 ℃（YX-L1）、250 ℃（YX-L2）、310 ℃（YX-L3）和400 ℃（YX-L4）左右，说明通过分子蒸馏技术能够将烟草提取物按照其热行为差别分成不同组分。YX-L1 和YX-L3 的DTG 曲线为狭窄的近似单峰，说明这2 个馏分中含有的化合物热特性均相对单一。YX-L2 的DTG 曲线为较宽的双峰，且与YX-L1 和YX-L3 有一定重合，说明L2 组分中化合物的热性质介于L1 和L3 之间且较为相似，从GC-MS 中分析结果也能得到相似的结论。YX-L4和YX-H 的最大热失重温度基本重合，但YX-H 的DTG 峰在高温侧有明显拖尾，说明YX-L4 的成分相对单一，而YX-H 中含有较多的非挥发性成分。将YX-H 和YX-A 的DTG 曲线进行对比，其最大热失重温度基本重合，但YX-A 在低温侧含有小峰和肩峰，而YX-H 在低温侧热反应较少，在高温侧有拖尾。可见，通过分子蒸馏处理后，烟草提取物中的非挥发性成分基本富集在重组分中。轻组分YX-L1、YX-L2 和YX-L3 的最大热失重温度均在300 ℃左右，与加热非燃烧卷烟的作用温度较接近，说明其在此类烟草制品配方设计中具有潜在应用价值。

2.4 分子蒸馏产物感官质量评价

玉溪烟叶浸膏及其5 种分子蒸馏产物的卷烟感官质量评价结果如表4 所示。可以看出，玉溪烟叶浸膏YX-A 具有提升香气质，增加香气量，掩盖杂气，提升烟气浓度，降低刺激，减少残留和增加口腔甜感的效果。YX-L1 可明显改善卷烟烟气的香气质，使优雅的清甜香香气增加，且可掩盖杂气，使浓度和劲头稍有增加，口腔甜感明显增加。YX-L2 可在一定程度上增加清甜香香气和烟草本香，明显增加香气量，但对口腔甜感的贡献稍小于YX-L1。YX-L3 可部分增加烟草本香，但使口腔烟味残留明显增加，且使刺激性增加。YX-L4 可部分增加烟草本香，稍微增加清甜香香气，有一定的烟味残留，且使香气量和烟气浓度均增加。重组分YX-H 可增加烟草本香和清甜香香气，使烟气浓度增加、杂气减少，但有部分残留。综上可知，YX-L1 的烟用效果最好，而YX-L3 相对较差；YX-L1 和YX-L2 的烟用效果明显优于YX-A；YX-L4 和YX-H 的烟用效果与YX-A 相近。实验中还发现，由曲靖和昆明产区烟叶样品制得的浸膏和分子蒸馏产物的烟用效果与玉溪烟叶样品较相似。

表4 玉溪烟叶浸膏及分子蒸馏产物的卷烟感官质量评价结果Tab.4 Results of cigarette sensory quality evaluation of Yuxi tobacco extract and its molecular distillation products

总体上，随着分子蒸馏强度的增加，添加分子蒸馏产物的试验卷烟的烟气清香香韵逐渐降低，但重组分仍可表现出部分清香香韵。与清香香韵相关的香气成分通常挥发性相对较强[17]，因此主要富集在L1 和L2 组分中。与文献相比，超临界萃取烟草提取物的分子蒸馏重组分基本无增香效果，且对口感有不利影响[10-11]。本研究中使用乙酸乙酯提取并分离得到的分子蒸馏重组分仍具有较好的增香效果，且能够表现出云南烟叶的清香香韵。烟叶中部分关键香味成分以糖苷等结合态存在于烟草提取物中，使用极性溶剂可以更好地萃取此类香味成分[18]，但这些成分的分子量和极性较大，经过分子蒸馏仍被保留在重组分中。因此重组分仍具有较好的增香效果。

3 种云南烟叶浸膏一级轻组分L1 的卷烟感官质量评价结果如表5 所示。可以看出，KM-L1 可明显改善卷烟清甜香香气质，掩盖杂气，使浓度稍有增加，且使口感干净程度和口腔甜感增加。QJ-L1 可部分增加卷烟清甜香香气和焦甜香香气，掩盖杂气，增加浓度和劲头，并增加口腔甜感和干净程度。对比3 种L1 组分发现，KM-L1 对香气质的改善最明显，其口感相对更好；YX-L1 的香气质和香气丰富性表现更好，清甜香香韵表现稍弱于昆明样品；QJ-L1 可明显增加香气量，但香气质较前两个样品差，另外，使劲头有所增加。结合GC-MS 结果可知，YX-L1 组分中的香味物质种类和总量也相对较高。

表5 3 种云南烟叶浸膏分子蒸馏一级轻组分的卷烟感官质量评价结果Tab.5 Results of cigarette sensory evaluation of first-step fractions separated by molecular distillation from 3 kinds of Yunnan tobacco extracts

3 结论

使用乙酸乙酯提取制备玉溪、昆明和曲靖等地区烟叶浸膏，通过分子蒸馏处理，可将提取物分成4 级轻组分（L1、L2、L3 和L4）和重组分（H）共5种产物。L1 和L2 组分中含有较多的挥发性香味成分，而L3、L4 和重组分中主要为半挥发性成分以及非挥发性成分。5 种产物的主要热失重温度分别为220、250、310、400 和400 ℃。随着分子蒸馏强度的增加，烟草浸膏可被分为热特性差距明显的不同组分。L1 和L2 组分可增加清甜香香气，降低杂气，改善口感；L3 组分则残留较大，刺激性较高；重组分与浸膏相似，但会增加残留。本研究中选择用极性溶剂制备的烟草提取物，通过分子蒸馏分离制得了不同的分子蒸馏产物，可为烟用香料的开发提供方法参考。