超临界萃取—分子蒸馏分离烟末香味成分提升再造烟叶可用性

帖金鑫，李永生，郝贤伟，张立立，毕一鸣，何文苗，李石头，田雨农，刘建国，杨艳芹，夏琛，吴继忠，李茂松，廖付

浙江中烟工业有限责任公司，技术中心，杭州市西湖区科海路118号 310024

再造烟叶是指利用烟末、烟梗、碎烟片等在卷烟过程中产生的废弃烟草物质为原料制成片状或丝状的再生产品，通常在卷烟配方中作为填充料[1]。由于其成本低且工艺可塑性强，再造烟叶正逐步实现从填充型原料向具有减害降焦、增香保润、突出风格、强化特色等功能型原料的转变。针对品牌个性需求，烟草工业企业根据实际需求设计定制化、特色化、功能性的卷烟品牌专用造纸法再造烟叶产品[2-4]。

烟草中的挥发性芳香成分中大多是弱极性或非极性化合物，在超临界CO2中的溶解度很大，用超临界CO2萃取技术从烟草中萃取得到的超提物含有的致香成分在种类和百分含量上都比传统的溶剂萃取法高得多[5-7]。分子蒸馏可以在低于物料沸点的情况下进行分离，物料的受热时间短，降低物料受热分解转化的可能性[8-11]。将烟草内源性物质通过超临界CO2萃取和分子蒸馏分离，可以得到不同等级馏分产品。国内外围绕烟草提取物的分离与应用研究有很多，张启东等利用凝胶渗透色谱分离烟叶提取物,对各分离馏分的滋味特征进行评价，确定了不同糖类对甜味的贡献程度[12]。张晓仿等研究废次烟叶浸膏的皂化试验，提高茄尼醇的提取率[13]。熊国玺等利用超临界CO2萃取结合分子蒸馏萃取烟叶中的香味成分添加到烟丝中，提高卷烟感官品质[14]。

本研究采用分子蒸馏技术对烟末的超临界CO2提取物进行分级，确定最优的馏分组配方案，添加到再造烟叶中，提升了再造烟叶可用性，并实现了工业化生产及应用。

1 材料与方法

1.1 材料和仪器

烟末（浙江中烟工业有限责任公司）；CO2（苏州金宏气体）；甲醇（色谱级，MERCK默克公司）；二氯甲烷（色谱级，MERCK默克公司）。

HA220-50-06型超临界流体萃取仪（江苏南通市华安超临界萃取有限公司）；MDS-80-Ⅱ型分子蒸馏实验设备（佛山市新杰大型钢结构工程有限公司）；KQ-500DB型数控超声波清洗器（昆山市超声仪器有限公司）；7890A-5975C型气相色谱-质谱联用仪（美国Agilent）；FUTURA II 型连续流动分析仪、410 型火焰光度计（ 法国Alliance 公司）；SM450 直线型吸烟机（英国Cerulean 公司）。

1.2 方法

1.2.1 超临界萃取及分子蒸馏分离工艺过程

超临界萃取工艺过程：将废弃烟末粉碎至40～90目，取样品8 kg，置于反应釜中，调节CO2流量 90～110 kg/h，萃取压力 25～30 MPa，萃 取 温 度45℃，稳定后，开启夹带剂（1，2-丙二醇）添加泵，使夹带剂以1 L/h 的流速打入混合器，循环萃取4 h，得到1.4 kg超临界萃取物。

分子蒸馏工艺过程：将烟末超临界萃取物置于分子蒸馏进样器中，加热至70℃熔融，进行分子蒸馏。在加热温度为80℃冷凝得到一级馏分0.67 kg与一级重组分；一级重组分进行二级分离，加热温度为120℃，冷凝得到二级馏分0.55 kg与二级重组分；二级重组分进行三级分离，加热温度为160℃，冷凝得到三级馏分0.17 kg与三级重组分。一级、二级、三级分离的轻组分即为目标致香物质。

1.2.2 超临界萃取物与不同等级馏分化学成分分析方法

色 谱 条 件：HP-5MS（60 m×0.25 mm，0.25µm）毛细管色谱柱；进样口温度：250 ℃；载气：He，1 mL/min；进样量：1 μL；分流比 10︰ 1；程序升温：70 ℃以5 ℃/min升温至100 ℃保持4 min，再以2 ℃/min升温至280 ℃保持20 min；溶剂延迟10 min。所得图谱经NIST库检索并结合标准质谱图进行定性，采用峰面积归一化法进行定量分析。

超临界萃取物、分子蒸馏一级馏分及二级馏分流动性比较好，可以直接进样分析；三级馏分较粘稠，用甲醇:二氯甲烷=1:1的混合溶剂超声震荡溶解，然后进样分析。

1.2.3 不同等级馏分组配研究

利用感官评吸确定各馏分添加适宜范围。通过设计正交试验对组配配方进行优化，将各馏分按照表2的配比添加到再造烟叶样品中，进行感官评吸，筛选适用于再造烟叶的馏分配比。

1.2.4 产品应用评价

以某一牌号为对照样，分别加入同等比例新型再造烟叶判断其常规化学、烟气指标和感官的变化，最终确定最优组配方案。

依据《YC/T 159—2002 烟草及烟草制品水溶性糖的测定》，《YC/T 160—2002 烟草及烟草制品总植物碱的测定》，《YC/T 162—2011 烟草及烟草制品氯的测定》，《YC/T 161—2002 烟草及烟草制品总氮的测定》，《YC/T217—2007 烟草及烟草制品钾的测定》分别测定总糖、还原糖、总植物碱、氯、总氮和钾的含量。

主流烟气常规指标测试采用GB/T 16450—2004的条件抽吸卷烟；按照GB/T 19609—2004、GB/T23203.1—2008、GB/T 23355—2009 和 GB/T23356—2009 测定卷烟总粒相物和焦油、烟气水分、总粒相物中烟碱和烟气中CO的释放量。

感官评吸按照卷烟国家标准GB YC/T 498—2014，采用对比评吸的方法，每次评吸专业评吸人员不低于7人。

2 结果与讨论

2.1 超临界萃取物及不同等级分子蒸馏组分分析评价

将烟末超临界萃取物、分子蒸馏一、二、三级馏分进行化学成分分析，并进行不同梯度添加试验，通过感官评吸确定其在再造烟叶中适宜添加范围。

2.1.1 超临界萃取物及不同等级分子蒸馏组分的化学成分分析

超临界萃取物及不同馏分段的总离子流图及化学成分如图1、表1所示，超临界萃取物含有大量以烟碱为主的杂环类物质，其次为醇类化合物、醛酮类物质，包括少量的酯类及内酯类、萜烯类、烃类、酸类物质。

一级馏分占总馏分比例为48.0%（该馏分质量/超临界萃取物质量），具有很明显的烟碱峰，谱图比较干净，化合物种类较少，以苯甲醇和二氢猕猴桃内酯为主要代表成分；

二级馏分占总馏分比例为39.0%，主要为保留时间适中的组分，以苯乙酸和巨豆三烯酮为代表组分，色谱指纹图谱较80℃轻组分更丰富一些；

三级馏分占总馏分比例为1.2%，主要为保留时间较长的组分，以3-氧代-7, 8-二氢-α-紫罗兰醇、十六烷酸甲酯、叶绿醇、香紫苏醚为代表性组分。

2.1.2 超临界萃取物及不同等级分子蒸馏组分在再造烟叶中的作用评价

在现有再造烟叶基片添加不同比例的超临界萃取物，研究发现添加3%～6%超临界萃取物的再造烟叶香气量、烟气绵团感提升，烟气细腻程度和余味略有下降。超临界萃取物总体感官优势表现为香气量较足，烟气较绵团，缺陷为香气风格不够凸显，清晰度略欠。

图1 不同馏分段的总离子流图Fig.1 Total ion current chromatogram of different fractions

表1 分子蒸馏致香成分分析结果Tab.1 Analysis results of aroma constituents by molecular distillation

续表1

在现有再造烟叶基片添加不同比例的等级馏分，通过感官评吸确定馏分添加适宜范围，最终确定：一级馏分添加范围3‰～5‰，新的再造烟叶相比对照样香气感官表现清雅感、细腻程度以及余味有所提升；二级馏分添加范围1.2‰～2‰，新的再造烟叶相比对照样香气感官表现甜香和烟气润感有所提升；三级馏分添加范围小于0.1‰，新的再造烟叶相比对照样香气感官表现甜香浓郁，团感提升，烟气细腻和余味降低。总体认为，一级馏分感官表现为香气飘逸、轻扬，略带花香，透发性较好，余味干净；级馏分感官表现为香气质较好，香气量充足，细腻柔和，有甜润感；三级馏分感官表现为香气浓郁、厚重成团，刺激较大。

2.2 馏分组配技术研究

通过对各级馏分不同梯度添加比例的感官评价，设计如下组配试验：一级馏分三个添加梯度为3‰、4‰、5‰，二级馏分三个添加梯度为1.2‰、1.6‰、2‰，三级馏分添加梯度为0、0.05‰、0.1‰，评价各组配配方对现有再造烟叶品质的影响，研究最优馏分组配方案。

由7名以上评吸专家对样品进行感官评价，总体结论如下：

二级、三级馏分固定，一级馏分随着添加比例的增加，再造烟叶香气质，整体雅感提升，烟气细腻有所改善，绵团感稍有下降，吃味没有明显变化；

一级、三级馏分固定，二级馏分随着添加比例的增加，总体表现为香气量、香气丰富程度提升，香气飘逸程度有所下降，烟气润感稍有改善，余味较干净。

一二级馏分固定，三级馏分随着添加比例的增加，香气厚实程度有所提升，香气偏浓郁，烟气润感下降，团感有所提升，吃味舒适度明显下降，喉部冲击力较明显，劲头有所提升。

三级馏分添加到再造烟叶中，香气的风格、韵调偏浓郁，不适合企业对一二类产品清雅，甜润风格的定位。1～9号样品中，通过对比评吸（暗评）筛选出3、7样品优于其它样品。3号样品所用的再造烟叶添加物为5‰一级馏分和1.2‰二级馏分，7号样品所用的再造烟叶添加物为3‰一级馏分和2‰二级馏分，两个样本分别为一级馏分为主和二级馏分为主。3号感官表现为香气丰满细腻，杂气小，刺激小，余味干净，整体协调，较飘逸。7号感官表现为香气丰满细腻，刺激小，余味干净，整体协调，较柔和。

表2 馏分组配方案设计Tab.2 Design of distillation grouping scheme ‰

3号样品组配参数作为配方A（其中一级馏分工艺添加比例5‰，二级馏分工艺添加比例1.2‰）和将7号样品组配参数作为配方B（其中一级馏分工艺添加比例3‰，二级馏分工艺添加比例2‰）进行再造烟叶生产线添加中试。

表3再造烟叶感官评价结果Tab.3 Sensory evaluation results of reconstituted tobacco leave Score

组配配方A再造烟叶杂气小，刺激小，余味干净，整体协调，较飘逸。感官表现特点为：香气飘逸、刺激小，综合得分77.6分。

组配配方B再造烟叶香气较丰满，杂气小，刺激小，余味干净，有甜润感，较柔和。感官表现特点为：香气丰满、有甜润感，综合得分77.5分。

2.3 组配配方特征性致香成分分析研究

致香成分分析为馏分组配研究提供了理论支撑和应用基础，通过对组配馏分进行致香成分分析，为今后的叶组配方调整、卷烟产品调香、新型烟草研发香原料储备提供理论基础。

表4 两种配方化学成分对比分析Tab.4 Comparative analysis of chemical composition of two formulations mg/g

序号(Serial number)保留时间(Reserved Time/min)中文名称(Chinese name)化合物类别(Compound category)分子式(Molecular formula)匹配度(Suitability) CAS配方A(Formula A)/%配方B(Formula B)/%24 69.959 十四酸 酸类 C14H28O2 99 000544-63-8 0.002 0.004 25 70.124 肉桂酸异戊酯 酯类及内酯 C14H18O2 97 007779-65-9 0.008 0.016 26 74.525 6,10,14-三甲基-2-十五烷酮 醛酮类 C18H36O 96 000502-69-2 0.010 0.021 27 74.748 塞舌尔烯 萜烯类 C15H24 87 020085-93-2 0.028 0.058 28 75.098 日齐素 萜烯类 C14H22O2 95 018178-54-6 0.045 0.092 29 75.863 邻苯二甲酸, 甲基十八烷基酯 酯类及内酯 C30H50O4 80 100030-90-1 0.008 0.016 30 78.787 棕榈酸甲酯 酯类及内酯 C17H34O2 99 000112-39-0 0.031 0.063 31 86.263 β-4,8,13-杜法三烯-1,3-二醇 醇类 C20H34O2 83 007220-78-2 0.058 0.121 32 87.14 9,12-十八碳二烯酸甲酯 酯类及内酯 C19H34O2 99 000112-63-0 0.015 0.030 33 87.464 亚麻酸甲酯 酯类及内酯 C19H32O2 98 000301-00-8 0.067 0.138 34 88.018 植醇 醇类 C20H40O 87 000150-86-7 0.034 0.069 35 90.514 香木兰烷 萜烯类 C15H26 92 110769-62-5 0.041 0.085 36 92.605 黑松醇 醇类 C20H34O 97 025269-17-4 0.057 0.119 37 114.317 维生素E 萜烯类 C29H50O2 99 000059-02-9 1.990 1.757

图2 两种配方化学成分分类对比Fig.2 Comparison of the chemical composition of the two formulations

由上表图可知，配方B醇类、醛酮类、酸类、酯类及内酯类物质高于配方A，A配方萜烯类物质高于B配方。酸类物质与烟气润感正相关，酯类及内酯类物质与香气丰富程度正相关，醇类和醛酮类物质对吃味有影响，萜烯类物质是包含大量的烟草潜香物质，影响香气的雅感以及丰满程度。从化学成分分类的角度分析B配方香气量与烟气润感、吃味优于A配方，A配方香气质感优于B配方。

2.4 分子蒸馏生产稳定性评价

为了考察分子蒸馏各馏分化学成分的稳定性，在实际生产过程中，抽取了5个批次的分子蒸馏馏分，对其进行成分对比分析。

如下图3为同一等级馏分不同生产批次总离子流图对比，不同批次色谱峰重叠性较好。

图3 一、二、三级馏分不同批次总离子流图对比Fig.3 Comparison of total ion chromatograms of different batches of first stage fraction, secondary fraction, three-stage fraction

表5 不同批次间烟碱色谱峰面积Tab.5 Nicotine peak area between different batches

烟碱是馏分中的重要化合物，由表5可知，同一等级馏分，不同批次间烟碱色谱峰面积标偏大约为6%。另外，实际生产中对25批次各级馏分产品常规检测理化指标相对密度、折光指数、酸值、挥发性成分总量进行检验对比，各级馏分相对密度、折光指数、酸值、挥发性成分总量检测结果均满足3σ原则。说明整个工艺重复稳定性较好，可以满足实际生产需要。

2.5 新型再造烟叶在成品卷烟应用评价

以某一配方中含有再造烟叶的卷烟牌号为试验样，分别用同等比例的A配方再造烟叶和B配方再造烟叶替代原配方中的再造烟叶，判断替代后化学和感官的变化。

2.5.1 常规化学成分评价

采用多维空间相似距离来度量试验样品与对照样品在常规化学成分方面的差异程度。目的是通过常规化学成分评价，考察再造烟叶的调整对卷烟配方中化学成分的影响，预防由于化学成分变化引起烟气等指标显著变化的风险。相似距离根据欧式距离公式进行计算，公式如下：

式中，dij为试验样与对照样的相似距离，Xik和Xjk分别为第i样品与对照样常规化学指标标准化处理后的数值，m为常规化学指标的个数，这里m=7。

表6 常规化学成分检测结果Tab.6 Test results of routine chemical components mg/g

表7 常规化学成分相似距离Tab.7 Similarity distance of routine chemical composition mg/g

将各试验样对应的常规化学成分与对照样进行相似性分析，与对照样相似程度从高到低排序为：B＞A。

2.5.2 主流烟气化学成分评价

在主流烟气化学成分方面，采用多维空间相似距离来度量样品检测值与产品设计指标（焦油量11 mg，烟碱量1.1 mg，一氧化碳量11 mg）的相似程度，相似距离越小，相似程度越高，反之，相似程度越低。相似距离根据欧式距离公式进行计算。

将各样品对应的主流烟气指标与产品设计值进行相似性分析，B与设计值相似程度更高。

2.5.3 感官质量评价

将样品按照标准条件进行处理好后，由7名以上评吸专家对样品进行感官评价，评价结果见表10。

表9 主流烟气指标相似距离Tab.9 Similar distances of mainstream smoke indicators mg

表10 感官质量评价Tab.10 Sensory quality evaluation Score

从评吸结果来看，样品感官质量均符合产品设计值（87分）要求，感官质量从高到低排序为：B＞A＞对照。

利用相似距离可以从整体上对两个样品与对照样的差异进行评价，由于样本间的差异主要来自于再造烟叶中的添加物，因此，在常规化学与烟气化学中，几个样本的差异不大，B相对更接近对照样，在感官方面，A、B两个样本相对对照样品质都有所提升，B的感官评吸质量最高。综合感官评价和化学成分对比最终确定B配方再造烟叶作为新型再造烟叶产品进行中试推广应用。

3 结论

本文研究了利用烟末提取物蒸馏馏分在再造烟叶中的组配应用。研究发现，80℃馏分能有效提高香气的雅感，清晰度。120℃馏分能够增加甜香，提升烟气润感。160℃馏分香气风格偏浓郁，有助于烟气团感提升，余味略欠。80℃馏分和120℃馏分与卷烟配伍性较好，能够较好突出香气清雅风格，二者合理组配能够有效提升卷烟感官质量。160℃馏分更适于浓香风格产品以及提升低档卷烟香气量和烟气浓度。实验表明，现有再造烟叶工艺添加3‰80℃馏分和2‰120℃馏分，新型再造烟叶香气丰满细腻，刺激小，余味干净，整体协调，较柔和；同等比例新型再造烟叶加入成品卷烟中，感官品质明显改善。通过本项研究，可以有效提升烟末利用率，提高再造烟叶感官品质，为下一步配方中增大再造烟叶的使用比例奠定了基础。