超临界CO2 萃取法制备烟草净油及其成分分析*

田 雨,马广文，鲍胜利，夏莺莺，张 奇

（山西昆明烟草有限责任公司，山西太原 030012）

卷烟叶组配方开发维护工作中会存在部分烟叶的配方适配性不高的情况，不能充分利用每种风格的烟叶，导致部分品种、等级烟叶过剩，最终进行报废处理。利用这些烟叶提取可用的外加香精香料，可以很好的增补烟草特征香气、透发烟草本香、改善烟草吸味[1-3]，且烟草提取物作为内源性烟草添加剂，安全性有保障。传统的利用溶剂法进行烟草浸膏的提取虽然可以较好的弥补烟香[4]，但因为提取效果的局限及溶剂残留等问题，在增加烟香的同时也带来了吸味不适以及粗糙感、干燥感和舌面收敛感增加等负面效果。

超临界流体萃取技术是20 世纪60 年代兴起的一种新型分离技术，利用高于临界温度和临界压力的流体对许多物质具有良好的溶解能力对物质进行提取和分离。超临界流体兼有气、液两重性的特点，即密度接近于液体，而黏度、扩散系数又与气体相似。因此，它不仅具有与液体溶剂相当的萃取能力，而且具有优良的传质性能[5，6]。CO2因具有无毒无害、溶解能力强、成本低等一系列优点，成为首选的工业萃取剂。

本研究从烟草配方开发维护实际存在的问题出发，把报废烟叶、叶组适配性差的烟叶（一般指某单料烟提高用量后，在吸味中表现出高香气质、多香气量同时也带来杂气、刺激性、劲头等问题）作为研究对象，采用CO2超临界法提取制得烟草浸膏并精制成净油，为提高烟叶的高效利用能力提供技术支撑。

1 实验部分

1.1 材料与仪器

烟叶（巴西B10-F、巴西BOC-YN、河南平顶山C3F、福建龙岩C3F）为山昆公司库存烟叶；乙醇、二氯甲烷、甲醇、正己烷、Na2HPO4、NaOH、H3PO4,均为分析纯，国药集团化学试剂有限公司。

HAl21-50-01 型超临界萃取装置（南通市华安超临界萃取有限公司）；R201BL 型旋转蒸发仪（上海申生科技有限公司）；Agilent 7890A/5975C 型气相色谱-质谱联用仪（GC/MS，美国Agilent 公司）；XP 205 型电子天平（感量：0.01mg，瑞士Mettler Toledo 公司）

1.2 方法

1.2.1 感官风格评价 采用YC/T 497-2014《中式卷烟风格感官评价方法》，按照香味轮廓法，从口味风格、香气风格和烟气特征3 个角度分析烟叶的风格特征。

1.2.2 烟草净膏提取工艺的选择 采用超临界流体萃取、水蒸气蒸馏[7]、溶剂萃取法（石油醚）、微生物发酵法和酶催化[8]等不同技术开展提取烟草浸膏的预实验，结果见表1。

表1 多种提取方法预实验结果Tab.1 Pre-experiment results of multiple extraction methods

在几种不同的提取方法中，超临界提取法的单批次生产时间最短，设备操作简单，提取物的收率也较高，免除了繁琐的溶剂脱除工艺，产品中不存在溶剂残留问题，因此，选取超临界萃取作为烟草净膏的提取方法。

1.2.3 单因素实验设计 选取巴西B10-F 为实验对象，以萃取压力25MPa、CO2流量40L·h-1、萃取时间1.5h、萃取温度55℃为基础条件, 分别以萃取温度、萃取压力、CO2流量和萃取时间为考察因素，以萃取物得率为考察指标。

1.2.4 正交实验设计 以萃取温度（A）、萃取压力（B）、萃取流量（C）、萃取时间（D）作为考察的4 个因素，各设3 个水平，以提取率为考察指标，设计L9（34）正交表进行提取工艺优选，见表2。

表2 超临界CO2 萃取法正交试验表Tab.2 Orthogonal test table of supercritical CO2 extraction method

1.2.5 脱蜡精制工艺 向提取粗品中加入等质量的95%乙醇，25℃下均匀搅拌2h，再进行离心分离。将上清液合并置于0~4℃的冰箱中冷藏12h，再次进行离心分离，二次上清液合并后在旋转蒸发仪上浓缩至无明显溶剂蒸出，得到烟叶脱蜡产物。

1.2.6 致香成分检测方法 准确称取100mg 烟酸甲酯，用无水乙醇定容至100mL 容量瓶中，配成1mg·mL-1内标储备液。用移液枪准确移取2mL 内标储备液于20mL 容量瓶中，用无水乙醇定容，配成0.1mg·mL-1内标液备用。取20μL 烟叶提取物于带有内衬管的色谱瓶中，加入200μL 烟酸甲酯内标液，进行GC/MS 分析。

GC/MS 分析条件 色谱柱：HP-INNOWax（60m×0.25mm×0.25um）；载气：He 气；流速：1.5mL·min-1；进样量：1μL，分流比：10∶1；升温程序：60℃保持2min，2℃·min-1升温至250℃，保持40min；传输线温度：280℃；离子源温度：230℃；溶剂延迟：0min；质量数范围：30~450amu；采用Wiley 7 图库检索。

2 结果与讨论

2.1 4 种烟叶感官风格评价结果

对4 种烟叶开展感官风格评价，结果见表3。

表3 4 种烟叶感官评价结果Tab.3 Sensory evaluation results of four kinds of tobacco leaves

由表3 可见，两种巴西烟叶烟香浓郁，香气浓中带清，同时也具备一定甜感，但其烟气底蕴中有一定焦枯感，口感稍带有苦味，可以作为“清甜香”板块的核心原料。福建龙岩C3F 烟叶有较好的甜感，其具有典型的焦甜香，同时带有干草香及辛甜香，作为“焦甜香”板块核心原料。河南平顶山C3F 烟叶具有典型的浓香型特征，通过提取精制加工，可以得到具有“浓香型”特征的功能分段，可以与上述“清甜香”，“焦甜香”分段协同增加烟香丰富性，改善吃味，提高满足感。

2.2 超临界CO2 萃取工艺单因素实验结果

2.2.1 萃取温度 萃取温度对萃取率的影响结果见表4。

表4 不同萃取温度对萃取率的影响Tab.4 Effect of different extraction temperature on extraction rate

由表4 可见，萃取率随温度升高先提高后降低，原因可能是萃取温度的变化对萃取效果存在正负两个方面的影响：（1）温度升高会加大萃取物在超临界CO2流体中的饱和蒸气压，提高溶解度，故萃取效率相应提高。（2）温度升高会引起超临界CO2流体密度下降，进而导致超临界CO2流体的溶剂化效应下降，使物料在其中的溶解度降低，致使萃取效率下降[9]。研究中，当萃取温度为55℃时，萃取率最高，说明在55℃以下时，随着温度升高，萃取物在超临界流体中的饱和蒸汽压的升高因素大于流体的溶剂化效应因素对萃取率的影响程度，当温度高于55℃时，流体的溶剂化效应下降因素占主导，造成实际萃取率下降。因此，选择50、55、60℃作为正交实验的3 个水平。

2.2.2 萃取压力 萃取压力对萃取率的影响结果见表5。

表5 不同萃取压力对萃取率的影响Tab.5 Effect of different extraction pressure on extraction rate

由表5 可见，萃取压力与萃取率呈正相关，当萃取压力较低时（小于25 MPa），产物萃取率随着萃取压力的升高逐步提高，这是因为随着萃取压力的增大，超临界CO2密度增加，其溶解能力随之增加[10]，当压力高于25MPa 时，产物萃取率提升变得不明显，可能是压力过高时流体密度过大，影响传质速率造成的。因此，选择20、25、30MPa 作为正交实验的3个水平。

2.2.3 CO2流量 CO2流量对萃取率的影响结果见表6。由表6 可见，萃取率与CO2流量呈正相关，在选定的实验条件下，萃取率随流量升高而逐渐升高，最后缓慢趋于稳定，这是由于随着流体流量的增加，对流扩散和分子扩散提高，增大了烟草中活性成分在流体中的溶解动力[11]。流量超过40L·h-1后,萃取率上升有限，综合考虑能耗及实验效率，选择30、40、50L·h-1作为正交实验的3 个水平。

表6 不同CO2 流量对萃取率的影响Tab.6 Effect of different CO2 flow rates on extraction rate

2.2.4 萃取时间 萃取时间对萃取率的影响结果见表7。

表7 不同萃取时间对萃取率的影响Tab.7 Effect of different extraction time on extraction rate

由表7 可见，随着萃取时间的增加，烟草提取物萃取率不断提高，并有最终趋于稳定的趋势，考虑到萃取时间有助于萃取率提高，但是萃取时间过长又会使设备损耗并且成本增加，因此，选择1、1.5、2h作为正交实验的3 个水平。

2.3 超临界CO2 萃取的正交实验结果

2.3.1 正交实验设计及方差分析

由表8、9 可见，采用超临界CO2萃取法萃取，以萃取率作为考察指标时，各因素对烟草萃取工艺影响的大小为：萃取温度（A）＞萃取压力（B）＞萃取时间（D）＞萃取流量（C），但根据正交结果进行分析，萃取压力过高，会使成本增加，且提高操作难度及存在安全隐患；而萃取流量和萃取时间对烟叶的提取无显著影响，故综合经济与效率进行分析，最佳工艺组合为A2B2C2D2，即萃取温度为55℃，萃取压力为25MPa，萃取流量为40L·h-1，萃取时间为1.5h。

表8 正交实验设计及提取结果Tab.8 Orthogonal test design and extraction results

表9 正交实验方差分析Tab.9 Analysis of variance of orthogonal test

2.3.2 超临界CO2萃取的工艺验证 按正交实验确定的最佳工艺条件即萃取温度为55℃，萃取压力为25MPa，萃取流量为40L·h-1，萃取时间为1.5h，平行进行4 次实验，萃取率结果见表10。

表10 超临界CO2 萃取的工艺验证Tab.10 Process validation of supercritical CO2 extraction

4 次平行实验P=0.763

2.4 不同产地烟叶超临界提取物成分分析

4 种烟叶脱蜡产物的化学成分分析结果见表11。

表11 4 种烟叶烟叶脱蜡产物分析结果统计Tab.11 Analysis results of dewaxing products of four kinds of tobacco leaves

由表11 可见，巴西BOC-YN 烟叶的超临界CO2脱蜡产物中共检测出47 种物质，其中醇类8 种、醛类1 种、酮类11 种、酸类6 种、酯类6 种。含量最高的物质为尼古丁，另有巨豆三烯酮、二氢猕猴桃内酯、糠醇、茄酮、大马酮等都是烟草中关键的清甜香香气成分，吡喃酮、吡咯烷酮、哌啶酮等为烤香类物质。

巴西B10-F 脱蜡产物中共检出44 种物质，其中醇类7 种、醛类2 种、酮类11 种、酸类8 种、酯类6种，检出物中含量最高的也为尼古丁。主要含有的致香物质种类与巴西BOC-YN 类似，但其醇、醛、酮及酸类物质含量均高于BOC-YN，而酯类物质的含量较低。

福建龙岩C3F 烟叶脱蜡产物中共检出45 种物质，其中醇类8 种、醛类2 种、酮类12 种、酸类7 种、酯类4 种，其中含量最高的也为尼古丁。同样含由胡萝卜素衍生的巨豆三烯酮、二氢猕猴桃内酯、紫罗兰醇等烟草中重要的香味物质；但其酸类物质的含量相较两种巴西烟草要高20%~40%。

河南平顶山C3F 烟叶脱蜡产物中共检出46 种物质，其中醇类8 种、醛类2 种、酮类12 种、酸类7种、酯类4 种。含量最高的也为尼古丁。香味物质种主要也包含二氢猕猴桃内酯、巨豆三烯酮、新植二烯等成分。其醇类物质的含量在4 组净油产品中最高。

2.5 4 种烟叶脱蜡产物的感官评价

结合表3 和表12 提取前后的感官评价结果，证实超临界CO2烟叶脱蜡产物很好保留了烟叶原料所具有的特性，其香气风格、烟气特征、口感余味、入喉劲头等指标均有较好保留。4 种烟叶的感官评价结果符合提取的预期，可以分别用于构建“清甜香”、“焦甜香”、“浓香型”的烟用香基。

表12 4 种烟叶超临界脱蜡产物感官评价结果Tab.12 Sensory evaluation results of four tobacco leaf supercritical dewaxing products

3 结论

本文主要研究了使用超临界法从烟叶中提取烟叶提取物的工艺方法，通过正交实验确定了最优工艺条件，再通过感官评价结合仪器分析确定了不同烟叶提取物的香气风格特征，通过超临界法得到的提取物有效保留了烟叶原有的特征，但整体在抽吸过程中仍旧残留有不良气息，后续可以考虑采用分子蒸馏等技术进一步优化精制。