超臨界CO2萃取煙草精油的工藝研究

劉亞娟，劉 蕓，王志祥

(1.廣東食品藥品職業(yè)學院，廣東 廣州 510520；2.中國藥科大學藥學院，江蘇 南京 210009)

煙草精油是從煙草中提取的具有煙草特征香氣的一類化合物，其主要成分為萜烯類、醛類、揮發(fā)性酸類、酯類、酮類、醇類、芳香環(huán)類、雜環(huán)類、烴類和生物堿等[1-2]。將煙草精油作為煙草的增香劑反添加于煙草中可彌補因煙草降焦處理而損失的香味[3-5]。此外，煙草精油對大腸桿菌、金黃色葡萄球菌和綠膿桿菌等有一定的抑菌作用[6]。

已報道的煙草精油提取方法有水蒸氣蒸餾法、溶劑提取法、超臨界萃取法等[7-12]，前兩種方法設(shè)備簡單、成本低，但工藝繁瑣、收率低。由于煙草精油中的揮發(fā)性芳香成分大多是非極性或弱極性化合物，在超臨界CO2流體中溶解度很大，故用超臨界CO2萃取是非常合適的提取方法。但目前采用超臨界CO2萃取煙草精油的研究大多只考慮了精油粗提物的收率而沒有考慮精油中致香成分的收率和精油品質(zhì)，對于煙草精油的進一步開發(fā)利用指導意義不大。

新植二烯在煙草揮發(fā)性物質(zhì)中含量最高，是形成烤煙清香特色的重要成分，其本身具有一定的香氣，可分解轉(zhuǎn)化為低分子香味成分，且新植二烯具有攜帶煙葉中揮發(fā)性香氣物質(zhì)和致香成分進入煙氣的能力，是煙葉的重要增香劑[13-14]。

作者采用超臨界CO2萃取煙草精油，以精油提取率、新植二烯提取率、精油品質(zhì)為評價指標，考察相關(guān)因素對萃取效果的影響，優(yōu)選萃取工藝條件，擬為煙草精油的進一步開發(fā)利用和工業(yè)化生產(chǎn)提供理論依據(jù)。

1 實驗

1.1 材料、試劑與儀器

煙草，南京卷煙廠。

乙醇、二氯甲烷、乙酸乙酯、丙酮，南京化學試劑有限公司；蒸餾水，自制。

Speed SFE型超臨界萃取裝置，美國Applied Separations公司；GC-2010型氣相色譜儀，日本島津公司；RTX-5型色譜柱，美國Restek公司。

1.2 超臨界CO2萃取方法

取17 g已干燥、粉碎的煙草裝入50 mL萃取釜中進行靜態(tài)萃取(夾帶劑由高壓泵輸送至萃取釜)。溶解了萃取物的超臨界CO2通過降壓閥轉(zhuǎn)變?yōu)槌簹怏w，萃取物與CO2分離后由接收瓶接收，CO2氣體經(jīng)轉(zhuǎn)子流量計計量后放空，取萃取產(chǎn)物進行氣相色譜分析。

1.3 萃取效果評價

為評價超臨界CO2萃取煙草精油的效果，從精油品質(zhì)、精油提取率及新植二烯提取率三方面對萃取效果進行評價。

1.3.1 精油品質(zhì)及提取率

精油的品質(zhì)主要從精油的顏色、香味及夾帶劑殘留等方面進行評價。

精油提取率(mg·g-1)依式(1)計算：

(1)

1.3.2 新植二烯提取率

1)樣品預處理

將萃取得到的精油充分溶解于二氯甲烷中，加少量無水Na2SO4干燥12 h，過濾后待分析。

2)氣相色譜分析

色譜條件：RTX-5型毛細管柱(30 m×0.32 mm,0.25 μm)；進樣口溫度310 ℃；載氣為氮氣，流速30 mL·min-1；空氣流量400 mL·min-1；氫氣流量47 mL·min-1；柱頭壓79 kPa；檢測器(FID)溫度320 ℃；分流比10∶1；進樣量1 μL；程序升溫：45 ℃保持2 min，以30 ℃·min-1升溫至135 ℃，再以15 ℃·min-1升溫至220 ℃并保持1 min，再以1 ℃·min-1升溫至226 ℃，保持1 min，再以20 ℃·min-1升溫至300 ℃并保持30 min。

煙草精油的氣相色譜如圖1所示?？梢钥闯?，新植二烯的出峰時間約在18.45 min。

圖1 精油氣相色譜

3)新植二烯提取率的計算

新植二烯提取率(mg·g-1)依式(2)、式(3)計算：

(2)

(3)

式中：c新植二烯為新植二烯的質(zhì)量分數(shù)；A新植二烯為新植二烯的氣相色譜峰面積，無因次；Ai為扣除溶劑峰后各個組分的氣相色譜峰面積，無因次；n為組分數(shù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 夾帶劑乙醇體積分數(shù)對萃取效果的影響

保持萃取壓力為25 MPa、萃取溫度為45 ℃、CO2流量為2.0 L·min-1、萃取時間為2.0 h，以不同體積分數(shù)的乙醇為夾帶劑進行萃取，結(jié)果如圖2所示。

圖2 乙醇體積分數(shù)對精油提取率和新植二烯提取率的影響

實驗表明：以水和無水乙醇作為夾帶劑時萃取所得的精油色澤棕黃、渾濁，品質(zhì)較差；采用6%、50%、94%的乙醇溶液作為夾帶劑時，精油色澤金黃、清亮，品質(zhì)較好。由圖2可知，當乙醇體積分數(shù)為94%時，精油和新植二烯的提取率均達到最大。這是因為，煙草中的揮發(fā)性物質(zhì)多為弱極性成分，通過改變乙醇和水的比例能調(diào)節(jié)夾帶劑的極性，進而調(diào)節(jié)整個萃取體系的極性，使之更接近于被萃取的產(chǎn)物，水的比例過大或過小均不利于萃取。綜合考慮精油和新植二烯的提取效果，選擇體積分數(shù)為94%的乙醇作為夾帶劑較為合適，同時也有利于后續(xù)萃取物的處理[15]。

2.2 夾帶劑流量對萃取效果的影響

保持萃取壓力為25 MPa、萃取溫度為45 ℃、CO2流量為2.0 L·min-1、萃取時間為2.0 h，以不同流量的94%乙醇為夾帶劑進行萃取，結(jié)果如圖3所示。

圖3 夾帶劑流量對精油提取率和新植二烯提取率的影響

實驗表明：夾帶劑流量較小時，萃取所得的精油品質(zhì)較好，當流量大于0.03 mL·min-1時萃取精油中雜質(zhì)逐漸增多，有夾帶劑殘留，精油品質(zhì)變差。由圖3可知，精油提取率隨著夾帶劑流量的增大而增大;新植二烯提取率則呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，在夾帶劑流量為0.04 mL·min-1時最大。這是因為，夾帶劑的流量會影響萃取溶劑的極性，流量增大時，夾帶劑在CO2溶劑中的比例增大，萃取溶劑的極性增大，其對產(chǎn)品的溶解能力提高，但是流量過大，導致萃取溶劑極性過大，會將一些雜質(zhì)提取出來，影響精油的品質(zhì)，反而不利于新植二烯的提取。因此，選擇夾帶劑的流量以0.02～0.04 mL·min-1為宜。

2.3 萃取壓力對萃取效果的影響

保持萃取溫度為45 ℃、CO2流量為2.0 L·min-1、萃取時間為2.0 h、94%乙醇作夾帶劑、夾帶劑流量為0.02 mL·min-1，在不同萃取壓力下進行萃取，結(jié)果如圖4所示。

圖4 萃取壓力對精油提取率和新植二烯提取率的影響

由圖4可知，當萃取壓力由15 MPa增大至20 MPa時精油的提取率顯著增大，超過20 MPa后增幅趨緩。且實驗中當萃取壓力超過30 MPa時精油由金黃色變?yōu)樽攸S，黏稠度增加。這是因為，萃取壓力增大時，CO2的密度增大，對溶質(zhì)溶解能力提高，因此萃取能力增強，但壓力過大會使樹脂類物質(zhì)溶出從而影響精油品質(zhì)。新植二烯提取率則隨著萃取壓力的增大呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，在25 MPa時最大，這可能是壓力過大會導致CO2分子、水分子和乙醇分子之間發(fā)生復雜的作用從而使溶劑對新植二烯溶解度降低造成的。因此，選擇萃取壓力以25 MPa為宜。

2.4 萃取溫度對萃取效果的影響

保持萃取壓力為25 MPa、CO2流量為2.0 L·min-1、萃取時間為2.0 h、94%乙醇作夾帶劑、夾帶劑流量為0.02 mL·min-1，分別在不同溫度下進行萃取，結(jié)果如圖5所示。

由圖5可知，當萃取溫度低于45 ℃時，精油和新植二烯的提取率都隨萃取溫度的升高顯著增大，當萃取溫度高于45 ℃時兩者都逐漸減小，但前者變化較為平緩、后者變化較大。實驗中65 ℃時萃取的精油呈淡黃色。這是因為，對于超臨界萃取過程，溫度升高一方

圖5 萃取溫度對精油提取率和新植二烯提取率的影響

面使溶質(zhì)擴散速度加快，有利于提?。涣硪环矫媸笴O2的密度減小，對溶質(zhì)的溶解能力降低，不利于提??；且溫度過高會使精油揮發(fā)較快，對某些易分解的致香成分也不利。綜合考慮，選擇提取溫度以45 ℃為宜。

2.5 CO2流量對萃取效果的影響

保持萃取壓力為25 MPa、萃取溫度為45 ℃、萃取時間為2.0 h、94%乙醇作夾帶劑、夾帶劑流量為0.02 mL·min-1，分別在不同CO2流量下進行萃取，結(jié)果如圖6所示。

圖6 CO2流量對精油提取率和新植二烯提取率的影響

由圖6可知，當CO2流量在1.0～2.5 L·min-1范圍內(nèi)增大時精油和新植二烯的提取率增長非常緩慢；當CO2流量由2.5 L·min-1增大到3.0 L·min-1時，提取率陡增。實驗中，當CO2流量超過2.5 L·min-1后提取物中出現(xiàn)夾帶劑并逐漸增多，精油品質(zhì)較差并給后處理帶來困難。這可能是因為，CO2流量適當增大時，萃取溶劑與被萃取物的質(zhì)量比上升，被萃取物易于向溶劑擴散，有利于萃取；但CO2流量過大會將夾帶劑帶出萃取釜，導致萃取物中夾帶劑殘留增多，精油品質(zhì)變差。因此，選擇CO2流量以2.0 L·min-1為宜。

2.6 萃取時間對萃取效果的影響

保持萃取壓力為25 MPa、萃取溫度為45 ℃、CO2流量為2.0 L·min-1、94%乙醇作夾帶劑、夾帶劑流量為0.02 mL·min-1，分別萃取不同時間，結(jié)果如圖7所示。

圖7 萃取時間對精油提取率和新植二烯提取率的影響

一般來說，延長萃取時間，能夠使萃取進行得更充分更完全，但由圖7可知，當萃取時間超過3.0 h后，精油和新植二烯的提取率增加并不顯著。從經(jīng)濟角度考慮，選擇萃取時間以3.0 h為宜。

2.7 超臨界CO2萃取煙草精油的正交實驗

為使萃取工藝更科學合理，在單因素實驗的基礎(chǔ)上以新植二烯提取率為考核指標，采用L9(34)正交實驗考察萃取壓力(A)、萃取溫度(B)、夾帶劑流量(C)及萃取時間(D)等主要因素對萃取效果的影響，以確定最佳工藝條件。各實驗中均采用94%乙醇為夾帶劑，并保持CO2流量為2.0 L·min-1，正交實驗結(jié)果與分析見表1。

表1正交實驗結(jié)果與分析

Tab.1Results and analysis of orthogonal experiment

由表1可知，各因素對萃取效果的影響大小依次為：萃取壓力>萃取時間>夾帶劑流量>萃取溫度，即萃取壓力對萃取效果的影響是最顯著的。最佳工藝條件組合為A2B2C3D3，即超臨界CO2流體萃取煙草精油的最佳條件為：萃取壓力25 MPa，萃取溫度50 ℃，以流量0.04 mL·min-1的94%乙醇為夾帶劑，CO2流量2.0 L·min-1，萃取時間3.0 h。

2.8 驗證實驗

在正交實驗優(yōu)化的萃取條件下進行驗證實驗，結(jié)果見表2。

表2驗證實驗結(jié)果/(mg·g-1)

Tab.2Results of confirm experiment/(mg·g-1)

由表2可知，在正交實驗確定的優(yōu)化條件下，精油平均提取率為37.58 mg·g-1、新植二烯平均提取率為4.045 mg·g-1，精油金黃透亮，具有煙草特有的清香，夾帶劑殘留少，表明正交實驗結(jié)果合理、可靠。

3 結(jié)論

通過單因素實驗和正交實驗確定超臨界CO2萃取煙草精油的優(yōu)化工藝條件為：以流量為0.04 mL·min-1的94%乙醇為夾帶劑、萃取壓力25 MPa、萃取溫度 50 ℃、CO2流量2.0 L·min-1、萃取時間3.0 h，在此條件下精油提取率達37.58 mg·g-1、新植二烯提取率達4.045 mg·g-1，且精油金黃透亮，夾帶劑殘留少，具有煙草特有的清香，品質(zhì)較好。此工藝兼顧了精油和新植二烯的提取率，無溶劑殘留，可為煙草精油的進一步開發(fā)利用和工業(yè)化生產(chǎn)提供參考。

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