廢棄煙葉中有效成分提取的研究進展

李豪豪 李照民 王成卓 李威 趙世民 江凱 澹臺曉偉 朱桃月

摘要煙葉中含有大量珍貴的天然成分，可供提取出來反添加到卷煙中，能夠有效改善、提升卷煙品質(zhì)。概述了煙葉中主要有效成分，綜述了廢棄煙葉中有效成分提取的主要方法，展望了廢棄煙葉中有效成分提取的未來發(fā)展方向。

關鍵詞廢棄煙葉；有效成分；提??；研究進展

中圖分類號S572文獻標識碼A文章編號0517-6611（2015）34-083-05

煙草產(chǎn)業(yè)目前已在全世界范圍內(nèi)發(fā)展成為一個異常龐大的產(chǎn)業(yè)，世界上生產(chǎn)煙葉國家超過120個，世界煙草消費達到4 000億美元[1]。我國是煙草大國，種植面積大約13 300 km2，年產(chǎn)量約240×104 t，居世界首位。由于種植技術、地理環(huán)境、生產(chǎn)技術等原因制約，并不是所有的煙葉都可以用作加工與生產(chǎn)。每年有將近25%的煙葉以及煙末等下腳料被遺棄[2]，不僅造成自然資源的浪費，而且對環(huán)境造成嚴重污染。煙葉中含有大量珍貴的天然成分，可供提取出來反添加到卷煙中，能夠有效改善、提升卷煙品質(zhì)?，F(xiàn)階段超臨界萃取、分子蒸餾等先進無污染的提取分離手段發(fā)展成熟，為有效利用廢棄煙葉中珍貴的天然產(chǎn)物提供了可能，可以有效彌補我國乃至全世界天然產(chǎn)物領域的產(chǎn)能不足。目前，一大批研究學者對煙葉中有效成分的提取工藝做了大量研究，對煙葉中成百上千種致香物質(zhì)的提取工藝進行了優(yōu)化，并取得了顯著的成就。我國加入世界貿(mào)易組織（WTO）以后，與國際煙葉市場競爭激烈，我國煙草行業(yè)面臨著提高煙葉生產(chǎn)水平和質(zhì)量水平的雙重要求。有效利用廢棄煙葉，將更加有利于我國煙草事業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

1煙葉中主要成分

煙葉中含有豐富的天然物質(zhì)，目前檢測到的已達到4 900余種[3]，主要包括生物堿、氨基酸、糖類、蛋白質(zhì)、有機酸等物質(zhì)。1956年，Rowland等從煙葉中分離茄尼醇、新植二烯等致香物質(zhì)[4]。1968年，Stedman總結(jié)了煙草中發(fā)現(xiàn)的100多種酸性成分[5]。1992年，冼可法等利用多種提取方法，結(jié)合GCMS、GCIR等分析手段，對河南和云南烤煙成分進行了分析[6]，共發(fā)現(xiàn)烴類31種、醇類19種、醛類19種、酮類37種、酯類14種、酸類13種、呋喃及其他類化合物5種、含氮化合物5種。煙葉中的主要致香成分是含有OH、NH、SH等特定致香基團的有機物。按照所含香味基團的不同，煙草致香物質(zhì)可以分為：醇類、酮類、醛類、酸類、酯類、酚類、氮雜環(huán)類、內(nèi)酯類、酰胺類、呋喃類、醚類及烴類等[7]。

1.1揮發(fā)酸類化合物

煙葉中所含有機酸是指除了氨基酸以外的有機酸：脂肪酸、芳香酸、萜烯酸、羥基酸，是煙葉的重要組成部分。有機酸種類極其復雜，含量差異大，總含量一般達到煙葉總重12%～16%。其中揮發(fā)性有機酸僅占0.01%～0.20%，卻是煙葉感官的最主要影響因素[8]。早在1955年，李炎強等利用水蒸氣蒸餾并結(jié)合GCMS等設備考察了煙葉及煙梗中揮發(fā)性酸的含量，共發(fā)現(xiàn)揮發(fā)性酸二十余種[9]。并發(fā)現(xiàn)分子量小、揮發(fā)性強的酸主要聚集在煙葉中，而分子量大、揮發(fā)性弱的酸集中在煙梗之中。李海鋒等采用全二維氣相色譜-飛行時間質(zhì)譜，對煙葉中有機酸進行了鑒定與含量分析，共鑒定出143種揮發(fā)性以及半揮發(fā)性有機酸[10]。薛超群等對44個國產(chǎn)和2個進口煙葉進行了對比分析，發(fā)現(xiàn)國產(chǎn)煙葉中半數(shù)以上普遍煙堿含量偏高，揮發(fā)酸總量均低于2個進口煙葉[11]；并指出煙葉中總揮發(fā)酸含量越高，其香氣則越純正。雖然揮發(fā)酸含量多少對煙氣是否醇和有著至關重要的作用，但是低碳的揮發(fā)酸，如甲酸、乙酸和丙酸等刺激性較強，反而會影響煙氣品質(zhì)。

1.2醇類化合物

煙葉中醇類化合物主要分為苯甲醇、苯乙醇、茄尼醇、芳樟醇、糠醇、3甲基l丁醇、寸拜醇、西柏三烯二醇等。煙草中醇類化合物含量約占煙葉總量的0.77%～1.25%，并對煙葉香氣質(zhì)量有很大的影響。煙葉中醇類化合物的致香作用主要是由于羥基的存在，但是香氣的強弱與羥基的多少成反比關系[12]。倪戈婷等采用同時蒸餾萃取法在云南K326煙葉中鑒定出18種醇類化合物的存在[13]。趙高坤等考察了不同烘烤工藝對煙葉內(nèi)醇類化合物含量的影響，綜合評價了不同烘烤工藝對煙葉醇類化合物含量的影響，對改善煙葉品質(zhì)起到一定的指導作用[14]。宣曉泉等研究了煙葉內(nèi)醇類化合物隨煙葉不同成熟度的變化，發(fā)現(xiàn)煙葉內(nèi)醇類化合物隨著煙葉成熟度增加而增加，并在成熟后逐漸減少[15]。

1.3羰基化合物

煙葉中羰基化合物主要包括醛類和酮類有機物，其主要影響煙葉的味覺品質(zhì)。其中大馬酮、茄尼酮、紫羅蘭酮、巨豆三烯酮以及香草醛、檸檬醛等是煙葉中重要的致香成分。武圣江等研究了烤煙烘烤方式對烤煙內(nèi)所含羰基類化合物含量的影響[16]。張碰元等考察了津巴布韋煙葉等5種煙葉中羰基類化合物的含量，發(fā)現(xiàn)津巴布韋及白肋煙中羰基類化合物的含量較高[17]。徐華軍等研究了煙葉中羰基類化合物對煙葉味覺特性的影響，發(fā)現(xiàn)甲醛致苦，丙烯醛、丙酮致甜，乙醛、丙醛與味覺特性多元線性相關[18]。

1.4煙堿

煙堿俗稱尼古丁，是煙葉中含量最高的生物堿，在煙葉中多以S型存在，具有很強的生理活性。根據(jù)N甲基四氫吡咯環(huán)上取代基的種類與位置不同，可以分為α煙堿、β煙堿、γ煙堿等。常說的煙堿指的是β煙堿[19]，結(jié)構(gòu)如圖1所示。煙堿在室溫下成無色或者淡黃色油狀液體。多年來煙堿主要用于殺蟲劑的制造產(chǎn)業(yè)，近年來逐漸深入到保健、食品、醫(yī)藥等行業(yè)。研究表明，煙堿對各種疾病，比如：精神分裂癥、帕金森綜合征、老年癡呆癥、妥瑞氏癥候群、大腸潰瘍等有積極影響[20]。因此，市場對煙堿特別是高純煙堿的需求巨大。目前應用于煙堿提取、提純的工藝主要包括水蒸氣蒸餾法、溶劑提取法、同時蒸餾萃取法、離子交換法、液膜法以及超臨界萃取法等。

圖1煙堿分子結(jié)構(gòu)

1.5蒎烷

蒎烷有順式、反式2種結(jié)構(gòu)，其中順式蒎烷（圖2）較反式有更重要的用途。蒎烷是合成高級香料以及維生素A、E、K的重要原料，同時也是煙葉中的關鍵致香成分之一。目前蒎烷的獲取途徑主要是由蒎烯經(jīng)加氫過程人工合成。早在1944年，A.L.Rummelsburg就研究了蒎烷的加氫合成工藝[21]。1991年，徐之雒等研究了硼化鎳型催化劑用于α蒎烯液相常壓加氫合成蒎烷的工藝過程[22]。蒎烷產(chǎn)率達到95%，其中順式蒎烷選擇性高達97%以上，蒎烯轉(zhuǎn)化率接近100%。張獻忠等[23]和冷璐等[24]分別報道在煙葉中發(fā)現(xiàn)蒎烷，但是二者所用提取方法提取產(chǎn)物蒎烷含量較低。

圖2蒎烷分子結(jié)構(gòu)

1.6天然維生素E

維生素E又稱生育酚，具有很強的生物活性，極易被氧化。天然維生素E主要有4種同系物，分別是α維生素E（αtocopherol）、β維生素E（βtocopherol）、γ維生素E（γtocopherol）和δ維生素E（δtocopherol），結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖34種天然維生素E分子結(jié)構(gòu)

4種天然維生素E中屬α維生素E的生物活性最高。早在19世紀20年代，Evans等就在研究生殖過程中發(fā)現(xiàn)了維生素E的存在[25]。1924年，Sure.B等對維生素E進行了命名[26]。但是目前此類命名在國際上基本不再使用，取而代之的是國際生物化學聯(lián)合會（IUB）發(fā)布的通用名：2R，4R，8R生育酚或（RRR）生育酚[27]。天然維生素E主要來源于油脂加工廢料：脫臭餾出物。脫臭餾出物中天然維生素E含量豐富，占總量的4%～15%[28]，但是經(jīng)過脫臭餾出物提出的天然維生素E生物活性較低[29]。目前國外合成維生素E的生產(chǎn)技術已經(jīng)處于發(fā)達水平。2004年9月，荷蘭斯曼集團已建成年產(chǎn)2.5萬t的維生素E生產(chǎn)線，相比之下，我國的維生素E生產(chǎn)技術水平處于摸索前進狀態(tài)[30]。雖然合成天然維生素E的技術已到達如此高的境界，但是合成維生素E仍然不能取代天然維生素E的位置。合成維生素E在立體結(jié)構(gòu)上與天然維生素E存在一定差異，合成天然維生素E共有8種不用的立體異構(gòu)分子結(jié)構(gòu)，其中僅有1種與天然維生素E相同，剩余7種在天然維生素E中并不存在。在生物活性方面，天然維生素E比合成維生素E具有更高的生物活性。早在20世紀50年代，就通過“鼠胎吸收法”測定了天然維生素E的生物活性要比合成維生素E高出36%[31]。

2煙葉主要成分的提取方法

常用的從煙草中分離香氣成分的方法有水蒸氣蒸餾、溶劑萃取、同時蒸餾萃取、超臨界CO2萃取等。

2.1水蒸氣蒸餾

水蒸氣蒸餾作為一個傳統(tǒng)、常用的提取方法，在20世紀中葉植物天然產(chǎn)物的提取過程中被廣泛應用[32-34]。該方法操作簡單，過程穩(wěn)定，尤其應用在植物揮發(fā)油的提取研究之中。在煙葉揮發(fā)性成分的提取純化研究中，水蒸氣一直扮演著較為重要的角色。Robert S等利用傳統(tǒng)的水蒸氣蒸餾方法對尼古丁進行了測定[35]。但是這種傳統(tǒng)的水蒸氣蒸餾具有一定的弊端：由于暴沸以及大量的蒸汽的產(chǎn)生在整個水蒸氣蒸餾的過程中，必須花費大量精力在看管設備上面。同時由于需要收集大量體積的冷凝液，整個蒸餾過程需要花費相當長的時間[36]。Kirk 在PozziEscot的設備基礎上做了相應的修改，添加了獨立的水蒸氣發(fā)生器，從而發(fā)明了更加令人滿意的能進行大規(guī)模生產(chǎn)的水蒸氣蒸餾設備[37] 。隨著超聲、微波等手段的出現(xiàn)，水蒸氣蒸餾法得到了進一步的提升。鄒小兵等利用微波水蒸氣蒸餾法對八角茴香揮發(fā)油的提取進行了研究，結(jié)果表明，微波水蒸氣蒸餾法的提取效率與普通水蒸氣蒸餾的效率基本無異，所得揮發(fā)油成分也幾近相同，不同之處僅僅在于不同成分的含量有所差異[38]。但是相比普通水蒸氣蒸餾，微波水蒸氣蒸餾所用的時間減半。謝捷等利用閃蒸輔助水蒸氣蒸餾對生姜揮發(fā)油的提取進行了研究，結(jié)果表明，閃蒸輔助水蒸氣蒸餾法提取產(chǎn)物成分與傳統(tǒng)水蒸氣蒸餾基本相同，但精油收率得到了31%的提升[39]。上述兩位作者通過減少提取時間或提高精油收率使得揮發(fā)油的提取效率有了較高的提升。耿永勤等對煙葉中揮發(fā)酸采用水蒸氣蒸餾法進行分離，揮發(fā)酸的回收率達到了98%以上[40]。高宏建等對煙草精油的水蒸氣蒸餾法提取工藝進行了研究，通過單因素試驗及正交試驗的方法得到最佳提取條件，并獲得了1.7%的精油收率[41]。K.R.Kim研究了煙葉精油的水蒸氣蒸餾提取-萃取過程，此過程的重復性良好，主要成分提取率的誤差保持在±3%以內(nèi)，并將此過程應用于其他天然產(chǎn)物的提取[42]。此方法的缺陷在于蒸餾過程中消耗大量水蒸氣，也就意味著大量的能源消耗；另外，提取液還需要大量有機溶劑進行萃取，處理量很大，溶劑消耗量也極其巨大。

43卷34期李豪豪等廢棄煙葉中有效成分提取的研究進展

2.2溶劑萃取

溶劑萃取通常在低溫或較低溫下進行，因此特別適用于熱敏性及易揮發(fā)性物質(zhì)的萃取，且易于實現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)，因此其應用范圍迅速擴大至石油、化工、醫(yī)藥、濕法冶金等領域[43-44]。盧紅兵等考察了不同極性的有機溶劑對不同煙草中的亞硝胺含量的萃取效果，得到了對指導低危害性卷煙的生產(chǎn)有著重要意義的研究結(jié)果[45]。在煙葉指紋圖譜的建立過程中，溶劑萃取法又是簡單有效的樣品前處理方法[46]。

溶劑萃取作為一種常用的分離和提純物質(zhì)的方法，主要包括有索氏萃取、攪拌萃取、超聲波輔助萃取和微波輔助萃取等技術[47]。1975年，Adel AbuSamra等首次報道了以微波為熱源對生物樣品進行濕法灰化[48]。20世紀80年代后期，Ganzler首次利用微波爐進行有機物的萃取[49]。微波輔助萃取一般具有降低萃取時長、提升萃取效率等優(yōu)點。超聲輔助萃取與微波輔助萃取有一定的相似之處，都是通過一種輔助手段強化萃取過程中的傳質(zhì)過程。Zhu X等對煙葉中揮發(fā)性有機酸進行了微波輔助溶劑萃取，并與傳統(tǒng)萃取方法進行了比較[50]。此種方法在提高提取效率（2倍）、縮短提取時間（0.33∶4.00 h）、減少提取溶劑消耗（20∶100 ml）上均取得了良好的成果。超聲輔助萃取始于1936年Chambers等利用超聲波輔助從各種細菌培養(yǎng)液中提取酶的過程中[51]。Thompson等報道超聲輔助萃取效率比索氏提取法高出2.76倍[52]。超聲波產(chǎn)生強烈振動、高加速度、強烈空化效應、熱效應、攪拌作用等，可以加速藥物有效成分進入溶劑，從而提高提取效率并避免了高溫對熱敏物質(zhì)的破壞[53]。同微波輔助萃取一樣，超聲輔助萃取具有縮短萃取時長、減少溶劑使用、提高萃取效率等優(yōu)點。但二者又都有難以實現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)、操作條件不當會損害目的產(chǎn)物等缺點。

2.3同時蒸餾萃取

1964年Likens和Nickerson首次提出同時蒸餾萃取技術（Simultaneous Distillation Extraction，SDE）[54]。當時同時蒸餾萃取技術作為樣品的前處理技術。同時蒸餾萃取技術是通過同時對2個裝有有機溶劑及樣品水溶液的加熱釜進行加熱，待兩釜內(nèi)的液體沸騰之后，上升蒸汽在同一個冷凝器內(nèi)冷凝，帶有樣品的水相與有機相混合從而達到萃取的目的，之后由于兩股物料的密度不同且不互溶，分別進入各自所對應的加熱釜內(nèi)實現(xiàn)循環(huán)萃取，如圖4。此方法只需要少量溶劑便可大量提取樣品，彌補了水蒸氣蒸餾技術消耗大量溶劑、設備尺寸較大等不足。目前同時蒸餾萃取技術廣泛應用于香料、食品、中藥等領域的提取分離等。在煙葉揮發(fā)性物質(zhì)的提取分析過程中，同時蒸餾萃取相比水蒸氣蒸餾法提取分析的物質(zhì)范圍稍廣一些，水蒸氣蒸餾法主要適用于揮發(fā)半揮發(fā)性物質(zhì)的提取，然而同時蒸餾萃取對大分子高沸點的半揮發(fā)性物質(zhì)的提取效果稍高于水蒸氣蒸餾。另外，同時蒸餾萃取簡化了水蒸氣蒸餾的實驗步驟，節(jié)省了大量的有機溶劑，縮短了試驗時間，減少大量工作量[55]。楊再波等采用同時蒸餾萃取方法，研究了烤煙煙梗中揮發(fā)性香氣成分的組成，鑒定出39種香氣成分，且實驗穩(wěn)定，重復性好[56]。目前常用的常壓同時蒸餾萃取存在一些問題：污染問題，水蒸氣以及有機溶劑帶來的污染，對試劑的檢測帶來了一定干擾；氧化問題，樣品中常常會有一些熱敏性物質(zhì)在提取過程中發(fā)生反應，導致熱敏性物質(zhì)的損失；沒有解決水蒸氣蒸餾巨大能耗的問題。正是由于以上缺點，減壓同時蒸餾萃取技術（VDE）應運而生，較好地解決了以上問題[57]。在煙葉香氣成分提取過程中，同時蒸餾萃取技術的回收率高、重復性好、有利于香氣物質(zhì)的定量分析。減壓同時蒸餾萃取法重復性及回收率較同時蒸餾萃取法較差，但是能降低揮發(fā)性物質(zhì)的蒸汽壓，使其在較低溫度下逸出，避免高溫下可能帶來的損失，因此可以更真實地反映煙葉香氣成分的原始組成[58]。

2.4超臨界流體萃取

超臨界流體（Supercritical Fluid，SF）是指溫度和壓力都高于其臨界溫度和壓力的流體。由于其密度接近液體，而黏度與擴散系數(shù)卻接近于氣體，故而SF擁有與液體相當?shù)妮腿∧芰?，還有優(yōu)良的傳質(zhì)能力。在超臨界區(qū)域內(nèi)，如果SF的壓力、溫度稍有改變，都會引起SF密度的相當大的變化，從而導致溶質(zhì)在SF中的溶解度發(fā)生相當大的變化，所以調(diào)節(jié)SF的壓力與溫度可以達到選擇性萃取的效果。超臨界萃取（Supercritical Fluid Extraction，SFE）正是利用了SF上述優(yōu)點，形成了獨特的新型分離工藝[59]。可作為超臨界流體的物質(zhì)有很多種，最常用的是二氧化碳，主要是因為其臨界溫度低（31.06 ℃），故而可以在室溫條件下達到超臨界狀態(tài)，減少萃取過程中的熱敏性物質(zhì)分解以及易揮發(fā)性物質(zhì)的逸散。二氧化碳的臨界壓力為7.39 MPa[60]，也較容易達到，壓縮氣體所需要能耗消耗較少。SFE的興起，一定程度上避免了萃取過程中的溶劑使用，對毒性要求較高的食品、醫(yī)藥領域以及減少環(huán)境污染具有重要意義。

超臨界CO2（Supercritical Carbon Dioxide，SCCO2）是超臨界流體的一種。超臨界CO2萃取的理論依據(jù)實際上是相似相溶的原理。氣態(tài)CO2本身是無極性的分子，但是在超臨界狀態(tài)下，分子結(jié)構(gòu)由于壓力的作用而變彎曲，呈現(xiàn)出一定的極性。因此，超臨界CO2對與它極性類似的有機物有一定的提取作用。超臨界CO2萃取不僅萃取效率高、耗能低，而且分離方便、無殘留，在萃取過程中無O2的混入，從而在一定程度上避免了某些強還原性物質(zhì)的氧化，例如煙葉中所含的天然維生素E（α生育酚）。雖然超臨界CO2表現(xiàn)出一定的極性，但超臨界CO2萃取對非極性及弱極性物質(zhì)的提取效果良好，對極性物質(zhì)的提取效果卻一般，為了解決這個問題，萃取過程中通常加入極性夾帶劑，常用的極性夾帶劑有乙醇、甲醇、水等[61]。超臨界CO2在萃取煙葉香氣成分中具有得天獨厚的優(yōu)勢，傳統(tǒng)的溶劑提取、水蒸氣蒸餾等方法不僅不利于環(huán)保，而且會在提取過程中損失大量香氣成分，并難以避免溶劑殘留問題，超臨界CO2萃取則不存在上述問題。董超宇等采用超臨界CO2萃取煙葉中的煙堿，確定最佳提取工藝為：萃取壓力12～16 MPa，溫度42～52 ℃，時間1.5～2.0 h，得到含有一定雜質(zhì)的煙堿粗品，經(jīng)過減壓蒸餾精制，最終得到煙堿含量98% 以上的純品[62]。

3展望

廢棄煙葉中含有豐富的天然產(chǎn)物資源，煙堿等可以用作殺蟲劑的生產(chǎn)；蒎烷、西伯三烯1，3二醇等致香成分是重要的食用香精、香水精油；α維生素E是重要的抗氧化劑，在醫(yī)藥、食品等領域有著極其重要的地位。合理利用這些廢棄煙葉中的天然產(chǎn)物，不僅可以減輕環(huán)境壓力，同時也可為我國帶來巨大的經(jīng)濟效益，實現(xiàn)廢物的二次利用。

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