烤煙中致香物質(zhì)的超臨界萃取技術(shù)研究

于衛(wèi)松，曹建敏，張義志，寧 揚(yáng)，孫 鵬，方 松 (中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院煙草研究所，山東青島 266101)

超臨界流體萃取SCFE(Supercritical Fluid Extraction)是近年來在國內(nèi)外得到較快發(fā)展的一種新型提取分離技術(shù)。超臨界流體(SCF)即穩(wěn)定的純物質(zhì)在臨界點之上的狀態(tài)，而臨界點則是純物質(zhì)以既非液相也非氣相的單一相存在的最低溫度和最低壓力點，任何物質(zhì)都有其固定的臨界點。SCF的性質(zhì)介于液體和氣體之間，密度為氣體的數(shù)百倍，接近于液體，流動性和黏度也接近于液體，擴(kuò)散系數(shù)約為氣體的百分之一，較液體大數(shù)百倍。因而SCF具有較高的溶解能力、萃取速度和較好的傳輸性能。溫度和壓力的微小變化會導(dǎo)致SCF密度的極大變化，從而相當(dāng)大地改變?nèi)苜|(zhì)的溶解度。因此，通過改變物理參數(shù)(溫度、壓力)的方法就能方便地改變流體的溶解能力，達(dá)到選擇性萃取分離的目的。液體二氧化碳和超臨界二氧化碳對烤煙內(nèi)致香物質(zhì)成分有很好的萃取能力，并有對萃取致香物質(zhì)成分的選擇性。二氧化碳臨界溫度較低，對致香物質(zhì)成分沒有活性，故萃取、分離在低溫下操作，使芳香成分不分解、回收率高;同時由于具有萃取過程易于控制、萃取效率高、無有機(jī)溶劑殘留等優(yōu)點而廣泛應(yīng)用于食品、醫(yī)藥、香精香料等領(lǐng)域［1］。

在煙草行業(yè)中，超臨界萃取技術(shù)也有所應(yīng)用。自1995年開始先后有田景州等［2］、高勇等［3］報道利用超臨界二氧化碳從煙草中萃取煙草凈油應(yīng)用于卷煙加香;2001年，張明福等將二氧化碳超臨界萃取技術(shù)作為煙草分析的前處理手段進(jìn)行了初步探索［4］。筆者擬考察烤煙中致香物質(zhì)的超臨界萃取技術(shù)的可行性，初步探索烤煙致香物質(zhì)的超臨界萃取方法，為烤煙中致香物質(zhì)的有效提取分離提供理論依據(jù)，為精確測定烤煙中致香物質(zhì)的含量打下堅實的基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1．1 材料

1．1．1 原料與試劑。試驗所用烤煙樣品為農(nóng)業(yè)部煙草產(chǎn)業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗測試中心的烤煙標(biāo)物。乙醇、異丙醇、正己烷、二氯甲烷均為色譜純;液態(tài)二氧化碳，純度＞99．5%;氯化鈉、無水硫酸鈉為分析純。

1．1．2 主要儀器。超臨界萃取儀(Thar)，美國waters公司;超臨界流體色譜儀(UPCC)，美國waters公司;氣質(zhì)聯(lián)用儀(Agilent7890A-5975C)，美國 Agilent公司;同時蒸餾萃取裝置;旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀;分析天平;水浴鍋;電熱套;水蒸氣蒸餾裝置;40 Hz超聲波萃取器。

1．2 試驗方法 稱取10 g煙葉粉末，裝入超臨界萃取儀的萃取管內(nèi)進(jìn)行萃取，設(shè)定不同夾帶劑、萃取壓力、萃取溫度等不同組合，對萃取管內(nèi)的煙末樣品進(jìn)行萃取，將萃取后獲得的提取物用乙醇溶劑定容到40 ml，進(jìn)行UPCC-PDA分析和GC/MS分析，根據(jù)分析結(jié)果得到最佳提取條件。

2 結(jié)果與分析

通過對不同夾帶劑、萃取壓力、萃取溫度等因素的研究，分析烤煙致香物質(zhì)超臨界萃取方法。

2．1 不同夾帶劑對萃取結(jié)果的影響研究 試驗對比了不使用夾帶劑以及以乙醇和異丙醇∶正己烷(異丙醇∶正己烷=3∶7)為夾帶劑的3種處理。二氧化碳流速為5 ml/min，萃取壓力為20 000 kPa，萃取溫度為50℃，兩種夾帶劑流速均為0．5 ml/min，萃取時間為40 min。

從萃取結(jié)束后收集提取物的量來看，不使用夾帶劑以及以異丙醇∶正己烷(異丙醇－正己烷=3∶7)為夾帶劑的試驗處理所得到的提取物的量均遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于以乙醇為夾帶劑的試驗處理所得到的提取物的量，故該試驗采用乙醇為夾帶劑進(jìn)行后續(xù)提取條件的探索。

2．2 不同萃取壓力對萃取結(jié)果的影響研究 為研究不同萃取壓力對萃取結(jié)果的影響，在相關(guān)文獻(xiàn)研究的基礎(chǔ)上設(shè)置了3個試驗處理P1、P2、P3，具體試驗條件如表1所示。

萃取結(jié)束后，將收集的萃取物的溶劑揮干，用二氯甲烷復(fù)溶至4 ml，進(jìn)行GC/MS分析，結(jié)果如表2所示。

表1 萃取壓力設(shè)置

表2 不同萃取壓力結(jié)果

由表2分析可知，P1、P2兩者共有的萃取組分共有43 種，其中P1處理萃取效果較好的有9種，分別是1，3-二叔丁基苯、丙酸、E-5-異丙基-8-甲基-6，8-壬二烯-2-酮、新植二烯、植酮、巨豆三烯酮D、法尼基丙酮、油酸甲酯、二十七烷;P2處理萃取效果較好的有32種，分別是丁醇、乙酸、甲酸、2，3-丁二醇、戊酸、己酸、丙二醇、香葉基丙酮、3-(1-甲基-2-吡咯烷基)－吡啶、苯甲醇、乙氧基乙酸、麥芽醇、二乙二醇、2-乙?；量?、α-羥基-β，β-二甲基-γ-丁內(nèi)酯、棕櫚酸甲酯、1-甲基-2-吡咯-2-酮、3，5，11，15-四甲基已烯-3-醇、2-吡咯烷酮、乙酰丙酸、二烯煙堿、苯甲酸、2-糠酸、2，5-吡咯烷二酮、2，3＇-聯(lián)吡啶、5-羥甲基糠醛、苯乙酸、葉綠醇、十四烷酸、煙酸、N-甲基煙酰胺、十五酸;P1和P2萃取效果結(jié)果基本相同的有2種，分別是2-哌啶酮、亞油酸甲酯。P1特有的萃取組分有9種，分別是2，6二甲基辛二烯、2-丙烯酸、2-甲基丁酸、癸醇、角鯊烯、穿心蓮內(nèi)酯、硬脂酸甲酯、4-羥基呋喃酮、鄰苯二甲酸-6-乙基-3-辛基丁酯。P2特有的萃取組分有11種，分別是3-呋喃甲醇、2-甲基己酸、3，7-二甲基辛醇、2-吡咯甲醛、3，5-二羥基-6-甲基吡喃酮、2-羥基-5-甲基吡啶、2，4-二特丁基苯酚、丁二酸單甲酯、二十一烷、4-羥基甲基丁酸內(nèi)酯、(+/-)-3-羥基-r-丁內(nèi)酯。

由以上分析可以看出，P2處理煙末中致香物質(zhì)萃取的數(shù)量稍多于P1處理;從P2處理與P1處理共同萃取的致香物質(zhì)的量上來看，P2處理優(yōu)于P1處理?？傮w來看，P2處理的萃取結(jié)果好于P1處理。

研究的結(jié)果表明學(xué)生總體來說缺乏與策略相關(guān)的意識。他們相對來說缺乏豐富的策略儲備，例如他們對學(xué)習(xí)策略不大了解。因此，他們不能實施恰當(dāng)?shù)膶W(xué)習(xí)策略和有意識的控制學(xué)習(xí)策略的使用[6]。所有這些都說明學(xué)生在不同的語言學(xué)習(xí)任務(wù)中實施恰當(dāng)?shù)膶W(xué)習(xí)策略以及控制策略使用方面的能力比較低。因此學(xué)習(xí)策略的培訓(xùn)也是迫在眉睫。學(xué)習(xí)策略的訓(xùn)練旨在幫助學(xué)習(xí)者考量影響自己學(xué)習(xí)的因素，找到最適合自己的學(xué)習(xí)策略，這樣學(xué)習(xí)者才可能更有效的學(xué)習(xí)，并且對自己的學(xué)習(xí)負(fù)責(zé)。它更加關(guān)注的是學(xué)習(xí)過程，因此強(qiáng)調(diào)是如何學(xué)而不是學(xué)什么。因此高校應(yīng)盡可能地為非英語專業(yè)大學(xué)生自主學(xué)習(xí)英語的過程中提供相應(yīng)的幫助和指導(dǎo)，讓學(xué)生掌握如何自主學(xué)習(xí)英語的能力。

P2、P3兩者共有的萃取組分共有47種，其中P2處理萃取效果較好的有32種，分別是丁醇、1，3-二叔丁基苯、乙酸、甲酸、丙酸、2，3-丁二醇、丙二醇、戊酸、己酸、3-(1-甲基-2-吡咯烷基)－吡啶、苯甲醇、新植二烯、乙氧基乙酸、麥芽醇、二乙二醇、植酮、2-哌啶酮、棕櫚酸甲酯、1，5-二氫-1-甲基-2-吡咯 2-酮、3，5-二羥基-6-甲基吡喃酮、2，4-二特丁基苯酚、二烯煙堿、乙酰乙酸、2-糠酸、亞油酸甲酯、苯乙酸、2，3-聯(lián)吡啶、二十一烷、5-羥甲基糠醛、煙酸、(+/-)-3-羥基-r-丁內(nèi)酯、2，5-吡咯烷二酮;P3處理萃取效果較好的有11種，分別是E-5-異丙基-8-甲基-6，8-壬二烯-2-酮、香葉基丙酮、2-乙?；量ⅵ?羥基-β，β-二甲基-γ-丁內(nèi)酯、巨豆三烯酮 D、法尼基丙酮、苯甲酸、亞麻酸甲酯、葉綠醇、二十七烷、十五酸;P1和P2萃取效果結(jié)果基本相同的有4種，分別是2-吡咯烷酮、2-吡咯甲醛、丁二酸單甲酯、十四烷酸。P2特有的萃取組分有7種，分別是 3-呋喃甲醇、2-甲基己酸、3，7-二甲基辛醇、3，5，11，15-四甲基－己烯-3-醇、2-羥基-5-甲基－吡啶、乙酰丙酸、4-羥甲基－丁酸內(nèi)酯。P3特有的萃取組分有4種，分別是2-甲基丁酸、4-氧代戊酸、4-甲基 －苯甲醛、鄰苯二甲酸-6-乙基-3-辛基丁酯。

由以上分析可以看出，P2處理煙末中致香物質(zhì)萃取的致香物質(zhì)種類多于P3處理;從P2處理與P3處理共同萃取的致香物質(zhì)的量上來看，P2處理明顯優(yōu)于P3處理?？傮w來看，P2處理的萃取結(jié)果好于P3處理。

由P1、P2、P3綜合分析可以看出，當(dāng)壓力較低時，增加CO2的壓力，CO2密度顯著增加，而擴(kuò)散系數(shù)減少不大，溶解能力較強(qiáng)，萃取效果隨壓力升高增加，因此P2處理20 000 kPa)萃取效果優(yōu)于P1處理(16 000 kPa);當(dāng)壓力達(dá)到一定程度后，CO2密度隨壓力升高而增加比較緩慢，但擴(kuò)散系數(shù)減少較為顯著，且壓力過高，易使煙末出現(xiàn)板結(jié)現(xiàn)象，影響致香物質(zhì)的溶出效率，故P2處理(20 000 kPa)萃取效果優(yōu)于P3處理(24 000 kPa)。因此，將該研究的最佳萃取壓力設(shè)為20 000 kPa(即P2處理)。

2．3 不同萃取溫度對萃取結(jié)果的影響研究 為研究不同萃取溫度對萃取結(jié)果的影響，在相關(guān)文獻(xiàn)研究的基礎(chǔ)上設(shè)置了4 個試驗處理 T1、T2(即 P2處理)、T3、T4，具體試驗條件如表3所示。

表3 萃取溫度設(shè)置

萃取結(jié)束后，將收集的萃取物的溶劑揮干，用二氯甲烷復(fù)溶至4 ml，進(jìn)行GC/MS分析，結(jié)果如表4所示(其中T2處理的結(jié)果仍用表2表示)。

由表4分析可知:T1、T2兩者共有的萃取組分共有42種，其中T1處理萃取效果較好的有11種，分別是丁醇、丙酸、E-5-異丙基-8-甲基-6，8-壬二烯-2-酮、植酮、二烯煙堿、巨豆三烯酮、法尼基丙酮、油酸甲酯、亞麻酸甲酯、煙酸、十四烷酸;T2處理萃取效果較好的有29種，分別是1，3-二叔丁基苯、乙酸、2，3-丁二醇、丙二醇、2-甲基己酸、戊酸、己酸、3-(1-甲基-2-吡咯烷基)－吡啶、苯甲醇、新植二烯、乙氧基乙酸、麥芽醇、二乙二醇、2-乙酰基吡咯、α-羥基-β，β-二甲基-γ-丁內(nèi)酯、2-吡咯烷酮、棕櫚酸甲酯、1，5-二氫-1-甲基-2-吡咯-2-酮、3，5-二羥基-6-甲基吡喃酮、2-羥基-5-甲基吡啶、乙酰丙酸、苯甲酸、2-糠酸、(+/-)-3-羥基-r-丁內(nèi)酯、5-羥甲基糠醛、苯乙酸、葉綠醇、2，5-吡咯烷二酮、2，3-聯(lián)吡啶;T1和 T2萃取效果結(jié)果基本相同的有2種，分別是香葉基丙酮、十五酸。T1特有的萃取組分有6種，分別是2，6-二甲基辛二烯、1-甲基吡咯-2-甲醛、2-羥基-5-甲基苯乙酮、對甲基苯甲醛、硬脂酸甲酯、鄰苯二甲酸-6-乙基－辛基丁酯。T2特有的萃取組分有11 種，分別是甲酸、4-羥基甲基丁酸內(nèi)酯、3-呋喃甲醇、3，7-二甲基辛醇、2-吡咯甲醛、2-哌啶酮、3，5，11，15-四甲基己烯-3-醇、2，4-二特丁基苯酚、丁二酸單甲酯、乙酰乙酸、二十一烷。

T2、T3兩者共有的萃取組分共有45種，其中T2處理萃取效果較好的有19種，分別是二甲基己酸、戊酸、己酸、3-(1-甲基-2-吡咯烷基)－ 吡啶、苯甲醇、α-羥基-β，β-二甲基-γ-丁內(nèi)酯、2-吡咯烷酮、棕櫚酸甲酯、1，5-二氫-1-甲基-2-吡咯 2-酮、3，5-二羥基-6-甲基-4-吡喃酮、2，4-二叔丁基酚、二烯煙堿、法尼基丙酮、亞油酸甲酯、2，5-吡咯烷二酮、5-羥甲基糠醛、苯乙酸、葉綠醇、(+/-)-3-羥基-r-丁內(nèi)酯;T3處理萃取效果較好的有23種，分別是丁醇、1，3-二叔丁基苯、乙酸、甲酸、丙酸、2，3-丁二醇、丙二醇、E-5-異丙基-8-甲基-6，8-壬二烯-2-酮、香葉基丙酮、二乙二醇、2-乙?；量?、2-吡咯甲醛、2-哌啶酮、巨豆三烯酮D、丁二酸單甲酯、有酸甲酯、亞麻酸甲酯、十四烷酸、煙酸、十五酸、2-羥基-5-甲基吡啶、乙酰丙酸、乙酰乙酸;T2和T3萃取效果結(jié)果基本相同的有3種，分別是苯甲酸、2-糠酸、2，3-聯(lián)吡啶。T2特有的萃取組分有4種，分別是3-呋喃甲醇、3，7-二甲基辛醇、二十一烷、4-羥甲基丁酸內(nèi)酯。T3特有的萃取組分有8種，分別是糠醇、1-甲基-2-吡咯甲醛、2-羥基-5-甲基苯乙酮、巨豆三烯酮C、硬脂酸甲酯、3-羥基吡啶、(S)-5-羥甲基二氫呋喃-2-酮、鄰苯二甲酸-6-乙基-3-辛基丁酯。

表4 不同萃取溫度結(jié)果

由以上分析可以看出，T3處理煙末中致香物質(zhì)萃取的種類多于T2處理;從T3處理與T2處理共同萃取的致香物質(zhì)的量上來看，T3處理稍優(yōu)于T2處理。綜合萃取致香物質(zhì)的種類及量開看，T3處理的萃取結(jié)果稍好于T2處理。

T3、T4兩者共有的萃取組分共有50種，其中T3處理萃取效果較好的有34種，分別是丁醇、1，3-二叔丁基苯、乙酸、丙酸、2，3-丁二醇、2-甲基己酸、E-5-異丙基-8-甲基-6，8-壬二烯-2-酮、戊酸、己酸、新植二烯、乙氧基乙酸、二乙二醇、2-乙?；量?-吡咯甲醛、1-甲基吡咯-2-甲醛、2-羥基-5-甲基苯乙酮、乙酰乙酸、法尼基丙酮、硬脂酸甲酯、油酸甲酯、苯甲酸、3-糠酸、亞油酸甲酯、2，5-吡咯烷二酮、2，3-聯(lián)吡啶、(S)-5-羥甲基二氫呋喃-2-酮、鄰苯二甲酸二異丁酯、亞麻酸甲酯、苯乙酸、(+/-)-3-羥基-r-丁內(nèi)酯、十四烷酸、鄰苯二甲酸-6-乙基-3-辛基丁酯、煙酸、十五酸;T4處理萃取效果較好的有12種，分別是甲酸、丙二醇、糠醇、3-(1-甲基-2-吡咯烷基)－吡啶、麥芽醇、α-羥基-β，β-二甲基-γ-丁內(nèi)酯、棕櫚酸甲酯、3，5-二羥基-6-甲基-4-吡喃酮、巨豆三烯酮D、二烯煙堿、5-羥甲基糠醛、葉綠醇;T3和T4萃取效果結(jié)果基本相同的有4種，分別是香葉基丙酮、苯甲醇、植酮、2-哌啶酮。T3特有的萃取組分有3種，分別是丁二酸單甲酯、3-羥基吡啶、2，4-二甲基辛烷。T4特有的萃取組分有1種，環(huán)辛烷。

由以上分析可以看出，T3處理煙末中致香物質(zhì)萃取的種類稍多于T4處理;從T3處理與T4處理共同萃取的致香物質(zhì)的量上來看，T3處理明顯優(yōu)于T4處理。綜合萃取致香物質(zhì)的種類及量開看，T3處理的萃取結(jié)果明顯好于T4處理。

由 T1、T2、T3、T4綜合分析可以看出，當(dāng)溫度較低時，雖然升溫能引起溶劑CO2密度降低，造成CO2溶解能力的下降，但溶質(zhì)的蒸汽壓卻增大，因此超臨界CO2中被萃取物的濃度隨升溫而增加，故T3處理(55℃)的萃取效果優(yōu)于T2處理(50℃)，T2處理(50℃)優(yōu)于T1處理(45℃);當(dāng)溫度達(dá)到一定值時，因升溫而引起的被萃取物揮發(fā)能力的提高不足以抵償溶劑CO2溶解能力的下降時，總的效果會導(dǎo)致超臨界CO2相中被萃取物含量的減少，故T3處理(55℃)優(yōu)于T4處理(60℃)。因此該研究的最佳萃取溫度為55℃。

以上兩部分研究結(jié)果表明，當(dāng)萃取工藝采用乙醇做夾帶劑、萃取壓力為20 000 kPa、萃取溫度為55℃時，用超臨界二氧化碳萃取烤煙中的致香物質(zhì)效果較佳。

3 結(jié)論與討論

該項目研究了烤煙致香物質(zhì)的超臨界萃取技術(shù)，從夾帶劑種類、萃取壓力、萃取溫度3個方面進(jìn)行了初步探索。研究結(jié)果表明，使用乙醇做夾帶劑能明顯提高超臨界二氧化碳的萃取效率;在一定壓力范圍內(nèi)，增加CO2的壓力，CO2密度顯著增加，而擴(kuò)散系數(shù)減少不大，溶解能力較強(qiáng)，萃取效果隨壓力升高增加，當(dāng)壓力達(dá)到一定程度后，CO2密度隨壓力升高而增加比較緩慢，但擴(kuò)散系數(shù)減少較為顯著，且壓力過高，易使煙末出現(xiàn)板結(jié)現(xiàn)象，影響超臨界二氧化碳的萃取效率;在一定溫度范圍內(nèi)，雖然升溫能引起溶劑CO2密度降低，造成CO2溶解能力的下降，但溶質(zhì)的蒸汽壓卻增大，因此超臨界CO2的萃取能力隨升溫而增加，當(dāng)溫度達(dá)到一定值時，因升溫而引起的被萃取物揮發(fā)能力的提高不足以抵償溶劑CO2溶解能力的下降時，超臨界CO2的萃取能力開始逐步下降。

雖然研究過程中對每一組萃取工藝都進(jìn)行了驗證和比較，在對比過程中也發(fā)現(xiàn)，試驗雖然得出了較佳的萃取工藝組合，萃取出的致香物質(zhì)的在種類和數(shù)量都有優(yōu)勢，但該工藝也存在欠缺:一方面，別的工藝組合所萃取出來的部分組分是該工藝組合所缺失的;另一方面，試驗獲得的較佳提取工藝所萃取得到的致香物質(zhì)對烤煙本身的香氣質(zhì)和香氣量都多大貢獻(xiàn)仍然存在疑問，這在以后的工作中有待于進(jìn)一步研究。

［1］朱自強(qiáng)．超臨界流體技術(shù)－原理和應(yīng)用［M］．北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2000．

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［3］高勇，朱友民，吳慶之．煙草凈油的超臨界流體技術(shù)提?。跩］．煙草科技，1995(5):28－30．

［4］張福明，張建平．煙草二氧化碳超臨界萃取物的初步研究［J］．煙草科技，2001(8):24－28．