再造煙葉正交優(yōu)化提取及其化學成分和致香成分分析

賴煒揚，林　凱，鹿洪亮，李躍鋒，張建平，蘇明亮，張廷貴

(福建中煙工業(yè)有限責任公司技術中心，福建廈門361021)

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再造煙葉正交優(yōu)化提取及其化學成分和致香成分分析

賴煒揚，林凱，鹿洪亮，李躍鋒*，張建平，蘇明亮，張廷貴

(福建中煙工業(yè)有限責任公司技術中心，福建廈門361021)

摘要:研究水和乙醇為溶劑對再造煙葉原料煙草碎片和煙梗提取的影響，采用正交試驗優(yōu)化提取溫度、料液比和提取時間，利用薄層層析( TLC)和氣相色譜－質(zhì)譜聯(lián)用儀( GC－MS)分析比較煙草碎片和煙梗提取物的化學成分和致香成分．結(jié)果表明:煙草碎片和煙梗的水浸提法最佳提取條件為提取溫度75℃，料液比1∶9，提取時間45 min;乙醇浸提法的最佳提取條件為提取溫度60℃，料液比1∶9，提取時間45 min．TLC比較分析表明煙草碎片水提取物和乙醇提取物的化學成分存在明顯差異，GC－MS比較分析表明煙草碎片的乙醇提取物的致香成分數(shù)目和總含量高于煙草碎片的水提取物，煙草香味重要成分莨菪亭提取量也明顯提高．提取物成分分析顯示煙梗與煙草碎片具有類似特征．本研究結(jié)果提示乙醇提取法能更有效地提取煙草原料中水溶性物質(zhì)和致香物質(zhì)．

關鍵詞:再造煙葉;乙醇提取;氣相色譜－質(zhì)譜聯(lián)用儀( GC－MS)分析;致香成分

再造煙葉(又稱煙草薄片)是國內(nèi)新興發(fā)展起來的一種新型卷煙原料，它主要以卷煙加工過程中產(chǎn)生的煙草碎片、煙梗、煙末及部分低次煙葉為原料，經(jīng)過浸取濃縮、打漿抄造、干燥加香3個步驟，制成接近甚至優(yōu)于天然煙葉的薄片，再回用于卷煙生產(chǎn)中［1］．再造煙葉在卷煙中的適當添加，不但能提高煙草原料的利用率，而且可以根據(jù)實際需要對再造煙葉的物理性能和內(nèi)在化學指標進行人為控制，如降低香煙中的尼古丁和焦油等有害物質(zhì)，改善香煙品質(zhì)的香氣成分，改變煙氣組分，提高香煙的安全性［2－3］．

再造煙葉的生產(chǎn)方法主要有輥壓法、稠漿法和造紙法．隨著科學技術的發(fā)展，造紙法成為目前再造煙葉生產(chǎn)的最新、最主要的生產(chǎn)工藝，并且該技術在國內(nèi)外已得到了廣泛應用［4］．造紙法再造煙葉的生產(chǎn)過程中，浸提分離原料的目的是盡可能多地提取其中的煙堿等有效成分，保證煙草有效成分的品質(zhì)少受破壞，并提高回收利用率．該步驟直接影響后續(xù)的生產(chǎn)過程，包括能耗、再造煙葉得率、生產(chǎn)成本、再造煙葉香氣質(zhì)量和污水處理等．由于煙草的吸食性特點，目前煙葉提取以醇為提取劑的研究報道較少［5－6］，煙草企業(yè)生產(chǎn)線主要以水為提取劑，采用多級提取或減壓、加壓提取方式，煙料經(jīng)多級提取后約有90%的物質(zhì)溶解于提取液中［7－8］，但無法控制提取的有機物種類和有效致香物質(zhì)的得率，因此如何減少再造煙葉的雜氣，改善口感，增濃煙香，是許多煙草生產(chǎn)企業(yè)迫切希望解決的技術難題．本文分別以水和乙醇為溶劑，以提取率為指標，優(yōu)化煙梗和煙草碎片的提取工藝，并進一步對最佳工藝條件下的水提取物和乙醇提取物進行薄層層析( TLC)和氣相色譜－質(zhì)譜聯(lián)用儀( GC－MS)分析，探討煙草碎片和煙梗提取物的極性、化學成分以及香味致香成分的差異，旨在為生產(chǎn)上提高再造煙葉的品質(zhì)和實現(xiàn)再造煙葉品質(zhì)可調(diào)可控提供基礎數(shù)據(jù)和理論支持．

1材料和方法

1. 1材料

煙草碎片和煙梗等煙草原料由福建中煙工業(yè)責任有限公司提供，無水乙醇及其他常規(guī)化學試劑為國產(chǎn)分析純，蒸餾水為去離子重蒸水．

1. 2方法

1. 2. 1正交試驗優(yōu)化再造煙葉水浸提法和乙醇浸提法

參考Mazvimba等［9］的方法，各稱取9份100 g煙草碎片、煙梗，選取提取溫度(水浸提: 65，75，85℃;乙醇浸提: 50，60，70℃)、料液比( 1∶6，1∶9，1∶12)和提取時間( 15，30，45 min)作為考察因素，每個因素設3個水平，采用L9( 33)正交試驗法優(yōu)化再造煙葉水浸提法和乙醇浸提法．每組試驗按比例添加提取溶劑在一定溫度下提取后，趁熱用布式漏斗過濾，合并濾液，減壓濃縮去除提取溶劑，然后冷凍干燥獲得提取物．根據(jù)提取物的干質(zhì)量與原料質(zhì)量的比值計算提取率，以提取率為指標篩選最佳提取條件．

1. 2. 2再造煙葉提取物TLC圖譜分析

利用TLC分析煙草碎片和煙梗提取物的化學成分，稱取不同提取物用甲醇溶解配置成5 mg/mL溶液，分別選用不同溶劑系統(tǒng)( V(石油醚)∶V(乙酸乙酯) = 5∶1，2∶1和V(三氯甲烷)∶V(甲醇) = 20∶1，10∶1，5∶1，2∶1)為展開劑，毛細管點樣于硅膠板，待樣品線展開至硅膠板頂部1 cm左右，取出硅膠板，烘干硅膠板以10%(體積分數(shù))硫酸乙醇溶液為顯色劑，顯色觀察樣品帶斑點．

1. 2. 3再造煙葉提取物GC-MS分析

參考文獻［10－11］的方法，分別稱取煙草碎片和煙梗提取物各10．0 g，在同時蒸餾萃取儀器中，加蒸餾水250 mL，放入一端500 mL圓底燒瓶中，電熱套加熱至沸騰;裝置另一端為盛有60 mL二氯甲烷的100 mL圓底燒瓶，在60℃水浴加熱，同時蒸餾萃取2 h．將二氯甲烷萃取液濃縮至1 mL，萃取濃縮液加入內(nèi)標物，采用GC－MS進行分析，采用內(nèi)標法計算致香成分含量(μg/g)．

2結(jié)果與分析

2. 1煙草碎片和煙梗提取條件正交優(yōu)化

水浸提法的正交試驗結(jié)果見表1．3個因素對煙草碎片和煙梗提取率影響程度依次均為提取溫度＞料液比＞提取時間，最佳工藝條件均為提取溫度75℃，料液比1∶9，提取時間45 min．

乙醇浸提法的正交試驗結(jié)果見表2．3個因素對煙草碎片和煙梗提取率影響程度依次均為提取溫度＞料液比＞提取時間(該結(jié)果與水浸提法正交試驗結(jié)果相同)，最佳工藝條件均為提取溫度60℃，料液比1∶9，提取時間45 min．

表1煙草碎片和煙梗水提取法的正交試驗結(jié)果和分析Tab．1　 Design and result of orthogonal test for the water extraction of tobacco fragments and stems

2. 2煙草碎片和煙梗提取試驗結(jié)果分析

比較煙草碎片和煙梗的提取試驗結(jié)果，煙草碎片的水與乙醇提取率均明顯高于煙梗，這與煙梗、煙草碎片的化學組分和物理結(jié)構(gòu)上的差別有關．煙梗含有較多纖維素、木素等大分子物質(zhì)，且組織結(jié)構(gòu)較為緊密，不利于溶劑在其中的擴散溶解;并且由于煙草碎片顆粒較小，減小了提取溶劑的傳質(zhì)阻力，使得原料與提取溶劑接觸充分，提取率相對較高．

2．3煙草碎片和煙梗提取物TLC圖譜分析

利用TLC對煙草碎片和煙梗提取物成分分析，從圖1中可看出TLC圖譜變化規(guī)律:在不同的展開劑中，水提取物和乙醇提取物的化學成分差別較大;隨著展開劑極性增強，煙草碎片和煙梗提取物成分呈有機條帶分布，根據(jù)成分色譜條帶差異可知水提取物主要提取出極性較強的化學成分，乙醇提取物主要提取出極性較弱的化學成分．

表2煙草碎片和煙梗乙醇提取法的正交試驗結(jié)果和分析Tab．2　 Design and result of orthogonal test for the ethanol extraction of tobacco fragments and stems

2. 4煙草碎片和煙梗提取物GC-MS致香成分分析

利用GC－MS色譜對煙草碎片和煙梗的提取物進行致香成分分析(圖2)，各主要色譜吸收峰的質(zhì)譜圖經(jīng)NIST和Wiley標準質(zhì)譜譜庫檢索并參考保留時間及相關文獻資料［4］，確定了其化學結(jié)構(gòu)，并采用峰面積歸一化法測定了各成分的相對含量，其中煙草原料致香成分和煙草香氣關鍵組分含量測定結(jié)果如表3所示．從中可以看出:與水提取物相比，煙草碎片和煙梗的乙醇提取物中，酮類、醛類、醇類、脂類、酸類、酚類、烯烴類等致香成分物質(zhì)在成分數(shù)目、總含量都顯示出明顯的優(yōu)勢;特別是醇類、脂類、酸類、烯烴類等致香成分在總含量上，乙醇浸提效果是水浸提效果的幾十倍甚至上百倍．此外，從莨菪亭這一影響煙草香氣感官的關鍵組分來看，乙醇浸提效果也明顯優(yōu)于水浸提效果．

圖1煙草碎片和煙梗提取物TLC分析Fig．1 TLC analysis of the extracts of tobacco fragments and stems

3討論

在再造煙葉的加工工藝中，提取分離是其工藝中的重要步驟，起到承上啟下的作用，原料的提取影響提取液的成分，從而影響調(diào)制涂布液的香味成分和產(chǎn)品的感官評析質(zhì)量［12］．煙草制品品質(zhì)的優(yōu)劣在很大程度上取決于其中的香味成分，穩(wěn)定再造煙葉提取液的化學組分特別是香味成分，對于掌控產(chǎn)品的品質(zhì)具有重要的意義．

在基于目前本公司生產(chǎn)企業(yè)的再造煙葉水提取生產(chǎn)工藝基礎上，本文通過正交試驗優(yōu)化煙草碎片和煙梗水提取和乙醇提取工藝，對比分析兩種提取方法對提取出煙草碎片和煙梗的化學成分和致香成分的差異．正交試驗結(jié)果表明提取溫度對煙梗和煙草碎片提取效果影響最大，其次為料液比，最后為提取時間，該結(jié)論與Zhang等［5］和候軼等［6］研究結(jié)果相一致．同時本文研究結(jié)果表明水提取物和乙醇提取物化學成分差別很大，以水為溶劑既提取出有效成分，如生物堿鹽、氨基酸、有機酸類、多糖類等;同時也提出一些其他水溶性物質(zhì)，如淀粉、蛋白質(zhì)、粘液質(zhì)、鞣質(zhì)、色素、無機鹽等．以乙醇溶液為溶劑進行提取，則可改變其溶解性能而使有效成分提取量增加，非醇溶性物質(zhì)提取量減少．而在煙草香味成分方面，乙醇提取物的致香成分物質(zhì)在成分數(shù)目和總含量高于水提取物，煙草香味重要成分莨菪亭含量也明顯提高，乙醇浸提致香成分的效果要明顯優(yōu)于水浸提效果．由此我們認為提取溶劑乙醇的加入有利于煙梗和煙草碎片中其他致香物質(zhì)的有效提取，本文研究為改進再造煙葉吸食品質(zhì)提供了技術參考．

圖2煙草碎片和煙梗提取物GC－MS分析Fig．2 GC－MS analysis of the extracts of tobacco fragments and stems

表3煙梗和煙草碎片提取物致香成分總含量的測定Tab．3 Contents of aroma components in the extracts of tobacco fragments and stems　μg/g

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The Optimization of Extraction Method of Reconstituted Tobacco by Orthogonal Test and Its Chemical and Aroma Components Analysis

LAI Weiyang，LIN Kai，LU Hongliang，LI Yuefeng*，ZHANG Jianping，SU Mingliang，ZHANG Tinggui

( Research and Development Centre for China Tobacco Fujian Industrial Co．，Ltd．，Xiamen 361021，China)

Abstract:To study the effect of water extracting and ethanol extracting processes on tobacco fragments and stems of reconstituted tobacco raw material，the extraction conditions，including extraction temperature，the ratio of material to liquid，and extraction time were optimized by orthogonal experiments．The chemical composition and aroma components of tobacco fragments and stems extracts were analyzed and compared using thin layer chromatography ( TLC) and gas chromatography－mass spectrometry ( GC－MS)．Results showed that the optimum conditions for water extracting process of tobacco fragments and stems were obtained as following，75℃for the extraction temperature，1∶9 for materialto－liquid ratio，and 45 min for extraction time，while for ethanol extracting process were 60℃for extraction temperature，1∶9 for material－toliquid ratio and 45 min for extraction time．TLC analysis showed that there was obvious differences in the chemical compositions of tobacco fragments extracted with water from those extracted with ethanol．GC－MS analysis showed that the number and total content of tobacco aroma components in tobacco fragments extracted with ethanol were higher than those with water．The content of scopoletin，an important component of tobacco fragrance，was also increased significantly when extracted with ethanol．The component analyses of tobacco stem showed similar characteristics to those of tobacco fragments．This study indicates that tobacco raw materials extracted with ethanol can effectively extract water－soluble substances and tobacco fragrance．The extracting method of tobacco raw materials with ethanol discussed in the study will supply a basis for further characterization and functional analysis of reconstituted tobacco．

Key words:reconstituted tobacco; ethanol extraction; gas chromatography－mass spectrometry ( GC－MS) analysis; aroma component

基金項目:中國煙草總公司國家煙草局科技重大專項( 110201301017( ZZ－06) ) ;福建中煙工業(yè)有限責任公司科技項目( FJZYJH2014013)*通信作者: lyf10495@ fjtic．cn

收稿日期:2015－03－11錄用日期: 2015－06－12

doi:10．6043/j．issn．0438－0479．2016．01．027

中圖分類號:TS 41．1

文獻標志碼:A

文章編號:0438－0479( 2016) 01－0144－05

引文格式:賴煒揚，林凱，鹿洪亮，等．再造煙葉正交優(yōu)化提取及其化學成分和致香成分分析［J］．廈門大學學報(自然科學版)，2016，55( 1) : 144－148．

Citation: LAI W Y，LIN K，LU H L，et al．The optimization of extraction method of reconstituted tobacco by orthogonal test and its chemical and aroma components analysis［J］．Journal of Xiamen University( Natural Science)，2016，55( 1) : 144－148．( in Chinese)