溶劑浸提煙絲降焦減害工藝優(yōu)化及其機(jī)理與效果

付瑜鋒FU Yu-feng 田海英 - 程向紅 - 王宏偉 - 張 展 陳 偉 李國(guó)政 - 董艷娟 - 聶 聰

(1. 河南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司技術(shù)中心，河南 鄭州 450000；2. 中國(guó)煙草總公司鄭州煙草研究院，河南 鄭州 450001)

煙葉原料的化學(xué)成分是造成有害成分釋放量差異的物質(zhì)基礎(chǔ)。對(duì)于煙氣中有害成分的形成機(jī)理和主要前體成分已有大量研究報(bào)道[1-2]，其中卷煙煙氣中的氨來(lái)源于煙草及其它輔助材料中的含氮化合物，包括蛋白質(zhì)、氨基酸、硝酸鹽、銨鹽、生物堿及含氮雜環(huán)化合物，而煙草中的蛋白質(zhì)、氨基酸和硝酸鹽等物質(zhì)是HCN的主要前體物[3]。因此煙草中蛋白質(zhì)、氨基酸、硝酸鹽等含氮化合物是HCN和氨的共同前體物。從有害成分產(chǎn)生的根源出發(fā)，通過(guò)溶劑浸提的方式去除有害成分前體物，從而降低煙氣中有害成分釋放量，已有相關(guān)研究報(bào)道。Mccormack等[4]研究了多種介質(zhì)包含自來(lái)水、95%乙醇、磷酸、檸檬酸、NaOH溶液去除煙草不溶性蛋白質(zhì)和不溶性氮；Li等[5]用含過(guò)氧化氫和某種堿金屬氫氧化物的溶液提取煙草，降低煙草中的含氮化合物和木質(zhì)素；John等[6]在一定溫度和壓力下用超臨界二氧化碳浸提煙草，浸提液用吸附劑如活性炭、鋁硅酸鹽、沸石或離子交換劑吸附，再通過(guò)酸洗和UV光照除去TSNAs；Monrad等[7]用甲醇、乙醇等溶劑處理煙草，減少煙氣中的苯并芘；田海英等[8]利用亞臨界狀態(tài)的溶劑萃取煙絲，降低卷煙煙氣中的焦油和有害成分等。但上述方法通常操作比較繁瑣，所需儀器設(shè)備要求較高，投入較大。

本研究根據(jù)HCN和氨具有共同的前體物，擬采用溶劑浸提技術(shù)處理煙絲，依據(jù)模擬卷煙燃燒裂解試驗(yàn)結(jié)果，考察浸提溶劑、浸提方式、浸提時(shí)間等對(duì)HCN和氨釋放量的影響，并對(duì)處理前后煙絲的可用性進(jìn)行了評(píng)價(jià)，以期為卷煙減害提供新思路。

1 材料與方法

1.1 材料、試劑和儀器

樣品：2014年洛陽(yáng)BO11烤煙，河南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司；

NNK標(biāo)準(zhǔn)品：純度>99%，美國(guó)Arcos公司；

巴豆醛-DNPH、氫氰酸、氨、苯并[α]芘、苯酚標(biāo)準(zhǔn)品：純度>99%，美國(guó)Sigma-Aldrich 公司；

煙堿標(biāo)準(zhǔn)品：純度>99.5%，美國(guó)Sigma-Aldrich 公司；

CO標(biāo)準(zhǔn)氣體：純度>99%，中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)中心；

環(huán)己烷、甲醇、乙腈、鹽酸、氫氧化鈉、乙醇、丙酮：分析純，純度>99%，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；

異丙醇：色譜純，純度>99.5%，美國(guó)J. T. Baker公司；

卷煙模擬卷煙燃燒裂解裝置：中國(guó)煙草總公司鄭州煙草研究院研制；

連續(xù)流動(dòng)分析儀：AA3型，德國(guó)布朗盧比公司；

氣相色譜儀：7890A型，配TCD和FID 檢測(cè)器，美國(guó)Agilent 公司；

高效液相色譜儀：1200 XS-365M-SCS型，配備紫外檢測(cè)器，美國(guó)Agilent 公司；

離子色譜儀：ICS-3000型，美國(guó)戴安公司；

氣質(zhì)聯(lián)用儀：7890a/5975c型，美國(guó)Agilent 公司；

質(zhì)譜：4000-Q-TRAP 型，美國(guó)AB SCIEX公司；

電子天平：XS 225A-SCS型，感量0.000 1 g，美國(guó)普利賽斯公司；

煙絲振動(dòng)分選篩：YQ-2型，鄭州嘉德機(jī)電科技有限公司。

1.2 方法

1.2.1 工藝流程

煙絲→破壁處理→浸提溶劑處理→烘絲→卷制卷煙

1.2.2 試驗(yàn)煙絲制備 將試驗(yàn)選定的BO11烤煙經(jīng)制絲工藝加工成煙絲，儲(chǔ)存于溫度(22±1) ℃、相對(duì)濕度(60±2)%條件下，備用。

1.2.3 浸提溶劑優(yōu)化 將100 g平衡煙絲樣品打包固定，置于浸提溶劑中，浸提溶劑與煙絲質(zhì)量比為15∶1，處理后的煙絲采用模擬生產(chǎn)線烘絲條件(125 ℃烘箱，烘4.5 min)烘制，取出后自然冷卻，置于溫度(22±1) ℃、相對(duì)濕度(60±2)%條件下平衡48 h后進(jìn)行相關(guān)分析檢測(cè)。

(1) 浸提溶劑的pH優(yōu)化：固定浸提時(shí)間30 min，浸提次數(shù)為1次，考察pH值為3，7，9(采用鹽酸、KOH調(diào)節(jié))的水溶液對(duì)單位質(zhì)量煙絲HCN和氨釋放量的影響。

(2) 浸提溶劑優(yōu)化：固定浸提時(shí)間30 min，浸提次數(shù)為1次，同時(shí)將1.2.2(1)優(yōu)化好的pH固定，分別考察60%，80%，100%乙醇或丙酮的水溶液對(duì)單位質(zhì)量煙絲HCN和氨釋放量的影響。

1.2.4 破壁方式優(yōu)化 固定浸提時(shí)間30 min，浸提次數(shù)為1次，同時(shí)將1.2.2(1)和(2)優(yōu)化好的pH和浸提溶劑固定，考察微波和CO2膨脹破壁處理對(duì)單位質(zhì)量煙絲HCN和氨釋放量的影響。

1.2.5 浸提次數(shù)優(yōu)化 固定1.2.3優(yōu)化好的破壁方式，浸提時(shí)間30 min，同時(shí)將1.2.2(1)和(2)優(yōu)化好的pH和浸提溶劑固定，考察浸提次數(shù)為1，2，3次對(duì)單位質(zhì)量煙絲HCN和氨釋放量的影響。

1.2.6 煙絲熱裂解方法 將裝有100 mg 煙絲樣品的石英管置于卷煙模擬燃吸裝置中燃燒，燃燒條件為：40 ℃(保持5 s)，以 100 ℃/s 的升溫速率加熱至 900 ℃(保持5 s)；氣體氛圍為 O2/N2(體積比 9/91)；流量為 17.5 mL/s[9-10]。

1.2.7 常規(guī)化學(xué)成分分析方法

(1) 氨基酸：按YCT 282—2009執(zhí)行。

(2) 總糖和還原糖：按YC/T 159—2002執(zhí)行。

(3) 總氮：按YC/T 161—2002執(zhí)行。

(4) 蛋白質(zhì)：按YC/T 249—2008執(zhí)行。

(5) 總植物堿：按YCT 160—2002執(zhí)行。

(6) 硝酸鹽：按YC/T 296—2009執(zhí)行。

(7) 鉀：按YC/T 217—2007執(zhí)行。

(8) 氯：按YCT 162—2002執(zhí)行。

1.2.8 卷煙抽吸、相關(guān)成分分析和感官評(píng)吸方法

(1) 卷煙樣品抽吸：按GB/T 16447—2004和GB/T 16450—2004執(zhí)行。

(2) HCN：按YC/T 253—2008執(zhí)行。

(3) 苯酚：按YC/T 255—2008執(zhí)行。

(4) 巴豆醛：按YC/T 254—2008執(zhí)行。

(5) 苯并[α]芘：按GB/T21130—2007執(zhí)行。

(6) 氨：按YC/T 377—2010執(zhí)行。

(7) NNK：按GB/T 23228—2008執(zhí)行。

(8) CO：按 GB/T 23356—2009執(zhí)行。

(9) 煙堿：按GB/T 23355—2009執(zhí)行。

(10) 焦油：按GB/T 19609—2004執(zhí)行。

(11) 煙絲結(jié)構(gòu)：按YC/T 289—2009執(zhí)行。

(12) 感官評(píng)吸：按GB 5606.4—2005執(zhí)行。

1.2.9 HCN或氨釋放量降低率計(jì)算公式

(1)

式中：

c——HCN或氨釋放量降低率，%；

m1——對(duì)照樣HCN或氨釋放量，μg/g；

m2——樣品HCN或氨釋放量，μg/g。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件SPSS 19.0版進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，P<0.05 認(rèn)為有顯著差異，P<0.01認(rèn)為有極顯著差異。

2 結(jié)果與討論

2.1 溶劑浸提工藝優(yōu)化

2.1.1 浸提溶劑的選擇 由表1可知，采用不同的水溶液浸提的樣本數(shù)據(jù)的P 都<0.05，說(shuō)明上述方法處理煙絲都能顯著降低煙絲中HCN和氨釋放量。用水溶液浸提后煙絲中HCN和氨釋放量均呈降低趨勢(shì)，但整體來(lái)說(shuō)氨的降低效果更加顯著，調(diào)節(jié)pH值可增強(qiáng)該效果。這是因?yàn)闊熃z中銨鹽、氨基酸和部分蛋白質(zhì)溶解于浸提溶劑中，故經(jīng)過(guò)浸提的煙絲在熱裂解過(guò)程中HCN和氨的釋放量有所降低。浸提溶劑pH值通過(guò)影響蛋白質(zhì)的水化作用而直接影響蛋白質(zhì)在水中的溶解度，在pH為3時(shí)，蛋白質(zhì)的水化作用較pH為7和9時(shí)的大，溶解度比較大，所以，經(jīng)過(guò)pH為3的浸提溶劑浸提的煙絲與pH為7和9的相比煙絲熱裂解過(guò)程中HCN和氨的釋放量低。因此，浸提溶劑的pH選擇3。

表1不同pH水溶液浸提后煙絲熱裂解過(guò)程HCN和氨的釋放?

Table 1 The release of HCN and ammonia from pyrolysis of tobacco by different pH-aqueous solutions

pHHCN釋放量/(μg·g-1)降低率/%氨釋放量/(μg·g-1)降低率/%33752-5．73?791-15．85?73834-3．67?842-10．43?93802-4．47?811-13．72?對(duì)照樣3980—940—

? *表示與對(duì)照樣相比有顯著差異，P<0.05。

煙草中含氮化合物種類(lèi)較多，除了水溶性物質(zhì)外，一些和脂質(zhì)結(jié)合比較牢固或分子中非極性側(cè)鏈較多的蛋白質(zhì)和酶不溶于水、稀酸或稀堿溶液。而乙醇、丙酮和丁醇等有機(jī)溶劑，具有一定的親水性還有較強(qiáng)的親脂性，是理想的提取脂蛋白的提取液[11][12]3。由于丁醇沸點(diǎn)比較高(117.5 ℃)，考慮到浸提后煙絲中浸提溶劑的去除和煙絲平衡條件，本研究選用調(diào)節(jié)pH為3的乙醇和丙酮的水溶液作為浸提溶劑進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)圖1。

由圖1可知，有機(jī)溶劑浸提煙絲熱裂解過(guò)程HCN和氨釋放量都有所降低，HCN的降低幅度更大。隨著浸提溶劑中水比例的增加，煙絲氨的降低率逐漸增大，而HCN的降低率逐漸減小。為達(dá)到同時(shí)降低HCN和氨釋放量的目標(biāo)，選用80%的乙醇溶液作為浸提溶劑，可以達(dá)到最佳的浸提效果，與對(duì)照煙絲相比，HCN和氨的釋放量分別降低15.70%和16.17%，并且此時(shí)煙絲質(zhì)量損失較少，只有5.94%。因此，本試驗(yàn)選擇pH為3的80%的乙醇溶液作為浸提溶劑。

2.1.2 煙絲破壁方式的選擇 目前常用的物理破壁方法有高壓勻漿法[11]、珠磨法[12]12[13]、冷凍壓榨法[14]、超聲法[15]和微波輔助提取法[16]。結(jié)合煙草的工業(yè)應(yīng)用情況，考察了微波破壁處理和二氧化碳膨脹破壁處理對(duì)煙絲HCN和氨釋放量的影響，結(jié)果見(jiàn)圖2。

*表示與對(duì)照樣相比有顯著差異，P<0.05；**表示與對(duì)照樣相比有極顯著差異，P<0.01

圖1 不同浸提溶劑對(duì)HCN和氨釋放量的影響

Figure 1 The effect of different extraction solvents on HCN and ammonia release

**表示與對(duì)照樣相比有極顯著差異，P<0.01

Figure 2 The effects of different broken wall methods on HCN and ammonia release from Tobacco

由圖2可知，經(jīng)過(guò)微波和CO2膨脹破壁處理的煙絲與未破壁的煙絲相比，HCN和氨釋放量都有比較顯著的降低。說(shuō)明破壁處理有助于提高后期煙絲浸提效率，可能是由于微波或CO2膨脹破壁使煙葉細(xì)胞破裂有利于蛋白質(zhì)和氨基酸等前體物的萃取。微波處理和二氧化碳膨脹處理的效果相當(dāng)，而且目前二氧化碳膨脹煙絲在煙草行業(yè)有廣泛的應(yīng)用，因此本研究確定采用二氧化碳膨脹作為煙絲的破壁方式。

2.1.3 浸提次數(shù) 由圖3可知，浸提次數(shù)對(duì)于HCN和氨的釋放量降低效果不明顯，考慮時(shí)間和溶劑的成本，選擇浸提處理1次為最優(yōu)的處理強(qiáng)度。

圖3 浸提次數(shù)對(duì)煙絲HCN和氨釋放量的影響

2.2 浸提煙絲減害機(jī)理探討

煙絲經(jīng)過(guò)不同溶劑浸提后重量都有一定程度的損失，主要是由于煙絲中部分可溶于水及有機(jī)溶劑的糖類(lèi)、鹽、氨基酸、蛋白質(zhì)等溶于浸提溶劑中。相關(guān)文獻(xiàn)[17]11[18]20[19]表明，蛋白質(zhì)、脯氨酸、天冬氨酸、含氮化合物是HCN和氨共同的前體物質(zhì)，為進(jìn)一步探討溶劑浸提技術(shù)減害降焦的原理，本試驗(yàn)對(duì)浸提前后煙絲的上述化學(xué)成分進(jìn)行了分析研究。

2.2.1 浸提前后煙絲中氨基酸分析 采用優(yōu)化后的方法對(duì)樣品煙絲進(jìn)行處理，并采用氨基酸分析儀對(duì)浸提前后煙絲中氨基酸進(jìn)行分析，主要氨基酸及總量結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 萃取前后煙絲中主要氨基酸分析結(jié)果

由表2可知，與對(duì)照樣品相比，煙絲浸提后，氨基酸總量由26.38 μg/g·煙絲降為22.63 μg/g·煙絲，其中HCN和氨的主要前體物質(zhì)天冬氨酸和脯氨酸的降低量占總降低量的70.61%。因此，可以認(rèn)為煙絲浸提后的天冬酰胺和脯氨酸減少，是導(dǎo)致HCN和氨的釋放量降低的原因之一，這與文獻(xiàn)[18]19[19]報(bào)道結(jié)論一致。

2.2.2 總氮 采用連續(xù)流動(dòng)法分別測(cè)定對(duì)照煙絲和浸提后煙絲中總氮的含量，考察處理前后總氮的變化，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3萃取前后單位干重?zé)熃z總氮含量

Table 3 Total nitrogen content of dry weight tobacco per unit before and after extraction

樣品重量/g總氮/mg對(duì)照煙絲100．02403．6浸提煙絲94．32030．7

由表3可知，與對(duì)照煙絲相比，100 g煙絲經(jīng)過(guò)溶劑浸提后總氮降低了372.9 mg。對(duì)卷煙煙氣中HCN及氨產(chǎn)生機(jī)理研究表明，卷煙煙氣中的HCN主要來(lái)源于氨基酸、蛋白質(zhì)[17]20，但也有報(bào)道[19]認(rèn)為含氮化合物都可能產(chǎn)生氫氰酸；氨來(lái)源于煙草及其他輔助材料中的含氮化合物，包括蛋白質(zhì)、氨基酸、硝酸鹽、銨鹽、生物堿及含氮雜環(huán)化合物等。因此浸提后煙絲中總氮的減少也是導(dǎo)致HCN和氨的釋放量降低的原因。

2.3 溶劑浸提煙絲可用性評(píng)價(jià)

將采用溶劑浸提處理煙絲和未經(jīng)過(guò)處理煙絲以相同比例(20%)添加到同一卷煙配方中卷制卷煙，分別為浸提樣品和對(duì)照樣品，卷制過(guò)程控制單支重量。

2.3.1 煙絲保潤(rùn)性能 對(duì)浸提前后的煙絲在濕度(60±2)%、溫度(22±1) ℃的條件下平衡48 h后，測(cè)得對(duì)照煙絲的含水率為10.28%，浸提后煙絲的含水率為10.72%，表明浸提處理后煙絲的平衡含水率基本不變，因此浸提處理不影響煙絲的持水能力，即煙絲的保潤(rùn)性能基本不變。

2.3.2 煙氣常規(guī)化學(xué)成分 采用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)定溶劑浸提樣品和對(duì)照樣品的吸阻和主流煙氣指標(biāo)，結(jié)果見(jiàn)表4。

表4表明，與對(duì)照樣品相比，相同煙支重量條件下，浸提樣品平均吸阻降低了5.9%，卷煙抽吸口數(shù)沒(méi)有明顯的變化，焦油釋放量降低了7.15%，煙堿釋放量降低了23.2%，CO量降低了9.9%。因此，相同單支重量下，浸提樣品相比于對(duì)照樣品能夠有效降低卷煙主流煙氣中焦油、煙堿和CO釋放量。

2.3.3 有害成分釋放量 采用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)定溶劑浸提樣品和對(duì)照樣品主流煙氣中7種有害成分釋放量，結(jié)果列于表5。

表4 樣品卷煙主流煙氣檢測(cè)結(jié)果

表5 樣品卷煙7種有害成分釋放量及危害指數(shù)

由表5可知，與對(duì)照樣品相比，浸提樣品HCN和氨釋放量分別降低了23.9%和20.9%，CO、苯并芘、苯酚的釋放量降低率也接近或超過(guò)10%，卷煙危害性指數(shù)(H值)由12.8降為11.0，降低了1.8。因此，煙絲浸提技術(shù)能夠顯著降低卷煙主流煙氣中HCN和氨的釋放量；CO、苯并芘和苯酚的釋放量也有明顯降低，危害性指數(shù)(H值)降低了14.1%。

2.3.4 感官評(píng)價(jià) 對(duì)浸提樣品和對(duì)照樣品進(jìn)行對(duì)比評(píng)吸，結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 樣品卷煙對(duì)比評(píng)吸結(jié)果

由表6可知，浸提樣品柔細(xì)程度、余味、刺激均好于對(duì)照樣品，雜氣中的堿性刺激變小，清甜感比較明顯；香氣量略有下降，濃度稍有下降，勁頭稍有變小。這與浸提后煙絲中煙堿、蛋白質(zhì)、總氮等含氮物質(zhì)含量降低有密切關(guān)系。因此對(duì)于刺激性強(qiáng)、勁頭過(guò)大的低次煙葉，采用溶劑浸提處理不但能降低卷煙主流煙氣中HCN和氨的釋放量，還能降低低次煙葉卷煙的刺激，增強(qiáng)煙氣的柔細(xì)度，從而提高低次煙葉的使用價(jià)值。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)浸提溶劑、破壁方式、浸提次數(shù)等條件的優(yōu)化，根據(jù)處理前后樣品模擬熱裂解時(shí)HCN和氨的釋放量變化，確定了最優(yōu)煙絲浸提條件為：經(jīng)液態(tài)二氧化碳破壁后，采用pH值為3的80%乙醇萃取劑，浸提30 min，此條件下能顯著降低煙絲中的HCN和氨的釋放量，CO、苯并芘、苯酚也有明顯降低；同時(shí)煙絲的保潤(rùn)性能基本不變，感官質(zhì)量有一定的提升。將該技術(shù)應(yīng)用于低次煙葉能提升其使用價(jià)值。

HCN和氨是卷煙煙氣中主要的有毒有害物質(zhì)，蛋白質(zhì)、氨基酸、硝酸鹽等含氮化合物是HCN和氨的共同前體物，本研究通過(guò)對(duì)減害機(jī)理探討分析也驗(yàn)證了這一結(jié)論。通過(guò)溶劑浸提降低煙絲HCN和氨的釋放量，同時(shí)提升低次煙葉使用價(jià)值有待于進(jìn)一步進(jìn)行工業(yè)應(yīng)用評(píng)價(jià)。

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