超臨界萃取—分子蒸餾分離煙末香味成分提升再造煙葉可用性

帖金鑫，李永生，郝賢偉，張立立，畢一鳴，何文苗，李石頭，田雨農，劉建國，楊艷芹，夏琛，吳繼忠，李茂松，廖付

浙江中煙工業(yè)有限責任公司，技術中心，杭州市西湖區(qū)科海路118號 310024

再造煙葉是指利用煙末、煙梗、碎煙片等在卷煙過程中產生的廢棄煙草物質為原料制成片狀或絲狀的再生產品，通常在卷煙配方中作為填充料[1]。由于其成本低且工藝可塑性強，再造煙葉正逐步實現從填充型原料向具有減害降焦、增香保潤、突出風格、強化特色等功能型原料的轉變。針對品牌個性需求，煙草工業(yè)企業(yè)根據實際需求設計定制化、特色化、功能性的卷煙品牌專用造紙法再造煙葉產品[2-4]。

煙草中的揮發(fā)性芳香成分中大多是弱極性或非極性化合物，在超臨界CO2中的溶解度很大，用超臨界CO2萃取技術從煙草中萃取得到的超提物含有的致香成分在種類和百分含量上都比傳統(tǒng)的溶劑萃取法高得多[5-7]。分子蒸餾可以在低于物料沸點的情況下進行分離，物料的受熱時間短，降低物料受熱分解轉化的可能性[8-11]。將煙草內源性物質通過超臨界CO2萃取和分子蒸餾分離，可以得到不同等級餾分產品。國內外圍繞煙草提取物的分離與應用研究有很多，張啟東等利用凝膠滲透色譜分離煙葉提取物,對各分離餾分的滋味特征進行評價，確定了不同糖類對甜味的貢獻程度[12]。張曉仿等研究廢次煙葉浸膏的皂化試驗，提高茄尼醇的提取率[13]。熊國璽等利用超臨界CO2萃取結合分子蒸餾萃取煙葉中的香味成分添加到煙絲中，提高卷煙感官品質[14]。

本研究采用分子蒸餾技術對煙末的超臨界CO2提取物進行分級，確定最優(yōu)的餾分組配方案，添加到再造煙葉中，提升了再造煙葉可用性，并實現了工業(yè)化生產及應用。

1 材料與方法

1.1 材料和儀器

煙末（浙江中煙工業(yè)有限責任公司）；CO2（蘇州金宏氣體）；甲醇（色譜級，MERCK默克公司）；二氯甲烷（色譜級，MERCK默克公司）。

HA220-50-06型超臨界流體萃取儀（江蘇南通市華安超臨界萃取有限公司）；MDS-80-Ⅱ型分子蒸餾實驗設備（佛山市新杰大型鋼結構工程有限公司）；KQ-500DB型數控超聲波清洗器（昆山市超聲儀器有限公司）；7890A-5975C型氣相色譜-質譜聯用儀（美國Agilent）；FUTURA II 型連續(xù)流動分析儀、410 型火焰光度計（ 法國Alliance 公司）；SM450 直線型吸煙機（英國Cerulean 公司）。

1.2 方法

1.2.1 超臨界萃取及分子蒸餾分離工藝過程

超臨界萃取工藝過程：將廢棄煙末粉碎至40～90目，取樣品8 kg，置于反應釜中，調節(jié)CO2流量 90～110 kg/h，萃取壓力 25～30 MPa，萃 取 溫 度45℃，穩(wěn)定后，開啟夾帶劑（1，2-丙二醇）添加泵，使夾帶劑以1 L/h 的流速打入混合器，循環(huán)萃取4 h，得到1.4 kg超臨界萃取物。

分子蒸餾工藝過程：將煙末超臨界萃取物置于分子蒸餾進樣器中，加熱至70℃熔融，進行分子蒸餾。在加熱溫度為80℃冷凝得到一級餾分0.67 kg與一級重組分；一級重組分進行二級分離，加熱溫度為120℃，冷凝得到二級餾分0.55 kg與二級重組分；二級重組分進行三級分離，加熱溫度為160℃，冷凝得到三級餾分0.17 kg與三級重組分。一級、二級、三級分離的輕組分即為目標致香物質。

1.2.2 超臨界萃取物與不同等級餾分化學成分分析方法

色 譜 條 件：HP-5MS（60 m×0.25 mm，0.25μm）毛細管色譜柱；進樣口溫度：250 ℃；載氣：He，1 mL/min；進樣量：1 μL；分流比 10︰ 1；程序升溫：70 ℃以5 ℃/min升溫至100 ℃保持4 min，再以2 ℃/min升溫至280 ℃保持20 min；溶劑延遲10 min。所得圖譜經NIST庫檢索并結合標準質譜圖進行定性，采用峰面積歸一化法進行定量分析。

超臨界萃取物、分子蒸餾一級餾分及二級餾分流動性比較好，可以直接進樣分析；三級餾分較粘稠，用甲醇:二氯甲烷=1:1的混合溶劑超聲震蕩溶解，然后進樣分析。

1.2.3 不同等級餾分組配研究

利用感官評吸確定各餾分添加適宜范圍。通過設計正交試驗對組配配方進行優(yōu)化，將各餾分按照表2的配比添加到再造煙葉樣品中，進行感官評吸，篩選適用于再造煙葉的餾分配比。

1.2.4 產品應用評價

以某一牌號為對照樣，分別加入同等比例新型再造煙葉判斷其常規(guī)化學、煙氣指標和感官的變化，最終確定最優(yōu)組配方案。

依據《YC/T 159—2002 煙草及煙草制品水溶性糖的測定》，《YC/T 160—2002 煙草及煙草制品總植物堿的測定》，《YC/T 162—2011 煙草及煙草制品氯的測定》，《YC/T 161—2002 煙草及煙草制品總氮的測定》，《YC/T217—2007 煙草及煙草制品鉀的測定》分別測定總糖、還原糖、總植物堿、氯、總氮和鉀的含量。

主流煙氣常規(guī)指標測試采用GB/T 16450—2004的條件抽吸卷煙；按照GB/T 19609—2004、GB/T23203.1—2008、GB/T 23355—2009 和 GB/T23356—2009 測定卷煙總粒相物和焦油、煙氣水分、總粒相物中煙堿和煙氣中CO的釋放量。

感官評吸按照卷煙國家標準GB YC/T 498—2014，采用對比評吸的方法，每次評吸專業(yè)評吸人員不低于7人。

2 結果與討論

2.1 超臨界萃取物及不同等級分子蒸餾組分分析評價

將煙末超臨界萃取物、分子蒸餾一、二、三級餾分進行化學成分分析，并進行不同梯度添加試驗，通過感官評吸確定其在再造煙葉中適宜添加范圍。

2.1.1 超臨界萃取物及不同等級分子蒸餾組分的化學成分分析

超臨界萃取物及不同餾分段的總離子流圖及化學成分如圖1、表1所示，超臨界萃取物含有大量以煙堿為主的雜環(huán)類物質，其次為醇類化合物、醛酮類物質，包括少量的酯類及內酯類、萜烯類、烴類、酸類物質。

一級餾分占總餾分比例為48.0%（該餾分質量/超臨界萃取物質量），具有很明顯的煙堿峰，譜圖比較干凈，化合物種類較少，以苯甲醇和二氫獼猴桃內酯為主要代表成分；

二級餾分占總餾分比例為39.0%，主要為保留時間適中的組分，以苯乙酸和巨豆三烯酮為代表組分，色譜指紋圖譜較80℃輕組分更豐富一些；

三級餾分占總餾分比例為1.2%，主要為保留時間較長的組分，以3-氧代-7, 8-二氫-α-紫羅蘭醇、十六烷酸甲酯、葉綠醇、香紫蘇醚為代表性組分。

2.1.2 超臨界萃取物及不同等級分子蒸餾組分在再造煙葉中的作用評價

在現有再造煙葉基片添加不同比例的超臨界萃取物，研究發(fā)現添加3%～6%超臨界萃取物的再造煙葉香氣量、煙氣綿團感提升，煙氣細膩程度和余味略有下降。超臨界萃取物總體感官優(yōu)勢表現為香氣量較足，煙氣較綿團，缺陷為香氣風格不夠凸顯，清晰度略欠。

圖1 不同餾分段的總離子流圖Fig.1 Total ion current chromatogram of different fractions

表1 分子蒸餾致香成分分析結果Tab.1 Analysis results of aroma constituents by molecular distillation

續(xù)表1

在現有再造煙葉基片添加不同比例的等級餾分，通過感官評吸確定餾分添加適宜范圍，最終確定：一級餾分添加范圍3‰～5‰，新的再造煙葉相比對照樣香氣感官表現清雅感、細膩程度以及余味有所提升；二級餾分添加范圍1.2‰～2‰，新的再造煙葉相比對照樣香氣感官表現甜香和煙氣潤感有所提升；三級餾分添加范圍小于0.1‰，新的再造煙葉相比對照樣香氣感官表現甜香濃郁，團感提升，煙氣細膩和余味降低?？傮w認為，一級餾分感官表現為香氣飄逸、輕揚，略帶花香，透發(fā)性較好，余味干凈；級餾分感官表現為香氣質較好，香氣量充足，細膩柔和，有甜潤感；三級餾分感官表現為香氣濃郁、厚重成團，刺激較大。

2.2 餾分組配技術研究

通過對各級餾分不同梯度添加比例的感官評價，設計如下組配試驗：一級餾分三個添加梯度為3‰、4‰、5‰，二級餾分三個添加梯度為1.2‰、1.6‰、2‰，三級餾分添加梯度為0、0.05‰、0.1‰，評價各組配配方對現有再造煙葉品質的影響，研究最優(yōu)餾分組配方案。

由7名以上評吸專家對樣品進行感官評價，總體結論如下：

二級、三級餾分固定，一級餾分隨著添加比例的增加，再造煙葉香氣質，整體雅感提升，煙氣細膩有所改善，綿團感稍有下降，吃味沒有明顯變化；

一級、三級餾分固定，二級餾分隨著添加比例的增加，總體表現為香氣量、香氣豐富程度提升，香氣飄逸程度有所下降，煙氣潤感稍有改善，余味較干凈。

一二級餾分固定，三級餾分隨著添加比例的增加，香氣厚實程度有所提升，香氣偏濃郁，煙氣潤感下降，團感有所提升，吃味舒適度明顯下降，喉部沖擊力較明顯，勁頭有所提升。

三級餾分添加到再造煙葉中，香氣的風格、韻調偏濃郁，不適合企業(yè)對一二類產品清雅，甜潤風格的定位。1～9號樣品中，通過對比評吸（暗評）篩選出3、7樣品優(yōu)于其它樣品。3號樣品所用的再造煙葉添加物為5‰一級餾分和1.2‰二級餾分，7號樣品所用的再造煙葉添加物為3‰一級餾分和2‰二級餾分，兩個樣本分別為一級餾分為主和二級餾分為主。3號感官表現為香氣豐滿細膩，雜氣小，刺激小，余味干凈，整體協調，較飄逸。7號感官表現為香氣豐滿細膩，刺激小，余味干凈，整體協調，較柔和。

表2 餾分組配方案設計Tab.2 Design of distillation grouping scheme ‰

3號樣品組配參數作為配方A（其中一級餾分工藝添加比例5‰，二級餾分工藝添加比例1.2‰）和將7號樣品組配參數作為配方B（其中一級餾分工藝添加比例3‰，二級餾分工藝添加比例2‰）進行再造煙葉生產線添加中試。

表3再造煙葉感官評價結果Tab.3 Sensory evaluation results of reconstituted tobacco leave Score

組配配方A再造煙葉雜氣小，刺激小，余味干凈，整體協調，較飄逸。感官表現特點為：香氣飄逸、刺激小，綜合得分77.6分。

組配配方B再造煙葉香氣較豐滿，雜氣小，刺激小，余味干凈，有甜潤感，較柔和。感官表現特點為：香氣豐滿、有甜潤感，綜合得分77.5分。

2.3 組配配方特征性致香成分分析研究

致香成分分析為餾分組配研究提供了理論支撐和應用基礎，通過對組配餾分進行致香成分分析，為今后的葉組配方調整、卷煙產品調香、新型煙草研發(fā)香原料儲備提供理論基礎。

表4 兩種配方化學成分對比分析Tab.4 Comparative analysis of chemical composition of two formulations mg/g

序號(Serial number)保留時間(Reserved Time/min)中文名稱(Chinese name)化合物類別(Compound category)分子式(Molecular formula)匹配度(Suitability) CAS配方A(Formula A)/%配方B(Formula B)/%24 69.959 十四酸 酸類 C14H28O2 99 000544-63-8 0.002 0.004 25 70.124 肉桂酸異戊酯 酯類及內酯 C14H18O2 97 007779-65-9 0.008 0.016 26 74.525 6,10,14-三甲基-2-十五烷酮 醛酮類 C18H36O 96 000502-69-2 0.010 0.021 27 74.748 塞舌爾烯 萜烯類 C15H24 87 020085-93-2 0.028 0.058 28 75.098 日齊素 萜烯類 C14H22O2 95 018178-54-6 0.045 0.092 29 75.863 鄰苯二甲酸, 甲基十八烷基酯 酯類及內酯 C30H50O4 80 100030-90-1 0.008 0.016 30 78.787 棕櫚酸甲酯 酯類及內酯 C17H34O2 99 000112-39-0 0.031 0.063 31 86.263 β-4,8,13-杜法三烯-1,3-二醇 醇類 C20H34O2 83 007220-78-2 0.058 0.121 32 87.14 9,12-十八碳二烯酸甲酯 酯類及內酯 C19H34O2 99 000112-63-0 0.015 0.030 33 87.464 亞麻酸甲酯 酯類及內酯 C19H32O2 98 000301-00-8 0.067 0.138 34 88.018 植醇 醇類 C20H40O 87 000150-86-7 0.034 0.069 35 90.514 香木蘭烷 萜烯類 C15H26 92 110769-62-5 0.041 0.085 36 92.605 黑松醇 醇類 C20H34O 97 025269-17-4 0.057 0.119 37 114.317 維生素E 萜烯類 C29H50O2 99 000059-02-9 1.990 1.757

圖2 兩種配方化學成分分類對比Fig.2 Comparison of the chemical composition of the two formulations

由上表圖可知，配方B醇類、醛酮類、酸類、酯類及內酯類物質高于配方A，A配方萜烯類物質高于B配方。酸類物質與煙氣潤感正相關，酯類及內酯類物質與香氣豐富程度正相關，醇類和醛酮類物質對吃味有影響，萜烯類物質是包含大量的煙草潛香物質，影響香氣的雅感以及豐滿程度。從化學成分分類的角度分析B配方香氣量與煙氣潤感、吃味優(yōu)于A配方，A配方香氣質感優(yōu)于B配方。

2.4 分子蒸餾生產穩(wěn)定性評價

為了考察分子蒸餾各餾分化學成分的穩(wěn)定性，在實際生產過程中，抽取了5個批次的分子蒸餾餾分，對其進行成分對比分析。

如下圖3為同一等級餾分不同生產批次總離子流圖對比，不同批次色譜峰重疊性較好。

圖3 一、二、三級餾分不同批次總離子流圖對比Fig.3 Comparison of total ion chromatograms of different batches of first stage fraction, secondary fraction, three-stage fraction

表5 不同批次間煙堿色譜峰面積Tab.5 Nicotine peak area between different batches

煙堿是餾分中的重要化合物，由表5可知，同一等級餾分，不同批次間煙堿色譜峰面積標偏大約為6%。另外，實際生產中對25批次各級餾分產品常規(guī)檢測理化指標相對密度、折光指數、酸值、揮發(fā)性成分總量進行檢驗對比，各級餾分相對密度、折光指數、酸值、揮發(fā)性成分總量檢測結果均滿足3σ原則。說明整個工藝重復穩(wěn)定性較好，可以滿足實際生產需要。

2.5 新型再造煙葉在成品卷煙應用評價

以某一配方中含有再造煙葉的卷煙牌號為試驗樣，分別用同等比例的A配方再造煙葉和B配方再造煙葉替代原配方中的再造煙葉，判斷替代后化學和感官的變化。

2.5.1 常規(guī)化學成分評價

采用多維空間相似距離來度量試驗樣品與對照樣品在常規(guī)化學成分方面的差異程度。目的是通過常規(guī)化學成分評價，考察再造煙葉的調整對卷煙配方中化學成分的影響，預防由于化學成分變化引起煙氣等指標顯著變化的風險。相似距離根據歐式距離公式進行計算，公式如下：

式中，dij為試驗樣與對照樣的相似距離，Xik和Xjk分別為第i樣品與對照樣常規(guī)化學指標標準化處理后的數值，m為常規(guī)化學指標的個數，這里m=7。

表6 常規(guī)化學成分檢測結果Tab.6 Test results of routine chemical components mg/g

表7 常規(guī)化學成分相似距離Tab.7 Similarity distance of routine chemical composition mg/g

將各試驗樣對應的常規(guī)化學成分與對照樣進行相似性分析，與對照樣相似程度從高到低排序為：B＞A。

2.5.2 主流煙氣化學成分評價

在主流煙氣化學成分方面，采用多維空間相似距離來度量樣品檢測值與產品設計指標（焦油量11 mg，煙堿量1.1 mg，一氧化碳量11 mg）的相似程度，相似距離越小，相似程度越高，反之，相似程度越低。相似距離根據歐式距離公式進行計算。

將各樣品對應的主流煙氣指標與產品設計值進行相似性分析，B與設計值相似程度更高。

2.5.3 感官質量評價

將樣品按照標準條件進行處理好后，由7名以上評吸專家對樣品進行感官評價，評價結果見表10。

表9 主流煙氣指標相似距離Tab.9 Similar distances of mainstream smoke indicators mg

表10 感官質量評價Tab.10 Sensory quality evaluation Score

從評吸結果來看，樣品感官質量均符合產品設計值（87分）要求，感官質量從高到低排序為：B＞A＞對照。

利用相似距離可以從整體上對兩個樣品與對照樣的差異進行評價，由于樣本間的差異主要來自于再造煙葉中的添加物，因此，在常規(guī)化學與煙氣化學中，幾個樣本的差異不大，B相對更接近對照樣，在感官方面，A、B兩個樣本相對對照樣品質都有所提升，B的感官評吸質量最高。綜合感官評價和化學成分對比最終確定B配方再造煙葉作為新型再造煙葉產品進行中試推廣應用。

3 結論

本文研究了利用煙末提取物蒸餾餾分在再造煙葉中的組配應用。研究發(fā)現，80℃餾分能有效提高香氣的雅感，清晰度。120℃餾分能夠增加甜香，提升煙氣潤感。160℃餾分香氣風格偏濃郁，有助于煙氣團感提升，余味略欠。80℃餾分和120℃餾分與卷煙配伍性較好，能夠較好突出香氣清雅風格，二者合理組配能夠有效提升卷煙感官質量。160℃餾分更適于濃香風格產品以及提升低檔卷煙香氣量和煙氣濃度。實驗表明，現有再造煙葉工藝添加3‰80℃餾分和2‰120℃餾分，新型再造煙葉香氣豐滿細膩，刺激小，余味干凈，整體協調，較柔和；同等比例新型再造煙葉加入成品卷煙中，感官品質明顯改善。通過本項研究，可以有效提升煙末利用率，提高再造煙葉感官品質，為下一步配方中增大再造煙葉的使用比例奠定了基礎。