煙草廢棄物中茄尼醇汽爆提取及過程條件優(yōu)化*

劉明宏，劉 京，韓小斌，李 波，趙國杰，何文清，劉家磊

(1 貴州省煙草公司遵義市分公司技術(shù)中心，貴州 遵義 563000；2 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所，北京 100081)

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，農(nóng)業(yè)廢棄物對(duì)生態(tài)環(huán)境所造成的影響受到人們的廣泛關(guān)注。近年來，國家所提出的綠色可持續(xù)發(fā)展、面源污染防控等戰(zhàn)略發(fā)展方向都與農(nóng)業(yè)廢棄物的綜合利用息息相關(guān)。我國屬于農(nóng)業(yè)大國，還未成為農(nóng)業(yè)強(qiáng)國，在農(nóng)業(yè)廢棄物資源化利用方面還存在著較大的空白，農(nóng)業(yè)廢棄物所造成的二次污染問題也比較嚴(yán)重。粗放的農(nóng)業(yè)廢棄物處理方式導(dǎo)致了農(nóng)業(yè)資源的巨大浪費(fèi)和農(nóng)業(yè)環(huán)境的嚴(yán)重污染。我國是煙草種植大國，煙草種植面積和產(chǎn)量居世界首位，煙草種植與產(chǎn)品加工在我國國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中發(fā)揮著重要的作用，煙草在我國農(nóng)產(chǎn)品收入中，僅次于稻、麥、棉、大豆、玉米，居第6位[1-6]。我國每年煙葉產(chǎn)量400～500萬t，約有30%～40%的煙葉屬于無法進(jìn)行卷煙加工的低等或等外級(jí)煙葉，另外，各卷煙企業(yè)也積存有大量的陳舊煙末，如果再算上上部煙葉、煙花和煙草秸稈等，每年全國煙草廢棄物的產(chǎn)量超過300萬噸[7]。因此，研發(fā)煙草廢棄物的高值化利用技術(shù)對(duì)解決農(nóng)業(yè)廢棄物資源化利用問題具有良好的示范效應(yīng)。

目前，煙草廢棄物的主要應(yīng)用方向包括肥料化、飼料化、能源化、原料化等。然而，大多書方向都處于理論探討階段、缺乏綜合性的技術(shù)開發(fā)和有效的技術(shù)推廣和應(yīng)用模式。茄尼醇作為煙草中含量較高、經(jīng)濟(jì)價(jià)值較高的化合物，該類物質(zhì)的提取與分離不僅能夠?yàn)檩o酶Q10等藥物的合成提供原料，同時(shí)也為煙草廢棄物的收集、處理等提供了經(jīng)濟(jì)保障[1-6,8]。茄尼醇是一種不飽和的聚異戊二烯醇，屬四倍半萜烯醇[1-3,9]，于1956年首次由Rowland等[10]從煙葉中分離提取得到。

目前，茄尼醇的提取方法主要有溶劑浸提法、超臨界二氧化碳萃取法、超聲提取法、微波輔助萃取法等[11-14]。顧美娟等[1]采用結(jié)晶法提取茄尼醇，考察了結(jié)晶溶劑比例、結(jié)晶劑種類、結(jié)晶溫度和時(shí)間對(duì)茄尼醇提取效果的影響，結(jié)果表明：當(dāng)結(jié)晶溶劑比例為3:1，結(jié)晶溫度為25 ℃，結(jié)晶時(shí)間為45 min時(shí)，茄尼醇的含量達(dá)到70%。Chen等[15]采用超聲波輔助萃取法對(duì)煙草濾渣進(jìn)行處理，結(jié)果表明：對(duì)煙草濾渣萃取3次后，能夠完全萃取出煙草濾渣中的茄尼醇。Yang等[16]采用溶劑浸提法，考察了不同溶劑對(duì)提取效果的影響，結(jié)果表明：當(dāng)以石油醚為萃取劑，反應(yīng)溫度為50 ℃，浸提時(shí)間為4 h，茄尼醇的收率和純度均高于其他萃取劑。Huang等[17]采用超臨界二氧化碳萃取技術(shù)提取茄尼醇，結(jié)果表明：當(dāng)萃取溫度為45 ℃，壓力為38 MPa，時(shí)間為2.6 h時(shí)，茄尼醇的收率達(dá)到96.8%。因此，本文引入了氣爆技術(shù)，并在此基礎(chǔ)上深入研究了影響茄尼醇提取效率的多種因素，期望能推進(jìn)農(nóng)業(yè)廢棄資源化利用技術(shù)能的進(jìn)一步發(fā)展。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 藥品及儀器

煙草廢棄物選自遵義地區(qū)；冰醋酸(分析純)，購自北京化工廠；正己烷(分析純)，購自天津市康科德科技有限公司。Vanquish 超高效液相色譜儀(UHPLC)，美國Thermo Fisher Scientific；汽爆機(jī)，傳統(tǒng)手搖式汽爆機(jī)。

1.2 煙草廢棄物的汽爆參數(shù)

汽爆腔容積為2.0 L，每次裝煙草廢棄物25 g，汽爆壓力為1.8 MPa，煙草廢棄物含水量控制在10%～15%之間。

1.3 茄尼醇的提取

準(zhǔn)確稱量汽爆后的煙草粉末2 g，放入500 mL的圓底燒瓶，向燒瓶中加入一定量的冰醋酸-正己烷混合溶液，其中冰醋酸:正己烷=1:3(V:V)。在恒溫水浴鍋中攪拌提取一定時(shí)間。取適量提取液置于離心管中高速離心得到純凈的茄尼醇提取液。使用超高效液相色譜測定提取液中茄尼醇的色譜面積，根據(jù)茄尼醇的標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算提取液中茄尼醇的含量。

1.4 茄尼醇的檢測

采用Accucore Vanquish C18+(100 mm×2.1 mm，1.5 μm)色譜柱，流動(dòng)相為純甲醇，檢測波長210 nm，柱溫30 ℃，流速0.2 mL/min，進(jìn)樣量5 μL，在此條件下對(duì)茄尼醇濃度進(jìn)行檢測。圖1是在上述條件下茄尼醇溶于正己烷和冰醋酸混合溶液的超高效液相色譜圖。

圖1 茄尼醇-正己烷：冰醋酸溶液液相色譜圖

1.5 標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制及測試數(shù)據(jù)處理

精確稱量95%的茄尼醇純品0.010 g，將其溶解在100 mL的醋酸-正己烷溶液，其中冰醋酸:正己烷=1:3(V:V)，即得到0.1 g/L的茄尼醇溶液。取0.1 g/L的茄尼醇溶液25 mL定容到50 mL，即可得到0.05 g/L的茄尼醇溶液。取0.1 g/L的茄尼醇溶液5 mL分別定容到50 mL、100 mL、500 mL，即可分別得到0.01 g/L、0.005 g/L、0.001 g/L的茄尼醇溶液，圖2即為茄尼醇溶液標(biāo)準(zhǔn)曲線圖。

圖2 茄尼醇-正己烷：冰醋酸溶液標(biāo)準(zhǔn)曲線圖

通過公式(1)計(jì)算提取液中茄尼醇的濃度，通過公式(2)計(jì)算茄尼醇的提取量，通過公式(3)計(jì)算茄尼醇的提取率。其中煙葉原料重2.0 g，含水率5.0%。

(1)

M=CV

(2)

α=M/M0

(3)

式中：式(1)中C是提取液中茄尼醇的濃度，g/L；S是提取液中茄尼醇的高效液相色譜峰面積；式(2)中V是提取液體積，mL；M是提取液中茄尼醇的質(zhì)量，mg；公式(3)中M0是干煙葉重量，g；α是茄尼醇的提取率，mg/g。

2 結(jié)果與討論

2.1 液固比對(duì)茄尼醇提取率的影響

圖3是不同液固比下提取率的曲線圖，此時(shí)的提取條件為提取時(shí)間5 h，提取溫度50 ℃，提取一次。圖3可以看出提取率隨著液固比的增大而逐漸升高，當(dāng)液固比由10增加到20 mL/mg時(shí)，提取率增加較為明顯，此后再增大液固比提取率幾乎不再增加。這是因?yàn)樘崛∪軇┨砑恿枯^少時(shí)，隨著煙葉中的茄尼醇不斷被提取，提取液中的茄尼醇很快達(dá)到飽和即固液兩相達(dá)到平衡，此時(shí)雖然煙葉中還存在一定量的可提取茄尼醇，但是提取液已經(jīng)飽和所以提取量較少。隨著提取溶劑添加量不斷增大，提取液的茄尼醇理論提取量增大，提取液可以提取更多的茄尼醇。另一方面提取溶劑量增加，提取液中的茄尼醇濃度會(huì)有所降低，這時(shí)固液兩相之間的濃度差較大推動(dòng)力也相應(yīng)較大，這將導(dǎo)致更多的茄尼醇被提取到提取液中[11]。提取溶劑添加到一定量時(shí)即液固比達(dá)到20 mL/mg時(shí)，煙葉中可提取的茄尼醇已經(jīng)在很大程度上被提取出來，繼續(xù)增加提取溶劑的添加量，這時(shí)煙葉中的茄尼醇即使被提取出很少量，固液兩相中的茄尼醇濃度液很快達(dá)到平衡。因此再增加提取溶劑的用量提取率也不再增大。

圖3 液固比對(duì)提取率的影響

2.2 提取時(shí)間對(duì)茄尼醇提取率的影響

圖4是提取時(shí)間對(duì)提取率的影響曲線圖，此時(shí)提取條件為液固比為20 mL/mg，提取溫度50 ℃，提取一次。從圖4可以看出，隨著提取時(shí)間的延長提取率一直增大。提取時(shí)間從4 h增加到6 h，此時(shí)的提取率增加較大，提取時(shí)間從6 h增加到8 h，提取率雖然也在增加，但是增加量較低。這是因?yàn)樵谄渌崛∫蛩匾欢ǖ那闆r下，提取液的茄尼醇理論提取量是一定的，隨著提取時(shí)間延長實(shí)際提取量逐漸接近理論提取量，提取液中的茄尼醇濃度逐漸增大，由固液濃度差造成的推動(dòng)力逐漸減小，所以延長提取時(shí)間提取率增加較為緩慢。另一方面，隨著提取時(shí)間的延長，煙葉細(xì)胞壁和細(xì)胞膜等結(jié)構(gòu)的破壞程度增加，傳質(zhì)過程中的阻力減小，煙葉中的茄尼醇更加容易進(jìn)入到提取液中，固液兩相的平衡不斷改變，因此提取率有所增加。但是考慮到提取次數(shù)和提取率等因素，提取時(shí)間不宜超過6 h。

圖4 提取時(shí)間對(duì)提取率的影響

2.3 溫度對(duì)茄尼醇提取率的影響

圖5是提取溫度對(duì)茄尼醇提取率影響曲線圖，此時(shí)的提取條件為液固比為20 mL/mg提取時(shí)間6 h，提取一次。從圖5可以看出茄尼醇的提取率隨溫度的升高而增大，在60 ℃時(shí)達(dá)到最大，而后再提高提取溫度，茄尼醇的提取率則出現(xiàn)了下降的趨勢。這是因?yàn)樯邷囟瓤梢蕴岣咔涯岽荚谌軇┲械娜芙舛?，而且升高溫度可以加快質(zhì)量傳遞過程，也有利于固體表面溶質(zhì)的脫附[18]。另一方面，茄尼醇存在于細(xì)胞內(nèi)，溶劑需要穿透細(xì)胞壁和細(xì)胞膜才能接觸到茄尼醇進(jìn)行萃取過程，植物的細(xì)胞壁、細(xì)胞膜以及纖維結(jié)構(gòu)在高溫的條件下容易被破壞。所以提高適當(dāng)提高溫度可以提高提取率。但是茄尼醇長時(shí)間在高溫環(huán)境下易被氧化，這將導(dǎo)致茄尼醇被破壞提取率降低。同時(shí)溫度過高也會(huì)加速雜質(zhì)的溶出，這樣會(huì)導(dǎo)致提取液中雜質(zhì)含量增大，對(duì)后續(xù)除雜、提純等過程產(chǎn)生不利的影響[19]。

圖5 提取溫度對(duì)提取率的影響

2.4 提取次數(shù)對(duì)提取率的影響

圖6是不同提取次數(shù)對(duì)應(yīng)的提取率的曲線圖，此時(shí)提取條件為液固比20 mL/mg，提取時(shí)間為6 h，提取溫度為60 ℃。從圖6可以看出隨著提取次數(shù)的增加，提取率逐漸降低。第一次和第二次的提取率明顯高于后三次，第三、四和五次的提取率很低且無明顯變化，尤其是第五次的提取率僅為0.0012 mg/g。這是因?yàn)槌醮翁崛r(shí)煙葉中存在大量游離態(tài)茄尼醇，而提取溶劑中茄尼醇的濃度為零，在這種情況下煙葉和提取溶劑的茄尼醇濃度差很大，產(chǎn)生較大的推動(dòng)力。煙葉中的茄尼醇在該推動(dòng)力下能夠快速并且很大程度地進(jìn)入提取溶劑中，直到達(dá)到固液平衡。當(dāng)提取次數(shù)逐漸增加時(shí)，煙葉中的茄尼醇含量逐漸減小，這種由煙葉和提取溶劑中茄尼醇濃度差造成的推動(dòng)力越來越小，進(jìn)而導(dǎo)致提取量逐漸減小。當(dāng)提取次數(shù)過多時(shí)，煙葉中的茄尼醇很大程度上已經(jīng)被提取出來，所以煙葉中茄尼醇的濃度很低，這時(shí)推動(dòng)力也很低，推動(dòng)力不足以克服固液傳質(zhì)過程中的阻力，故很難再將煙葉中的茄尼醇提取出來?？紤]茄尼醇的提取率、溶劑消耗、提取時(shí)間以及能耗等方面，提取次數(shù)為兩次最好。

圖6 提取次數(shù)對(duì)提取率的影響

3 結(jié) 論

以貴州遵義地區(qū)煙草廢棄物為原料，通過汽爆技術(shù)對(duì)煙草廢棄物進(jìn)行前處理，使用冰醋酸與正己烷混合溶液作為提取溶劑從煙草廢棄物中提取茄尼醇，優(yōu)化了提取溫度、提取時(shí)間、提取次數(shù)和液固比等因素對(duì)提取率的影響，并得到了提取茄尼醇的最佳工藝條件：提取溫度為60 ℃、提取時(shí)間為6 h、提取次數(shù)為2次、液固比為20 mL/g，此時(shí)茄尼醇的提取收率為1.57 mg/g，與常規(guī)提取性比較，汽爆技術(shù)起到了降低提取溫度、縮短提取時(shí)間、減少提取次數(shù)、提高提取收率的作用。