超臨界CO2 萃取法制備煙草凈油及其成分分析*

田 雨,馬廣文，鮑勝利，夏鶯鶯，張 奇

（山西昆明煙草有限責(zé)任公司，山西太原 030012）

卷煙葉組配方開(kāi)發(fā)維護(hù)工作中會(huì)存在部分煙葉的配方適配性不高的情況，不能充分利用每種風(fēng)格的煙葉，導(dǎo)致部分品種、等級(jí)煙葉過(guò)剩，最終進(jìn)行報(bào)廢處理。利用這些煙葉提取可用的外加香精香料，可以很好的增補(bǔ)煙草特征香氣、透發(fā)煙草本香、改善煙草吸味[1-3]，且煙草提取物作為內(nèi)源性煙草添加劑，安全性有保障。傳統(tǒng)的利用溶劑法進(jìn)行煙草浸膏的提取雖然可以較好的彌補(bǔ)煙香[4]，但因?yàn)樘崛⌒Ч木窒藜叭軇埩舻葐?wèn)題，在增加煙香的同時(shí)也帶來(lái)了吸味不適以及粗糙感、干燥感和舌面收斂感增加等負(fù)面效果。

超臨界流體萃取技術(shù)是20 世紀(jì)60 年代興起的一種新型分離技術(shù)，利用高于臨界溫度和臨界壓力的流體對(duì)許多物質(zhì)具有良好的溶解能力對(duì)物質(zhì)進(jìn)行提取和分離。超臨界流體兼有氣、液兩重性的特點(diǎn)，即密度接近于液體，而黏度、擴(kuò)散系數(shù)又與氣體相似。因此，它不僅具有與液體溶劑相當(dāng)?shù)妮腿∧芰?，而且具有?yōu)良的傳質(zhì)性能[5，6]。CO2因具有無(wú)毒無(wú)害、溶解能力強(qiáng)、成本低等一系列優(yōu)點(diǎn)，成為首選的工業(yè)萃取劑。

本研究從煙草配方開(kāi)發(fā)維護(hù)實(shí)際存在的問(wèn)題出發(fā)，把報(bào)廢煙葉、葉組適配性差的煙葉（一般指某單料煙提高用量后，在吸味中表現(xiàn)出高香氣質(zhì)、多香氣量同時(shí)也帶來(lái)雜氣、刺激性、勁頭等問(wèn)題）作為研究對(duì)象，采用CO2超臨界法提取制得煙草浸膏并精制成凈油，為提高煙葉的高效利用能力提供技術(shù)支撐。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與儀器

煙葉（巴西B10-F、巴西BOC-YN、河南平頂山C3F、福建龍巖C3F）為山昆公司庫(kù)存煙葉；乙醇、二氯甲烷、甲醇、正己烷、Na2HPO4、NaOH、H3PO4,均為分析純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

HAl21-50-01 型超臨界萃取裝置（南通市華安超臨界萃取有限公司）；R201BL 型旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀（上海申生科技有限公司）；Agilent 7890A/5975C 型氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀（GC/MS，美國(guó)Agilent 公司）；XP 205 型電子天平（感量：0.01mg，瑞士Mettler Toledo 公司）

1.2 方法

1.2.1 感官風(fēng)格評(píng)價(jià) 采用YC/T 497-2014《中式卷煙風(fēng)格感官評(píng)價(jià)方法》，按照香味輪廓法，從口味風(fēng)格、香氣風(fēng)格和煙氣特征3 個(gè)角度分析煙葉的風(fēng)格特征。

1.2.2 煙草凈膏提取工藝的選擇 采用超臨界流體萃取、水蒸氣蒸餾[7]、溶劑萃取法（石油醚）、微生物發(fā)酵法和酶催化[8]等不同技術(shù)開(kāi)展提取煙草浸膏的預(yù)實(shí)驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 多種提取方法預(yù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab.1 Pre-experiment results of multiple extraction methods

在幾種不同的提取方法中，超臨界提取法的單批次生產(chǎn)時(shí)間最短，設(shè)備操作簡(jiǎn)單，提取物的收率也較高，免除了繁瑣的溶劑脫除工藝，產(chǎn)品中不存在溶劑殘留問(wèn)題，因此，選取超臨界萃取作為煙草凈膏的提取方法。

1.2.3 單因素實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì) 選取巴西B10-F 為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，以萃取壓力25MPa、CO2流量40L·h-1、萃取時(shí)間1.5h、萃取溫度55℃為基礎(chǔ)條件, 分別以萃取溫度、萃取壓力、CO2流量和萃取時(shí)間為考察因素，以萃取物得率為考察指標(biāo)。

1.2.4 正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì) 以萃取溫度（A）、萃取壓力（B）、萃取流量（C）、萃取時(shí)間（D）作為考察的4 個(gè)因素，各設(shè)3 個(gè)水平，以提取率為考察指標(biāo)，設(shè)計(jì)L9（34）正交表進(jìn)行提取工藝優(yōu)選，見(jiàn)表2。

表2 超臨界CO2 萃取法正交試驗(yàn)表Tab.2 Orthogonal test table of supercritical CO2 extraction method

1.2.5 脫蠟精制工藝 向提取粗品中加入等質(zhì)量的95%乙醇，25℃下均勻攪拌2h，再進(jìn)行離心分離。將上清液合并置于0~4℃的冰箱中冷藏12h，再次進(jìn)行離心分離，二次上清液合并后在旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀上濃縮至無(wú)明顯溶劑蒸出，得到煙葉脫蠟產(chǎn)物。

1.2.6 致香成分檢測(cè)方法 準(zhǔn)確稱取100mg 煙酸甲酯，用無(wú)水乙醇定容至100mL 容量瓶中，配成1mg·mL-1內(nèi)標(biāo)儲(chǔ)備液。用移液槍準(zhǔn)確移取2mL 內(nèi)標(biāo)儲(chǔ)備液于20mL 容量瓶中，用無(wú)水乙醇定容，配成0.1mg·mL-1內(nèi)標(biāo)液備用。取20μL 煙葉提取物于帶有內(nèi)襯管的色譜瓶中，加入200μL 煙酸甲酯內(nèi)標(biāo)液，進(jìn)行GC/MS 分析。

GC/MS 分析條件 色譜柱：HP-INNOWax（60m×0.25mm×0.25um）；載氣：He 氣；流速：1.5mL·min-1；進(jìn)樣量：1μL，分流比：10∶1；升溫程序：60℃保持2min，2℃·min-1升溫至250℃，保持40min；傳輸線溫度：280℃；離子源溫度：230℃；溶劑延遲：0min；質(zhì)量數(shù)范圍：30~450amu；采用Wiley 7 圖庫(kù)檢索。

2 結(jié)果與討論

2.1 4 種煙葉感官風(fēng)格評(píng)價(jià)結(jié)果

對(duì)4 種煙葉開(kāi)展感官風(fēng)格評(píng)價(jià)，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 4 種煙葉感官評(píng)價(jià)結(jié)果Tab.3 Sensory evaluation results of four kinds of tobacco leaves

由表3 可見(jiàn)，兩種巴西煙葉煙香濃郁，香氣濃中帶清，同時(shí)也具備一定甜感，但其煙氣底蘊(yùn)中有一定焦枯感，口感稍帶有苦味，可以作為“清甜香”板塊的核心原料。福建龍巖C3F 煙葉有較好的甜感，其具有典型的焦甜香，同時(shí)帶有干草香及辛甜香，作為“焦甜香”板塊核心原料。河南平頂山C3F 煙葉具有典型的濃香型特征，通過(guò)提取精制加工，可以得到具有“濃香型”特征的功能分段，可以與上述“清甜香”，“焦甜香”分段協(xié)同增加煙香豐富性，改善吃味，提高滿足感。

2.2 超臨界CO2 萃取工藝單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.2.1 萃取溫度 萃取溫度對(duì)萃取率的影響結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 不同萃取溫度對(duì)萃取率的影響Tab.4 Effect of different extraction temperature on extraction rate

由表4 可見(jiàn)，萃取率隨溫度升高先提高后降低，原因可能是萃取溫度的變化對(duì)萃取效果存在正負(fù)兩個(gè)方面的影響：（1）溫度升高會(huì)加大萃取物在超臨界CO2流體中的飽和蒸氣壓，提高溶解度，故萃取效率相應(yīng)提高。（2）溫度升高會(huì)引起超臨界CO2流體密度下降，進(jìn)而導(dǎo)致超臨界CO2流體的溶劑化效應(yīng)下降，使物料在其中的溶解度降低，致使萃取效率下降[9]。研究中，當(dāng)萃取溫度為55℃時(shí)，萃取率最高，說(shuō)明在55℃以下時(shí)，隨著溫度升高，萃取物在超臨界流體中的飽和蒸汽壓的升高因素大于流體的溶劑化效應(yīng)因素對(duì)萃取率的影響程度，當(dāng)溫度高于55℃時(shí)，流體的溶劑化效應(yīng)下降因素占主導(dǎo)，造成實(shí)際萃取率下降。因此，選擇50、55、60℃作為正交實(shí)驗(yàn)的3 個(gè)水平。

2.2.2 萃取壓力 萃取壓力對(duì)萃取率的影響結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 不同萃取壓力對(duì)萃取率的影響Tab.5 Effect of different extraction pressure on extraction rate

由表5 可見(jiàn)，萃取壓力與萃取率呈正相關(guān)，當(dāng)萃取壓力較低時(shí)（小于25 MPa），產(chǎn)物萃取率隨著萃取壓力的升高逐步提高，這是因?yàn)殡S著萃取壓力的增大，超臨界CO2密度增加，其溶解能力隨之增加[10]，當(dāng)壓力高于25MPa 時(shí)，產(chǎn)物萃取率提升變得不明顯，可能是壓力過(guò)高時(shí)流體密度過(guò)大，影響傳質(zhì)速率造成的。因此，選擇20、25、30MPa 作為正交實(shí)驗(yàn)的3個(gè)水平。

2.2.3 CO2流量 CO2流量對(duì)萃取率的影響結(jié)果見(jiàn)表6。由表6 可見(jiàn)，萃取率與CO2流量呈正相關(guān)，在選定的實(shí)驗(yàn)條件下，萃取率隨流量升高而逐漸升高，最后緩慢趨于穩(wěn)定，這是由于隨著流體流量的增加，對(duì)流擴(kuò)散和分子擴(kuò)散提高，增大了煙草中活性成分在流體中的溶解動(dòng)力[11]。流量超過(guò)40L·h-1后,萃取率上升有限，綜合考慮能耗及實(shí)驗(yàn)效率，選擇30、40、50L·h-1作為正交實(shí)驗(yàn)的3 個(gè)水平。

表6 不同CO2 流量對(duì)萃取率的影響Tab.6 Effect of different CO2 flow rates on extraction rate

2.2.4 萃取時(shí)間 萃取時(shí)間對(duì)萃取率的影響結(jié)果見(jiàn)表7。

表7 不同萃取時(shí)間對(duì)萃取率的影響Tab.7 Effect of different extraction time on extraction rate

由表7 可見(jiàn)，隨著萃取時(shí)間的增加，煙草提取物萃取率不斷提高，并有最終趨于穩(wěn)定的趨勢(shì)，考慮到萃取時(shí)間有助于萃取率提高，但是萃取時(shí)間過(guò)長(zhǎng)又會(huì)使設(shè)備損耗并且成本增加，因此，選擇1、1.5、2h作為正交實(shí)驗(yàn)的3 個(gè)水平。

2.3 超臨界CO2 萃取的正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.3.1 正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及方差分析

由表8、9 可見(jiàn)，采用超臨界CO2萃取法萃取，以萃取率作為考察指標(biāo)時(shí)，各因素對(duì)煙草萃取工藝影響的大小為：萃取溫度（A）＞萃取壓力（B）＞萃取時(shí)間（D）＞萃取流量（C），但根據(jù)正交結(jié)果進(jìn)行分析，萃取壓力過(guò)高，會(huì)使成本增加，且提高操作難度及存在安全隱患；而萃取流量和萃取時(shí)間對(duì)煙葉的提取無(wú)顯著影響，故綜合經(jīng)濟(jì)與效率進(jìn)行分析，最佳工藝組合為A2B2C2D2，即萃取溫度為55℃，萃取壓力為25MPa，萃取流量為40L·h-1，萃取時(shí)間為1.5h。

表8 正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及提取結(jié)果Tab.8 Orthogonal test design and extraction results

表9 正交實(shí)驗(yàn)方差分析Tab.9 Analysis of variance of orthogonal test

2.3.2 超臨界CO2萃取的工藝驗(yàn)證 按正交實(shí)驗(yàn)確定的最佳工藝條件即萃取溫度為55℃，萃取壓力為25MPa，萃取流量為40L·h-1，萃取時(shí)間為1.5h，平行進(jìn)行4 次實(shí)驗(yàn)，萃取率結(jié)果見(jiàn)表10。

表10 超臨界CO2 萃取的工藝驗(yàn)證Tab.10 Process validation of supercritical CO2 extraction

4 次平行實(shí)驗(yàn)P=0.763

2.4 不同產(chǎn)地?zé)熑~超臨界提取物成分分析

4 種煙葉脫蠟產(chǎn)物的化學(xué)成分分析結(jié)果見(jiàn)表11。

表11 4 種煙葉煙葉脫蠟產(chǎn)物分析結(jié)果統(tǒng)計(jì)Tab.11 Analysis results of dewaxing products of four kinds of tobacco leaves

由表11 可見(jiàn)，巴西BOC-YN 煙葉的超臨界CO2脫蠟產(chǎn)物中共檢測(cè)出47 種物質(zhì)，其中醇類8 種、醛類1 種、酮類11 種、酸類6 種、酯類6 種。含量最高的物質(zhì)為尼古丁，另有巨豆三烯酮、二氫獼猴桃內(nèi)酯、糠醇、茄酮、大馬酮等都是煙草中關(guān)鍵的清甜香香氣成分，吡喃酮、吡咯烷酮、哌啶酮等為烤香類物質(zhì)。

巴西B10-F 脫蠟產(chǎn)物中共檢出44 種物質(zhì)，其中醇類7 種、醛類2 種、酮類11 種、酸類8 種、酯類6種，檢出物中含量最高的也為尼古丁。主要含有的致香物質(zhì)種類與巴西BOC-YN 類似，但其醇、醛、酮及酸類物質(zhì)含量均高于BOC-YN，而酯類物質(zhì)的含量較低。

福建龍巖C3F 煙葉脫蠟產(chǎn)物中共檢出45 種物質(zhì)，其中醇類8 種、醛類2 種、酮類12 種、酸類7 種、酯類4 種，其中含量最高的也為尼古丁。同樣含由胡蘿卜素衍生的巨豆三烯酮、二氫獼猴桃內(nèi)酯、紫羅蘭醇等煙草中重要的香味物質(zhì)；但其酸類物質(zhì)的含量相較兩種巴西煙草要高20%~40%。

河南平頂山C3F 煙葉脫蠟產(chǎn)物中共檢出46 種物質(zhì)，其中醇類8 種、醛類2 種、酮類12 種、酸類7種、酯類4 種。含量最高的也為尼古丁。香味物質(zhì)種主要也包含二氫獼猴桃內(nèi)酯、巨豆三烯酮、新植二烯等成分。其醇類物質(zhì)的含量在4 組凈油產(chǎn)品中最高。

2.5 4 種煙葉脫蠟產(chǎn)物的感官評(píng)價(jià)

結(jié)合表3 和表12 提取前后的感官評(píng)價(jià)結(jié)果，證實(shí)超臨界CO2煙葉脫蠟產(chǎn)物很好保留了煙葉原料所具有的特性，其香氣風(fēng)格、煙氣特征、口感余味、入喉勁頭等指標(biāo)均有較好保留。4 種煙葉的感官評(píng)價(jià)結(jié)果符合提取的預(yù)期，可以分別用于構(gòu)建“清甜香”、“焦甜香”、“濃香型”的煙用香基。

表12 4 種煙葉超臨界脫蠟產(chǎn)物感官評(píng)價(jià)結(jié)果Tab.12 Sensory evaluation results of four tobacco leaf supercritical dewaxing products

3 結(jié)論

本文主要研究了使用超臨界法從煙葉中提取煙葉提取物的工藝方法，通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)確定了最優(yōu)工藝條件，再通過(guò)感官評(píng)價(jià)結(jié)合儀器分析確定了不同煙葉提取物的香氣風(fēng)格特征，通過(guò)超臨界法得到的提取物有效保留了煙葉原有的特征，但整體在抽吸過(guò)程中仍舊殘留有不良?xì)庀?，后續(xù)可以考慮采用分子蒸餾等技術(shù)進(jìn)一步優(yōu)化精制。