超臨界CO2萃取煙草精油的工藝研究

劉亞娟，劉 蕓，王志祥

(1.廣東食品藥品職業學院，廣東 廣州 510520；2.中國藥科大學藥學院，江蘇 南京 210009)

煙草精油是從煙草中提取的具有煙草特征香氣的一類化合物，其主要成分為萜烯類、醛類、揮發性酸類、酯類、酮類、醇類、芳香環類、雜環類、烴類和生物堿等[1-2]。將煙草精油作為煙草的增香劑反添加于煙草中可彌補因煙草降焦處理而損失的香味[3-5]。此外，煙草精油對大腸桿菌、金黃色葡萄球菌和綠膿桿菌等有一定的抑菌作用[6]。

已報道的煙草精油提取方法有水蒸氣蒸餾法、溶劑提取法、超臨界萃取法等[7-12]，前兩種方法設備簡單、成本低，但工藝繁瑣、收率低。由于煙草精油中的揮發性芳香成分大多是非極性或弱極性化合物，在超臨界CO2流體中溶解度很大，故用超臨界CO2萃取是非常合適的提取方法。但目前采用超臨界CO2萃取煙草精油的研究大多只考慮了精油粗提物的收率而沒有考慮精油中致香成分的收率和精油品質，對于煙草精油的進一步開發利用指導意義不大。

新植二烯在煙草揮發性物質中含量最高，是形成烤煙清香特色的重要成分，其本身具有一定的香氣，可分解轉化為低分子香味成分，且新植二烯具有攜帶煙葉中揮發性香氣物質和致香成分進入煙氣的能力，是煙葉的重要增香劑[13-14]。

作者采用超臨界CO2萃取煙草精油，以精油提取率、新植二烯提取率、精油品質為評價指標，考察相關因素對萃取效果的影響，優選萃取工藝條件，擬為煙草精油的進一步開發利用和工業化生產提供理論依據。

1 實驗

1.1 材料、試劑與儀器

煙草，南京卷煙廠。

乙醇、二氯甲烷、乙酸乙酯、丙酮，南京化學試劑有限公司；蒸餾水，自制。

Speed SFE型超臨界萃取裝置，美國Applied Separations公司；GC-2010型氣相色譜儀，日本島津公司；RTX-5型色譜柱，美國Restek公司。

1.2 超臨界CO2萃取方法

取17 g已干燥、粉碎的煙草裝入50 mL萃取釜中進行靜態萃取(夾帶劑由高壓泵輸送至萃取釜)。溶解了萃取物的超臨界CO2通過降壓閥轉變為常壓氣體，萃取物與CO2分離后由接收瓶接收，CO2氣體經轉子流量計計量后放空，取萃取產物進行氣相色譜分析。

1.3 萃取效果評價

為評價超臨界CO2萃取煙草精油的效果，從精油品質、精油提取率及新植二烯提取率三方面對萃取效果進行評價。

1.3.1 精油品質及提取率

精油的品質主要從精油的顏色、香味及夾帶劑殘留等方面進行評價。

精油提取率(mg·g-1)依式(1)計算：

(1)

1.3.2 新植二烯提取率

1)樣品預處理

將萃取得到的精油充分溶解于二氯甲烷中，加少量無水Na2SO4干燥12 h，過濾后待分析。

2)氣相色譜分析

色譜條件：RTX-5型毛細管柱(30 m×0.32 mm,0.25 μm)；進樣口溫度310 ℃；載氣為氮氣，流速30 mL·min-1；空氣流量400 mL·min-1；氫氣流量47 mL·min-1；柱頭壓79 kPa；檢測器(FID)溫度320 ℃；分流比10∶1；進樣量1 μL；程序升溫：45 ℃保持2 min，以30 ℃·min-1升溫至135 ℃，再以15 ℃·min-1升溫至220 ℃并保持1 min，再以1 ℃·min-1升溫至226 ℃，保持1 min，再以20 ℃·min-1升溫至300 ℃并保持30 min。

煙草精油的氣相色譜如圖1所示。可以看出，新植二烯的出峰時間約在18.45 min。

圖1 精油氣相色譜

3)新植二烯提取率的計算

新植二烯提取率(mg·g-1)依式(2)、式(3)計算：

(2)

(3)

式中：c新植二烯為新植二烯的質量分數；A新植二烯為新植二烯的氣相色譜峰面積，無因次；Ai為扣除溶劑峰后各個組分的氣相色譜峰面積，無因次；n為組分數。

2 結果與討論

2.1 夾帶劑乙醇體積分數對萃取效果的影響

保持萃取壓力為25 MPa、萃取溫度為45 ℃、CO2流量為2.0 L·min-1、萃取時間為2.0 h，以不同體積分數的乙醇為夾帶劑進行萃取，結果如圖2所示。

圖2 乙醇體積分數對精油提取率和新植二烯提取率的影響

實驗表明：以水和無水乙醇作為夾帶劑時萃取所得的精油色澤棕黃、渾濁，品質較差；采用6%、50%、94%的乙醇溶液作為夾帶劑時，精油色澤金黃、清亮，品質較好。由圖2可知，當乙醇體積分數為94%時，精油和新植二烯的提取率均達到最大。這是因為，煙草中的揮發性物質多為弱極性成分，通過改變乙醇和水的比例能調節夾帶劑的極性，進而調節整個萃取體系的極性，使之更接近于被萃取的產物，水的比例過大或過小均不利于萃取。綜合考慮精油和新植二烯的提取效果，選擇體積分數為94%的乙醇作為夾帶劑較為合適，同時也有利于后續萃取物的處理[15]。

2.2 夾帶劑流量對萃取效果的影響

保持萃取壓力為25 MPa、萃取溫度為45 ℃、CO2流量為2.0 L·min-1、萃取時間為2.0 h，以不同流量的94%乙醇為夾帶劑進行萃取，結果如圖3所示。

圖3 夾帶劑流量對精油提取率和新植二烯提取率的影響

實驗表明：夾帶劑流量較小時，萃取所得的精油品質較好，當流量大于0.03 mL·min-1時萃取精油中雜質逐漸增多，有夾帶劑殘留，精油品質變差。由圖3可知，精油提取率隨著夾帶劑流量的增大而增大;新植二烯提取率則呈現先增大后減小的趨勢，在夾帶劑流量為0.04 mL·min-1時最大。這是因為，夾帶劑的流量會影響萃取溶劑的極性，流量增大時，夾帶劑在CO2溶劑中的比例增大，萃取溶劑的極性增大，其對產品的溶解能力提高，但是流量過大，導致萃取溶劑極性過大，會將一些雜質提取出來，影響精油的品質，反而不利于新植二烯的提取。因此，選擇夾帶劑的流量以0.02～0.04 mL·min-1為宜。

2.3 萃取壓力對萃取效果的影響

保持萃取溫度為45 ℃、CO2流量為2.0 L·min-1、萃取時間為2.0 h、94%乙醇作夾帶劑、夾帶劑流量為0.02 mL·min-1，在不同萃取壓力下進行萃取，結果如圖4所示。

圖4 萃取壓力對精油提取率和新植二烯提取率的影響

由圖4可知，當萃取壓力由15 MPa增大至20 MPa時精油的提取率顯著增大，超過20 MPa后增幅趨緩。且實驗中當萃取壓力超過30 MPa時精油由金黃色變為棕黃，黏稠度增加。這是因為，萃取壓力增大時，CO2的密度增大，對溶質溶解能力提高，因此萃取能力增強，但壓力過大會使樹脂類物質溶出從而影響精油品質。新植二烯提取率則隨著萃取壓力的增大呈現先增大后減小的趨勢，在25 MPa時最大，這可能是壓力過大會導致CO2分子、水分子和乙醇分子之間發生復雜的作用從而使溶劑對新植二烯溶解度降低造成的。因此，選擇萃取壓力以25 MPa為宜。

2.4 萃取溫度對萃取效果的影響

保持萃取壓力為25 MPa、CO2流量為2.0 L·min-1、萃取時間為2.0 h、94%乙醇作夾帶劑、夾帶劑流量為0.02 mL·min-1，分別在不同溫度下進行萃取，結果如圖5所示。

由圖5可知，當萃取溫度低于45 ℃時，精油和新植二烯的提取率都隨萃取溫度的升高顯著增大，當萃取溫度高于45 ℃時兩者都逐漸減小，但前者變化較為平緩、后者變化較大。實驗中65 ℃時萃取的精油呈淡黃色。這是因為，對于超臨界萃取過程，溫度升高一方

圖5 萃取溫度對精油提取率和新植二烯提取率的影響

面使溶質擴散速度加快，有利于提取；另一方面使CO2的密度減小，對溶質的溶解能力降低，不利于提取；且溫度過高會使精油揮發較快，對某些易分解的致香成分也不利。綜合考慮，選擇提取溫度以45 ℃為宜。

2.5 CO2流量對萃取效果的影響

保持萃取壓力為25 MPa、萃取溫度為45 ℃、萃取時間為2.0 h、94%乙醇作夾帶劑、夾帶劑流量為0.02 mL·min-1，分別在不同CO2流量下進行萃取，結果如圖6所示。

圖6 CO2流量對精油提取率和新植二烯提取率的影響

由圖6可知，當CO2流量在1.0～2.5 L·min-1范圍內增大時精油和新植二烯的提取率增長非常緩慢；當CO2流量由2.5 L·min-1增大到3.0 L·min-1時，提取率陡增。實驗中，當CO2流量超過2.5 L·min-1后提取物中出現夾帶劑并逐漸增多，精油品質較差并給后處理帶來困難。這可能是因為，CO2流量適當增大時，萃取溶劑與被萃取物的質量比上升，被萃取物易于向溶劑擴散，有利于萃取；但CO2流量過大會將夾帶劑帶出萃取釜，導致萃取物中夾帶劑殘留增多，精油品質變差。因此，選擇CO2流量以2.0 L·min-1為宜。

2.6 萃取時間對萃取效果的影響

保持萃取壓力為25 MPa、萃取溫度為45 ℃、CO2流量為2.0 L·min-1、94%乙醇作夾帶劑、夾帶劑流量為0.02 mL·min-1，分別萃取不同時間，結果如圖7所示。

圖7 萃取時間對精油提取率和新植二烯提取率的影響

一般來說，延長萃取時間，能夠使萃取進行得更充分更完全，但由圖7可知，當萃取時間超過3.0 h后，精油和新植二烯的提取率增加并不顯著。從經濟角度考慮，選擇萃取時間以3.0 h為宜。

2.7 超臨界CO2萃取煙草精油的正交實驗

為使萃取工藝更科學合理，在單因素實驗的基礎上以新植二烯提取率為考核指標，采用L9(34)正交實驗考察萃取壓力(A)、萃取溫度(B)、夾帶劑流量(C)及萃取時間(D)等主要因素對萃取效果的影響，以確定最佳工藝條件。各實驗中均采用94%乙醇為夾帶劑，并保持CO2流量為2.0 L·min-1，正交實驗結果與分析見表1。

表1正交實驗結果與分析

Tab.1Results and analysis of orthogonal experiment

由表1可知，各因素對萃取效果的影響大小依次為：萃取壓力>萃取時間>夾帶劑流量>萃取溫度，即萃取壓力對萃取效果的影響是最顯著的。最佳工藝條件組合為A2B2C3D3，即超臨界CO2流體萃取煙草精油的最佳條件為：萃取壓力25 MPa，萃取溫度50 ℃，以流量0.04 mL·min-1的94%乙醇為夾帶劑，CO2流量2.0 L·min-1，萃取時間3.0 h。

2.8 驗證實驗

在正交實驗優化的萃取條件下進行驗證實驗，結果見表2。

表2驗證實驗結果/(mg·g-1)

Tab.2Results of confirm experiment/(mg·g-1)

由表2可知，在正交實驗確定的優化條件下，精油平均提取率為37.58 mg·g-1、新植二烯平均提取率為4.045 mg·g-1，精油金黃透亮，具有煙草特有的清香，夾帶劑殘留少，表明正交實驗結果合理、可靠。

3 結論

通過單因素實驗和正交實驗確定超臨界CO2萃取煙草精油的優化工藝條件為：以流量為0.04 mL·min-1的94%乙醇為夾帶劑、萃取壓力25 MPa、萃取溫度 50 ℃、CO2流量2.0 L·min-1、萃取時間3.0 h，在此條件下精油提取率達37.58 mg·g-1、新植二烯提取率達4.045 mg·g-1，且精油金黃透亮，夾帶劑殘留少，具有煙草特有的清香，品質較好。此工藝兼顧了精油和新植二烯的提取率，無溶劑殘留，可為煙草精油的進一步開發利用和工業化生產提供參考。

[1] 張獻忠,楊君,尹潔，等.煙草精油研究及應用進展[J].食品工業科技,2012,33(17):395-397.

[2] 鄧小華.煙葉中新植二烯富集及應用[J].食品工業,2009,(2):36-38.

[3] 黃清芬,張延軍.有關卷煙降焦減害的研究進展[J].廣東化工,2012,39(6):125-126.

[4] 楊君,高宏建,張獻忠,等.煙草香味物質及其精油應用研究進展[J].香料香精化妝品,2012,(3):45-49.

[5] 趙世興,李坤健.4號溶劑在提取煙草凈油中的應用研究[J].香料香精化妝品,2008,(2):11-13.

[6] STOJIANOVIC G,PLAIC R,ALAGIC S,et al.Chemical composition and antimicrobial activity of the essential oil and CO2extracts of semi-oriental tobacco,Otlja[J].Flavour and Fragrance Journal,2000,15(5):335-338.

[7] 高宏建,張獻忠,鐘建軍,等.水蒸氣蒸餾法提取煙草精油的研究[J].食品工業科技,2011,32(10):388-390.

[8] 楊君,高宏建,王宇,等.超聲輔助溶劑法提取煙草精油粗提物的研究[J].中國食品學報,2012,12(4):65-71.

[9] 翟先中,王宏偉,程雷平.超臨界萃取煙草精油條件的優化[J].安徽農業科學,2010,38(35):20448-20450.

[10] 李雪梅,楊葉昆,徐若飛,等.利用超臨界流體萃取技術制備煙草凈油的研究[J].中國煙草學報,2004,10(3):1-6.

[11] 田景州,金革,馬亞萍,等.用CO2溶劑從煙草(煙末)中萃取煙精的研究[J].中國煙草學報,1995,12(2):75-80.

[12] 高勇,朱友民,吳慶之,等.煙草凈油的超臨界流體技術提取[J].煙草科技,1995,(5):28-31.

[13] 趙曉丹,史宏志,錢華,等.不同類型煙草常規化學成分與中性致香物質含量分析[J].華北農學報,2012,27(3):234-238.

[14] LEFFINGWELL J C,LEFFINGWELL D.Chemical and sensory aspects of tobacco flavor[J].Rec Adv Tob Sci,1988，(14):169-218.

[15] 陳建華,翁少偉,李忠,等.超臨界CO2萃取黑胡椒中有效成分的研究[J].精細化工,2010,27(10):991-995.