分子蒸餾技術用于煙葉碎片超臨界流體萃取物的精細分離

危　彬　丁朦朦　鄒　鵬　葛少林　張　朝　盛六四　黃　蘭*

(1.中國科學技術大學國家同步輻射實驗室，合肥 230029；2.安徽中煙工業有限責任公司技術中心，合肥 230088)

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研究與討論

分子蒸餾技術用于煙葉碎片超臨界流體萃取物的精細分離

危彬1丁朦朦1鄒鵬2葛少林2張朝2盛六四1黃蘭2*

(1.中國科學技術大學國家同步輻射實驗室，合肥 230029；2.安徽中煙工業有限責任公司技術中心，合肥 230088)

為了較好地富集分離煙草中的特征香味物質，采用分子蒸餾技術對煙草萃取物進行分級分離，并用氣相色譜-質譜法對各級餾分進行分析。通過改變溫度和壓力，設計兩種分離方案，比較兩種方案下分離效果。結果表明：通過分子蒸餾，致香物質的峰面積相對百分比含量均可顯著提高，兩種分離方案的四級餾分共鑒定出32種成分，其中低沸點化合物采用A方案效果較好，高沸點化合物采用B方案的效果較好。

分子蒸餾 煙草香味物質分級分離

煙葉碎片是煙葉在復烤、制絲等加工過程中產生的[1]，其中含有大馬酮、茄酮、香葉基丙酮、金合歡基丙酮、西柏三烯二醇等重要致香成分[2]，這些成分是烤煙香味的主要來源[3]。利用煙葉碎片為原料提取制備煙用香料對低焦油卷煙香氣進行有效補償，是近年來人們一直比較關注的問題，最早使用的是蒸餾法得到的產品，這類產品雖然能較好地彌補煙香，但較高的溫度和使用溶劑會損害產品的總體品質[4]，超臨界CO2萃取技術能夠有效地解決因較高溫度和使用溶劑而帶來的一些問題,有關超臨界流體萃取煙草的應用實例很多[5],但是煙草成分復雜,不同組分的萃取工藝條件亦不同,選擇合適的萃取工藝條件,與其他先進分析儀器聯用以提高目標組分的萃取效率和選擇性是本實驗研究的重點。

分子蒸餾技術是國際上一種新型的精細分離技術，它是運用不同物質分子運動自由程的差別來實現物質的分離，因而能夠實現遠離沸點下的操作。鑒于其在高真空下運行，且因其特殊的結構型式，因而它又具備蒸餾壓強低、受熱時間短、分離程度高等特點，能大大降低高沸點物料的分離成本，極好地保護熱敏性物質的品質。該技術目前已經廣泛應用于高純物質的提取，它可擺脫化學處理方法的束縛，真正保持了純天然的特性，所以特別適用于天然物質的提取與分離[ 6-8]，在國際上已被廣泛應用于食品、醫藥、香料等工業中。分子蒸餾技術在煙草方面也有一些應用，2001 年孔寧川[ 9]等用分子蒸餾對煙草浸膏進行處理制得煙草凈油及富集茄尼醇。2003年唐自文[ 10]等采用體積分數95%的乙醇、工業無水丙酮、無水乙醚等溶劑溶解煙草萃取物后經分子蒸餾分離，考察以上溶劑對煙草提取物的選擇性。2004年Masahiro . Chida[ 11]等將煙葉萃取物利用分子蒸餾設備處理, 蒸餾出低沸點的醇類、酮類后, 剩余物經GC-MS 分析出60 種煙草芳香成分。2009年高旭[12]等利用分子蒸餾技術富集分離煙葉碎片中的致香物質形成香料，加入卷煙來改善煙氣質量。2009年楊靖[13]等利用分子蒸餾技術富集云煙中的香味物質。2010年熊國璽[14]等采用超臨界CO2萃取與分子蒸餾聯用技術來提取煙草香味物質。2010年王萍[15]等采用分子蒸餾技術對溶劑法制備的香料煙浸膏進行了分離。2013年宋紅平[16]等采用分子蒸餾技術來分離薄片濃縮液中的致香成分。關于分子蒸餾富集煙草萃取物的文獻很多，但大都是對分子蒸餾的溫度、物料流速和轉子/刮膜轉速進行選擇優化得到最佳的分離條件，關于分子蒸餾的溫度和壓力對萃取物分步分離的影響，目前文獻還沒有報道過。本實驗以湖南郴州煙葉碎片為原料，采用固定蒸餾溫度逐步降低蒸餾壓力(a方案)和固定蒸餾壓力逐步提高蒸餾溫度(b方案)兩種方案，利用分子蒸餾技術對煙草碎片超臨界萃取物進行分步分離富集，并采用GC-MS對富集后產物進行分析，考察兩種方案下萃取物的分離效果。

1　實驗材料和方法

1.1材料和儀器

湖南郴州B2F煙葉碎片；二氯甲烷(色譜純，TEDIA Company, Inc.公司)；無水乙醇(食用級)；無水硫酸鈉(分析純，國藥集團化學試劑有限公司)；蒸餾水；高純氦氣。

SFE-2型超臨界萃取儀(美國ASI公司)；HP7890GC-5975MS氣相色譜-質譜聯用儀(美國Agilent公司)，配備NIST2008譜庫和MSDCHEM化學工作站；分子蒸餾設備(德國VTA公司)；JMF-320G多級閃蒸器(河南金鼐科技發展有限公司)；SHZ-Ⅲ型循環水真空泵(上海亞榮生化儀器廠)；電子分析天平 (感量 0.0001g, Mettler Toledo公司，AL204-2C )。

1.2方法

1.2.1煙草萃取物的制備

稱取0.5 kg郴州B2F煙葉裝入1 L萃取釜中，在溫度60 ℃，壓力250 MPa，CO2流量為5 mL/min，夾帶劑(乙醇)流量為0.2 mL/min條件下萃取2 h，超臨界CO2流體粗提物用乙醇溶解，依次進行除蠟質和溶劑后用于分子蒸餾。

1.2.2分子蒸餾分離工藝

鑒于文獻已對分子蒸餾的物料流速和刮膜轉速進行了研究，實驗直接采用文獻中通常采用的轉速250轉/min，物料流速70 mL/h，重點考察蒸餾壓力和蒸餾溫度兩個因素，分子蒸餾分離郴州B2F煙葉SFE萃取物的工藝流程見圖1。

利用分子蒸餾設備在蒸餾壓力10 kPa(100 mbar)，溫度90 ℃條件下，首先蒸出溶劑及一些容易揮發的輕組分；再將蒸余物分別按照表實驗方案A和方案B條件依次進行分級蒸餾，分別收集各不同蒸餾條件下的餾出物和蒸余物組分進行分析和評價。

1.2.3香味物質分析

分別準確稱取各餾出物0.2 g于三角瓶中，精確到0.0001 g，加入1.2028 mg/mL的乙酸苯乙酯內標0.25 mL，加入5 mL二氯甲烷混合均勻后進行GC-MS測定。

MS條件：質譜檢測器；傳輸線溫度280 ℃；離子源溫度230 ℃；四極桿溫度：150 ℃；電離源EI；電離能70 ev；質量數范圍35～550 amu；質譜掃描方式：全掃描 (SCAN)；溶劑延遲：3.5 min；使用NIST譜庫進行檢索，并結合標準質譜圖和有關文獻，確定香氣物質，用色譜峰面積歸一化法定量計算得到各香味物質在原料中的相對百分含量。

2　結果與討論

2.1香味物質的GC-MS分析

按上述GC-MS條件對超臨界萃取物和分子蒸餾各級餾出物進行分析鑒定，使用NIST譜庫進行檢索，結合標準質譜圖和有關文獻，確定香味物質，并用色譜峰面積歸一化法定量計算得各香味物質在煙草原料中的相對百分比含量，分析出32種主要物質見表1。

其中酯類10種：包括二氫獼猴桃內酯、十六酸甲酯等；酮類14 種，包括茄酮、β-大馬酮、β-二氫大馬酮、香葉基丙酮等；醇類4種，包括苯乙醇、3-氧代-α-紫羅蘭醇和西柏三烯二醇；烴類1種，為新植二烯；醌類1種，為2,3,6-三甲基-1,4-萘醌；氮雜環類2 種，包括煙堿和2,3'-聯吡。

表1　分子蒸餾餾出物的化學成分

2.2分子蒸餾得率

計算兩種方案條件下分子蒸餾的得率見圖2，計算公式見式(1)。

(1)

其中：得到輕組分總含量是指計算點之前所有級別分餾時得到的輕組分總量，單位g；投入樣品量是指進行分子蒸餾實驗時的初始投入樣品量，單位g。

由圖2可見，經過分級蒸餾，B方案的總得率比A方案總得率上升的快，總體上B方案分級蒸餾后的總得率均比A方案要高，A方案經過第二級蒸餾后總得率顯著增加，B方案經過第三、第四級蒸餾后總得率顯著增加，說明低沸點化合物受蒸餾壓力影響較大，高沸點化合物受蒸餾溫度的影響較大。

2.3蒸餾壓力對分離結果的影響

將實驗室得到的數據進行匯總后得到不同蒸餾壓力條件下各輕組分峰面積相對百分比含量見表2。

表2不同蒸餾壓力條件下各輕組分峰面積相對百分比含量

續表2

注：“-”表示未檢出，下同。

從表2可以看出：① 經過分子蒸餾后，原樣中未檢出的一些成分在輕組分a1、a2中出現，可能是它們在原樣中含量較低，而通過分子蒸餾技術得到富集并通過GC-MS檢出，主要有苯乙醇、β-大馬酮、β-二氫大馬酮、β-紫羅蘭酮等；② 分子蒸餾處理過的樣品與原樣相比，各香味物質的相對含量均有較大的提高，其中煙堿、 茄酮、二氫獼猴桃內酯、西伯三烯二醇等相對含量提高10倍以上，新植二烯含量提高30倍以上；③經過分子蒸餾，輕組分a1中主要富集了保留時間較短的部分，有煙堿、茄酮、香葉基丙酮、β-紫羅蘭酮、二氫獼猴桃內酯、巨豆三烯酮等對香氣貢獻較大且香型表現突出的物質成分，輕組分a2中主要富集了保留時間適中的部分，主要是3-氧代-a-紫羅蘭醇、法尼基丙酮、十六酸甲酯和十六酸乙酯等物質；輕組分a3中主要富集了保留時間較長的部分，有亞油酸乙酯、油酸乙酯、十八酸乙酯；輕組分a4中主要是高沸點的西柏三烯二醇。

2.4蒸餾溫度對分離結果的影響

表3列出了不同蒸餾溫度條件下各輕組分峰面積相對百分比含量結果。

表3　不同蒸餾溫度條件下各輕組分峰面積相對百分比含量

續表3

從表3可以看出：① 經過分子蒸餾后，原樣中未檢出的一些成分在輕組分b1、b2中出現，可能是在原樣中含量較小，而通過分子蒸餾技術得到富集并通過GC-MS檢出，主要有苯乙醇、β-大馬酮、β-二氫大馬酮、β-紫羅蘭酮等；② 分子蒸餾處理過的樣品與原樣相比，各香味物質的相對含量均有較大的提高，其中煙堿、二氫獼猴桃內酯、香葉基丙酮、巨豆三烯酮、新植二烯、西柏三烯二醇等相對含量提高15倍以上；③經過分子蒸餾，輕組分b1中主要富集了沸點相對較低的部分，有煙堿、茄酮、香葉基丙酮、二氫獼猴桃內酯、巨豆三烯酮等對香氣貢獻較大且香型表現突出的物質成分，輕組分b2中主要富集了沸點相對較高的部分，主要是3-氧代-α-紫羅蘭醇、法尼基丙酮、十六酸甲酯和十六酸乙酯、亞油酸甲酯等物質；輕組分b3中主要富集了高沸點的物質，有西柏三烯二醇、亞油酸乙酯、油酸乙酯、十八酸乙酯；輕組分b4中主要是高沸點的西柏三烯二醇。

2.5兩種方案分離結果的比較

A與B兩種實驗方案結果相比：① A方案的4個輕組分與B方案的4個輕組分所含有的化合物種類基本相同；② 對于沸點相對較低的香味物質而言，采用A方案所分離的總含量要高于B方案，這部分主要是茄酮、香葉基丙酮、巨豆三烯酮、3-羥基-β-二氫大馬酮、新植二烯等一些重要的致香物質，而對于沸點較高的香味物質而言，采用B方案所分離的總含量要高于A方案，這部分主要是十六酸甲酯、十六酸乙酯、西伯三烯二醇等，說明對于沸點較高的香味物質，蒸餾溫度影響更大，而對于低沸點的香味物質，蒸餾壓力影響較大；③ 就兩種方案分步分離的效果而言， 一些重要的香味物質經過三步基本可分離完全，茄酮、香葉基丙酮、巨豆三烯酮、法尼基丙酮和新植二烯主要在第一和第二級餾分中(圖3、圖4)，西伯三烯二醇主要在第三和第四級餾分中(圖5)，高沸點的酯類主要分布在第二和第三級餾分中(圖6)，因此，可以針對要分離的化合物種類來選擇最合適的分離條件。

2.6結論

通過改變蒸餾壓力(方案A)和蒸餾溫度(方案B)兩種方案分別實現了樣品的有效分離，取得了較好的效果，經過分子蒸餾，茄酮、香葉基丙酮、二氫獼猴桃內酯、巨豆三烯酮、3-羥基-β-大馬酮、3-氧代-α-紫羅蘭醇和法尼基丙酮等一些重要香味物質的相對含量顯著提高，同時還增加了β-大馬酮和β-紫羅蘭酮等一些重要的香味物質。A和B兩種方案分離結果相比，A方案對低沸點香味物質分離效果較好，B方案更適合于高沸點香味物質的分離，大部分香味物質經過三步分離基本可實現完全分離，香味物質在各級餾分中的分布情況，為選擇最佳條件實現化合物的有效分離提供了重要的參考依據。

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Application of molecular distillation on separation of flavor components from tobacco extract.

Wei Bin1, Ding Mengmeng1, Zou Peng2, Ge Shaolin2, Zhang Zhao2, Sheng Liusi1, Huang Lan2*

(1.NationalSynchrotronRadiationLaboratory,UniversityofScienceandTechnologyofChina,Hefei230029,China；2.ResearchandDevelopmentCentre,ChinaTobaccoAnhuiIndustrialCo.,Ltd.,Hefei230088,China)

The main flavor components of tobacco extract were graded by molecular distillation technique and analyzed by GC-MS with area normalization. The influences of distillation temperature and pressure on flavor components were studied. The results showed that relative area mass content of aroma components can be significantly improved after molecular distillation, 32 components in 4 grades of distillate from two experiment programs were indentified. The experimental scheme A was better in separating low boiling point components, and the experimental scheme B was more appropriate for high boiling point components.

molecular distillation; tobacco; flavor components; grade

安徽中煙工業有限責任公司科技項目“煙草萃取物的分類分離與改性技術研究”(2014111)

危彬，女，1991年出生，碩士，主要從事氣相色譜/質譜分析煙草化學成分的研究,E-mail:grabby@mail.ustc.edu.cn。

黃蘭，女，1982年出生，碩士，工程師，主要從事氣相色譜/質譜、全二維氣相色譜飛行時間質譜等分析煙草化學成分及煙用添加劑的研究,E-mail:kdhl318@mail.ustc.edu.cn。

10.3936/j.issn.1001-232x.2016.02.012

2015-11-11