溶劑浸提煙絲降焦減害工藝優化及其機理與效果

付瑜鋒FU Yu-feng 田海英 - 程向紅 - 王宏偉 - 張 展 陳 偉 李國政 - 董艷娟 - 聶 聰

(1. 河南中煙工業有限責任公司技術中心，河南 鄭州 450000；2. 中國煙草總公司鄭州煙草研究院，河南 鄭州 450001)

煙葉原料的化學成分是造成有害成分釋放量差異的物質基礎。對于煙氣中有害成分的形成機理和主要前體成分已有大量研究報道[1-2]，其中卷煙煙氣中的氨來源于煙草及其它輔助材料中的含氮化合物，包括蛋白質、氨基酸、硝酸鹽、銨鹽、生物堿及含氮雜環化合物，而煙草中的蛋白質、氨基酸和硝酸鹽等物質是HCN的主要前體物[3]。因此煙草中蛋白質、氨基酸、硝酸鹽等含氮化合物是HCN和氨的共同前體物。從有害成分產生的根源出發，通過溶劑浸提的方式去除有害成分前體物，從而降低煙氣中有害成分釋放量，已有相關研究報道。Mccormack等[4]研究了多種介質包含自來水、95%乙醇、磷酸、檸檬酸、NaOH溶液去除煙草不溶性蛋白質和不溶性氮；Li等[5]用含過氧化氫和某種堿金屬氫氧化物的溶液提取煙草，降低煙草中的含氮化合物和木質素；John等[6]在一定溫度和壓力下用超臨界二氧化碳浸提煙草，浸提液用吸附劑如活性炭、鋁硅酸鹽、沸石或離子交換劑吸附，再通過酸洗和UV光照除去TSNAs；Monrad等[7]用甲醇、乙醇等溶劑處理煙草，減少煙氣中的苯并芘；田海英等[8]利用亞臨界狀態的溶劑萃取煙絲，降低卷煙煙氣中的焦油和有害成分等。但上述方法通常操作比較繁瑣，所需儀器設備要求較高，投入較大。

本研究根據HCN和氨具有共同的前體物，擬采用溶劑浸提技術處理煙絲，依據模擬卷煙燃燒裂解試驗結果，考察浸提溶劑、浸提方式、浸提時間等對HCN和氨釋放量的影響，并對處理前后煙絲的可用性進行了評價，以期為卷煙減害提供新思路。

1 材料與方法

1.1 材料、試劑和儀器

樣品：2014年洛陽BO11烤煙，河南中煙工業有限責任公司；

NNK標準品：純度>99%，美國Arcos公司；

巴豆醛-DNPH、氫氰酸、氨、苯并[α]芘、苯酚標準品：純度>99%，美國Sigma-Aldrich 公司；

煙堿標準品：純度>99.5%，美國Sigma-Aldrich 公司；

CO標準氣體：純度>99%，中國國家標準物質中心；

環己烷、甲醇、乙腈、鹽酸、氫氧化鈉、乙醇、丙酮：分析純，純度>99%，國藥集團化學試劑有限公司；

異丙醇：色譜純，純度>99.5%，美國J. T. Baker公司；

卷煙模擬卷煙燃燒裂解裝置：中國煙草總公司鄭州煙草研究院研制；

連續流動分析儀：AA3型，德國布朗盧比公司；

氣相色譜儀：7890A型，配TCD和FID 檢測器，美國Agilent 公司；

高效液相色譜儀：1200 XS-365M-SCS型，配備紫外檢測器，美國Agilent 公司；

離子色譜儀：ICS-3000型，美國戴安公司；

氣質聯用儀：7890a/5975c型，美國Agilent 公司；

質譜：4000-Q-TRAP 型，美國AB SCIEX公司；

電子天平：XS 225A-SCS型，感量0.000 1 g，美國普利賽斯公司；

煙絲振動分選篩：YQ-2型，鄭州嘉德機電科技有限公司。

1.2 方法

1.2.1 工藝流程

煙絲→破壁處理→浸提溶劑處理→烘絲→卷制卷煙

1.2.2 試驗煙絲制備 將試驗選定的BO11烤煙經制絲工藝加工成煙絲，儲存于溫度(22±1) ℃、相對濕度(60±2)%條件下，備用。

1.2.3 浸提溶劑優化 將100 g平衡煙絲樣品打包固定，置于浸提溶劑中，浸提溶劑與煙絲質量比為15∶1，處理后的煙絲采用模擬生產線烘絲條件(125 ℃烘箱，烘4.5 min)烘制，取出后自然冷卻，置于溫度(22±1) ℃、相對濕度(60±2)%條件下平衡48 h后進行相關分析檢測。

(1) 浸提溶劑的pH優化：固定浸提時間30 min，浸提次數為1次，考察pH值為3，7，9(采用鹽酸、KOH調節)的水溶液對單位質量煙絲HCN和氨釋放量的影響。

(2) 浸提溶劑優化：固定浸提時間30 min，浸提次數為1次，同時將1.2.2(1)優化好的pH固定，分別考察60%，80%，100%乙醇或丙酮的水溶液對單位質量煙絲HCN和氨釋放量的影響。

1.2.4 破壁方式優化 固定浸提時間30 min，浸提次數為1次，同時將1.2.2(1)和(2)優化好的pH和浸提溶劑固定，考察微波和CO2膨脹破壁處理對單位質量煙絲HCN和氨釋放量的影響。

1.2.5 浸提次數優化 固定1.2.3優化好的破壁方式，浸提時間30 min，同時將1.2.2(1)和(2)優化好的pH和浸提溶劑固定，考察浸提次數為1，2，3次對單位質量煙絲HCN和氨釋放量的影響。

1.2.6 煙絲熱裂解方法 將裝有100 mg 煙絲樣品的石英管置于卷煙模擬燃吸裝置中燃燒，燃燒條件為：40 ℃(保持5 s)，以 100 ℃/s 的升溫速率加熱至 900 ℃(保持5 s)；氣體氛圍為 O2/N2(體積比 9/91)；流量為 17.5 mL/s[9-10]。

1.2.7 常規化學成分分析方法

(1) 氨基酸：按YCT 282—2009執行。

(2) 總糖和還原糖：按YC/T 159—2002執行。

(3) 總氮：按YC/T 161—2002執行。

(4) 蛋白質：按YC/T 249—2008執行。

(5) 總植物堿：按YCT 160—2002執行。

(6) 硝酸鹽：按YC/T 296—2009執行。

(7) 鉀：按YC/T 217—2007執行。

(8) 氯：按YCT 162—2002執行。

1.2.8 卷煙抽吸、相關成分分析和感官評吸方法

(1) 卷煙樣品抽吸：按GB/T 16447—2004和GB/T 16450—2004執行。

(2) HCN：按YC/T 253—2008執行。

(3) 苯酚：按YC/T 255—2008執行。

(4) 巴豆醛：按YC/T 254—2008執行。

(5) 苯并[α]芘：按GB/T21130—2007執行。

(6) 氨：按YC/T 377—2010執行。

(7) NNK：按GB/T 23228—2008執行。

(8) CO：按 GB/T 23356—2009執行。

(9) 煙堿：按GB/T 23355—2009執行。

(10) 焦油：按GB/T 19609—2004執行。

(11) 煙絲結構：按YC/T 289—2009執行。

(12) 感官評吸：按GB 5606.4—2005執行。

1.2.9 HCN或氨釋放量降低率計算公式

(1)

式中：

c——HCN或氨釋放量降低率，%；

m1——對照樣HCN或氨釋放量，μg/g；

m2——樣品HCN或氨釋放量，μg/g。

1.3 數據處理

采用統計學軟件SPSS 19.0版進行數據統計分析，P<0.05 認為有顯著差異，P<0.01認為有極顯著差異。

2 結果與討論

2.1 溶劑浸提工藝優化

2.1.1 浸提溶劑的選擇 由表1可知，采用不同的水溶液浸提的樣本數據的P 都<0.05，說明上述方法處理煙絲都能顯著降低煙絲中HCN和氨釋放量。用水溶液浸提后煙絲中HCN和氨釋放量均呈降低趨勢，但整體來說氨的降低效果更加顯著，調節pH值可增強該效果。這是因為煙絲中銨鹽、氨基酸和部分蛋白質溶解于浸提溶劑中，故經過浸提的煙絲在熱裂解過程中HCN和氨的釋放量有所降低。浸提溶劑pH值通過影響蛋白質的水化作用而直接影響蛋白質在水中的溶解度，在pH為3時，蛋白質的水化作用較pH為7和9時的大，溶解度比較大，所以，經過pH為3的浸提溶劑浸提的煙絲與pH為7和9的相比煙絲熱裂解過程中HCN和氨的釋放量低。因此，浸提溶劑的pH選擇3。

表1不同pH水溶液浸提后煙絲熱裂解過程HCN和氨的釋放?

Table 1 The release of HCN and ammonia from pyrolysis of tobacco by different pH-aqueous solutions

pHHCN釋放量/(μg·g-1)降低率/%氨釋放量/(μg·g-1)降低率/%33752-5．73?791-15．85?73834-3．67?842-10．43?93802-4．47?811-13．72?對照樣3980—940—

? *表示與對照樣相比有顯著差異，P<0.05。

煙草中含氮化合物種類較多，除了水溶性物質外，一些和脂質結合比較牢固或分子中非極性側鏈較多的蛋白質和酶不溶于水、稀酸或稀堿溶液。而乙醇、丙酮和丁醇等有機溶劑，具有一定的親水性還有較強的親脂性，是理想的提取脂蛋白的提取液[11][12]3。由于丁醇沸點比較高(117.5 ℃)，考慮到浸提后煙絲中浸提溶劑的去除和煙絲平衡條件，本研究選用調節pH為3的乙醇和丙酮的水溶液作為浸提溶劑進行試驗，結果見圖1。

由圖1可知，有機溶劑浸提煙絲熱裂解過程HCN和氨釋放量都有所降低，HCN的降低幅度更大。隨著浸提溶劑中水比例的增加，煙絲氨的降低率逐漸增大，而HCN的降低率逐漸減小。為達到同時降低HCN和氨釋放量的目標，選用80%的乙醇溶液作為浸提溶劑，可以達到最佳的浸提效果，與對照煙絲相比，HCN和氨的釋放量分別降低15.70%和16.17%，并且此時煙絲質量損失較少，只有5.94%。因此，本試驗選擇pH為3的80%的乙醇溶液作為浸提溶劑。

2.1.2 煙絲破壁方式的選擇 目前常用的物理破壁方法有高壓勻漿法[11]、珠磨法[12]12[13]、冷凍壓榨法[14]、超聲法[15]和微波輔助提取法[16]。結合煙草的工業應用情況，考察了微波破壁處理和二氧化碳膨脹破壁處理對煙絲HCN和氨釋放量的影響，結果見圖2。

*表示與對照樣相比有顯著差異，P<0.05；**表示與對照樣相比有極顯著差異，P<0.01

圖1 不同浸提溶劑對HCN和氨釋放量的影響

Figure 1 The effect of different extraction solvents on HCN and ammonia release

**表示與對照樣相比有極顯著差異，P<0.01

Figure 2 The effects of different broken wall methods on HCN and ammonia release from Tobacco

由圖2可知，經過微波和CO2膨脹破壁處理的煙絲與未破壁的煙絲相比，HCN和氨釋放量都有比較顯著的降低。說明破壁處理有助于提高后期煙絲浸提效率，可能是由于微波或CO2膨脹破壁使煙葉細胞破裂有利于蛋白質和氨基酸等前體物的萃取。微波處理和二氧化碳膨脹處理的效果相當，而且目前二氧化碳膨脹煙絲在煙草行業有廣泛的應用，因此本研究確定采用二氧化碳膨脹作為煙絲的破壁方式。

2.1.3 浸提次數 由圖3可知，浸提次數對于HCN和氨的釋放量降低效果不明顯，考慮時間和溶劑的成本，選擇浸提處理1次為最優的處理強度。

圖3 浸提次數對煙絲HCN和氨釋放量的影響

2.2 浸提煙絲減害機理探討

煙絲經過不同溶劑浸提后重量都有一定程度的損失，主要是由于煙絲中部分可溶于水及有機溶劑的糖類、鹽、氨基酸、蛋白質等溶于浸提溶劑中。相關文獻[17]11[18]20[19]表明，蛋白質、脯氨酸、天冬氨酸、含氮化合物是HCN和氨共同的前體物質，為進一步探討溶劑浸提技術減害降焦的原理，本試驗對浸提前后煙絲的上述化學成分進行了分析研究。

2.2.1 浸提前后煙絲中氨基酸分析 采用優化后的方法對樣品煙絲進行處理，并采用氨基酸分析儀對浸提前后煙絲中氨基酸進行分析，主要氨基酸及總量結果見表2。

表2 萃取前后煙絲中主要氨基酸分析結果

由表2可知，與對照樣品相比，煙絲浸提后，氨基酸總量由26.38 μg/g·煙絲降為22.63 μg/g·煙絲，其中HCN和氨的主要前體物質天冬氨酸和脯氨酸的降低量占總降低量的70.61%。因此，可以認為煙絲浸提后的天冬酰胺和脯氨酸減少，是導致HCN和氨的釋放量降低的原因之一，這與文獻[18]19[19]報道結論一致。

2.2.2 總氮 采用連續流動法分別測定對照煙絲和浸提后煙絲中總氮的含量，考察處理前后總氮的變化，結果見表3。

表3萃取前后單位干重煙絲總氮含量

Table 3 Total nitrogen content of dry weight tobacco per unit before and after extraction

樣品重量/g總氮/mg對照煙絲100．02403．6浸提煙絲94．32030．7

由表3可知，與對照煙絲相比，100 g煙絲經過溶劑浸提后總氮降低了372.9 mg。對卷煙煙氣中HCN及氨產生機理研究表明，卷煙煙氣中的HCN主要來源于氨基酸、蛋白質[17]20，但也有報道[19]認為含氮化合物都可能產生氫氰酸；氨來源于煙草及其他輔助材料中的含氮化合物，包括蛋白質、氨基酸、硝酸鹽、銨鹽、生物堿及含氮雜環化合物等。因此浸提后煙絲中總氮的減少也是導致HCN和氨的釋放量降低的原因。

2.3 溶劑浸提煙絲可用性評價

將采用溶劑浸提處理煙絲和未經過處理煙絲以相同比例(20%)添加到同一卷煙配方中卷制卷煙，分別為浸提樣品和對照樣品，卷制過程控制單支重量。

2.3.1 煙絲保潤性能 對浸提前后的煙絲在濕度(60±2)%、溫度(22±1) ℃的條件下平衡48 h后，測得對照煙絲的含水率為10.28%，浸提后煙絲的含水率為10.72%，表明浸提處理后煙絲的平衡含水率基本不變，因此浸提處理不影響煙絲的持水能力，即煙絲的保潤性能基本不變。

2.3.2 煙氣常規化學成分 采用行業標準測定溶劑浸提樣品和對照樣品的吸阻和主流煙氣指標，結果見表4。

表4表明，與對照樣品相比，相同煙支重量條件下，浸提樣品平均吸阻降低了5.9%，卷煙抽吸口數沒有明顯的變化，焦油釋放量降低了7.15%，煙堿釋放量降低了23.2%，CO量降低了9.9%。因此，相同單支重量下，浸提樣品相比于對照樣品能夠有效降低卷煙主流煙氣中焦油、煙堿和CO釋放量。

2.3.3 有害成分釋放量 采用行業標準測定溶劑浸提樣品和對照樣品主流煙氣中7種有害成分釋放量，結果列于表5。

表4 樣品卷煙主流煙氣檢測結果

表5 樣品卷煙7種有害成分釋放量及危害指數

由表5可知，與對照樣品相比，浸提樣品HCN和氨釋放量分別降低了23.9%和20.9%，CO、苯并芘、苯酚的釋放量降低率也接近或超過10%，卷煙危害性指數(H值)由12.8降為11.0，降低了1.8。因此，煙絲浸提技術能夠顯著降低卷煙主流煙氣中HCN和氨的釋放量；CO、苯并芘和苯酚的釋放量也有明顯降低，危害性指數(H值)降低了14.1%。

2.3.4 感官評價 對浸提樣品和對照樣品進行對比評吸，結果見表6。

表6 樣品卷煙對比評吸結果

由表6可知，浸提樣品柔細程度、余味、刺激均好于對照樣品，雜氣中的堿性刺激變小，清甜感比較明顯；香氣量略有下降，濃度稍有下降，勁頭稍有變小。這與浸提后煙絲中煙堿、蛋白質、總氮等含氮物質含量降低有密切關系。因此對于刺激性強、勁頭過大的低次煙葉，采用溶劑浸提處理不但能降低卷煙主流煙氣中HCN和氨的釋放量，還能降低低次煙葉卷煙的刺激，增強煙氣的柔細度，從而提高低次煙葉的使用價值。

3 結論

通過對浸提溶劑、破壁方式、浸提次數等條件的優化，根據處理前后樣品模擬熱裂解時HCN和氨的釋放量變化，確定了最優煙絲浸提條件為：經液態二氧化碳破壁后，采用pH值為3的80%乙醇萃取劑，浸提30 min，此條件下能顯著降低煙絲中的HCN和氨的釋放量，CO、苯并芘、苯酚也有明顯降低；同時煙絲的保潤性能基本不變，感官質量有一定的提升。將該技術應用于低次煙葉能提升其使用價值。

HCN和氨是卷煙煙氣中主要的有毒有害物質，蛋白質、氨基酸、硝酸鹽等含氮化合物是HCN和氨的共同前體物，本研究通過對減害機理探討分析也驗證了這一結論。通過溶劑浸提降低煙絲HCN和氨的釋放量，同時提升低次煙葉使用價值有待于進一步進行工業應用評價。

[1] 秦亮生, 銀董紅, 金勇, 等. 一種降低卷煙主流煙氣中氫氰酸含量的吸附劑及其應用: 中國, 101999756A[P]. 2010-11-02.

[2] 黎成勇, 李克, 劉建福, 等. Al2O3和TiO2吸附氫氰酸研究[J]. 煙草科技, 2005(12): 24-26.

[3] 秦亮生, 銀董紅, 金勇, 等. 一種降低卷煙主流煙氣氫氰酸含量的介孔氧化銅-氧化鋁吸附劑及制備和應用: 中國, 101992058A[P]. 2010-11-02.

[4] MCCORMACK A, TAYLOR M, WARBURTON A et al. Tobacco smoke filters: US, 20070295346[P], 2007-12-27.

[5] LI P, HAJALIGOL M, SHIN E, et al. Oxidant/cataylyst nanoparticies to reduce tobacco smoke constituents such as carbon monoxide: US, 0113862[P]. 2007-05-24.

[6] JOHN W, THADDEUS J. Selective filtration of cigarette smoke using chitosan derivatives: US, 0295345 [P]. 2007-12-27.

[7] MONRAD J K, HOWARD L R, KINGJ W, et al. Subcritical solvent extraction of procyanidins from dried red grape pomace[J]. Journal of Agricultural and Food Chemistry, 2010, 58(7): 4 014-4 021.

[8] 田海英, 董艷娟, 蔡莉莉, 等. 亞臨界萃取技術在卷煙減害降焦中的應用研究[J]. 中國煙草學報, 2015, 21(4): 21-28.

[9] 曹得坡, 夏巧玲, 郭吉兆, 等. 卷煙燃吸模擬裝置的設計與應用[J]. 煙草科技, 2013, 47(3): 54-60.

[10] 陳耀歧, 洪源, 曾令杰, 等. 利用裂解技術模擬測定烤煙的熱釋放行為[J]. 食品與機械, 2015， 31(2): 19-24.

[11] 趙謀明, 饒國華, 林偉鋒, 等. 低次煙葉中蛋白質提取工藝優化及氨基酸分析研究[J]. 農業工程學報, 2006, 22(1): 142-146.

[12] 茹湘波. 大豆濃縮蛋白乙醇提取物中異黃酮、皂苷的提取與純化[D]. 鄭州: 河南工業大學, 2007.

[13] 銀董紅, 劉建福, 黎成勇, 等. 一種用于脫除卷煙主流煙氣中氫氰酸的催化劑及其制備方法和應用: 中國, 1583257A[P]. 2005-02-23.

[14] 張承明, 繆明明, 楊光宇, 等. 一種降低卷煙煙氣中氫氰酸含量的濾嘴添加劑及其制備方法: 中國, 101524186A[P]. 2009-09-09.

[15] 任建新, 杜文, 曹繼紅, 等. 一種降低卷煙煙氣中氫氰酸的卷煙濾嘴: 中國, 101336752A[P]. 2009-01-07.

[16] MICHAEL D Lelah. Method and device for controlling hydrogen cyanide and nitric oxide concentration in cigarette smoke: US, 4763674[P]. 1988-08-16.

[17] 李菲斐. 蛋白質、氨基酸熱裂解生成氫氰酸的研究[D]. 鄭州: 中國煙草總公司鄭州煙草研究院, 2012.

[18] 郝菊芳. 熱裂解反應中氫氰酸形成機理研究[D]. 大連: 中國科學院大連化學物理研究所, 2013.

[19] 郭吉兆, 張曉兵, 夏巧玲, 等. 形成煙氣氨的煙草前體物研究[J]. 煙草科技, 2014(10): 19-51.