復烤煙葉揮發性香味成分同時蒸餾萃取的優化研究

郭永才，張長安，李彥周，位輝琴，劉江豫，袁 超，賀 凡，張相輝

（天昌國際煙草有限公司技術中心，河南許昌 450002）

卷煙的香味成分是評價煙草質量重要的因素之一，卷煙的香味成分組分復雜，含量較低，有些含量甚微，這些香氣成分相互作用構成了卷煙的獨特香味[1]，因此卷煙香味成分是衡量卷煙內在品質、風格和消費者忠誠度的重要指標。通常認為構成卷煙的內在香味成分主要來自于煙葉和外加香精中的香味成分，以及加工過程中因各種生化反應而產生的香味成分[2]，煙葉中的揮發性和半揮發性成分通常是各種鑒定和質量控制方法中的被分析物[3-4]。其分析通常包含前處理及檢測分析兩大部分。煙葉的常用前處理方法有溶劑萃取、水蒸汽蒸餾、同時蒸餾萃取、固相微萃取、超臨界流體萃取等[5]。打葉復烤往往伴隨著高溫高濕，初烤煙葉化學成分在此過程中會發生降解、轉化、合成及揮發等一系列復雜的生物化學變化[6]；高溫作用還可以去除煙葉中的部分青雜氣和辛辣氣味，使煙葉品質得到提高[7-9]。對打葉復烤后煙葉致香成分的檢測，有利于為打葉復烤后煙葉均質化加工指紋圖譜構建提供新的思路。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

FW135 型烤后煙葉 （2019 年襄縣 C3F） 中草藥粉碎機，鄭州凱鵬實驗儀器有限公司產品；EL204 型電子天平，梅特勒- 托利多儀器（上海） 有限公司產品；HH-4 型數顯恒溫水浴鍋，金壇市科析儀器有限公司產品；KPGD5/20 型低溫冷卻液循環泵，鄭州凱鵬實驗儀器有限公司產品；KDM-1000 型可調式電熱套，北京科偉永興儀器有限公司產品；DHG-9145A 型電熱鼓風干燥箱，上海一恒科技有限公司產品；Agilent 7890GC/5975MS 型氣質聯用儀，美國Agilent 公司產品；同時蒸餾萃取裝置，鄭州科技玻璃儀器廠產品。

二氯甲烷（純度>99%，Dikma）；二氯甲烷、氯化鈉（均為AR），天津市德恩化學試劑有限公司提供。

1.2 試驗方法

1.2.1 同時蒸餾萃取法

試驗進行之前，在同時蒸餾萃取的兩端分別加入350 mL pH 值7.00 蒸餾水和 60 mL CH2Cl2同時蒸餾2.5 h，以清洗同時蒸餾萃取裝置，保證儀器潔凈。

用4 位數電子天平稱取30 g（精確至0.01 mg）煙末樣品置于1 000 mL 圓底燒瓶中（與同時蒸餾萃取裝置一端對應接口的圓底燒瓶），向圓底燒瓶中加入適量的氯化鈉和pH 值7.00 的蒸餾水，用可調式電熱套加熱，裝置的另一端為盛有CH2Cl2的濃縮瓶，水浴加熱，同時蒸餾萃取一定時間，結束后加入1 mL內標乙酸苯乙酯溶液（0.812 8 mg/mL），用旋轉蒸發儀將其濃縮至1.0 mL，轉移至色譜瓶中，進行GCMS 分析。

1.2.2 氣相色譜- 質譜分析條件

色譜條件：HP-5MS 型色譜柱（60 m×0.25 mm i.d.×0.25 μm d.f）.，進樣口溫度280 ℃，進樣量1 μL，分流比10∶1，載氣He，1.0 mL/min，升溫程序50 ℃保持2 min，以4 ℃/min 的速率升溫至280 ℃保持20 min。

質譜條件：傳輸線溫度280 ℃，電子倍增器電壓1 635 V，EI 源電子能量70 eV，質量掃描范圍30～550 amu，離子源溫度230 ℃，四極桿溫度150 ℃。

采用GC-MS 分析，經人工解析并與標準質譜圖對照和檢索，最后再與實驗室的標準已知化合物進行色譜分析核對，包括保留時間在內的標準物譜庫進行校對，確定各分離組分的化學結構。

1.2.3 香味物質提取量的計算方法

假設相對校正因子（相對于內標） 為1，對各種香味物質按照下式進行定量計算[10]。

2 結果與分析

2.1 不同廠家二氯甲烷純度檢測

同時蒸餾萃取煙草香味物質的萃取劑CH2Cl2的純度對分析煙葉揮發性香味成分有較大的干擾，尤其是經過濃縮后，其雜質含量可增加幾十倍至上百倍，對煙草揮發性香味成分的測定干擾非常大。因此，首先對不同廠家CH2Cl2的純度進行檢測分析，選取4 個CH2Cl2樣品，即國產分析純、國產色譜純（重蒸）、進口1#、Dikma。分別取100 mL CH2Cl2濃縮至1.0 mL 后進行GC-MS 分析，得到總離子流色譜圖。

不同廠家CH2Cl2濃縮后的總離子流色譜圖見圖1。

圖1 不同廠家CH2Cl2 濃縮后的總離子流色譜圖

由圖1 可知，Dikma CH2Cl2濃縮后總離子流色譜圖基本無峰，基線相對比較穩定。而其他總離子流圖則是雜質較多且基線不穩。Dikma CH2Cl2的總離子流色譜圖在40 min 左右有少量的雜質峰，對揮發性成分無較大影響。因此，選取Dikma CH2Cl2作為同時蒸餾萃取試驗的萃取劑使用。

2.2 同時蒸餾萃取方法的優化研究

2.2.1 料液比對香味物質提取量的影響

保持其他因素一定，研究料液比對提取香味物質的影響，分別取料液比1∶8，1∶10，1∶12，1∶15，1∶18 進行試驗。

不同料液比對煙草香味物質提取量的影響見圖2。

圖2 不同料液比對煙草香味物質提取量的影響

由圖2 可知，隨著料液比的增加，香味物質的提取量呈遞減趨勢。這可能是因為隨著用水體積的增加，香味物質在水中的溶解量增多，導致最終香味物質的提取量降低，選擇料液比1∶12 為最佳條件。

2.2.2 蒸餾時間對香味物質提取量的影響

保持其他因素一定，分別選取蒸餾時間1.5，2.0，2.5，3.0，3.5 h 進行試驗，考查蒸餾時間對煙葉香味物質提取量的影響。

不同蒸餾時間對香味物質提取量的影響見圖3。

由圖3 可知，隨著蒸餾時間的延長，香味物質的提取量不斷增加，達到最大值之后又降低。3.0 h 之前隨時間的延長香味物質的萃取量增加迅速，3.0 h后又開始逐漸減少。造成這種現象的主要原因可能是某些香味物質本身不太穩定，長時間的加熱提取會導致其分解、氧化或水解，而時間短又提取不完全。

圖3 不同蒸餾時間對香味物質提取量的影響

2.2.3 NaCl 用量對香味物質提取量的影響

保持其他因素一定，考查了NaCl 用量對提取香味物質的影響，分別取NaCl 與煙樣質量比0，1∶2，1∶1，3∶2 進行試驗。

不同NaCl 用量對香味物質提取量的影響見圖4。

圖4 不同NaCl 用量對香味物質提取量的影響

由圖4 可知，隨著NaCl 與煙樣質量比的增大，香味物質的提取量先增加后降低。可能是由于隨著NaCl 的加入逐漸改變了溶液組分間的活度系數，使溶液沸點升高，進而使待分離香味物質組分間的相對揮發度增大，更加有益于組分間的分離，NaCl 用量超過一定范圍后，香味物質的提取量反而下降，根據試驗結果，NaCl 與煙樣質量比1∶1 為好。

2.2.4 二氯甲烷體積對香味物質提取量的影響

保持其他因素一定，試驗選取了CH2Cl2用量（mL） 與煙樣質量 （g） 之比分別為 1.5∶1，2.0∶1，2.5∶1，考查了二氯甲烷體積對煙葉香味物質提取量的影響。

CH2Cl2不同用量對煙葉香味物質提取量的影響見圖5。

由圖 5 可知，CH2Cl2用量 （mL） 與煙樣質量 （g）之比2∶1 時，煙葉香味物質的提取量最大。

2.2.5 水浴溫度對香味物質提取量的影響

保持其他因素一定，分別取水浴溫度50，55，60，65，70 ℃進行試驗，研究水浴溫度對提取香味物質的影響。

不同水浴溫度對香味物質提取量的影響見圖6。

圖5 CH2Cl2 不同用量對煙葉香味物質提取量的影響

圖6 不同水浴溫度對香味物質提取量的影響

由圖6 可知，隨著水浴溫度的增加，香味物質的提取量明顯增加。當水浴溫度升高到60 ℃時，香味物質的提取量達到最大之后又逐漸降低。其原因可能是水浴溫度升高，二氯甲烷的蒸發速度加快，而水相的揮發速度一定，使有機相萃取更加充分。

2.3 均勻試驗設計分析法優化試驗條件

2.3.1 均勻設計分析方案與試驗結果

以復烤后煙葉河南襄縣C3F 作為原料，根據去離子水體積 （X）1、蒸餾時間 （X）2、NaCl 用量（X）3、CH2Cl2體積 （X）4、水浴溫度 （X）55 個單因素試驗結果，確定均勻試驗各因素的水平范圍。以香味物質提取總量（mg/g） 為響應值（Y），做五因素三水平試驗，因此選取均勻設計表U*12（121）0。由使用表可以查到，當因素數為5 時，應將X1，X2，X3，X4，X5分別放在U*12（121）0表的1，3，4，8，10 列上，其試驗方案列于表1。

試驗方案和結果見表1。

表1 試驗方案和結果

2.3.2 方差分析和二元回歸方程擬合

利用DPS 7.05 統計軟件對表1 的試驗結果進行二次多元回歸擬合，得到香味物質的提取量對自變量X1，X2，X3，X4，和X5的二次多項式回歸方程：

對上述回歸模型進行方差分析。

方差分析見表2。

表2 方差分析

由表2 可知，此模型F 值為65.107，F 值不顯著的概率為p<0.01，因此所建立的五元二次方程非常顯著，與試驗數據擬合很好。

根據表2 中各偏回歸系數對應t 檢驗值，因素主次順序為X2X4>X2X5>X1>X1X2>X5>X2X3>X1X3>X32>X4X5>X22。

根據檢驗p 值可知，各偏回歸系數都非常顯著，表明所建立的模型較可靠。

運用Excel 中的“規劃求解”工具，對回歸方程進行最優解求值，結果表明打葉復烤后煙葉中總香味物質含量的最大值為評價指標的最優方案為去離子水體積350 mL，蒸餾時間3.0 h，NaCl 用量30 g，CH2Cl2體積60 mL，水浴溫度60 ℃，將這些數據代入方程得Y=2.13 mg/g，明顯大于均勻試驗所得的數據。

3 結論

采用單因素試驗和均勻試驗設計分析法對復烤后煙葉香味物質同時蒸餾萃取的試驗條件進行了優化，分別同時蒸餾萃取溶劑不同廠家CH2Cl2質量、料液比、蒸餾時間、NaCl 質量、CH2Cl2體積、水浴溫度的萃取條件進行優化分析，得到了復烤后煙葉香味物質同時蒸餾萃取最佳工藝條件：選用Dikma CH2Cl2的總離子流色譜圖在40 min 左右有少量的雜質峰，對揮發性成分無較大影響，去離子水體積350 mL，蒸餾時間 3.0 h，NaCl 用量 30 g，CH2Cl2體積為60 mL，水浴溫度60 ℃，該方法為復烤后煙葉揮發性香味成分含量提取提供支撐，對企業根據烤后煙葉香味物質含量變化，調整復烤工藝參數，最大限度地保證打葉復烤煙葉均質化加工奠定了基礎。