溶劑浸提法提取煙堿的優化研究

洪 鎏，楊光宇，端 凱，韓 瑩，王 磊，夏建軍，張峻松

（1. 鄭州輕工業大學食品與生物工程學院，河南鄭州 450001；2. 云南中煙工業有限責任公司技術中心，云南昆明 650231）

煙堿俗稱尼古丁，是煙草中生物堿的主要成分[1]。煙堿主要從天然的植物煙草中提取，其在農業[2-3]、醫藥[4-5]、煙草工業[6-7]等領域應用廣泛，同時隨著新型煙草制品的快速發展，極大地促進了全球對煙堿的需求量[8-9]。由于合成煙堿工藝復雜、條件控制苛刻，合成過程中帶來的右旋副產物等安全性尚未得到驗證，從煙草、工農業廢棄物中提取煙堿，仍然是目前獲取煙堿的主要途徑[10-12]。傳統的煙堿提取方法有水蒸氣蒸餾法、溶劑萃取法和離子交換法，隨著科技的發展，出現了超聲輔助萃取法、微波輔助萃取法及超臨界CO2萃取法等新興的提取方法[13-15]。

對溶劑浸提法、超聲輔助溶劑浸提法提取煙堿的效果進行研究，并進一步針對傳統方法中存在的不足，設計了流動洗脫的柱式浸提煙堿裝置，采用固相萃取的方法對煙堿進行富集，旨在為從廢棄煙草中高效提取煙堿提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料、試劑與儀器

材料：廢棄煙末，云南中煙工業有限責任公司提供。

試劑：氫氧化鈉、氯化鈉、濃硫酸、硅鎢酸鹽酸等，均為分析純，天津市德恩化學試劑有限公司提供；乙醇（分析純），天津市富宇精細化工有限公司提供。

儀器：EL-204 型電子天平，梅特勒-托利多儀器有限公司產品；柱式流動洗脫煙堿浸提裝置，自制；SB-3200DT 型超聲波清洗器，新芝生物科技有限公司產品；752N 型紫外可見分光光度計，上海精科實業有限公司產品。

1.2 試驗方法

1.2.1 溶劑浸提法提取煙堿

參照馬俊勃[16]的方法采用溶劑浸提法提取煙草中的煙堿，具體為稱取500 g 煙末，加入質量分數為0.5%的氫氧化鈉溶液5.0 L，置于水浴鍋中，于62 ℃條件下浸提3 h，浸提完成后過濾出浸提液；重復操作3 次，合并3 次浸提的浸提液；然后對合并后的浸提液進行萃取，萃取完成后減壓蒸餾并除去溶劑。

1.2.2 超聲輔助浸提法提取煙堿

參考王瑩等人[14]的方法，采用超聲輔助浸提法提取煙草中的煙堿，具體為稱取500 g 煙末，加入0.5%的氫氧化鈉溶液12.5 L，置于超聲波清洗裝置中浸提1 h，過濾出浸提液；對過濾后的浸提液進行萃取，萃取完成后減壓蒸餾并除去溶劑。

1.2.3 柱式流動洗脫煙堿浸提裝置提取煙堿

由于常規浸提法存在操作繁瑣、浸提液體積較大等問題，超聲輔助浸提法存在設備成本相對較高且設備易損等問題，因此在綜合調研國內外煙堿提取文獻的基礎上，設計了如圖1 所示的柱式流動洗脫煙堿浸提裝置。該裝置由浸提柱、浸提液槽、蠕動泵、MCI 萃取柱等部件組成，各部件之間用PFA管道連接。

圖1 柱式流動洗脫煙堿浸提裝置

柱式流動洗脫煙堿浸提裝置見圖1。

該裝置提取煙堿的原理為將煙末裝入浸提柱中并壓緊，然后升啟柱溫，用蠕動泵- 1 輸送浸提液通過浸提柱，碎煙中的煙堿溶于浸提液中并隨浸提液流出；提取完成后，打開浸提液槽的底閥，用蠕動泵- 2 輸送浸提液通過裝有反相樹脂的MCI-GEL固相萃取柱，由于煙堿在堿性條件下以締和分子存在，不會電離，而MCI-GEL 對締和分子具有很好的吸附作用，使浸提液中的煙堿以固相萃取的方式被吸附在MCI-GEL 柱上，萃殘液則流出返回到儲液槽中再次利用。待浸提液完全通過MCI-GEL 柱后，取下MCI-GEL 柱用氮氣吹干柱上殘留的水分。MCIGEL 柱用有機溶劑洗脫，減壓蒸發除盡有機溶劑后可得粗煙堿。

具體操作為取粉碎后的煙末1.0 kg 裝入浸提柱中并壓緊，升啟柱溫到65 ℃，在浸提液槽中加入質量分數為1%的氫氧化鈉溶液5.0 L。啟動蠕動泵- 1，讓浸提液以100 mL/min 的流速通過浸提柱，循環提取30 min，提取完成后，打開浸提液槽的底閥，用蠕動泵- 2 輸送，讓浸提液通過MCI-GEL 柱（柱中裝填0.2 L 的MCI-GEL 反相樹脂） 萃取煙堿，萃殘液則返回浸提液槽中再次利用。第1 次浸提完成后，利用經過MCI-GEL 柱萃取后返回的萃殘液再循環提取1 次，提取時間仍然為30 min。2 次浸提完成后，通過切換閥切換，輸送1.0 L 的洗滌液（1%氫氧化鈉），對浸提柱進行洗滌，洗滌液也通過MCI-GEL柱萃取。整個浸提、洗滌完成后，取下MCI-GEL柱，用氮氣吹干柱上殘留的水分，然后用500 mL 的乙醇，以50 mL/min 的流速洗脫柱上殘留的煙堿。

2 結果與分析

2.1 溶劑浸提法與超聲輔助浸提法

分別采用1.2.1，1.2.2 中的溶劑浸提法與超聲輔助浸提法對煙堿進行提取。

溶劑浸提法與超聲輔助浸提法的煙堿提取效果見表1。

表1 溶劑浸提法與超聲輔助浸提法的煙堿提取效果

由表1 可知，超聲輔助浸提法的煙堿提取效率高于溶劑浸提法。常規溶劑浸提法的煙堿回收率較低，需幾次浸提合并料液進行萃取，操作復雜，且浸提液的體積較大，給后續的有機溶劑萃取造成負擔；而超聲輔助浸提法則存在設備成本相對較高且設備易損等問題。

2.2 柱式流動洗脫煙堿浸提裝置提取煙堿優化

2.2.1 樣品粒徑對提取效率的影響

對于煙草樣品的浸提，目標成分的溶出和樣品的粒徑密切相關。粒徑越小，目標成分溶出越充分；但粒徑太小，過柱的壓力增大，容易堵塞篩板，導致洗脫超壓。因此，綜合提取效率和操作可行性考慮，選擇將煙草樣品粉碎至60~90 目，在該粒徑下，浸提液可安全地通過提取柱，不會出現超壓現象，而且煙堿的溶出效率也能達到預期結果。

2.2.2 浸提條件的選擇

在樣品浸提過程中，熱浸提效果優于冷浸提，因此采用開啟柱溫控制的方式進行熱浸提。試驗結果表明，隨柱溫升高，煙堿的溶出增加，但柱溫太高（超過80 ℃） 浸提液易氣化，造成壓力不穩定。綜合考慮浸提效果和操作方便因素，選擇控制柱溫為65 ℃，在此條件下，浸提液不容易出現汽化，也能保證有較好的浸提效果。

此外，浸提液的流速也影響樣品的浸提效果，流速太慢，浸提消耗的時間長；流速太快，泵的壓力過高容易磨損設備。綜合考慮設備的適應性、操作方便和效率因素，選擇浸提液的流速為100 mL/min。

在選定流速和溫度的條件下，對浸提時間進行了試驗。結果表明，分2 次浸提即過完MCI 柱后的浸提液再返回浸提1 次，效果優于1 次連續浸提。采用2 次浸提的方法，每次提取時間為30 min 左右，樣品中的煙堿基本提取完全，再延長提取時間或增加浸提次數，對煙堿的提取效率影響不大。因此，選擇用2 次浸提，每次浸提時間為30 min。

2.2.3 固相萃取條件的選擇

關于有機化合物的反相固相萃取，常用的萃取材料是化學鍵合固定相。但常見的化學鍵合固定相正常使用的pH 值范圍為2~8，不適合在堿性條件下使用。MCI-GEL 反相樹脂為聚苯乙烯-二乙烯基苯共聚材料，與傳統的反相柱層析材料鍵合硅膠相比，材料穩定性更高，可在pH 值1~14 長期穩定使用，同時在有機溶劑或水溶液介質中也能長期穩定使用。該材料還具有吸附容量更高、材料成本更低的優點。因此，選用MCI-GEL 反相樹脂為固相萃取材料。

測定了反相固相萃取柱的萃取容量，按長度/直徑為2∶1 進行裝柱，MCI-GEL 反相樹脂的裝填量為200 mL。用含1%氫氧化鈉的煙堿溶液通過柱，測定固相萃取柱的萃取容量。試驗結果表明，固相萃取柱對煙堿的萃取容量為48.5 g。在該萃取容量下，煙堿不會發生穿漏，但超過該萃取容量，煙堿可能會發生穿漏而導致煙堿損失。試驗中，樣品浸提時煙草樣品量為1.0 kg，樣品中煙堿含量為2.15%，因此樣品中煙堿最大量不會超過21.5 g；每次萃取的煙堿含量在固相萃取柱的承載范圍內。如果樣品中的煙堿含量顯著提高，或需浸提的煙草樣品量顯著擴大，可根據測定的萃取容量，對固相萃取柱按比例進行放大。

在反相固相萃取中，由于乙醇最安全且不會形成有害溶劑殘留，因此試驗中選擇用乙醇作為洗脫劑。進一步驗證了洗脫流速和洗脫劑的用量對洗脫效果的影響。在固相萃取洗脫中，洗脫劑的體積越大，洗脫越完全，但試劑消耗增加；洗脫流速快可縮短洗脫時間，提高工作效率，但洗脫劑和固相萃取柱的作用不充分，洗脫效率降低。結合操作時間、效果等因素綜合考慮，選擇以50 mL/min 的流速進行洗脫，當萃取柱富集的煙堿量為48.5 g（萃取飽和容量） 時，用500 mL 的乙醇可把萃取柱上的煙堿完全洗脫下，因此選用該洗脫條件。在實際操作中，固相萃取柱的煙堿負載量均小于飽和容量，因此能保證柱上吸附的煙堿完全洗掉。在實際生產中，如果要萃取的煙堿量顯著增大，需洗脫的煙堿量擴大，可按比例進行放大，增加洗脫劑的體積。

2.3 方法的驗證

在選定試驗條件下，測定了煙堿萃取的回收率。方法的煙堿回收率（n=5） 見表2。

表2 方法的煙堿回收率（n=5）

試驗結果表明，平行5 次試驗，得到的粗煙堿量介于18.57~20.12 g，平均值為19.24 g；煙堿純度介于88.21%~90.30%，平均值為89.60%；煙堿回收率介于78.55%~82.30%，平均值為80.21%；精密度介于0.93%~3.34%（n=5）。利用柱式流動洗脫煙堿浸提裝置提取煙堿的回收率高于傳統方法中的溶劑浸提法與超聲輔助浸提法。

在試驗中影響煙堿的回收率主要由柱式浸提和固相萃取兩步導致，對此分別試驗了2 個步驟對煙堿回收率的影響。結果表明，對于流動柱式浸步驟，煙堿回收率為92.80%~93.41%；對于固相萃取步驟，煙堿回收率為95.79%~97.22%，2 個步驟均具有較高的回收率。

3 結論

采用溶劑浸提法和超聲輔助浸提法對煙堿提取進行了試驗。結果表明，常規浸提法存在煙堿的回收率低、操作繁瑣、浸提液的體積較大等問題，超聲輔助浸提效率顯著高于溶劑浸提，但其設備成本相對較高，產業化應用困難。該研究的柱式浸提煙堿裝置采用改進方法，浸提液和樣品的作用更充分、浸提液的流動性也顯著增加了浸提液與煙葉樣品的碰撞和作用，樣品中的煙堿更容易溶出到浸提液中，浸提效率和傳統靜置浸提法相比有了極顯著的提高，還避免了傳統探討中需多次轉移過濾的繁瑣操作。此外，該方法中采用裝填有MCI 反相樹脂柱的柱，以固相萃取的方式吸附提取液中煙堿，與傳統溶劑萃取方法相比，操作更方便、萃取效率高、有機溶劑消耗大大減少、環境更友好，用于實際生產成本也低于溶劑萃取。

在選定試驗條件下，得到的粗煙堿量為18.57~20.12 g，平均值為19.24 g；煙堿純度為88.21%~90.30%，平均值為89.60%；煙堿的回收率為78.55%~82.30%，平均值為80.21%；精密度為0.93%~3.34%（n=5），回收率較高，精密度良好。