滁菊挥发油的成分分析及其在卷烟中的应用

徐秀娟 ，王 甜，何保江，李国栋，秦广雍，屈 展，胡 军，卓浩廉

1中国烟草总公司郑州烟草研究院;2 河南中烟工业有限责任公司技术研发中心;3 郑州大学物理工程学院，郑州 450000;4 广东中烟工业有限责任公司技术研发中心，广州 510385

天然产物分离过程中常用的提取分离技术有水蒸气蒸馏、树脂吸附法、超临界萃取法、亚临界萃取、分子蒸馏法等［1，2］。水蒸气蒸馏是提取植物精油最常见的方法，适用于具有挥发性、耐高温且在水中稳定存在的植物有效组分的提取分离。亚临界萃取技术是利用亚临界流体扩散能力强、传质速度快等特点，将物料中特定极性的成分溶出［3，4］。与超临界萃取相比，具有条件温和，工作压力低，物料不易氧化等优点，因而在天然植物有效成分的提取、天然色素、特种油脂的提取等方面应用广泛。分子蒸馏是一种在高真空度下进行分离操作的连续蒸馏过程，它是利用不同分子平均自由程的差异导致其表面蒸发速率不同而实现分离［2］。具有蒸馏温度低、真空度高、物料受热时间短等优点，在食品、医药、日化、香料等领域都有广泛应用［5］。

滁菊是菊科植物菊的干燥头状花序，位居我国四大名菊(滁菊、杭菊、怀菊、亳菊)之首。素有“金心玉瓣，翠蒂天香”之美誉，性温和，气味清香。传统研究认为滁菊具有散风清热、清肝明目的作用，可用于风热感冒、头痛眩晕、眼目昏花等病症，是药、食两用的佳品。部分药理学研究结果表明，滁菊中含有黄酮、挥发油、多糖、酚酸等多种活性物质，具有很好的应用开发价值［6］。目前，对菊花类净油的成分分析已有较多报道，菊花净油中富含萜烯类、醇类、酯类等物质，在卷烟中可凸显卷烟的清甜香［7-10］。已报道的菊花类净油均采用水蒸气蒸馏法，菊花中挥发油因提取方法不同，其化学成分及在卷烟中的效果均会有差异。但目前对不同提取方法所得滁菊净油挥发性成分的差异性分析，及在卷烟中的应用还未见报道，尤其是通过分子蒸馏的方法制备滁菊净油还未见报道。本文以滁菊为原料，通过减压水蒸气蒸馏、亚临界萃取技术、分子蒸馏技术制备滁菊净油，利用气相色谱-质谱联用技术分析其化学成分的差异，并对三种净油在卷烟加香中的效果进行研究，以期为天然烟用香料的开发提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料、试剂和仪器

2013年滁菊1 号样品(安徽省滁州市滁菊研究所);七匹狼(白)空白卷烟。

丁烷(≥99%，中油化工有限公司);95%乙醇(AR，天津科密欧化学试剂有限公司);乙酸乙酯(AR，天津科密欧化学试剂有限公司);乙酸苯乙酯(99%，阿拉丁试剂(中国)有限责任公司);液氮(河南源正科技发展有限公司);纯净水(杭州娃哈哈集团有限公司)。

ST-04 多功能粉碎机(浙江省永康市帅通电器厂);7890GC-8975MS 气质联用色谱仪(美国安捷伦公司);CBE-5L 型亚临界提取装置(河南省亚临界生物技术有限公司);DLSB-5L/-20 ℃低温冷却液循环泵(郑州长城仪器有限公司);R-210 旋转蒸发仪(瑞士Buchi);V-700 隔膜真空泵(瑞士Buchi);V-850 真空控制器(瑞士Buchi);分子蒸馏设备KDL 5(德国UIC);CIJECToR 型自动注射加香仪(德国Burghart 公司)。

1.2 实验方法

1.2.1 减压水蒸气蒸馏

称取滁菊100 g，粉碎至100 目，转移至2 L 的圆底烧瓶中，加入1000 mL 的沸水，密闭浸泡10 min后冷却，将滁菊连同浸提物在水浴50 ℃，3 kPa 条件下进行旋转蒸发。收集到馏分400 mL 后，再次向烧瓶内添加800 mL 沸水，重复上述实验步骤，待一共收集到1300 mL 馏分后停止蒸馏。用650 mL 乙酸乙酯萃取收集的馏分3 次，合并有机层，在35 ℃，5 kPa 条件下浓缩至10 g，添加100 mL 95%食用乙醇，再次在相同条件下浓缩至10 g，重复添加乙醇3次后，将提取物浓缩得到0.13 g，即为滁菊净油1#，产率0.13%。

1.2.2 亚临界萃取

称取滁菊200 g，粉碎至100 目，装入5 L 亚临界萃取釜中，抽真空，注入丁烷，料液比为10∶1，在35 ℃下提取30 min，提取完毕后，将液体溶剂抽进蒸发罐，对物料和浸提液进行脱除溶剂处理，溶剂快速挥发，完成提取物和萃取溶剂的分离，物料分离后再循环提取2 次，合并得到滁菊亚临界粗提取物15.54 g。由于粗提物中含有蜡质等不溶物，因而采用乙醇回溶、冷冻脱蜡的方法制备净油。向粗提物中加入10 倍量95%乙醇，并在50 ℃下加热回溶2 h，待其冷至室温后于-20 ℃条件下冷冻24 h，过滤，滤液减压浓缩至干，得到6.73 g，即为滁菊净油2#，产率为3.37%。

1.2.3 分子蒸馏

称取亚临界萃取所得滁菊净油80 g，通过分子蒸馏的方法分离轻组分，分子蒸馏条件:压力10-2mbar，蒸馏温度为80 ℃，刮板转速160 rpm，进料速度2.5 mL/min。待进料结束后，收集轻组分即可得到滁菊净油3#，共得产物11.87 g，产率14.84%，总产率为0.5%。

1.3 滁菊挥发油的GC/MS 分析

分别称量50 mg 的滁菊净油，用乙醇溶解定容至10 mL，加入3.280 mg 乙酸苯乙酯作为内标，进行GC/MS 分析，分析条件如下:

色谱柱:DB-5MS 毛细管柱(30 m ×0.25 mm ×0.25 μm);进样口温度:250 ℃;载气:高纯氦气;流速1.0 mL/min;进样量:1 μL;分流比10∶1;程序升温:50 ℃保持1 min，以10 ℃/min 升至200 ℃，保持2 min，以5 ℃/min 升至260 ℃，保持5 min。

电离方式:EI;离子源温度:230 ℃;电子能量:70 eV;四级杆温度:150 ℃;电子倍增器电压:1.89 kV;质量扫描范围33～500 amu;扫描方式:全扫描;溶剂延迟:7.0 min。

1.4 定性及定量方法

参考各化合物的保留时间，对每个色谱峰进行谱库(NIST08 和WILEY)检索，确定滁菊挥发油的各化学成分;对于鉴定出的成分，以乙酸苯乙酯为内标，采用“单一内标校正法”进行定量，假定相对校正因子为1，含量按以下公式计算:

式中:Ms—内标乙酸苯乙酯的质量(mg);Mi—i组分所属的净油的质量(mg);Ai—i 组分的峰面积;As—内标乙酸苯乙酯的峰面积。

1.5 加香［11］与评吸

挑选重量和吸阻均匀一致的七匹狼(白)空白卷烟样品，用自动注射加香仪分别将质量浓度为1%的滁菊净油1#、2#、3#(95%食用乙醇稀释)注入空白卷烟中，注射量2 μL/支，开始和结束注射点距烟丝端分别为5 mm 和55 mm。注射完毕后，将卷烟装入烟盒中，密封于22±2 ℃和RH 60%±5%条件下放置1 周。请专业人员分别从香气质、香气量、杂气、刺激性和余味等方面对加香效果进行评价，对照样烟为加入等量95%食用乙醇的七匹狼(白)空白卷烟。

2 结果与讨论

2.1 三种滁菊净油成分分析

按照上述GC/MS 条件对不同方法制备的滁菊净油进行分析，通过检索标准谱库(NIST08 和WILEY275)及人工解析图谱相结合的方式确定化合物，所得分析结果如表1 所示。三种净油中共鉴定出79 种化学成分，主要包括有机酸类8 种、酮类14种、醇类18 种、烯烃类25 种、酯类7 种，以及其他化合物等。制备方法不同，所含成分数目及种类略有差异，其中减压水蒸气蒸馏共鉴定出65 种化合物，亚临界萃取和分子蒸馏分别鉴定出60 和63 种，三种净油中共有的成分有47 种。从表1 中可见，滁菊净油中含量较高的是龙脑、β-芹子烯、β-倍半水芹烯、(E)-β-金合欢烯、蒿酮、马兜铃环氧化物等，这与文献报道的结果相一致［12］。

醇类物质中含有龙脑、桃金娘烯醇、α-紫罗兰醇、檀香醇、二氢芳樟醇、2-乙基己醇、橙花叔醇、桉油烯醇、2-羟基桉树脑、α-松油醇等，其中龙脑、桃金娘烯醇具有清凉的、薄荷的药草气息;檀香醇具有甜而温和的木香，且香气持久;α-松油醇能与烟草的香味协调，赋予果香与辛香，改善烟气;橙花叔醇在烟草中可增加蜜甜、花香、果香的香韵，改善吃味［7］。烯烃类共25 种，占总挥发物质的32.87%～44.22%，包括β-芹子烯、α-姜黄烯、(E)-β-金合欢烯、β-倍半水芹烯、α-蒎烯、月桂烯、长叶烯、β-甜没药烯等，在卷烟中可能具有抗氧化或抑制烟气自由基的作用［10］。α-蒎烯具有松木、针叶及树脂样的气息，香气透发;(E)-β-金合欢烯具有特殊的青香韵的铃兰花香气，并伴随有木香香韵［13］;β-甜没药烯具有愉悦的甜香、花香气息［14］。酮类物质的含量仅次于烯烃类和醇类，占总挥发物的7.19%～12.86%，其中的樟脑、菊油环酮、植酮、香芹艾菊酮等在文献中已有报道［12］，是菊花挥发油中常见的酮类化合物，樟脑具有窜透性的特异芳香;6-甲基-5-庚烯-2-酮具有强烈的青香、柑橘样的香气，在卷烟中可修饰果香，增添清香，烘托上等烟独具的风味。滁菊净油中有机酸的含量相对较少，且几乎仅存在于1#净油中，异丁酸、异戊酸等能在烟草制品中增添水果和乳酪样甜香，使烟气醇和，增强香料烟的风格。酯类化合物中的乙酸薄荷酯、乙酸叶醇酯、乙酸龙脑酯等均可增强烟草制品的清香，缓和烟气吸味，掩盖刺激性。此外，鉴定出的化合物中还含有少量的2，3，4，5，-四甲基吡嗪、石竹素、马兜铃烯环氧化物等。从以上分析可见，滁菊净油中的多种成分可能具有增强卷烟香气、降低烟气刺激性、改善吸味等作用。

表1 滁菊净油的GC/MS 分析结果Table 1 GC/MS analysis results of Chrysanthemum morifolium volatile oils

减压水蒸气蒸馏、亚临界萃取和分子蒸馏的得率分别为0.13%、3.37%、0.5%，1#净油为黄色透明液体，2#净油为墨绿色粘稠油状物，3#净油为黄绿色澄清透明液体，三者均具有浓郁的菊花香气和药草香。亚临界萃取的产率最高，这是因为以丁烷为萃取溶剂时，萃取物中不仅含有易挥发性物质，同时也包含部分大分子物质。经分子蒸馏之后，在一定的蒸馏温度及压力下，不易挥发、分子平均自由程较小的物质集中在重组分中，轻组分中高沸点物质的含量大大降低，因而3#净油的产率也大大降低。减压水蒸气蒸馏只提取植物中的低沸点、易挥发物质，提取物中几乎无非挥发大分子物质，而植物中的挥发油含量本身较少，因此，1#净油的产率最低。

制备方法不同，所得净油中挥发性物质的种类及含量差异较大。如表2 所示，三种净油鉴定出的挥发物总量分别为 22.080%、3.1654%、14.1987%。减压水蒸气蒸馏的总量最高，而亚临界萃取的总量最低。这是因为，水蒸气蒸馏是将植物中的挥发性成分随水蒸气一并馏出，经冷凝后收集，半挥发或难挥发物质的含量极低，而亚临界萃取物中仍含有大量高沸点物质，因此1#净油中鉴定出的物质种类最多，且总量也最多，而2#净油中鉴定出的物质种类及含量最低。3#净油是在2#的基础上，采用分子蒸馏，在80 ℃的蒸馏温度下，对其中的轻组分进行富集，有效降低了高沸点物质的含量，因而其含量较2#有明显提高。

表2 三种净油中各类化合物的总含量Table 2 The content of different compounds in the volatile oils

图1 三种净油中各类成分的含量对比Fig.1 Content comparison of different compounds in the volatile oils

三种净油中烯烃类、醇类和酮类的含量均较高，此外还含有部分有机酸、烷烃、杂环化合物等，但制备方法不同各类物质的变化规律略有差别。如图1所示，2#和3#净油中各类物质的含量从高到低分别为烯烃类、醇类、酮类、其他类、酯类和有机酸类，其变化规律一致。其原因在于，亚临界萃取适用于天然产物分离的前阶段，即从原料中萃取有效物质，而分子蒸馏是将粗产品中的有效成分进行分离提纯，本身不能用于前期的提取。本实验中分子蒸馏所用粗产品即为2#净油，因此，在物质组成上2#与3#差异较小，但是从物质含量上来看，3#净油中挥发性物质的含量大大提高，例如:2-羟基桉树脑的含量是分离前的13.93 倍;(E)-β-金合欢烯的含量从0.06579%增加到0.71062%，同时也高于1#净油中的含量(0.48145%);滁菊挥发油的主要成分龙脑、β-芹子烯也从原来的0.61%增加到2.7%左右;此外，分离纯化后，3#净油中还鉴定出了菊油环酮、乙酸异龙脑酯和香橙烯环氧化物，其中，菊油环酮是菊花中常见的芳香物质，已有报道该物质存在于安徽产菊花中［12］。1#净油中醇类物质的含量明显增高，各物质的含量从高到低依次为醇类、烯烃类、酮类、有机酸类、酯类和其他类。这是因为，丁烷为弱极性溶剂，根据相似相溶原理，该溶剂对极性较大的醇类、有机酸类的萃取率相对较低，对极性较弱的烯烃类萃取效率较高;水蒸气蒸馏是根据共沸原理，将易挥发性物质与水共沸而带出，与物质的极性无关，因而1#净油中醇类、酸类的含量均有增加。由表1 可见，1#净油中有机酸的含量明显增高，鉴定出了异丁酸、异戊酸、正己酸、反式-2-甲基-2-丁烯酸等，这些物质的沸点较低，极性较大，因而只存在于水蒸气蒸馏所得净油中。此外，1#净油中龙脑的含量高达11.121%，乙酸龙脑酯的含量为0.32293%，使得醇类和酯类的含量显著增加。

表3 三种净油在空白烟支上的加香效果Table 3 Evaluating the effect of three volatile oils on reference cigarettes

2.2 三种滁菊净油的卷烟加香结果评价

卷烟加香评吸结果如表3 所示，三种净油均能较好的提高香气质、增加香气量，烟气柔和细腻，但在减轻残留和刺激性方面作用较小。1#净油对残留有明显改善，这可能与净油中多为易挥发香味物质，无大分子物质有关;2#净油中除挥发、半挥发物质外，还有较多的高沸点物质，因而口感较差，余味较差;3#净油通过分子蒸馏之后，大分子物质的含量大大降低，因而口感比2#有较大改变。总体而言，滁菊净油能够一定程度上提高香气质和香气量，柔和烟香，掩盖杂气，使得烟气细腻。

3 结论

采用减压水蒸气蒸馏、亚临界萃取和分子蒸馏三种方法，制备了滁菊净油，经GC/MS 分析共鉴定出79 种化学成分，主要包括有机酸类8 种、酮类14种、醇类18 种、烯烃类25 种、酯类7 种，以及其他化合物等。以烯烃类和醇类为主，其中含量较多的是龙脑、β-芹子烯、β-倍半水芹烯、(E)-β-金合欢烯、蒿酮、马兜铃环氧化物等，正是这些物质的有机结合，才构成了滁菊的特征香气。三种方法相比，减压水蒸气蒸馏能够更好的提取滁菊中的龙脑、有机酸类和酯类等香味成分;亚临界萃取对天然植物中的弱极性物质有较好的提取效果，对强极性物质的提取效果略差;分子蒸馏能够降低净油中高沸点物质的含量，富集易挥发和半挥发物质，有效提高烯烃类和醇类的含量。卷烟加香结果表明，滁菊净油具有提高香气质，增加香气量，使得烟气细腻柔和，掩盖杂气等作用，是一种理想的天然烟用香原料。

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