造纸法再造烟叶原料提取过程中有机酸的溶出规律

陶文梅，唐自文，史近文，芦 毅，段 孟，卫 青,，李庆华

1.云南瑞升烟草技术（集团）有限公司，昆明市高新区海源北路1699 号 650106

2.云南中烟再造烟叶有限责任公司，昆明市科医路41 号 650106

3.云南中烟工业有限责任公司，昆明市红锦路367 号 650231

责任编辑 洪广峰

造纸法再造烟叶又名烟草薄片、重组烟叶，是将烟梗、烟片、烟末等烟草原料以造纸工艺制成的片状或丝状再生品，由于具有密度小，填充值大、加工性能好、焦油释放量低等特点，近年来在卷烟工业企业已得到了广泛的应用［1-5］。有机酸是再造烟叶的重要组成成分［6］，包括挥发性的低级脂肪酸，半挥发性的高级脂肪酸及非挥发性的二元酸、三元酸等。挥发性酸如C10以下的低级脂肪酸和部分芳香酸，在抽吸过程中可直接进入烟气，从而改善卷烟香气和吸味［7-9］。半挥发性有机酸主要是C10以上的一元酸，是烤烟中重要的酸性潜香物质，可改善烟气酸碱度，使烟气吸味醇和、芳香［10］。非挥发性有机酸以草酸、苹果酸和柠檬酸为主，能与生物碱结合成盐，燃烧过程中，分解产生的酸性成分可调节质子化和游离态烟碱的比例，从而影响烟气的劲头和吸味［7-12］。再造烟叶中有机酸的来源分为两种:烟草原料和外加香料，其中，烟草原料中的有机酸是再造烟叶有机酸的重要来源。提取工艺是再造烟叶获得烟草有机酸的重要工序之一，其主要目的是将烟草原料中的水溶性物质如有机酸、离子类物质、特定的糖类等物质提取出来，通过浓缩等工艺处理制成涂布液［13］。提取工艺直接影响再造烟叶产品的质量，但目前对造纸法再造烟叶提取过程中有机酸溶出规律的研究尚未见报道。因此，对烟片及其提取后的滤渣中挥发性、半挥发性和非挥发性有机酸含量（质量分数，下同）进行了分析，旨在为改进造纸法再造烟叶的烟草提取工艺提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料、试剂与仪器

碎烟片（简称烟片，云南中烟再造烟叶有限责任公司提供）。

甲醇、正己烷（色谱纯，美国Dikma 公司）；浓硫酸、对甲基苯磺酸（AR，成都化学试剂厂）；山梨酸（挥发性有机酸的内标）、己二酸（半挥发和非挥发性有机酸的内标）、2-甲基丁酸、3-甲基戊酸、戊酸、辛酸、丙二酸、柠檬酸、亚油酸、亚麻酸（≥99%，比利时Acros 公司）；异戊酸、己酸、苯乙酸、草酸、丁二酸、苹果酸、棕榈酸、油酸、硬脂酸（≥99%，美国ChemService 公司）；苯甲酸（≥99.5%，美国Sigma-Aldrich 公司）。

B-490 型恒温水浴锅（瑞士Büchi 公司）；挤压脱水装置（自制）；ED240 型烘箱［温度控制在（105±2）℃，温度均匀度±1℃，德国Binder 公司］；称量瓶（60 mm×30 mm，湖南省永州市冷水滩区黄阳司玻璃厂）；培养皿（90 mm，上海五一玻璃仪器厂）；FW-200 型高速万能粉碎机（北京中兴伟业仪器有限公司）；420 μm 标准筛（40 目，浙江上虞市道墟张兴纱筛厂）；6890/5973N 气相色谱-质谱联用仪（GC/MS）、7683 自动进样器（美国Agilent 公司）；AB204-S 型电子天平（感量0.000 1 g，瑞士Mettler Toledo 公司）。

1.2 方法

1.2.1 烟片提取及样品制备

取1 000 g 烟片，提取条件为水温70 ℃、原料与水质量比为1∶6、提取时间30 min，共提取3 次，每次提取后，进行固液分离，取出部分固体用于有机酸测定，剩余固体继续进行下一级的提取，每次的固液比均为1∶6，直至3 次提取结束［13］，每级提取所取出的固体分别标记为一级滤渣（A）、二级滤渣（B）、三级滤渣（C）。将烟片原料（R）和各级固体样品在60 ℃下烘干、粉碎后，过420 μm（40 目）筛，筛下粉末用于有机酸测定。

1.2.2 有机酸测定

分别称取上述4 种样品各0.5 g，置于4 只50 mL 锥形瓶中，分别加入1.0 mL 混合内标溶液（山梨酸-己二酸-甲醇溶液，山梨酸和己二酸的质量浓度分别为0.012 和2.024 mg/mL）、5.0 mL 酯化溶液（含10%浓硫酸和10%对甲苯磺酸的甲醇溶液），于55 ℃下酯化1 h，冷却至室温，加入20 mL正己烷，振荡萃取15 min，萃取液中加入10 g 无水硫酸钠，静置，取1 mL 上清液，进行GC/MS 分析。分析条件为:

色谱柱:DB-5MS 毛细管柱（30 mm×0.25 mm×0.25 µm）；进样口温度：260 ℃；载气：He，1.0 mL/min；程序升温：50 ℃（1 min）5 ℃/min 275 ℃（3 min）；进样量：1.0 µL，分流比：10∶1，恒流模式；传输线温度：280 ℃；电离方式：EI 源；电离能量：70 eV；离子源温度：230 ℃；四极杆温度：150 ℃；检测方式:全扫描模式；质量扫描范围:35～350 amu；溶剂延迟:3.5 min。

采用NIST2005 标准图谱库检索定性，内标法定量［14］。

2 结果与讨论

2.1 GC/MS 检测方法的评价

取R 样品5 份，按1.2 节的方法进行处理和分析，计算测定结果的相对标准偏差（RSD）。结果（表1）表明，各有机酸的RSD 均低于5%，非挥发性和半挥发性有机酸的RSD 在0.29%～4.12%之间；挥发性有机酸的RSD 在0.54%～3.52%之间，说明方法的重复性较好。

采用标准加入法，称取R 样品共11 份，其中5份中分别加入不同量的非挥发性混标，5 份中加入挥发性有机酸混标，1 份用作对照，按1.2 节方法进行处理和分析，计算其回收率，结果（表1）表明，各有机酸的平均加标回收率在88.7%～102.7%之间，说明该方法的准确度较高。

表1 有机酸的重现性和回收率结果（n=5）（%）

2.2 烟片原料及滤渣中挥发性有机酸的含量

酯化后的烟片原料和各级滤渣中挥发性有机酸的总离子流（TIC）图如图1 所示，分析结果见表2。可以看出，挥发性有机酸以异戊酸、2-甲基丁酸、苯甲酸和苯乙酸为主。除戊酸、己酸和辛酸外，滤渣中其他挥发性有机酸的量随着提取级数的增加而减小。据文献［15］报道，烟草中的挥发性脂肪酸不仅以游离态形式存在，还有一部分以结合态形式存在。分子量较小、挥发性较强的脂肪酸如戊酸主要以结合态形式存在，这可以帮助解释戊酸等挥发性有机酸的溶出规律。随着提取级数的增加，苯甲酸和苯乙酸均溶出较快。这是由于苯乙酸易溶于水，提取过程中，可较快地由烟片转移到水中；苯甲酸虽然微溶于水，但是苯甲酸钠和苯甲酸钾易溶于水，苯甲酸在烟草中的存在形态可能是以苯甲酸盐的形式存在，因此，提取过程中，可快速转移到水中。

图1 烟片原料（R）和各级滤渣（A、B 和C）中酯化挥发性有机酸的TIC 图

由表2 还可以看出，原料和各级滤渣中挥发性有机酸的总量不同，其挥发性有机酸的总量表现为R＞A＞B＞C，即随着提取级数的增加，滤渣中挥发性有机酸的总量随之减小。经过三级提取后的滤渣中挥发性有机酸的总量较低。可见，采用多级提取方法可有效提取烟片原料中的水溶性挥发性有机酸。

表2 原料和各级滤渣中挥发性有机酸含量 （μg·g-1）

2.3 烟片原料及滤渣中半挥发性有机酸的含量

酯化后的原料和滤渣中半挥发性有机酸的TIC 图如图2 所示，分析结果如表3 所示。半挥发性有机酸是由C10以上的高级脂肪酸组成，烟叶中的高级脂肪酸以C18酸（硬脂酸、油酸、亚油酸、亚麻酸）含量较高，C16酸（棕榈酸）次之。由表3 可知，滤渣中也呈现出相同的规律，即C18酸含量较高。高级脂肪酸可分成饱和与不饱和脂肪酸两类，饱和脂肪酸（如棕榈酸、硬脂酸）能增加烟气的脂肪味、蜡味并使之圆和；不饱和脂肪酸，主要是亚油酸和亚麻酸，据文献［16］报道，不饱和脂肪酸能够增加烟气的丰满度和粗糙感。

图2 烟片原料（R）和各级滤渣（A、B 和C）中酯化半挥发性和非挥发性有机酸的TIC 图

表3 原料和各级滤渣中半挥发性有机酸含量（mg·g-1）

由表3 还可以看出，亚油酸和亚麻酸的含量之和占总脂肪酸的近50%。不饱和脂肪酸的含量高，与典型烤烟的特征相符合［17］。随着提取级数的增加，滤渣中半挥发性有机酸含量呈增加趋势，这是由于高级脂肪酸基本不溶于水，提取过程中高级脂肪酸可以较稳定地存在于烟片原料中；但是原料以及各级滤渣中半挥发性有机酸的绝对质量呈现递减的趋势。

2.4 烟片原料及滤渣中非挥发性有机酸的含量

酯化后的原料和滤渣中非挥发性有机酸的TIC 图如图2 所示，分析结果如表4 所示。非挥发性有机酸为水溶性酸，如草酸、丙二酸、丁二酸、苹果酸和柠檬酸等。由表4 可以看出，①草酸在滤渣中的含量随着提取级数的增加而增加；丙二酸、丁二酸、苹果酸和柠檬酸随着提取级数的增加而减小。这可能与这些酸在烟叶中的存在形式有关，以草酸为例，草酸在滤渣中的含量较高，这是由于草酸以稳定的草酸钙形式存在于烟片中，较难提取出来。②在所测得各级滤渣的非挥发性有机酸的含量中，均为苹果酸最高，草酸次之，柠檬酸最低，与云南烤烟烟叶样品中非挥发性有机酸的测定结果相吻合［18］。③三级滤渣（C）中丙二酸、丁二酸、苹果酸和柠檬酸的含量均远小于其在烟片原料（R）中的含量，这说明通过多级水提取可以将烟草中大多数水溶性的非挥发有机性酸（草酸除外）提取出来。

表4 原料和各级滤渣中非挥发性有机酸含量（mg·g-1）

对原料和滤渣中苹果酸、柠檬酸和草酸3 种非挥发性有机酸的含量进行了对比分析，结果（表5）表明，①滤渣中草酸、苹果酸和柠檬酸的含量之和随着提取级数增加而减小；②苹果酸和柠檬酸占3种酸总量的比例，苹果酸与柠檬酸及苹果酸与草酸含量比值均随着提取级数的增加而下降，而草酸占3 种酸总量的比例及草酸与柠檬酸含量比值均随着提取级数的增加而增大；③原料和各级滤渣中柠檬酸占3 种酸总量的比例均＜20%，与文献［18］所报道的烤烟型卷烟样品中有机酸的分布规律一致。

表5 原料和各级滤渣中苹果酸、柠檬酸和草酸含量比较

3 结论

烟片原料和各级滤渣中，均以苹果酸、草酸和柠檬酸为主，且挥发性和半挥发性有机酸的含量远远低于非挥发性有机酸的含量。在三级提取过程中，挥发性、非挥发性有机酸（除草酸外）可有效被提取出来，而半挥发性有机酸较难被提取出来。采用多级水提取有利于烟片原料中多数有机酸成分的提取，可有效提高提取液中有机酸的含量。但从各级滤渣中各有机酸的含量来看，仅采用多级水提取并不能有效提取出烟片原料中的半挥发性有机酸和草酸，需要考虑采用其他更有效的技术方法和手段。

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