再造烟叶正交优化提取及其化学成分和致香成分分析

赖炜扬，林　凯，鹿洪亮，李跃锋，张建平，苏明亮，张廷贵

(福建中烟工业有限责任公司技术中心，福建厦门361021)



再造烟叶正交优化提取及其化学成分和致香成分分析

赖炜扬，林凯，鹿洪亮，李跃锋*，张建平，苏明亮，张廷贵

(福建中烟工业有限责任公司技术中心，福建厦门361021)

摘要:研究水和乙醇为溶剂对再造烟叶原料烟草碎片和烟梗提取的影响，采用正交试验优化提取温度、料液比和提取时间，利用薄层层析( TLC)和气相色谱－质谱联用仪( GC－MS)分析比较烟草碎片和烟梗提取物的化学成分和致香成分．结果表明:烟草碎片和烟梗的水浸提法最佳提取条件为提取温度75℃，料液比1∶9，提取时间45 min;乙醇浸提法的最佳提取条件为提取温度60℃，料液比1∶9，提取时间45 min．TLC比较分析表明烟草碎片水提取物和乙醇提取物的化学成分存在明显差异，GC－MS比较分析表明烟草碎片的乙醇提取物的致香成分数目和总含量高于烟草碎片的水提取物，烟草香味重要成分莨菪亭提取量也明显提高．提取物成分分析显示烟梗与烟草碎片具有类似特征．本研究结果提示乙醇提取法能更有效地提取烟草原料中水溶性物质和致香物质．

关键词:再造烟叶;乙醇提取;气相色谱－质谱联用仪( GC－MS)分析;致香成分

再造烟叶(又称烟草薄片)是国内新兴发展起来的一种新型卷烟原料，它主要以卷烟加工过程中产生的烟草碎片、烟梗、烟末及部分低次烟叶为原料，经过浸取浓缩、打浆抄造、干燥加香3个步骤，制成接近甚至优于天然烟叶的薄片，再回用于卷烟生产中［1］．再造烟叶在卷烟中的适当添加，不但能提高烟草原料的利用率，而且可以根据实际需要对再造烟叶的物理性能和内在化学指标进行人为控制，如降低香烟中的尼古丁和焦油等有害物质，改善香烟品质的香气成分，改变烟气组分，提高香烟的安全性［2－3］．

再造烟叶的生产方法主要有辊压法、稠浆法和造纸法．随着科学技术的发展，造纸法成为目前再造烟叶生产的最新、最主要的生产工艺，并且该技术在国内外已得到了广泛应用［4］．造纸法再造烟叶的生产过程中，浸提分离原料的目的是尽可能多地提取其中的烟碱等有效成分，保证烟草有效成分的品质少受破坏，并提高回收利用率．该步骤直接影响后续的生产过程，包括能耗、再造烟叶得率、生产成本、再造烟叶香气质量和污水处理等．由于烟草的吸食性特点，目前烟叶提取以醇为提取剂的研究报道较少［5－6］，烟草企业生产线主要以水为提取剂，采用多级提取或减压、加压提取方式，烟料经多级提取后约有90%的物质溶解于提取液中［7－8］，但无法控制提取的有机物种类和有效致香物质的得率，因此如何减少再造烟叶的杂气，改善口感，增浓烟香，是许多烟草生产企业迫切希望解决的技术难题．本文分别以水和乙醇为溶剂，以提取率为指标，优化烟梗和烟草碎片的提取工艺，并进一步对最佳工艺条件下的水提取物和乙醇提取物进行薄层层析( TLC)和气相色谱－质谱联用仪( GC－MS)分析，探讨烟草碎片和烟梗提取物的极性、化学成分以及香味致香成分的差异，旨在为生产上提高再造烟叶的品质和实现再造烟叶品质可调可控提供基础数据和理论支持．

1材料和方法

1. 1材料

烟草碎片和烟梗等烟草原料由福建中烟工业责任有限公司提供，无水乙醇及其他常规化学试剂为国产分析纯，蒸馏水为去离子重蒸水．

1. 2方法

1. 2. 1正交试验优化再造烟叶水浸提法和乙醇浸提法

参考Mazvimba等［9］的方法，各称取9份100 g烟草碎片、烟梗，选取提取温度(水浸提: 65，75，85℃;乙醇浸提: 50，60，70℃)、料液比( 1∶6，1∶9，1∶12)和提取时间( 15，30，45 min)作为考察因素，每个因素设3个水平，采用L9( 33)正交试验法优化再造烟叶水浸提法和乙醇浸提法．每组试验按比例添加提取溶剂在一定温度下提取后，趁热用布式漏斗过滤，合并滤液，减压浓缩去除提取溶剂，然后冷冻干燥获得提取物．根据提取物的干质量与原料质量的比值计算提取率，以提取率为指标筛选最佳提取条件．

1. 2. 2再造烟叶提取物TLC图谱分析

利用TLC分析烟草碎片和烟梗提取物的化学成分，称取不同提取物用甲醇溶解配置成5 mg/mL溶液，分别选用不同溶剂系统( V(石油醚)∶V(乙酸乙酯) = 5∶1，2∶1和V(三氯甲烷)∶V(甲醇) = 20∶1，10∶1，5∶1，2∶1)为展开剂，毛细管点样于硅胶板，待样品线展开至硅胶板顶部1 cm左右，取出硅胶板，烘干硅胶板以10%(体积分数)硫酸乙醇溶液为显色剂，显色观察样品带斑点．

1. 2. 3再造烟叶提取物GC-MS分析

参考文献［10－11］的方法，分别称取烟草碎片和烟梗提取物各10．0 g，在同时蒸馏萃取仪器中，加蒸馏水250 mL，放入一端500 mL圆底烧瓶中，电热套加热至沸腾;装置另一端为盛有60 mL二氯甲烷的100 mL圆底烧瓶，在60℃水浴加热，同时蒸馏萃取2 h．将二氯甲烷萃取液浓缩至1 mL，萃取浓缩液加入内标物，采用GC－MS进行分析，采用内标法计算致香成分含量(μg/g)．

2结果与分析

2. 1烟草碎片和烟梗提取条件正交优化

水浸提法的正交试验结果见表1．3个因素对烟草碎片和烟梗提取率影响程度依次均为提取温度＞料液比＞提取时间，最佳工艺条件均为提取温度75℃，料液比1∶9，提取时间45 min．

乙醇浸提法的正交试验结果见表2．3个因素对烟草碎片和烟梗提取率影响程度依次均为提取温度＞料液比＞提取时间(该结果与水浸提法正交试验结果相同)，最佳工艺条件均为提取温度60℃，料液比1∶9，提取时间45 min．

表1烟草碎片和烟梗水提取法的正交试验结果和分析Tab．1　 Design and result of orthogonal test for the water extraction of tobacco fragments and stems

2. 2烟草碎片和烟梗提取试验结果分析

比较烟草碎片和烟梗的提取试验结果，烟草碎片的水与乙醇提取率均明显高于烟梗，这与烟梗、烟草碎片的化学组分和物理结构上的差别有关．烟梗含有较多纤维素、木素等大分子物质，且组织结构较为紧密，不利于溶剂在其中的扩散溶解;并且由于烟草碎片颗粒较小，减小了提取溶剂的传质阻力，使得原料与提取溶剂接触充分，提取率相对较高．

2．3烟草碎片和烟梗提取物TLC图谱分析

利用TLC对烟草碎片和烟梗提取物成分分析，从图1中可看出TLC图谱变化规律:在不同的展开剂中，水提取物和乙醇提取物的化学成分差别较大;随着展开剂极性增强，烟草碎片和烟梗提取物成分呈有机条带分布，根据成分色谱条带差异可知水提取物主要提取出极性较强的化学成分，乙醇提取物主要提取出极性较弱的化学成分．

表2烟草碎片和烟梗乙醇提取法的正交试验结果和分析Tab．2　 Design and result of orthogonal test for the ethanol extraction of tobacco fragments and stems

2. 4烟草碎片和烟梗提取物GC-MS致香成分分析

利用GC－MS色谱对烟草碎片和烟梗的提取物进行致香成分分析(图2)，各主要色谱吸收峰的质谱图经NIST和Wiley标准质谱谱库检索并参考保留时间及相关文献资料［4］，确定了其化学结构，并采用峰面积归一化法测定了各成分的相对含量，其中烟草原料致香成分和烟草香气关键组分含量测定结果如表3所示．从中可以看出:与水提取物相比，烟草碎片和烟梗的乙醇提取物中，酮类、醛类、醇类、脂类、酸类、酚类、烯烃类等致香成分物质在成分数目、总含量都显示出明显的优势;特别是醇类、脂类、酸类、烯烃类等致香成分在总含量上，乙醇浸提效果是水浸提效果的几十倍甚至上百倍．此外，从莨菪亭这一影响烟草香气感官的关键组分来看，乙醇浸提效果也明显优于水浸提效果．

图1烟草碎片和烟梗提取物TLC分析Fig．1 TLC analysis of the extracts of tobacco fragments and stems

3讨论

在再造烟叶的加工工艺中，提取分离是其工艺中的重要步骤，起到承上启下的作用，原料的提取影响提取液的成分，从而影响调制涂布液的香味成分和产品的感官评析质量［12］．烟草制品品质的优劣在很大程度上取决于其中的香味成分，稳定再造烟叶提取液的化学组分特别是香味成分，对于掌控产品的品质具有重要的意义．

在基于目前本公司生产企业的再造烟叶水提取生产工艺基础上，本文通过正交试验优化烟草碎片和烟梗水提取和乙醇提取工艺，对比分析两种提取方法对提取出烟草碎片和烟梗的化学成分和致香成分的差异．正交试验结果表明提取温度对烟梗和烟草碎片提取效果影响最大，其次为料液比，最后为提取时间，该结论与Zhang等［5］和候轶等［6］研究结果相一致．同时本文研究结果表明水提取物和乙醇提取物化学成分差别很大，以水为溶剂既提取出有效成分，如生物碱盐、氨基酸、有机酸类、多糖类等;同时也提出一些其他水溶性物质，如淀粉、蛋白质、粘液质、鞣质、色素、无机盐等．以乙醇溶液为溶剂进行提取，则可改变其溶解性能而使有效成分提取量增加，非醇溶性物质提取量减少．而在烟草香味成分方面，乙醇提取物的致香成分物质在成分数目和总含量高于水提取物，烟草香味重要成分莨菪亭含量也明显提高，乙醇浸提致香成分的效果要明显优于水浸提效果．由此我们认为提取溶剂乙醇的加入有利于烟梗和烟草碎片中其他致香物质的有效提取，本文研究为改进再造烟叶吸食品质提供了技术参考．

图2烟草碎片和烟梗提取物GC－MS分析Fig．2 GC－MS analysis of the extracts of tobacco fragments and stems

表3烟梗和烟草碎片提取物致香成分总含量的测定Tab．3 Contents of aroma components in the extracts of tobacco fragments and stems　μg/g

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The Optimization of Extraction Method of Reconstituted Tobacco by Orthogonal Test and Its Chemical and Aroma Components Analysis

LAI Weiyang，LIN Kai，LU Hongliang，LI Yuefeng*，ZHANG Jianping，SU Mingliang，ZHANG Tinggui

( Research and Development Centre for China Tobacco Fujian Industrial Co．，Ltd．，Xiamen 361021，China)

Abstract:To study the effect of water extracting and ethanol extracting processes on tobacco fragments and stems of reconstituted tobacco raw material，the extraction conditions，including extraction temperature，the ratio of material to liquid，and extraction time were optimized by orthogonal experiments．The chemical composition and aroma components of tobacco fragments and stems extracts were analyzed and compared using thin layer chromatography ( TLC) and gas chromatography－mass spectrometry ( GC－MS)．Results showed that the optimum conditions for water extracting process of tobacco fragments and stems were obtained as following，75℃for the extraction temperature，1∶9 for materialto－liquid ratio，and 45 min for extraction time，while for ethanol extracting process were 60℃for extraction temperature，1∶9 for material－toliquid ratio and 45 min for extraction time．TLC analysis showed that there was obvious differences in the chemical compositions of tobacco fragments extracted with water from those extracted with ethanol．GC－MS analysis showed that the number and total content of tobacco aroma components in tobacco fragments extracted with ethanol were higher than those with water．The content of scopoletin，an important component of tobacco fragrance，was also increased significantly when extracted with ethanol．The component analyses of tobacco stem showed similar characteristics to those of tobacco fragments．This study indicates that tobacco raw materials extracted with ethanol can effectively extract water－soluble substances and tobacco fragrance．The extracting method of tobacco raw materials with ethanol discussed in the study will supply a basis for further characterization and functional analysis of reconstituted tobacco．

Key words:reconstituted tobacco; ethanol extraction; gas chromatography－mass spectrometry ( GC－MS) analysis; aroma component

基金项目:中国烟草总公司国家烟草局科技重大专项( 110201301017( ZZ－06) ) ;福建中烟工业有限责任公司科技项目( FJZYJH2014013)*通信作者: lyf10495@ fjtic．cn

收稿日期:2015－03－11录用日期: 2015－06－12

doi:10．6043/j．issn．0438－0479．2016．01．027

中图分类号:TS 41．1

文献标志码:A

文章编号:0438－0479( 2016) 01－0144－05

引文格式:赖炜扬，林凯，鹿洪亮，等．再造烟叶正交优化提取及其化学成分和致香成分分析［J］．厦门大学学报(自然科学版)，2016，55( 1) : 144－148．

Citation: LAI W Y，LIN K，LU H L，et al．The optimization of extraction method of reconstituted tobacco by orthogonal test and its chemical and aroma components analysis［J］．Journal of Xiamen University( Natural Science)，2016，55( 1) : 144－148．( in Chinese)