溶剂浸提烟丝降焦减害工艺优化及其机理与效果

付瑜锋FU Yu-feng 田海英 - 程向红 - 王宏伟 - 张 展 陈 伟 李国政 - 董艳娟 - 聂 聪

(1. 河南中烟工业有限责任公司技术中心，河南 郑州 450000；2. 中国烟草总公司郑州烟草研究院，河南 郑州 450001)

烟叶原料的化学成分是造成有害成分释放量差异的物质基础。对于烟气中有害成分的形成机理和主要前体成分已有大量研究报道[1-2]，其中卷烟烟气中的氨来源于烟草及其它辅助材料中的含氮化合物，包括蛋白质、氨基酸、硝酸盐、铵盐、生物碱及含氮杂环化合物，而烟草中的蛋白质、氨基酸和硝酸盐等物质是HCN的主要前体物[3]。因此烟草中蛋白质、氨基酸、硝酸盐等含氮化合物是HCN和氨的共同前体物。从有害成分产生的根源出发，通过溶剂浸提的方式去除有害成分前体物，从而降低烟气中有害成分释放量，已有相关研究报道。Mccormack等[4]研究了多种介质包含自来水、95%乙醇、磷酸、柠檬酸、NaOH溶液去除烟草不溶性蛋白质和不溶性氮；Li等[5]用含过氧化氢和某种碱金属氢氧化物的溶液提取烟草，降低烟草中的含氮化合物和木质素；John等[6]在一定温度和压力下用超临界二氧化碳浸提烟草，浸提液用吸附剂如活性炭、铝硅酸盐、沸石或离子交换剂吸附，再通过酸洗和UV光照除去TSNAs；Monrad等[7]用甲醇、乙醇等溶剂处理烟草，减少烟气中的苯并芘；田海英等[8]利用亚临界状态的溶剂萃取烟丝，降低卷烟烟气中的焦油和有害成分等。但上述方法通常操作比较繁琐，所需仪器设备要求较高，投入较大。

本研究根据HCN和氨具有共同的前体物，拟采用溶剂浸提技术处理烟丝，依据模拟卷烟燃烧裂解试验结果，考察浸提溶剂、浸提方式、浸提时间等对HCN和氨释放量的影响，并对处理前后烟丝的可用性进行了评价，以期为卷烟减害提供新思路。

1 材料与方法

1.1 材料、试剂和仪器

样品：2014年洛阳BO11烤烟，河南中烟工业有限责任公司；

NNK标准品：纯度>99%，美国Arcos公司；

巴豆醛-DNPH、氢氰酸、氨、苯并[α]芘、苯酚标准品：纯度>99%，美国Sigma-Aldrich 公司；

烟碱标准品：纯度>99.5%，美国Sigma-Aldrich 公司；

CO标准气体：纯度>99%，中国国家标准物质中心；

环己烷、甲醇、乙腈、盐酸、氢氧化钠、乙醇、丙酮：分析纯，纯度>99%，国药集团化学试剂有限公司；

异丙醇：色谱纯，纯度>99.5%，美国J. T. Baker公司；

卷烟模拟卷烟燃烧裂解装置：中国烟草总公司郑州烟草研究院研制；

连续流动分析仪：AA3型，德国布朗卢比公司；

气相色谱仪：7890A型，配TCD和FID 检测器，美国Agilent 公司；

高效液相色谱仪：1200 XS-365M-SCS型，配备紫外检测器，美国Agilent 公司；

离子色谱仪：ICS-3000型，美国戴安公司；

气质联用仪：7890a/5975c型，美国Agilent 公司；

质谱：4000-Q-TRAP 型，美国AB SCIEX公司；

电子天平：XS 225A-SCS型，感量0.000 1 g，美国普利赛斯公司；

烟丝振动分选筛：YQ-2型，郑州嘉德机电科技有限公司。

1.2 方法

1.2.1 工艺流程

烟丝→破壁处理→浸提溶剂处理→烘丝→卷制卷烟

1.2.2 试验烟丝制备 将试验选定的BO11烤烟经制丝工艺加工成烟丝，储存于温度(22±1) ℃、相对湿度(60±2)%条件下，备用。

1.2.3 浸提溶剂优化 将100 g平衡烟丝样品打包固定，置于浸提溶剂中，浸提溶剂与烟丝质量比为15∶1，处理后的烟丝采用模拟生产线烘丝条件(125 ℃烘箱，烘4.5 min)烘制，取出后自然冷却，置于温度(22±1) ℃、相对湿度(60±2)%条件下平衡48 h后进行相关分析检测。

(1) 浸提溶剂的pH优化：固定浸提时间30 min，浸提次数为1次，考察pH值为3，7，9(采用盐酸、KOH调节)的水溶液对单位质量烟丝HCN和氨释放量的影响。

(2) 浸提溶剂优化：固定浸提时间30 min，浸提次数为1次，同时将1.2.2(1)优化好的pH固定，分别考察60%，80%，100%乙醇或丙酮的水溶液对单位质量烟丝HCN和氨释放量的影响。

1.2.4 破壁方式优化 固定浸提时间30 min，浸提次数为1次，同时将1.2.2(1)和(2)优化好的pH和浸提溶剂固定，考察微波和CO2膨胀破壁处理对单位质量烟丝HCN和氨释放量的影响。

1.2.5 浸提次数优化 固定1.2.3优化好的破壁方式，浸提时间30 min，同时将1.2.2(1)和(2)优化好的pH和浸提溶剂固定，考察浸提次数为1，2，3次对单位质量烟丝HCN和氨释放量的影响。

1.2.6 烟丝热裂解方法 将装有100 mg 烟丝样品的石英管置于卷烟模拟燃吸装置中燃烧，燃烧条件为：40 ℃(保持5 s)，以 100 ℃/s 的升温速率加热至 900 ℃(保持5 s)；气体氛围为 O2/N2(体积比 9/91)；流量为 17.5 mL/s[9-10]。

1.2.7 常规化学成分分析方法

(1) 氨基酸：按YCT 282—2009执行。

(2) 总糖和还原糖：按YC/T 159—2002执行。

(3) 总氮：按YC/T 161—2002执行。

(4) 蛋白质：按YC/T 249—2008执行。

(5) 总植物碱：按YCT 160—2002执行。

(6) 硝酸盐：按YC/T 296—2009执行。

(7) 钾：按YC/T 217—2007执行。

(8) 氯：按YCT 162—2002执行。

1.2.8 卷烟抽吸、相关成分分析和感官评吸方法

(1) 卷烟样品抽吸：按GB/T 16447—2004和GB/T 16450—2004执行。

(2) HCN：按YC/T 253—2008执行。

(3) 苯酚：按YC/T 255—2008执行。

(4) 巴豆醛：按YC/T 254—2008执行。

(5) 苯并[α]芘：按GB/T21130—2007执行。

(6) 氨：按YC/T 377—2010执行。

(7) NNK：按GB/T 23228—2008执行。

(8) CO：按 GB/T 23356—2009执行。

(9) 烟碱：按GB/T 23355—2009执行。

(10) 焦油：按GB/T 19609—2004执行。

(11) 烟丝结构：按YC/T 289—2009执行。

(12) 感官评吸：按GB 5606.4—2005执行。

1.2.9 HCN或氨释放量降低率计算公式

(1)

式中：

c——HCN或氨释放量降低率，%；

m1——对照样HCN或氨释放量，μg/g；

m2——样品HCN或氨释放量，μg/g。

1.3 数据处理

采用统计学软件SPSS 19.0版进行数据统计分析，P<0.05 认为有显著差异，P<0.01认为有极显著差异。

2 结果与讨论

2.1 溶剂浸提工艺优化

2.1.1 浸提溶剂的选择 由表1可知，采用不同的水溶液浸提的样本数据的P 都<0.05，说明上述方法处理烟丝都能显著降低烟丝中HCN和氨释放量。用水溶液浸提后烟丝中HCN和氨释放量均呈降低趋势，但整体来说氨的降低效果更加显著，调节pH值可增强该效果。这是因为烟丝中铵盐、氨基酸和部分蛋白质溶解于浸提溶剂中，故经过浸提的烟丝在热裂解过程中HCN和氨的释放量有所降低。浸提溶剂pH值通过影响蛋白质的水化作用而直接影响蛋白质在水中的溶解度，在pH为3时，蛋白质的水化作用较pH为7和9时的大，溶解度比较大，所以，经过pH为3的浸提溶剂浸提的烟丝与pH为7和9的相比烟丝热裂解过程中HCN和氨的释放量低。因此，浸提溶剂的pH选择3。

表1不同pH水溶液浸提后烟丝热裂解过程HCN和氨的释放†

Table 1 The release of HCN and ammonia from pyrolysis of tobacco by different pH-aqueous solutions

pHHCN释放量/(μg·g-1)降低率/%氨释放量/(μg·g-1)降低率/%33752-5．73∗791-15．85∗73834-3．67∗842-10．43∗93802-4．47∗811-13．72∗对照样3980—940—

† *表示与对照样相比有显著差异，P<0.05。

烟草中含氮化合物种类较多，除了水溶性物质外，一些和脂质结合比较牢固或分子中非极性侧链较多的蛋白质和酶不溶于水、稀酸或稀碱溶液。而乙醇、丙酮和丁醇等有机溶剂，具有一定的亲水性还有较强的亲脂性，是理想的提取脂蛋白的提取液[11][12]3。由于丁醇沸点比较高(117.5 ℃)，考虑到浸提后烟丝中浸提溶剂的去除和烟丝平衡条件，本研究选用调节pH为3的乙醇和丙酮的水溶液作为浸提溶剂进行试验，结果见图1。

由图1可知，有机溶剂浸提烟丝热裂解过程HCN和氨释放量都有所降低，HCN的降低幅度更大。随着浸提溶剂中水比例的增加，烟丝氨的降低率逐渐增大，而HCN的降低率逐渐减小。为达到同时降低HCN和氨释放量的目标，选用80%的乙醇溶液作为浸提溶剂，可以达到最佳的浸提效果，与对照烟丝相比，HCN和氨的释放量分别降低15.70%和16.17%，并且此时烟丝质量损失较少，只有5.94%。因此，本试验选择pH为3的80%的乙醇溶液作为浸提溶剂。

2.1.2 烟丝破壁方式的选择 目前常用的物理破壁方法有高压匀浆法[11]、珠磨法[12]12[13]、冷冻压榨法[14]、超声法[15]和微波辅助提取法[16]。结合烟草的工业应用情况，考察了微波破壁处理和二氧化碳膨胀破壁处理对烟丝HCN和氨释放量的影响，结果见图2。

*表示与对照样相比有显著差异，P<0.05；**表示与对照样相比有极显著差异，P<0.01

图1 不同浸提溶剂对HCN和氨释放量的影响

Figure 1 The effect of different extraction solvents on HCN and ammonia release

**表示与对照样相比有极显著差异，P<0.01

Figure 2 The effects of different broken wall methods on HCN and ammonia release from Tobacco

由图2可知，经过微波和CO2膨胀破壁处理的烟丝与未破壁的烟丝相比，HCN和氨释放量都有比较显著的降低。说明破壁处理有助于提高后期烟丝浸提效率，可能是由于微波或CO2膨胀破壁使烟叶细胞破裂有利于蛋白质和氨基酸等前体物的萃取。微波处理和二氧化碳膨胀处理的效果相当，而且目前二氧化碳膨胀烟丝在烟草行业有广泛的应用，因此本研究确定采用二氧化碳膨胀作为烟丝的破壁方式。

2.1.3 浸提次数 由图3可知，浸提次数对于HCN和氨的释放量降低效果不明显，考虑时间和溶剂的成本，选择浸提处理1次为最优的处理强度。

图3 浸提次数对烟丝HCN和氨释放量的影响

2.2 浸提烟丝减害机理探讨

烟丝经过不同溶剂浸提后重量都有一定程度的损失，主要是由于烟丝中部分可溶于水及有机溶剂的糖类、盐、氨基酸、蛋白质等溶于浸提溶剂中。相关文献[17]11[18]20[19]表明，蛋白质、脯氨酸、天冬氨酸、含氮化合物是HCN和氨共同的前体物质，为进一步探讨溶剂浸提技术减害降焦的原理，本试验对浸提前后烟丝的上述化学成分进行了分析研究。

2.2.1 浸提前后烟丝中氨基酸分析 采用优化后的方法对样品烟丝进行处理，并采用氨基酸分析仪对浸提前后烟丝中氨基酸进行分析，主要氨基酸及总量结果见表2。

表2 萃取前后烟丝中主要氨基酸分析结果

由表2可知，与对照样品相比，烟丝浸提后，氨基酸总量由26.38 μg/g·烟丝降为22.63 μg/g·烟丝，其中HCN和氨的主要前体物质天冬氨酸和脯氨酸的降低量占总降低量的70.61%。因此，可以认为烟丝浸提后的天冬酰胺和脯氨酸减少，是导致HCN和氨的释放量降低的原因之一，这与文献[18]19[19]报道结论一致。

2.2.2 总氮 采用连续流动法分别测定对照烟丝和浸提后烟丝中总氮的含量，考察处理前后总氮的变化，结果见表3。

表3萃取前后单位干重烟丝总氮含量

Table 3 Total nitrogen content of dry weight tobacco per unit before and after extraction

样品重量/g总氮/mg对照烟丝100．02403．6浸提烟丝94．32030．7

由表3可知，与对照烟丝相比，100 g烟丝经过溶剂浸提后总氮降低了372.9 mg。对卷烟烟气中HCN及氨产生机理研究表明，卷烟烟气中的HCN主要来源于氨基酸、蛋白质[17]20，但也有报道[19]认为含氮化合物都可能产生氢氰酸；氨来源于烟草及其他辅助材料中的含氮化合物，包括蛋白质、氨基酸、硝酸盐、铵盐、生物碱及含氮杂环化合物等。因此浸提后烟丝中总氮的减少也是导致HCN和氨的释放量降低的原因。

2.3 溶剂浸提烟丝可用性评价

将采用溶剂浸提处理烟丝和未经过处理烟丝以相同比例(20%)添加到同一卷烟配方中卷制卷烟，分别为浸提样品和对照样品，卷制过程控制单支重量。

2.3.1 烟丝保润性能 对浸提前后的烟丝在湿度(60±2)%、温度(22±1) ℃的条件下平衡48 h后，测得对照烟丝的含水率为10.28%，浸提后烟丝的含水率为10.72%，表明浸提处理后烟丝的平衡含水率基本不变，因此浸提处理不影响烟丝的持水能力，即烟丝的保润性能基本不变。

2.3.2 烟气常规化学成分 采用行业标准测定溶剂浸提样品和对照样品的吸阻和主流烟气指标，结果见表4。

表4表明，与对照样品相比，相同烟支重量条件下，浸提样品平均吸阻降低了5.9%，卷烟抽吸口数没有明显的变化，焦油释放量降低了7.15%，烟碱释放量降低了23.2%，CO量降低了9.9%。因此，相同单支重量下，浸提样品相比于对照样品能够有效降低卷烟主流烟气中焦油、烟碱和CO释放量。

2.3.3 有害成分释放量 采用行业标准测定溶剂浸提样品和对照样品主流烟气中7种有害成分释放量，结果列于表5。

表4 样品卷烟主流烟气检测结果

表5 样品卷烟7种有害成分释放量及危害指数

由表5可知，与对照样品相比，浸提样品HCN和氨释放量分别降低了23.9%和20.9%，CO、苯并芘、苯酚的释放量降低率也接近或超过10%，卷烟危害性指数(H值)由12.8降为11.0，降低了1.8。因此，烟丝浸提技术能够显著降低卷烟主流烟气中HCN和氨的释放量；CO、苯并芘和苯酚的释放量也有明显降低，危害性指数(H值)降低了14.1%。

2.3.4 感官评价 对浸提样品和对照样品进行对比评吸，结果见表6。

表6 样品卷烟对比评吸结果

由表6可知，浸提样品柔细程度、余味、刺激均好于对照样品，杂气中的碱性刺激变小，清甜感比较明显；香气量略有下降，浓度稍有下降，劲头稍有变小。这与浸提后烟丝中烟碱、蛋白质、总氮等含氮物质含量降低有密切关系。因此对于刺激性强、劲头过大的低次烟叶，采用溶剂浸提处理不但能降低卷烟主流烟气中HCN和氨的释放量，还能降低低次烟叶卷烟的刺激，增强烟气的柔细度，从而提高低次烟叶的使用价值。

3 结论

通过对浸提溶剂、破壁方式、浸提次数等条件的优化，根据处理前后样品模拟热裂解时HCN和氨的释放量变化，确定了最优烟丝浸提条件为：经液态二氧化碳破壁后，采用pH值为3的80%乙醇萃取剂，浸提30 min，此条件下能显著降低烟丝中的HCN和氨的释放量，CO、苯并芘、苯酚也有明显降低；同时烟丝的保润性能基本不变，感官质量有一定的提升。将该技术应用于低次烟叶能提升其使用价值。

HCN和氨是卷烟烟气中主要的有毒有害物质，蛋白质、氨基酸、硝酸盐等含氮化合物是HCN和氨的共同前体物，本研究通过对减害机理探讨分析也验证了这一结论。通过溶剂浸提降低烟丝HCN和氨的释放量，同时提升低次烟叶使用价值有待于进一步进行工业应用评价。

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