响应面法优化分子蒸馏纯化废次烟末中香味成分的研究

李玉辉，苏海建，王 艳，杨晓东，李洪涛，刘利锋

（1.山东中烟工业有限责任公司技术中心，山东青岛266101；2.山东中烟工业有限责任公司青岛卷烟厂，山东青岛266101）

0 引言

我国是世界上最大的卷烟生产国和消费国，近几年每年卷烟产量基本维持在5 000万箱左右，约占世界卷烟产量的1/3。烟末是卷烟生产环节因机械造碎而产生的副产物。据统计，我国每年卷烟加工产生的烟末等废弃物在90×104～100×104t，除部分用于烟草薄片生产外，其余大部分被废弃，不仅造成了资源的浪费，而且严重污染环境[1-2]。烟末作为烟叶的有机组成部分，其含有与烟叶质量相当的香味成分，如酮类（β-大马酮、巨豆三烯酮），醛类（糠醛、苯甲醛），醇类（苯甲醇、苯乙醇），酯类（棕榈酸甲酯、二氢猕猴桃内酯） 等[3]。以烟草含有的香味物质为其制品增强风格实现卷烟“绿色加香”，可以达到变废为宝，提高低等级烟叶使用价值和梗丝、薄片丝、膨胀丝使用比例，减少卷烟烟叶单耗等多重目的。

分子蒸馏技术是近年来发展起来的一种分离纯化新技术。与常规蒸馏分离方法相比，具有真空度高、蒸馏温度低、受热时间短、分离程度高等特点，因此能大大降低高沸点物料的分离成本，极好地保护热敏物料的品质，特别适用于高沸点、高热敏性和易氧化物质的分离提取纯化。目前，该技术已广泛应用于石油化工、粮油工业、天然产物提纯、香精香料工业等领域[4-8]。

试验在分子蒸馏纯化废次烟末在超临界CO2萃取物的基础上，采用Box-Behnken响应面法对纯化条件进行优化，对烟草废弃物的综合利用和卷烟增香减害具有重要的现实意义。

1 材料与仪器

1.1 材料

废次烟末，干燥处理后过40目筛，密封保存，备用；二氧化碳，食品级，纯度为99.5%；乙醇，食品级，体积分数95%；甲醇、二氯甲烷，均为色谱纯。

1.2 仪器

HA220-40-1型超临界萃取装置，南通市华安超临界萃取有限公司产品；VKL70型短程分子蒸馏装置，德国瑞达有限公司产品；AB204-S型电子分析天平，瑞士梅特勒-托利多仪器有限公司产品。

1.3 试验方法

1.3.1 废次烟末超临界CO2提取工艺

准确称取适量的40目废次烟末，装入反应釜中，以95%乙醇为夹带剂，设置萃取压力25 MPa，萃取温度60℃，CO2流量20 L/h，萃取时间3 h，最终得到含有香味成分的淡黄色膏状固体。

1.3.2 废次烟末超提物分子蒸馏分离工艺

准确称取适量的废次烟末超提物，加热至流动状态后，加入分子蒸馏进料器中，进行分子蒸馏分离纯化研究，设置不同的蒸馏压力、蒸馏温度、进料速率，以香味物质得率和感官品质为考查依据，研究分子蒸馏分离最佳工艺条件。

1.3.3 卷烟加香及感官评吸

按照卷烟国标要求，将分离得到的馏分用70%乙醇稀释成1%（质量比） 的溶液，按照0.1%加香比用喷雾器均匀喷洒在空白烟丝上，对照样采用同样量的70%乙醇溶液。处理好的烟丝置于环境温度22±1℃，相对湿度60%±2%的恒温恒湿箱中平衡48 h，然后手工制成烟支，再置于环境温度22±1℃，相对湿度60%±2%的恒温恒湿箱中平衡48 h。

2 结果与分析

2.1 单因素试验

2.1.1 蒸馏压力对香味物质得率的影响

在蒸馏温度一定的条件下，蒸馏压力越低，物料的气态分子运动平均自有程越大，更容易逸出而被分离。设置刮膜转速375 r/min，进料量10 mL/min，蒸馏温度50℃（冷却水温度15℃，进料温度35℃）的条件下，设定蒸馏压力为180，160，140，120，100，80 Pa，研究蒸馏压力对香味成分纯化效果的影响。

蒸馏压力对香味物质得率的影响见图1，不同蒸馏压力条件下香味物质感官评价结果见表1。

图1 蒸馏压力对香味物质得率的影响

表1 不同蒸馏压力条件下香味物质感官评价结果

由图1可以看出，在相对较低的压力范围内，随着蒸馏压力的升高，香味成分得率呈现先升高后降低的趋势，到100 Pa时得率最高。这是由于在较低的压力下，香味物质中的轻组分无法及时冷凝，随着蒸馏压力的升高，越来越多的有效组分到达冷凝面进入馏分，当压力达到100 Pa时，恰好绝大部分小分子物质进入馏分。蒸馏压力继续升高，分子密度增加，分子碰撞次数增加，蒸馏效率下降，同时蒸馏压力的升高也会造成香味成分的热分解。综合考虑感官评价，选定最佳的蒸馏压力为100 Pa。

2.1.2 蒸馏温度对香味物质得率的影响

蒸馏温度是影响分子蒸馏分离效果的显著因素，物料分子运动的平均自有程随蒸馏温度的增加而增加，蒸馏速度也随之加快。固定刮膜转速为375 r/min，进料量10 mL/min，蒸馏压力100 Pa，蒸馏温度40，50，60，70，80，90，100℃（冷却水温度15℃，进料温度35℃）条件下，研究蒸馏温度对香味成分纯化效果的影响。

蒸馏压力对香味物质得率的影响见图2，不同蒸馏温度条件下香味物质感官评价结果见表2。

图2 蒸馏压力对香味物质得率的影响

由图2可以看出，随着蒸馏温度增加，香味物质得率逐渐增多，这是由于随着温度增加分子自有程增加，蒸馏效率随之增加。但是温度升高，有效成分馏出的同时，会带来大量非有效成分随之馏出，且当蒸馏温度在100℃以上物料沸腾，起泡。综合考虑感官评价结果，确定本级最佳蒸馏温度为60℃。

表2 不同蒸馏温度条件下香味物质感官评价结果

2.1.3 进料速率对香味物质得率的影响

进料速率决定物料在蒸发壁面上的停留时间，直接影响分子蒸馏效率和产物纯度。固定刮膜转速为375 r/min，蒸馏压力为100 Pa，蒸馏温度60℃（冷却水温度15℃，进料温度35℃）条件下，选取不同的进料速率研究其对香味成分纯化效果的影响。

进料速率对香味物质得率的影响见图3，不同进料速率条件下香味物质感官评价结果见表3。

图3 进料速率对香味物质得率的影响

表3 不同进料速率条件下香味物质感官评价结果

由图3可以看出，随着进料量增加，香味物质得率先增加后降低，这是由于进料速率较低时，物料在蒸发面上停留时间较长受热较充分，原料中其他成分也大量进入馏出物中；当进料速率较快时，由于物料在蒸发面上停留时间较短，物料未有充分受热便蒸馏结束，致使馏出物中有效成分纯度不高。随着进料速率的增大，馏出物中有效成分的得率随之下降。综合考虑感官评价结果，确定最佳进料速率为10 mL/min。

2.2 响应面优化试验

2.2.1 响应面试验设计方案

根据单因素试验结果，以单因素最优点为中心值，进行三因素三水平的中心组合设计。以香味物质的得率为响应值，利用Design Expert 8.0.5软件中的Box-Behnken模型（BBD）进行响应面优化设计，利用Design Expert 8.0.5软件对响应面试验结果进行二次多元回归拟合，得到香味物质得率对自变量A，B和C的二次多项式回归方程：

响应面试验因素与水平设计见表4，响应面试验设计方案及结果见表5。

表4 响应面试验因素与水平设计

表5 响应面试验设计方案及结果

2.2.2 回归方程方差分析

回归方程方差分析及显著性检验见表6。

由表6可以看出，此方程的模型p＜0.000 1，是显著的，说明模型有意义，回归模型的相关系数R2=0.987 7，修正后为R2Adj=0.971 9说明模型的拟合程度较好、试验误差小、方法可靠，可以代替真实的试验点进行可行性分析，因此可用此模型对废次烟末中的香味物质得率进行分析。回归模型中的蒸馏压力（C）、B2及C2的p均小于0.000 1，说明这些因素对香味物质得率的影响极显著；进料速率压力（A）、蒸馏温度（B）、蒸馏温度与蒸馏压力交互作用（BC） 及A2的p＜0.05，说明这些因素对香味物质得率的影响显著。试验过程中3个因素对香味物质得率影响由大到小依次为蒸馏压力、蒸馏温度、进料速率。

表6 回归方程方差分析及显著性检验

2.2.3 等高线及响应面图分析

RSM方法的图形是特定的响应面R对应的因素A、B、C构成的三维空间在二维平面上的等高线图，可以直观地反映各因素对响应值的影响，并能够找出各因素间的相互作用。为了表现两因素交互作用对香味成分得率的影响，以任意两因素为考查对象，剩余因素水平值取零，进行降维分析，得到二元二次方程，并绘制响应面图和等高线图。

进料速率、蒸馏温度与蒸馏压力交互作用对香味成分得率的响应面图和等高线图见图4。

图4 进料速率、蒸馏温度与蒸馏压力交互作用对香味成分得率的响应面图和等高线图

因为等高线的形状反映其交互效应的强弱大小，椭圆形表示2个因素交互作用显著，而圆形则与之相反[8]。由图4可以看出，进料速率和蒸馏温度交互作用对废次烟末中香味物质得率的影响最大。

对回归模型进行规范分析，寻求最优条件，得到分子蒸馏纯化废次烟末中香味物质的最优提取条件为进料速率10.76 mL/min，蒸馏温度61.3℃，蒸馏压力110.6 Pa，此条件下理论香味物质得率可达0.132%。

综合考虑试验条件，在进料速率11 mL/min、蒸馏温度61℃，蒸馏压力111 Pa条件下，进行验证试验，重复3次，得到废次烟末中香味物质平均得率为0.13%，与理论值的偏差为1.54%。因此，利用响应面法优化废次烟末中香味物质的最佳工艺条件是真实可靠的。

3 结论

以废次烟末中香味物质的得率和感官品质为评价指标，在单因素试验研究的基础上采用Box-Behnken响应面法对分子蒸馏纯化废次烟末中香味成分工艺的关键因素蒸馏压力、蒸馏温度和进料速率进行了优化。结果表明，进料速率和蒸馏温度交互作用对香味物质得率的影响极显著；蒸馏压力对香味物质得率的影响较显著。优化的纯化工艺条件为进料速率11 mL/min，蒸馏温度61℃，蒸馏压力111 Pa，此条件下废次烟末中香味物质得率为1.54%。

从废弃烟末中分离纯化香味成分，可以提高废次烟末的资源利用率，而且香味成分在卷烟加香减害方面有开发利用价值，可为解决目前低焦油卷烟所面临的香气不足的难题提供一种新的解决方案。