复烤烟叶挥发性香味成分同时蒸馏萃取的优化研究

郭永才，张长安，李彦周，位辉琴，刘江豫，袁 超，贺 凡，张相辉

（天昌国际烟草有限公司技术中心，河南许昌 450002）

卷烟的香味成分是评价烟草质量重要的因素之一，卷烟的香味成分组分复杂，含量较低，有些含量甚微，这些香气成分相互作用构成了卷烟的独特香味[1]，因此卷烟香味成分是衡量卷烟内在品质、风格和消费者忠诚度的重要指标。通常认为构成卷烟的内在香味成分主要来自于烟叶和外加香精中的香味成分，以及加工过程中因各种生化反应而产生的香味成分[2]，烟叶中的挥发性和半挥发性成分通常是各种鉴定和质量控制方法中的被分析物[3-4]。其分析通常包含前处理及检测分析两大部分。烟叶的常用前处理方法有溶剂萃取、水蒸汽蒸馏、同时蒸馏萃取、固相微萃取、超临界流体萃取等[5]。打叶复烤往往伴随着高温高湿，初烤烟叶化学成分在此过程中会发生降解、转化、合成及挥发等一系列复杂的生物化学变化[6]；高温作用还可以去除烟叶中的部分青杂气和辛辣气味，使烟叶品质得到提高[7-9]。对打叶复烤后烟叶致香成分的检测，有利于为打叶复烤后烟叶均质化加工指纹图谱构建提供新的思路。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

FW135 型烤后烟叶 （2019 年襄县 C3F） 中草药粉碎机，郑州凯鹏实验仪器有限公司产品；EL204 型电子天平，梅特勒- 托利多仪器（上海） 有限公司产品；HH-4 型数显恒温水浴锅，金坛市科析仪器有限公司产品；KPGD5/20 型低温冷却液循环泵，郑州凯鹏实验仪器有限公司产品；KDM-1000 型可调式电热套，北京科伟永兴仪器有限公司产品；DHG-9145A 型电热鼓风干燥箱，上海一恒科技有限公司产品；Agilent 7890GC/5975MS 型气质联用仪，美国Agilent 公司产品；同时蒸馏萃取装置，郑州科技玻璃仪器厂产品。

二氯甲烷（纯度>99%，Dikma）；二氯甲烷、氯化钠（均为AR），天津市德恩化学试剂有限公司提供。

1.2 试验方法

1.2.1 同时蒸馏萃取法

试验进行之前，在同时蒸馏萃取的两端分别加入350 mL pH 值7.00 蒸馏水和 60 mL CH2Cl2同时蒸馏2.5 h，以清洗同时蒸馏萃取装置，保证仪器洁净。

用4 位数电子天平称取30 g（精确至0.01 mg）烟末样品置于1 000 mL 圆底烧瓶中（与同时蒸馏萃取装置一端对应接口的圆底烧瓶），向圆底烧瓶中加入适量的氯化钠和pH 值7.00 的蒸馏水，用可调式电热套加热，装置的另一端为盛有CH2Cl2的浓缩瓶，水浴加热，同时蒸馏萃取一定时间，结束后加入1 mL内标乙酸苯乙酯溶液（0.812 8 mg/mL），用旋转蒸发仪将其浓缩至1.0 mL，转移至色谱瓶中，进行GCMS 分析。

1.2.2 气相色谱- 质谱分析条件

色谱条件：HP-5MS 型色谱柱（60 m×0.25 mm i.d.×0.25 μm d.f）.，进样口温度280 ℃，进样量1 μL，分流比10∶1，载气He，1.0 mL/min，升温程序50 ℃保持2 min，以4 ℃/min 的速率升温至280 ℃保持20 min。

质谱条件：传输线温度280 ℃，电子倍增器电压1 635 V，EI 源电子能量70 eV，质量扫描范围30～550 amu，离子源温度230 ℃，四极杆温度150 ℃。

采用GC-MS 分析，经人工解析并与标准质谱图对照和检索，最后再与实验室的标准已知化合物进行色谱分析核对，包括保留时间在内的标准物谱库进行校对，确定各分离组分的化学结构。

1.2.3 香味物质提取量的计算方法

假设相对校正因子（相对于内标） 为1，对各种香味物质按照下式进行定量计算[10]。

2 结果与分析

2.1 不同厂家二氯甲烷纯度检测

同时蒸馏萃取烟草香味物质的萃取剂CH2Cl2的纯度对分析烟叶挥发性香味成分有较大的干扰，尤其是经过浓缩后，其杂质含量可增加几十倍至上百倍，对烟草挥发性香味成分的测定干扰非常大。因此，首先对不同厂家CH2Cl2的纯度进行检测分析，选取4 个CH2Cl2样品，即国产分析纯、国产色谱纯（重蒸）、进口1#、Dikma。分别取100 mL CH2Cl2浓缩至1.0 mL 后进行GC-MS 分析，得到总离子流色谱图。

不同厂家CH2Cl2浓缩后的总离子流色谱图见图1。

图1 不同厂家CH2Cl2 浓缩后的总离子流色谱图

由图1 可知，Dikma CH2Cl2浓缩后总离子流色谱图基本无峰，基线相对比较稳定。而其他总离子流图则是杂质较多且基线不稳。Dikma CH2Cl2的总离子流色谱图在40 min 左右有少量的杂质峰，对挥发性成分无较大影响。因此，选取Dikma CH2Cl2作为同时蒸馏萃取试验的萃取剂使用。

2.2 同时蒸馏萃取方法的优化研究

2.2.1 料液比对香味物质提取量的影响

保持其他因素一定，研究料液比对提取香味物质的影响，分别取料液比1∶8，1∶10，1∶12，1∶15，1∶18 进行试验。

不同料液比对烟草香味物质提取量的影响见图2。

图2 不同料液比对烟草香味物质提取量的影响

由图2 可知，随着料液比的增加，香味物质的提取量呈递减趋势。这可能是因为随着用水体积的增加，香味物质在水中的溶解量增多，导致最终香味物质的提取量降低，选择料液比1∶12 为最佳条件。

2.2.2 蒸馏时间对香味物质提取量的影响

保持其他因素一定，分别选取蒸馏时间1.5，2.0，2.5，3.0，3.5 h 进行试验，考查蒸馏时间对烟叶香味物质提取量的影响。

不同蒸馏时间对香味物质提取量的影响见图3。

由图3 可知，随着蒸馏时间的延长，香味物质的提取量不断增加，达到最大值之后又降低。3.0 h 之前随时间的延长香味物质的萃取量增加迅速，3.0 h后又开始逐渐减少。造成这种现象的主要原因可能是某些香味物质本身不太稳定，长时间的加热提取会导致其分解、氧化或水解，而时间短又提取不完全。

图3 不同蒸馏时间对香味物质提取量的影响

2.2.3 NaCl 用量对香味物质提取量的影响

保持其他因素一定，考查了NaCl 用量对提取香味物质的影响，分别取NaCl 与烟样质量比0，1∶2，1∶1，3∶2 进行试验。

不同NaCl 用量对香味物质提取量的影响见图4。

图4 不同NaCl 用量对香味物质提取量的影响

由图4 可知，随着NaCl 与烟样质量比的增大，香味物质的提取量先增加后降低。可能是由于随着NaCl 的加入逐渐改变了溶液组分间的活度系数，使溶液沸点升高，进而使待分离香味物质组分间的相对挥发度增大，更加有益于组分间的分离，NaCl 用量超过一定范围后，香味物质的提取量反而下降，根据试验结果，NaCl 与烟样质量比1∶1 为好。

2.2.4 二氯甲烷体积对香味物质提取量的影响

保持其他因素一定，试验选取了CH2Cl2用量（mL） 与烟样质量 （g） 之比分别为 1.5∶1，2.0∶1，2.5∶1，考查了二氯甲烷体积对烟叶香味物质提取量的影响。

CH2Cl2不同用量对烟叶香味物质提取量的影响见图5。

由图 5 可知，CH2Cl2用量 （mL） 与烟样质量 （g）之比2∶1 时，烟叶香味物质的提取量最大。

2.2.5 水浴温度对香味物质提取量的影响

保持其他因素一定，分别取水浴温度50，55，60，65，70 ℃进行试验，研究水浴温度对提取香味物质的影响。

不同水浴温度对香味物质提取量的影响见图6。

图5 CH2Cl2 不同用量对烟叶香味物质提取量的影响

图6 不同水浴温度对香味物质提取量的影响

由图6 可知，随着水浴温度的增加，香味物质的提取量明显增加。当水浴温度升高到60 ℃时，香味物质的提取量达到最大之后又逐渐降低。其原因可能是水浴温度升高，二氯甲烷的蒸发速度加快，而水相的挥发速度一定，使有机相萃取更加充分。

2.3 均匀试验设计分析法优化试验条件

2.3.1 均匀设计分析方案与试验结果

以复烤后烟叶河南襄县C3F 作为原料，根据去离子水体积 （X）1、蒸馏时间 （X）2、NaCl 用量（X）3、CH2Cl2体积 （X）4、水浴温度 （X）55 个单因素试验结果，确定均匀试验各因素的水平范围。以香味物质提取总量（mg/g） 为响应值（Y），做五因素三水平试验，因此选取均匀设计表U*12（121）0。由使用表可以查到，当因素数为5 时，应将X1，X2，X3，X4，X5分别放在U*12（121）0表的1，3，4，8，10 列上，其试验方案列于表1。

试验方案和结果见表1。

表1 试验方案和结果

2.3.2 方差分析和二元回归方程拟合

利用DPS 7.05 统计软件对表1 的试验结果进行二次多元回归拟合，得到香味物质的提取量对自变量X1，X2，X3，X4，和X5的二次多项式回归方程：

对上述回归模型进行方差分析。

方差分析见表2。

表2 方差分析

由表2 可知，此模型F 值为65.107，F 值不显著的概率为p<0.01，因此所建立的五元二次方程非常显著，与试验数据拟合很好。

根据表2 中各偏回归系数对应t 检验值，因素主次顺序为X2X4>X2X5>X1>X1X2>X5>X2X3>X1X3>X32>X4X5>X22。

根据检验p 值可知，各偏回归系数都非常显著，表明所建立的模型较可靠。

运用Excel 中的“规划求解”工具，对回归方程进行最优解求值，结果表明打叶复烤后烟叶中总香味物质含量的最大值为评价指标的最优方案为去离子水体积350 mL，蒸馏时间3.0 h，NaCl 用量30 g，CH2Cl2体积60 mL，水浴温度60 ℃，将这些数据代入方程得Y=2.13 mg/g，明显大于均匀试验所得的数据。

3 结论

采用单因素试验和均匀试验设计分析法对复烤后烟叶香味物质同时蒸馏萃取的试验条件进行了优化，分别同时蒸馏萃取溶剂不同厂家CH2Cl2质量、料液比、蒸馏时间、NaCl 质量、CH2Cl2体积、水浴温度的萃取条件进行优化分析，得到了复烤后烟叶香味物质同时蒸馏萃取最佳工艺条件：选用Dikma CH2Cl2的总离子流色谱图在40 min 左右有少量的杂质峰，对挥发性成分无较大影响，去离子水体积350 mL，蒸馏时间 3.0 h，NaCl 用量 30 g，CH2Cl2体积为60 mL，水浴温度60 ℃，该方法为复烤后烟叶挥发性香味成分含量提取提供支撑，对企业根据烤后烟叶香味物质含量变化，调整复烤工艺参数，最大限度地保证打叶复烤烟叶均质化加工奠定了基础。