分子蒸馏分离废次烟末致香成分及在烟草中的应用
杨艳芹a, 袁凯龙a, 夏琛a, 吴键a, 周国俊a,*, 段太成b,*, 储国海a, 蒋健a, 尹洁a, 刘金莉a, 史春云a, 胡安福a, 卢昕博a, 陶丰c
a浙江中烟工业有限责任公司技术中心 杭州 310024
b中国科学院长春应用化学研究所 长春 130022
c杭州利群环保纸业有限公司技术中心 杭州 310018
通讯联系人:周国俊,研究员; Tel:0571-81188389; Fax:0571-81188198; E-mail:zhougj@zjtobacco.com; 研究方向:烟草化学

共同通讯联系人:段太成,研究员; Tel:0431-85262348; E-mail:tcduan@ciac.ac.cn; 研究方向:光谱分析

摘要

采用分子蒸馏技术对超临界CO2萃取的废次烟末提取物进行分离,并对馏分进行GC-MS分析。 GC-MS结果显示,三级分子蒸馏(80、120、160 ℃)共鉴定出52种化学组分。 80 ℃轻组分段鉴定出15种,以杂环类为主,占总量的98.91%;其次为酯类,占总量的0.606%。 120 ℃轻组分段鉴定出26种,以杂环类为主,占总量的91.42%;其次为酮类、醇类和烃类,分别占总量的4.16%、2.87%和0.74%。 160 ℃轻组分段鉴定出26种,以醇类为主,占总量的67.97%;其次为杂环类,占总量的11.57%,烃类、醚类、酮类、酯类、醛类分别占总量的7.9%、4.09%、3.77%、2.80%、1.89%。 不同馏分段化合物种类和含量存在明显差异性,充分体现了分子蒸馏选择性富集的特点。 感官评吸表明,80 ℃轻组分和120 ℃轻组分按照质量比8:2调配后,香气质较好,香气量较足,口腔较舒适,有甜香显现,吸味较纯净,评吸结果较为理想。

关键词: 分子蒸馏; 废次烟末; 致香成分; 感官评吸
中图分类号:O658 文献标志码:A 文章编号:1000-0518(2015)12-1448-07
Separation of Aroma Constituents from Discarded Tobacco by Molecular Distillation and Its Application in Tobacco
YANG Yanqina, YUAN Kailonga, XIA Chena, WU Jiana, ZHOU Guojuna, DUAN Taichengb, CHU Guohaia, JIANG Jiana, YIN Jiea, LIU Jinlia, SHI Chunyuna, HU Anfua, LU Xinboa, TAO Fengc
aTechnology Center,China Tobacco Zhejiang Industrial CO.,LTD,Hangzhou 310024,China
bChangchun Institute of Applied Chemistry,Chinese Academy of Sciences,Changchun 130022,China
cTechnology Center,Hangzhou Liqun Enviroment-protecting Paper CO.,LTD,Hangzhou 310018,China
Corresponding author:ZHOU Guojun, professor; Tel:0571-81188389; Fax:0571-81188198; E-mail:zhougj@zjtobacco.com; Research interests:tobacco chemistry

Co-corresponding author:DUAN Taicheng, professor; Tel:0431-85262348; E-mail:tcduan@ciac.ac.cn; Research interests:spectrographic analysis

Abstract

The discarded tobacco extracted by supercritical CO2 was separated by molecular distillation techniques and analyzed by GC-MS. Fifty-two kinds of compounds were identified in total. 15 kinds of compounds were identified by the 80 ℃ light fraction. Among them, heterocycles were dominant, accounting for 98.91% of the total, followed by esters(0.606%). Twenty-six kinds of compounds were identified by the 120 ℃ light fraction. The chemical classes were mainly made up of heterocycles(91.42%), with relatively small amounts of ketones(4.16%), alcohols(2.87%) and hydrocarbons(0.74%). There were 26 kinds of compounds identified by the 160 ℃ light fraction. Alcohols(67.97%) were the dominant chemicals, followed by heterocycles(11.57%), hydrocarbons(7.9%), ethers(4.09%), ketones(3.77%), esters(2.80%) and aldehydes(1.89%), respectively. There were obvious differences in the compound types and contents of different fractions, which reflected the selective enrichment feature of molecular distillation. The sensory evaluation of the mixture of the 80 ℃ and 120 ℃ light fraction with the mass ratio of 8:2 was better. The sample's aroma quantity and quality increased, the after taste got more comfortable. Meanwhile it presented sweet aroma and more pure smoke flavor.

Keyword: molecular distillation; discarded tobacco; aroma constituents; sensory evolution

在烟草的釆收和生产过程中会产生约25%的废次烟末等下脚料不能使用,多数作为垃圾处理,给环境带来污染的同时也造成自然资源的极大浪费。研究表明,废次烟末中含有新植二烯、香叶基丙酮、巨豆三烯酮、苯甲醇、二氢猕猴桃内酯等烟草重要致香成分,可以作为烟草香精的来源[1]。因此对废次烟末的提取开发和废次烟末提取物中重要致香成分的分离分析,具有重要的理论和实际应用价值。

超临界流体萃取技术(Supercritical Fluid Extraction,SFE)具有传统提取方法无法比拟的高纯度、全天然、无溶剂残留和无污染等特点,现今已被广泛地应用于提取烟草中的精油和香料。 值得一提的是,超临界CO2萃取产物复杂,选择性并不高,需要进一步分离纯化[2,3,4]

分子蒸馏(Molecular Distillation,MD)又称短程蒸馏,是一种高真空度下,利用不同沸点的物质的分子平均自由程的差异进行液液分离操作的连续蒸馏过程[5,6]。 该技术是高真空条件下的非平衡蒸馏, 它可以在远低于物料沸点的情况下进行分离,物料的受热时间短,一般为几秒至几十秒,避免了物料受热分解的可能性,且不加入任何溶剂。 具有蒸馏温度低、受热时间短、分离程度高及产品质量好等特点,尤其适用于高沸点、热敏性及易氧化物料的分离,在天然产物的分离提纯方面占有很大的优势。 目前,该技术已被广泛应用于医药[7,8,9]、食品[10,11,12]、香料[13,14,15]等领域。 唐自文等[16]采用分子蒸馏分离95%乙醇、工业无水丙酮、无水乙醚等溶剂热回流烟草提取物,考察以上溶剂对烟草提取物的选择性。 杨靖等[17]采用分子蒸馏技术对云烟萃取物进行了分离,以便较好地富集烟草特征香味成分。 宋红平等[18]采用分子蒸馏技术富集分离烟草造纸法薄片浓缩液中的致香物质。 但是,利用分子蒸馏技术分离废弃烟末超提物的研究鲜有报道。

本次研究以废弃烟末为研究对象,采用分子蒸馏技术对超临界CO2提取物进行精制,GC-MS 联用技术对分子蒸馏产物进行了化学成分分析,并将分离产物用于卷烟加香试验。

1 实验部分
1.1 试剂和仪器

烟末、烟灰等废弃物(杭州卷烟厂);CO2(纯度是99.9%,苏州金宏气体);甲醇(色谱纯,德国Merck公司);二氯甲烷(色谱纯,德国Merck公司)。

HA220-50-06型超临界流体萃取仪(江苏南通市华安超临界萃取有限公司);MDS-80-Ⅱ型分子蒸馏实验设备(佛山市新杰大型钢结构工程有限公司);KQ-500DB型数控超声波清洗器(昆山市超声仪器有限公司);7890A-5975C型气相色谱-质谱联用仪(美国Agilent公司)。

1.2 废弃烟末超提物制备工艺

将颗粒细小的废弃烟末粉碎至170~380 μm,装入萃取釜,萃取的工艺条件为萃取压力25~30 MPa,萃取温度45 ℃,CO2流量90~110 kg/h,萃取时间4 h,得到包含致香物质的黄色萃取物。

1.3 分子蒸馏分离工艺

将黄色萃取物加热至70 ℃熔融,在加热温度为80 ℃冷凝得到一级轻组分与一级重组分;一级重组分进行二级分离,加热温度为120 ℃,冷凝得到二级轻组分与二级重组分;二级重组分进行三级分离,加热温度为160 ℃,冷凝得到三级轻组分与三级重组分。 一级、二级、三级分离的轻组分即为目标致香物质。

1.4 样品处理及GC-MS分析

分子蒸馏80 ℃轻组分和120 ℃轻组分流动性比较好,可以直接进样分析;160 ℃轻组分比较粘稠,用 V(甲醇): V(二氯甲烷)=1:1的混合溶剂超声震荡溶解,然后进样分析。

色谱柱:毛细管色谱柱DB-5ms,325 ℃,规格:60 m×320 μm×1 μm;进样口温度:270 ℃;进样量:1 μL,不分流进样;载气:He气(纯度≥99.999%),恒流模式,流速:1.0 mL/min;升温程序:初始温度40 ℃,保持0 min,以5 ℃/min的速率至100 ℃,保持0 min,再以2 ℃/min的速率至280 ℃,保持20 min;电离方式:电子轰击源(EI);电离能量:70 eV;传输线温度:230 ℃;离子源温度:200 ℃;溶剂延迟:16 min;扫描范围50~450 amu;测定方式:全扫描。

1.5 卷烟加料及评吸

按照卷烟国家标准GB YC/T 498-2014,将得到的不同馏分用5 mL 70%乙醇稀释后,用喉头喷雾器按烟草香料占烟丝重量的0.1%分别均匀地喷洒在空白烟丝上,喷后,烟丝于温度(22±1) ℃、湿度为(60±2)%的环境中平衡48 h,然后卷制成烟支,再在温度(22±1) ℃、湿度为(60±2)%的环境中平衡48 h,以未添加的空白烟丝作对照评吸。

2 结果与讨论
2.1 致香成分GC-MS联用分析

超提物及不同馏分段的总离子流图如图1所示。 通过谱库检索并结合标准质谱图和有关文献确定各馏分段的香气成分,并用色谱峰面积归一化法定量计算得各香气成分的相对百分含量,具体结果见表1

表1 分子蒸馏致香成分分析结果 Table 1 The analytical results of aroma constituents by molecular distillation

图1 分子蒸馏不同馏分段总离子流图Fig.1 Total ion chromatograms of different fractions by molecular distillation

图2 分子蒸馏不同馏分段化合物类别对比分析Fig.2 Comparison of the chemical classes of compounds by molecular distillation

表1可以看出,超临界提取物共鉴定出26种物质,其中醇类5种,包括苯甲醇、烟醇、3-氧代-7,8-二氢- α-紫罗兰醇、(1 S,2 E,4 S,5 R,7 E,11 E)-2,7,11-西柏三烯-4,5-二醇、 β-4,8,13-杜法三烯-1,3-二醇;醚类2种,包括异丁香酚甲醚、香紫苏醚;酸类1种,苯乙酸;烃类4种,包括l-甲氧基-4-(1-丙烯基)苯、长叶蒎烯、5-甲基-3-(1-甲乙基)环已烯、香木兰烷;酮类8种,包括2,3-二氢-3,5-二羟-6-甲基-4氢-吡喃-4-酮、2-哌啶酮、5,6-二甲基-2-苯并咪唑啉酮、巨豆三烯酮A、3-羟基- β-二氢-突厥烯酮、巨豆三烯酮B、4-(3-羟基-1-丁烯基)-3,5,5-三甲基-2-环己烯-1-酮、2'-羟基-4',5'-二甲基苯乙酮、6,7-二甲氧基-2 H-1-苯并吡喃-2-酮;杂环类5种,包括烟碱、麦司明、二烯烟碱、可铁宁、7,8-二羟基-4-甲基香豆素;酯类1种,为柠檬酸三乙酯(具体结果见表2)。 从含量来看,总体以杂环类为主,占总量的85.97%;其次为醇类和酮类,分别占总量的8.63%和3.45%,醚类、烃类、酯类、酸类分别占总量的0.191%、1.57%、0.094%、0.08%(如图2所示)。

80 ℃轻组分段鉴定出15种物质,其中,醇类1种,苯甲醇;醚类3种,包括对苯二甲醚、丁香酚甲醚、1,2-二甲氧基苯;烃类1种,为l-甲氧基-4-(1-丙烯基)苯;酮类4种,包括2-哌啶酮、3-羟基- β-二氢-突厥烯酮、巨豆三烯酮B、4-(3-羟基-1-丁烯基)-3,5,5-三甲基-2-环己烯-1-酮;杂环类3种,包括烟碱、2-(1-甲基-2-吡咯烷基) 吡啶、麦司明;酯类3种,包括二氢猕猴桃内酯、十六烷酸甲酯、己二酸二辛酯(具体结果见表2)。 从含量来看,总体以杂环类为主,占总量的98.91%;其次为酯类,占总量的0.606%;酮类、醚类、醇类分别占总量的0.235%、0.16%、0.085%(如图2所示)。

表2 分子蒸馏化合物类别统计结果 Table 2 The statistics results of compounds type by molecular distillation

120 ℃轻组分段鉴定出26种物质,其中醇类3种,包括烟醇、叶绿醇、 β-4,8,13-杜法三烯-1,3-二醇;醚类1种,为对烯丙基茴香醚;醛类1种,为十三烷二醛;酸类1种,为苯乙酸;烃类5种,包括l-甲氧基-4-(1-丙烯基)苯、2-甲基萘、石竹烯、长叶蒎烯、香木兰烷;酮类9种,分别为2,3-二氢-3,5-二羟-6-甲基-4氢-吡喃-4-酮、2-哌啶酮、5,6-二甲基-2-苯并咪唑啉酮、巨豆三烯酮A、3-羟基- β-二氢-突厥烯酮、巨豆三烯酮B、4-(3-羟基-1-丁烯基)-3,5,5-三甲基-2-环己烯-1-酮、3,5,5-三甲基-4-(3-氧代丁基)- 2-环己烯-1-酮、2'-羟基-4',5'-二甲基苯乙酮;杂环类5种,包括烟碱、麦司明、二烯烟碱、2,3'-联吡啶、可铁宁;酯类1种,为柠檬酸三乙酯(具体结果见表2)。 从含量来看,总体以杂环类为主,占总量的91.42%;其次为酮类和醇类,分别占总量的4.16%和2.87%;烃类、醚类、醛类、酯类、酸类分别占总量的0.74%、0.47%、0.21%、0.11%、0.01%(如图2所示)。

160 ℃轻组分段鉴定出26种物质,其中醇类6种,包括3-氧代-7,8-二氢- a-紫罗兰醇、叶绿醇、黑松醇、(1 S,2 E,4 S,5 R,7 E,11 E)-2,7,11-西柏三烯-4,5-二醇、 β-4,8,13-杜法三烯-1,3-二醇、香叶基香叶醇;醚类2种,包括香紫苏醚、异长叶醇甲醚;醛类1种,为长叶醛;烃类7种,包括间异丙基甲苯、柠檬烯、 α-蒎烯、石竹烯、长叶蒎烯、8,9-环氧-4-异丙基-螺[4.5]癸烷、香木兰烷;酮类5种,包括巨豆三烯酮A、3-羟基- β-二氢-突厥烯酮、巨豆三烯酮B、4-(3-羟基-1-丁烯基)-3,5,5-三甲基-2-环己烯-1-酮、4 α-甲基-7-丙-2-基-1,3,4,5,6,7,8,8 α-八氢萘-2-酮 ;杂环类2种,包括烟碱、可铁宁;酯类3种,分别为柠檬酸三乙酯、香叶酸甲酯、邻苯二甲酸二正辛酯(具体结果见表2)。 从含量来看,以醇类为主,占总量的67.97%;其次为杂环类,占总量的11.57%,烃类、酮类、醚类、酯类、醛类分别占总量的7.9%、3.77%、4.09%、2.80%、1.89(如图2所示)。

此外,从总离子流图(如图1所示)中可以看出,80 ℃轻组分具有很明显的烟碱峰,谱图比较干净,主要富集了一些小分子化合物,以苯甲醇和二氢猕猴桃内酯为主要代表成分; 120 ℃轻组分主要富集了保留时间适中的组分,以苯乙酸和巨豆三烯酮为代表组分,色谱指纹图谱较80 ℃轻组分更丰富一些;160 ℃轻组分主要富集了保留时间较长的部分,以3-氧代-7,8-二氢- α-紫罗兰醇、十六烷酸甲酯、叶绿醇、香紫苏醚为代表性组分。 本次三级分子蒸馏(80、120、160 ℃)共鉴定出52种化学组分,相较于原超提物鉴定出更多的组分,可能是原超提物中含量较小,通过分子蒸馏使痕量组分进行富集并通过GC-MS检出。 这些充分说明了将超提物进行分子蒸馏的必要性和重要意义,也体现了分子蒸馏在不同温度段对化合物选择性富集的优点。

2.2 感官评吸结果

将分子蒸馏得到的80 ℃轻组分(用字母A表示)、120 ℃轻组分(用字母B表示)和160℃轻组分(用字母C表示),分别按照质量比A:B=1:1、A:B=2:1、A:B=3:1、A:B=1:2、A:B=8:2和A:C=9:1这6种比例进行调配。

将超提取、分子蒸馏得到的单个馏分段和调配后的馏分共计10个样品分别用5 mL 70%乙醇稀释后,依照卷烟国家标准GB YC/T 498-2014,按烟草香料占烟丝重量的0.1%分别均匀地喷洒在空白烟丝上,由专业评吸小组进行评价,具体结果如表3所示。 评吸结果一致表明,A:B=8:2即80 ℃轻组分;120 ℃轻组分=8:2比例进行调配时,香气质好、香气量足、烟气较细腻、甜香显现、口腔舒适、吸味纯净,去除了超提物中刺激性的杂气带来的粗糙、干燥感。

表3 感官评吸结果 Table 3 The results of sensory evolution
3 结 论

本次研究采用分子蒸馏技术对超临界CO2萃取的废次烟末提取物进行分离,并对馏分进行GC-MS分析。 GC-MS分析结果显示,本次三级分子蒸馏(80、120、160 ℃)共鉴定出52种化学组分,相较于原超提物鉴定出更多的组分。 80 ℃轻组分主要富集了一些小分子化合物,以苯甲醇和二氢猕猴桃内酯为主要代表成分; 120 ℃轻组分主要富集了保留时间适中的组分,以苯乙酸和巨豆三烯酮为代表组分,色谱指纹图谱较80 ℃轻组分更丰富一些;160 ℃轻组分主要富集了保留时间较长的部分,以3-氧代-7,8-二氢- α-紫罗兰醇、十六烷酸甲酯、叶绿醇、香紫苏醚为代表性组分。 不同馏分段化合物种类和含量存在明显差异性,充分体现了分子蒸馏选择性富集的优点。 将分子蒸馏后的80 ℃轻组分与120 ℃轻组分按照8:2的比例调配后,喷涂于薄片进行感官评吸,香气质较好、香气量较足、有甜香显现,口腔较舒适,吸味较纯净,去除了超提物中刺激性的杂气带来的粗糙、干燥感。

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