譚正蘭,劉麗,伊奧爾,喬丹娜,曹秋娥,湯建國(guó)
(1.紅塔煙草(集團(tuán))有限責(zé)任公司技術(shù)中心,云南玉溪 653100;2.云南大學(xué)化學(xué)科學(xué)與工程學(xué)院,云南昆明 650091)
造紙法再造煙葉萃取工藝研究現(xiàn)狀
譚正蘭1,2,劉麗1,2,伊奧爾1,喬丹娜1,曹秋娥2,湯建國(guó)1
(1.紅塔煙草(集團(tuán))有限責(zé)任公司技術(shù)中心,云南玉溪 653100;2.云南大學(xué)化學(xué)科學(xué)與工程學(xué)院,云南昆明 650091)
萃取工藝是造紙法再造煙葉生產(chǎn)過(guò)程中影響其產(chǎn)率、品質(zhì)以及生產(chǎn)成本最關(guān)鍵因素之一。該文對(duì)近年來(lái)國(guó)內(nèi)造紙法再造煙葉萃取工藝研究成果及現(xiàn)狀進(jìn)行了系統(tǒng)綜述,并對(duì)造紙法再造煙葉萃取工藝應(yīng)用研究和開發(fā)前景進(jìn)行了展望。
造紙法再造煙葉;萃??;現(xiàn)狀
造紙法再造煙葉起源較早,20世紀(jì)70年代國(guó)外煙草商已經(jīng)開始系統(tǒng)研究造紙法薄片工藝技術(shù),并在80年代得到廣泛的推廣應(yīng)用,將其作為降低卷煙產(chǎn)品焦油量的一個(gè)有效手段[1]。國(guó)產(chǎn)造紙法再造煙葉發(fā)展經(jīng)歷了起步階段、快速發(fā)展階段和至今的全面創(chuàng)新階段。2010年,我國(guó)卷煙中造紙法再造煙葉摻配量約為5.5%,5年后將會(huì)超過(guò)8%,由此可見,造紙法再造煙葉在煙草行業(yè)中的重要性越來(lái)越顯著[2]。造紙法再造煙葉是指按再造煙葉原料配方要求,應(yīng)用類似造紙工藝生產(chǎn)出的一種可用于卷煙填充料的再生產(chǎn)品。在制造過(guò)程中,先將煙末、煙梗等原料用水浸泡萃取后,分離萃取液和不溶性纖維物質(zhì);不溶性纖維物質(zhì)以類似造紙的方法制成高填充值的片基,然后在片基上加入經(jīng)濃縮的萃取液和適當(dāng)?shù)奶砑觿稍锖蟊愠蔀樵僭鞜熑~。與其他方法相比,造紙法再造煙葉不僅具有密度小、填充數(shù)值高和整絲率高等優(yōu)點(diǎn),而且耐加工性優(yōu)于天然煙葉,焦油釋放量?jī)H為天然煙葉的一半左右[3]。同時(shí),造紙法再造煙葉由于其生產(chǎn)工藝科技含量高、可控性強(qiáng)及產(chǎn)品品質(zhì)優(yōu)勢(shì)逐漸代替輥壓法和稠漿法,成為現(xiàn)代再造煙葉生產(chǎn)行業(yè)中運(yùn)用最多的生產(chǎn)工藝[4]。在造紙法再造煙葉生產(chǎn)過(guò)程中,萃取工藝是最為關(guān)鍵的工序之一,具有舉足輕重的地位。
本文對(duì)國(guó)內(nèi)關(guān)于造紙方法再造煙葉萃取工藝的研究進(jìn)行系統(tǒng)綜述。
1.1 水浸提
水浸提是一種傳統(tǒng)的溶劑萃取方法,操作簡(jiǎn)單、收率高、成本低,而且不會(huì)破壞物質(zhì)性質(zhì),最常用于中藥有效成分萃取[5],也是再造煙葉萃取工藝中采用最多的一種萃取方法[6]21-23。其不足之處在于水萃取得到的煙草原料萃取液,需要通過(guò)濃縮才能達(dá)到涂布工序要求,并且在濃縮萃取液時(shí),易揮發(fā)物質(zhì)隨溫度升高而逸出,造成損失。國(guó)內(nèi)學(xué)者在研究水浸提工藝時(shí)主要考察萃取時(shí)間、萃取溫度、物料與水的比例和萃取次數(shù)等因素對(duì)煙草原料萃取率影響[7],同時(shí)為了確定最佳工藝條件,一般會(huì)先進(jìn)行單因素實(shí)驗(yàn)確定實(shí)驗(yàn)因素和水平,然后在此基礎(chǔ)上進(jìn)行正交優(yōu)化實(shí)驗(yàn)。
楊彥明等通過(guò)單因素實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)地研究了4種因素(萃取溫度、萃取時(shí)間、物料比及萃取次數(shù))分別對(duì)煙梗和煙葉萃取率的影響;根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果,煙梗最佳工藝參數(shù):60℃、40 min、物料比1∶8(m∶V);煙葉最佳工藝參數(shù):60℃、20 min、物料比1∶10(m∶V),萃取次數(shù)均為1次[8]。
凌秀菊等結(jié)合單因素實(shí)驗(yàn)和正交設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)對(duì)造紙法再造煙葉原料熱水萃取工藝進(jìn)行了優(yōu)化,得到煙梗最佳工藝:80℃、1 h、物料比l∶8(m∶V);煙葉最佳工藝:80℃、1.5 h、物料比1∶10(m∶V)。與其他研究者不同,凌秀菊等還采用膜濃縮代替了舊工藝中多效濃縮,經(jīng)實(shí)驗(yàn)得出改進(jìn)后工藝不僅能更好地除雜、降低能耗、回收芳香物質(zhì),還可以達(dá)到節(jié)約水資源的目的[6]21-23。
劉麗等采用中心組合設(shè)計(jì)響應(yīng)面法對(duì)煙葉碎片萃取工藝進(jìn)行優(yōu)化,得到煙葉碎片最佳提取工藝:浸提溫度69℃、浸提時(shí)間39 min、液料比10.6∶1(V∶m),萃取率為40.22%,并建立了相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型,模型預(yù)測(cè)值為40.46%,與實(shí)測(cè)值相對(duì)誤差僅為0.59%,為工業(yè)應(yīng)用提供了理論基礎(chǔ)[9]。
1.2 三級(jí)逆流萃取
三級(jí)逆流萃取技術(shù)是指原料液從第一級(jí)進(jìn)入,依次經(jīng)過(guò)各級(jí)萃取,成為各級(jí)的萃余相,其溶質(zhì)組成逐級(jí)降低,溶劑從末級(jí)即第三級(jí)進(jìn)入系統(tǒng),依次通過(guò)各級(jí)與萃余相逆相接觸,進(jìn)行萃取,使得萃取相中的溶質(zhì)組成逐級(jí)提高,最終獲得的萃取相和萃余相。在生產(chǎn)過(guò)程中,萃取相和萃余相中包含的溶劑將通過(guò)脫溶劑塔脫除,并返回系統(tǒng)循環(huán)使用,三級(jí)逆流萃取技術(shù)具有分離程度高、經(jīng)濟(jì)實(shí)用和可連續(xù)操作的特點(diǎn)。因此,大多數(shù)造紙法再造煙葉的生產(chǎn)企業(yè)為了降低能耗和水耗,提高萃取率以達(dá)到涂布的要求,工業(yè)上一般采用三級(jí)逆流萃取。
嚴(yán)新龍等則對(duì)造紙法再造煙葉工藝進(jìn)行了更為系統(tǒng)的研究,采用正交實(shí)驗(yàn)優(yōu)化原料萃取的萃取時(shí)間、萃取溫度、物料比、萃取次數(shù)和萃取后物料的擠壓干度對(duì)萃取參數(shù)的影響,模擬工業(yè)生產(chǎn)三級(jí)逆流萃取過(guò)程,其萃取率和萃取液波美度均能達(dá)到實(shí)際生產(chǎn)要求[10]。
常紀(jì)恒等采用正交實(shí)驗(yàn)優(yōu)化煙梗和煙末單次萃取工藝參數(shù),在實(shí)驗(yàn)室條件下模擬了三步逆向萃取,并優(yōu)化3次加水比例,得到了煙梗和煙末最優(yōu)工藝參數(shù)。煙梗:60℃、40 min每次、3次加水比例分別為1∶10、1∶7和1∶7(m∶V)。煙葉:30~40℃、20 min每次、3次加水比例分別為1∶10、1∶5和1∶5(m∶V)。驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,煙梗和煙葉按可溶物含量比例計(jì)算可分別達(dá)到86%和90%[11]。
1.3 萃取劑優(yōu)化萃取
單純地優(yōu)化萃取條件,萃取率增幅是有限的。為了能達(dá)到更好的萃取效果,很多研究者試圖改進(jìn)萃取劑,常用的就是在萃取過(guò)程中加入可以改善萃取效果的化學(xué)物質(zhì),如表面活性劑、尿包劑等。
孫霞等在萃取過(guò)程中加入一種非離子型表面活性劑聚氧乙烯山梨醇酐單油酸酯(Tween-80),可以有效地提高萃取率。在萃取過(guò)程中加入尿包劑,有效地提高了萃取率,煙梗和煙末的萃取率分別為54.12% 和56.36%[12]。
劉志昌等通過(guò)單因素實(shí)驗(yàn)和正交實(shí)驗(yàn),確定尿包萃取法浸提煙梗和煙末的最佳提取工藝條件,明顯提高了造紙法煙草薄片生產(chǎn)中煙梗、煙末的萃取率。煙梗最佳浸提條件為:尿包劑添加量2%,提取溫度70℃、料液比為1∶5(m∶V)、提取時(shí)間100 min;煙末的最佳浸提條件為:尿包劑添加量3%,提取溫度80℃、料液比為1∶5(m∶V)、提取時(shí)間100 min[13]。
2.1 超聲波輔助浸提
超聲波萃取法(UE)是在超聲能量輔助下利用超聲波空化作用增強(qiáng)溶劑穿透力,加速可溶物溶出,提高萃取率的浸提方法[14]。除此之外,超聲波還有許多次級(jí)效應(yīng),包括乳化、擴(kuò)散、擊碎和化學(xué)效應(yīng)等,都對(duì)加速目標(biāo)物質(zhì)溶出和提高萃取率有正面影響。超聲萃取法具有操作簡(jiǎn)單、萃取時(shí)間短、萃取率高和萃取成本低的優(yōu)點(diǎn),但使用超聲萃取設(shè)備生產(chǎn)時(shí)可能會(huì)造成噪聲污染。
為了改善再造煙葉抽吸品質(zhì),以草酸銨溶液或0.12%EDTA絡(luò)合自來(lái)水為萃取劑,采用超聲輔助萃取,有效降低了煙梗中果膠含量[15-17]。澳華達(dá)國(guó)際香料(廣州)有限公司發(fā)明了一種采用超聲波萃取技術(shù)生產(chǎn)再造煙葉的方法[18]。此法不僅能提高煙草原料有效成分萃取率,還可以節(jié)約能源和減少環(huán)境污染[19]。
2.2 酶制劑輔助浸提
酶萃取法原理是利用酶制劑反應(yīng)的高度專一性,將待萃取組分從生物細(xì)胞中萃取出來(lái),酶是催化特定化學(xué)反應(yīng)的蛋白質(zhì)、RNA或其復(fù)合體。酶萃取法具有反應(yīng)選擇性高、萃取條件溫和、得率高、時(shí)間短、成本低、環(huán)保而且不會(huì)破壞萃取成分的化學(xué)結(jié)構(gòu)和生物活性等優(yōu)點(diǎn)。酶萃取法常應(yīng)用于食品加工、生物制藥及萃取中藥有效成分,也常被用于改善再造煙葉產(chǎn)品的抽吸品質(zhì)。酶制劑在一定條件才能保證其活性,某些酶制劑還需要滅活處理,增加生產(chǎn)工序和難度。
目前,國(guó)產(chǎn)造紙法再造煙葉存在雜質(zhì)氣和木質(zhì)氣偏重、刺激性大和口感差等不足,這些缺陷導(dǎo)致再造煙葉配伍性差,更影響其在卷煙產(chǎn)品中的添加量和添加效果。如在萃取液濃縮階段,對(duì)萃取液進(jìn)行濃縮純化可達(dá)到除雜氣、增香氣的目的[20]。盡管如此,最常用的改善措施還是添加香料,但是改善程度有限,難以從根源上解決問(wèn)題。
隨著研究深入,發(fā)現(xiàn)在再造煙葉生產(chǎn)工藝原料萃取過(guò)程中加入酶制劑,可以很好地彌補(bǔ)再造煙葉缺陷[21-24],此法不僅反應(yīng)選擇性高、萃取條件溫和、得率高、時(shí)間短、成本低及環(huán)保,而且具有不會(huì)破壞萃取成分化學(xué)結(jié)構(gòu)和生物活性等優(yōu)點(diǎn)[25-27]。姚元軍等試圖通過(guò)采用自制的3種酶(BTE 0301纖維素酶、BTE 0202蛋白酶和BTE 0505果膠酶)及其復(fù)合酶對(duì)萃取工藝進(jìn)行處理,提高和改善再造煙葉內(nèi)在品質(zhì)[28]。鄭小嘎等采用復(fù)合酶(E 1、E 2、E 3、E 4和E 5)在造紙法再造煙葉生產(chǎn)工藝萃取過(guò)程中處理煙梗,明顯減輕了產(chǎn)品刺激性,香味變濃,口感也變好,明顯改善了產(chǎn)品品質(zhì)[29]。除了采用復(fù)合酶制劑,也有采用單一酶處理煙草原料的研究,李魯?shù)妊芯苛说鞍酌笇?duì)再造煙葉原料中蛋白質(zhì)降解程度的影響,并且得到在蛋白質(zhì)最佳酶解條件(pH=5.2煙草原料水溶液,50~60℃)下,當(dāng)?shù)鞍踪|(zhì)酶添加量和酶反應(yīng)時(shí)間增加時(shí),原料中蛋白質(zhì)含量降低逐漸減少,同時(shí)萃取液中游離氧基酸和可溶性氮含量都呈逐漸增加趨勢(shì)[30]。
除了以上的研究,還有許多相關(guān)專利也被一一公開,孫德平等發(fā)明了一種造紙法煙草薄片生產(chǎn)的萃取方法。該方法中加入了一定比例的酸性蛋白酶、纖維素酶、果膠酶和酶活力促進(jìn)劑,可提升再造煙葉吃味品質(zhì),減少雜氣,降低刺激性,還能掩蓋部分抄造中形成的酸臭味[31]。武漢煙草(集團(tuán))公司發(fā)明了一種造紙法再造煙葉生產(chǎn)中酶處理梗料萃取方法,與孫德平發(fā)明方法不同,此法采用的是一定比例的果膠酶、糖化酶、木聚糖酶、KT-07-2復(fù)合酶及KT-061115酶,在不增加工序的情況下提高了萃取率和萃取液品質(zhì),還能利用后續(xù)工藝對(duì)加入的酶進(jìn)行滅活[32]。
2.3 微生物處理輔助浸提
除了添加酶制劑[33-35],利用微生物發(fā)酵一樣可以改善造紙法再造煙葉品質(zhì)。艾繼濤等通過(guò)對(duì)節(jié)桿菌AN進(jìn)行誘變處理以期提高其產(chǎn)酶能力,在優(yōu)化后的發(fā)酵條件下,利用經(jīng)誘變后的節(jié)桿菌AN強(qiáng)化廢次煙葉的發(fā)酵過(guò)程和處理其萃取液,再結(jié)合酶制劑的酶反應(yīng),可以使產(chǎn)品雜質(zhì)氣顯著減少,香味轉(zhuǎn)好,吸食質(zhì)量提高[36]。戴麗君等將煙梗萃取液經(jīng)過(guò)酵母處理,在酵母添加量為l%、活化時(shí)間為40 min和反應(yīng)時(shí)間為120 min條件下,很大程度上降低了煙梗濃縮液中的還原糖和總糖含量。經(jīng)過(guò)酵母處理,再造煙葉成品的糖堿比更加合理[37]。
近年來(lái),我國(guó)造紙法再造煙葉技術(shù)已得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用,其萃取工藝條件不斷地得到優(yōu)化,這對(duì)于降低耗能、改善卷煙內(nèi)在品質(zhì)、提高煙草行業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益發(fā)揮了重大作用;同時(shí),不同的萃取技術(shù)正在得到開發(fā),例如,超臨界流體萃取、微波輔助萃取[38]、半仿生萃取[39-42]、分子蒸餾技術(shù)[43]和大孔吸附樹脂分離技術(shù)[44]等萃取技術(shù)也可運(yùn)用于再造煙葉萃取工藝研究。雖然國(guó)內(nèi)造紙法再造煙葉萃取工藝優(yōu)化取得了不少成績(jī),但是相對(duì)于國(guó)外的一些技術(shù)還存在一定的差距,還有大的發(fā)展空間。
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Research Status of Extraction Technology of Paper-making Reconstituted Tobacco
TAN Zheng-lan1,2,LIU Li1,2,YI Ao-er1,QIAO Dan-na1,CAO Qiu-e2,TANG Jian-guo1
(1.R&D Center of Hongta Tobacco(Group)Co.,Ltd.,Yuxi 653100,China;2.School of Chemistry Science and Technology of Yunnan University,Kunming 650091,China)
Extraction technology is one of key factors influencing yield,quality and production cost during the production of paper-making reconstituted tobacco.The research achievements and present situation of extraction technology of paper-making reconstituted tobacco in recent years at home were summarized,and its application research and development prospect were also viewed.
paper-making reconstituted tobacco;extraction;status
TS45
A
1007-2225(2014)01-0001-04
譚正蘭女士(1989-),碩士研究生;研究方向:主要從事煙草化學(xué)研究;E-mail:tanzhenglan21@ 163.com。
湯建國(guó)先生(1975-),博士;主要從事煙草化學(xué)與減害降焦研究;電話:0877-2965143;E-mail:jgtang @163.com。
2013-11-07(修回)
本文文獻(xiàn)格式:譚正蘭,劉麗,伊奧爾,等.造紙法再造煙葉萃取工藝研究現(xiàn)狀[J].造紙化學(xué)品,2014,26(1):1-4.