淡俊豪+齊紹武+黎娟+朱益+靳輝勇+梁仲哲

摘要：綜述了煙草香味物質(zhì)提取新技術，包括超臨界CO2萃取、微波萃取、雙水相萃取、超聲波提取、酶法提取等，分離純化技術包括分子蒸餾技術、膜分離技術、大孔吸附樹脂分離法、高速逆流色譜法、分子印跡技術。通過多種提取分離方法的例舉闡述了煙草制品用煙草香味物質(zhì)的研究現(xiàn)狀，并對煙草香味物質(zhì)提取與分離純化技術的發(fā)展前景進行了展望。

關鍵詞：新型煙草制品；煙草香味物質(zhì)；提??；分離純化

中圖分類號：S572文獻標識號：A文章編號：1001-4942（2017）11-0151-06

Research Progress of Extraction， Separation and Purification Techniques

about Tobacco Fragrance Compounds Used in New Tobacco Products

Dan Junhao1， Qi Shaowu1，2， Li Juan1， Zhu Yi1， Jin Huiyong1， Liang Zhongzhe1

（1. College of Agronomy，Hunan Agricultural University，Changsha 410128， China；

2. Hunan Hybrid Rice Research Center，Changsha 410128， China）

AbstractThe extraction， separation and purification techniques of tobacco fragrance compounds were reviewed. The extraction techniques included supercritical CO2 extraction， microwave extraction， aqueous two-phase extraction， supersonic extraction， enzyme extraction and so on. The separation and purification techniques included molecular distillation technique， membrane separation technique， large hole adsorption resin separation method， high-speed countercurrent chromatography and molecular imprinting technique. The research status of tobacco fragrance compounds used in new tobacco products were elaborated. The development prospects of extraction， separation and purification techniques about tobacco fragrance compounds were put forward.

KeywordsNew tobacco products； Tobacco fragrance compound； Extraction； Separation and purification

煙草中的致香成分，一般認為精油、樹脂、蠟和類黑素等都包含。煙草的腺毛是煙草香味物質(zhì)的重要來源，并且可以用有機溶劑提取這些物質(zhì)。煙草香氣是衡量煙草內(nèi)在質(zhì)量的重要指標。煙葉香氣成分復雜，按不同致香基團分類，一般可分為酸類、醇類、酮類、醛類、酯類、內(nèi)酯類、酚類、氮雜環(huán)類、呋喃類、酰胺類、醚類及烴類[1]。煙葉香氣物質(zhì)除包括分子結構簡單的揮發(fā)性香氣成分外，還包括分子結構較復雜的香氣前體物。煙草有機酸、酚類、類脂、甾醇類和萜類化合物，不僅本身對煙草香味有重要影響，而且它們的轉(zhuǎn)化、降解產(chǎn)物也多是致香物質(zhì)，雜環(huán)類化合物大多是由相關物質(zhì)轉(zhuǎn)化而來，是一類特殊致香物質(zhì)。由于煙草香味物質(zhì)種類繁多，則煙草的香味成分需要多級分離提純。一些分離技術如依靠平衡分離的蒸餾、萃取、層析、吸附、結晶、離子交換等；依靠速率分離的分子蒸餾、超濾、電滲析、反滲透等；這些作為常規(guī)的分離技術時間較長，應用較廣，而現(xiàn)在發(fā)展起來的提取分離新技術，如酶法提取技術、膜分離技術、分子印跡技術等，在特定選擇性、分離得率、降耗和環(huán)保方面具有明顯優(yōu)勢，表現(xiàn)出極大的應用前景。

近年來，傳統(tǒng)煙草制品由于一定程度影響人類健康，隨著世界控煙力度的加強，以及一系列控煙政策的出臺，煙草制品結構將朝著多元化的方向發(fā)展。新型煙草制品主要分為電子煙、低溫卷煙、無煙氣煙草制品等[2]。電子煙，它是通過電子加熱手段向呼吸系統(tǒng)傳送尼古丁的電子裝置。相對于傳統(tǒng)卷煙，添加到電子煙中的尼古丁含量可控，可通過逐漸減少其添加量來使吸煙者擺脫對香煙的依賴達到戒煙的目的。低溫卷煙是利用特殊熱源對煙絲進行加熱，在低于500℃的溫度下烘烤出煙草中的尼古丁和香味物質(zhì)，不僅能滿足消費者需求，又能降低煙氣中的有害成分。無煙氣煙草制品是指未經(jīng)過燃燒過程并通過口腔或鼻腔吸食消費的煙草制品，可分為鼻煙、嚼煙、口含煙等。目前，我國新型煙草制品處于初級階段，且煙草香味物質(zhì)的提取分離技術還在摸索效仿階段，本文通過綜述這些提取分離新技術，以期能對提高煙草質(zhì)量、發(fā)展新型煙草制品提供技術參考。這方面技術的突破將能使我國的“中式”新型煙草制品在國際市場具有較大的競爭力。

1提取新技術

1.1超臨界CO2萃取技術

超臨界萃取技術是以CO2為萃取劑對原料進行萃取的一種提取分離技術。它的工作原理是利用超臨界流體獨特的溶解能力，將超臨界流體調(diào)節(jié)到臨界溫度和臨界壓力，當恢復到常溫常壓條件時，溶解在超臨界流體的目標提取物從超臨界流體中分離出來，達到有針對性地分離提取原料的目的。超臨界CO2萃取具有工藝簡單、安全性高、有機溶劑無殘留、有效成分不易被破壞、選擇性好、萃取率高、萃取周期短等優(yōu)點。該技術在煙草方面的應用主要是煙草脫煙堿、提取香味成分、煙草分析等方面。

王宏發(fā)等[3]采用超臨界萃取煙草中的煙堿，結果表明在煙草樣品中加入質(zhì)量分數(shù)4.0%～4.5%的水，超臨界CO2中以質(zhì)量分數(shù)5%～10%的甲醇作為夾帶劑，在60℃下加壓到350× 101.325 kPa，萃取30 min，能提取出85%～97%的煙堿量，并且分離簡單、省時、省溶劑。有研究表明，利用超臨界CO2裝置能將煙草樣品中的尼古丁含量降到5%，并對煙草吃味無實質(zhì)性影響[4]。熊國璽等[5]采用超臨界CO2流體萃取技術提取煙草香味物質(zhì)，以萃取出煙草中香味物質(zhì)香氣質(zhì)與得率為指標，探索出煙草中香味物質(zhì)超臨界CO2萃取的最佳工藝條件。高勇等[6]將超臨界CO2萃取技術應用于煙草香味組分的提取，結果表明該技術不僅去除了煙草類植物中的樹脂和蠟等雜質(zhì)，而且還避免了溶劑污染的影響，保證了煙草凈油的天然性和安全性。

1.2微波萃取技術

微波萃取技術是利用電磁波頻率300～3×105 MHz時所釋放的能量來萃取原料的一種選擇性較高的提取技術。由于在外加電場下介質(zhì)分子會發(fā)生極化，將其在電磁場中吸收的能量轉(zhuǎn)化為熱能[7]。不同結構物質(zhì)對微波的吸收能力不同，所以介質(zhì)中不同組分吸收與釋放熱量的程度有別。微波萃取技術的原理是利用不同組分對微波能吸收的程度不同，對組分選擇性加熱，使目標產(chǎn)物從體系中分離出來，進入到對微波吸收相對較差的萃取劑中，從而選擇性溶出。此方法的優(yōu)點是產(chǎn)率大、選擇性高、價格低廉、操作簡單、對溶劑消耗較少、加熱效率高、對環(huán)境污染小等。王美蘭等[8]采用微波萃取技術提取廢次煙葉中的煙堿，在優(yōu)化后的工藝條件下，煙堿得率為90.8%。楊鈴[9]以藤茶中的二氫楊梅素為研究對象，以萃取物的得率為指標，通過正交試驗探索出微波萃取二氫楊梅素的最佳工藝技術，且在此工藝參數(shù)下藤茶中的二氫楊梅素的得率高達27.33%，萃取效率較傳統(tǒng)提取法提高50%。

1.3雙水相萃取技術

雙水相萃取技術是利用組分在兩相間的分配系數(shù)不同對待分離物進行提取分離的方法。該技術是一種新型液液分離技術，由于物質(zhì)進入雙水相體系后，在兩相中的濃度不同，從而達到分離的目的，適用于活性生物大分子的分離。它的優(yōu)勢在于操作條件溫和、分離時間短、無溶劑殘留、能耗低、易于放大和操作等，目前應用于生物工程、發(fā)酵工程、藥物等領域[10]。

有研究表明，以聚乙二醇/鹽為雙水相體系，萃取廢次煙葉中的煙堿，提取煙葉得率為99.87%[11]。齊清華等[12]將雙水相萃取技術應用到分離螺旋藻粗提液中的藻藍蛋白和多糖中，以PEG 2000-硫酸鎂為雙水相體系，上相萃取出藻藍蛋白，萃取率為93.9%，下相萃取糖類，萃取率為59.58%。有研究表明，以乙醇/磷酸氫二鉀為雙水相萃取體系，利用雙水相技術萃取茶葉中茶多酚，其中茶多酚萃取率高達92.1%[13]。

1.4超聲波提取技術

超聲波提取技術是利用超聲波（頻率﹥20 kHz）具有的機械效應、空化效應及熱效應，通過增大介質(zhì)分子的運動速度和頻率，增加介質(zhì)的穿透力，從而提高藥物有效成分的溶出度。它的工作原理是超聲波使介質(zhì)質(zhì)點在傳播空間內(nèi)產(chǎn)生振動，從而強化溶質(zhì)擴散與傳遞；超聲波使介質(zhì)內(nèi)部溶解的微氣泡增大，形成共振腔，然后瞬間閉合產(chǎn)生空化效應；介質(zhì)吸收超聲波聲能部分轉(zhuǎn)化為熱能，介質(zhì)內(nèi)部溫度升高，從而促使有效成分的溶解。超聲波提取技術會對植物細胞進行破壞，使細胞中的有效成分溶于溶劑中。與傳統(tǒng)提取方法相比，它的優(yōu)勢在于提取效率高、用時短、提取溫度低、簡單易行、藥液雜質(zhì)少、適用面廣。

瞿永生等[14]在發(fā)明專利中利用超聲波破碎提取技術，對一種煙草香味成分進行提取，結果表明該技術對煙草香味物質(zhì)的提取效率高，能減少香味物質(zhì)的散失，并能定量提取煙草香味成分。梁柏林等[15]以乙醇為提取液，探索出低次煙葉超聲波提取煙堿的最佳工藝，在此工藝條件下煙堿提取量為23.1 mg/mL，且超聲波對煙堿的提取效率高于加酸蒸餾法。謝明杰等[16]以脫脂豆粕中的大豆異黃酮為研究對象，結果表明在提取時間為120 min時，超聲波提取大豆異黃酮的提取率較加熱回流的提取技術高約46%。楊榮華等[17]采用正交試驗研究銀杏葉中的總黃酮，結果顯示超聲波提取總黃酮的提取效率比傳統(tǒng)的溶劑提取法高約1.5倍，在超聲功率為100%、超聲時間45 min、溶劑濃度30%的工藝條件下提取2次，總黃酮的提取率達1.2%。

1.5酶法提取技術

酶是指具有生物催化功能的高分子物質(zhì)。植物的有效成分被包裹在細胞壁中，而天然植物的細胞壁由纖維素構成，酶法就是利用纖維素酶、果膠酶、胰蛋白酶、復合酶等破壞植物的細胞壁，使植物內(nèi)的有效成分轉(zhuǎn)移到溶媒中的一種提取技術。在天然產(chǎn)物有效成分提取中，酶提取法的優(yōu)勢在于提取率相對于傳統(tǒng)的提取方法較高，操作簡單，價格低廉。凌軍等[18]以紅大碎片為原料，以還原糖得率和氨基酸得率為指標，在單因素試驗的基礎上采用L9（34）正交試驗法對酶法提取制備煙草浸膏工藝進行優(yōu)化。結果表明，酶法提取制備煙草浸膏較優(yōu)工藝為：同時添加原料質(zhì)量0.2%的Viscozyme L復合水解酶、淀粉酶和風味蛋白酶，在40℃下水浴酶解4.0 h后，微沸提取0.5 h。采用該工藝制備得到的紅大煙葉浸膏得率較常規(guī)提取增加11.84個百分點，還原糖含量增加36.46%，氨基酸含量增加8.08%，致香成分總量增加8.08%，其中含量增加較明顯的美拉德反應產(chǎn)物是2-糠醛縮二乙醇、糠醛、5-甲基糠醛和吡咯，分別增加204.07%、108.21%、92.28%和42.67%。

2分離提純技術

2.1分子蒸餾技術

分子蒸餾技術是一種在高真空度（絕壓0.133 Pa）下特殊的液—液分離技術。它在連續(xù)蒸餾過程中蒸餾系統(tǒng)處于極高真空條件下，能使待分離混合物在遠低于其沸點溫度下將其分離，此技術適用于高沸點、易氧化物系、黏度大、熱敏性的分離[19]。由于輕分子的平均自由程大于重分子的平均自由程，分子蒸餾就利用不同種類分子逸出液面后平均自由程不同這一性質(zhì)對混合物進行分離，它具有受熱時間短、工作真空度高、分離程度高、成本低廉等優(yōu)點，目前分子蒸餾技術廣泛應用于化工、食品、醫(yī)藥、香料等領域。

唐自文等[20]將分子蒸餾技術應用于煙草提取液溶劑選擇性的萃取試驗研究，他們通過正交試驗，確定了較優(yōu)的萃取條件，以石油醚為萃取溶劑，其煙草提取液的提取率達4.09%。高旭等[21]用分子蒸餾技術提取煙葉碎片萃取物的致香物質(zhì)，結果表明，在壓力0.1 Pa、提取溫度60℃、進料流速70 mL/h、轉(zhuǎn)速250 r/min工藝條件下，該技術對煙葉碎片萃取物致香物質(zhì)的提取率為2.874%。前人研究表明，以云煙凈油為研究對象，利用分子蒸餾技術以60℃蒸餾云煙凈油時香氣質(zhì)較好[22]。高英等[23]以超臨界萃取的香附油為研究對象，采用分子蒸餾技術對其進行精制，得率為2.8%。

2.2膜分離技術

膜分離技術是利用超濾膜的選擇透過性，以膜兩側的能量差或壓力差為推動力，根據(jù)不同組分的分子大小不同，透過超濾膜的遷移率不同這一特性，對不同組分的混合物進行分離的高效分離技術。超濾膜可以通過溶劑和分子較小的組分，而分子較大的組分則被截留，通過對混合物的選擇滲透性對原料進行分離。膜分離技術的優(yōu)勢在于操作簡單、分離效率高、對環(huán)境污染小、對熱敏性物質(zhì)無破壞等。杜銳等[24]在研究膜技術對提高造紙法再造煙葉的感官品質(zhì)的結果顯示，M50微濾膜與GU超濾膜1（標稱截留分子量50 000 Da）組合對煙梗、煙末萃取液進行過濾，在其濾液中加入再造煙葉的感觀品質(zhì)較好。周仲實[25]用膜分離技術提取果膠的研究結果表明，超濾膜的超濾效率與濾膜透過分子量的大小成正比，與透過液的濃縮倍數(shù)成反比，顯示在透過分子量為50 000的膜、透過液濃縮倍數(shù)為1時進行超濾，設備效率較高，果膠損失較小。

2.3大孔吸附樹脂分離法

大孔吸附樹脂是一種具有多孔立體結構和較高比表面積的有機高分子聚合物，它可以對原料提取液進行吸附和篩選，從而達到分離目標物的目的。大孔樹脂柱色譜是以大孔吸附樹脂為固定相，將原料提取液傾倒入大孔樹脂柱中，樹脂通過物理吸附從原料提取液中選擇性吸附有效成分，再用適當?shù)娜軇χ舆M行洗脫，從而收集到含有效成分的溶液[26]。大孔吸附樹脂分離法的優(yōu)點是選擇性好、解析容易、可反復使用等優(yōu)點，目前廣泛應用于食品、醫(yī)藥、環(huán)保等方面。有研究表明，XDA-1樹脂對煙草綠原酸的分離富集能力較強，采用該技術分離出煙草綠原酸含量為39.2%[27]。張海悅等[28]以狹葉蕁麻提取液為研究對象，利用AB-8大孔吸附樹脂分離狹葉蕁麻提取液中的生物堿，以40%乙醇為洗脫劑，研究結果表明此時大孔的吸附率高達70.1%，樣品液與洗脫液的比例為1∶2時分離效果最好。采用大孔吸附樹脂純化野菊花多糖的工藝，結果顯示在工藝參數(shù)達到最佳工藝時，野菊花多糖中色素的脫色率為80.90%，多糖中所含蛋白質(zhì)去除率為52.84%，多糖保留率達82.59%[29]。

2.4高速逆流色譜法

高速逆流色譜利用了互不相溶的兩相溶劑具有單向性流體動力的一種特殊流體動力學，使兩相溶劑在旋轉(zhuǎn)螺旋管內(nèi)單向分布。其中一相液體為固定相，固定相保留在色譜柱中，利用樣品具有不同的分配系數(shù)而在兩相溶劑中進行分離[30]。高速逆流色譜固定相與樣品不會相互污染、不可逆吸附，該技術不需要升溫加熱、操作簡便，適用于分離極性物質(zhì)的制備性分離。曹曉瑩[31]以廢次煙草茄尼醇粗品中的茄尼醇為研究對象，以氯仿∶正己烷∶乙腈=3∶10∶7為溶劑分離體系，利用高速逆流色譜法純化所得茄尼醇純度達96%。李忠琴等[32]以正己烷∶乙酸乙酯∶甲醇∶水=1∶5∶1∶5為溶劑體系，利用高速逆流色譜對中藥訶子醇提物中的沒食子酸進行分離，結果分離出的沒食子酸純度高達96.40%。程悅等[33]采用正己烷∶二氯甲烷∶甲醇∶水=1∶5∶4∶2為兩相溶劑系統(tǒng)，從苦茶總生物堿提取物中分離得到了可可堿、苦茶堿、咖啡堿，且純度均在99%以上。

2.5分子印跡技術

分子印跡技術是制備具有高度特異性分子識別功能的高分子聚合物材料的技術，所制備的聚合物材料具有大孔、網(wǎng)狀結構，被稱為分子印跡聚合物。分子印跡聚合物作為固定相，在一定條件下去除印跡分子，從而達到對待分離分子進行分離、純化的目的[34]。由于分子印跡聚合物具有選擇性、識別性和實用性，該技術廣泛應用于食品、醫(yī)藥、天然植物有效成分的分離提取等方面，具有廣闊的應用前景。陳潛等[35]以煙堿為模板分子，甲基丙烯酸為功能單體，二甲基丙烯酸乙二醇酯為交聯(lián)劑，制備出煙堿分子印跡聚合物，并將其作為卷煙添加劑加入濾嘴棒中，結果表明，該分子印跡聚合物能選擇性降低煙氣中煙堿含量，證明該技術應用于卷煙的選擇性降焦減害的可行性。前人以兒茶素活性成分為研究對象，通過采用分子合成技術將分子印跡聚合物進行固相萃取茶多酚，分離得到其中的兒茶素活性成分單體表沒食子兒茶素沒食子酸酯，并獲得了理想的效果[36]。

3結語

就上述新提取技術而言，超臨界CO2萃取技術的主要發(fā)展方向是找到合適的夾帶劑，因為夾帶劑可增加被分離組分在流體相中的溶解度和選擇性，有利于針對性地萃取煙草有效成分。微波萃取技術由于存在溶劑水和細胞內(nèi)水分需同時吸收微波及微波輔助設備工業(yè)放大的問題，需采用一定工藝解決，其萃取機理也需進一步研究，國內(nèi)利用微波萃取技術提取煙草香味物質(zhì)的研究報道較少，有較大的發(fā)展空間。雙水相萃取技術需要完善液液平衡理論，并建立和完善雙水相萃取機理的理論，使雙水相萃取能成為一種優(yōu)良的提取技術。超聲波提取技術對煙葉進行破碎提取，技術突破點主要在于減少煙草香味物質(zhì)損失，降低煙葉有效成分的危害性。酶法提取技術是在傳統(tǒng)天然產(chǎn)物成分提取的基礎上進行，多用于植物有效成分的提取，在煙草上的應用較少，鑒于其操作簡便、成本低廉這一優(yōu)點，該技術用于煙草香味物質(zhì)提取的前景較好。

除以上提取方法外，半仿生提取法也可作為提取煙草香味物質(zhì)的一種可行性提取技術，半仿生法是從生物藥劑學的角度，模仿口服給藥在胃腸道的運轉(zhuǎn)過程，將原料經(jīng)一定pH的酸水提取，繼以一定pH的堿水提取，以提取出“活性混合體”。半仿生提取法得到的是粗提物，目前該技術在中藥制藥方面的研究較多，但在煙草上的研究較少，它的優(yōu)點是生產(chǎn)周期短、有效成分損失少、經(jīng)濟適用等。霍丹群等[37]研究半仿生提取葛根黃酮，結果表明，以乙醇溶液為浸取劑進行半仿生提取，對葛根黃酮的提取率達5.54%。馬濤等[38]以五味子多糖為研究對象，以多糖得率為指標，探索出微波輔助-半仿生法提取五味子多糖的最佳工藝，且此條件下五味子的得率為14.70%。

關于分離提純技術，如分子蒸餾技術，影響分子蒸餾過程的因素較多，建立的數(shù)學模型也相對比較復雜，所以需要加強其基礎理論研究，建立相應的數(shù)學模型，才能更好地應用于新型煙草制品用香味物質(zhì)的精制。膜分離技術面臨著膜污染、膜通量衰減、費用較高等問題，應加大高分子膜和無機膜等新型材料的開發(fā)，此技術在煙草香味成分提取應用上有較大前景。大孔吸附樹脂分離法的缺點在于對糖類的吸附量較小，用此法提取煙草糖類會有一定難度，其次，樹脂對茄尼醇的比吸附量較小，想采用此法對茄尼醇進行純化不可取，但可應用于茄尼醇中雜質(zhì)的去除。高速逆流色譜法的不足之處是溶劑使用量較大、檢測限較低等，但其對粗制樣品的分離能力不可否認，應用前景十分廣闊。分子印跡技術突破點在于需要合成高吸附容量的聚合物，滿足實際要求，需要對分子印跡機理進一步研究。

上述煙草香味物質(zhì)的提取分離純化技術，各有其優(yōu)勢與特點，想要從煙草中提取出有效成分應用到新型煙草中，應根據(jù)煙草中不同香味成分選擇適宜的技術，不可簡單地將上述技術做優(yōu)劣比較，才能達到較為滿意的分離效果。上文所闡述的新技術在某些提取分離過程中不一定優(yōu)于傳統(tǒng)方法，所以在科研、生產(chǎn)應用中需要綜合考慮，選定出最優(yōu)的提取分離技術和工藝條件。隨著科學的發(fā)展，傳統(tǒng)的提取分離方法和上述提取分離新技術將迅速發(fā)展，兩者相互交叉、融合，預示著未來煙草香味物質(zhì)提取分離技術必將朝著安全高效、節(jié)能易控、成本低廉的方向發(fā)展，并更加系統(tǒng)與完善，可為新型煙草制品的發(fā)展提供強大的推動力。

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收稿日期：2017-09-22

基金項目：山東省自然科學基金青年基金項目“農(nóng)地確權對農(nóng)地流向家庭農(nóng)場的影響研究：基于供求意愿視角”（ZR2016GQ10）

作者簡介：張?zhí)N暉（1991—），男，在讀碩士研究生，研究方向：小微企業(yè)融資。E-mail：sdauzhangyunhui@163.com

通訊作者：董繼剛（1962—），男，教授。E-mail：jgd@sdau.edu.cn