超临界CO_2萃取在烟草工业上的应用综述_杜毅
作者简介:杜毅(1960-),学士,上海爱普香料公司高级工程师,主要从事烟草香料研究。E -mail:duyi@https://www.360docs.net/doc/c48950462.html, 电话:021-********收稿日期:2005-09-05
责任编辑:刘立全 E -mail:llq@https://www.360docs.net/doc/c48950462.html, 电话:0371-********
超临界CO 2萃取在烟草工业上的应用综述
杜 毅,陈 洪,马清仪
上海爱普香料有限公司,上海市嘉定区曹新路33号 201809关键词:超临界C O 2萃取;烟碱;茄尼醇;烟草精油
摘要:综述了国内外超临界CO 2萃取在烟草烟碱、茄尼醇和烟草精油的萃取、烟草品质的改善和烟草化学成分分析方面的应用,并对其应用前景进行了展望。
中图分类号:TS411.1 文献标识码:A 文章编号:1002-0861(2006)04-0043-03Application of Supercritical C arbon Dioxide Extraction in Tobacco Industry:a Review DU YI,C HE N HONG,and MA QING_YI
Shanghai Apple Flavor and Fragrance Co.,Ltd.,Shanghai 201809,China Keywords:Supercritical CO 2extraction;Nicotine;Solanesol;Tobacco essence
Abstract :The application of supercritical carbon dioxide e xtraction in the extrac tion of nicotine,solanesol and tobacco essence,improvement of tobacco quality,and analysis of chemical compositions in tobacc o were revie wed,and the future applica tion of supercritical carbon dioxide in tobacco industry was put forward.1 萃取原理
超临界二氧化碳(Supercritical CO 2,SCC O 2)是超临界流体(Supercritical Fluid,SCF)的一种。CO 2由于易得、无毒、经济、超临界点低(T c =31 1 ,P C =7.28MPa)受到青睐。在超临界区(T c >31 1 和P C >7 28MPa),CO 2表现出低粘度、高扩散的性质[1]。SCCO 2萃取是基于 相似相溶 原理,即极性相似的有机化合物之间更容易溶解。气态CO 2是一个无极性的分子,但在液态和超临界状态下,由于压力的作用,CO 2分子中的碳氧键(O=C=O)稍稍弯曲,变成了一种极性分子,因此就对与其极性相似的有机化合物表现出一定的溶解度[2]。而且SCCO 2的极性随其密度的变化而变化,密度又随着温度、压力变化,也就是说,通过
改变系统的温度、压力就可以改变SCCO 2的极性[3]。陈洪[4]推导出SC CO 2的密度与温度和压力的关系经验方程为:
P =1770-3200D +4.1T exp (3.8D )(1)式中:P SCCO 2的压力(psi,1kPa =0.15psi);D CO 2的密度(g/cm 3);T CO 2的温度( )。
方程(1)是一个超越方程,没有解析解,通过二、三次试算就可以得到在某温度、压力下的密度。C O 2密度D 和其偶极矩 的关系还没有定量化,只能通过实验方法测定。
当SCCO 2压力升高、温度降低(固化点以上),密度增加,SCCO 2极性增加,与CO 2极性相似的溶质被萃取;当SCC O 2的压力降低或温度升高时,其密度降低,溶质从SCC O 2中重新析出,实现SCC O 2流体与物料的分离。当压力和温度同时升高,C O 2密度受两个相反因素的制约,温度升高使密度降低,而压力升高使密度提高,因此,CO 2密度的变化取决于温度和压力分别变化的程度。当压力和温度同时降低,CO 2密度的变化同样也取决于温度和压力分别变化的程度。2 萃取烟草中的烟碱 据报道
[5]
,使用SCC O 2提取烟碱,以水和乙
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醇作为夹带剂,通过调整烟草中水分的含量以增加烟碱在SCCO 2中的溶解度,收到了比较好的提取效果。董超宇等[6]确定的提取烟碱的工艺条件为:萃取压力12~16MPa,萃取温度315~325K,萃
取时间1.5~2h(添加一定量的夹带剂)。得到的
粗品含有油状杂质、胶质等杂质,经过减压蒸馏,得到纯度为98%以上的烟碱。廖华卫等[7]研究了夹带剂、萃取压力和萃取温度等条件对SCCO 2萃取烟碱效率的影响,发现以70%酒精作夹带剂,在60 和25MPa 下萃取,烟碱的提取率高,纯度高,油状杂质少。3 萃取烟草中的茄尼醇
杨群力等[8]采用SCCO 2技术提取茄尼醇,在20MPa 和50 条件下连续萃取2~4h,通过改变分离器的压力和温度(压力在8MPa 以下,温度高于10 )达到分离目的,得到纯度40%的粗品,精制后得到纯度70%~80%产品,提取率大于90%。4 萃取烟草精油 田景州等
[9]
采用CO 2溶剂从不同产地的烟
草、烟末中萃取烟草精油;高勇[10]采用超临界流体技术对烟草进行二级萃取,再经过分离柱精制,得到烟草精油。这些烟草精油的香味醇正,接近烟叶的本香。国外也有人对SCC O 2提取烟草中香气成分进行了深入的研究,并申请了专利[11-12]
。由于烟草和烟草精油成分复杂,烟草精油的SCCO 2萃取与应用还处在起步阶段,尚需要进行大量基础性研究。5 改善烟草品质
除了在萃取烟碱、茄尼醇和烟草精油中使用外,SCCO 2萃取还在改善烟草香气品质方面有一定的效果。如Uchama 等
[5]
采用SCCO 2处理烟草,
结果表明SCCO 2在烟草中的停留和释放过程,都会导致烟草的膨胀和风味的改进。而且,在用SCC O 2处理烟草时,加一定量的乙醇作夹带剂更能改善烟草的风味。也有人尝试应用SCC O 2萃取改善烟草品质,降低有害成分含量,研究发现[13]
,在不高于30MPa 的压力下,SCC O 2萃取可以去除约20%的焦油前体物质和约5%的烟碱,而且处理过的烟叶在吸味上没有发生根本性的变化。美国菲利蒲 莫里斯公司[14]
通过SCC O 2萃取
脱除烟丝85%~97%的烟碱,制成的 NEXT 牌卷烟的烟碱含量只有0.05~0.1mg/支,而且仍保留了烟草原有的香味。6 在烟草成分分析中的应用
SCCO 2在烟草分析领域也有一定的应用,与色谱联用可以大大提高检测精度,如对烟草中亚硝胺类化合物的分析,检出极限可以达到pg 级[15]。Prokopczyk 等[16]以甲醇作夹带剂,采用SCC O 2提取和GC 法联用,测定了烟草中的TSNA,主要的TSNA 检测重复性达到83%~98%,检测限低于2ng/g 。此外,与传统的溶剂提取法相比,该法得到的1-(3-吡啶基)-1-丁酮(NNK)是溶剂提取的7倍以上,而N-亚硝基降烟碱(N-nitrosonornicotine,NNN)、N-亚硝基假木贼碱(N-nitrosoanabasine,NAB)和N -亚硝基新烟草碱(N -nitrosoanatabine,NAT)的量并没有明显增加。7 结束语
总之,SCC O 2在烟草烟碱、茄尼醇和烟草精油的萃取、烟草品质的改善和烟草化学成分分析等方面已经进行了一些研究与应用,并且有的已经工业化,但是还不够细致深入。因此,随着基础理论研究和应用研究的不断深入,SCCO 2萃取技术一定能在烟草工业,尤其是烟草活性物质如生物酶的提取方面,得到更深入更广泛的应用。
参考文献
[1] C HEN H,KENDALL J,DESIMONE J,et al.Character-i
zation of a lipase -catalyzed reaction in liquid and supercrit -ical C O 2[C].NSF Hyperthermophile Symposium,USA,1999:15-16.
[2] CONS ANI K A,SMITH R D.Observation on the solubility
of surfactants and related molecules in carbon dioxide at 50 [J].J Supercritical Fluids,1990(3):51-56.[3] M IKHAIL YU KOZLOV ,NIKOLAI S MELIK -NUB AROV,
ELENA V BATRAKOVA,et al.Relationship between pluronic block copolymer structure,critical micellization concentration and parti tioning coefficient of low molecular mass solutes[J].M acromolecules,2000,33:3305-3313.[4] 陈洪,杜毅.微生物和植物细胞的破碎方法:CN,
03115098[P].2003-01-21.
[5] UCHAMA K,IDOGAWA K.Production of tasty tobacco
raw material:JP,3127975[P].1991-05-31.
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图1 烟叶中钾、钙、镁含量的二阶曲面图(褐土
)
图2 烟叶中钾、钙、镁含量的二阶曲面图(棕壤)
总体呈负相关关系,在棕壤土上的相关程度高于褐土;钙和镁之间呈现正相关关系。而两种土壤上移栽后30~60d 、61~90d 的土壤含水率、烟叶含钙量、烟叶含镁量这4个因子对烟叶含钾量的影响程度不同,是由于两种土壤各自的特点决定的。 由于是盆栽试验,土壤的耕层结构被破坏。盆中土壤比较均匀一致,而大田土壤具有明显的耕层结构,二者的物理性状有较大不同。因此,本试验不能完全代表大田规律,还需做进一步的田间试验。 环境对烟叶钾含量的影响极其复杂,本试验仅从土壤含水率、土壤种类和主要阳离子之间的关系等方面进行了探讨,所反映的信息也局限于此范围。而提高烟叶的钾含量是一项系统工程,需要从品种、土壤、气候、肥料、栽培措施等各个方面综合考虑。
参考文献
[1] 中国农业科学院烟草研究所.中国烟草栽培学
[M].上海:上海科学技术出版社,1987.
[2] 王敬国.植物营养的土壤化学[M ].北京:北京农业
大学出版社,1995:108,138-140.
[3] BARBER S A.Soil nutrient bioavaiability [M ].New
York:John Wiley &Sons,1984.
[4] 魏永胜.干旱胁迫和不同土壤钾水平下烟草植株钾
的分布及其抗旱性研究[D].杨凌:西北农林科技大学硕士研究生毕业论文,2001.
[5] 孙梅霞,李凯军,王艳.烤烟成熟期土壤含水率对叶
片品质的影响[J].安徽农业科学,2002(2):280-282.[6] 肖协忠.烟草化学[M].北京:中国农业科技出版
社,1997:10,198,200.
[7] Marschner H.高等植物的矿质营养(第二版)[M].李
春俭译.北京:中国农业大学研究生教材,2001:341.[8] 晋艳,雷永和.烟草中钾钙镁相互关系研究初报
[J].云南农业科技,1999(3):6-9.
[9] 介晓磊,雷广海,李有田,等.不同浓度钙营养液对
烟草矿质营养吸收与积累[C]//中国烟叶学术论文集.北京:科学技术文献出版社,2004:195-199.[10]孙曦.植物营养与肥料[M ].北京:农业出版社,
1991:26.
[11]陆景陵.植物营养学(上册)[M].北京:中国农业大
学出版社,1994:133-134.
[12]张新,曹志洪.钾、钙和镁对烟叶品质的影响及烟草
对它们的吸收规律[M]//曹志洪.优质烤烟生产的钾素与微素.北京:中国农业出版社,1995:63-68. (上接第44页)
[6] 董超宇,赵辉,张镭.超临界CO 2从烟草中提取天然
烟碱[J].化学工程师,1998(5):51-52.
[7] 廖华卫,吕华冲,李晓蒙.超临界流体萃取烟草中天
然烟碱[J].广东药学院学报,2002,18(2):89-90.[8] 杨群力,吴建华.茄尼醇的提取工艺:CN,1294111A
[P],2001-05-09.
[9] 田景州,金革,马亚萍,等.用CO 2溶剂从烟草(烟
末)中萃取烟精的研究[J].中国烟草学报,1995,2(4):75-79.
[10] 高勇,朱友民,吴庆之.烟草净油的超临界流体技
术提取[J].烟草科技,1995(5):28-30.
[11] UEMATS U H,IDE N T ,TAKE UCHI M,et al.Interior
container for soluble matter extraction device:JP,
6134203[P].1994-05-17.
[12] YONEI Y,KITAMI H,ITO J,et al.Method for extract -ing soluble substance of natural solid raw material.JP,6154506[P],1994-06-03.
[13] 车国勇,庞浩,廖兵,等.超临界CO 2萃取薰衣草挥
发性组分的研究[C]//第五届全国超临界流体技术学术及应用研讨会论文集.2004:165-168.
[14] 王宏发,曾晓鹰,王超.超临界流体萃取在烟草中
的应用前景展望[J].烟草科技,1998(5):20-22.[15] 岳鹏翔,吴守一,陈钧,等.烟草的超临界流体萃取
[J].中国烟草科学,1997(3):37-39.
[16] PROKOCZYK B,HOFFMANN D,COX J E,et al.
Supercritical fluid extraction in the determinati on of tobacco -speci fic N -ni trosamines in smokeless tobacco[J].Chem Res Toxicol,1992,5(3):336-340.
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烟草科技 T o b a c c o S c i e n c e &T e c h n o l o g y 栽培与调制 C u l t i v a t i n g &C u r i n g 2006年第4期 总第225期