造紙法再造煙葉原料提取過程中有機(jī)酸的溶出規(guī)律

陶文梅，唐自文，史近文，蘆 毅，段 孟，衛(wèi) 青,，李慶華

1.云南瑞升煙草技術(shù)（集團(tuán)）有限公司，昆明市高新區(qū)海源北路1699 號 650106

2.云南中煙再造煙葉有限責(zé)任公司，昆明市科醫(yī)路41 號 650106

3.云南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司，昆明市紅錦路367 號 650231

責(zé)任編輯 洪廣峰

造紙法再造煙葉又名煙草薄片、重組煙葉，是將煙梗、煙片、煙末等煙草原料以造紙工藝制成的片狀或絲狀再生品，由于具有密度小，填充值大、加工性能好、焦油釋放量低等特點(diǎn)，近年來在卷煙工業(yè)企業(yè)已得到了廣泛的應(yīng)用［1-5］。有機(jī)酸是再造煙葉的重要組成成分［6］，包括揮發(fā)性的低級脂肪酸，半揮發(fā)性的高級脂肪酸及非揮發(fā)性的二元酸、三元酸等。揮發(fā)性酸如C10以下的低級脂肪酸和部分芳香酸，在抽吸過程中可直接進(jìn)入煙氣，從而改善卷煙香氣和吸味［7-9］。半揮發(fā)性有機(jī)酸主要是C10以上的一元酸，是烤煙中重要的酸性潛香物質(zhì)，可改善煙氣酸堿度，使煙氣吸味醇和、芳香［10］。非揮發(fā)性有機(jī)酸以草酸、蘋果酸和檸檬酸為主，能與生物堿結(jié)合成鹽，燃燒過程中，分解產(chǎn)生的酸性成分可調(diào)節(jié)質(zhì)子化和游離態(tài)煙堿的比例，從而影響煙氣的勁頭和吸味［7-12］。再造煙葉中有機(jī)酸的來源分為兩種:煙草原料和外加香料，其中，煙草原料中的有機(jī)酸是再造煙葉有機(jī)酸的重要來源。提取工藝是再造煙葉獲得煙草有機(jī)酸的重要工序之一，其主要目的是將煙草原料中的水溶性物質(zhì)如有機(jī)酸、離子類物質(zhì)、特定的糖類等物質(zhì)提取出來，通過濃縮等工藝處理制成涂布液［13］。提取工藝直接影響再造煙葉產(chǎn)品的質(zhì)量，但目前對造紙法再造煙葉提取過程中有機(jī)酸溶出規(guī)律的研究尚未見報(bào)道。因此，對煙片及其提取后的濾渣中揮發(fā)性、半揮發(fā)性和非揮發(fā)性有機(jī)酸含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）進(jìn)行了分析，旨在為改進(jìn)造紙法再造煙葉的煙草提取工藝提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料、試劑與儀器

碎煙片（簡稱煙片，云南中煙再造煙葉有限責(zé)任公司提供）。

甲醇、正己烷（色譜純，美國Dikma 公司）；濃硫酸、對甲基苯磺酸（AR，成都化學(xué)試劑廠）；山梨酸（揮發(fā)性有機(jī)酸的內(nèi)標(biāo)）、己二酸（半揮發(fā)和非揮發(fā)性有機(jī)酸的內(nèi)標(biāo)）、2-甲基丁酸、3-甲基戊酸、戊酸、辛酸、丙二酸、檸檬酸、亞油酸、亞麻酸（≥99%，比利時Acros 公司）；異戊酸、己酸、苯乙酸、草酸、丁二酸、蘋果酸、棕櫚酸、油酸、硬脂酸（≥99%，美國ChemService 公司）；苯甲酸（≥99.5%，美國Sigma-Aldrich 公司）。

B-490 型恒溫水浴鍋（瑞士Büchi 公司）；擠壓脫水裝置（自制）；ED240 型烘箱［溫度控制在（105±2）℃，溫度均勻度±1℃，德國Binder 公司］；稱量瓶（60 mm×30 mm，湖南省永州市冷水灘區(qū)黃陽司玻璃廠）；培養(yǎng)皿（90 mm，上海五一玻璃儀器廠）；FW-200 型高速萬能粉碎機(jī)（北京中興偉業(yè)儀器有限公司）；420 μm 標(biāo)準(zhǔn)篩（40 目，浙江上虞市道墟張興紗篩廠）；6890/5973N 氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀（GC/MS）、7683 自動進(jìn)樣器（美國Agilent 公司）；AB204-S 型電子天平（感量0.000 1 g，瑞士Mettler Toledo 公司）。

1.2 方法

1.2.1 煙片提取及樣品制備

取1 000 g 煙片，提取條件為水溫70 ℃、原料與水質(zhì)量比為1∶6、提取時間30 min，共提取3 次，每次提取后，進(jìn)行固液分離，取出部分固體用于有機(jī)酸測定，剩余固體繼續(xù)進(jìn)行下一級的提取，每次的固液比均為1∶6，直至3 次提取結(jié)束［13］，每級提取所取出的固體分別標(biāo)記為一級濾渣（A）、二級濾渣（B）、三級濾渣（C）。將煙片原料（R）和各級固體樣品在60 ℃下烘干、粉碎后，過420 μm（40 目）篩，篩下粉末用于有機(jī)酸測定。

1.2.2 有機(jī)酸測定

分別稱取上述4 種樣品各0.5 g，置于4 只50 mL 錐形瓶中，分別加入1.0 mL 混合內(nèi)標(biāo)溶液（山梨酸-己二酸-甲醇溶液，山梨酸和己二酸的質(zhì)量濃度分別為0.012 和2.024 mg/mL）、5.0 mL 酯化溶液（含10%濃硫酸和10%對甲苯磺酸的甲醇溶液），于55 ℃下酯化1 h，冷卻至室溫，加入20 mL正己烷，振蕩萃取15 min，萃取液中加入10 g 無水硫酸鈉，靜置，取1 mL 上清液，進(jìn)行GC/MS 分析。分析條件為:

色譜柱:DB-5MS 毛細(xì)管柱（30 mm×0.25 mm×0.25 μm）；進(jìn)樣口溫度：260 ℃；載氣：He，1.0 mL/min；程序升溫：50 ℃（1 min）5 ℃/min 275 ℃（3 min）；進(jìn)樣量：1.0 μL，分流比：10∶1，恒流模式；傳輸線溫度：280 ℃；電離方式：EI 源；電離能量：70 eV；離子源溫度：230 ℃；四極桿溫度：150 ℃；檢測方式:全掃描模式；質(zhì)量掃描范圍:35～350 amu；溶劑延遲:3.5 min。

采用NIST2005 標(biāo)準(zhǔn)圖譜庫檢索定性，內(nèi)標(biāo)法定量［14］。

2 結(jié)果與討論

2.1 GC/MS 檢測方法的評價

取R 樣品5 份，按1.2 節(jié)的方法進(jìn)行處理和分析，計(jì)算測定結(jié)果的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差（RSD）。結(jié)果（表1）表明，各有機(jī)酸的RSD 均低于5%，非揮發(fā)性和半揮發(fā)性有機(jī)酸的RSD 在0.29%～4.12%之間；揮發(fā)性有機(jī)酸的RSD 在0.54%～3.52%之間，說明方法的重復(fù)性較好。

采用標(biāo)準(zhǔn)加入法，稱取R 樣品共11 份，其中5份中分別加入不同量的非揮發(fā)性混標(biāo)，5 份中加入揮發(fā)性有機(jī)酸混標(biāo)，1 份用作對照，按1.2 節(jié)方法進(jìn)行處理和分析，計(jì)算其回收率，結(jié)果（表1）表明，各有機(jī)酸的平均加標(biāo)回收率在88.7%～102.7%之間，說明該方法的準(zhǔn)確度較高。

表1 有機(jī)酸的重現(xiàn)性和回收率結(jié)果（n=5）（%）

2.2 煙片原料及濾渣中揮發(fā)性有機(jī)酸的含量

酯化后的煙片原料和各級濾渣中揮發(fā)性有機(jī)酸的總離子流（TIC）圖如圖1 所示，分析結(jié)果見表2?？梢钥闯觯瑩]發(fā)性有機(jī)酸以異戊酸、2-甲基丁酸、苯甲酸和苯乙酸為主。除戊酸、己酸和辛酸外，濾渣中其他揮發(fā)性有機(jī)酸的量隨著提取級數(shù)的增加而減小。據(jù)文獻(xiàn)［15］報(bào)道，煙草中的揮發(fā)性脂肪酸不僅以游離態(tài)形式存在，還有一部分以結(jié)合態(tài)形式存在。分子量較小、揮發(fā)性較強(qiáng)的脂肪酸如戊酸主要以結(jié)合態(tài)形式存在，這可以幫助解釋戊酸等揮發(fā)性有機(jī)酸的溶出規(guī)律。隨著提取級數(shù)的增加，苯甲酸和苯乙酸均溶出較快。這是由于苯乙酸易溶于水，提取過程中，可較快地由煙片轉(zhuǎn)移到水中；苯甲酸雖然微溶于水，但是苯甲酸鈉和苯甲酸鉀易溶于水，苯甲酸在煙草中的存在形態(tài)可能是以苯甲酸鹽的形式存在，因此，提取過程中，可快速轉(zhuǎn)移到水中。

圖1 煙片原料（R）和各級濾渣（A、B 和C）中酯化揮發(fā)性有機(jī)酸的TIC 圖

由表2 還可以看出，原料和各級濾渣中揮發(fā)性有機(jī)酸的總量不同，其揮發(fā)性有機(jī)酸的總量表現(xiàn)為R＞A＞B＞C，即隨著提取級數(shù)的增加，濾渣中揮發(fā)性有機(jī)酸的總量隨之減小。經(jīng)過三級提取后的濾渣中揮發(fā)性有機(jī)酸的總量較低?？梢?，采用多級提取方法可有效提取煙片原料中的水溶性揮發(fā)性有機(jī)酸。

表2 原料和各級濾渣中揮發(fā)性有機(jī)酸含量 （μg·g-1）

2.3 煙片原料及濾渣中半揮發(fā)性有機(jī)酸的含量

酯化后的原料和濾渣中半揮發(fā)性有機(jī)酸的TIC 圖如圖2 所示，分析結(jié)果如表3 所示。半揮發(fā)性有機(jī)酸是由C10以上的高級脂肪酸組成，煙葉中的高級脂肪酸以C18酸（硬脂酸、油酸、亞油酸、亞麻酸）含量較高，C16酸（棕櫚酸）次之。由表3 可知，濾渣中也呈現(xiàn)出相同的規(guī)律，即C18酸含量較高。高級脂肪酸可分成飽和與不飽和脂肪酸兩類，飽和脂肪酸（如棕櫚酸、硬脂酸）能增加煙氣的脂肪味、蠟味并使之圓和；不飽和脂肪酸，主要是亞油酸和亞麻酸，據(jù)文獻(xiàn)［16］報(bào)道，不飽和脂肪酸能夠增加煙氣的豐滿度和粗糙感。

圖2 煙片原料（R）和各級濾渣（A、B 和C）中酯化半揮發(fā)性和非揮發(fā)性有機(jī)酸的TIC 圖

表3 原料和各級濾渣中半揮發(fā)性有機(jī)酸含量（mg·g-1）

由表3 還可以看出，亞油酸和亞麻酸的含量之和占總脂肪酸的近50%。不飽和脂肪酸的含量高，與典型烤煙的特征相符合［17］。隨著提取級數(shù)的增加，濾渣中半揮發(fā)性有機(jī)酸含量呈增加趨勢，這是由于高級脂肪酸基本不溶于水，提取過程中高級脂肪酸可以較穩(wěn)定地存在于煙片原料中；但是原料以及各級濾渣中半揮發(fā)性有機(jī)酸的絕對質(zhì)量呈現(xiàn)遞減的趨勢。

2.4 煙片原料及濾渣中非揮發(fā)性有機(jī)酸的含量

酯化后的原料和濾渣中非揮發(fā)性有機(jī)酸的TIC 圖如圖2 所示，分析結(jié)果如表4 所示。非揮發(fā)性有機(jī)酸為水溶性酸，如草酸、丙二酸、丁二酸、蘋果酸和檸檬酸等。由表4 可以看出，①草酸在濾渣中的含量隨著提取級數(shù)的增加而增加；丙二酸、丁二酸、蘋果酸和檸檬酸隨著提取級數(shù)的增加而減小。這可能與這些酸在煙葉中的存在形式有關(guān)，以草酸為例，草酸在濾渣中的含量較高，這是由于草酸以穩(wěn)定的草酸鈣形式存在于煙片中，較難提取出來。②在所測得各級濾渣的非揮發(fā)性有機(jī)酸的含量中，均為蘋果酸最高，草酸次之，檸檬酸最低，與云南烤煙煙葉樣品中非揮發(fā)性有機(jī)酸的測定結(jié)果相吻合［18］。③三級濾渣（C）中丙二酸、丁二酸、蘋果酸和檸檬酸的含量均遠(yuǎn)小于其在煙片原料（R）中的含量，這說明通過多級水提取可以將煙草中大多數(shù)水溶性的非揮發(fā)有機(jī)性酸（草酸除外）提取出來。

表4 原料和各級濾渣中非揮發(fā)性有機(jī)酸含量（mg·g-1）

對原料和濾渣中蘋果酸、檸檬酸和草酸3 種非揮發(fā)性有機(jī)酸的含量進(jìn)行了對比分析，結(jié)果（表5）表明，①濾渣中草酸、蘋果酸和檸檬酸的含量之和隨著提取級數(shù)增加而減?。虎谔O果酸和檸檬酸占3種酸總量的比例，蘋果酸與檸檬酸及蘋果酸與草酸含量比值均隨著提取級數(shù)的增加而下降，而草酸占3 種酸總量的比例及草酸與檸檬酸含量比值均隨著提取級數(shù)的增加而增大；③原料和各級濾渣中檸檬酸占3 種酸總量的比例均＜20%，與文獻(xiàn)［18］所報(bào)道的烤煙型卷煙樣品中有機(jī)酸的分布規(guī)律一致。

表5 原料和各級濾渣中蘋果酸、檸檬酸和草酸含量比較

3 結(jié)論

煙片原料和各級濾渣中，均以蘋果酸、草酸和檸檬酸為主，且揮發(fā)性和半揮發(fā)性有機(jī)酸的含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于非揮發(fā)性有機(jī)酸的含量。在三級提取過程中，揮發(fā)性、非揮發(fā)性有機(jī)酸（除草酸外）可有效被提取出來，而半揮發(fā)性有機(jī)酸較難被提取出來。采用多級水提取有利于煙片原料中多數(shù)有機(jī)酸成分的提取，可有效提高提取液中有機(jī)酸的含量。但從各級濾渣中各有機(jī)酸的含量來看，僅采用多級水提取并不能有效提取出煙片原料中的半揮發(fā)性有機(jī)酸和草酸，需要考慮采用其他更有效的技術(shù)方法和手段。

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