溶劑浸提法提取煙堿的優(yōu)化研究

洪 鎏，楊光宇，端 凱，韓 瑩，王 磊，夏建軍，張峻松

（1. 鄭州輕工業(yè)大學(xué)食品與生物工程學(xué)院，河南鄭州 450001；2. 云南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司技術(shù)中心，云南昆明 650231）

煙堿俗稱尼古丁，是煙草中生物堿的主要成分[1]。煙堿主要從天然的植物煙草中提取，其在農(nóng)業(yè)[2-3]、醫(yī)藥[4-5]、煙草工業(yè)[6-7]等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，同時隨著新型煙草制品的快速發(fā)展，極大地促進(jìn)了全球?qū)焿A的需求量[8-9]。由于合成煙堿工藝復(fù)雜、條件控制苛刻，合成過程中帶來的右旋副產(chǎn)物等安全性尚未得到驗證，從煙草、工農(nóng)業(yè)廢棄物中提取煙堿，仍然是目前獲取煙堿的主要途徑[10-12]。傳統(tǒng)的煙堿提取方法有水蒸氣蒸餾法、溶劑萃取法和離子交換法，隨著科技的發(fā)展，出現(xiàn)了超聲輔助萃取法、微波輔助萃取法及超臨界CO2萃取法等新興的提取方法[13-15]。

對溶劑浸提法、超聲輔助溶劑浸提法提取煙堿的效果進(jìn)行研究，并進(jìn)一步針對傳統(tǒng)方法中存在的不足，設(shè)計了流動洗脫的柱式浸提煙堿裝置，采用固相萃取的方法對煙堿進(jìn)行富集，旨在為從廢棄煙草中高效提取煙堿提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料、試劑與儀器

材料：廢棄煙末，云南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司提供。

試劑：氫氧化鈉、氯化鈉、濃硫酸、硅鎢酸鹽酸等，均為分析純，天津市德恩化學(xué)試劑有限公司提供；乙醇（分析純），天津市富宇精細(xì)化工有限公司提供。

儀器：EL-204 型電子天平，梅特勒-托利多儀器有限公司產(chǎn)品；柱式流動洗脫煙堿浸提裝置，自制；SB-3200DT 型超聲波清洗器，新芝生物科技有限公司產(chǎn)品；752N 型紫外可見分光光度計，上海精科實業(yè)有限公司產(chǎn)品。

1.2 試驗方法

1.2.1 溶劑浸提法提取煙堿

參照馬俊勃[16]的方法采用溶劑浸提法提取煙草中的煙堿，具體為稱取500 g 煙末，加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%的氫氧化鈉溶液5.0 L，置于水浴鍋中，于62 ℃條件下浸提3 h，浸提完成后過濾出浸提液；重復(fù)操作3 次，合并3 次浸提的浸提液；然后對合并后的浸提液進(jìn)行萃取，萃取完成后減壓蒸餾并除去溶劑。

1.2.2 超聲輔助浸提法提取煙堿

參考王瑩等人[14]的方法，采用超聲輔助浸提法提取煙草中的煙堿，具體為稱取500 g 煙末，加入0.5%的氫氧化鈉溶液12.5 L，置于超聲波清洗裝置中浸提1 h，過濾出浸提液；對過濾后的浸提液進(jìn)行萃取，萃取完成后減壓蒸餾并除去溶劑。

1.2.3 柱式流動洗脫煙堿浸提裝置提取煙堿

由于常規(guī)浸提法存在操作繁瑣、浸提液體積較大等問題，超聲輔助浸提法存在設(shè)備成本相對較高且設(shè)備易損等問題，因此在綜合調(diào)研國內(nèi)外煙堿提取文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，設(shè)計了如圖1 所示的柱式流動洗脫煙堿浸提裝置。該裝置由浸提柱、浸提液槽、蠕動泵、MCI 萃取柱等部件組成，各部件之間用PFA管道連接。

圖1 柱式流動洗脫煙堿浸提裝置

柱式流動洗脫煙堿浸提裝置見圖1。

該裝置提取煙堿的原理為將煙末裝入浸提柱中并壓緊，然后升啟柱溫，用蠕動泵- 1 輸送浸提液通過浸提柱，碎煙中的煙堿溶于浸提液中并隨浸提液流出；提取完成后，打開浸提液槽的底閥，用蠕動泵- 2 輸送浸提液通過裝有反相樹脂的MCI-GEL固相萃取柱，由于煙堿在堿性條件下以締和分子存在，不會電離，而MCI-GEL 對締和分子具有很好的吸附作用，使浸提液中的煙堿以固相萃取的方式被吸附在MCI-GEL 柱上，萃殘液則流出返回到儲液槽中再次利用。待浸提液完全通過MCI-GEL 柱后，取下MCI-GEL 柱用氮氣吹干柱上殘留的水分。MCIGEL 柱用有機溶劑洗脫，減壓蒸發(fā)除盡有機溶劑后可得粗煙堿。

具體操作為取粉碎后的煙末1.0 kg 裝入浸提柱中并壓緊，升啟柱溫到65 ℃，在浸提液槽中加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的氫氧化鈉溶液5.0 L。啟動蠕動泵- 1，讓浸提液以100 mL/min 的流速通過浸提柱，循環(huán)提取30 min，提取完成后，打開浸提液槽的底閥，用蠕動泵- 2 輸送，讓浸提液通過MCI-GEL 柱（柱中裝填0.2 L 的MCI-GEL 反相樹脂） 萃取煙堿，萃殘液則返回浸提液槽中再次利用。第1 次浸提完成后，利用經(jīng)過MCI-GEL 柱萃取后返回的萃殘液再循環(huán)提取1 次，提取時間仍然為30 min。2 次浸提完成后，通過切換閥切換，輸送1.0 L 的洗滌液（1%氫氧化鈉），對浸提柱進(jìn)行洗滌，洗滌液也通過MCI-GEL柱萃取。整個浸提、洗滌完成后，取下MCI-GEL柱，用氮氣吹干柱上殘留的水分，然后用500 mL 的乙醇，以50 mL/min 的流速洗脫柱上殘留的煙堿。

2 結(jié)果與分析

2.1 溶劑浸提法與超聲輔助浸提法

分別采用1.2.1，1.2.2 中的溶劑浸提法與超聲輔助浸提法對煙堿進(jìn)行提取。

溶劑浸提法與超聲輔助浸提法的煙堿提取效果見表1。

表1 溶劑浸提法與超聲輔助浸提法的煙堿提取效果

由表1 可知，超聲輔助浸提法的煙堿提取效率高于溶劑浸提法。常規(guī)溶劑浸提法的煙堿回收率較低，需幾次浸提合并料液進(jìn)行萃取，操作復(fù)雜，且浸提液的體積較大，給后續(xù)的有機溶劑萃取造成負(fù)擔(dān)；而超聲輔助浸提法則存在設(shè)備成本相對較高且設(shè)備易損等問題。

2.2 柱式流動洗脫煙堿浸提裝置提取煙堿優(yōu)化

2.2.1 樣品粒徑對提取效率的影響

對于煙草樣品的浸提，目標(biāo)成分的溶出和樣品的粒徑密切相關(guān)。粒徑越小，目標(biāo)成分溶出越充分；但粒徑太小，過柱的壓力增大，容易堵塞篩板，導(dǎo)致洗脫超壓。因此，綜合提取效率和操作可行性考慮，選擇將煙草樣品粉碎至60~90 目，在該粒徑下，浸提液可安全地通過提取柱，不會出現(xiàn)超壓現(xiàn)象，而且煙堿的溶出效率也能達(dá)到預(yù)期結(jié)果。

2.2.2 浸提條件的選擇

在樣品浸提過程中，熱浸提效果優(yōu)于冷浸提，因此采用開啟柱溫控制的方式進(jìn)行熱浸提。試驗結(jié)果表明，隨柱溫升高，煙堿的溶出增加，但柱溫太高（超過80 ℃） 浸提液易氣化，造成壓力不穩(wěn)定。綜合考慮浸提效果和操作方便因素，選擇控制柱溫為65 ℃，在此條件下，浸提液不容易出現(xiàn)汽化，也能保證有較好的浸提效果。

此外，浸提液的流速也影響樣品的浸提效果，流速太慢，浸提消耗的時間長；流速太快，泵的壓力過高容易磨損設(shè)備。綜合考慮設(shè)備的適應(yīng)性、操作方便和效率因素，選擇浸提液的流速為100 mL/min。

在選定流速和溫度的條件下，對浸提時間進(jìn)行了試驗。結(jié)果表明，分2 次浸提即過完MCI 柱后的浸提液再返回浸提1 次，效果優(yōu)于1 次連續(xù)浸提。采用2 次浸提的方法，每次提取時間為30 min 左右，樣品中的煙堿基本提取完全，再延長提取時間或增加浸提次數(shù)，對煙堿的提取效率影響不大。因此，選擇用2 次浸提，每次浸提時間為30 min。

2.2.3 固相萃取條件的選擇

關(guān)于有機化合物的反相固相萃取，常用的萃取材料是化學(xué)鍵合固定相。但常見的化學(xué)鍵合固定相正常使用的pH 值范圍為2~8，不適合在堿性條件下使用。MCI-GEL 反相樹脂為聚苯乙烯-二乙烯基苯共聚材料，與傳統(tǒng)的反相柱層析材料鍵合硅膠相比，材料穩(wěn)定性更高，可在pH 值1~14 長期穩(wěn)定使用，同時在有機溶劑或水溶液介質(zhì)中也能長期穩(wěn)定使用。該材料還具有吸附容量更高、材料成本更低的優(yōu)點。因此，選用MCI-GEL 反相樹脂為固相萃取材料。

測定了反相固相萃取柱的萃取容量，按長度/直徑為2∶1 進(jìn)行裝柱，MCI-GEL 反相樹脂的裝填量為200 mL。用含1%氫氧化鈉的煙堿溶液通過柱，測定固相萃取柱的萃取容量。試驗結(jié)果表明，固相萃取柱對煙堿的萃取容量為48.5 g。在該萃取容量下，煙堿不會發(fā)生穿漏，但超過該萃取容量，煙堿可能會發(fā)生穿漏而導(dǎo)致煙堿損失。試驗中，樣品浸提時煙草樣品量為1.0 kg，樣品中煙堿含量為2.15%，因此樣品中煙堿最大量不會超過21.5 g；每次萃取的煙堿含量在固相萃取柱的承載范圍內(nèi)。如果樣品中的煙堿含量顯著提高，或需浸提的煙草樣品量顯著擴大，可根據(jù)測定的萃取容量，對固相萃取柱按比例進(jìn)行放大。

在反相固相萃取中，由于乙醇最安全且不會形成有害溶劑殘留，因此試驗中選擇用乙醇作為洗脫劑。進(jìn)一步驗證了洗脫流速和洗脫劑的用量對洗脫效果的影響。在固相萃取洗脫中，洗脫劑的體積越大，洗脫越完全，但試劑消耗增加；洗脫流速快可縮短洗脫時間，提高工作效率，但洗脫劑和固相萃取柱的作用不充分，洗脫效率降低。結(jié)合操作時間、效果等因素綜合考慮，選擇以50 mL/min 的流速進(jìn)行洗脫，當(dāng)萃取柱富集的煙堿量為48.5 g（萃取飽和容量） 時，用500 mL 的乙醇可把萃取柱上的煙堿完全洗脫下，因此選用該洗脫條件。在實際操作中，固相萃取柱的煙堿負(fù)載量均小于飽和容量，因此能保證柱上吸附的煙堿完全洗掉。在實際生產(chǎn)中，如果要萃取的煙堿量顯著增大，需洗脫的煙堿量擴大，可按比例進(jìn)行放大，增加洗脫劑的體積。

2.3 方法的驗證

在選定試驗條件下，測定了煙堿萃取的回收率。方法的煙堿回收率（n=5） 見表2。

表2 方法的煙堿回收率（n=5）

試驗結(jié)果表明，平行5 次試驗，得到的粗煙堿量介于18.57~20.12 g，平均值為19.24 g；煙堿純度介于88.21%~90.30%，平均值為89.60%；煙堿回收率介于78.55%~82.30%，平均值為80.21%；精密度介于0.93%~3.34%（n=5）。利用柱式流動洗脫煙堿浸提裝置提取煙堿的回收率高于傳統(tǒng)方法中的溶劑浸提法與超聲輔助浸提法。

在試驗中影響煙堿的回收率主要由柱式浸提和固相萃取兩步導(dǎo)致，對此分別試驗了2 個步驟對煙堿回收率的影響。結(jié)果表明，對于流動柱式浸步驟，煙堿回收率為92.80%~93.41%；對于固相萃取步驟，煙堿回收率為95.79%~97.22%，2 個步驟均具有較高的回收率。

3 結(jié)論

采用溶劑浸提法和超聲輔助浸提法對煙堿提取進(jìn)行了試驗。結(jié)果表明，常規(guī)浸提法存在煙堿的回收率低、操作繁瑣、浸提液的體積較大等問題，超聲輔助浸提效率顯著高于溶劑浸提，但其設(shè)備成本相對較高，產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用困難。該研究的柱式浸提煙堿裝置采用改進(jìn)方法，浸提液和樣品的作用更充分、浸提液的流動性也顯著增加了浸提液與煙葉樣品的碰撞和作用，樣品中的煙堿更容易溶出到浸提液中，浸提效率和傳統(tǒng)靜置浸提法相比有了極顯著的提高，還避免了傳統(tǒng)探討中需多次轉(zhuǎn)移過濾的繁瑣操作。此外，該方法中采用裝填有MCI 反相樹脂柱的柱，以固相萃取的方式吸附提取液中煙堿，與傳統(tǒng)溶劑萃取方法相比，操作更方便、萃取效率高、有機溶劑消耗大大減少、環(huán)境更友好，用于實際生產(chǎn)成本也低于溶劑萃取。

在選定試驗條件下，得到的粗煙堿量為18.57~20.12 g，平均值為19.24 g；煙堿純度為88.21%~90.30%，平均值為89.60%；煙堿的回收率為78.55%~82.30%，平均值為80.21%；精密度為0.93%~3.34%（n=5），回收率較高，精密度良好。