李豪豪 李照民 王成卓 李威 赵世民 江凯 澹台晓伟 朱桃月

摘要烟叶中含有大量珍贵的天然成分，可供提取出来反添加到卷烟中，能够有效改善、提升卷烟品质。概述了烟叶中主要有效成分，综述了废弃烟叶中有效成分提取的主要方法，展望了废弃烟叶中有效成分提取的未来发展方向。

关键词废弃烟叶；有效成分；提取；研究进展

中图分类号S572文献标识码A文章编号0517-6611（2015）34-083-05

烟草产业目前已在全世界范围内发展成为一个异常庞大的产业，世界上生产烟叶国家超过120个，世界烟草消费达到4 000亿美元[1]。我国是烟草大国，种植面积大约13 300 km2，年产量约240×104 t，居世界首位。由于种植技术、地理环境、生产技术等原因制约，并不是所有的烟叶都可以用作加工与生产。每年有将近25%的烟叶以及烟末等下脚料被遗弃[2]，不仅造成自然资源的浪费，而且对环境造成严重污染。烟叶中含有大量珍贵的天然成分，可供提取出来反添加到卷烟中，能够有效改善、提升卷烟品质。现阶段超临界萃取、分子蒸馏等先进无污染的提取分离手段发展成熟，为有效利用废弃烟叶中珍贵的天然产物提供了可能，可以有效弥补我国乃至全世界天然产物领域的产能不足。目前，一大批研究学者对烟叶中有效成分的提取工艺做了大量研究，对烟叶中成百上千种致香物质的提取工艺进行了优化，并取得了显著的成就。我国加入世界贸易组织（WTO）以后，与国际烟叶市场竞争激烈，我国烟草行业面临着提高烟叶生产水平和质量水平的双重要求。有效利用废弃烟叶，将更加有利于我国烟草事业的可持续发展。

1烟叶中主要成分

烟叶中含有丰富的天然物质，目前检测到的已达到4 900余种[3]，主要包括生物碱、氨基酸、糖类、蛋白质、有机酸等物质。1956年，Rowland等从烟叶中分离茄尼醇、新植二烯等致香物質[4]。1968年，Stedman总结了烟草中发现的100多种酸性成分[5]。1992年，冼可法等利用多种提取方法，结合GCMS、GCIR等分析手段，对河南和云南烤烟成分进行了分析[6]，共发现烃类31种、醇类19种、醛类19种、酮类37种、酯类14种、酸类13种、呋喃及其他类化合物5种、含氮化合物5种。烟叶中的主要致香成分是含有OH、NH、SH等特定致香基团的有机物。按照所含香味基团的不同，烟草致香物质可以分为：醇类、酮类、醛类、酸类、酯类、酚类、氮杂环类、内酯类、酰胺类、呋喃类、醚类及烃类等[7]。

1.1挥发酸类化合物

烟叶中所含有机酸是指除了氨基酸以外的有机酸：脂肪酸、芳香酸、萜烯酸、羟基酸，是烟叶的重要组成部分。有机酸种类极其复杂，含量差异大，总含量一般达到烟叶总重12%～16%。其中挥发性有机酸仅占0.01%～0.20%，却是烟叶感官的最主要影响因素[8]。早在1955年，李炎强等利用水蒸气蒸馏并结合GCMS等设备考察了烟叶及烟梗中挥发性酸的含量，共发现挥发性酸二十余种[9]。并发现分子量小、挥发性强的酸主要聚集在烟叶中，而分子量大、挥发性弱的酸集中在烟梗之中。李海锋等采用全二维气相色谱-飞行时间质谱，对烟叶中有机酸进行了鉴定与含量分析，共鉴定出143种挥发性以及半挥发性有机酸[10]。薛超群等对44个国产和2个进口烟叶进行了对比分析，发现国产烟叶中半数以上普遍烟碱含量偏高，挥发酸总量均低于2个进口烟叶[11]；并指出烟叶中总挥发酸含量越高，其香气则越纯正。虽然挥发酸含量多少对烟气是否醇和有着至关重要的作用，但是低碳的挥发酸，如甲酸、乙酸和丙酸等刺激性较强，反而会影响烟气品质。

1.2醇类化合物

烟叶中醇类化合物主要分为苯甲醇、苯乙醇、茄尼醇、芳樟醇、糠醇、3甲基l丁醇、寸拜醇、西柏三烯二醇等。烟草中醇类化合物含量约占烟叶总量的0.77%～1.25%，并对烟叶香气质量有很大的影响。烟叶中醇类化合物的致香作用主要是由于羟基的存在，但是香气的强弱与羟基的多少成反比关系[12]。倪戈婷等采用同时蒸馏萃取法在云南K326烟叶中鉴定出18种醇类化合物的存在[13]。赵高坤等考察了不同烘烤工艺对烟叶内醇类化合物含量的影响，综合评价了不同烘烤工艺对烟叶醇类化合物含量的影响，对改善烟叶品质起到一定的指导作用[14]。宣晓泉等研究了烟叶内醇类化合物随烟叶不同成熟度的变化，发现烟叶内醇类化合物随着烟叶成熟度增加而增加，并在成熟后逐渐减少[15]。

1.3羰基化合物

烟叶中羰基化合物主要包括醛类和酮类有机物，其主要影响烟叶的味觉品质。其中大马酮、茄尼酮、紫罗兰酮、巨豆三烯酮以及香草醛、柠檬醛等是烟叶中重要的致香成分。武圣江等研究了烤烟烘烤方式对烤烟内所含羰基类化合物含量的影响[16]。张碰元等考察了津巴布韦烟叶等5种烟叶中羰基类化合物的含量，发现津巴布韦及白肋烟中羰基类化合物的含量较高[17]。徐华军等研究了烟叶中羰基类化合物对烟叶味觉特性的影响，发现甲醛致苦，丙烯醛、丙酮致甜，乙醛、丙醛与味觉特性多元线性相关[18]。

1.4烟碱

烟碱俗称尼古丁，是烟叶中含量最高的生物碱，在烟叶中多以S型存在，具有很强的生理活性。根据N甲基四氢吡咯环上取代基的种类与位置不同，可以分为α烟碱、β烟碱、γ烟碱等。常说的烟碱指的是β烟碱[19]，结构如图1所示。烟碱在室温下成无色或者淡黄色油状液体。多年来烟碱主要用于杀虫剂的制造产业，近年来逐渐深入到保健、食品、医药等行业。研究表明，烟碱对各种疾病，比如：精神分裂症、帕金森综合征、老年痴呆症、妥瑞氏症候群、大肠溃疡等有积极影响[20]。因此，市场对烟碱特别是高纯烟碱的需求巨大。目前应用于烟碱提取、提纯的工艺主要包括水蒸气蒸馏法、溶剂提取法、同时蒸馏萃取法、离子交换法、液膜法以及超临界萃取法等。

图1烟碱分子结构

1.5蒎烷

蒎烷有顺式、反式2种结构，其中顺式蒎烷（图2）较反式有更重要的用途。蒎烷是合成高级香料以及维生素A、E、K的重要原料，同时也是烟叶中的关键致香成分之一。目前蒎烷的获取途径主要是由蒎烯经加氢过程人工合成。早在1944年，A.L.Rummelsburg就研究了蒎烷的加氢合成工艺[21]。1991年，徐之雒等研究了硼化镍型催化剂用于α蒎烯液相常压加氢合成蒎烷的工艺过程[22]。蒎烷产率达到95%，其中顺式蒎烷选择性高达97%以上，蒎烯转化率接近100%。张献忠等[23]和冷璐等[24]分别报道在烟叶中发现蒎烷，但是二者所用提取方法提取产物蒎烷含量较低。

图2蒎烷分子结构

1.6天然维生素E

维生素E又称生育酚，具有很强的生物活性，极易被氧化。天然维生素E主要有4种同系物，分别是α维生素E（αtocopherol）、β维生素E（βtocopherol）、γ维生素E（γtocopherol）和δ维生素E（δtocopherol），结构如图3所示。

图34种天然维生素E分子结构

4种天然维生素E中属α维生素E的生物活性最高。早在19世纪20年代，Evans等就在研究生殖过程中发现了维生素E的存在[25]。1924年，Sure.B等对维生素E进行了命名[26]。但是目前此类命名在国际上基本不再使用，取而代之的是国际生物化学联合会（IUB）发布的通用名：2R，4R，8R生育酚或（RRR）生育酚[27]。天然维生素E主要来源于油脂加工废料：脱臭馏出物。脱臭馏出物中天然维生素E含量丰富，占总量的4%～15%[28]，但是经过脱臭馏出物提出的天然维生素E生物活性较低[29]。目前国外合成维生素E的生产技术已经处于发达水平。2004年9月，荷兰斯曼集团已建成年产2.5万t的维生素E生产线，相比之下，我国的维生素E生产技术水平处于摸索前进状态[30]。虽然合成天然维生素E的技术已到达如此高的境界，但是合成维生素E仍然不能取代天然维生素E的位置。合成维生素E在立体结构上与天然维生素E存在一定差异，合成天然维生素E共有8种不用的立体异构分子结构，其中仅有1种与天然维生素E相同，剩余7种在天然维生素E中并不存在。在生物活性方面，天然维生素E比合成维生素E具有更高的生物活性。早在20世纪50年代，就通过“鼠胎吸收法”测定了天然維生素E的生物活性要比合成维生素E高出36%[31]。

2烟叶主要成分的提取方法

常用的从烟草中分离香气成分的方法有水蒸气蒸馏、溶剂萃取、同时蒸馏萃取、超临界CO2萃取等。

2.1水蒸气蒸馏

水蒸气蒸馏作为一个传统、常用的提取方法，在20世纪中叶植物天然产物的提取过程中被广泛应用[32-34]。该方法操作简单，过程稳定，尤其应用在植物挥发油的提取研究之中。在烟叶挥发性成分的提取纯化研究中，水蒸气一直扮演着较为重要的角色。Robert S等利用传统的水蒸气蒸馏方法对尼古丁进行了测定[35]。但是这种传统的水蒸气蒸馏具有一定的弊端：由于暴沸以及大量的蒸汽的产生在整个水蒸气蒸馏的过程中，必须花费大量精力在看管设备上面。同时由于需要收集大量体积的冷凝液，整个蒸馏过程需要花费相当长的时间[36]。Kirk 在PozziEscot的设备基础上做了相应的修改，添加了独立的水蒸气发生器，从而发明了更加令人满意的能进行大规模生产的水蒸气蒸馏设备[37] 。随着超声、微波等手段的出现，水蒸气蒸馏法得到了进一步的提升。邹小兵等利用微波水蒸气蒸馏法对八角茴香挥发油的提取进行了研究，结果表明，微波水蒸气蒸馏法的提取效率与普通水蒸气蒸馏的效率基本无异，所得挥发油成分也几近相同，不同之处仅仅在于不同成分的含量有所差异[38]。但是相比普通水蒸气蒸馏，微波水蒸气蒸馏所用的时间减半。谢捷等利用闪蒸辅助水蒸气蒸馏对生姜挥发油的提取进行了研究，结果表明，闪蒸辅助水蒸气蒸馏法提取产物成分与传统水蒸气蒸馏基本相同，但精油收率得到了31%的提升[39]。上述两位作者通过减少提取时间或提高精油收率使得挥发油的提取效率有了较高的提升。耿永勤等对烟叶中挥发酸采用水蒸气蒸馏法进行分离，挥发酸的回收率达到了98%以上[40]。高宏建等对烟草精油的水蒸气蒸馏法提取工艺进行了研究，通过单因素试验及正交试验的方法得到最佳提取条件，并获得了1.7%的精油收率[41]。K.R.Kim研究了烟叶精油的水蒸气蒸馏提取-萃取过程，此过程的重复性良好，主要成分提取率的误差保持在±3%以内，并将此过程应用于其他天然产物的提取[42]。此方法的缺陷在于蒸馏过程中消耗大量水蒸气，也就意味着大量的能源消耗；另外，提取液还需要大量有机溶剂进行萃取，处理量很大，溶剂消耗量也极其巨大。

43卷34期李豪豪等废弃烟叶中有效成分提取的研究进展

2.2溶剂萃取

溶剂萃取通常在低温或较低温下进行，因此特别适用于热敏性及易挥发性物质的萃取，且易于实现大规模工业生产，因此其应用范围迅速扩大至石油、化工、医药、湿法冶金等领域[43-44]。卢红兵等考察了不同极性的有机溶剂对不同烟草中的亚硝胺含量的萃取效果，得到了对指导低危害性卷烟的生产有着重要意义的研究结果[45]。在烟叶指纹图谱的建立过程中，溶剂萃取法又是简单有效的样品前处理方法[46]。

溶剂萃取作为一种常用的分离和提纯物质的方法，主要包括有索氏萃取、搅拌萃取、超声波辅助萃取和微波辅助萃取等技术[47]。1975年，Adel AbuSamra等首次报道了以微波为热源对生物样品进行湿法灰化[48]。20世纪80年代后期，Ganzler首次利用微波炉进行有机物的萃取[49]。微波辅助萃取一般具有降低萃取时长、提升萃取效率等优点。超声辅助萃取与微波辅助萃取有一定的相似之处，都是通过一种辅助手段强化萃取过程中的传质过程。Zhu X等对烟叶中挥发性有机酸进行了微波辅助溶剂萃取，并与传统萃取方法进行了比较[50]。此种方法在提高提取效率（2倍）、缩短提取时间（0.33∶4.00 h）、减少提取溶剂消耗（20∶100 ml）上均取得了良好的成果。超声辅助萃取始于1936年Chambers等利用超声波辅助从各种细菌培养液中提取酶的过程中[51]。Thompson等报道超声辅助萃取效率比索氏提取法高出2.76倍[52]。超声波产生强烈振动、高加速度、强烈空化效应、热效应、搅拌作用等，可以加速药物有效成分进入溶剂，从而提高提取效率并避免了高温对热敏物质的破坏[53]。同微波辅助萃取一样，超声辅助萃取具有缩短萃取时长、减少溶剂使用、提高萃取效率等优点。但二者又都有难以实现大规模生产、操作条件不当会损害目的产物等缺点。

2.3同时蒸馏萃取

1964年Likens和Nickerson首次提出同时蒸馏萃取技术（Simultaneous Distillation Extraction，SDE）[54]。当时同时蒸馏萃取技术作为样品的前处理技术。同时蒸馏萃取技术是通过同时对2个装有有机溶剂及样品水溶液的加热釜进行加热，待两釜内的液体沸腾之后，上升蒸汽在同一个冷凝器内冷凝，带有样品的水相与有机相混合从而达到萃取的目的，之后由于两股物料的密度不同且不互溶，分别进入各自所对应的加热釜内实现循环萃取，如图4。此方法只需要少量溶剂便可大量提取样品，弥补了水蒸气蒸馏技术消耗大量溶剂、设备尺寸较大等不足。目前同时蒸馏萃取技术广泛应用于香料、食品、中药等领域的提取分离等。在烟叶挥发性物质的提取分析过程中，同时蒸馏萃取相比水蒸气蒸馏法提取分析的物质范围稍广一些，水蒸气蒸馏法主要适用于挥发半挥发性物质的提取，然而同时蒸馏萃取对大分子高沸点的半挥发性物质的提取效果稍高于水蒸气蒸馏。另外，同时蒸馏萃取简化了水蒸气蒸馏的实验步骤，节省了大量的有机溶剂，缩短了试验时间，减少大量工作量[55]。杨再波等采用同时蒸馏萃取方法，研究了烤烟烟梗中挥发性香气成分的组成，鉴定出39种香气成分，且实验稳定，重复性好[56]。目前常用的常压同时蒸馏萃取存在一些问题：污染问题，水蒸气以及有机溶剂带来的污染，对试剂的检测带来了一定干扰；氧化问题，样品中常常会有一些热敏性物质在提取过程中发生反应，导致热敏性物质的损失；没有解决水蒸气蒸馏巨大能耗的问题。正是由于以上缺点，减压同时蒸馏萃取技术（VDE）应运而生，较好地解决了以上问题[57]。在烟叶香气成分提取过程中，同时蒸馏萃取技术的回收率高、重复性好、有利于香气物质的定量分析。减压同时蒸馏萃取法重复性及回收率较同时蒸馏萃取法较差，但是能降低挥发性物质的蒸汽压，使其在较低温度下逸出，避免高温下可能带来的损失，因此可以更真实地反映烟叶香气成分的原始组成[58]。

2.4超临界流体萃取

超临界流体（Supercritical Fluid，SF）是指温度和压力都高于其临界温度和压力的流体。由于其密度接近液体，而黏度与扩散系数却接近于气体，故而SF拥有与液体相当的萃取能力，还有优良的传质能力。在超临界区域内，如果SF的压力、温度稍有改变，都会引起SF密度的相当大的变化，从而导致溶质在SF中的溶解度发生相当大的变化，所以调节SF的压力与温度可以达到选择性萃取的效果。超临界萃取（Supercritical Fluid Extraction，SFE）正是利用了SF上述优点，形成了独特的新型分离工艺[59]。可作为超临界流体的物质有很多种，最常用的是二氧化碳，主要是因为其临界温度低（31.06 ℃），故而可以在室温条件下达到超临界状态，减少萃取过程中的热敏性物质分解以及易挥发性物质的逸散。二氧化碳的临界压力为7.39 MPa[60]，也较容易达到，压缩气体所需要能耗消耗较少。SFE的兴起，一定程度上避免了萃取过程中的溶剂使用，对毒性要求较高的食品、医药领域以及减少环境污染具有重要意义。

超临界CO2（Supercritical Carbon Dioxide，SCCO2）是超临界流体的一种。超临界CO2萃取的理论依据实际上是相似相溶的原理。气态CO2本身是无极性的分子，但是在超临界状态下，分子结构由于压力的作用而变弯曲，呈现出一定的极性。因此，超临界CO2对与它极性类似的有机物有一定的提取作用。超临界CO2萃取不仅萃取效率高、耗能低，而且分离方便、无残留，在萃取过程中无O2的混入，从而在一定程度上避免了某些强还原性物质的氧化，例如烟叶中所含的天然维生素E（α生育酚）。虽然超临界CO2表现出一定的极性，但超临界CO2萃取对非极性及弱极性物质的提取效果良好，对极性物质的提取效果却一般，为了解决这个问题，萃取过程中通常加入极性夹带剂，常用的极性夹带剂有乙醇、甲醇、水等[61]。超临界CO2在萃取烟叶香气成分中具有得天独厚的优势，传统的溶剂提取、水蒸气蒸馏等方法不仅不利于环保，而且会在提取过程中损失大量香气成分，并难以避免溶剂残留问题，超临界CO2萃取则不存在上述问题。董超宇等采用超临界CO2萃取烟叶中的烟碱，确定最佳提取工艺为：萃取压力12～16 MPa，温度42～52 ℃，时间1.5～2.0 h，得到含有一定杂质的烟碱粗品，经过减压蒸馏精制，最终得到烟碱含量98% 以上的纯品[62]。

3展望

废弃烟叶中含有丰富的天然产物资源，烟碱等可以用作杀虫剂的生产；蒎烷、西伯三烯1，3二醇等致香成分是重要的食用香精、香水精油；α维生素E是重要的抗氧化剂，在医药、食品等领域有着极其重要的地位。合理利用这些废弃烟叶中的天然产物，不仅可以减轻环境压力，同时也可为我国带来巨大的经济效益，实现废物的二次利用。

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