一種水射流粉碎和牽引網(wǎng)膜微波蒸餾提取煙草致香成分的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及卷煙生產(chǎn)技術(shù)領(lǐng)域，更具體地說，涉及一種水射流粉碎和牽引網(wǎng)膜微波蒸餾提取煙草致香成分的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著人們對(duì)吸煙與健康問題關(guān)注度的逐漸提高，以及對(duì)公共場(chǎng)所禁煙力度的不斷加大，煙草工業(yè)在實(shí)施降焦減害工程的同時(shí)，開始高度重視非燃燒低溫卷煙、電子煙和口含煙等新型煙草制品研發(fā)，并將其作為關(guān)系行業(yè)可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略性、全局性和長(zhǎng)遠(yuǎn)性重大課題開展。
[0003]降焦減害工程，使卷煙中焦油含量不斷降低，煙草中的香氣成分也相應(yīng)減少，煙味變淡，影響對(duì)吸煙的體驗(yàn)，因此，需要從煙草中提取致香成分對(duì)低焦油卷煙香氣進(jìn)行有效補(bǔ)償；在新型煙草制品構(gòu)成中，煙草本香物質(zhì)是包括煙霧基質(zhì)在內(nèi)的，形成煙草特有香氣所不可或缺的材料，需要從煙草中提取致香成分；另一方面，近年來(lái)興起的再造煙葉加工過程中，通過添加煙草內(nèi)源性香料來(lái)補(bǔ)償損失的一部分煙草本香物質(zhì)，也需要從煙草中提取致香成分；此外，通過對(duì)煙草致香成分的提取，可以綜合利用和消納煙葉儲(chǔ)運(yùn)和卷煙生產(chǎn)過程中大量產(chǎn)生的煙肩、煙渣、煙梗、碎煙片，以及每年棄于田間的相當(dāng)可觀的低次煙葉，不僅減少?gòu)U棄物對(duì)環(huán)境的污染，同時(shí)又可變廢為寶。
[0004]煙草特有的致香成分主要由其所含的醇類、醛類、酮類、酯類、酸類、醚類、糖類、萜烯類、氨基酸類、生物堿及雜環(huán)化合物等煙草的微量揮發(fā)性有機(jī)物組成。這些揮發(fā)性有機(jī)物通常是以初級(jí)代謝產(chǎn)物如纖維素、果膠、蛋白質(zhì)、半纖維素等為基體，分布于煙草植物細(xì)胞內(nèi)和細(xì)胞間質(zhì)中，在溶出時(shí)，必須先透過細(xì)胞壁和細(xì)胞膜才能釋放。但通常草本植物維管束中外側(cè)的木質(zhì)部和內(nèi)側(cè)的韌皮部組織較緊密，使溶劑不易滲透和擴(kuò)散，煙草的致香成分難以被高效提取出來(lái)。
[0005]為了有效地提取煙草的致香成分，可首先對(duì)煙草植物進(jìn)行細(xì)胞破壁處理，以便于這些揮發(fā)性香源物質(zhì)能夠在溶劑中順利溶出。
[0006]為了實(shí)現(xiàn)對(duì)煙草植物細(xì)胞破壁目的，在本領(lǐng)域中，可采用各種公知的方法:如，生物處理方法，通過生物酶或菌對(duì)煙草的細(xì)胞壁進(jìn)行降解，可能存在的問題是，單用生物酶往往處理不徹底，只能部分降解細(xì)胞壁；單用菌處理時(shí)間較長(zhǎng)，細(xì)胞壁徹底消解及菌的代謝物可能影響香源物質(zhì)的品質(zhì)，時(shí)間短了又不能達(dá)到目的。
[0007]又如，物理處理方法，通過超聲波、微波、蒸汽爆破等方法方使細(xì)胞破壁。其中，超聲波細(xì)胞破壁是利用高頻超聲波在液體內(nèi)產(chǎn)生的空化剝蝕效應(yīng)和碎解作用使細(xì)胞壁破碎，可能的問題是受限于超聲波換能器功率，處理能力不夠大；微波破壁是利用微波場(chǎng)中的植物介質(zhì)吸收微波能量時(shí)，因細(xì)胞內(nèi)的分子極化產(chǎn)生偶極子超高頻振動(dòng)、摩擦而生熱，當(dāng)液相吸收足夠的潛熱氣化后，沖破細(xì)胞壁釋放蒸氣達(dá)到細(xì)胞破壁目的，可能的問題是煙草植物的香源物質(zhì)因過熱而劣化；蒸汽爆破是利用具有一定壓力的蒸汽進(jìn)入植物細(xì)胞內(nèi)后，因突然泄壓使蒸汽釋放造成細(xì)胞破壁，可能的問題仍然是過熱。物理處理方法處理強(qiáng)度大，致香成分損失較大。
[0008]再如，化學(xué)處理方法，主要通過稀酸、堿、臭氧、有機(jī)溶劑和氧化等處理，使細(xì)胞壁強(qiáng)度降低或消解，可能存在的問題是這些化學(xué)成分后期難以處理的問題。
[0009]另一種溶劑提取法，可在未做細(xì)胞破壁處理的條件下，利用物質(zhì)在溶劑中的溶解性差異，即選用對(duì)不需要溶出成分溶解度小，而對(duì)香源物質(zhì)溶解度大的溶劑，通過溶劑對(duì)細(xì)胞壁的滲透作用進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)，溶解可溶性香源物質(zhì)，造成細(xì)胞內(nèi)、外的濃度差，使細(xì)胞內(nèi)的濃溶液不斷向外擴(kuò)散，溶劑則不斷進(jìn)入細(xì)胞中，直至細(xì)胞內(nèi)、外溶液濃度達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，將飽和溶液濾出，再加入新溶劑繼續(xù)溶出。溶劑可以是強(qiáng)極性的水，也可以是親水性或親脂性的有機(jī)溶劑。溶劑提取法分為冷提法和熱提法兩種，普通的溶劑提取法相對(duì)粗放，時(shí)間長(zhǎng)，效率較低，致香成分相對(duì)含量不高，香氣不足。
[0010]當(dāng)細(xì)胞因破壁或擴(kuò)散作用使香源物質(zhì)溶入溶劑中后，則進(jìn)一步需要使液相的香源物質(zhì)從溶劑中分離開來(lái)，即蒸餾提取。在本領(lǐng)域中，可采用各種公知的方法:如，蒸餾提取，利用混合液體中各組分沸點(diǎn)(揮發(fā)性)不同，使低沸點(diǎn)組分蒸發(fā)，再冷凝成液體以分離整個(gè)組分。其中，以水為溶劑的水蒸氣蒸餾法，經(jīng)濟(jì)性好、安全性高、操作性強(qiáng)，且對(duì)煙草中糖類、氨基酸類、酚類等水溶性致香物質(zhì)具有較好的提取效果，但對(duì)于低極性、揮發(fā)性的有機(jī)酸、萜烯類、醇類等關(guān)鍵致香成分提取效果不佳，且需較高的蒸發(fā)溫度，副反應(yīng)較多，可能影響致香成分的本香效果。
[0011]又如，超臨界流體C02萃取，利用超臨界流體所具有的超強(qiáng)溶解能力，使香源物質(zhì)溶解，并通過壓力和溫度的控制，使0)2溶劑在萃取過程中達(dá)到臨界點(diǎn)，完成液相至氣相的超臨界轉(zhuǎn)變，而得到液相的香源物質(zhì)。該方法純度高、無(wú)溶劑殘留，適合于對(duì)煙草中大多非極性或弱極性的揮發(fā)性芳香成分的萃取，故在本領(lǐng)域已有較多應(yīng)用。但該方法處理量較低、設(shè)備投資較大、成本較高，對(duì)低揮發(fā)性的芳香物質(zhì)萃取得率低。
[0012]通過上述分析可知，從煙草中提取致香成分的關(guān)鍵技術(shù)有兩點(diǎn)，一是，實(shí)現(xiàn)細(xì)胞破壁；二是，液相轉(zhuǎn)化為氣相時(shí)對(duì)蒸發(fā)溫度的控制。前者關(guān)系到香源物質(zhì)的溶出度，后者關(guān)系到香源物質(zhì)的品質(zhì)。
[0013]煙草為茄科草本植物，可用于提取煙草致香成分的煙草材料為煙葉和根、莖等，其中，煙葉由排列緊密的扁平狀表皮細(xì)胞，以及葉肉的柵欄組織細(xì)胞、海綿組織細(xì)胞和維管束細(xì)胞等薄壁細(xì)胞組成，靠近表皮有厚角組織；根莖為草質(zhì)莖，莖中密布很多相對(duì)細(xì)小的維管束，充斥維管束之間的是大量的薄壁細(xì)胞，維管束中的木質(zhì)部分布在外側(cè)而韌皮部則分布在內(nèi)側(cè)(這正好與木本植物完全相反)。因此，只要將煙葉表皮的厚角組織，以及根莖維管束外側(cè)的木質(zhì)部和內(nèi)側(cè)的韌皮部破壞，薄壁細(xì)胞的破壁相對(duì)較易實(shí)現(xiàn)。
[0014]在本領(lǐng)域中，對(duì)煙草植物細(xì)胞的破壁，如上所述公知的方法是通過生物酶或菌的降解作用，或通過超聲波、微波、蒸汽爆破的物理破壁作用，或通過酸堿溶劑的軟化和消解作用實(shí)現(xiàn)。在這些方法中，煙草原料通常被粉碎至小于5?20目，即尺寸小于4000?830 μm以下，少數(shù)也有粉碎至100目，S卩150 μ m以下。顯然，這些煙草原料的粉碎尺寸要遠(yuǎn)大于通常植物細(xì)胞的直徑，即10?100 μ m的尺寸范圍。因此，在既有的煙草致香成分提取技術(shù)中，對(duì)煙草原料的粉碎，并不產(chǎn)生對(duì)細(xì)胞的破壁作用。而是通過上述生物酶或菌的降解，或超聲波、微波、蒸汽爆破的物理破壁，或通過酸堿溶劑的軟化和消解作用使細(xì)胞破壁，也由此引發(fā)了相應(yīng)細(xì)胞破壁工藝帶來(lái)的問題，如存在可控性較弱，破壁率不高，或溫度過高引起劣化等。
[0015]在本領(lǐng)域中，對(duì)溶有煙草香源物質(zhì)的溶液，進(jìn)行氣相轉(zhuǎn)化的蒸發(fā)溫度控制方面，在如上所述公知的方法中，采取了包括水蒸氣蒸餾、常溫蒸餾和減壓蒸餾等措施，但在“同種物質(zhì)在不的同溫度下有不同的飽和蒸氣壓，并隨著溫度的升高而增大，飽和蒸氣壓值越高，就越有利于液相變?yōu)闅庀唷钡恼舭l(fā)原理與煙草香源物質(zhì)“溫度過高引起劣化”這對(duì)矛盾的協(xié)調(diào)方面，大多屬于常規(guī)的工藝平衡，相對(duì)缺乏方法和裝置方面的原理性突破。
[0016]以下引述的專利在其中某些方法和裝置方面獲得了一定的成功，但這不能必然地解釋為既有的這些技術(shù)是適宜的。
[0017]宋光泉等人的中國(guó)專利CN 200610036630.X，公開了一種煙草香精香料提取方法，包括如下步驟:將煙草粉碎或切絲，并放入萃取罐；按煙草與溶媒質(zhì)量比為1:2?1:16，在萃取罐中加入溶媒；在溫度為20?60°C，真空度為0.020?0.098MPa下減壓萃取回流1?8小時(shí)；萃取液經(jīng)80?500目網(wǎng)篩或鈦棒芯或超濾等分離，收集濾液，在真空度為0.020?0.098MPa下，減壓濃縮至樣品比重d42°為1.1?1.4g/ml，即得煙草香精香料。該發(fā)明采用了低溫減壓液固萃取、間隙氣流攪拌與減壓濃縮等全封閉循環(huán)工藝。
[0018]菲利普莫里斯生產(chǎn)公司的中國(guó)專利CN 200680027774.7，公開了一種制備含有煙草溶質(zhì)的溶液的方法，包括一種優(yōu)選的萃取溶劑和超臨界流體萃取煙草溶質(zhì)，以形成富含煙草溶質(zhì)的萃取溶劑和貧含煙草溶質(zhì)的煙草，將富含煙草溶質(zhì)的萃取溶劑經(jīng)夾帶溶劑富含形成煙草溶質(zhì)的溶液，其中所述煙草溶質(zhì)包括尼古丁和至少一種煙草香味混合物和/或煙草芳香化合物。
[0019]孫德平等人的中國(guó)專利CN 200810237438.6，公開了一種造紙法煙草薄片生產(chǎn)的萃取方法，在萃取液中有以下物質(zhì)及其占萃取液的重量百分?jǐn)?shù):酸性蛋白酶0.02%?0.1% ;纖維素酶0.01%?0.1% ;果膠酶0.01%?0.1% ;酶活力促進(jìn)劑0.1%?1%。酸性蛋白酶進(jìn)行液體深層發(fā)