摘要：研究了微波和超聲波輔助提取廢棄煙葉及煙桿中的煙堿，通過單因素試驗考查pH值、料液比、浸提時間、萃取次數(shù)等對煙堿提取率的影響，通過正交試驗確定微波和超聲波輔助提取最佳工藝。單因素試驗結(jié)果表明，最佳提取工藝為pH值4～5，萃取次數(shù)2次，萃取時間1 h，料液比1∶25。正交試驗結(jié)果表明，微波輔助提取的最佳工藝條件為微波輻射時間20～30 min，料液比1∶15，pH值4;超聲波輔助最佳工藝條件為pH值5，處理時間180 s，料液比1∶15。該結(jié)果可為企業(yè)萃取煙堿提供參考。

　　關(guān)鍵詞：廢棄煙葉;煙桿;煙堿;微波輔助提取;超聲波輔助萃取

　　煙堿是生產(chǎn)綠色食品理想的高效殺蟲劑和生物性農(nóng)藥[1-2]，用途十分廣泛。在卷煙工業(yè)中用天然煙堿配制的香精具有顯著增加香氣和勁頭的作用，在葉組配方中減少了對上等煙葉的用量，降低了卷煙成本[3]。隨著煙草工業(yè)、精細(xì)化工、制藥、有機(jī)合成、國防、農(nóng)藥等的迅速發(fā)展，市場對煙堿的需求與日俱增。煙堿的提取方法主要有水蒸氣蒸餾法、溶劑萃取法、離子交換樹脂法、超臨界流體萃取法、液膜分離法等[4-7]。水蒸氣蒸餾法是提取天然煙堿較為原始的工藝，利用煙堿在堿性條件下能與水蒸氣共同揮發(fā)而不分解的特性[5]進(jìn)行提取，該方法流程簡單、操作方便，但是會耗費大量的能源、效率低。國內(nèi)外也有報道用超臨界二氧化碳萃取技術(shù)從煙草中提取煙堿，該方法雖然提取率較高，但設(shè)備投資和維修費用大、設(shè)計和制造技術(shù)要求高、生產(chǎn)能力低。溶劑萃取法是將煙葉浸泡后用石灰乳處理凈化，用Na2CO3去除殘存的Ca2+離子，澄清液用氯代烯烴、乙醚、氯仿、溶劑油等有機(jī)溶劑萃取，萃取液用硫酸洗脫，煙堿從有機(jī)相轉(zhuǎn)移到水相成硫酸煙堿，萃取液用硫酸洗脫，煙堿從有機(jī)相轉(zhuǎn)移到水相成硫酸煙堿，多次富集得硫酸煙堿產(chǎn)品。但該方法操作步驟復(fù)雜、萃取時間較長，而且會產(chǎn)生大量廢水，為廢水處理帶來困難。

　　對于生產(chǎn)煙堿粗品來說，最簡單的就是酸性水提法，但傳統(tǒng)浸提法存在提取時間長的缺點，如果加以微波和超聲波輔助，可大大縮短提取時間。謝長芹和陳麗金等人[6-7]以廢次煙葉為原料研究了微波法提取煙葉和煙末中煙堿的技術(shù)，周民杰和朱松等人[8-9]利用超聲波提取低次煙葉中煙堿。試驗同時研究優(yōu)化微波和超聲波輔助提取煙廢棄煙葉及煙桿中煙堿的工藝，為企業(yè)萃取煙堿提供參考。

　　1 材料與方法

　　1.1 主要材料、試劑與儀器

　　材料：河南省種植的廢棄煙葉和煙桿，河南順天生物科技有限公司提供。

　　試劑：氫氧化鈉、氯化鈉、硅鎢酸 鹽酸、98%濃硫酸等，均為分析純，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司提供。

　　儀器：BILON-2008型低溫超聲波萃取儀，上海比朗儀器有限公司產(chǎn)品;XH-MC- 1型微波輔助反應(yīng)儀，北京祥鵠科技發(fā)展有限公司產(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;TGL-16C型高速離心機(jī)，上海安亭科學(xué)儀器廠產(chǎn)品;BSA224S-CW型電子天平，Sartorius中國有限公司產(chǎn)品。

　　1.2 試驗方法

　　1.2.1 廢棄煙葉及煙桿中煙堿含量及提取率的測定

　　(1)原料中煙堿含量測定。蒸餾時稱取1 g粉碎后的煙葉或煙桿于500 mL蒸餾瓶中，加入20 g NaCl和2 g NaOH，用30 mL水將煙桿沖下，立即將蒸餾瓶連接于水蒸氣蒸餾裝置進(jìn)行蒸餾。用內(nèi)含10 mL 1 mol/L H2SO4溶液的250 mL三角瓶作為接收器，冷凝管末端應(yīng)浸入H2SO4溶液中。蒸餾過程中蒸餾瓶內(nèi)的液體體積應(yīng)保持恒定，必要時可適當(dāng)加熱。收集220～230 mL餾出液，用小試管取餾出液1 mL，加1滴濃度為2.4 mol/L的HCl溶液和1滴濃度為0.036 mol/L硅鎢酸溶液，不顯渾濁時可停止蒸餾。取下容量瓶，同時用水沖洗冷凝管末端，確認(rèn)容量瓶處于室溫。用水定容至刻度，搖勻。若餾出液不澄清，則將其過濾。

　　紫外分光光度法餾出液中總植物堿的含量：用移液管吸取10 mL的餾出液于50 mL容量瓶中，用濃度為0.025 mol/L的H2SO4溶液定容至刻度，以濃度為0.025 mol/L的H2SO4溶液作參比，用紫外分光光度計測定溶液在波長236，259，282 nm處的吸光度。若259 nm處的吸光度超過0.7，應(yīng)取較小體積的餾出液重新稀釋測定。

　　1.2.2 煙堿提取的單因素試驗設(shè)計

　　(1)pH值對煙堿提取率的影響。稱取5份5.0 g粉碎的廢棄煙葉或煙桿，分別置于5個250 mL的錐形瓶中，在料液比1∶15，浸提溫度70 ℃，浸提時間2 h，浸提次數(shù)1次的條件下，向5個錐形瓶中各加入75 mL pH值分別為2，3，4，5，6的水溶液，在水浴振蕩搖床上振蕩萃取，得到的萃取液經(jīng)濃縮稀釋后，采用紫外分光光度法測定煙堿的吸光度，并利用公式(2)得出煙堿的提取率。

　　(2)萃取時間對煙堿提取率的影響。稱取5份5.0 g粉碎的廢棄煙葉或煙桿，分別置于5個250 mL的錐形瓶中，再加入75 mL pH值為2的水溶液，在浸提溫度70 ℃，浸提次數(shù)1次的條件下，設(shè)定水浴萃取時間分別為0.5，1.0，2.0，3.0，4.0 h，在水浴振蕩搖床上振蕩萃取，得到的萃取液經(jīng)濃縮稀釋后，采用紫外分光光度法測定煙堿的吸光度，并利用公式(2)得出煙堿的提取率。

　　(3)萃取次數(shù)對煙堿提取率的影響。稱取4份3.0 g粉碎的廢棄煙葉或煙桿，分別置于4個250 mL的錐形瓶中，每次加入45 mL pH值為2的水溶液， 70 ℃下在水浴振蕩搖床上振蕩萃取2 h，分別萃取1，2，3，4次，將每次萃取得到的萃取液合并經(jīng)濃縮稀釋后，采用紫外分光光度法測定煙堿的吸光度，并利用公式(2)得出煙堿的提取率。

　　(4)料液比對煙堿提取率的影響。稱取5份3.0 g粉碎的廢棄煙葉或煙桿于5個250 mL的錐形瓶中，分別按1∶10，1∶15，1∶20，1∶25，1∶30的料液比加入pH值為2的水進(jìn)行浸提，浸提溫度70 ℃，浸提時間2 h，浸提次數(shù)1次，得到的萃取液經(jīng)濃縮稀釋后，采用紫外分光光度法測定煙堿的吸光度，并利用公式(2)得出煙堿的提取率。

　　1.2.3 微波和超聲波輔助萃取煙堿的正交試驗設(shè)計

　　在單因素試驗的基礎(chǔ)上，利用微波或超聲波輔助萃取做三因素三水平的優(yōu)化試驗，從單因素試驗中選出適當(dāng)反應(yīng)條件，對其進(jìn)行優(yōu)化試驗，選取pH值、反應(yīng)時間、料液比3個因素，采用L9(34)正交表進(jìn)行優(yōu)化試驗。其中，選定微波輔助功率400 W，輻射溫度65 ℃。

　　2 結(jié)果與分析

　　2.1 廢棄煙葉和煙桿中煙堿含量的測定

　　根據(jù)水蒸氣蒸餾法測定干煙葉中煙堿的含量，用紫外分光光度計測定餾出液中煙堿含量。

　　單因素試驗結(jié)果見表1，單因素試驗的方差分析見表2。

　　結(jié)果表明，河南豫煙的廢棄煙葉和煙桿中煙堿含量的平均值分別為1.583%和0.387%。

　　2.2 pH值對煙堿提取率的影響

　　分別選取不同pH值條件下的水溶液對廢棄煙葉和煙桿進(jìn)行浸提，置于70 ℃的水浴搖床上，浸提2 h后抽濾，濾液濃縮，測濃縮物的質(zhì)量及其煙堿含量，利用公式(2)計算煙堿的提取率，結(jié)果見表1。以提取率為指標(biāo)進(jìn)行單因素方差分析，結(jié)果見表2。經(jīng)方差分析可知，不同pH值之間差異達(dá)到顯著或極顯著水平(廢棄煙葉F=10.696**，煙桿F=4.8*)。pH值5和pH值4條件下廢棄煙葉及煙桿的提取率較高，它們之間差異不顯著(顯著性檢驗略)。

　　2.3 萃取時間對煙堿提取率的影響

　　用pH值4的水溶液對廢棄煙葉和煙桿進(jìn)行浸提，分別選取不同的萃取時間，置于70 ℃的水浴搖床上，浸提后抽濾，濾液濃縮，測濃縮物的質(zhì)量及其煙堿含量，利用公式(2)計算煙堿的提取率(表1)，當(dāng)萃取時間為1 h和2 h時提取率較高。以提取率為指標(biāo)進(jìn)行單因素方差分析(見表2)。由表2可知，不同提取時間下對廢棄煙葉煙堿提取率達(dá)到極顯著水平(F=13.465**)，對煙桿煙堿提取率不顯著。

　　2.4 萃取次數(shù)對煙堿提取率的影響

　　用pH值4的水溶液對廢棄煙葉和煙桿進(jìn)行浸提，分別選取不同的萃取次數(shù)，每次萃取1 h，置于70 ℃的水浴搖床上，浸提后抽濾，濾液濃縮，測濃縮物的質(zhì)量及其煙堿含量，利用公式(2)計算煙堿的提取率(見表1)。以提取率為指標(biāo)進(jìn)行單因素方差分析(見表2)。

　　結(jié)果說明，萃取次數(shù)2～3次提取率高;方差分析結(jié)果顯示，萃取次數(shù)差異達(dá)到極顯著水平(廢棄煙葉F=36.684**，煙桿F=13.222**)，最好次數(shù)為2～3次。

　　2.5 料液比對煙堿提取率的影響

　　用pH值4的水溶液對廢棄煙葉和煙桿進(jìn)行浸提，分別選取不同的料液比，萃取1次，萃取時間為1 h，置于70 ℃的水浴搖床上，浸提后抽濾，濾液濃縮，測濃縮物的質(zhì)量及其煙堿含量，利用公式(2)計算煙堿的提取率(見表1)。以提取率為指標(biāo)做單因素方差分析。

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