党参精油的超临界CO2萃取、挥发性成分分析及在卷烟中的应用
摘要：以党参精油提取率为量化指标，考察了超临界CO2萃取党参精油工艺，采用单因素试验及正交试验研究提取温度、时间、压力对党参精油提取率的影响，确定的最优工艺条件是萃取温度50 ℃、萃取时间90 min、萃取压力24 MPa，党参精油的提取率达1.409%。
利用GC/MS对党参精油的化学成分进行了分析，鉴定出34种化合物，占总峰面积的83.51%，其主要成分为维生素E、棕榈酸、环酰草胺、肉桂酸、邻苯二甲酸二丁酯、肉豆蔻酸、别香橙烯以及柠檬酸三乙酯等，这些物质是构成卷烟香味的重要物质。
卷烟加香试验结果表明，卷烟叶组中加入党参精油后，其能与烟香谐调，提高香气质、增大香气量。
同时还能起到提高烟气细腻度、增强回甜感、减轻杂气的作用。
关键词：党参精油；超临界CO2萃取；挥发性成分；卷烟加香 中图分类号：S567.5+3.85∶TS426 文献标识码：A 文章编号ki.issn0439—8114.2016.16.032 目前中草药在食品、化妆品、体育用品等领域都有较快的发展，并且在烟草行业也得到了广泛应用。
某些中草药添加剂在卷烟燃吸过程中热解产生新物质，使烟气柔和细腻，杂气、余味得到改善，使烟香丰满，差异化突出。
党参（Codonopsis pilosula）为桔梗科（Campanulaceae）党参属（Codonopsis Wall.）多种植物的根。
其性平、味甘，具有生津止咳、补中益气等功效。
可用于治疗气短心悸、脾肺虚弱、食少便溏、内热消渴、虚喘咳嗽等病征，是中国传统的补益药[1—7]。
目前对党参的研究主要集中于质量评价[8，9]、化学成分[10—13]、药理作用[14—19]等方面，而对其提取工艺、成分分析的研究不多，尤其是关于党参精油对卷烟致香作用的报道较少，所以研究党参精油的具体化学组成对卷烟新产品开发和烟用香精的调制及品质控制都有一定的经济意义。
试验采用超临界流体萃取技术[20]提取党参中的有效成分，研究了温度、压力、时间对超临界流体萃取精油提取率的影响，采用正交试验法进行了最佳工艺优化，利用气相色谱—质谱联用仪（GC/MS）对精油的挥发性成分进行了分析，并通过卷烟加香感官评价对其在卷烟中的应用进行了探讨，旨在开发出新型的天然烟用香精香料，为卷烟品质风格彰显提供参考。
1 材料与方法 1.1 材料 中药党参（产自吉林）由颐中青岛实业公司提供；无水乙醇（分析纯）购于南京华嘉化学试剂有限公司，CO2（食品级，纯度99.5%）购于青岛氧气厂，氦气（99.999%）和70%乙醇（食品级）为市售，二氯甲烷（分析纯）为自备，卷烟叶组由青岛卷烟厂提供。
仪器主要有PL203型天平（瑞士梅特勒—托利多仪器有限公司），量程210 g，感量0.001 g；6890/5973N型气相色谱—质谱联用分析仪（美国安捷伦公司），配有G1701MSD化学工作站和NIST 02标准谱库；HL（5+1）L/50BQ型超临界CO2萃取仪（杭州华黎泵业有限公司）；FED115型电热恒温鼓风干燥箱（德国Binder公司）；FSJ—l14型植物样本粉碎机（农牧渔业部扶沟科学仪器厂）；PBF240型恒温恒湿培养箱（德国Binder公司）。
1.2 方法 1.2.1 单因素试验 试验以党参精油提取率为考察指标，在其他萃取条件都相同的情况下，单独改变某个因素，进行单因素试验，研究各因素对党参精油提取效果的影响。
精确称取200 g党参粉末（过80目筛），放入超临界CO2的萃取釜中，量取180 mL无水乙醇夹带剂，CO2流量为10 L/h，分别设置萃取温度（℃）、萃取时间（min）和萃取压力（MPa）3个因素，每个因素设置5个水平，进行单因素试验。
党参精油提取率=收集的精油萃取物重量（g）/提取前党参粉末重（g）100% 1.2.2 正交试验 在单因素试验的基础上，选取对提取效果影响比较显著的因素进行多因素正交试验，找出超临界流体萃取党参精油的最佳工艺参数，并分析各个影响因素对提取效果的交互作用。
依据单因素试验结果设计萃取时间、萃取压力和萃取温度的3因素、3水平L9（33）正交试验，各因素、水平见表1。
1.2.3 党参精油的GC/MS分析 准确称取党参精油0.10 g置于50 mL容量瓶中，加入二氯甲烷使其溶解，摇匀，用于气相色谱—质谱分析。
利用安捷伦气相色谱—质谱联用分析仪分离和鉴定党参精油的挥发性化学成分。
分析条件如下：①气相色谱条件。
HP—5MS型弹性石英毛细管色谱柱（50 mm0.25 mm0.50 m），载气为高纯氦气（He），流速1 mL/min，进样量1 L，进样口温度280 ℃，分流比1∶20。
升温程序：起始温度50 ℃，保持5 min，然后以5 ℃/min的速率升至260 ℃，保持5 min。
②质谱条件。
离子源温度250 ℃，四级杆温度130 ℃，接口温度280 ℃，电离方式EI，电子能量70 eV，全扫描模式，质量扫描范围33～550 amu。
③数据处理和质谱检索。
检索谱库为NIST02库，面积归一化法定量分析将所有出峰组分的含量之和按100%计算，当测量参数为峰面积时，计算公式如下： Xi=Aifi/fi（Ai）100%， 式中，Xi为样品中组分i的质量分数，%； fi是组分i的校正因子； Ai是组分i的峰面积； 忽略校正因子，将面积直接归一化，即按照下式计算： Xi=Ai/Ai。
通过对各分离组分利用计算机谱库（NIST02）进行检索、对照、解析，并参考相关文献，根据质谱裂解规律进行核对，确定其化学结构。
准确称取5 g党参精油，用5 mL 95%乙醇溶解，溶解后放置于密闭的磨口瓶中，由卷烟评吸专家小组进行嗅香评价，嗅其挥发香味，分辨其香气，评定其类型、风格及其典型性的强弱程度，评价结果用雷达图表示。
将党参精油用70%乙醇稀释成10%的溶液，取平衡好的A、B空白烟丝叶组各4份，每份100 g，按照0.01%、0.03%、0.05%设计要求分别取10%的党参精油乙醇溶液0.100、0.300、0.500 mL，用微量喷雾器均匀地喷洒在烟丝上，对照样采用同量的70%乙醇溶液。
处理好的样品密闭储存约4 h，低温（40 ℃）烘干，手工制作卷烟，然后置于温度（222） ℃、相对空气湿度（602）%的恒温恒湿箱中，单层平放48 h，平衡至水分为（121）%。
评价小组由山东中烟工业有限责任公司具有国家颁发的卷烟感官评吸技术合格证书的7名评委组成，分别从影响指标（香气质、香气量、细腻程度、干燥感、刺激性、余味）及影响方向（改善、明显改善、差）进行内在质量评吸评价。
2 结果与分析 2.1 单因素试验 2.1.1 萃取温度对党参精油提取率的影响 萃取温度是超临界萃取党参精油工艺的一个重要参数，萃取温度对党参精油提取率的影响情况见图1。
由图1可见，随着萃取温度的提高，党参精油的提取率先增加后减少；当萃取温度为50 ℃时，提取率达到最大；但继续升高萃取温度，则党参精油的提取率会急剧下降。
这是由于在一定萃取压力条件下，萃取温度升高后，被萃取物有效成分的分子运动速度加快，渗透、扩散、溶解速率增快，有效成分更易从细胞中转移到溶剂中，扩散系数增大，传质速度加快，挥发性增加，被萃取物在超临界气相中的浓度增大，所以提取率增大。
但随着温度的继续升高，超临界流体密度降低，携带物质的能力降低，溶解度减小，加上其他成分也被浸提出来，从而导致有效成分的提取率下降。
由于这两方面的作用是对立的，因此对有效成分的提取在一定的条件下存在着一个矛盾的平衡点，在温度上体现出来即是上述两方面平衡的最适宜提取温度，即为50 ℃。
2.1.2 萃取时间对党参精油提取率的影响 萃取时间对党参精油提取率的影响情况见图2。
由图2不难看出，随着萃取时间的延长，党参精油的提取率先增加，然后基本不变。
提取90 min后，提取过程已基本达到平衡，再延长提取时间，提取率反而有所下降。
考虑到随着萃取时间的延长，党参精油有效成分的稳定性下降，以及提取的成本会增加，因此应尽量减少萃取时间，所以试验的最适宜萃取时间为90 min。
这可能与各组分之间存在溶解互助效应有关。
萃取时间过长，由于其中某些组分会分解而失去相互提携的优势。
2.1.3 萃取压力对党参精油提取率的影响 萃取压力对党参精油提取率的影响情况见图3。
从图3可见，随萃取压力的加大，党参精油的提取率先增加后基本不变。
从30 MPa开始，随着压力的增大，提取率基本上趋于稳定，并略微有所下降。
这是由于超临界流体的溶解能力与其密度有关，而超临界流体密度与萃取压力在一定范围内呈正相关关系。
但当压力过大时，更多杂质溶出，不利于亚临界流体与原料有效成分的接触。
2.2 工艺优化正交试验 试验设置的L9（33）正交试验结果见表2。
由表2中的极差分析可知，各因素对党参精油提取率的作用主次顺序为CAB。
对因素A而言，3个水平差异明显，水平2优于其他2个水平；对于因素B而言，水平2优于其他2个水平，3个水平有着明显的差异；对于因素C而言，水平2明显优于水平1和水平3，对提高党参萃取物产率有很大的影响。
综合单因素试验和正交试验结果，分析后认为，各因子的最优组合为C2A2B1，即萃取温度为 50 ℃、萃取时间为90 min、萃取压力为24 MPa，此最优条件下党参萃取物的提取率为1.409%。
2.3 党参精油的GC/MS分析 按照试验的GC/MS条件对党参精油挥发性成分进行分离分析，得到总离子流各峰的质谱图，具体见图4；经毛细管色谱柱分离，共分离出39种组分，采用计算机对各峰的质谱图进行NIST02标准谱库的检索，根据质谱裂解规律进行核对，确定其化学结构，共确定了34种组分的化学成分，结果见表3。
从表3可知，GC/MS分析从党参精油中共鉴定出34种成分，占总峰面积的83.51%，其中含量较高的有维生素E（30.345%）、棕榈酸（19.795%）、环酰草胺（7.449%）、肉桂酸（6.170%）、邻苯二甲酸二丁酯（3.916%）、肉豆蔻酸（3.707%）、别香橙烯（3.522%）以及柠檬酸三乙酯（2.531%）。
这些挥发性成分中，角鲨烯是烟叶中非色素的萜烯类物质，可通过降解转化形成烟草的致香物；肉桂酸具有弱的蜜香和膏香，留香时间特别持久，可以调和出蜜甜和辛香香韵，增加巧克力和香料烟风味；己酸为低碳酸，对卷烟的吸味有重要作用，可以调和出苹果、浆果样酸味，缓和烟气刺辣感；4—甲基吡啶具有烟草的特征香气，可用于增补烟草制品的香气；棕榈酸是烟叶中重要的香气前体物，其含量与卷烟香吃味品质呈正相关。
2.4 卷烟感官评价 卷烟嗅香评价及加香评价效果情况分别见图5、表4。
由图5可知，党参精油在青滋香和药草香方面表现突出，达到3分，膏香、木香各为2分，辛香、果香各为1分。
在中式卷烟中，这几种香型添加剂的使用都较为广泛。
根据辨香专家的嗅香评价结果，党参精油具有比较理想的香型及香韵表现形式，具有在卷烟中添加的应用前景。
由表4可见，适当比例的党参精油能与烟香相协调，提高香气质，增加香气丰富性，降低卷烟香气的粗糙度，使之更细腻，增强回甜感，并能明显改善吸味和余味，去除杂气，减少刺激。
党参精油其最大的特点是用量少，适合各种烤烟型卷烟的加香，但用量不宜过大，否则会掩盖烟香，并与烟香不谐调。
3 小结 以党参精油提取率为量化指标，在单因素试验的基础上探索了正交试验确定超临界CO2萃取法提取党参精油的最佳工艺参数，即萃取温度50 ℃、萃取时间90 min、萃取压力24 MPa可使党参精油的提取率达1.409%。
利用GC/MS对超临界CO2萃取法所得党参精油的化学成分进行了分析，鉴定出了34种化合物，占总峰面积的83.51%，其主要成分为维生素E、棕榈酸、环酰草胺、肉桂酸、邻苯二甲酸二丁酯、肉豆蔻酸、别香橙烯以及柠檬酸三乙酯等，其中一些化合物如角鲨烯、肉桂酸、己酸、4—甲基吡啶、棕榈酸等是烟叶的重要香味物质，对提高卷烟的吸食品质有重要作用。
卷烟加香试验结果表明，卷烟叶组中加入党参精油后，能与烟香协调，提高香气质、增加香气丰富性，降低卷烟香气的粗糙度，使之更细腻，增加回甜感，并能明显改善吸味和余味，去除杂气，减少刺激。
未来对超临界CO2萃取得到党参精油研究，应该进一步通过热裂解等方法分析不同燃烧温度下精油裂解成分的不同，并通过考察党参精油的特殊功能性质，为其在烟草调香的应用提供可靠的理论依据。
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