溶剂浸提法提取烟碱的优化研究

洪 鎏，杨光宇，端 凯，韩 莹，王 磊，夏建军，张峻松

（1. 郑州轻工业大学食品与生物工程学院，河南郑州 450001；2. 云南中烟工业有限责任公司技术中心，云南昆明 650231）

烟碱俗称尼古丁，是烟草中生物碱的主要成分[1]。烟碱主要从天然的植物烟草中提取，其在农业[2-3]、医药[4-5]、烟草工业[6-7]等领域应用广泛，同时随着新型烟草制品的快速发展，极大地促进了全球对烟碱的需求量[8-9]。由于合成烟碱工艺复杂、条件控制苛刻，合成过程中带来的右旋副产物等安全性尚未得到验证，从烟草、工农业废弃物中提取烟碱，仍然是目前获取烟碱的主要途径[10-12]。传统的烟碱提取方法有水蒸气蒸馏法、溶剂萃取法和离子交换法，随着科技的发展，出现了超声辅助萃取法、微波辅助萃取法及超临界CO2萃取法等新兴的提取方法[13-15]。

对溶剂浸提法、超声辅助溶剂浸提法提取烟碱的效果进行研究，并进一步针对传统方法中存在的不足，设计了流动洗脱的柱式浸提烟碱装置，采用固相萃取的方法对烟碱进行富集，旨在为从废弃烟草中高效提取烟碱提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料、试剂与仪器

材料：废弃烟末，云南中烟工业有限责任公司提供。

试剂：氢氧化钠、氯化钠、浓硫酸、硅钨酸盐酸等，均为分析纯，天津市德恩化学试剂有限公司提供；乙醇（分析纯），天津市富宇精细化工有限公司提供。

仪器：EL-204 型电子天平，梅特勒-托利多仪器有限公司产品；柱式流动洗脱烟碱浸提装置，自制；SB-3200DT 型超声波清洗器，新芝生物科技有限公司产品；752N 型紫外可见分光光度计，上海精科实业有限公司产品。

1.2 试验方法

1.2.1 溶剂浸提法提取烟碱

参照马俊勃[16]的方法采用溶剂浸提法提取烟草中的烟碱，具体为称取500 g 烟末，加入质量分数为0.5%的氢氧化钠溶液5.0 L，置于水浴锅中，于62 ℃条件下浸提3 h，浸提完成后过滤出浸提液；重复操作3 次，合并3 次浸提的浸提液；然后对合并后的浸提液进行萃取，萃取完成后减压蒸馏并除去溶剂。

1.2.2 超声辅助浸提法提取烟碱

参考王莹等人[14]的方法，采用超声辅助浸提法提取烟草中的烟碱，具体为称取500 g 烟末，加入0.5%的氢氧化钠溶液12.5 L，置于超声波清洗装置中浸提1 h，过滤出浸提液；对过滤后的浸提液进行萃取，萃取完成后减压蒸馏并除去溶剂。

1.2.3 柱式流动洗脱烟碱浸提装置提取烟碱

由于常规浸提法存在操作繁琐、浸提液体积较大等问题，超声辅助浸提法存在设备成本相对较高且设备易损等问题，因此在综合调研国内外烟碱提取文献的基础上，设计了如图1 所示的柱式流动洗脱烟碱浸提装置。该装置由浸提柱、浸提液槽、蠕动泵、MCI 萃取柱等部件组成，各部件之间用PFA管道连接。

图1 柱式流动洗脱烟碱浸提装置

柱式流动洗脱烟碱浸提装置见图1。

该装置提取烟碱的原理为将烟末装入浸提柱中并压紧，然后升启柱温，用蠕动泵- 1 输送浸提液通过浸提柱，碎烟中的烟碱溶于浸提液中并随浸提液流出；提取完成后，打开浸提液槽的底阀，用蠕动泵- 2 输送浸提液通过装有反相树脂的MCI-GEL固相萃取柱，由于烟碱在碱性条件下以缔和分子存在，不会电离，而MCI-GEL 对缔和分子具有很好的吸附作用，使浸提液中的烟碱以固相萃取的方式被吸附在MCI-GEL 柱上，萃残液则流出返回到储液槽中再次利用。待浸提液完全通过MCI-GEL 柱后，取下MCI-GEL 柱用氮气吹干柱上残留的水分。MCIGEL 柱用有机溶剂洗脱，减压蒸发除尽有机溶剂后可得粗烟碱。

具体操作为取粉碎后的烟末1.0 kg 装入浸提柱中并压紧，升启柱温到65 ℃，在浸提液槽中加入质量分数为1%的氢氧化钠溶液5.0 L。启动蠕动泵- 1，让浸提液以100 mL/min 的流速通过浸提柱，循环提取30 min，提取完成后，打开浸提液槽的底阀，用蠕动泵- 2 输送，让浸提液通过MCI-GEL 柱（柱中装填0.2 L 的MCI-GEL 反相树脂） 萃取烟碱，萃残液则返回浸提液槽中再次利用。第1 次浸提完成后，利用经过MCI-GEL 柱萃取后返回的萃残液再循环提取1 次，提取时间仍然为30 min。2 次浸提完成后，通过切换阀切换，输送1.0 L 的洗涤液（1%氢氧化钠），对浸提柱进行洗涤，洗涤液也通过MCI-GEL柱萃取。整个浸提、洗涤完成后，取下MCI-GEL柱，用氮气吹干柱上残留的水分，然后用500 mL 的乙醇，以50 mL/min 的流速洗脱柱上残留的烟碱。

2 结果与分析

2.1 溶剂浸提法与超声辅助浸提法

分别采用1.2.1，1.2.2 中的溶剂浸提法与超声辅助浸提法对烟碱进行提取。

溶剂浸提法与超声辅助浸提法的烟碱提取效果见表1。

表1 溶剂浸提法与超声辅助浸提法的烟碱提取效果

由表1 可知，超声辅助浸提法的烟碱提取效率高于溶剂浸提法。常规溶剂浸提法的烟碱回收率较低，需几次浸提合并料液进行萃取，操作复杂，且浸提液的体积较大，给后续的有机溶剂萃取造成负担；而超声辅助浸提法则存在设备成本相对较高且设备易损等问题。

2.2 柱式流动洗脱烟碱浸提装置提取烟碱优化

2.2.1 样品粒径对提取效率的影响

对于烟草样品的浸提，目标成分的溶出和样品的粒径密切相关。粒径越小，目标成分溶出越充分；但粒径太小，过柱的压力增大，容易堵塞筛板，导致洗脱超压。因此，综合提取效率和操作可行性考虑，选择将烟草样品粉碎至60~90 目，在该粒径下，浸提液可安全地通过提取柱，不会出现超压现象，而且烟碱的溶出效率也能达到预期结果。

2.2.2 浸提条件的选择

在样品浸提过程中，热浸提效果优于冷浸提，因此采用开启柱温控制的方式进行热浸提。试验结果表明，随柱温升高，烟碱的溶出增加，但柱温太高（超过80 ℃） 浸提液易气化，造成压力不稳定。综合考虑浸提效果和操作方便因素，选择控制柱温为65 ℃，在此条件下，浸提液不容易出现汽化，也能保证有较好的浸提效果。

此外，浸提液的流速也影响样品的浸提效果，流速太慢，浸提消耗的时间长；流速太快，泵的压力过高容易磨损设备。综合考虑设备的适应性、操作方便和效率因素，选择浸提液的流速为100 mL/min。

在选定流速和温度的条件下，对浸提时间进行了试验。结果表明，分2 次浸提即过完MCI 柱后的浸提液再返回浸提1 次，效果优于1 次连续浸提。采用2 次浸提的方法，每次提取时间为30 min 左右，样品中的烟碱基本提取完全，再延长提取时间或增加浸提次数，对烟碱的提取效率影响不大。因此，选择用2 次浸提，每次浸提时间为30 min。

2.2.3 固相萃取条件的选择

关于有机化合物的反相固相萃取，常用的萃取材料是化学键合固定相。但常见的化学键合固定相正常使用的pH 值范围为2~8，不适合在碱性条件下使用。MCI-GEL 反相树脂为聚苯乙烯-二乙烯基苯共聚材料，与传统的反相柱层析材料键合硅胶相比，材料稳定性更高，可在pH 值1~14 长期稳定使用，同时在有机溶剂或水溶液介质中也能长期稳定使用。该材料还具有吸附容量更高、材料成本更低的优点。因此，选用MCI-GEL 反相树脂为固相萃取材料。

测定了反相固相萃取柱的萃取容量，按长度/直径为2∶1 进行装柱，MCI-GEL 反相树脂的装填量为200 mL。用含1%氢氧化钠的烟碱溶液通过柱，测定固相萃取柱的萃取容量。试验结果表明，固相萃取柱对烟碱的萃取容量为48.5 g。在该萃取容量下，烟碱不会发生穿漏，但超过该萃取容量，烟碱可能会发生穿漏而导致烟碱损失。试验中，样品浸提时烟草样品量为1.0 kg，样品中烟碱含量为2.15%，因此样品中烟碱最大量不会超过21.5 g；每次萃取的烟碱含量在固相萃取柱的承载范围内。如果样品中的烟碱含量显著提高，或需浸提的烟草样品量显著扩大，可根据测定的萃取容量，对固相萃取柱按比例进行放大。

在反相固相萃取中，由于乙醇最安全且不会形成有害溶剂残留，因此试验中选择用乙醇作为洗脱剂。进一步验证了洗脱流速和洗脱剂的用量对洗脱效果的影响。在固相萃取洗脱中，洗脱剂的体积越大，洗脱越完全，但试剂消耗增加；洗脱流速快可缩短洗脱时间，提高工作效率，但洗脱剂和固相萃取柱的作用不充分，洗脱效率降低。结合操作时间、效果等因素综合考虑，选择以50 mL/min 的流速进行洗脱，当萃取柱富集的烟碱量为48.5 g（萃取饱和容量） 时，用500 mL 的乙醇可把萃取柱上的烟碱完全洗脱下，因此选用该洗脱条件。在实际操作中，固相萃取柱的烟碱负载量均小于饱和容量，因此能保证柱上吸附的烟碱完全洗掉。在实际生产中，如果要萃取的烟碱量显著增大，需洗脱的烟碱量扩大，可按比例进行放大，增加洗脱剂的体积。

2.3 方法的验证

在选定试验条件下，测定了烟碱萃取的回收率。方法的烟碱回收率（n=5） 见表2。

表2 方法的烟碱回收率（n=5）

试验结果表明，平行5 次试验，得到的粗烟碱量介于18.57~20.12 g，平均值为19.24 g；烟碱纯度介于88.21%~90.30%，平均值为89.60%；烟碱回收率介于78.55%~82.30%，平均值为80.21%；精密度介于0.93%~3.34%（n=5）。利用柱式流动洗脱烟碱浸提装置提取烟碱的回收率高于传统方法中的溶剂浸提法与超声辅助浸提法。

在试验中影响烟碱的回收率主要由柱式浸提和固相萃取两步导致，对此分别试验了2 个步骤对烟碱回收率的影响。结果表明，对于流动柱式浸步骤，烟碱回收率为92.80%~93.41%；对于固相萃取步骤，烟碱回收率为95.79%~97.22%，2 个步骤均具有较高的回收率。

3 结论

采用溶剂浸提法和超声辅助浸提法对烟碱提取进行了试验。结果表明，常规浸提法存在烟碱的回收率低、操作繁琐、浸提液的体积较大等问题，超声辅助浸提效率显著高于溶剂浸提，但其设备成本相对较高，产业化应用困难。该研究的柱式浸提烟碱装置采用改进方法，浸提液和样品的作用更充分、浸提液的流动性也显著增加了浸提液与烟叶样品的碰撞和作用，样品中的烟碱更容易溶出到浸提液中，浸提效率和传统静置浸提法相比有了极显著的提高，还避免了传统探讨中需多次转移过滤的繁琐操作。此外，该方法中采用装填有MCI 反相树脂柱的柱，以固相萃取的方式吸附提取液中烟碱，与传统溶剂萃取方法相比，操作更方便、萃取效率高、有机溶剂消耗大大减少、环境更友好，用于实际生产成本也低于溶剂萃取。

在选定试验条件下，得到的粗烟碱量为18.57~20.12 g，平均值为19.24 g；烟碱纯度为88.21%~90.30%，平均值为89.60%；烟碱的回收率为78.55%~82.30%，平均值为80.21%；精密度为0.93%~3.34%（n=5），回收率较高，精密度良好。