CN105167174A - 有效降低烟草废弃物中木质素含量的浸提液及其制备方法与应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了有效降低烟草废弃物中木质素含量的浸提液及其制备方法与应用。该浸提液由磷酸三甲酯溶液、N‐甲基咪唑溶液和碳酸钾组成；磷酸三甲酯与N‐甲基咪唑的物质的量比为1:1～1.2:1；碳酸钾在体系中的质量浓度为3％～12％。所制备时，在磷酸三甲酯溶液和N‐甲基咪唑溶液中加入碳酸钾；控制反应温度为100～110℃，通高纯氮气，拌搅、回流反应；将得到的产品用乙醚洗涤，减压蒸馏，得浸提液；本发明获得的原料浸提液用于造纸法烟草薄片原料在微波催化合成萃取仪中进行常压萃取，萃取后烟梗中木质素含量为3％～4％，烟末中木质素含量为3％～3.5％，使烟草废弃物中的木质素含量显著减少，且吸味品质和抄造性能得到提升。

Description

有效降低烟草废弃物中木质素含量的浸提液及其制备方法与应用

技术领域

本发明涉及一种有效降低烟草废弃物中木质素含量的浸提液合成与应用，将制得的浸提液用于造纸法烟草薄片原料的常压提取，在适宜的条件下对烟梗烟末进行提取，提取后，烟梗中木质素含量为3％～4％，烟末中木素含量为3％～3.5％。

背景技术

烟草薄片又名再造烟草，是利用烟末、烟梗、碎烟片等烟草物质为原料制成片状(或丝状)的再生产品，用作卷烟填充料，其理化特性与烟草相似。制造烟草薄片的方法很多，常用的有辊压法、稠浆法和造纸法。典型的造纸法烟草薄片生产方法是利用卷烟生产过程中废弃的烟梗、烟末等原料，经过浸取浓缩、打浆抄造、干燥加香三个步骤，制成性状接近甚至优于天然烟叶的薄片，回用于卷烟生产，从而使烟草原料得到最大限度的利用。

木质素是自然界中含量仅次于纤维素的复杂天然高分子化合物原料,该物质是一种无定型体并具有生物多态性的生物大分子,目前已有研究表明随着再造烟叶中木质素含量的增加,再造烟叶苯酚释放量升高,且木质素含量与苯酚释放量呈现正相关，并且随着烟支的燃烧，木质素含量较高的烟叶会呈现出令人厌恶的枯焦气、木屑味，严重影响了卷烟的吸味。并且，木质素含量高的烟草原料会严重影响造纸工艺生产烟草薄片的高效稳定运行和产品质量。烟草薄片生产的原料是烟草废弃物或低次烟叶，木质素含量较高，导致疏解和磨浆过程中纤维无法充分分散，纤维束含量较多，纤维被切断、破碎严重，疏解打浆过程能耗高，最终导致烟草薄片片基强度不足，在抄造过程中易出现纸机运行速度不高，易断头等情况。因此选择性地降低烟叶原料木质素的含量，不仅对改善卷烟杂气以及烟气刺激性起到关键性作用，而且对烟草薄片的生产过程和薄片的强度性质也具有重要的应用价值。

近年来随着人们对烟草薄片品质要求的逐渐提高，生产企业开始意识到木质素的影响，美国专利公开的US2006/0130859AI从烟草中减少含有尼古丁的复合物和木质素的过程(proeessforreducingnitrogenContainingCompoundsandligninintobacco)，采用对萃取后分离得到的烟草纤维进行化学法处理(在碱性条件下加入过氧化氢处理)，其残余的化学品对烟草薄片的品质有一定的影响，应用的局限性很大。

中国专利公开的CN1694628A《减少烟草中含氮化合物和木质素的方法》，发明一种降低烟草材料中木质素和氮含量的方法，该方法采用含有过氧化氢和碱金属氧化物的溶液提取烟草原料，具体步骤是：使烟草原料与第一含水溶剂如水在约60EC‐80EC的温度下接触约0.5‐1小时，从烟草纤维部分中分离出烟草的水提取物；使这一经洗涤的烟草纤维部分在温度约25EC‐120EC时与含1％‐5％(重量/重量)碱金属氢氧化物并含有2.5％‐12％(重量/重量)过氧化氢的溶液接触约0.5‐4小时；并且从烟草纤维部分中分离出得到的溶液。然后干燥得到的烟草产物并用于生产香烟制品。

李雪辉等(CN102321251A，一种利用复合离子液体分离农业废弃物中木质素的方法)发明公开了一种利用复合离子液体体系高效分离农业废弃物中木质素的方法，该方法是构建以1‐丁基‐3‐甲基咪哩氯盐(bmimCl)等一系列对蔗渣、稻草、麦秆、秸秆、稻壳等农业废弃物中的纤维素、半纤维素具有良好溶解性能的离子液体为溶剂，以1‐丁磺酸基‐3‐甲基咪哩硫酸氢盐(C₄H₈SO₃HmimHSO₄)等兼具均相和多相催化剂优点的酸性功能化离子液体为催化剂的复合离子液体，在一定工艺条件下高效催化转化蔗渣等富碳农业废弃物中的纤维素、半纤维素，制备可直接用作工业原料和化工中间体的小分子生物化学品(Biochemical)，从而成功实现木质素的高效分离。

孙德平等(CN102631023A，降低造纸法烟草薄片中木质素含量的方法)发明了一种采用模拟酶来降低造纸法烟草薄片中木质素含量的方法，该方法是在造纸法烟草薄片生产过程的烟草原料制浆阶段，按照烟草浆料物质干重量的1％‐6.5％的比例将模拟酶加入到烟草浆料之中，模拟酶加入时烟草浆料的温度为25℃‐40℃，加入后保持上述温度的时间为20min‐40min，从而使浆料中木质素含量减少。

以上这些技术多采用难处理的化学药品来处理烟草原料，木质素和烟草特征香味物质在化学处理过程中的反应无法定向控制，使得产品出现吃味品质较差、杂气重等吸味缺陷，影响了烟草薄片在卷烟产品中的使用效果和添加量。因此采用可回收处理的溶剂来物理提取烟草原料中的木质素，减少烟草特征香味物质的损失和副反应，提高薄片产品质量，成为烟草行业急需解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点，公开了一种有效降低烟草废弃物中木质素含量至4％以下的浸提液及其制备方法；

本发明另一目的在于提供所述有效降低烟草废弃物中木质素含量的浸提液的应用。

为达到上述目的，本发明采用的以下的技术方案：

有效降低烟草废弃物中木质素含量的浸提液：由磷酸三甲酯溶液、N‐甲基咪唑溶液和碳酸钾组成；磷酸三甲酯与N‐甲基咪唑的物质的量比为1:1～1.2:1；碳酸钾在体系中的质量浓度为3％～12％。

所述的有效降低烟草废弃物中木质素含量的浸提液的制备方法，在磷酸三甲酯溶液和N‐甲基咪唑溶液中加入碳酸钾；控制反应温度为100～110℃，通高纯氮气，拌搅、回流反应9.5～10h；将得到的产品用乙醚洗涤，减压蒸馏，制得浸提液；所述磷酸三甲酯与N‐甲基咪唑的物质的量比为1:1～1.2:1。

为进一步实现本发明目的，优选地，所述搅拌采用集热式磁力搅拌器进行。

优选地，所述乙醚洗涤的次数为3～5次。

优选地，所述减压蒸馏使用旋转蒸发仪蒸馏3.5～4.5h。

优选地，所述磷酸三甲酯和N‐甲基咪唑的纯度为市售分析纯。

1所述的有效降低烟草废弃物中木质素含量的浸提液的应用：将浸提液与烟梗按质量比18:1～22:1的比例在微波催化合成萃取仪中进行常压萃取，萃取温度为50～70℃，萃取时间为25～35min；或者是将浸提液将与烟末按质量比23:1～27:1的比例在微波催化合成萃取仪中进行常压萃取，萃取温度为50～70℃，萃取时间为35～45min。

按质量百分比计，萃取后，烟梗和烟末中木素含量分别由原料中10％～11％和9％～10％降为3％～4％和3％～3.5％。

碳酸钾(K₂CO₃)是一种弱碱，常用作卷烟添加剂，通过降低原料中木质素含量，可以改善卷烟的燃烧速率，减少卷烟燃烧过程中焦油的释放，同时提高卷烟烟气游离烟碱的转化率，其中所述体系中碳酸钾的质量浓度为4％～10％。

在微波催化合成萃取仪中进行常压萃取，是利用物理场环境中阻止扩散的细胞——溶剂边界层本征特性变化的特点，即借助微波“体加热”的方式对烟草中的木质素进行萃取。微波催化合成萃取仪功率为400～500W，温度为50～70℃。

本发明与现有的烟草原料提取工艺相比，具有如下的优点和有益效果：

1、本发明获得的原料浸提液用于造纸法烟草薄片原料在微波催化合成萃取仪中进行常压萃取，萃取后烟梗中木质素含量为3％～4％，烟末中木质素含量为3％～3.5％。

2、用本发明配制的浸提液、工业自来水和[MMIM]DMP离子液体分别在微波催化合成萃取仪中常压单次萃取烟梗和烟末原料，其中浸提液与烟梗按质量比18:1～22:1，萃取温度为50～70℃，萃取时间为25～35min，浸提液与烟末按质量比23:1～27:1，萃取温度为50～70℃，萃取时间为35～45min，结果见表1。与采用工业自来水提取相比，烟末中木素含量降低了67％～68％，烟梗中木素含量降低了66％～67％，与采用[MMIM]DMP离子液体提取相比，烟末中木素含量降低了43％～44％，烟梗中木素含量降低了42％～43％。

表1

由表1的结果表明，与工业自来水和[MMIM]DMP离子液体提取相比，本发明浸提液用于降低原料中木素含量效果非常明显，对工厂改善薄片品质具有很重要的作用。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明，本发明要求保护的范围并不局限于实施例表述的范围。

实施例1‐12

控制物质的量比为1:1～1.2:1，将质量浓度为98％磷酸三甲酯溶液加入到质量浓度为98％N‐甲基咪唑溶液中，两者均为市售分析纯。再往溶液体系中加入碳酸钾，使得碳酸钾在混合物中的质量浓度为0％～15％(具体见表2)，反应温度为100～110℃时通高纯氮气，拌搅加热回流反应，集热式磁力搅拌器搅拌反应9.5～10h，制得浸提液。

无微波催化条件下，碳酸钾在混合物中的质量浓度分别为0、3％、6％、9％、12％和15％分别对应实施例1、实施例2、实施例3、实施例4、实施例5和实施例6；在微波催化条件下，碳酸钾在混合物中的质量浓度分别为0、3％、6％、9％、12％和15％分别对应实施例7、实施例8、实施例9、实施例10、实施例11和实施例12。实施例1、实施例3、实施例5、实施例7、实施例9和实施例11中，质量浓度为98％磷酸三甲酯溶液和质量浓度为98％N‐甲基咪唑溶液的物质的量比为1:1；反应温度为100℃，集热式磁力搅拌器搅拌反应时间为9.5h；实施例2、实施例4、实施例6、实施例8、实施例10和实施例12中；质量浓度为98％磷酸三甲酯溶液和质量浓度为98％N‐甲基咪唑溶液的物质的量比为1.2:1；反应温度为110℃，集热式磁力搅拌器搅拌反应时间为10h。

实施例1‐6为无微波催化条件下的浸提效果：将获得的浸提液与烟梗按质量比为20:1，萃取温度为60℃，萃取时间30min，与烟末按质量比为25:1，萃取温度为60℃，萃取时间40min，无微波常压萃取后测量烟梗、烟末中木素含量，结果见表2。

实施例7‐12为在微波催化条件下的浸提效果：将获得的浸提液与烟梗按质量比为20:1，萃取温度为60℃，萃取时间30min，与烟末按质量比为25:1，萃取温度为60℃，萃取时间40min，在微波催化合成萃取仪中进行常压萃取后测量烟梗、烟末中木素含量，结果见表2。

表2

表2的结果表明，对比实施例1和实施例7，可以看出在未添加无机盐碳酸钾时，微波条件下烟梗和烟末原料中木质素的含量均有一定程度的降低，表明微波催化条件有利于原料中木质素的提取。

横向对比实施例1-6或实施例7-12可以发现，浸提过程在无微波催化条件或微波催化条件下，添加碳酸钾均能明显降低烟梗和烟末原料中的木质素含量，可能因为在离子液体介质加热条件下，无机盐碳酸钾的极性可以破坏生物质中木质素和纤维素的之间氢键连接和网络结构，促进木质素的溶出。浸提过程中碳酸钾的添加浓度以3％-12％为宜，当添加浓度高于12％时，提取率略有下降，并且会导致原料颜色加深，不利于后续处理，所以本发明选取3％-12％的碳酸钾水溶液加入到浸提液中作为提取液体系。

在微波催化条件下，原料中残余木质素含量明显下降，均在4％以下，明显低于同等条件无微波催化的浸提过程，可能因为无机盐阴阳离子的加入可以加速微波条件下生物质大分子的运动，产生更大的热效应，此外微波还能对生物大分子中的氢键、疏水键及范德华力产生一定的效应，因此有效促进原料中木质素的溶解提取。

目前研究表明再造烟叶中木质素含量在4％以上时，再造烟叶中苯酚释放量较高,且木质素含量与苯酚释放量呈现正相关，并且木质素热解的产物中含有儿茶酚和烷基儿茶酚，可引起涩口且有促癌活性，燃吸时的杂气也很重，有刺激性的呛咳，会极大影响卷烟的吸味品质。因此控制木质素含量在4％以下，有助于改善卷烟的吸食口感，减少木质素杂气带来的刺激，提高香烟的品质。

Claims (8)

1.有效降低烟草废弃物中木质素含量的浸提液，其特征在于：该浸提液由磷酸三甲酯溶液、N‐甲基咪唑溶液和碳酸钾组成；磷酸三甲酯与N‐甲基咪唑的物质的量比为1:1～1.2:1；碳酸钾在体系中的质量浓度为3％～12％。

2.权利要求1所述的有效降低烟草废弃物中木质素含量的浸提液的制备方法，其特征在于，在磷酸三甲酯溶液和N‐甲基咪唑溶液中加入碳酸钾；控制反应温度为100～110℃，通高纯氮气，拌搅、回流反应9.5～10h；将得到的产品用乙醚洗涤，减压蒸馏，制得浸提液；所述磷酸三甲酯与N‐甲基咪唑的物质的量比为1:1～1.2:1。

3.根据权利要求2所述的有效降低烟草废弃物中木质素含量的浸提液的制备方法，其特征在于，所述搅拌采用集热式磁力搅拌器进行。

4.根据权利要求2所述的有效降低烟草废弃物中木质素含量的浸提液的制备方法，其特征在于，所述乙醚洗涤的次数为3～5次。

5.根据权利要求2所述的有效降低烟草废弃物中木质素含量的浸提液的制备方法，其特征在于，所述减压蒸馏使用旋转蒸发仪蒸馏3.5～4.5h。

6.根据权利要求2所述的有效降低烟草废弃物中木质素含量的浸提液的制备方法，其特征在于，所述磷酸三甲酯和N‐甲基咪唑的纯度为为市售分析纯。

7.权利要求1所述的有效降低烟草废弃物中木质素含量的浸提液的应用，其特征在于，将浸提液与烟梗按质量比18:1～22:1的比例在微波催化合成萃取仪中进行常压萃取，萃取温度为50～70℃，萃取时间为25～35min；或者是将浸提液将与烟末按质量比23:1～27:1的比例在微波催化合成萃取仪中进行常压萃取，萃取温度为50～70℃，萃取时间为35～45min。

8.根据权利要求7所述的有效降低烟草废弃物中木质素含量的浸提液的应用，其特征在于，按质量百分比计，萃取后，烟梗和烟末中木素含量分别由原料中10％～11％和9％～10％降为3％～4％和3％～3.5％。