（环境科学专业论文）废次烟草中茄尼醇和烟碱的清洁生产研究.pdf

废次烟草中茄尼醇和烟碱的清洁生产研究 复旦大学硕士学位论文 a b s t r a c t s o l a n e s o la n dn i c o t i n ea r et w oo fi m p o r t a n tc o m p o u n d se x i s t i n gi nt o b a c c o ， w h i c ha r c w i d e l yu s e di nm e d i c i n a la n dc h e m i c a li n d u s t r y i no u rc o u n t r y , m i l l i o n so f t o n so ft o b a c c ow a s t e sa x eg e n e r a t e de a c hy e a r , a n dh o wt ou t i l i z et h e s ew a s t e si sa g r e a tc h a l l e n g ee n c o u n t e r e di nf r o n to fu s t h ee s t a b l i s h m e n to fc l e a n e rp r o d u c t i o no f s o l a n e s o la n dn i c o t i n ef r o mt o b a c c ow a s t e sc a nn o to n l ye l i m i n a t ee n v i r o n m e n t a l p o l l u t i o nb u ta l s ob r i n gc o n s i d e r a b l ee c o n o m i cb e n e f i t s m o r e o v e r , s o l a n e s o l ，n i c o t i n e a n do t h e ra l k a l o i d sw h i c hc a ng e n e r a t ec o r r e s p o n d i n gc a r c i n o g e n sa r et h el e a d i n g r e s o u r c e so ft o x i c i t yi nc i g a r e t t es m o k e t h e r e b y , d e v e l o p m e n to ft h ed e t e r m i n a t i o n m e t h o d sc a nn o to n l yb eu s e df o rq u a l i t yc o n t r o li ni n d u s t r i a lp r o d u c t i o n , a sw e l la s e v a l u a t i o no f c i g a r e t t et o x i c i t ya n d i n d o o ra i rp o h u t i o n o nt h e b a s i so fp r e v i o u sr e s e a r c h ，w es y s t e m a t i c a l l ys t u d i e dt h ec l e a n e r p r o d u c t i o no fs o l a n e s o la n dn i c o t i n ef r o md i s c a r d e dt o b a c c o ，a sw e l la st h e i r d e t e r m i n a t i o nm e t h o d s t h ec r e a t i v ew o r k sa r ca d d r e s s e da sf o l l o w i n g ： 1 ) u s i n gt h em o s tc o m m o n l yu s e dc l sc o l u m na n du v d e t e c t o ri nh p l c ，t h e m e t h o df o rd e t e r m i n a t i o no fs o l a n e s o lf r o mt o b a c c ow a sd e v e l o p e d t h i s m e t h o di ss i m p l ea n dr a p i dw i t hg o o dr e p r o d u c i b i l i t yw h i c hs u i t sf o rl a r g e n u m b e r so fd e t e r m i n a t i o no fs o l a n e s 0 1 2 、t h eg c - n p da n dh p l c u vm e t h o df o rs i m u l t a n e o u sd e t e r m i n a t i o no f a l k a l o i d si nt o b a c c ow c r ce s t a b l i s h e d ，a n dt h e i rp r e c i s i o n ，a c c u r a c ya n d d e t e c t i o nl i m i tw e r ei n v e s t i g a t e d t h er e s u l t ss h o w e dt h a tb o t ho ft h e ma r e a b l et od e t e r m i n et h ec o n t e n to fa l k a l o i d s t h eg c n p dm e t h o d ，w h i c hi s m o r ea d v a n c e di ns e n s i t i v i t yt h a nh p l c u vm e t h o d s u i t sf o ra c c u r a t e d e t e r m i n a t i o no fs e v e r a la l k a l o i d s ，w h i l et h el a t t e ri s s u p e r i o r i n d e t e r m i n a t i o nt i m ea n du s et h es a m ei n s t r u m e n t sw i t hs o l a n e s o ld e t e r m i n a t i o n m e t h o d ，s ot h a t i th a sg r e a ta d v a n t a g e si nq u a l i t yc o n t r o li ni n d u s t r i a l p r o d u c t i o n 3 ) a c c o r d i n gt ot h e i rd i f f e r e n te x i s t i n gf o r m si nt o b a c c o ，n i c o t i n ea n ds o l a n e s o l e x t r a c t sw e r es i m u l t a n e o u s l yi s o l a t e df r o mt o b a c c ow a s t e s ，a n dn i c o t i n e p r o d u c t s w i t hp u r i t yo v e rt h a n9 8 w a sd i r e c t l yg a i n e db ye x t r a c t i o no f n i c o t i n ee x t r a c t s t h er e s u l t ss h o w e dt h a tb o t hc o m p o u n d sc a nb es u f f i c i e n t l y 废次烟草中茄尼醇和烟碱的清洁生产研究复旦大学硕士学位论文 e x t r a c t e da n dt h ei s o l a t i o nm e t h o di ss t a b l ea n de a s yt oh a n d l e 4 ) s o l a n e s o lw i t h9 5 p u r i t yw a ss e p a r a t e dt h r o u g hs a p o n i f i c a t i o n ，s o l i dp h a s e e x t r a c t i o na n dc o l u m nc h r o m a t o g r a p h y , a n df u r t h e rp u r i f i e db yr e c r y s t a u i z a t i o n t op r o d u c es t o c kf o ra n a l y s i s s i l i c ag e la n ds o l v e n t sc a nh er e u s e d b e s i d e s ，t h e s o l v e n t su s e di nt h ep r o c e s ss u c ha sh e x a n ea n de t h y la c e t a t ea r el o wt o x i c i t ya n d s e c u r e i t sa ne n v i r o n m e n t - f r i e n d l yt e c h n i q u e k e y w o r d s ：t o b a c c ow a s t e s ；s o l a n e s o l ；n i c o t i n e ；c l e a n e rp r o d u c t i o n ；d e t e r m i n a t i o n i i i 废次烟草中茄尼醇和烟碱的清洁生产研究复旦大学硕士学位论文 第一章绪言 烟草( n i c o t i a n at o b a c u m 厶) 为茄科烟草属植物，一年生或多年生，单叶互生， 常有粘质柔毛，原产于南美洲i 。我国烟草种植面积很大，每年有4 5 0 5 0 0 万 吨出产，其中有9 0 1 5 0 万吨废次烟草不能应用于卷烟行业，造成环境污染【2 】， 同时在卷烟生产中也不可避免的产生一些下脚料。烟草含有大量的天然化学物 质，目前已鉴定出3 , 0 0 0 多种化合物，包括生物碱、蛋白质、氨基酸、糖类、精 油类和有机酸类等物质 3 1 。其中茄尼酵和烟碱是烟草中存在的两种重要的医药原 料，二者在医药化工方面有着广泛的应用，从废次烟草中提取茄尼醇和烟碱可以 充分利用废料，有很好的经济价值。此外，茄尼醇和烟碱在烟草燃烧过程中分别 产生大量的致癌化合物多环芳烃【4 j 和亚硝胺类化合物【5 j ，是香烟毒性的最大来源。 因此建立茄尼醇和烟碱及其它生物碱的分析测定方法不仅可应用于工业生产中 的质量控制，对吸烟的安全性评价及室内空气污染监测也有重要意义。 1 1 茄尼醇概述 1 1 1 茄尼醇的物理化学性质 茄尼醇是一种不饱和的聚异戊二醇，属于三倍半萜烯醇( t r i s e s g u it e t p c n o i d a l c o h 0 1 ) ，英文名称为s o l a n e s o l ；分子式为c 4 5 h 7 4 0 ；分子量为6 3 1 1 ；熔点为3 1 3 2 ；结构式为【6 】： 图1 茄尼醇的结构式 茄尼醇纯品为白色固体粉末，通常因含有少量杂质而呈淡黄色；易溶于乙 醚、丙酮、烃类等有机溶剂而不溶于水；其对紫外光呈非选择性吸收，无光学活 性m 。 茄尼醇的稳定性较差，不仅接触酸碱容易发生化学变化，而且在某些情况下， 室温下就会分解，因此需冷冻保存【8 | o 废次烟草中茄尼醇和烟碱的清洁生产研究复旦大学硕士学位论文 1 1 2 茄尼醇在烟草中的分布 茄尼醇在1 9 5 6 年由r lr o w l a n d 等人首先由烤烟中分离得至l j e 9 ，后来研究 发现在茄科植物中普遍存在，此外由于消化吸收含茄尼醇的物质的缘故，茄尼醇 也存在于动物的脏器中【l 。茄尼醇在烟叶中含量较多，在o 5 1 之间。 b i l i n s k y 等报道产于美国佛罗里达州的烤烟经两年陈化后，其茄尼醇的含量可以 达到1 2 【1 1 】。在烟叶中，茄尼醇总是和其他同系物及其异构体以及茄尼醇 的氧化产物共同存在，它们被称为“类茄尼醇物质“( s l s ) 【1 2 1 。近年来，对于类 茄尼醇物质的分离方法得到了发展。s i s 在烟叶中含量较高，依烟草种类的不同 在1 9 2 5 之间变化，其中大部分为茄尼醇。茄尼醇在烟叶中以游离和酯两 种形式存在。大部分茄尼醇以游离的形式存在，少量的茄尼醇以乙酸酯形式存在， 同时还有一些茄尼醇辛酸酯和葵酸酯【”】。 1 1 3 茄尼醇在医药化工方面的应用 茄尼醇作为一个重要的医药中间体，不仅自身具有抗菌、消炎及止血作用， 且广泛用于合成维生素k 2 和辅酶0 1 0 ，其中辅酶q l o 的合成最具有应用和商业价 值【1 4 1 。 辅酶q l o 是人体内具有重要生理生化作用的辅酶之一。在呼吸链中起氢传递 作用，广泛参与体内生物代谢过程，对多种酶均有激活作用，是细胞代谢和细胞 呼吸激活剂，通过参与细胞的氧化磷酸化及三磷酸腺苷生成过程，具有代谢性强 心作用，可用于治疗冠心病心绞痛及再灌注心率失常的治疗。此外，动物试验表 明，辅酶q l o 是一种非特异性免疫增强剂，可以提高机体的体液免疫和细胞免疫 功能，临床也常用来提高爆发性肝炎和亚急性肝坏死患者的非特异性免疫功能。 最近更有研究表明，感染h i v ( 人体免疫缺损病毒) 的病人用辅酶q 。o 辅助 疗法，可防止病人因感染进展到艾滋病综合症爆发而发生，这方面的应用正处于 期临床研究阶段【1 5 】。 目前辅酶q 1 0 的化学合成方法基本相似，都是现在母核上增加一个异戊二烯， 再增加一个由茄尼醇制得的化合物【8 1 6 , 1 7 1 。 1 1 4 茄尼醇在烟草燃烧过程中向p a i l s 的转化 多环芳烃( 简称p a h s ) 是烟草在高温缺氧条件下不完全燃烧的产物。各种有 机物热解所生成的有机物碎片，经过复杂的聚合过程而形成多种多环芳烃。烟气 中含多环芳烃的种类有百种以上，在卷烟烟气中己鉴别出大约3 0 个有致癌性的 2 一 废次烟草中茄尼醇和烟碱的清洁生产研究复旦大学硕士学位论文 多环芳烃，其中最典型的就是3 ，4 - 苯并【a 】芘，它的致癌性是最高的，其次是二 苯并【a ，h 】葸、苯并【b 】萤蒽等多环芳烃。s c h l o t z h a u e r 掣1 司于1 9 7 6 年报道了茄尼醇 是香烟烟雾中多环芳烃的最大来源，占烟雾中多环芳烃总量的3 0 以上。因此 香烟中茄尼醇含量的降低意味着吸烟安全性的增加。 1 2 烟碱综述 1 2 1 烟碱的性质 烟碱俗名尼古丁，化学名称是b 吡啶基a 羟基吡啶，分子式为c l o h l 4 n 2 ，是 烟草中生物碱的主要成分。由于n 甲基四氢吡咯在吡咯环上的位置不同，可产 生一系列的异构体，即a 烟碱、1 3 烟碱和y 烟碱，在烟草体内主要为b 烟碱， 即通常所说的烟碱。 烟碱为无色油状液体，暴露于空气中氧化后呈棕色。味辛辣，具有特殊的烟 臭味。密度p 尸1 0 0 9 7 ，沸点2 4 6 7 ，折光率n ，1 5 2 8 2 。有强烈的旋光性， 天然烟碱左旋【q 】d 1 6 8 ，0 6 。在低于6 0 时可与水任意混溶，极易溶于醇、醚、 氯仿、石油醚等有机溶剂，且能随水蒸气一起蒸出【1 9 】。 烟碱是一种中等强度的碱，当p h 1 0 时，以烟碱分子形式存在。 烟碱有剧毒，少量对中枢神经有兴奋作用，最大时能抑制中枢神经系统，使 心脏麻痹，以致死亡。烟碱在烟草中与各种无机酸和有机酸生成结晶的单盐或双 盐，在烟草植株中并不以游离形式存在，而是与柠檬酸、苹果酸等形成的有机酸 盐为主要的存在形式嘲。 1 2 2 烟碱的用途 天然烟碱是重要的化工和医药原料，它的应用十分广泛，主要体现在农药和 医药两大方面【2 1 1 。 烟碱系列农药属于植物杀虫剂，具有蒸薰、胃毒、触杀功能和迅速降解无残 留的特点，广泛用作粮食、油料、蔬菜、水果、牧草等农作物的杀虫剂，是理想 的高效绿色杀虫剂和生物性农药。烟碱含量4 0 的硫酸烟碱是优良的触杀杀虫 剂，根据不同需要可以制成不同的制剂，用于防止蚜虫、卷叶蛾等效果良好。此 外，利用烟碱与过渡金属的配合作用，制成含烟酸和微量元素的微肥，兼具废料 及杀虫作用。 烟碱及其衍生物均是十分重要的医药原料。烟碱经氧化得到烟酸，烟酸是维 3 废次烟草中茄尼醇和烟碱的清洁生产研究复旦大学硕士学位论文 生素b 族的成员，可用来制备防止癞皮病和维生素缺乏的药物。烟酸与氨反应 得到烟酰胺，它可用于治疗末梢血管痉挛、动脉硬化等疾病。由烟酸还可制备尼 可刹末，该药是中枢兴奋药物，对肺心病和吗啡过量引起的呼吸抑制效果很好。 烟碱和喹啉经氧化可合成异烟酸，再与水合肼缩合得到异烟肼，异烟肼是高效、 低毒、价格便宜的抗结核药物。烟碱还能制成烟膏，对戒烟者疗效显著。此外， 高纯度的尼古丁还是医药工业上用来制备治疗心血管、皮肤和蛇虫咬伤等伤病的 药物的特种原料。 烟碱还可用作香烟添加剂，烟碱以复合有机酸的形式按照一定的比例加入到 烟叶中，可以改善卷烟的口感。 1 , 2 3 烟草中生物碱向亚硝胺类化合物的转化 生物碱是烟草中最重要的一类化学成分。目前，已报道烟草中存在的生物碱 有2 0 多种l 丑j ，其中以烟碱( n i c o t i n e ) 、新烟碱( a n a b a s i n e ) 和新烟草碱( 6 t n a t a b i n e ) 含量最高。烟草中的生物碱与亚硝胺类化合物关系密切，烟碱的代谢与降解可产 生次生代谢产物，主要是降烟碱和可替宁。在亚硝酸盐存在情况下，降烟碱生成 n - 亚硝基去甲基烟碱( n n n ) ，新烟草碱生成n - 亚硝基新烟碱( n a t ) ，新烟碱生 成n - 亚硝基假木贼碱( n a b ) e 2 3 i 。如下图所示： 卯卯 n n k 图2 烟草中生物碱向亚硝胺类化合物的转化 4 ， 废次烟草中茄尼醇和烟碱的清洁生产研究 复旦大学硕士学位论文 1 3 烟草中茄尼醇分离纯化和测定研究进展 1 3 1 茄尼醇测定方法回顾 由于茄尼醇在医药化工方面以及在香烟毒性评价中的重要作用，建立可用于 茄尼醇工业生产质量控制和大量香烟样品测定的方法十分重要。同时，室内总悬 浮颗粒物中茄尼醇的含量可作为吸烟对室内空气污染贡献的最可靠的标准刚。因 此要求茄尼醇的测定方法快速、准确，可用于大量样品的连续测定。 茄尼醇含量的测定方法有薄层扫描法、库仑滴定法、气相色谱法和高效液相 色谱法等。现将各方法综述如下： 薄层扫描法是采用涂布硅胶薄层板将茄尼醇样品进行分离后显色处理，利用 薄层色谱扫描仪进行扫描，组分斑点对光产生吸收，利用吸收强度对茄尼醇进行 定量。w o o l l e n 等1 2 5 】在1 9 7 1 年采用薄层扫描法对烟草中的茄尼醇进行定量研究， 表明方法较为简便。但是对大量样品的连续测定，该方法的硅胶消耗量太大，从 经济上不可行。 库仑滴定法在有机物、超导材料及药物测定中得到广泛应用陋】。茄尼醇分子 具有异戊二烯单元，可与溴起加成反应，所需的溴可由铂阳极以电流产生，滴定 终点用双铂电极电流法指示。刘快之等【2 7 1 采用薄层分离库仑滴定法测定茄尼醇， 此方法操作繁琐费时，同样不适用于大量样品的连续测定。 气相色谱法是分析有机化合物不可缺少的一种分析手段，在环境保护、石油 化工和天然产物有效成分的分析方面得到了较大的发展。但气相色谱法也有其局 限性，如对一些异构体组分、受热易分解组分、蒸气压低的组分需衍生化后才能 分析。s e v e r s o n 等 4 1 报道了用气相色谱法测定烟草中的游离茄尼醇和总茄尼醇， 其局限性在于方法的预处理繁琐，茄尼醇需衍生化后才能测定。另外，分析过程 中茄尼醇的降解也不可避免，分析误差较大。 高效液相色谱法是在经典液相柱色谱法和气相色谱法的基础上发展起来的 一种色谱法，具有分离效能高、分析速度快、检测灵敏度高和流动相选择范围宽 的优点。高效液相色谱法测定茄尼醇的报道很多，赵瑾等i 勰】采用z o r b a x s i l 色 谱柱，正己烷异丙醚乙酸乙酯为流动相，示差折光检测器来进行测定；张明时 等【2 9 1 报道了采用岛滓硅胶柱s h i m p a c kc l c s i l ，以正己烷异丙醇为流动相，紫 外检测器对茄尼醇进行测定；李烈等1 3 0 采用d i s c o v e r y t mc 1 8 反相色谱柱，以甲 醇乙腈四氢呋喃为流动相，蒸发光散射检测器进行测定。这些方法都获得了较 好的准确度和灵敏度，但是它们都采用高效液相色谱测定中利用较少的正相色谱 柱或示差折光、蒸发光散射检测器进行测定，限制了方法的推广使用。另外，方 5 废次烟草中茄尼醇和烟碱的清店生产研究复旦大学硕士学位论文 法中仪器稳定时间长，易受温度、流动相等因素干扰，影响方法的准确度。 1 3 2 茄尼醇提取工艺进展 目前国内市场茄尼醇的工业产品有两种，一种是褐色膏状产品，茄尼醇含量 约1 5 ；另一种是淡黄色粉末状产品，茄尼醇含量约7 5 。含量在9 0 以上茄 尼醇产品的生产还未见工业化报道。 茄尼醇浸膏的生产方法主要采用溶剂萃取法，所用溶剂有正己烷或6 溶剂油 1 3 1 ，3 2 , 3 3 , 3 4 1 、甲醇p 5 ，捌、丙酮1 3 7 l 和s o t 溶剂体系【3 8 】等。另外在提取方法上也略 有不同，如平转浸出法【3 1 l 和喷淋萃取法【3 3 】等。 另外，利用超临界流体技术来提取分离烟叶中茄尼醇的方法也有报道，该方 法溶剂消耗少，生产周期短，萃取率高，无污染环境，且生产成本与传统方法差 别不大。但每次萃取量有限，无法在工业上大规模生产应用p 9 4 0 l 。 7 5 茄尼醇产品的生产方法主要采用重结晶法，重结晶纯化溶剂一般采用丙 酮或正己烷和乙酸乙酯的混合物，在重结晶之前必须通过脱蜡除去高沸点的酯类 物质以免影响重结晶效果，此外还要用无水c a a 2 除水和活性炭脱色。一般经两 次重结晶后可得7 5 茄尼醇固体【3 7 j 。 夏薇等【4 1 l 通过对1 5 的茄尼醇浸膏皂化后柱色谱分离，最后以丙酮重结晶 得到茄尼醇含量在9 0 以上的产品，但工艺用碱量大，使用高毒性的溶剂如苯、 对苯二酚等，不适用于工业化生产。 孔宁川等【4 2 j 报道了一种分子蒸馏暨短径蒸馏技术，在0 1 1 0 0 p a 真空度， 8 0 2 2 0 蒸发温度条件下，通过控制真空度和蒸发温度，对烟草浸膏进行分段 处理。首先蒸发获得浸膏中的烟草净油，残存的黑色残渣即为茄尼醇富集段。该 技术可以综合利用烟草浸膏中的烟草净油等有价值成分，还提高了烟草净油中致 香成分的含量，拓宽了其应用范围。但该技术能耗较高，且对茄尼醇的富集效果 非常有限，纯度提高不明显。 胥克亮等【4 3 】分别使用吸附色谱法和凝胶渗透色谱法进行提纯，它以皂化结晶 析出后纯度不低于7 0 的茄尼醇粗品为原料，用正己烷溶解后，以正己烷、1 ，2 二氯乙烷和丙酮的混配液为洗脱剂，以丙酮为返洗剂，采用吸附色谱法，去除掉 与茄尼醇极性不同的杂质。然后再以正己烷为溶剂和洗脱剂，采用凝胶渗透色谱 法，去掉与茄尼醇分子量不同的杂质，冷却后即得到纯度为9 5 的茄尼醇精品。 但该工艺还存在以下不足：1 ) 工艺较为繁琐，从7 0 纯度到9 5 纯度，需经两 6 废次烟草中茄尼酵和烟碱的清洁生产研究复旦大学硕士学位论文 次色谱分离，且技术环节较多，对控制要求严格；2 ) 吸附色谱分离过程采用三 相混和流动相，回收使用时难以准确控制三相之间的配比，而两相混和流动相可 避免这一难题；3 1 该工艺中使用的1 ，2 - - - 氯乙烷属氯代烷烃，对动物有明显的 致癌作用，属高毒物质。 上述诸多分离提纯方法，包括传统的溶剂浸提、皂化浓缩等分离过程，仅能 实现茄尼醇粗品的提纯。吸附色谱法和凝胶渗透色谱法两步工艺虽然可以达到较 高的纯度，但存在的诸多问题限制了它在生产上的大规模应用，而其他尚未见有 成熟的高纯度茄尼醇制备工艺的报道。 1 4 烟碱的提取和测定 1 4 i 烟草中生物碱的测定 有关烟碱的测定方法有很多，主要分为四类：重量法，滴定法、光度法和色 谱法。现分别加以介绍： 重量法利用烟碱和水蒸气共同挥发的性质，在碱性条件下将烟碱带出，然后 与沉淀剂形成晶形沉淀，灼烧沉淀后重量法计算烟碱含量，常用的沉淀剂有硅钨 酸【删和苦味酸【4 5 1 。该方法不能区分烟碱与其它生物碱，得到的是各种生物碱的 总和，因而测量值偏高，且操作繁琐，实验周期长。 滴定分析法的基本原理是酸碱反应。由于烟碱的碱性较弱，不能在水溶液中 直接准确滴定，因而王瑞新等1 4 6 】在乙醇中用硫酸滴定了烟碱。杨长府m 在烟叶 样品处理中加入了b a ( o h ) 2 ，用h c i o 冰醋酸在苯氯仿体系中准确滴定了烟叶 中的烟碱，提高了滴定分析法的准确度。滴定分析法仪器投资小，操作简便，测 试时间短，缺点是相对标准偏差较大，由于共存生物碱的干扰，往往结果比标准 测量值高，不适合对准确度要求较高样品的测定。 光度法是利用显色剂与烟碱形成显色络合物，用比色法测定络合物的吸光度 来对烟碱进行定量。m a r k w o o d l 4 剐于1 9 3 9 年采用溴化氰( 或氯化氰) 将烟碱的毗 啶环断开，然后用对胺基苯磺酸反应生成显色络合物进行测定。其它的显色剂还 有铬蓝黑、甲基橙和溴甲酚绿等。这种方法的反应不专一，测定值仍为烟草中生 物碱的总量。另外，烟碱类植物碱的发色基团为吡啶环，在2 6 0 衄附近有吸收 峰，峰位置随溶剂的不同而不同，当【h + 】浓度大于o 0 2m o l l 时，吸光峰值在2 5 9 砌【4 9 l 。随后于1 9 5 0 年，w i l l i t s 等【5 0 1 建立了烟碱的紫外分光光度测定法，但是紫 外分光光度法受两类化合物的干扰，一种是烟草中其它的生物碱，另一种是植物 色素和类脂化合物。这些干扰物质在2 3 0 2 9 0n n l 范围内吸光度呈线性，因此可 7 废次烟草中茄尼醇和烟碱的清洁生产研究复旦大学硕士学位论文 在2 5 9n m 左右等距选点测定吸光度来对测定值进行校正。 由于烟草中其它微量生物碱对亚硝胺类化合物生成有重要作用，重量法、滴 定法和光度法显然不能满足测定的要求。而色谱法具有高分离性能，可把烟碱同 其它生物碱分离，可以快速、准确的定性定量，因而在烟草行业逐步推广使用。 目前文献报道的色谱法主要为气相色谱法和高效液相色谱法。 q u i n 等1 5 l 】在1 9 6 2 年首次采用填充柱气相色谱法对烟草中的生物碱进行测 定，随后采用不同固定相的气相测定方法屡见报道阢5 3 5 4 1 。s c v e r s o n 等嘲于1 9 8 1 年采用毛细管气相色谱法和氮磷检测器，以2 ，4 二吡啶为内标，同时测定了烟 草中6 种生物碱。黄龙【5 6 】、丁丽等阳也分别采用正十七烷和喹哪啶为内标，建 立了烟草中4 5 种生物碱的毛细管气相测定方法。w u 等【5 8 】采用固相萃取和 g c m s 方法对烟草中四种主要生物碱进行了测定，并对大量香烟样品中生物碱 的分布进行研究，发现不同类型、不同国家的香烟生物碱含量差别非常大。 由于烟草中生物碱的电离与固定相之间作用强烈而产生脱尾，或某些生物碱 在缓冲液体系中不稳定，高效液相色谱法对烟草中生物碱测定的报道较少。j a m e s 等【5 9 】于1 9 8 1 年报道了采用甲醇磷酸缓冲液体系，测定了烟草中四种主要生物 碱，但是各生物碱脱尾严重，影响测定的准确度。c i o l i n o 等忡】采用柠檬酸辛 烷磺酸钠为离子对试剂，z o r b a xr xc 墙色谱柱和紫外检测对烟碱进行了测定，系 统讨论了离子对浓度、p h 对测定的影响，并且对市售鼻烟【6 1 l 和香烟【6 2 】中的烟碱 进行了测定，但离子对色谱法对微量生物碱麦斯明有降解作用，影响到烟碱测定， 同时也不适用于多种生物碱的同时测定。 1 4 2 烟碱提取工艺回顾 关于烟碱的提取工艺已经有很多报道，主要的提取方法可分为三类：水蒸气 蒸馏法、溶剂二次萃取法和离子吸附法。另外，新兴的超临界萃取技术在烟碱提 取中的应用也得到初步探索。 水蒸气蒸馏法是烟碱提取较为原始的工艺，首先烟叶用稀酸浸提再用碱中 和，然后进行水蒸气蒸馏提取烟碱，经过草酸处理、碱化得到成品烟碱。该方法 流程简单，操作方便，但处理设备庞大，所得产品纯度低，不能满足市场需要， 目前已很少应用。工业化的烟碱提取工艺把水蒸气蒸馏与溶剂萃取相结合1 6 3 ，6 4 1 ， 在上述流程基础上，使用有机溶剂萃取蒸气中的烟碱，然后用硫酸溶液将烟碱分 离出来，此法烟碱提取率低，得到烟碱的纯度也在9 0 以下。 溶剂萃取法是先将烟叶用碱浸提，溶剂萃取后用稀硫酸洗涤，将硫酸溶液调 节至p h 1 0 ，再用溶剂第二次萃取，回收溶剂后精馏得到高纯度烟碱。该方法 中的溶剂可选用乙醚、氯仿、苯、氯代烯烃等，但是整个方法的运行有一定困难， 8 废次烟草中茄尼醇和烟碱的清洁生产研究复旦大学硕士学位论文 在烟碱由水相转入有机相的分离中，在生产相界面极易产生乳化层，同时精馏对 温度和压力的要求很高且能耗很大”。 离子吸附法通过强酸性的离子交换树脂吸附烟叶的酸浸提液，烟碱被吸附在 交换柱上后用碱水洗脱得到游离的烟碱水溶液，此时烟碱的纯度较低，随后以溶 剂萃取到有机相中，以稀硫酸反萃得到硫酸烟碱。该方法烟碱的提取率较好，但 是交换柱的预处理和再生复杂阻订。 超临界流体萃取技术在食品、医药和香料等天然产物的提取分离方面已得到 广泛应用，其中包括从烟草中提取烟碱【酣，鲫。该方法以c 0 2 为超临界流体，水 为夹带剂，文献报道中烟碱的提取率可达9 5 【。萃取得到的烟碱粗品中含有 少量烟焦油、胶质及其它生物碱，可通过精馏方法精制。该方法的缺点在于高压 设备投资和维修费用大，设计制造技术要求高，另外生产能力较低。 1 5 烟草中茄尼醇和烟碱的同时提取 目前对烟草中茄尼醇和烟碱同时提取的研究还处于起步阶段，吴井掣4 h l 报道 了从提取过烟碱的烟草中提取茄尼醇的方法，发现茄尼醇含量比未提取过烟碱的 烟草略低。从烟草中茄尼醇和烟碱的存在方式及二者的性质来看，先提取烟碱是 不合理的，因为碱液和加热条件下茄尼醇可能会降解，且提取过后烟草的干燥也 需要很长时间。郑奎玲等r 7 2 】报道了从废次烟叶中同时提取茄尼醇和烟碱的实验， 首先将烟草用有机溶剂提取，随后加入碱液和有机相在皂化条件下提取，将有机 相中的烟碱水洗至水相中，从而实现茄尼醇和烟碱的同时提取。但该方法茄尼醇 的提取率较低，且水洗游离烟碱效率不高，造成烟碱提取液体积过大，增大了后 续烟碱分离的操作量。 1 6 本文工作设想 本文在前人工作的基础上，对废次烟草中高纯度茄尼醇和烟碱的提取工艺做 了深入的研究，通过优化设计，减少分离操作，从而可以大大降低对能源的需要； 在工艺过程中充分考虑所用溶剂的毒陛、回收率，使生产的安全性得到保障，同 时降低了对环境的污染。另外，建立茄尼醇和烟草中生物碱的测定方法，以满足 工业生产中的质量控制对大量样品连续测定的要求以及实验室中对各种样品的 快速准确测定。 本论文主要包括以下几个方面： 1 ) 利用高效液相色谱测定中最常用的c 1 8 色谱柱和紫外检测器，建立了烟草中 茄尼醇的分析测定方法，方法操作简单稳定，精密度和准确度均较好，且便 9 废次烟草中茄尼醇和烟碱的清洁生产研究复旦大学硕士学位论文 于推广，可用于工业生产中的质量控制和实验室中对各种样品中茄尼醇的快 速准确测定。 2 ) 建立了烟草中各种生物碱的毛细管气相色谱和反相高效液相色谱法，毛细管 气相色谱法由于有更高的灵敏度，故而能够对更多的微量生物碱进行测定； 而反相高效液相色谱法由于测定时间少，更适合于大量样品的连续测定，且 该方法所用色谱柱和检测器同样适用于茄尼醇的测定，在工业应用中可以节 省大量的设备费用。 3 ) 根据茄尼醇和烟碱在烟草中的存在形式，建立了废次烟草中茄尼醇和烟碱的 同时提取工艺，两种化合物均得到完全提取，同时高纯度烟碱的制备仅需要 萃取即可达到，极大的减少了操作步骤，降低了能耗，同时有利于环境的保 护。 4 ) 利用皂化萃取固相萃取柱色谱分离，得到含量在9 5 以上的高纯度茄尼 酵，避免了使用高毒性溶剂进行脱蜡，提高了生产的安全性，同时舍弃了多 次重结晶步骤，使收率大大提高。可用于分析测定对照品的茄尼醇可通过丙 酮对高纯度茄尼醇( 9 5 以上) 产品的重结晶获得。工艺所用溶剂均为单相或 双相，回收利用方便，所用硅胶也可多次利用，减少了对环境的污染。 1 0 废次烟草中茄尼醇和烟碱的清洁生产研究复旦大学硕士学位论文 第二章反相高效液相色谱紫外检测测定 烟草中的茄尼醇 烟草中的茄尼醇不仅作为一种重要的医药中间体在辅酶q 1 0 和维生素k 2 的 合成中有广泛的应用，在香烟燃烧过程中，茄尼醇产生香烟烟雾中约3 0 的致 癌化合物多环芳烃( p a h s ) 。另外，有文献报道了检测室内空气悬浮颗粒物中所 含的茄尼醇是评价吸烟对室内空气污染贡献的最可靠的手段。因此建立快速、准 确的茄尼醇测定方法不仅可用于工业生产中的质量控制，在对香烟的安全性评价 以及室内空气质量的监测方面也具有重要意义。 2 1 实验准备 2 1 1 实验材料与试剂 n a g ) ； 烟草样品分别购自山东临沂、云南大理、河南商丘、甘肃天水和江西南昌； 香烟样品分别为将军、红双喜、牡丹和石林( 烤烟型) ，中南海( 混合型，1 0 正己烷为分析纯，甲醇和乙醇为色谱纯，购自上海试剂厂； 茄尼醇标准样品为自制，经检测含量超过9 8 ； 2 1 2 仪器与设备 反相分析型高效液相色谱仪：美国惠普公司的a g i l e n t1 1 0 0 系列液相色谱仪， 包括溶剂箱、四元梯度泵、真空脱气机、标准微量自动进样器、恒温柱温箱和可 变波长检测器( v w o ) ；赛扬1 2 g 台式计算机( a g i l e n t 色谱工作站) ；日本 s h i s e i d o 公司c a p c e l lp a kc 1 8 色谱柱( 2 5 0 x4 6m i l l ，5 t m ) 。 l c m s m s ( 液质联用系统) 。t h e r m of i n n i g a n 公司的l c qa d v a n t a g e m ss y s t e m ，包括t s p 高效液相色谱系统和l c qa d v a n t a g e 质谱检测仪， x c a l i b u r1 0 0 1 软件，m e t a c h e m 公司的t a x s i l 3 柱( 2 5 0 4 6t o n i ，5 邶a ) 。质谱分 析条件为电喷雾化学电离( e s i ) ，e s i 壳气为7 0 单位，辅助气为1 5 单位，源电 压为6k v ，加热毛细管温度为2 5 0 ，蒸发气温度为4 6 5 。 其他仪器有上海申生科技有限公司r 5 0 1 型旋转蒸发仪；河南省巩义市英峪 豫华仪器厂s h z c 型循环水式多用真空泵；德国f i s h e rs c i e n t i f i ct r a n s o n i c 公司 1 1 废次烟草中茄尼醇和烟碱的清佶生产研究复旦大学硕士学位论文 t 3 1 0 h 型超声清洗仪；德国s a r t o f i u sb p 2 1 1 d 型精密电子天平；上海实验仪器 总厂z k - 8 2 a 型真空干燥箱。 _ 2 2 实验方法 2 2 1 茄尼醇提取方法 烟草样品于6 0 下烘干至恒重，放置于研钵中研磨后过1 0 0 目筛备用。取 1 0g 样品加入4 n a o h 甲醇溶液1 5 0m l ，置于超声仪中超声提取3 0r a i n ，共 提取两次。合并提取液，浓缩至5 0 m l 后用正己烷1 ：1 萃取3 次，合并萃取液， 旋转蒸发溶剂得到茄尼醇浸膏，用于称重和定量。 2 2 2 色谱分析条件 色谱柱：c a p c e l l p a x c l 8 ( 2 5 0 4 6 咖，5 m ) ；柱温：3 0 ；流动相： 甲醇一乙醇( 4 ：1 ，v v ) ；流速：1m i m i n ；紫外检测波长：2 1 3n m ；进样量：2 0 肛。 2 2 3 标准溶液的配制 定量准确称取茄尼醇标准品2 0 0m g ，置于1 0 0m l 容量瓶中，用甲醇定容 至刻度，得到标准品溶液( 0 2m g m l ) 。 2 2 4 标准曲线和线性范围 精密量取一系列不同体积的标准溶液于1 0 0 m l 容量瓶中，用甲醇稀释至刻 度后摇匀，按所选择的色谱条件进样2 0 * l ，同一浓度测3 次，取平均值，测定 线性范围。 2 2 5 样品溶液的配制 准确称取一定量试样( 精确至0 1r a g ) 置于1 0 0m l 容量瓶中，用甲醇溶 解并稀释至刻度，待测定。 废次烟草中茄尼醇和烟碱的清洁生产研究复旦大学硕士学位论文 2 3 结果与讨论 2 3 1 茄尼醇峰的确证 为了对茄尼醇峰进行确证，首先把茄尼醇标准品进样检测( 图1 ) ，得到保留 时间r t = 1 9 3r a i n 的峰确定为茄尼醇峰，保留时间r t l o 有机溶剂萃取 i 蒸干 l 烟碱 图1 废次烟草中茄尼醇和烟碱同时提取流程图 废次烟草中茄尼醇和烟碱的清洁生产研究复旦大学硕士学位论文 4 3 讨论 4 3 1 茄尼醇提取溶剂的选择 烟草中富含蛋白质、氨基酸和糖类，且已鉴定出3 , 0 0 0 多种化合物，在提取 时不仅要考虑到提取率，同时要使提取物中的杂质尽量减少。在文献报道的茄尼 醇提取中往往只对提取率和溶剂回收率加以讨论，但是提取物中茄尼醇含量同样 也是提取效果的重要指标。因此本章首先对提取溶剂加以选择，图2 为甲醇和正 己烷作为提取溶剂的产品图，由图中可以看到两种溶剂提取茄尼醇所得到的样品 含量相差非常大，甲醇提取物中含有大量极性较大的杂质，茄尼醇含量仅为2 ， 而正己烷提取物中杂质很少，茄尼酵含量达到1 3 以上，这无疑更有利于茄尼 醇的进一步分离。 一 由此可见，对于烟草中茄尼醇的提取溶剂的选择应从以下三个方面考虑，1 ) 茄尼醇的提取率；2 ) 提取物中茄尼醇的含量；3 ) 溶剂的回收率，另外溶剂的毒 性也应作为选择的标准之一。因此我们对正己烷、丙酮、乙酸乙酯和甲醇在相同 条件下进行提取( 液固比：5 ：1 ，提取温度：6 0 ，搅拌提取3 小时2 ) ，对这三个 方面进行了对比，结果如表1 所示。 图2 不同溶剂提取茄尼醇样品图 i ：甲醇提取；u ：正己烷提取 废次烟草中茄尼醇和烟碱的清洁生产研究复旦大学硕士学位论文 表1 不同溶剂对茄尼醇的提取效果 由表1 可见，正己烷、丙酮和甲醇的提取率较高且相差不大，正己烷提取物 中茄尼醇的含量明显高于其他三种溶剂，且正己烷的回收率也较理想，因此正己 烷是一种理想的茄尼醇提取溶剂，考虑到正己烷毒性较大且价格昂贵，在工业生 产中可尝试用石油醚替代。 4 3 2 提取温度的选择 提取温度对茄尼醇的提取率有一定的影响，一般来说提取温度升高有利于茄 尼醇的提取，但是提取温度过高一方面造成能耗的增加，另一方面茄尼醇在高温 下不稳定，容易降解造成损失。因此选择正己烷为提取溶剂，分别在2 5 、4 0 和6 0 下以液固比5 ：1 搅拌提取2 次，根据提取茄尼醇的量来确定提取温度， 如图3 所示，选择6 0 为提取温度。 图3 不同温度下茄尼醇的提取率 4 3 3 提取时间的选择 图4 为6 0 下茄尼醇提取率随时间的变化曲线，可以看到随时间增长，提 取量增加，但6 小时后茄尼醇的量基本不再改变。为了减少溶剂残留损失，采用 提取2 次每次3 小时进行提取。 废次烟草中茄尼酵和烟碱的清洁生产研究复旦大学硕士学位论文 图4 提取时间对茄尼醇提取率的影响 4 3 4 化合态茄尼醇和烟碱的皂化提取 在正己烷提取过的烟草中仍有部分化合态的茄尼酵未被提取出来，因此在 n a o h 溶液提取时存在两个过程，一方面将以酯形式存在的茄尼醇水解出来，通 过萃取进入到有机相中，另一方面将以盐形式存在的烟碱同样被水解游离出来， 大部分存在于水相中，少部分同游离态的烟碱一起存在于有机相中，通过稀硫酸 洗涤形成硫酸烟碱合并到水相。 4 3 5 烟碱的萃取 由于进行过有机溶剂提取，脂溶性的杂质大部分被提取到有机相中，水相中 主要是一些水溶性的杂质包括一些微量的生物碱，当调节水相p h 1 0 时，硫酸 烟碱水解形成游离的烟碱，可以通过有机溶剂萃取得到烟碱产品。萃取溶剂的选 择应从以下几个方面考虑：1 ) 产品的纯度；2 ) 萃取率；3 ) 乳化情况。一般文 献报道的萃取溶剂有氯仿和乙醚等，考虑到乙醚在生产中的安全性，我们又选择 了正己烷来对萃取效果进行考察。表2 为三种溶剂对1 0 0 m l 烟碱提取液的萃取 效果。 表2 烟碱不同萃取溶剂的比较 由表2 和图5 可以看到，氯仿对于烟草中各种生物碱的萃取效率最高，而正 废次烟草中茄尼醇和烟碱的清洁生产研究复旦大学硕上学位论文 己烷，乙醚等非极性溶剂对烟碱萃取的选择性很好，萃取物不经处理即可得到