水孔蛋白正滲透膜濃縮煙草香料的品質(zhì)分析

王浩雅 王乃定 張強(qiáng) 李忠任 張虹娟 李相鵬 高則睿 劉勁蕓 李晉 黃彪 蔣卓芳 吳恒 孔寧川

摘 要：為最大程度保留煙草香料中揮發(fā)性致香成分，采用正滲透和減壓蒸發(fā)方式濃縮制備了可溶物固含量為55%的紅花大金元煙葉水提浸膏，從致香成分、常規(guī)化學(xué)成分、理化指標(biāo)及感官質(zhì)量等4個(gè)方面對(duì)浸膏的品質(zhì)進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：①兩種浸膏的致香物質(zhì)組成基本一致，致香成分含量達(dá)到極顯著差異（p<0.000 1），正滲透濃縮較蒸發(fā)濃縮的浸膏致香物質(zhì)總量增加89.17%;β-大馬酮增幅超過(guò)50%，β-紫羅蘭酮、二氫獼猴桃內(nèi)酯、芳樟醇增幅均超過(guò)100%;②兩種浸膏的總糖、還原糖、總氮、氯離子和鉀離子指標(biāo)達(dá)到極顯著性差異（p<0.000 1），其中，正滲透濃縮浸膏的氯離子含量增加，鉀離子下降;③正滲透濃縮浸膏的酸值、相對(duì)密度、折光指數(shù)分別較蒸發(fā)濃縮浸膏極顯著下降了3.24%、1.44%和0.28%（p<0.000 1），而揮發(fā)性成分總量極顯著提高1.17%（p<0.000 1）;④正滲透濃縮的浸膏感官質(zhì)量總分顯著高于蒸發(fā)濃縮（p<0.05），感官評(píng)價(jià)結(jié)果更優(yōu)。因此，正滲透濃縮技術(shù)可為煙草香料和再造煙葉涂布料的提質(zhì)提供技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞：正滲透濃縮;煙草水提浸膏;致香成分;常規(guī)化學(xué)成分;感官質(zhì)量

Abstract： In order to maximize the retention of volatile aromatic components in tobacco flavor， water extracts of Honghuadajinyuan tobacco were prepared by forward osmosis and vacuum evaporation concentration with 55% soluble solid content. The quality of the extracts was analyzed from four aspects： aromatic components， conventional chemical components， physical and chemical indexes and sensory quality. The results showed that： （1） The composition of the two extractums was basically the same， and the content of the aroma components reached a very significant difference （p<0.000 1）. The total amount of aroma substances in the forward osmosis concentration was increased by 89.17% compared with that in the evaporation concentration. β-macarone increased by more than 50%， β-ionone， dihydrokiwi lactone and linalor increased by more than 100%; （2） The indexes of total sugar， reducing sugar， total nitrogen， chloride ion and potassium ion of the conventional chemical components of the two extractum reached extremely significant differences （p<0.000 1）. Among them， the chloride ion content of the forward osmosis concentrated extractum increases while potassium ion decreases; （3） The acid value， relative density and refractive index of forward osmotic concentrated extract were significantly decreased by 3.24%， 1.44% and 0.28% （p<0.000 1） compared with that of evaporative concentrated extract， while the total volatile components were significantly increased by 1.17% （p<0.0001）; （4） The total sensory quality score of forward osmosis concentration was significantly higher than that of evaporation concentration （p<0.05）， and the sensory evaluation result was better. Forward osmosis concentration technology can provide technical support for improving the quality of tobacco flavor and remanufactured tobacco coating material.

Keywords： forward osmosis concentration; tobacco water extract; aroma component; conventional chemical component; sensory quality

在卷煙產(chǎn)品開(kāi)發(fā)及維護(hù)過(guò)程中，通常運(yùn)用香氣補(bǔ)償和修飾技術(shù)，在加料加香設(shè)計(jì)中，加入進(jìn)口煙葉提取物和煙草反應(yīng)物等多種提取物，解決香氣弱、煙氣柔和度較差、甜潤(rùn)度較弱、厚實(shí)感不足等問(wèn)題。當(dāng)前香料提取物制備工藝主要是經(jīng)過(guò)提取、過(guò)濾、沉降、分離、濃縮等步驟，其中濃縮多數(shù)采用減壓蒸發(fā)濃縮，少數(shù)采用反滲透濃縮。采用蒸發(fā)濃縮時(shí)，煙草中的揮發(fā)性及半揮發(fā)性致香成分隨水分的蒸發(fā)進(jìn)入回收液造成大量損失，同時(shí)，煙草中的熱敏性物質(zhì)易發(fā)生分解、聚合變性，導(dǎo)致浸膏的煙草香氣弱，應(yīng)用效果不佳。

正滲透[1-4]（Forward Osmosis，簡(jiǎn)稱(chēng)FO）濃縮是正滲透技術(shù)的一種利用方式，依靠選擇性滲透膜兩側(cè)溶液的滲透壓差為驅(qū)動(dòng)力，自發(fā)實(shí)現(xiàn)水從低滲透壓區(qū)向高滲透壓區(qū)遷移，直至膜兩側(cè)溶液的滲透壓相等，具有運(yùn)行過(guò)程操作壓力低、能耗小、物料截留率高、膜污染低等[5-8]優(yōu)點(diǎn)。正滲透膜主要有：醋酸纖維膜、薄層復(fù)合膜和水通道蛋白膜，其中水通道蛋白膜具有高通量、截留效果好、化學(xué)穩(wěn)定性高等特點(diǎn)。目前用于污水處理、液體食品濃縮領(lǐng)域，特別是在蔬菜汁、果汁、茶飲品等濃縮[9-13]方面表現(xiàn)突出，濃縮產(chǎn)品的風(fēng)味、營(yíng)養(yǎng)成分得到較好保留，展示了良好的應(yīng)用前景。目前尚未發(fā)現(xiàn)其在煙用香料中的研究和應(yīng)用。因此，本文通過(guò)對(duì)比分析正滲透和蒸發(fā)濃縮制備的煙草香料中的致香成分、理化指標(biāo)和感官質(zhì)量等，探究正滲透技術(shù)對(duì)煙草水提物品質(zhì)的影響，為高香氣、高仿真度、適用性廣、安全性高的非相變高保真單體香料研發(fā)奠定基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材料、試劑和儀器

2018年云南紅花大金元（以下簡(jiǎn)稱(chēng)紅大）煙葉復(fù)烤碎片，由云南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司技術(shù)中心提供。

汲取劑為工業(yè)級(jí)NaCl（99.5%，市售）飽和水溶液。

正滲透濃縮裝置（廈門(mén)國(guó)初科技有限公司，膜孔徑0.1 nm）;R114旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀（瑞士Buchi公司）;GC-MS-QP2020氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用儀（日本Shimadzu公司）;HP-5MS毛細(xì)管色譜柱（美國(guó)Agilent公司）;AA3連續(xù)流動(dòng)分析儀（德國(guó)Bran Luebbe公司）;ACS-35C電子秤（瑞士Mettler-Toledo公司，感量200 g）。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 提取 紅大煙葉復(fù)烤碎片2 kg加水16 kg，室溫浸泡6 h，采用200目濾布進(jìn)行壓榨過(guò)濾;濾渣加水12 kg，室溫浸泡4 h，壓榨過(guò)濾，合并兩次濾液，濾液經(jīng)冷藏（3～9 ℃）沉降2 h后經(jīng)500目濾布過(guò)濾，得到固含量為3.8%的澄清煙草提取液23.4 kg。

1.2.2 蒸發(fā)濃縮 取1.2.1中制備的澄清煙草提取液1 kg，置于旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀中于100 mbar真空度、70 ℃水浴溫度下蒸發(fā)濃縮至浸膏固含量為55%。

1.2.3 正滲透濃縮 取1.2.1中制備的澄清煙草提取液20 kg，置于正滲透濃縮裝置的濃縮室中，以水孔蛋白中空纖維正滲透膜為分離膜，壓力0～0.4 MPa，飽和NaCl水溶液為汲取劑，室溫下進(jìn)行多級(jí)濃縮，煙草提取液及汲取液流速均控制為0.7 L/min。一級(jí)濃縮使用0.8 L飽和NaCl溶液作汲取劑，當(dāng)汲取劑喪失汲取能力（電導(dǎo)率變化甚緩）時(shí)，更換相同量的飽和NaCl溶液作汲取劑進(jìn)行二級(jí)濃縮，以此類(lèi)推更換汲取液直至煙草浸膏固含量為55%。

本試驗(yàn)每個(gè)處理均設(shè)置3次重復(fù)。

1.3 檢測(cè)方法

1.3.1 常規(guī)化學(xué)成分、理化指標(biāo)的檢測(cè) 常規(guī)化學(xué)成分：樣品的氯離子含量、總糖含量、還原糖含量、總氮含量、煙堿含量、鉀離子含量分別按照標(biāo)準(zhǔn)GB 5009.44—2016、YC/T 159—2002、YC/T 161—2002、YC/T 383—2010、YC/T 173—2003標(biāo)準(zhǔn)方法測(cè)定。

理化指標(biāo)：樣品的酸值、相對(duì)密度、折光指數(shù)、揮發(fā)性成分總量、溶混度分別按照標(biāo)準(zhǔn)YC/T 145.1—2012、YC/T 145.2—2012、YC/T 145.3—2012、YC/T 145.9—2012、YC/T 145.4—1998的方法測(cè)定。

1.3.2 致香成分的檢測(cè) （1）浸膏前處理。稱(chēng)取25 g樣品，加入350 mL蒸餾水，混勻。以30 mL二氯甲烷為萃取劑，采用同時(shí)蒸餾萃取2 h。萃取液于水浴溫度45 ℃濃縮后，加入20 μg萘作內(nèi)標(biāo)，準(zhǔn)確定容至1 mL，進(jìn)行GC-MS分析。

（2）GC-MS分析條件。氣相色譜條件：色譜柱，DB-5MS石英毛細(xì)管柱（30 m×0.25 mm，0.25 μm）;進(jìn)樣口溫度，200 ℃;柱箱溫度，60 ℃;進(jìn)樣模式，分流;柱流量，1 mL/min;吹掃流量，3 mL/min;分流比，5∶1;載氣，高純氦（純度≥99.999%）;進(jìn)樣量，1 μL;溶劑延遲，2 min。質(zhì)譜條件：電離方式，EI;電子能量，70 eV;接口溫度，250 ℃;離子源溫度，200 ℃;采集方式，scan;掃描范圍，40～500 amu。標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)譜圖庫(kù)：NIST。定量測(cè)試結(jié)果的誤差范圍為±15%。

1.3.3 煙支樣品制備及感官評(píng)價(jià) 將煙絲平衡48 h后，分別將蒸發(fā)濃縮及正滲透濃縮制備的煙草水提浸膏以1倍重量的水稀釋?zhuān)凑諢熃z重量的0.5%均勻噴到煙絲上，未做添加的煙絲作為空白樣品。將煙絲置于恒溫恒濕箱（溫度22±1 ℃，相對(duì)濕度60±2%）中平衡48 h后，卷制成卷煙，再將其平衡48 h，按照GB 5606.4—2005《卷煙 感官技術(shù)要求》對(duì)煙支進(jìn)行感官評(píng)價(jià)。

1.3.4 統(tǒng)計(jì)分析 用Excel、SPSS軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。正滲透與蒸發(fā)濃縮制備的煙草水提浸膏的致香成分、常規(guī)化學(xué)成分、理化指標(biāo)、感官質(zhì)量分別進(jìn)行獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)。

2 結(jié) 果

2.1 不同濃縮方式對(duì)煙草水提浸膏致香成分的影響

從表1可知，正滲透與蒸發(fā)濃縮方式制備的煙草水提浸膏的致香成分指標(biāo)均達(dá)到p<0.000 1的極顯著性差異水平。

正滲透和蒸發(fā)濃縮制備的煙草水提浸膏致香成分基本一致，表明兩種方式制備的煙草水提浸膏的香韻一致。正滲透濃縮制備的水提浸膏致香成分總量為124.218 μg/g，較蒸發(fā)濃縮制備的浸膏（65.666 μg/g）增加89.17%。其中，22種致香成分含量均有增加，增幅>1000%的有3-甲基-1-丁醇、苯甲醇、苯乙醇;增幅>500%的有棕櫚酸;增幅>200%有3-羥基-2-丁酮、2-乙?；量?、β-紫羅蘭酮、反式角鯊烯;增幅>100%的有3-甲基-2-丁酮、糠醛、芳樟醇、二氫獼猴桃內(nèi)酯、鄰苯二甲酸二異丁酯、西柏三烯二醇類(lèi)，而3-甲基-2-丁烯-1-醇只存在于正滲透濃縮液中。

同時(shí)，既有一些香氣閾值較低、對(duì)煙草香氣有重要貢獻(xiàn)的揮發(fā)性致香成分的含量明顯增加，如苯乙醇（玫瑰香）增加2084.21%、β-紫羅蘭酮（木香、果香和甜膏香）增加284.62%、二氫獼猴桃內(nèi)酯（麝香、清涼感）增加191.31%、芳樟醇（鈴蘭花香、木香）增加167.53%、β-大馬酮（清甜煙草香）增加59.24%、巨豆三烯酮（煙草香、甜香和果香）增加12.31%，又有分子量相對(duì)較大、香氣較弱、揮發(fā)性差，但在卷煙吸食過(guò)程中可通過(guò)熱裂解產(chǎn)生多種香味物質(zhì)、對(duì)卷煙吸食品質(zhì)有正面影響的物質(zhì)增加，如西柏三烯二醇類(lèi)[17]增加148.05%;表明正滲透濃縮制備的煙草水膏的嗅香質(zhì)量和卷煙加香效果明顯優(yōu)于蒸發(fā)濃縮制備的煙草水膏。

2.2 不同濃縮方式對(duì)煙草水提浸膏常規(guī)化學(xué)成分的影響

結(jié)果顯示（表2），兩種濃縮方式制備的浸膏中常規(guī)化學(xué)成分除煙堿外的所有指標(biāo)均達(dá)到p<0.0001極顯著差異水平，但煙堿無(wú)顯著性差異。正滲透濃縮較蒸發(fā)濃縮浸膏的總糖、還原糖含量均提升0.1百分點(diǎn)，總氮含量提升0.01百分點(diǎn)，Cl–含量增加0.12百分點(diǎn)，K+含量下降0.2百分點(diǎn)，這是因?yàn)檎凉B透濃縮時(shí)，Cl–（汲取劑）因濃差擴(kuò)散遷移到濃縮液中，K+（煙草提取液）因濃差擴(kuò)散遷移到汲取液中，導(dǎo)致浸膏中Cl–含量增加，K+含量下降。

2.3 不同濃縮方式對(duì)煙草水提浸膏理化指標(biāo)的影響

從表3可知，正滲透與蒸發(fā)濃縮制備的煙草水提浸膏的所有理化指標(biāo)均達(dá)到p<0.000 1極顯著差異，正滲透濃縮煙草浸膏的酸值、相對(duì)密度、折光指數(shù)分別下降了3.24%、1.44%和0.28%，而揮發(fā)性成分總量上升了1.17%，說(shuō)明正滲透濃縮煙草浸膏的揮發(fā)性成分保留較好。

2.4 不同濃縮方式對(duì)煙草水提浸膏感官質(zhì)量的影響

由表4可知，正滲透濃縮浸膏較蒸發(fā)濃縮浸膏和空白樣品在香氣、協(xié)調(diào)、雜氣、刺激性、余味和總分分值上均有所提升，其中香氣、雜氣、總分與蒸發(fā)濃縮浸膏達(dá)到p<0.05的顯著性差異水平，分值分別提升了0.3、0.2、0.8分。

由表5可知，在嗅香上，正滲透濃縮制備的煙草水提浸膏的煙草自然香氣更為濃郁;從香氣角度來(lái)看，正滲透濃縮浸膏的香氣較蒸發(fā)濃縮浸膏更為純凈、自然，香氣量更高，特別是清甜香、干草香有明顯增加;從煙氣角度來(lái)看，正滲透濃縮浸膏的煙氣更加上揚(yáng)、細(xì)膩和綿柔;此外，正滲透濃縮浸膏對(duì)喉部刺激更低，生津回甘感和余味更好。

3 討 論

濃縮溫度對(duì)香味成分有一定影響，蒸發(fā)濃縮由于壓力（100 mbar）和溫度（70 ℃）較高，部分致香成分轉(zhuǎn)移至濃縮蒸發(fā)回收液中，導(dǎo)致致香成分損失量較大，這與文獻(xiàn)[18-20]所述基本一致。而利用水孔蛋白正滲透膜在非相變、室溫和低壓條件下濃縮，得到的煙草水膏揮發(fā)性成分保留較好，致香成分損失較少，故感官質(zhì)量較好。同理，煙草水提液在蒸發(fā)濃縮過(guò)程中，常規(guī)化學(xué)成分有一定損失[21]，正滲透濃縮的常規(guī)化學(xué)成分較蒸發(fā)濃縮損失較少。

與蒸發(fā)濃縮制備的煙草水提浸膏相比，正滲透濃縮制備的煙草水提浸膏對(duì)不同致香成分的影響趨勢(shì)及程度存在極顯著性差異。蒸發(fā)濃縮制備的煙草水提浸膏致香成分的保留與致香成分沸點(diǎn)及熱穩(wěn)定性相關(guān)，沸點(diǎn)越低、熱穩(wěn)定性越差的物質(zhì)保留越少，在水溫70 ℃、壓力100 mbar的蒸發(fā)條件下，水的沸點(diǎn)約為50 ℃，熱敏性物質(zhì)受熱影響的因素可以忽略不計(jì)，因此蒸發(fā)濃縮制備的煙草水提浸膏致香成分的保留僅與致香成分的沸點(diǎn)相關(guān)。正滲透濃縮制備的煙草水提浸膏致香成分保留與致香成分截留率及膜吸附量相關(guān)，截留率取決于膜的孔徑，當(dāng)致香成分分子直徑大于膜孔徑時(shí)，致香成分將被高效截留;且膜吸附具有飽和性，隨著濃縮量的增多，因膜吸附導(dǎo)致的致香成分含量下降的影響逐漸減小直至完全可以忽略。

膜的截留率與濃縮物的成分特性有關(guān)，當(dāng)某種成分對(duì)膜的親和力更強(qiáng)，更容易透過(guò)膜;當(dāng)某種成分對(duì)膜排斥力更大，更容易被截留[22-23]。苯乙醛和苯乙醇沸點(diǎn)相近，蒸發(fā)濃縮時(shí)損失程度相似，苯乙醛和苯乙醇的分子直徑接近，正滲透濃縮時(shí)截留率相似[24]。如果正滲透濃縮制備的產(chǎn)品的苯乙醛和苯乙醇保留僅受截留率影響，則苯乙醛和苯乙醇含量變化趨勢(shì)應(yīng)該是一致的，變化幅度亦接近，但實(shí)際情況是正滲透濃縮時(shí)，苯乙醛含量下降20.85%，苯乙醇含量上升2 084.21%，這表明正滲透濃縮時(shí)引起的苯乙醛和苯乙醇含量變化趨勢(shì)不一樣、變化幅度變化相差較大的原因可能是膜的截留特性不同，膜對(duì)苯乙醇的排斥作用大于苯乙醛，苯乙醛對(duì)膜的親和力更強(qiáng)，更容易透過(guò)膜，苯乙醇則被截留，具體結(jié)果有待進(jìn)一步驗(yàn)證。但采用水孔蛋白正滲透膜進(jìn)行濃縮煙草香料過(guò)程中，出現(xiàn)了膜污染、結(jié)垢，物質(zhì)吸附殘留，對(duì)某些離子截留效果差，以及濃縮后程速率變慢、效率變低等問(wèn)題，尚需深入研究。

4 結(jié) 論

研究表明，正滲透濃縮制備的煙草水膏比蒸發(fā)濃縮制備煙草水膏品質(zhì)更佳。二者嗅香有明顯的差異，正滲透濃縮制備的水膏煙草自然香氣濃郁，而蒸發(fā)濃縮制備的水膏煙草自然香氣較弱;理化指標(biāo)、常規(guī)化學(xué)成分（煙堿除外）均達(dá)到極顯著性差異，正滲透濃縮制備的煙草水膏具有更高的氯離子和更低的鉀離子含量;正滲透濃縮制備的煙草水膏致香成分總量極顯著高于蒸發(fā)濃縮。正滲透濃縮制備的煙草浸膏對(duì)提升卷煙香氣量和香氣質(zhì)的作用更明顯。本研究結(jié)果可為煙草水膏產(chǎn)品和造紙法再造煙葉涂布料的提質(zhì)提供技術(shù)支撐。

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