膜分離精制薄片葉膏揮發(fā)性成分分析及卷煙紙加香應用研究

許春平，周鵬飛 ，劉遠上，薛芳，蘇海洋，賈學偉，梁永偉，施豐成

1.鄭州輕工業(yè)大學 食品與生物工程學院，河南 鄭州 450001；2.河北中煙工業(yè)有限責任公司 技術(shù)中心，河北 石家莊 050000；3.四川中煙工業(yè)有限責任公司 技術(shù)中心/卷煙減害降焦四川省重點實驗室，四川 成都 610000

0 引言

煙草薄片葉膏是再造煙葉的重要組成部分，其制作過程主要以適宜比例的水對煙草原料進行加熱浸提，將提取液經(jīng)過一系列加工處理最終得到薄片葉膏。影響薄片葉膏品質(zhì)的主要因素是雜質(zhì)和芳香成分的含量。膜分離技術(shù)作為一種高效的分離濃縮技術(shù)，應用于薄片葉膏，可有效去除葉膏所含的蛋白質(zhì)、果膠、淀粉等大分子雜質(zhì)[1-2]。高猛峰等[3]對薄片葉膏進行超濾和納濾的膜分離處理后，蛋白質(zhì)、果膠和淀粉的去除率分別在60%、80%和80%以上，除雜和澄清效果良好；優(yōu)化的膜濃縮工藝將原有芳香成分增加量由29.2%提高至34.8%。杜銳等[4]研究了膜分離技術(shù)在提高再造煙葉品質(zhì)方面的應用效果，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過膜分離技術(shù)處理的煙梗、煙末萃取液中的總氮含量分別下降62.5%和 67.8%，果膠基本去除；利用處理后的煙梗和煙末萃取液制備的再造煙葉感官品質(zhì)均有提升。張靜楠等[5]將膜分離技術(shù)應用于再造煙葉生產(chǎn)，可有效降低煙葉提取液中的煙葉碎渣和蛋白質(zhì)含量，改善和提高了再造煙葉的感官評吸品質(zhì)。吳彥等[6]采用膜分離技術(shù)對羅漢果浸膏進行精制，并對其進行卷煙加香，得到的膜分離組分加香效果最好，香氣明顯，香氣量小，刺激性小。

目前，利用膜分離技術(shù)分離薄片葉膏的研究較多，但對于分離后組分的香味成分分析及卷煙紙加香應用的研究鮮有報道。鑒于此，本文擬選用膜分離技術(shù)對制備的薄片葉膏進行分離，采用氣相色譜質(zhì)譜(GC-MS)技術(shù)分析各個組分的揮發(fā)性成分并進行主成分分析，將不同組分添加到卷煙紙上，考查其加香效果，分析加香卷煙煙氣粒相物中揮發(fā)性成分對吸味產(chǎn)生的影響及其原因，以期為薄片葉膏開發(fā)及卷煙紙加香的應用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

主要材料：薄片葉膏、寬窄試制卷煙，四川中煙有限責任公司提供。

主要試劑：無水乙醇(AR)，天津市富宇化工有限公司產(chǎn)；乙酸苯乙酯(色譜純)，美國SIGMA公司產(chǎn)；50 nm陶瓷膜、100 kD有機膜和10 kD有機膜，濟南博納生物技術(shù)有限公司產(chǎn)。

主要儀器：BONA-GM-22陶瓷膜小型試驗機、BONA-GM-18有機膜小型試驗機，濟南博納生物技術(shù)有限公司產(chǎn)；SB-3200DT型超聲波清洗機，寧波新芝生物科技股份有限公司產(chǎn)；Agilent 6890GC/5973MS氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用儀，美國Agilent公司產(chǎn)；RM20 H20型孔道轉(zhuǎn)盤型吸煙機，德國Borgwalt-KC 公司產(chǎn)。

1.2 實驗方法

1.2.1 薄片葉膏膜分離取200 mL薄片葉膏置于2000 mL的燒杯中，加入800 mL去離子水，待葉膏完全稀釋后進行膜分離實驗，工藝流程如圖1所示。將未進行膜分離實驗的組分記為M0；使用50 nm陶瓷膜去除固形顆粒雜質(zhì)，得到透過組分M1和截留組分M2(500 mL)；將M1使用100 kD有機膜分離，得到透過組分M3和截留組分M4(200 mL)；將M3使用10 kD有機膜分離，得到透過組分M5(200 mL)和截留組分M6(100 mL)。膜分離設備在操作過程中壓力為0.8 MPa，流速為1.25 L/h。

圖1 薄片葉膏膜分離實驗工藝流程Fig.1 Process flow of membrane separation experiments of reconsitution tobacco extract

1.2.2 膜分離組分揮發(fā)性成分分析取M0、M2、M4、M5、M6組分各10 mL于錐形瓶中，再加入30 mL二氯甲烷超聲萃取30 min。將得到的二氯甲烷萃取液在分液漏斗中靜置分層30 min，取下層萃取液并將其置于50 ℃和常壓下濃縮至1 mL，以乙酸苯乙酯作內(nèi)標，使用GC-MS聯(lián)用儀進行分析。

GC條件：HP-5 MS毛細管柱(60 m×0.32 mm×0.25 μm)；進樣口溫度230 ℃；汽化溫度270 ℃；載氣He；流速1.0 mL /min；分流比10∶1；進樣量1 μL。升溫程序為初始溫度40 ℃，維持5 min；以6 ℃/min的速度升至140 ℃，維持2 min；以3 ℃/min的速度升至260 ℃，維持5 min；以6 ℃/min的速度升至280 ℃，維持8 min。

MS條件：接口溫度280 ℃，離子源溫度230 ℃，四極桿溫度150 ℃，離子化方式EI，電子能量70 eV，質(zhì)量掃描范圍35～350 amu。

1.2.3 膜分離組分主成分分析利用SPSS軟件進行主成分分析，根據(jù)相關(guān)系數(shù)列出相關(guān)矩陣，求出特征值及其相應的特征向量，從特征根中選出幾個較大的特征值及其特征向量，使其累積貢獻率在80%以上。

1.2.4 膜分離組分卷煙紙加香樣品感官評吸用進樣針將M0、M2、M4、M5、M6組分分別均勻涂布在卷煙紙上，涂布劑量為15 μL。將已涂布的卷煙樣品在溫度 22 ℃、相對濕度 60%的條件下平衡48 h，然后進行感官評吸。評吸小組由8位成員組成，評吸標準參照文獻[7]。

1.2.5 卷煙紙加香煙氣揮發(fā)性成分分析根據(jù)感官評吸結(jié)果選擇效果最好的組分進行煙氣分析。制備加香卷煙40支、空白卷煙 40 支，在溫度(22±1)℃、相對濕度(60±2)%的條件下平衡48 h，然后進行吸煙機抽吸。吸煙機實驗條件：抽吸容量35 mL，抽吸持續(xù)時間2 s，抽吸間隔58 s。參照文獻[8]用劍橋濾片捕集卷煙煙氣粒相物。對劍橋濾片進行同時超聲萃取，采用GC-MS技術(shù)分析煙氣粒相物中的揮發(fā)性成分，GC-MS分析條件同1.2.2。

2 結(jié)果與討論

2.1 揮發(fā)性成分分析結(jié)果

由GC-MS分析得到如下結(jié)果：M0、M2、M4、M5和M6這5個組分共檢測出76種揮發(fā)性成分，各組分檢測量分別為68種、45種、45種、7種和36種，其揮發(fā)性成分總量分別為1 109.03 μg/mL、1 042.14 μg/mL、828.02 μg/mL、92.00 μg/mL、762.42 μg/mL。膜分離組分中匹配度大于80的揮發(fā)性成分及含量如表1所示。由表1可知，廣泛存在于5個組分中的成分有煙堿和2,2′-亞甲基雙-(4-甲基-6-叔丁基苯酚)，而M5組分特有的成分為2-乙基己醇、順式-1-(環(huán)己基甲基)-4-乙基-環(huán)己烷。與M0組分相比，M2、M4、M5和M6組分中各個成分(烷烴除外)的種類和含量都有不同程度的減少，這可能是因為分子質(zhì)量較大的成分在膜分離過程中遭到了截留；與M0組分相比，M2、M4、M5和M6組分新檢出芥酸酰胺、麥斯明、己二酸二(2-乙基己)酯等成分，其原因可能是M0組分中成分種類較多，且這些成分與某些含量大的成分之間保留時間相近，含量高成分的峰將其掩蓋，導致M0中沒有分析出或僅能分析出較少的該種成分[6]。

表1 膜分離組分揮發(fā)性成分及含量Table 1 Volatile components and content of membrane separation fractions μg·mL-1

2.2 主成分分析結(jié)果

對表1中的40種揮發(fā)性成分進行主成分分析，3個主成分的貢獻率如表2所示、主成分的載荷矩陣如表3所示。由表2可知，前3個主成分的累積貢獻率為85.921%，說明前3個主成分包含了40種化合物的絕大部分信息，因此可以提取3個主成分概括樣品香氣成分的總信息量，對樣品進行綜合評價[9]。由表3可知，巨豆三烯酮、棕櫚酸、2,2'-亞甲基雙-(4-甲基-6-叔丁基苯酚)、亞油酸、棕櫚酸乙酯等在第1主成分上有較高載荷，說明第1主成分主要反映了上述化合物指標的信息；同理，第2主成分主要反映了3-羥基-β-大馬酮、芥酸酰胺等化合物指標的信息；第3主成分主要反映了DL-泛酰內(nèi)酯、金合歡基丙酮、十二烷、異丙腎上腺素、1-亞乙基新十八氫-7a-甲基-，(1Z，3a.α，7a.β)-1 H-茚等化合物指標的信息。

表2 3個主成分的貢獻率Table 2 Contribution rate of three principal components

表3 主成分載荷矩陣Table 3 Principal components load matrix

根據(jù)表1中5個樣品的40種香氣成分的相對含量、表2中3個主成分的特征值和表3中40種香氣成分的載荷值計算出5個樣品的第1、第2、第3主成分值，然后以第1主成分值為Z坐標、第2主成分值為Y坐標、第3主成分值為X坐標作散點圖(見圖2)。由圖2可知，5個樣品根據(jù)距離遠近分為4個區(qū)域，其中M2和M5主成分比較相似，與其他3個組分有較大差距。結(jié)合表3可知，影響M0組分的香味成分主要集中在第2主成分的正半軸、第2主成分負半軸和第3主成分負半軸，如巨豆三烯酮、棕櫚酸、天然維生素E、2,2′-亞甲基雙-(4-甲基-6-叔丁基苯酚)、亞油酸、11,12-二羥基螺酯-1(10)-烯-2-酮、3-(3,5-二叔丁基-4-羥基苯基)丙酸正十八烷醇酯等。影響M2組分的香味成分主要集中在第1主成分負半軸、第2主成分負半軸和第3主成分負半軸，為十二烷、十二烷、DL-泛酰內(nèi)酯、金合歡基丙酮等，其中金合歡基丙酮[10]具有清甜香、玫瑰香，能賦予卷煙清香香韻。影響M4組分的香味成分主要集中在第1主成分負半軸、第2主成分正半軸和第3主成分負半軸，為芥酸酰胺、2-(1′，2′-二羥基-1′-甲基乙基)-6,10-二甲基螺環(huán)[4,5]十二碳-6-烯-8-酮、1,1-二乙氧基丙烷、1-乙基-6-甲基-2(1 H)-吡啶酮、4-丁基苯胺醇等。影響M5組分的香味成分主要集中在第1主成分負半軸、第2主成分負半軸和第3主成分負半軸，為2-乙基己醇、順式-1-(環(huán)己基甲基)-4-乙基-環(huán)己烷等。影響M6組分的香味成分主要集中在第1主成分負半軸、第2主成分負半軸和第3主成分負半軸，為煙堿、丁酸乙酯、1,1,3-三乙氧基丙烷、3,3,4,6-四甲基-2,3-2 H-苯并呋喃-2-酮等。

圖2 膜分離組分主成分散點圖Fig.2 Dispersion points of main components of membrane separation fractions

2.3 卷煙紙加香樣品感官評吸結(jié)果

膜分離組分的卷煙紙加香樣品感官評吸結(jié)果見表4。由表4可以看出，M5組分的感官評吸結(jié)果最佳，能增加卷煙香氣，使煙氣柔和、刺激性減小，還可提高余味舒適度。M0中含有蛋白質(zhì)、淀粉、蠟質(zhì)等成分，這些成分會影響卷煙的感官品質(zhì)[11-13]；M2中也含有一定量的蛋白質(zhì)、淀粉、蠟質(zhì)等成分，而且在過濾時可能會損失或破壞某些香氣成分進而影響加香效果；M4中的蛋白質(zhì)、淀粉、蠟質(zhì)等大分子成分已被前一步處理中使用的50 nm陶瓷膜截留，但是一些香味成分也可能損失或被破壞，因此也會影響加香效果[14]。M5中影響吸味的大分子成分已被過濾，而且特征香味成分較純凈且含量豐富，如2-乙基己醇、己二酸二(2-乙基己)酯，因而其感官評吸效果最佳；M6中可能仍含有一些非香氣成分或影響香氣的成分，因此其加香效果欠佳。

表4 膜分離組分的卷煙紙加香樣品感官評吸結(jié)果Table 4 Sensory evaluation results of cigarette paper falaving by membrane separation fractions

2.4 卷煙紙加香樣品煙氣粒相物揮發(fā)性成分分析結(jié)果

將感官評吸效果較好的M5組分添加至卷煙紙中制備加香卷煙樣品作為實驗組，以空白卷煙樣品為對照組，分析卷煙樣品煙氣粒相物揮發(fā)性成分，結(jié)果如表5所示。由表5可知，對照組共檢測出41種化學成分，其揮發(fā)性成分總含量為553.93 μg/mL，M5組分共檢測出40種化學成分，其揮發(fā)性成分總含量為952.13 μg/mL。與對照組相比，M5組分加香卷煙煙氣粒相物中含量增加的化合物主要有棕櫚酸、甲基環(huán)戊烯醇酮、(+)-香橙烯、(1S，3S，6R)-(-)-4-苝烯、反式角鯊烯、3-甲基-1H-吲哚等。棕櫚酸為十六烷酸,可以中和煙氣，使煙氣更加柔和，余味更加舒適。甲基環(huán)戊烯醇酮是一種具有焦甜香、烘烤栗子香的重要香味成分，可以賦予卷煙獨特的香味特征[15]。(+)-香橙烯、(1S，3S，6R)-(-)-4-苝烯、反式角鯊烯都是萜烯類化合物[16-17]，是重要的香味成分。其中，反式角鯊烯是煙葉中非色素的萜烯類成分，既能增進煙葉的吸味和香氣，又可通過降解轉(zhuǎn)化形成致香成分。3-甲基-1 H-吲哚為雜環(huán)類化合物，是配制茉莉花香型的重要原料，具有鮮韻花香[18]。根據(jù)加香卷煙煙氣揮發(fā)性成分分析可以推測出，卷煙中加入M5組分后，煙氣中的烷酸、酮類、萜烯類、雜環(huán)類成分增加較多，個別香味成分也明顯增多，因此卷煙品質(zhì)得到了提高。

表5 卷煙煙氣粒相物揮發(fā)性成分對比結(jié)果

3 結(jié)論

本文將薄片葉膏經(jīng)50 nm陶瓷膜、100 kD有機膜和10 kD有機膜分離處理后共得到5個組分(分別為M0、M2、M4、M5和M6)，采用GC-MS對5個組分進行分析，分別檢測出68種、45種、45種、7種和36種揮發(fā)性成分，其揮發(fā)性成分總量分別為1 109.03 μg/mL、1 042.14 μg/mL、828.02 μg/mL、92.00 μg/mL、762.42 μg/mL。對揮發(fā)性成分進行主成分分析發(fā)現(xiàn)，M2和M5組分的香味成分有一定的相似性，但與其他3組樣品有明顯差異，其中影響M5組分的香味主成分主要為2-乙基己醇、順式-1-(環(huán)己基甲基)-4-乙基-環(huán)己烷等。將5種組分分別添加至卷煙紙中進行感官評吸，結(jié)果表明，M5組分的感官評吸效果最好，加香后的卷煙特征膏甜香和煙草本香明顯增加，吸味更醇和，刺激性也有所改善；煙氣中的酚類、烷烴類和苯類成分增加較多，個別香味成分(如甲基環(huán)戊烯醇酮、(+)-香橙烯等)也明顯增多，從而使卷煙品質(zhì)得到提高。