膜分離精度對再造煙葉提取液的截留影響

摘要： 為實現(xiàn)對再造煙葉提取液成分的精確調(diào)控，將不同過濾精度膜依次用于提取液的分離，考察不同孔徑膜及相應(yīng)膜組合對提取液化學(xué)成分的截留效果影響。結(jié)果表明：孔徑為200 nm的微濾（MF）膜主要截留懸浮物，孔徑為20～30 nm的超濾（UF）膜可進(jìn)一步截留可溶性蛋白質(zhì)和果膠等大分子物質(zhì)，孔徑為5～10 nm納濾膜（NF1）能夠?qū)焿A和碳原子數(shù)介于10～13的煙草中性致香成分進(jìn)行有效分離，而孔徑為3～5 nm的納濾膜（NF2）則對糖類物質(zhì)和碳原子數(shù)6～8的中性致香成分具有較強的截留作用，孔徑為1～2 nm的納濾膜（NF3）可以截留有機酸鹽和碳原子數(shù)超過4的中性致香成分；采用MF+UF+NF1+NF2+NF3膜分離組合方式能夠?qū)崿F(xiàn)對再造煙葉提取液主要化學(xué)成分的調(diào)控。

關(guān)鍵詞： 煙草提取液； 膜分離； 化學(xué)成分； 納濾

中圖分類號： TQ 028文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A"" 文章編號： 1000-5013（2024）05-0681-07

Interception Effects of Membranes With Different Pore Sizes for Reconstituted Tobacco Extract

Abstract： To achieve precise control of the components of the extracted liquid from reconstituted tobacco leaves， different filtration precision membranes were sequentially used for the separation of the extracted liquid， and the effects of different pore size membranes and corresponding membrane combinations on the retention of chemical components in the extracted liquid were investigated. The results showed that microfiltration （MF） membranes with a pore size of 200 nm mainly retained suspended solids， ultrafiltration （UF） membranes with a pore size of 20-30 nm could further retain macromolecular substances such as soluble proteins and pectin， nanofiltration membranes （NF1） with a pore size of 5-10 nm could effectively separate nicotine and tobacco neutral aroma components with carbon atom numbers ranging from 10 to 13， while nanofiltration membranes （NF2） with a pore size of 3-5 nm had strong retention effects on sugars and neutral aroma components with carbon atom numbers ranging from 6 to 8， and nanofiltration membranes （NF3） with a pore size of 1-2 nm could retain organic acid salts and tobacco neutral odorant components with more than 4 carbon atoms. The combination of MF+UF+NF1+NF2+NF3 membrane separation could be used to regulate the main chemical components of the reconstituted tobacco extract.

Keywords：tobacco extract； membrane separation； chemical composition； nanofiltration

再造煙葉提取液是煙草的水溶性成分，為再造煙葉提供糖類、煙堿、有機/無機酸鹽、氨基酸、可溶性大分子物質(zhì)、脂溶性致香成分和糖苷類物質(zhì)［1-3］。因此，提取液的組成和含量影響著再造煙葉的品質(zhì)［4-5］。按化學(xué)成分類別對提取液組分進(jìn)行分離，再以重組的方式精準(zhǔn)調(diào)控各類物質(zhì)的相對含量，可實現(xiàn)對再造煙葉組分的精確調(diào)控，有利于提高其品質(zhì)［6-8］。

膜分離技術(shù)是一種基于膜的篩分效應(yīng)、對不同粒徑的分子或離子進(jìn)行選擇性分離的技術(shù)，具有分離和濃縮同步進(jìn)行的優(yōu)點［9-11］。根據(jù)過濾精度的差異，膜材料可以分為微濾（MF）膜、超濾（UF）膜和納濾（NF）膜等［12-13］。再造煙葉提取液化學(xué)成分復(fù)雜，粒徑各有差異，因此，可以選擇不同過濾精度的多級膜組合方式對其進(jìn)行分離。多級膜組合技術(shù)應(yīng)用廣泛，如飲用水和工業(yè)用水的凈化與循環(huán)利用［14-16］、細(xì)菌和熱原的去除［17-18］、天然產(chǎn)物的分離純化和富集［19-22］等。但目前該技術(shù)在煙草提取液的分離和濃縮方面的研究還比較少［23-25］。

為明確膜分離精度對再造煙葉提取液各化學(xué)成分的截留影響，實現(xiàn)對提取液化學(xué)成分的調(diào)控，本文將微濾、超濾和不同孔徑納濾膜依次用于提取液的分離工序，考察不同孔徑分離膜對提取液主要化學(xué)成分的分離效果，研究相應(yīng)膜組合技術(shù)對提取液的截留影響。

1 實驗部分

1.1 材料與設(shè)備

經(jīng)沉降處理的再造煙葉提取液由云南昆明煙葉產(chǎn)區(qū)生產(chǎn)，可溶性固形物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8.45%，懸浮物質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.92%。

儀器：旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀（瑞士Buchi公司）；6890GC-5975MS型氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀（美國Agilent公司）；AA3型流動分析儀（德國SEAL公司）；白利糖度儀、TG328B型電光分析天平（上海天平儀器廠）；FED115型多功能熱風(fēng)循環(huán)烘箱（德國Binder公司）；GCM-S-02型多功能膜分離實驗設(shè)備（國初科技（廈門）有限公司）；KBF115型恒溫恒濕箱（德國BINDER公司）。耗材：打煙器具、煙管和氟化瓶等。

管式微濾膜、超濾膜和不同過濾精度納濾膜（NF1，NF2，NF3）組件參數(shù)，如表1所示。

1.2 實驗和檢測方法

1.2.1 提取液的截留實驗流程和濾液樣品的制備 經(jīng)沉降處理后的再造煙葉提取液進(jìn)料量為5 000 kg，料液溫度為65～70 ℃，經(jīng)過換熱器后料液溫度為50～60 ℃。料液再依次經(jīng)過MF，UF，NF1，NF2，NF3膜處理，各級透過液占該級過濾液量的90%，各級操作溫度≤60 ℃，其工藝流程如圖1所示。

MF試驗流程：首先，提取液經(jīng)過MF膜組件分離，當(dāng)透過液質(zhì)量達(dá)到進(jìn)料液的90%時，分別對截留液和透過液進(jìn)行取樣分析；隨后，將透過液泵入下一級膜分離流程；往截留液中加入等質(zhì)量水稀釋后，繼續(xù)過濾至原質(zhì)量；循環(huán)5次，排出稀釋的透過液，對剩余截留液進(jìn)行取樣分析，驗證本級膜的截留效果。

UF，NF1，NF2，NF3試驗流程和MF試驗流程相似，進(jìn)料均是上一級膜工藝的透過液，經(jīng)本級膜過濾后，對截留液和透過液進(jìn)行取樣分析。

1.2.2 主要化學(xué)成分的檢測方法 1） 采用連續(xù)流動法，分別按照YC/T 159-2002，YC/T 160-2002，YC/T 161-2002，YC/T 162-2002，YC/T 249-2002，YC/T 296-2009標(biāo)準(zhǔn)測定各級膜截留液的總糖、煙堿、總氮、鉀離子、氯離子、蛋白質(zhì)和硝酸鹽的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

2） 采用GC-MS型氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀分析致香成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

氣相色譜條件：DB-5MS型石英毛細(xì)管柱（30 mm×0.25 mm，0.25 μm）。程序升溫：初始60 ℃，保持1 min；以8 ℃·min-1的速率升至 170 ℃，保持3 min；再以12 ℃·min-1的速率升至 260 ℃，保持18 min。進(jìn)樣口溫度為200 ℃，柱箱溫度為60 ℃；分流進(jìn)樣，柱流量為1 mL·min-1；吹掃流量為3 mL·min-1；分流比為5∶1；載氣為高純氦；進(jìn)樣量為1 μL；溶劑延遲為2 min。

質(zhì)譜條件：采用電子轟擊電離方式（EI），電子能量為70 eV。接口溫度為250 ℃，離子源溫度為200 ℃。采用全掃描離子采集方式（Scan），掃描范圍為40～500 u。標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)譜圖庫：美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)譜數(shù)據(jù)庫（NIST）。

2 實驗結(jié)果與討論

2.1 膜分離精度對懸浮物及可溶性大分子的截留影響

再造煙葉提取液經(jīng)不同過濾精度膜分離前、后的懸浮物及可溶性大分子質(zhì)量分?jǐn)?shù)，如表2所示。表2中：截留液（2）為對應(yīng)段截留液（1）加水反復(fù)循環(huán)過濾5次時的截留液；“-”表示未檢測出相應(yīng)數(shù)據(jù)。由表2可知：MF膜過濾后，透過液中懸浮物（含難溶性蛋白質(zhì)和果膠）質(zhì)量分?jǐn)?shù)極低，顯著低于原液中相應(yīng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)，表明懸浮物能夠被MF膜有效截留；透過液中可溶性蛋白質(zhì)和果膠的質(zhì)量分?jǐn)?shù)也略低于原液中相應(yīng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)，表明MF膜對這兩類物質(zhì)有一定的截留作用。此外，MF截留液（1）經(jīng)5次加水循環(huán)過濾后，MF截留液（2）中的懸浮物、可溶性蛋白質(zhì)和果膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)雖有下降但仍有較多殘留，再次證明MF微濾膜對提取液的懸浮物、可溶性蛋白質(zhì)和果膠具有截留作用。

將MF透過液進(jìn)一步經(jīng)UF膜分離后，UF透過液中可溶性蛋白質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)僅為0.04%，顯著低于MF透過液（0.47%）。果膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化趨勢與此一致，表明提取液中含有的可溶性蛋白質(zhì)和果膠等大分子能被UF膜高效截留。UF截留液（1），（2）的檢測結(jié)果進(jìn)一步證實了該截留作用。

2.2 膜分離精度對常規(guī)化學(xué)成分的截留影響

再造煙葉提取液經(jīng)過不同過濾精度膜分離前、后的常規(guī)化學(xué)成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，如表3所示。由表3可知：MF透過液中煙堿、鉀離子、氯離子和硝酸鹽的質(zhì)量分?jǐn)?shù)與原液中相應(yīng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)一致，表明MF膜對提取液中這些組分沒有截留作用；而MF透過液中總氮和總糖的質(zhì)量分?jǐn)?shù)略低于原液中相應(yīng)的值，表明MF膜對部分含氮物質(zhì)和某些糖類物質(zhì)具有截留作用。對比MF截留液的檢測結(jié)果，進(jìn)一步證實MF膜對常規(guī)化學(xué)成分具有選擇性截留作用。

UF膜的截留作用與MF膜類似，即UF膜對提取液中煙堿、鉀離子、氯離子和硝酸鹽沒有截留作用，對部分含氮物質(zhì)和某些糖類物質(zhì)具有截留作用。

NF1納濾膜的分離結(jié)果表明，與UF透過液相比，NF1透過液的煙堿和總氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)明顯降低，同時總糖的質(zhì)量分?jǐn)?shù)也有所降低，表明NF1納濾膜對這些物質(zhì)具有較好的截留作用。而過濾前、后鉀離子、氯離子和硝酸鹽的質(zhì)量分?jǐn)?shù)沒有明顯變化，表明NF1納濾膜對其截留作用不明顯。對比NF1截留液的檢測結(jié)果，進(jìn)一步證實NF1納濾膜對常規(guī)化學(xué)成分具有選擇性截留作用。

NF2納濾膜對NF1透過液進(jìn)行分離后，NF2透過液中煙堿的質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著降低，儀器未檢出，表明其對煙堿有較強的截留作用；總糖的質(zhì)量分?jǐn)?shù)也明顯降低，表明該膜對糖類物質(zhì)也具有較好的截留作用?？偟外涬x子的質(zhì)量分?jǐn)?shù)略有降低，表明NF2納濾膜對部分含氮物質(zhì)和以鉀表征的有機酸鹽有一定截留作用。而過濾前、后氯離子和硝酸鹽的質(zhì)量分?jǐn)?shù)沒有明顯變化，表明NF2納濾膜對其截留作用不明顯。對比NF2截留液的檢測結(jié)果，進(jìn)一步證實上述選擇性截留作用。

使用NF3納濾膜對NF2透過液進(jìn)一步分離后，NF3透過液中未檢出糖類物質(zhì)，表明該NF3納濾膜對其具有較強的截留效果；鉀離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著降低，表明NF3納濾膜對以鉀表征的有機酸鹽有較好的截留作用。此外，結(jié)合NF2截留液（1）的檢測結(jié)果分析可知，NF3納濾膜對部分含氮物質(zhì)和以氯離子和硝酸鹽表征的無機酸鹽也具有一定的截留作用。

2.3 膜分離精度對中性致香成分的截留影響

再造煙葉提取液經(jīng)過不同過濾精度膜分離的中性致香成分及質(zhì)量比，如表4所示。表4中：t為保留時間；w為致香成分質(zhì)量比；NC為碳原子數(shù)；wtot為致香成分總質(zhì)量比。由表4可知：MF透過液和提取液原液的中性致香成分及質(zhì)量比接近，表明MF膜對中性致香成分的截留作用并不明顯。

經(jīng)過UF膜分離后，UF透過液的中性致香成分總質(zhì)量比降低到4.258 μg·g-1，比MF透過液的相應(yīng)質(zhì)量比（8.609 μg·g-1）降低近50%，表明UF膜對部分中性致香成分具有較好的截留作用。UF膜對NC為4～5的中性致香成分截留作用較弱，對NC為6～11的中性致香成分普遍具有一定截留作用，對NC為13的中性致香成分具有較好的截留作用。對比相關(guān)致香成分在UF截留液與UF透過液的質(zhì)量比，進(jìn)一步證實了UF膜對不同含碳數(shù)中性致香成分表現(xiàn)出選擇性截留作用。

NF1納濾膜對提取液進(jìn)一步分離后，NF1透過液的中性致香成分總質(zhì)量比為1.514 μg·g-1，對比UF透過液降低近65%，表明NF1納濾膜對提取液中的中性致香成分具有較強的截留作用。此外，對比NF1過濾前、后的致香成分可知，NF1膜對NC為4～5的中性致香成分具有一定截留作用，對NC為6～8的中性致香成分具有較好的截留作用，對NC為10～13的中性致香成分具有較強的截留作用。

使用NF2納濾膜對NF1透過液進(jìn)一步分離后，NF2透過液的中性致香成分總質(zhì)量比降低到0.328 μg·g-1，降低了近78%，表明NF2納濾膜可以對NC為4～8的中性致香成分進(jìn)一步有效截留。對各組分分析可知，NF2膜對NC為4～5的煙草中性致香成分具有一定的截留作用，對NC為6～8的煙草中性致香成分具有較強的截留作用。

使用NF3納濾膜對NF2透過液再分離后，在透過液中未檢出煙草中性致香物質(zhì)，且NF3截留液富集了NC為4～8的中性致香成分，表明NF3納濾膜對提取液中碳原子數(shù)超過4的中性致香成分均具有較強的截留作用。

2.4 不同過濾精度膜組合的各段組分

采用MF+UF+NF1+NF2+NF3膜組合方式對再造煙葉提取液進(jìn)行逐級過濾，提取液進(jìn)料量為5 000 kg，各級透過液占該級過濾液質(zhì)量的90%。通過測定各段不揮發(fā)物質(zhì)量分?jǐn)?shù)，結(jié)合各段質(zhì)量，可以計算各組分段干物質(zhì)總質(zhì)量及其占比，如表5所示。由表5可知：提取液經(jīng)MF+UF+NF1+NF2+NF3膜組合方式逐級過濾，形成了5個可用于涂布料化學(xué)成分調(diào)控的截留液組分段，占進(jìn)料干物質(zhì)總質(zhì)量的97.76%。通過計算可知，這5個組分段混合后的不揮發(fā)物質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20.16%。

根據(jù)各截留液段主要化學(xué)成分的質(zhì)量和表5中各段質(zhì)量，可計算出各主要化學(xué)成分在各段的質(zhì)量，并將其與表5中各段的干物質(zhì)總質(zhì)量進(jìn)行對比，計算出每段中各主要化學(xué)成分占該段干物質(zhì)總質(zhì)量的比例，如表6所示。由表6可知：MF段的主要化學(xué)成分是懸浮物，占該段干物質(zhì)總質(zhì)量的45.44%；UF段的主要化學(xué)成分是可溶性大分子和糖類物質(zhì)，分別占該段干物質(zhì)總質(zhì)量的23.64%和11.49%；NF1段的主要化學(xué)成分是糖類物質(zhì)和煙堿，分別占該段干物質(zhì)總質(zhì)量的17.56%和9.95%；NF2段的主要化學(xué)成分是糖類物質(zhì)，占該段干物質(zhì)總質(zhì)量的90.55%；NF3段的主要化學(xué)成分是有機酸鹽，占該段干物質(zhì)總質(zhì)量的68.60%。因此，采用MF+UF+NF1+NF2+NF3膜組合方式可以在較為寬泛的范圍內(nèi)實現(xiàn)再造煙草涂布液主要化學(xué)成分的調(diào)控。

3 結(jié)論

通過將微濾、超濾和不同孔徑納濾膜依次應(yīng)用于再造煙葉提取液的分離，研究不同孔徑分離膜對提取液主要化學(xué)成分的截留影響，實現(xiàn)了對再造煙葉涂布液化學(xué)成分的調(diào)控。具體有以下2點結(jié)論。

1） 孔徑為200 nm的MF膜對懸浮物（含難溶性蛋白質(zhì)和果膠）有良好的截留作用；孔徑為20～30 nm的UF膜對可溶性蛋白質(zhì)和果膠等大分子物質(zhì)具有較強的截留作用；孔徑為5～10 nm的NF1納濾膜對煙堿和碳原子數(shù)為10～13的中性致香成分具有較強的截留作用；孔徑為3～5 nm的NF2納濾膜對糖類物質(zhì)和碳原子數(shù)6～8的煙草中性致香成分具有較強的截留作用；孔徑為1～2 nm的NF3納濾膜對以鉀表征的有機酸鹽和碳原子數(shù)超過4的煙草中性致香成分具有較強的截留作用。

2） 采用MF+UF+NF1+NF2+NF3膜分離組合方式能夠?qū)⒃僭鞜熑~提取液分成相應(yīng)的5組截留液組分段，可以在較為寬泛的范圍內(nèi)實現(xiàn)再造煙葉涂布料主要化學(xué)成分的重組和調(diào)控。

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