PDMS膜滲透濃縮對天然玫瑰凍干露香氣的影響

劉曉雨，李雪松，單艷琴，張博雅,*，李景明,*

（1.中國農業(yè)大學食品科學與營養(yǎng)工程學院，北京 100083；2.江蘇興野食品有限公司，江蘇 興化 225700）

玫瑰（Rosa rugosaThunb.）是薔薇科薔薇屬多年生常綠或落葉叢生灌木，作為一種寶貴的香料資源[1]，在我國浙江、江蘇、北京等地多有種植[2]。其香氣宜人，包含萜烯類等多種活性成分[3]，具有抗氧化[4]、抑菌[5]、舒緩情緒[6]等多種功能性。同時，玫瑰在我國食品加工中也被廣泛利用[7]，已有玫瑰鮮花餅[8]、玫瑰花茶[9]、玫瑰飲料[10]、玫瑰酸奶[11]、玫瑰果酒[12]等多種產品，深受消費者的喜愛。

由于鮮花無法長時間保存，通常在采收后進行干燥處理，但干燥過程中物料的揮發(fā)性風味物質會出現(xiàn)不同程度的損失[13]。雖然真空冷凍干燥（以下簡稱凍干）技術被認為是能保存良好風味的干燥方式，但揮發(fā)性風味物質會在凍干后段會與升華的水蒸氣一同被冷阱凝結[14-15]，以冷凝水的形式排出，即凍干露。目前對于玫瑰凍干露的研究較少，主要集中于不同干燥方式對鮮花香氣的影響[16-17]，而有關玫瑰凍干露的分析、加工和利用至今鮮見相關報道，其中所含的玫瑰香氣物質有待進一步的回收利用。

現(xiàn)有香氣物質的回收方法主要有蒸餾法、滲透汽化法、超臨界流體萃取法和吸附法等[18]。其中，滲透汽化技術是一種適用于熱敏感香氣化合物的加工技術，具有分離條件溫和、節(jié)能、無有機試劑引入、操作簡單等優(yōu)點[19]，在過去幾年成功地應用于果汁的香氣回收，并在果汁濃縮后重新加入，從而改善產品風味[20-21]。對于滲透汽化技術中膜元件的選擇，較多報道采用聚二甲基硅氧烷（polydimethylsiloxane，PDMS）膜[22]。PDMS膜屬于高分子疏水膜，具有耐溫、彈性、耐老化等特點，可根據(jù)物質的極性選擇性地透過有機物，已被用于果汁[23]、咖啡[24]、茶葉[25]中的香氣回收。Dawiec-Li?niewska等[19]研究了使用PDMS滲透汽化膜回收果汁（李子、蘋果、黑醋栗和櫻桃）中揮發(fā)性香氣化合物，發(fā)現(xiàn)蘋果汁、櫻桃汁和黑醋栗汁滲透液中的芳香化合物濃度分別約為其原汁濃度的11、9、57 倍，且保持了所選水果的特定香味。Rao Yuanyuan等[26]使用沸石基咪唑鹽骨架（ZIF-8）納米粒子與PDMS基體結合得到ZIF-8/PDMS雜化膜，使用此膜對黑莓汁進行滲透汽化處理后，其中揮發(fā)性芳香化合物含量顯著降低，50 ℃條件下黑莓汁的特征性香氣化合物芳樟醇、苯甲醛和乙酸乙酯的回收率分別為93.8%、92.1%和75.2%。

故本研究擬采用PDMS膜對玫瑰凍干露進行滲透汽化，以期回收凍干露中玫瑰香氣成分，減少環(huán)境污染，對玫瑰加工過程中的副產物進行利用，拓展玫瑰產業(yè)發(fā)展前景。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

玫瑰凍干露采自江蘇興野食品有限公司，原料為大馬士革玫瑰，產地為江蘇興化，采樣后低溫（0 ℃）運至北京，4 ℃保存待用。

大馬士革玫瑰純露 阿芙精油專柜；保加利亞飛那玫瑰飲料（玫瑰提取液添加量不詳）沃牛食品專營店；名仁玫瑰蘇打水（玫瑰提取液添加量5 g/L）物美超市。

香氣標準樣品：C8～C21正構烷烴、乙醇（色譜級）、苯乙醇、香葉醇、香茅醇、橙花醇、乙酸苯乙酯、檸檬醛、苯乙醛、芳樟醇、丁香酚、玫瑰醚、2-辛醇 美國Sigma公司；二氯甲烷（色譜級）北京國藥集團化學試劑有限公司。

1.2 儀器與設備

7890B-5977B型氣相色譜-質譜聯(lián)用儀 美國Agilent公司；PDMS/CAR/DVB萃取頭、SPME萃取裝置美國Supelco公司；PDMS有機滲透汽化膜、滲透汽化裝置南京九思高科技有限公司。

1.3 方法

1.3.1 滲透汽化濃縮

膜滲透汽化程序參考文獻[26]并稍作改動，具體操作如下：將料液溫度設定為PDMS膜工作的最適溫度45 ℃，蠕動泵的流速為1 L/min，進行一級滲透實驗，達到預定1∶5濃縮比后，收集冷阱中的一次滲透液，再加入到磁力攪拌器中進行二次滲透，重復一級滲透實驗，即在冷阱中得到二級滲透液（濃縮比1∶25）。

1.3.2 香氣提取與分析

參考文獻[19]，使用DVB/CAR/PDMS萃取頭萃取玫瑰凍干露的樣品頂空香氣。頂空固相微萃取條件稍作改動：取5 mL的樣品放入15 mL的頂空進樣瓶中，加入轉子、1 g NaCl和10 μL溶于乙醇的2-辛醇（1240 mg/L）作為內標，將樣品瓶在40 ℃平衡20 min，萃取20 min，轉速550 r/min，萃取結束后，將萃取纖維從樣品瓶中拔出，插入氣相色譜進樣口。

香氣分析采用氣相色譜-質譜聯(lián)用儀，配備HPINNOWAX毛細管色譜柱（60 m×0.25 mm，0.25 μm），載氣為高純氦氣，流速1 mL/min，升溫程序參考文獻[27]并稍作改動，具體如下：60 ℃保持1 min，以3 ℃/min升到220 ℃，保持5 min。離子源為電子電離，溫度230 ℃，離子源能量70 eV，質譜接口溫度為280 ℃，全掃描模式的質量掃描范圍30～550 u。進樣模式選擇固相微萃取手動進樣，1∶20分流，進樣口溫度250 ℃，熱解吸時間5 min，每個樣品重復3 次。

1.3.3 定性定量分析

定性方法：將檢測到的物質與NIST 17數(shù)據(jù)庫中物質的保留指數(shù)以及質譜離子碎片信息進行比對，并采用正構烷烴（C7～C21）計算各物質的保留指數(shù)，并與文獻保留指數(shù)進行比對。

玫瑰特征性香氣物質苯乙醇、香葉醇、香茅醇、橙花醇、乙酸苯乙酯、檸檬醛、苯乙醛、芳樟醇、丁香酚和玫瑰醚采用標準樣品定性，并依據(jù)各自標準曲線進行定量。玫瑰特征性香氣物質的標準曲線及定性方式見表1。對于沒有標準品的香氣成分，采用內標法進行半定量分析。

表1 玫瑰特征香氣物質的標準曲線及定性方式Table 1 Standard curves and qualitative methods for characteristic aroma compounds in rose

1.3.4 感官分析

感官分析團隊人員為實驗室長期進行感官分析的人員與校內招募人員，共20 名。人員篩選與培訓參照GB/T 16291.1—2012《感官分析 選拔、培訓與管理評價員的一般導則 第1 部分：優(yōu)選評價員》、GB/T 16291.2—2010《感官分析 選拔、培訓和管理評價員的一般導則 第2部分：專家評價員》、GB/T 15549—1995《感官分析 方法學 檢測和識別氣味方面評價員的入門和培訓》，通過識別檢驗、排序檢驗和氣味描述的方法，對候選人嗅覺識別的準確度及靈敏度進行測試，通過篩選的品評員需達到識別正確率高于80%、排序正確率高于70%、氣味描述正確率高于70%。

參照GB/T 17321—2012《感官分析方法 二-三點檢驗》，對滲透濃縮前后的玫瑰凍干水進行感官分析，比較差異性；進一步通過GB/T 12313—1990《感官分析方法 風味剖面檢驗的方法》篩選出適合玫瑰凍干露的感官描述詞，隨后讓品評小組分別對原液和滲透液所具備香氣的強度進行0～5 分打分。規(guī)定0為沒有所考慮特性的知覺，1為感覺強度弱，2為感覺強度較弱，3為感覺強度平均，4為感覺強度稍強，5為感覺強度強，并利用公式（1）求出各描述詞的幾何平均值M：

式中：F為描述詞實際被述及的次數(shù)占該描述詞所有可能被述及總次數(shù)的百分率；I為評價小組實際給出的一個描述詞的強度占該描述詞最大可能所得強度的百分率。

參照《食品感官評價》[28]中感官標度尺的方法，以二級膜滲透濃縮玫瑰凍干露（對照品一）和稀釋100 倍的濃縮樣品（對照品二）作為品評標準，對市售玫瑰蘇打水（隨機編號為724）、玫瑰飲料（隨機編號為378）和玫瑰純露（隨機編號為617）進行打分，其中對照品一標準評分為7 分，對照品二標準評分為3 分，品評員首先品嘗兩個對照品，之后隨機品嘗其他樣品并打分，期間可以反復品嘗對照品。樣品打分表如表2所示。

表2 市售樣品打分表Table 2 Scoring of commercial samples

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

2 結果與分析

2.1 玫瑰凍干露揮發(fā)性成分分析

在揮發(fā)性成分的分析中，頂空固相微萃取的香氣萃取方法可使用低劑量的樣品，從基質中提取、濃縮或富集揮發(fā)性化合物，操作簡單、靈敏度高、重現(xiàn)性好、用樣量小、不需有機試劑，大量的研究使用該法對玫瑰香氣進行提取和檢測[2,14,16]。應用內標法和標準曲線法對檢測出的物質進行定量，根據(jù)相似度檢索、特征離子碎片分析對比，在玫瑰凍干露原液的樣品中檢出54 種香氣物質，總離子流見圖1。其中，醇類物質11 種，醛類7 種，酚類物質3 種，酯類物質3 種，萜烯類物質22 種，脂肪烴類物質6 種，其他類物質2 種，依據(jù)不同方法對其進行定量分析，結果如表3所示。

圖1 玫瑰凍干露揮發(fā)性成分總離子流圖Fig.1 Total ion current chromatogram of volatile components in freeze-dried rose hydrolat

表3 原液及PDMS膜滲透濃縮液玫瑰凍干露香氣成分組成（n ＝3）Table 3 Aroma components of freeze-dried rose hydrolat and its concentrates after PDMS membrane pervaporation (n=3)

有關玫瑰特征性香氣的研究已經有大量的報道，故根據(jù)現(xiàn)有玫瑰香精的配方和文獻研究，可知苯乙醇[29]、香葉醇[3]、香茅醇[30]、橙花醇[31]、乙酸苯乙酯[30]、檸檬醛[32]、苯乙醛[33]、芳樟醇[34]、丁香酚[30]、玫瑰醚[35]這10 種香氣成分組成了玫瑰的主香、輔香和后香，而其中的苯乙醇、香葉醇、香茅醇、乙酸苯乙酯和玫瑰醚更是玫瑰典型香氣成分。由表3可知，玫瑰凍干露中含有上述所提及的所有物質，其中，苯乙醇含量最高（質量濃度為292.80 mg/L），占總香氣含量的64.33%；其次是香茅醇和香葉醇，占比15.92%和13.46%，這3 種物質占總香氣含量的90%以上，是玫瑰凍干露中的主要香氣成分，且均屬于典型玫瑰香氣物質，故從香氣物質組成上來說，凍干露具有典型的玫瑰香氣特征。

由表3可知，其他玫瑰特征性香氣物質的含量較低，其中，橙花醇質量濃度為10.18 mg/L，占總香氣含量的2.24%，芳樟醇、苯乙醛、丁香酚質量濃度分別為4.18、3.57、2.52 mg/L，分別占總香氣含量的0.92%、0.78%和0.55%。引入香氣活度值（odor activity value，OAV）的概念，以衡量香氣化合物對整體香氣的貢獻程度，對玫瑰特征性香氣物質進行OAV計算，計算方法見式（2）：

式中：ρ為化合物的質量濃度/（mg/L）；T為化合物的嗅覺閾值/（mg/L）。

如果OAV大于1，認為該香氣成分對風味有顯著的貢獻作用。經計算，前文提及的10 種玫瑰特征性香氣物質的OAV均大于1（表4）。所以，無論在香氣物質含量還是在OAV的維度，玫瑰凍干露均表現(xiàn)為典型玫瑰香，在儀器檢測結果層面，玫瑰凍干露初步具備作為玫瑰香精的利用價值。

表4 不同滲透級數(shù)下玫瑰特征性香氣物質OAVTable 4 OAV of characteristic aroma compounds in freeze-dried rose hydrolat and its concentrates after PDMS membrane pervaporation

2.2 有機滲透汽化膜法對玫瑰凍干露中香氣成分回收效果

使用有機膜進行香氣物質的滲透濃縮，并對滲透液中的香氣物質進行分析，比較回收濃縮效果，使用PDMS膜對玫瑰凍干露進行一次和二次滲透回收濃縮。其中，一級和二級滲透液分別檢出35 種和34 種香氣成分，僅在酚類物質上相差1 種。具體成分及其含量見表3。

在膜滲透的過程中，部分物質會缺失，其中萜烯類物質的回收效果最差，存在大面積香氣缺失的情況，如蛇麻烯、大根香葉烯等[36]。這是由于盡管PDMS膜對萜烯類物質具有中等耐化學性，但下游真空產生的吸附-擴散效應（壓力梯度效應）依舊會削弱膜的分離效應，從而導致部分物質的損失[37]。同時脂肪烴類物質也出現(xiàn)缺失的情況，是因為C12及以上脂肪烴類物質沸點高，大部分高于220 ℃，汽化能力較弱，低溫滲透效果較差[38]。

部分玫瑰特征性香氣物質含量在滲透濃縮后降低。香茅醇含量經過二級滲透后損失了48.06%，原因是其飽和蒸汽壓相對較大，揮發(fā)性強，故冷凝效果較差，絕大部分目標物質會隨著真空泵抽出；玫瑰醚（0.0735 kPa）和芳樟醇（0.012 kPa）有較高的飽和蒸汽壓[39]，揮發(fā)性極強，在有機膜滲透過程中均損失嚴重，同時較高的沸點（196.7、198.5 ℃）也導致了在滲透過程中汽化能力的不足，使實驗進程緩慢，滲透時間過長[40]。同時，水介質體系含有大量的氫鍵，并與PDMS膜中的Si—O—Si氧原子形成氫鍵，而氫鍵/極性體系會減緩膜的滲透，進而影響擴散系數(shù)[39]。在色譜圖中，目標物質的出峰較晚（35 min后），保留指數(shù)大，證明苯乙醇、香茅醇、香葉醇等物質極性相對較大，而PDMS為非極性材料，對極性較大的物質吸附力較弱，這就導致PDMS膜滲透效果不佳[41]。

玫瑰特征性香氣物質中苯乙醇、苯乙醛的含量在膜滲透汽化后顯著提高。觀察香氣物質含量的變化趨勢可知，在滲透的過程中，苯環(huán)類物質在滲透后呈現(xiàn)極其相似的上升趨勢，可以認為PDMS膜對苯環(huán)類物質有特異性的透過作用，具體結果如圖2所示。

圖2 不同滲透級數(shù)下玫瑰特征香氣物質質量濃度變化Fig.2 Changes in concentrations of characteristic aroma components in freeze-dried rose hydrolat after osmotic treatment

根據(jù)文獻推測PDMS膜經過芳香類物質改性后，π-π相互作用增加，根據(jù)相似相溶的原理，膜和苯環(huán)類化合物之間的化學親和力增強[38]。值得注意的是，苯乙醇的含量經過滲透后雖有提升，但回收效果與滲透倍數(shù)不成比例，濃縮后含量提升不到2 倍。這與物質本身性質相關，因極性和氫鍵之間的相互作用，醇類物質在極性溶液中擴散系數(shù)較低，會出現(xiàn)濃縮程度和濃縮比不對等的情況，這與之前文獻報道相同[39]，同時也與玫瑰特征性香氣物質中橙花醇、香葉醇、香茅醇、芳樟醇等醇類物質回收效果不佳結果一致。

因玫瑰特征性香氣物質含量在膜滲透前后出現(xiàn)變化，對實驗篩選出的絕對定量的玫瑰特征香氣物質進行OAV計算，反映不同滲透級數(shù)對香氣輪廓的影響，并按表4中的分類方式進行分類。對同一類香氣OAV進行加和，繪制不同濃縮級數(shù)玫瑰凍干水的香氣剖面圖，觀察滲透過程中各維度香氣強弱變化，結果如圖3所示。經過二級滲透后，雖然存在香氣損失，但花香對整體香氣的貢獻程度提高，成為最強烈、最突出的香氣特征，總OAV由42113.03增加到50971.35。其中表現(xiàn)為玫瑰香氣的物質（苯乙醇、香茅醇、香葉醇、玫瑰醚）的總OAV提高了20.47%。在10 種玫瑰特征性香氣物質中，苯乙醇、苯乙醛含量的升高對玫瑰特征性香氣總OAV的升高起著至關重要的作用。雖然存在特征性香氣的損失，但經過對儀器所得出的數(shù)據(jù)進行分析，玫瑰凍干露經滲透濃縮后，玫瑰香強度大幅提升。

2.3 感官特性評價

由儀器分析結果可知，通過PDMS膜滲透濃縮后，玫瑰凍干露的香氣強度有了大幅度的提升。二-三點檢驗中，呈送給20 位品評員每人3 個樣品。其中，凍干水原液標明“對照樣”，品評員首先評定對照樣，然后再評價兩個編碼樣品，要求從這兩個樣品中選出與對照樣品相同的樣品。結果表明，所有品評員均識別出二級滲透液，即滲透濃縮后的玫瑰凍干露典型花香特征更突出，與凍干露原液相比差異明顯，這與儀器檢驗結果一致。

在風味剖面分析中，首先要求品評小組對玫瑰凍干露的感官描述詞進行創(chuàng)立和篩選，建立感官描述詞庫。隨后，讓品評小組分別對原液和濃縮液所具備香氣的強度進行打分，并計算M值。將描述詞分類，除去一些M值相對較低（M＜0.05）的描述詞，刪減后可得到關于玫瑰凍干露的香氣描述詞12 個，如表5所示。

表5 玫瑰凍干水原液和不同級數(shù)滲透液香氣感官描述詞（刪減后）及其M值Table 5 Sensory descriptors (after deletion) and M values for aroma of freeze-dried rose hydrolat and its concentrates

根據(jù)所篩選出的描述詞及M值的大小，可以看出經過二級滲透濃縮后，花香所占比例由37%提升至51%，而果香占比由37%減少至13%。果香減弱，但具有更明顯的花香，這與儀器檢測結果和OAV分析結果一致。

進一步使用PLSR驗證該結果的可靠性，將相同種類香氣M值加和，以香氣物質為X軸，以香氣種類為Y軸進行分析（圖4）?？梢钥吹?，玫瑰凍干露原液呈現(xiàn)出果香，且與其相關性較高的香氣物質含量較多，以萜烯類化合物為主，沒有典型的香氣特點；二級滲透液與花香、植物香有較強的關聯(lián)，與其相關的化合物有苯乙醇、苯乙醛、苯甲醇、苯甲醛、庚醇、己醇、桃金娘醇等。

圖4 玫瑰凍干露氣感官屬性與氣相色譜-質譜聯(lián)用分析結果的PLSR分析Fig.4 PLSR analysis of sensory properties of freeze-dried rose hydrolat and its concentrates based on GC-MS results

經過滲透后玫瑰特征性香氣物質的含量和玫瑰凍干露香氣強度發(fā)生變化，為探尋二者之間的關聯(lián)，利用相關性熱圖分析玫瑰特征性香氣物質對玫瑰凍干露感官特性的影響（圖5）。苯乙醇、苯乙醛對花香、植物香產生正向貢獻，而其他特征性香氣物質的損失沒有影響濃縮液中花香的凸顯，這與OAV分析結果、感官分析結果一致。膜滲透過程雖存在著一定程度的香氣損失，但由于其對部分苯類香氣物質的選擇透過性，經過濃縮后的玫瑰凍干露花香特征更突出，作為食品香精香料的潛力巨大。

圖5 玫瑰特征性香氣物質與玫瑰凍干露感官特性的相關性分析Fig.5 Correlation analysis between characteristic aroma compounds of rose and sensory characteristics of freeze-dried rose hydrolat

為驗證其食品增香潛力，使用25 倍濃縮玫瑰水和其100 倍的稀釋液為標度，標準評分分別為7 分和3 分，由20 名品評員對市售大馬士革玫瑰純露、玫瑰蘇打水和紅玫瑰飲料的玫瑰香氣強度進行打分，將分數(shù)按照正態(tài)分布排布，結果如圖6所示。

圖6 市售飲品玫瑰香氣強度比較Fig.6 Comparison of aroma intensity between freeze-dried rose hydrolat and commercial rose beverages

由圖6可以看出，相較于玫瑰提取液添加量5 g/L的名仁玫瑰蘇打水，100 倍稀釋的濃縮液（3 分）的玫瑰香氣強度明顯較高（1.5 分）；而與玫瑰飲料相比，100 倍稀釋液玫瑰香氣略遜，但25 倍濃縮液原液（7 分）香氣評分較優(yōu)（4.5 分）。因本次實驗條件限制，未進行飲料增香感官實驗，故后期可以通過實驗優(yōu)化，確定最優(yōu)的濃縮液稀釋比，探究在何種添加量下，消費者喜愛度最高。經過二級滲透后的25 倍濃縮液的玫瑰香氣強度（7 分）與玫瑰純露（6 分）相比，玫瑰香氣強度略高，故濃縮液應用于香精等日化行業(yè)的潛力巨大，同時濃縮液來源天然，無有機試劑引入，加工能耗低，環(huán)境友好，應用前景廣闊。

3 結論

本實驗從凍干玫瑰花的實際生產角度出發(fā)，結合頂空固相微萃取-氣相色譜-質譜聯(lián)用分析和感官分析，探究了PDMS膜滲透在玫瑰凍干露香氣回收方面的應用。經檢測，玫瑰凍干露中含有的玫瑰特征性香氣物質占比超過90%，經過PDMS膜的兩次滲透濃縮，玫瑰凍干露二級滲透液的香氣更加濃郁典型，花香和植物香的趨向性明顯。同時還發(fā)現(xiàn)PDMS有機滲透汽化膜對苯環(huán)類物質有較強的特異透過性，苯甲醇、苯甲醛、苯乙醛的含量在濃縮后均有顯著的提升，為未來PDMS膜滲透技術在食品、日化行業(yè)的應用提供參考，為苯環(huán)類物質的回收提供新思路。