茶树花纯露的制备及其在卷烟中的应用

张峰，操晓亮，伊勇涛，陈小明，谢金栋

福建中烟工业有限责任公司技术中心，福建省厦门市集美区滨水路298号 361021

茶树花是山茶科、山茶属茶树的花，是一种新的天然资源食品[1-2]，目前研究主要集中于茶树花中的茶多糖[3]、茶多酚[4]、氨基酸[5]、蛋白质[6]、酶[7]等生化成分的制备和作用研究[8]，对其芳香组分的研究还较少。茶树花香韵独特，令人愉悦，研究表明茶树花中还含有芳香醇类、萜烯醇类、脂肪醇类和芳香酮类等种类丰富的芳香成分[9]，以茶树花为原料制备香料具有较好的应用前景。由于新鲜茶树花不耐储存且香味物质含量较低[9-10]，以新鲜茶树花为原料开发香料的报道较少，少数的研究多以茶树花干花为原料，采用超临界CO2提取[11-12]、亚临界提取[13]、有机溶剂浸提[14-15]、超高压辅助水蒸气蒸馏[16]等方式提取茶树花香味物质，其成分主要为棕榈酸、咖啡因、烷烃类等化合物，与新鲜茶树花的致香成分、香韵特征存在较大差异[9-10]，且上述的制备方式存在有机溶剂用量大、设备不易工业化、安全风险大等弊端。

水蒸新鲜茶树花香味物质含量较低，气蒸馏是工业化应用最广泛的植物精油提取方法[17]。采用水蒸气蒸馏无法直接获得新鲜茶树花精油，所得到的水蒸气馏出液（纯露）中含有大量的水，使得纯露中香味物质含量低，香韵强中度弱，需通过浓缩方式来富集香味物质，然而采用传统的减压浓缩无法有效富集馏出液中的香味物质。反渗透膜浓缩技术是一种在常温下进行，采用膜两侧压力差分离溶剂小分子，富集有效物质的手段[18]。目前还未见将水蒸气蒸馏与反渗透膜浓缩结合直接制备茶树花香料的报道。本文将水蒸气蒸馏与反渗透膜技术结合开发新鲜茶树花香料，为由香味物质含量低的新鲜原料规模化制备香料提供工艺和技术参考。

1 材料与方法

1.1 仪器、试剂与材料

2018 年11 月于安溪祥华茶园采摘茶树花，包括全展、初展与花蕾三种状态，采摘的茶树花用饱和食盐水浸泡处理。

食盐（市售）、纯水（自制）、2-己酮（98%，AlfaAesar），参比卷烟（自制）。

反渗透膜中试设备（厦门三达膜公司）、天然香料中试试验线（厦门烟草工业有限责任公司）、HP7890 型气相色谱/HP5975N 质谱联用仪（美国Agilent 公 司）、PerkinElmer TurboMatrix HS-110 静态顶空仪（美国PE 公司）、AG204 型电子天平（感量0.1 mg，瑞士梅特勒-托利多公司）、CIJECTOR实验室香精香料注射机（德国Burghart 公司）。

1.2 方法

1.2.1 提取方法

（1）预处理

摊晾：采摘后的新鲜茶树花薄层摊晾于竹筐中，运回工厂待提取。

盐水浸泡：将采摘后的新鲜茶树花用饱和的食盐水浸泡，运回工厂待提取。

（2）水蒸气蒸馏

利用天然香料中试试验线200 L 提取釜进行茶树花的水汽蒸馏和水中蒸馏。

水汽蒸馏：每批投料30 kg，下部直通蒸气阀门开度30%，蒸出流量控制在20 kg/h，冷却温度8℃，样品接收与称重。

水中蒸馏：每批投料30 kg，按1:3 的比例加入纯水90 kg，加热提取罐，控制蒸出流量控制在20 kg/h，冷却温度8℃，样品接收与称重。

1.2.2 浓缩方法

将水蒸气蒸馏获得的60 kg 馏出液分别采用减压浓缩、反渗透浓缩处理至约7 kg，具体参数如下。

（1）减压浓缩：利用天然香料中试试验线的减压浓缩设备进行浓缩，加热温度60℃，进料温度20℃，分离器温度45℃，压力-0.82×105Pa，进料流量0.15 m3/h～0.25 m3/h。

（2）反渗透浓缩：利用反渗透膜中试设备进行反渗透浓缩，泵频率50 Hz，运行温度不高于40℃，出膜压力0.1 MPa～2.0 MPa。

1.2.3 香味成分分析方法

称重2.0 g 的鲜花或纯露样品于20 mL 顶空瓶内并加0.1 mL 2-己酮内标（0.04 mg/mL）工作溶液后密封后待测。采用HS-GC/MS 进行分析，仪器条件如下。

静态顶空仪：样品平衡温度40℃，进样针温度110℃，传输线温度130℃，平衡时间60.0 min，样品瓶加压时间2.0 min，进样时间0.15 min，拔针时间0.50 min；进样模式为高压进样；进样压力：0.24 MPa（35 psi）。

气相色谱仪：色谱柱HP-5MS（60 m×0.25 mm，0.25 μm），进样口温度250℃；柱温箱升温程序：起始温度60℃，以2℃/min 升温至200℃保持1 min，再以50℃/min升温至250℃保持10 min，载气：氦气（纯度99.999%）；载气流量1.0 mL/min；分流比5 : 1。

质谱检测器：传输线温度200℃，离子源温度200℃，调谐电压1420 V；溶剂延迟为：5 min；扫描质量数范围为：35 amu ～455 amu；检测模式为全扫描模式，谱库检索采用NIST 库进行检索。

1.2.4 卷烟加香评价

用香精香料注射机将茶树花纯露样品按0.1%的比例均匀添加入参比卷烟中，得到的烟支于（22±1）℃和RH（60±2）%环境中平衡48 h，组织10 名的专业评吸人员依据《YC/T 497 卷烟中式卷烟风格感官评价方法》对参比卷烟及添加茶树花纯露样品的卷烟进行对比评吸。

2 结果与讨论

2.1 茶树花预处理方式研究

2.1.1 茶树花原料选择

茶树花在不同开放状态（花蕾期、初开期、全开期）时香味物质含量存在差异[9]，造成不同开放状态茶树花的香气也存在一定的差异，因此需要对不同开放状态下的茶树花香味成分及其含量进行分析，以确定有利于香料开发提取的茶树花开放状态。

从表1 可以看出，三种不同开放状态的茶树花共鉴定出43 种成分，其种类相似但含量均存在明显差异；主要共同成分有苯乙酮、2-丁酮、芳樟醇、2-己酮、顺-氧化芳樟醇等化合物，多为能够体现茶树花独特花香及清甜香作用的化合物。花蕾期茶树花的主要香味成分为芳樟醇、顺-氧化芳樟醇、2-丁酮等一些小分子醇醛类化合物，香味成分总量不是很高，茶树花蕾的香气偏青，香势不强。随着茶树花逐渐开放，酮类、芳香醇类、醛类等化合物的含量不断得到累积，并且还有部分香味成分生成，其香味成分总量也不断增加，在茶树花初开期达到最高，因此这个时期茶树花的香气最为丰富而浓郁。到了全开期，部分香味成分得到继续积累（如苯乙醇、苯乙酮、苯乙酸甲酯），其中苯乙酮的香味成分变化最大，从花蕾期的0.46 μg/g增加到73.66 μg/g，成为茶树花含量最高的香味成分；同时也有部分香味成分（2-丁酮、芳樟醇等）可能因为代谢或挥发而减少了，因此全开期茶树花的香味成分总量较初展期有了一定下降，但主要香味成分的比例变化不大，所以两个时期的茶树花的香气特征没有明显差异，这与文献报道一致[9]。结合各个阶段茶树花的香气特征、香味成分总量以及实际茶树花采收情况，最终确定选择初展期、全展期的茶树花作为后续香料制备的原料，并以茶树花香味成分总量和苯乙酮含量作为考察后续加工方式效果的化学成分指标。

表1 不同开放状态茶树花样品的香味成分鉴定结果Tab. 1 Identification of aroma components in tea flower at different flowering stage

2.1.2 茶树花预处理方式比较

鲜花类原料采摘后如不及时处理，存放数小时后，其香味成分将大量损失[19]。因此必须采取适当的方法对刚采摘的茶树花进行现场预处理，尽可能降低香味损失。采用摊晾、盐水浸泡作为两种可行的前处理方式对比分析如表2 所示。表2 显示了两种前处理方式在不同时间段，茶树花香味成分的变化情况，新鲜茶树花摊晾处理数小时后其香味成分总量及特征成分苯乙酮总量大幅度下降，这与文献报道一致[19]，且放置5 d 后样品发霉。现场盐水浸泡的茶树花其香味成分总量及特征成分苯乙酮的含量均高于摊晾鲜花所获得的样品量，放置30 d 内变化幅度不明显，且未出现霉变，说明现场盐水浸泡处理能够保持茶树花中的香味成分，且利于茶树花的长期加工。

表2 茶树花纯露不同预处理方式比较Tab. 2 Comparison of different pretreatment methods for tea flower hydrolats

2.2 水蒸气蒸馏工艺研究

鲜花、鲜叶等新鲜植物一般选择水中蒸馏或水汽蒸馏两种水蒸气蒸馏方式[17]进行提取，而不同水蒸气蒸馏方式及条件会极大影响茶树花香味成分的提取及所获得提取物的品质。因此需要对水蒸气蒸馏方式（包括水中蒸馏及水汽蒸馏）以及后续相应的参数进行考察。

2.2.1 水蒸气蒸馏方式的比较

将盐水浸泡处理的茶树花分别采用水中蒸馏及水汽蒸馏两种方式进行提取，将蒸馏3.0 h 的馏出液采用反渗透膜进行浓缩至约7.0 kg 后取样检测。表3 结果表明，水中蒸馏获得的纯露香味成分及特征成分苯乙酮的总量略高于水汽蒸馏所获得样品的量，这可能与鲜花水蒸气蒸馏时水中蒸馏的水散效果优于水汽蒸馏有关。但对两种蒸馏方式的嗅香评价表明：水汽蒸馏样品香气更为透发，新鲜感更好，水中蒸馏样品香气较沉闷，不良气息较重，这与文献关于两种蒸馏方式报道的结果一致[17]。香气品质是香料开发最关注的因素，为保障香料品质，最终选择水汽蒸馏的方式进行茶树花的提取。

表3 水蒸汽蒸馏方式比较Tab.3 Comparison of steam distillation methods

2.2.2 水汽蒸馏提取关键参数的确定

水蒸气蒸馏投料量一般为釜体积的70%～80%，每小时馏出液量控制在釜体积的5%～10%。水蒸气蒸馏的时间对提取效果也有较大影响，蒸馏时间过短，会造成提取不完全，过长则能耗较大，因此一般控制在馏出液中有效成分的含量为理论总量的90%～95%[16]。本文所采用的天然香料中试试验线蒸馏釜的体积为200 L，通过控制釜壁及底盖蒸气的阀门开度来控制蒸馏速度。盐水浸泡茶树花投料30 kg，约为釜体积的70%，蒸气的阀门开度30%，蒸馏速度为20 kg/h，满足水蒸气蒸馏的要求。

在水蒸气蒸馏提取罐冷凝液出口，按时间顺序每10 min 瞬时取样50 mL，4 h 共收集到25 个样品，对其香味成分总量和特征成分苯乙酮的含量变化进行跟踪检测，分析结果如图1 所示。结果表明，随着时间的延长，馏出液中的内含物含量逐渐降低，2.5 h 香味成分总量达到总量的94.50%，特征成分苯乙酮的含量达到总量的96.20%，3.0 h 以后香味成分总量和苯乙酮总量变化不大。最终确定茶树花水汽蒸馏的提取时间为3.0 h。

图1 茶树花香味成分随蒸馏时间的变化Fig.1 Variation of aroma components in tea flower with distillation time

2.3 水蒸气馏出液浓缩工艺研究

2.3.1 水蒸气馏出液浓缩方式比较

水蒸气蒸馏得到的馏出液中含有大量的水，需进一步浓缩精制。常用的浓缩方式有减压浓缩和反渗透膜浓缩，其中减压浓缩主要是通过减压降低溶剂沸点使其由汽化并通过负压排出设备来提高料液的浓度，反渗透膜浓缩是在常温下在膜一侧施加压力，料液中的溶剂（水、乙醇等小分子）在压力作用下渗出进入透过液，而其它香味成分都会被隔离在截留液中，从而达到浓缩的目的[18]。从表4 可看出这两种浓缩方式对于茶树花纯露香味成分的富集效果有很较大差异。减压浓缩液香味成分浓度甚至低于蒸出液浓度，说明在减压浓缩过程时，馏出液中的香味成分与水共沸，导致香味成分和水分一起被蒸发出去，无法有效浓缩富集香味成分且香味成分损失较大，因此减压浓缩不适于水蒸气馏出液的浓缩处理；反渗透膜浓缩液中香味成分浓度远高于透过液浓度，说明反渗透膜浓缩能够较好的将水蒸气馏出液中的水分子与其它香味成分分离开来，达到富集水蒸气馏出液中的香味物质的目的，而且香味成分损失很少。因此，选定反渗透膜浓缩作为水蒸气馏出液进一步浓缩精制的方式。

表4 浓缩方式的比较Tab.4 Comparison of enrichment methods

2.3.2 反渗透浓缩关键参数的确定

反渗透浓缩运行过程一般考察温度、压力、膜通量等参数对物质截留效果的影响[18]。实验过程发现商品化反渗透浓缩设备运行过程中温度变化幅度较小，因此重点考察压力影响下膜通量的稳定性及对茶树花纯露香味成分富集效果的影响。

调整反渗透膜的出膜压力分别为（0.1、0.2、0.3、0.5、0.8、1.0、1.5、2.0）MPa，取样检测了透过液、浓缩液的香味成分总量，并记录了运行过程的膜通量。从图2 可看出随着出膜压力的增加，浓缩速率逐渐增大，这与反渗透膜浓缩原理相一致；随着出膜压力的增加，透过液与浓缩液香味成分总量的比值逐渐增大，当压力高于0.8 MPa 时，两者比值趋于相对稳定，且均低于1.60%。为利于工业化生产工艺的稳定及效率的提升，最终确定浓缩出膜压力为1.0 MPa，相应的浓缩速率为21.77 kg/h。

实验过程发现，一定压力下膜通量较为稳定，且清洗后很容易恢复水通量，说明膜污染程度低，这可能与茶树花水蒸气馏出液中物质含量低且较为干净有关，进一步说明水蒸气馏出液比较适合采用反渗透膜浓缩方式进行处理。

图2 反渗透出膜压力对茶树花提取液的截留效果Fig.2 The interception effect of reverse osmosis pressure on tea flower extract

2.4 茶树花纯露香味成分分析

按照方法1.2 中饱和食盐水浸泡鲜花保鲜，采用水汽蒸馏结合反渗透膜浓缩工艺制备茶树花鲜花纯露，所制备纯露的香味成分分析结果见表5，共检测到42 种香味成分，总量为68.61 μg/g。

对比表1 中新鲜茶树花原料和表5 中所制备出的茶树花纯露的香味成分可以看出，茶树花纯露中鉴定出的香味成分有19 种与全展茶树花中的成分一致，但有部分成分在加工过程中损失，如3-戊酮、己酸甲酯、苯甲醛、苯乙醛、苯乙酸甲酯以及部分烯类化合物等；另有一些成分可能是由加工过程中新引入的，如脱氢芳樟醇、芳樟醇甲醚和邻苯二甲酸二异丁酯等。这可能主要是由两个因素所造成的，一是由于水蒸气蒸馏过程温度较高导致部分热敏性成分发生变化[17]，二是纯露中部分成分含量较低导致检测时未检出。19 种相同成分的含量分别占纯露、全展茶树花香味物质总含量的89.16%、83.27%，且香味成分含量的变化趋势基本一致，如图3 所示的苯乙酮、芳樟醇、2-丁酮、2-苯乙醇四种成分均为两种样品中含量最高的几类物质。嗅香评价表明：所制备的茶树花纯露的香气清新幽雅，花香和清甜香突出，与新鲜茶树花香气相似。说明采用本文所建立的方法能够较好地提取富集出新鲜茶树花中的香味成分。

表5 茶树花纯露香味成分分析结果Tab.5 Analysis of aroma components in tea flower hydrolats

2.5 茶树花纯露在卷烟中的加香评价

将制备的茶树花纯露用于卷烟加香并进行感官评价。从图4（a）可以看出在香气风格方面，茶树花纯露能够明显赋予卷烟清香、花香和甜香，略有奶香、青滋香。从图4（b）可以看出在烟气特性方面，香气更为丰富、谐调，能够明显掩盖杂气，烟气更为细腻柔和，烟气浓度和劲头无差异。因此，制备的茶树花纯露能够赋予卷烟清甜香、花香等特征香韵，掩盖杂气，具有较强的提升卷烟品质的作用。

图3 浓缩纯露与全展茶树花香味成分对比Fig.3 Comparison of aroma components in concentrated tea flower hydrolats and tea flower at full bloom stage

图4 添加茶树花纯露卷烟的感官作用评价结果Fig.4 Sensory evaluation results of cigarette with addition of tea flower hydrolats

3 结论

本文以茶树花香味成分含量为考察指标，通过对茶树花不同前处理方式、不同水蒸气蒸馏方式、不同浓缩方式的研究，建立起一种制备新鲜茶树花纯露香料的方法，即采用初展期、全展期的新鲜茶树花，以饱和食盐水浸泡保鲜后，采用水汽蒸馏结合反渗透的方式进行提取浓缩。利用该方法得到的茶树花纯露的香气及香味成分与新鲜茶树花较为一致，能够提升卷烟品质，赋予卷烟特征香韵。

茶树花纯露的浓缩技术研究说明，利用反渗透膜技术可以较好富集茶树花中的香味物质，浓缩程度高，香味成分损失少。本文所建立的水蒸气蒸馏结合反渗透浓缩的制备技术可以为香味物质含量低且不耐储存的新鲜植物制备香料提供一种新的思路和方法。