水孔蛋白正渗透膜浓缩烟草香料的品质分析

王浩雅 王乃定 张强 李忠任 张虹娟 李相鹏 高则睿 刘劲芸 李晋 黄彪 蒋卓芳 吴恒 孔宁川

摘 要：为最大程度保留烟草香料中挥发性致香成分，采用正渗透和减压蒸发方式浓缩制备了可溶物固含量为55%的红花大金元烟叶水提浸膏，从致香成分、常规化学成分、理化指标及感官质量等4个方面对浸膏的品质进行了分析。结果表明：①两种浸膏的致香物质组成基本一致，致香成分含量达到极显著差异（p<0.000 1），正渗透浓缩较蒸发浓缩的浸膏致香物质总量增加89.17%;β-大马酮增幅超过50%，β-紫罗兰酮、二氢猕猴桃内酯、芳樟醇增幅均超过100%;②两种浸膏的总糖、还原糖、总氮、氯离子和钾离子指标达到极显著性差异（p<0.000 1），其中，正渗透浓缩浸膏的氯离子含量增加，钾离子下降;③正渗透浓缩浸膏的酸值、相對密度、折光指数分别较蒸发浓缩浸膏极显著下降了3.24%、1.44%和0.28%（p<0.000 1），而挥发性成分总量极显著提高1.17%（p<0.000 1）;④正渗透浓缩的浸膏感官质量总分显著高于蒸发浓缩（p<0.05），感官评价结果更优。因此，正渗透浓缩技术可为烟草香料和再造烟叶涂布料的提质提供技术支撑。

关键词：正渗透浓缩;烟草水提浸膏;致香成分;常规化学成分;感官质量

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

在卷烟产品开发及维护过程中，通常运用香气补偿和修饰技术，在加料加香设计中，加入进口烟叶提取物和烟草反应物等多种提取物，解决香气弱、烟气柔和度较差、甜润度较弱、厚实感不足等问题。当前香料提取物制备工艺主要是经过提取、过滤、沉降、分离、浓缩等步骤，其中浓缩多数采用减压蒸发浓缩，少数采用反渗透浓缩。采用蒸发浓缩时，烟草中的挥发性及半挥发性致香成分随水分的蒸发进入回收液造成大量损失，同时，烟草中的热敏性物质易发生分解、聚合变性，导致浸膏的烟草香气弱，应用效果不佳。

正渗透[1-4]（Forward Osmosis，简称FO）浓缩是正渗透技术的一种利用方式，依靠选择性渗透膜两侧溶液的渗透压差为驱动力，自发实现水从低渗透压区向高渗透压区迁移，直至膜两侧溶液的渗透压相等，具有运行过程操作压力低、能耗小、物料截留率高、膜污染低等[5-8]优点。正渗透膜主要有：醋酸纤维膜、薄层复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、化学稳定性高等特点。目前用于污水处理、液体食品浓缩领域，特别是在蔬菜汁、果汁、茶饮品等浓缩[9-13]方面表现突出，浓缩产品的风味、营养成分得到较好保留，展示了良好的应用前景。目前尚未发现其在烟用香料中的研究和应用。因此，本文通过对比分析正渗透和蒸发浓缩制备的烟草香料中的致香成分、理化指标和感官质量等，探究正渗透技术对烟草水提物品质的影响，为高香气、高仿真度、适用性广、安全性高的非相变高保真单体香料研发奠定基础。

1 材料与方法

1.1 材料、试剂和仪器

2018年云南红花大金元（以下简称红大）烟叶复烤碎片，由云南中烟工业有限责任公司技术中心提供。

汲取剂为工业级NaCl（99.5%，市售）饱和水溶液。

正渗透浓缩装置（厦门国初科技有限公司，膜孔径0.1 nm）;R114旋转蒸发仪（瑞士Buchi公司）;GC-MS-QP2020气相色谱质谱联用仪（日本Shimadzu公司）;HP-5MS毛细管色谱柱（美国Agilent公司）;AA3连续流动分析仪（德国Bran Luebbe公司）;ACS-35C电子秤（瑞士Mettler-Toledo公司，感量200 g）。

1.2 试验方法

1.2.1 提取 红大烟叶复烤碎片2 kg加水16 kg，室温浸泡6 h，采用200目滤布进行压榨过滤;滤渣加水12 kg，室温浸泡4 h，压榨过滤，合并两次滤液，滤液经冷藏（3～9 ℃）沉降2 h后经500目滤布过滤，得到固含量为3.8%的澄清烟草提取液23.4 kg。

1.2.2 蒸发浓缩 取1.2.1中制备的澄清烟草提取液1 kg，置于旋转蒸发仪中于100 mbar真空度、70 ℃水浴温度下蒸发浓缩至浸膏固含量为55%。

1.2.3 正滲透浓缩 取1.2.1中制备的澄清烟草提取液20 kg，置于正渗透浓缩装置的浓缩室中，以水孔蛋白中空纤维正渗透膜为分离膜，压力0～0.4 MPa，饱和NaCl水溶液为汲取剂，室温下进行多级浓缩，烟草提取液及汲取液流速均控制为0.7 L/min。一级浓缩使用0.8 L饱和NaCl溶液作汲取剂，当汲取剂丧失汲取能力（电导率变化甚缓）时，更换相同量的饱和NaCl溶液作汲取剂进行二级浓缩，以此类推更换汲取液直至烟草浸膏固含量为55%。

本试验每个处理均设置3次重复。

1.3 检测方法

1.3.1 常规化学成分、理化指标的检测 常规化学成分：样品的氯离子含量、总糖含量、还原糖含量、总氮含量、烟碱含量、钾离子含量分别按照标准GB 5009.44—2016、YC/T 159—2002、YC/T 161—2002、YC/T 383—2010、YC/T 173—2003标准方法测定。

理化指标：样品的酸值、相对密度、折光指数、挥发性成分总量、溶混度分别按照标准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的方法测定。

1.3.2 致香成分的检测 （1）浸膏前处理。称取25 g样品，加入350 mL蒸馏水，混匀。以30 mL二氯甲烷为萃取剂，采用同时蒸馏萃取2 h。萃取液于水浴温度45 ℃浓缩后，加入20 μg萘作内标，准确定容至1 mL，进行GC-MS分析。

（2）GC-MS分析条件。气相色谱条件：色谱柱，DB-5MS石英毛细管柱（30 m×0.25 mm，0.25 μm）;进样口温度，200 ℃;柱箱温度，60 ℃;进样模式，分流;柱流量，1 mL/min;吹扫流量，3 mL/min;分流比，5∶1;载气，高纯氦（纯度≥99.999%）;进样量，1 μL;溶剂延迟，2 min。质谱条件：电离方式，EI;电子能量，70 eV;接口温度，250 ℃;离子源温度，200 ℃;采集方式，scan;扫描范围，40～500 amu。标准质谱图库：NIST。定量测试结果的误差范围为±15%。

1.3.3 烟支样品制备及感官评价 将烟丝平衡48 h后，分别将蒸发浓缩及正渗透浓缩制备的烟草水提浸膏以1倍重量的水稀释，按照烟丝重量的0.5%均匀喷到烟丝上，未做添加的烟丝作为空白样品。将烟丝置于恒温恒湿箱（温度22±1 ℃，相对湿度60±2%）中平衡48 h后，卷制成卷烟，再将其平衡48 h，按照GB 5606.4—2005《卷烟 感官技术要求》对烟支进行感官评价。

1.3.4 统计分析 用Excel、SPSS软件进行统计分析。正渗透与蒸发浓缩制备的烟草水提浸膏的致香成分、常规化学成分、理化指标、感官质量分别进行独立样本t检验。

2 结 果

2.1 不同浓缩方式对烟草水提浸膏致香成分的影响

从表1可知，正渗透与蒸发浓缩方式制备的烟草水提浸膏的致香成分指标均达到p<0.000 1的极显著性差异水平。

正渗透和蒸发浓缩制备的烟草水提浸膏致香成分基本一致，表明两种方式制备的烟草水提浸膏的香韵一致。正渗透浓缩制备的水提浸膏致香成分总量为124.218 μg/g，较蒸发浓缩制备的浸膏（65.666 μg/g）增加89.17%。其中，22种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%的有棕榈酸;增幅>200%有3-羟基-2-丁酮、2-乙酰基吡咯、β-紫罗兰酮、反式角鲨烯;增幅>100%的有3-甲基-2-丁酮、糠醛、芳樟醇、二氢猕猴桃内酯、邻苯二甲酸二异丁酯、西柏三烯二醇类，而3-甲基-2-丁烯-1-醇只存在于正渗透浓缩液中。

同时，既有一些香气阈值较低、对烟草香气有重要贡献的挥发性致香成分的含量明显增加，如苯乙醇（玫瑰香）增加2084.21%、β-紫罗兰酮（木香、果香和甜膏香）增加284.62%、二氢猕猴桃内酯（麝香、清凉感）增加191.31%、芳樟醇（铃兰花香、木香）增加167.53%、β-大马酮（清甜烟草香）增加59.24%、巨豆三烯酮（烟草香、甜香和果香）增加12.31%，又有分子量相对较大、香气较弱、挥发性差，但在卷烟吸食过程中可通过热裂解产生多种香味物质、对卷烟吸食品质有正面影响的物质增加，如西柏三烯二醇类[17]增加148.05%;表明正渗透浓缩制备的烟草水膏的嗅香质量和卷烟加香效果明显优于蒸发浓缩制备的烟草水膏。

2.2 不同浓缩方式对烟草水提浸膏常规化学成分的影响

结果显示（表2），两种浓缩方式制备的浸膏中常规化学成分除烟碱外的所有指标均达到p<0.0001极显著差异水平，但烟碱无显著性差异。正渗透浓缩较蒸发浓缩浸膏的总糖、还原糖含量均提升0.1百分点，总氮含量提升0.01百分点，Cl–含量增加0.12百分点，K+含量下降0.2百分点，这是因为正渗透浓缩时，Cl–（汲取剂）因浓差扩散迁移到浓缩液中，K+（烟草提取液）因浓差扩散迁移到汲取液中，导致浸膏中Cl–含量增加，K+含量下降。

2.3 不同浓缩方式对烟草水提浸膏理化指标的影响

从表3可知，正渗透与蒸发浓缩制备的烟草水提浸膏的所有理化指标均达到p<0.000 1极显著差异，正渗透浓缩烟草浸膏的酸值、相对密度、折光指数分别下降了3.24%、1.44%和0.28%，而挥发性成分总量上升了1.17%，说明正渗透浓缩烟草浸膏的挥发性成分保留较好。

2.4 不同浓缩方式对烟草水提浸膏感官质量的影响

由表4可知，正渗透浓缩浸膏较蒸发浓缩浸膏和空白样品在香气、协调、杂气、刺激性、余味和总分分值上均有所提升，其中香气、杂气、总分与蒸发浓缩浸膏达到p<0.05的显著性差异水平，分值分别提升了0.3、0.2、0.8分。

由表5可知，在嗅香上，正滲透浓缩制备的烟草水提浸膏的烟草自然香气更为浓郁;从香气角度来看，正渗透浓缩浸膏的香气较蒸发浓缩浸膏更为纯净、自然，香气量更高，特别是清甜香、干草香有明显增加;从烟气角度来看，正渗透浓缩浸膏的烟气更加上扬、细腻和绵柔;此外，正渗透浓缩浸膏对喉部刺激更低，生津回甘感和余味更好。

3 讨 论

浓缩温度对香味成分有一定影响，蒸发浓缩由于压力（100 mbar）和温度（70 ℃）较高，部分致香成分转移至浓缩蒸发回收液中，导致致香成分损失量较大，这与文献[18-20]所述基本一致。而利用水孔蛋白正渗透膜在非相变、室温和低压条件下浓缩，得到的烟草水膏挥发性成分保留较好，致香成分损失较少，故感官质量较好。同理，烟草水提液在蒸发浓缩过程中，常规化学成分有一定损失[21]，正渗透浓缩的常规化学成分较蒸发浓缩损失较少。

与蒸发浓缩制备的烟草水提浸膏相比，正渗透浓缩制备的烟草水提浸膏对不同致香成分的影响趋势及程度存在极显著性差异。蒸发浓缩制备的烟草水提浸膏致香成分的保留与致香成分沸点及热稳定性相关，沸点越低、热稳定性越差的物质保留越少，在水温70 ℃、压力100 mbar的蒸发条件下，水的沸点约为50 ℃，热敏性物质受热影响的因素可以忽略不计，因此蒸发浓缩制备的烟草水提浸膏致香成分的保留仅与致香成分的沸点相关。正渗透浓缩制备的烟草水提浸膏致香成分保留与致香成分截留率及膜吸附量相关，截留率取决于膜的孔径，当致香成分分子直径大于膜孔径时，致香成分将被高效截留;且膜吸附具有饱和性，随着浓缩量的增多，因膜吸附导致的致香成分含量下降的影响逐渐减小直至完全可以忽略。

膜的截留率与浓缩物的成分特性有关，当某种成分对膜的亲和力更强，更容易透过膜;当某种成分对膜排斥力更大，更容易被截留[22-23]。苯乙醛和苯乙醇沸点相近，蒸发浓缩时损失程度相似，苯乙醛和苯乙醇的分子直径接近，正渗透浓缩时截留率相似[24]。如果正渗透浓缩制备的产品的苯乙醛和苯乙醇保留仅受截留率影响，则苯乙醛和苯乙醇含量变化趋势应该是一致的，变化幅度亦接近，但实际情况是正渗透浓缩时，苯乙醛含量下降20.85%，苯乙醇含量上升2 084.21%，这表明正渗透浓缩时引起的苯乙醛和苯乙醇含量变化趋势不一样、变化幅度变化相差较大的原因可能是膜的截留特性不同，膜对苯乙醇的排斥作用大于苯乙醛，苯乙醛对膜的亲和力更强，更容易透过膜，苯乙醇则被截留，具体结果有待进一步验证。但采用水孔蛋白正渗透膜进行浓缩烟草香料过程中，出现了膜污染、结垢，物质吸附残留，对某些离子截留效果差，以及浓缩后程速率变慢、效率变低等问题，尚需深入研究。

4 结 论

研究表明，正渗透浓缩制备的烟草水膏比蒸发浓缩制备烟草水膏品质更佳。二者嗅香有明显的差异，正渗透浓缩制备的水膏烟草自然香气浓郁，而蒸发浓缩制备的水膏烟草自然香气较弱;理化指标、常规化学成分（烟碱除外）均达到极显著性差异，正渗透浓缩制备的烟草水膏具有更高的氯离子和更低的钾离子含量;正渗透浓缩制备的烟草水膏致香成分总量极显著高于蒸发浓缩。正渗透浓缩制备的烟草浸膏对提升卷烟香气量和香气质的作用更明显。本研究结果可为烟草水膏产品和造纸法再造烟叶涂布料的提质提供技术支撑。

参考文献

[1]朱林，许成凯，吕航. 正渗透膜分离技术及应用研究进展[J]. 科技创新与应用，2019（19）：50-52，55.

ZHU L， XU C K， LYU H. Research progress of forward osmosis membrane separation technology and application[J]. Technology Innovation and Application， 2019（19）： 50-52， 55.

[2]王昌稳，李宝. 正渗透在水处理中的研究应用进展[J]. 环境工程，2016，34（5）：35-40.

WANG C W， LI B. Research and application progress of forward osmosis in water treatment[J]. Environmental Engineering， 2016， 34（5）： 35-40.

[3]王杰. 正渗透膜分离技术在水处理中的应用与展望[J]. 资源节约与环保，2016（5）：30-31.

WANG J. Application and prospect of forward osmosis membrane separation technology in water treatment[J]. Resource Conservation and Environmental Protection， 2016（5）： 30-31.

[4]任潇，王策，李咏梅. 正渗透膜技术的研究与应用进展[J]. 环境污染与防治，2018，40（2）：230-235.

REN X， WANG C， LI Y M. Research and application advances of forward osmosis membrane technology[J]. Environmental Pollution and Prevention， 2018， 40（2）： 230-235.

[5]张军，郭有智. 正渗透浓缩浓盐水影响因素研究初探[J]. 水处理技术，2016，42（11）：12-17.

ZHANG J， GUO Y Z. Concentration of brine by forward osmosis[J]. Water Treatment Technology， 2016， 42（11）： 12-17.

[6]黄佳琪. 新型正渗透有机酸盐汲取液的研究[D]. 武汉：华中科技大学，2018.

HUANG J Q. Organic acid salts as novel draw solutes for forward osmosi[D]. Wuhan： Huazhong University of Science and Technology， 2018.

[7]滕海飞. 正渗透技术处理含Zn2+、Ni2+高盐废水的研究[D]. 济南：山东大学，2017.

TENG H F. The research on forward osmosis in treating high-salinity wastewater containing heavy metal Zn2+ and Ni2+[D]. Ji’nan： Shandong University， 2017.

[8]ZHAO S F， ZOU L D， TANG C Y， et al. Forward osmosis application in tomato juice processing[J]. Journal of Membrane Science， 2012， 396： 1-10.

[9]徐伟，孙建国，陈敏，等. 采用正渗透技术浓缩番茄汁[J]. 食品与发酵工业，2013，39（12）：128-130.

XU W， SUN J G， CHEN M， et al. Concentration of tomato juice by forward osmosis technology[J]. Food and Fermentation Industries， 2013， 39（12）： 128-130.

[10]李丽丽，许春玲，王铎. 正渗透膜用于橙汁浓缩及其污染研究[J]. 膜科学与技术，2012，32（6）：87-91.

LI L L， XU C L， WANG D. Studies on concentration of orange juice with forward osmosis membrane and membrane fouling[J]. Membrane Science and Technology， 2012， 32（6）： 87-91.

[11]徐龙生. 基于多级膜过滤的茶多酚提纯与浓缩工艺研究[D]. 厦门：集美大学，2014.

XU L S. Studies on the purification and concentration of tea Polyphenols based on multi-stage membrane filtration[D]. Xiamen： JiMei University， 2014.

[12]安曉婵，张翔宇，周宗尧，等. 构建高性能复合正渗透膜及其在果汁浓缩中的应用[J]. 膜科学与技术，2018，38（4）：99-106.

AN X C， ZHANG X Y， ZHOU Z Y， et al. Fabrication of high performance thin film composite forward osmosis membranes and its application for juice concentration[J]. Membrane Science and Technology， 2018， 38（4）： 99-106.

[13]辛婧. 三醋酸纤维素正渗透膜的制备及果汁浓缩研究[D]. 天津：天津大学，2014.

XIN J. Studies on preparation and fruit juice concentration of cellulose triacetate forward osmosis membrane[D]. Tianjin： Tianjin University， 2014.

[14]杨诗慧. 正渗透-反渗透组合工艺处理城市污水的研究[D]. 济南：山东大学，2019.

YANG S H. Study of forward osmosis-reverse osmosis process for municipal wastewater treatment[D]. Ji’nan： Shandong University， 2019.

[15]王书月. 基于正渗透技术的印染废水反渗透浓水处理研究[D]. 杭州：浙江大学，2020.

WANG S Y. Study on the treatment of textile reverse osmosis concentrate based on forward osmosis technology[D]. Hangzhou： Zhejiang University， 2020.

[16]严滨，李元高，廖文超，等. 正向渗透分离技术及其应用进展述评[J]. 厦门理工学院学报，2014，22（1）：37-41.

YAN B， LI Y G， LIAO W C， et al. Research advances in forward osmosis membrane separation technology and its application[J]. Journal of Lujiang University， 2014， 22（1）： 37-41.

[17]刘翠翠. 烟草西柏三烯二醇检测方法及其积累动态、分布研究[D]. 北京：中国农业科学院，2016.

LIU C C. Establishment and application of a detection method for investigating the accumulation distribution of cembratrien-diols in tobacco[D]. Beijing： Chinese Academy of Agricultural Sciences， 2016.

[18]李华雨，薛建中，王毅博，等. 再造烟叶生产浓缩过程中挥发性香味成分的变化[J]. 烟草科技，2018，51（12）：52-64.

LI H Y， XUE J Z， WANG Y B， et al. Variations of volatile aroma components during concentrating process of reconstituted tobacco production[J]. Tobacco Science & Technology， 2018， 51（12）： 52-64.

[19]张利涛，李华雨，田泱源，等. 液相色谱富集分离再造烟叶生产浓缩蒸发冷凝液中的香味成分[J]. 烟草科技，2020，53（12）：47-58.

ZHANG L T， LI H Y， TIAN Y Y， et al. Concentration and separation of aroma components from concentrated evaporative condensate from tobacco reconstitution by medium pressure preparation liquid chromatography[J]. Tobacco Science & Technology， 2020， 53（12）： 47-58.

[20]李华雨，常岭，王相凡，等. 再造烟叶生产中浓缩温度对提取液中中性香味成分的影响[J]. 烟草科技，2016，49（7）：60-69.

LI H Y， CHANG L， WANG X F， et al. Effects of concentration temperature on neutral aroma components in concentrated tobacco extract during reconstituted tobacco sheet production[J]. Tobacco Science & Technology， 2016， 49（7）： 60-69.

[21]高軍，丁嘉珅，秦超，等. 再造烟叶浓缩设备回收液可利用性研究[J]. 纸和造纸，2017，36（5）：36-38.

GAO J， DING J S， QIN C， et al. Study on the availability of recycled liquid from reconstituted tobacco concentration equipment[J]. Paper and Paper Making， 2017， 36（5）： 36-38.

[22]鲍现. 胺基化改性正渗透膜的抗膜污染能力和氨氮截留效能研究[D]. 哈尔滨：哈尔滨工业大学，2019.

BAO X. Study on the anti-fouling capacity and ammonia nitrogen rejection performance of amine-functionalized forward osmosis membrane[D]. Harbin： Harbin Institute of technology， 2019.

[23]王妍如. 正渗透工艺特性与二醋酸纤维素膜的制备与表征[D]. 西安：西安建筑科技大学，2016.

WANG Y R. Membrane filtration performance and fabrication of cellulose acetate membrane in forward osmosis technology[D]. Xi'an： Xi'an University of Architecture and Technology， 2016.

[24]赫荣强. 豆腐乳特征香气成分鉴定及其对滋味的影响研究[D]. 南宁：广西大学，2019.

HE RQ. Analysis of the characteristic aroma components of sufu and its effect on taste [D]. Nanning： Guangxi University， 2019.