膜分离精制薄片叶膏挥发性成分分析及卷烟纸加香应用研究

许春平，周鹏飞 ，刘远上，薛芳，苏海洋，贾学伟，梁永伟，施丰成

1.郑州轻工业大学 食品与生物工程学院，河南 郑州 450001；2.河北中烟工业有限责任公司 技术中心，河北 石家庄 050000；3.四川中烟工业有限责任公司 技术中心/卷烟减害降焦四川省重点实验室，四川 成都 610000

0 引言

烟草薄片叶膏是再造烟叶的重要组成部分，其制作过程主要以适宜比例的水对烟草原料进行加热浸提，将提取液经过一系列加工处理最终得到薄片叶膏。影响薄片叶膏品质的主要因素是杂质和芳香成分的含量。膜分离技术作为一种高效的分离浓缩技术，应用于薄片叶膏，可有效去除叶膏所含的蛋白质、果胶、淀粉等大分子杂质[1-2]。高猛峰等[3]对薄片叶膏进行超滤和纳滤的膜分离处理后，蛋白质、果胶和淀粉的去除率分别在60%、80%和80%以上，除杂和澄清效果良好；优化的膜浓缩工艺将原有芳香成分增加量由29.2%提高至34.8%。杜锐等[4]研究了膜分离技术在提高再造烟叶品质方面的应用效果，发现经过膜分离技术处理的烟梗、烟末萃取液中的总氮含量分别下降62.5%和 67.8%，果胶基本去除；利用处理后的烟梗和烟末萃取液制备的再造烟叶感官品质均有提升。张静楠等[5]将膜分离技术应用于再造烟叶生产，可有效降低烟叶提取液中的烟叶碎渣和蛋白质含量，改善和提高了再造烟叶的感官评吸品质。吴彦等[6]采用膜分离技术对罗汉果浸膏进行精制，并对其进行卷烟加香，得到的膜分离组分加香效果最好，香气明显，香气量小，刺激性小。

目前，利用膜分离技术分离薄片叶膏的研究较多，但对于分离后组分的香味成分分析及卷烟纸加香应用的研究鲜有报道。鉴于此，本文拟选用膜分离技术对制备的薄片叶膏进行分离，采用气相色谱质谱(GC-MS)技术分析各个组分的挥发性成分并进行主成分分析，将不同组分添加到卷烟纸上，考查其加香效果，分析加香卷烟烟气粒相物中挥发性成分对吸味产生的影响及其原因，以期为薄片叶膏开发及卷烟纸加香的应用提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

主要材料：薄片叶膏、宽窄试制卷烟，四川中烟有限责任公司提供。

主要试剂：无水乙醇(AR)，天津市富宇化工有限公司产；乙酸苯乙酯(色谱纯)，美国SIGMA公司产；50 nm陶瓷膜、100 kD有机膜和10 kD有机膜，济南博纳生物技术有限公司产。

主要仪器：BONA-GM-22陶瓷膜小型试验机、BONA-GM-18有机膜小型试验机，济南博纳生物技术有限公司产；SB-3200DT型超声波清洗机，宁波新芝生物科技股份有限公司产；Agilent 6890GC/5973MS气相色谱质谱联用仪，美国Agilent公司产；RM20 H20型孔道转盘型吸烟机，德国Borgwalt-KC 公司产。

1.2 实验方法

1.2.1 薄片叶膏膜分离取200 mL薄片叶膏置于2000 mL的烧杯中，加入800 mL去离子水，待叶膏完全稀释后进行膜分离实验，工艺流程如图1所示。将未进行膜分离实验的组分记为M0；使用50 nm陶瓷膜去除固形颗粒杂质，得到透过组分M1和截留组分M2(500 mL)；将M1使用100 kD有机膜分离，得到透过组分M3和截留组分M4(200 mL)；将M3使用10 kD有机膜分离，得到透过组分M5(200 mL)和截留组分M6(100 mL)。膜分离设备在操作过程中压力为0.8 MPa，流速为1.25 L/h。

图1 薄片叶膏膜分离实验工艺流程Fig.1 Process flow of membrane separation experiments of reconsitution tobacco extract

1.2.2 膜分离组分挥发性成分分析取M0、M2、M4、M5、M6组分各10 mL于锥形瓶中，再加入30 mL二氯甲烷超声萃取30 min。将得到的二氯甲烷萃取液在分液漏斗中静置分层30 min，取下层萃取液并将其置于50 ℃和常压下浓缩至1 mL，以乙酸苯乙酯作内标，使用GC-MS联用仪进行分析。

GC条件：HP-5 MS毛细管柱(60 m×0.32 mm×0.25 μm)；进样口温度230 ℃；汽化温度270 ℃；载气He；流速1.0 mL /min；分流比10∶1；进样量1 μL。升温程序为初始温度40 ℃，维持5 min；以6 ℃/min的速度升至140 ℃，维持2 min；以3 ℃/min的速度升至260 ℃，维持5 min；以6 ℃/min的速度升至280 ℃，维持8 min。

MS条件：接口温度280 ℃，离子源温度230 ℃，四极杆温度150 ℃，离子化方式EI，电子能量70 eV，质量扫描范围35～350 amu。

1.2.3 膜分离组分主成分分析利用SPSS软件进行主成分分析，根据相关系数列出相关矩阵，求出特征值及其相应的特征向量，从特征根中选出几个较大的特征值及其特征向量，使其累积贡献率在80%以上。

1.2.4 膜分离组分卷烟纸加香样品感官评吸用进样针将M0、M2、M4、M5、M6组分分别均匀涂布在卷烟纸上，涂布剂量为15 μL。将已涂布的卷烟样品在温度 22 ℃、相对湿度 60%的条件下平衡48 h，然后进行感官评吸。评吸小组由8位成员组成，评吸标准参照文献[7]。

1.2.5 卷烟纸加香烟气挥发性成分分析根据感官评吸结果选择效果最好的组分进行烟气分析。制备加香卷烟40支、空白卷烟 40 支，在温度(22±1)℃、相对湿度(60±2)%的条件下平衡48 h，然后进行吸烟机抽吸。吸烟机实验条件：抽吸容量35 mL，抽吸持续时间2 s，抽吸间隔58 s。参照文献[8]用剑桥滤片捕集卷烟烟气粒相物。对剑桥滤片进行同时超声萃取，采用GC-MS技术分析烟气粒相物中的挥发性成分，GC-MS分析条件同1.2.2。

2 结果与讨论

2.1 挥发性成分分析结果

由GC-MS分析得到如下结果：M0、M2、M4、M5和M6这5个组分共检测出76种挥发性成分，各组分检测量分别为68种、45种、45种、7种和36种，其挥发性成分总量分别为1 109.03 μg/mL、1 042.14 μg/mL、828.02 μg/mL、92.00 μg/mL、762.42 μg/mL。膜分离组分中匹配度大于80的挥发性成分及含量如表1所示。由表1可知，广泛存在于5个组分中的成分有烟碱和2,2′-亚甲基双-(4-甲基-6-叔丁基苯酚)，而M5组分特有的成分为2-乙基己醇、顺式-1-(环己基甲基)-4-乙基-环己烷。与M0组分相比，M2、M4、M5和M6组分中各个成分(烷烃除外)的种类和含量都有不同程度的减少，这可能是因为分子质量较大的成分在膜分离过程中遭到了截留；与M0组分相比，M2、M4、M5和M6组分新检出芥酸酰胺、麦斯明、己二酸二(2-乙基己)酯等成分，其原因可能是M0组分中成分种类较多，且这些成分与某些含量大的成分之间保留时间相近，含量高成分的峰将其掩盖，导致M0中没有分析出或仅能分析出较少的该种成分[6]。

表1 膜分离组分挥发性成分及含量Table 1 Volatile components and content of membrane separation fractions μg·mL-1

2.2 主成分分析结果

对表1中的40种挥发性成分进行主成分分析，3个主成分的贡献率如表2所示、主成分的载荷矩阵如表3所示。由表2可知，前3个主成分的累积贡献率为85.921%，说明前3个主成分包含了40种化合物的绝大部分信息，因此可以提取3个主成分概括样品香气成分的总信息量，对样品进行综合评价[9]。由表3可知，巨豆三烯酮、棕榈酸、2,2'-亚甲基双-(4-甲基-6-叔丁基苯酚)、亚油酸、棕榈酸乙酯等在第1主成分上有较高载荷，说明第1主成分主要反映了上述化合物指标的信息；同理，第2主成分主要反映了3-羟基-β-大马酮、芥酸酰胺等化合物指标的信息；第3主成分主要反映了DL-泛酰内酯、金合欢基丙酮、十二烷、异丙肾上腺素、1-亚乙基新十八氢-7a-甲基-，(1Z，3a.α，7a.β)-1 H-茚等化合物指标的信息。

表2 3个主成分的贡献率Table 2 Contribution rate of three principal components

表3 主成分载荷矩阵Table 3 Principal components load matrix

根据表1中5个样品的40种香气成分的相对含量、表2中3个主成分的特征值和表3中40种香气成分的载荷值计算出5个样品的第1、第2、第3主成分值，然后以第1主成分值为Z坐标、第2主成分值为Y坐标、第3主成分值为X坐标作散点图(见图2)。由图2可知，5个样品根据距离远近分为4个区域，其中M2和M5主成分比较相似，与其他3个组分有较大差距。结合表3可知，影响M0组分的香味成分主要集中在第2主成分的正半轴、第2主成分负半轴和第3主成分负半轴，如巨豆三烯酮、棕榈酸、天然维生素E、2,2′-亚甲基双-(4-甲基-6-叔丁基苯酚)、亚油酸、11,12-二羟基螺酯-1(10)-烯-2-酮、3-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸正十八烷醇酯等。影响M2组分的香味成分主要集中在第1主成分负半轴、第2主成分负半轴和第3主成分负半轴，为十二烷、十二烷、DL-泛酰内酯、金合欢基丙酮等，其中金合欢基丙酮[10]具有清甜香、玫瑰香，能赋予卷烟清香香韵。影响M4组分的香味成分主要集中在第1主成分负半轴、第2主成分正半轴和第3主成分负半轴，为芥酸酰胺、2-(1′，2′-二羟基-1′-甲基乙基)-6,10-二甲基螺环[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。影响M5组分的香味成分主要集中在第1主成分负半轴、第2主成分负半轴和第3主成分负半轴，为2-乙基己醇、顺式-1-(环己基甲基)-4-乙基-环己烷等。影响M6组分的香味成分主要集中在第1主成分负半轴、第2主成分负半轴和第3主成分负半轴，为烟碱、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。

图2 膜分离组分主成分散点图Fig.2 Dispersion points of main components of membrane separation fractions

2.3 卷烟纸加香样品感官评吸结果

膜分离组分的卷烟纸加香样品感官评吸结果见表4。由表4可以看出，M5组分的感官评吸结果最佳，能增加卷烟香气，使烟气柔和、刺激性减小，还可提高余味舒适度。M0中含有蛋白质、淀粉、蜡质等成分，这些成分会影响卷烟的感官品质[11-13]；M2中也含有一定量的蛋白质、淀粉、蜡质等成分，而且在过滤时可能会损失或破坏某些香气成分进而影响加香效果；M4中的蛋白质、淀粉、蜡质等大分子成分已被前一步处理中使用的50 nm陶瓷膜截留，但是一些香味成分也可能损失或被破坏，因此也会影响加香效果[14]。M5中影响吸味的大分子成分已被过滤，而且特征香味成分较纯净且含量丰富，如2-乙基己醇、己二酸二(2-乙基己)酯，因而其感官评吸效果最佳；M6中可能仍含有一些非香气成分或影响香气的成分，因此其加香效果欠佳。

表4 膜分离组分的卷烟纸加香样品感官评吸结果Table 4 Sensory evaluation results of cigarette paper falaving by membrane separation fractions

2.4 卷烟纸加香样品烟气粒相物挥发性成分分析结果

将感官评吸效果较好的M5组分添加至卷烟纸中制备加香卷烟样品作为实验组，以空白卷烟样品为对照组，分析卷烟样品烟气粒相物挥发性成分，结果如表5所示。由表5可知，对照组共检测出41种化学成分，其挥发性成分总含量为553.93 μg/mL，M5组分共检测出40种化学成分，其挥发性成分总含量为952.13 μg/mL。与对照组相比，M5组分加香卷烟烟气粒相物中含量增加的化合物主要有棕榈酸、甲基环戊烯醇酮、(+)-香橙烯、(1S，3S，6R)-(-)-4-苝烯、反式角鲨烯、3-甲基-1H-吲哚等。棕榈酸为十六烷酸,可以中和烟气，使烟气更加柔和，余味更加舒适。甲基环戊烯醇酮是一种具有焦甜香、烘烤栗子香的重要香味成分，可以赋予卷烟独特的香味特征[15]。(+)-香橙烯、(1S，3S，6R)-(-)-4-苝烯、反式角鲨烯都是萜烯类化合物[16-17]，是重要的香味成分。其中，反式角鲨烯是烟叶中非色素的萜烯类成分，既能增进烟叶的吸味和香气，又可通过降解转化形成致香成分。3-甲基-1 H-吲哚为杂环类化合物，是配制茉莉花香型的重要原料，具有鲜韵花香[18]。根据加香卷烟烟气挥发性成分分析可以推测出，卷烟中加入M5组分后，烟气中的烷酸、酮类、萜烯类、杂环类成分增加较多，个别香味成分也明显增多，因此卷烟品质得到了提高。

表5 卷烟烟气粒相物挥发性成分对比结果

3 结论

本文将薄片叶膏经50 nm陶瓷膜、100 kD有机膜和10 kD有机膜分离处理后共得到5个组分(分别为M0、M2、M4、M5和M6)，采用GC-MS对5个组分进行分析，分别检测出68种、45种、45种、7种和36种挥发性成分，其挥发性成分总量分别为1 109.03 μg/mL、1 042.14 μg/mL、828.02 μg/mL、92.00 μg/mL、762.42 μg/mL。对挥发性成分进行主成分分析发现，M2和M5组分的香味成分有一定的相似性，但与其他3组样品有明显差异，其中影响M5组分的香味主成分主要为2-乙基己醇、顺式-1-(环己基甲基)-4-乙基-环己烷等。将5种组分分别添加至卷烟纸中进行感官评吸，结果表明，M5组分的感官评吸效果最好，加香后的卷烟特征膏甜香和烟草本香明显增加，吸味更醇和，刺激性也有所改善；烟气中的酚类、烷烃类和苯类成分增加较多，个别香味成分(如甲基环戊烯醇酮、(+)-香橙烯等)也明显增多，从而使卷烟品质得到提高。