正滲透技術制備煙草香料的濃縮工藝優化

王浩雅，王乃定，張 強，李相鵬，徐重軍，劉 婷，徐世濤，常 健，楊皓天，李 晉，李忠任，蘇 毅，許 健

（1. 云南中煙新材料科技有限公司，云南昆明 650106；2. 山東瑞博斯煙草有限公司，山東臨沂 276400；3. 云南中煙工業有限責任公司技術中心，云南昆明 650202）

正滲透（Forward osmosis，FO；又稱directosmosis） 技術是在常壓下以膜兩側滲透壓差為驅動力，自發實現水傳遞的膜分離過程。FO 具有顯著的優勢[1-4]，如低壓甚至無壓操作、低能耗、較高的截留率、優良脫鹽性能、低膜污染、高回收率、零排放、環境污染小等[5]。FO 技術已廣泛應用于海水淡化[6-8]、食品和醫藥、污水處理、蛋白質濃縮等行業[9-14]。此外，FO技術具有利用膜兩側滲透壓差發電的能力，FO 技術是國際上最前沿、最具潛力、最熱門的研究領域[15]，但在煙草行業應用研究甚少。

傳統FO 膜在運行時面臨膜污染、汲取劑回收、濃差極化、通量和截留率降低等問題，一般可通過清洗、周期性維護等方式提高處理效率和延長膜使用壽命[16-25]。雖然FO 技術研究已經取得了一定的進展，但在煙草行業應用時，如何實現汲取劑用量最小、用時最短、性價比最高、有效截留較高等仍需繼續探究。

通過FO 技術研究，以NaCl 作為汲取劑，探究汲取劑用量較小、汲取劑遷移較小、耗時較短、對感官品質負面影響較小等系列技術問題，以期實現制備煙草香料的FO 濃縮工藝優化。

1 材料與方法

1.1 試驗材料、試劑和儀器

原料：2018 年云南紅大煙葉復烤碎片，云南中煙工業有限責任公司技術中心提供。

汲取劑：食品級NaCl。

儀器：正滲透濃縮裝置，廈門國初科技有限公司產品；R114 型旋轉蒸發儀，瑞士Buchi 公司產品；GCMS-QP2020 型氣相色譜質譜聯用儀，日本島津公司產品；HP-5MS 型毛細管色譜柱，美國Agilent 公司產品；AA3 型連續流動分析儀，德國Bran Luebbe公司產品；AX405 型電子天平（感量0.000 1 g），瑞士METTLER TOLEDO 公司產品。

1.2 試驗方法

1.2.1 提取

將煙葉復烤碎片與水以料液質量比1∶8 混合，進行水浴熱提取，溫度為70 ℃，時間為2 h，提取后擠干。將擠干后的煙葉復烤碎片與水以料液質量比為1∶6 進行水浴熱提取，溫度為70 ℃，時間為2 h，擠干，將2 次提取液混合，得到固體含量4.3%的煙草提取液，并依次采用200 目、500 目濾布進行2 次濾布過濾，得到澄清濾液待用。

1.2.2 蒸發濃縮

取1.2.1 中制備的澄清煙草提取液10.3 kg，置于旋轉蒸發儀中于100 mbar 真空度，水浴溫度為70 ℃條件下，進行蒸發濃縮至浸膏固含量為55%作為對照樣品。

1.2.3 正滲透濃縮

（1） 正滲透濃縮（未優化）。取1.2.1 中制備的澄清煙草提取液20 kg，置于正滲透濃縮裝置的濃縮室中，以水孔蛋白中空纖維正滲透膜為分離膜，飽和NaCl 溶液為汲取液，室溫下進行多級濃縮，煙草提取液及汲取液流速均控制為0.7 L/min。一級濃縮使用0.8 L 飽和NaCl 溶液作汲取液，當汲取液喪失汲取能力時，更換相同量的飽和NaCl 溶液作為汲取液進行二級濃縮，以此類推更換汲取液直至煙草浸膏固含量為55%。

（2） 正滲透濃縮（優化）。正向濃縮的速率主要取決于兩邊溶液的滲透壓差（π=CRT），當壓差較大時，濃縮速率較快，當壓差較小時，濃縮速率較慢，甚至停止濃縮。NaCl 飽和溶液與煙草水提物滲透壓差通過摩爾質子數計算及測定，在相同質量分數時，NaCl 飽和溶液的滲透壓是煙草水提物的3～4 倍，基于該原理設計優化的分段濃縮工藝，為大幅減少NaCl 的使用量，將起始低固含量煙草水提物濃縮至高固含量。

采用倒推法計算NaCl 溶液的濃度，如3 段式正滲透濃縮即第3 次濃縮后的汲取液用于下一批次樣品第2 次濃縮，第2 次濃縮后汲取液用于下一批次樣品第1 次濃縮，多次循環使用后NaCl 消耗量計算每次新加入的量。

1.3 檢測方法

1.3.1 常規化學成分、理化指標的檢測

（1） 常規化學成分。樣品的氯離子含量、總糖含量、還原糖含量、總氮含量、煙堿含量、鉀離子含量分別按照標準GB 5009.44—2016，YC/T 159—2002，YC/T 161—2002，YC/T 383—2010，YC/T 173—2003 規定的方法測定。

（2） 理化指標。樣品的酸值、相對密度、折光指數、揮發性成分總量、溶混度分別按照標準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 規定的方法測定。

1.3.2 致香成分的檢測

（1） 浸膏前處理。稱取25 g 樣品，加入350 mL蒸餾水，混勻。以30 mL 二氯甲烷為萃取劑，采用同時蒸餾萃取法萃取時間2 h。二氯甲烷萃取液于水浴溫度45 ℃濃縮后，加入20 μg 萘作內標，準確定容至1 mL，進行GC-MS 分析。

（2） GC-MS 分析條件。①氣相色譜條件。色譜柱為DB-5MS 型石英毛細管柱（30 m×0.25 mm，0.25 μm），進樣口溫度200 ℃，柱箱溫度60 ℃，進樣模式：分流，柱流量1 mL/min，吹掃流量3 mL/min，分流比5∶1，載氣：高純氦，進樣量1 μL，溶劑延遲2 min。②質譜條件。電離方式：EI，電子能量70 eV，接口溫度250 ℃，離子源溫度200 ℃，采集方式：scan，掃描范圍40～500 amu。③標準質譜圖庫：NIST。

2 結果與分析

2.1 不同濃縮工藝汲取劑用量等經濟指標對比分析

不同濃縮方式各指標對比情況見表1。

由表1 可以看出，在實驗室開展濃縮試驗，正滲透濃縮在時間上顯著優于傳統的蒸發濃縮；不同段數的正滲透濃縮處理，隨著濃縮段數增加，濃縮時間越長，NaCl 的消耗量越小，如5 段式正滲透濃縮較1 段式正滲透濃縮汲取劑消耗量降幅68%；相同段數的正滲透濃縮處理，優化的正滲透濃縮比均分的正滲透濃縮NaCl 的消耗量小，時間也越短，如2段式優化正滲透濃縮較2 段式均分正滲透濃縮汲取劑消耗量降幅62%；3 段式優化正滲透濃縮較3 段式均分正滲透濃縮汲取劑消耗量降幅28%。

表1 不同濃縮方式各指標對比情況

2.2 不同優化段循環使用汲取劑對比分析

將起始固含量為4.8%煙草水提物10.3 kg 濃縮至固含量為55%（此時NaCl 溶液濃度大于18%），進行1～4 分段正滲透濃縮耗鹽試驗。

1 段式正滲透濃縮前后汲取劑和煙草提取液對比見表2，2 段式優化正滲透濃縮前后汲取劑和煙草提取液對比見表3，3 段式優化正滲透濃縮前后汲取劑和煙草提取液對比見表4，4 段式優化正滲透濃縮前后汲取劑和煙草提取液對比見表5。

表2 1 段式正滲透濃縮前后汲取劑和煙草提取液對比

表3 2 段式正滲透濃縮前后汲取劑和煙草提取液對比

表4 3 段式正滲透濃縮前后汲取劑和煙草提取液對比

由表2 ～表5 可以看出，分段次數越多NaCl 消耗量越少，故后期回收能耗將越少，由于考慮受投資規模及工序步驟繁瑣性影響，選擇3 段式優化為正向濃縮較優工藝，具體分段點通過提取液、汲取液的滲透壓差、起始濃度及最終目標濃度計算劃分。

表5 4 段式正滲透濃縮前后汲取劑和煙草提取液對比

同樣生產0.9 kg 煙草水提香料，采用2 段優化工藝，循環使用汲取液，每次新加入NaCl 溶液1 kg；采用3 段優化工藝，循環使用汲取液，每次新加入NaCl 溶液0.55 kg；采用4 段優化工藝，循環使用汲取液，每次新加入NaCl 溶液0.4 kg，從經濟、環保、能耗角度考慮選擇3 段優化工藝耗鹽量較小。

2.3 不同濃縮工藝對煙草提取液致香物質影響

實驗室不同濃縮方式致香成分對比情況見表6，1 段式正滲透濃縮液揮發性成分總離子流色譜圖見圖1，2 段式優化正滲透濃縮液揮發性成分總離子流色譜圖見圖2，3 段式優化正滲透濃縮液揮發性成分總離子流色譜圖見圖3，4 段式優化正滲透濃縮液揮發性成分總離子流色譜圖見圖4，5 段式正滲透濃縮液揮發性成分總離子流色譜圖見圖5，蒸發濃縮液揮發性成分總離子流色譜圖見圖6。

圖1 1 段式正滲透濃縮液揮發性成分總離子流色譜圖

圖2 2 段式優化正滲透濃縮液揮發性成分總離子流色譜圖

圖3 3 段式優化正滲透濃縮液揮發性成分總離子流色譜圖

圖4 4 段式優化正滲透濃縮液揮發性成分總離子流色譜圖

圖5 5 段式正滲透濃縮液揮發性成分總離子流色譜圖

圖6 蒸發濃縮液揮發性成分總離子流色譜圖

由表6 可以看出，正滲透濃縮對多數致香物質的保留顯著優于蒸發濃縮即傳統工藝（對照），但是正滲透濃縮的各處理中，隨著段數增加致香成總量會呈現降低趨勢，1～5 段式優化正滲透濃縮的煙草提取液致香成分總量增幅分別為23.99%，21.16%，20.69%，11.37%，15.15%，可以看出4，5 段式優化正滲透濃縮的煙草提取液致香成分總量增幅較1，2，3 段式優化正滲透濃縮下降的較多；1，2 段式優化正滲透濃縮汲取劑用量較3 段優化正滲透濃縮耗鹽量較多，從節約資源、能源消耗、致香成分等方面綜合考慮性價比較高，優選3 段式優化正滲透濃縮。

表6 實驗室不同濃縮方式致香成分對比情況

2.4 不同濃縮工藝對煙草提取液化學成分影響

不同濃縮方式煙草香料化學成分對比情況見表7。

由表7 可以看出，煙草提取液的正滲透濃縮的常規化學成分與蒸發濃縮即傳統工藝（對照） 差異不大，但在正滲透濃縮各處理中，隨著分段數的增加，氯離子遷移率逐漸增大，1～5 段式正滲透濃縮相對于蒸發濃縮即傳統工藝氯離子的轉移率為29%～42%，是香料產品可以接受的范圍，說明離子遷移是在可接受范圍。

表7 不同濃縮方式煙草香料化學成分對比情況

2.5 不同濃縮工藝對煙草提取液物理指標影響

不同濃縮方式煙草香料物理指標對比情況見表8。

由表8 可以看出，正滲透濃縮的煙草提取液酸值（A.V.）、揮發性成分總量指標顯著優于蒸發濃縮即傳統工藝（對照）。

表8 不同濃縮方式煙草香料物理指標對比情況

3 結論

為了以較小的汲取劑用量及遷移量、較短時間、較經濟的方式來濃縮煙草水提物，試驗以NaCl 溶液作為汲取劑，烤煙水提物作為原液，優化正滲透技術工藝，研究表明：

（1） 分析不同濃縮工藝汲取劑用量等經濟指標，顯示不同段數的正滲透濃縮處理，隨著濃縮段數增加，濃縮時間越長，NaCl 溶液的消耗量越小；相同段數的正滲透濃縮處理，優化的正滲透濃縮比均分的正滲透濃縮NaCl 的消耗量小，時間也越短。

（2） 對比不同優化段正滲透濃縮前后煙草提取液，顯示正向濃縮的速率主要取決于兩邊溶液的滲透壓差，當壓差較大時，濃縮較快，反之亦然。理論上分段次數越多NaCl 消耗量及后期回收能耗將越少，結合投資規模及工序步驟繁瑣性影響，選擇3 段式優化為正向濃縮較優工藝。

（3） 分析不同濃縮工藝對煙草提取液致香物質影響，表明正滲透濃縮對多數致香物質的保留顯著優于蒸發濃縮，但隨著段數增加致香成總量會呈降低趨勢。

（4） 分析不同濃縮工藝對煙草提取液化學成分影響，正滲透濃縮對各常規化學成分與蒸發濃縮差異不大，但隨著分段數的增加，氯離子遷移率逐漸增大。

（5） 不同濃縮工藝對煙草提取液物理指標影響，煙草提取液的正滲透濃縮酸值、揮發性成分總量顯著優于蒸發濃縮。

對比分析不同段濃縮、優化段濃縮對煙草提取液的經濟指標、致香成分、常規化學成分、物理等指標，顯示以3 段式優化濃縮所需的汲取劑NaCl 的量較小，氯離子遷移率較小、濃縮時間較短、汲取劑煙草香料品質影響較小，是性價比較高的濃縮工藝，同時優化后的正滲透濃縮工藝，可以降低膜污染的時間、延長膜壽命，為該技術在煙草香料或制備涂布液濃縮工藝段的應用，以及實現汲取劑用量小、用時短、性價比高提供技術支撐。