电渗析对烟梗提取液中主要盐类物质的影响

王 建,马 迅,向海英,吴丽君,王保兴,徐广晋,李姗姗,孔宁川*

1.云南中烟工业有限责任公司技术中心,昆明市高新区科医路41号 650106

2.云南中烟再造烟叶有限责任公司,昆明市高新区科医路41号 650106

电渗析对烟梗提取液中主要盐类物质的影响

王 建1,马 迅1,向海英1,吴丽君1,王保兴1,徐广晋2,李姗姗2,孔宁川*1

1.云南中烟工业有限责任公司技术中心,昆明市高新区科医路41号 650106

2.云南中烟再造烟叶有限责任公司,昆明市高新区科医路41号 650106

为明确电渗析对烟梗提取液中主要盐类物质的影响,考察了电渗析对烟梗提取液4种无机酸盐(氯化物、硝酸盐、硫酸盐和磷酸盐)、3种金属盐(钾盐、镁盐和钙盐)及3种有机酸盐(苹果酸盐、草酸盐和柠檬酸盐)的脱除效果.结果表明:电渗析对不同的盐类物质脱除效果有差异,氯化物、硝酸盐和钾盐脱除较快.无机酸盐、金属盐和有机酸盐的脱除速率大小顺序分别为:氯化物gt;硝酸盐gt;硫酸盐gt;磷酸盐,钾盐gt;镁盐gt;钙盐,苹果酸盐gt;草酸盐gt;柠檬酸盐.利用电渗析在调控烟梗提取液中氯含量的同时,也可以降低其硝酸盐含量,进而实现对再造烟叶产品氯和硝酸盐指标的调控.

烟梗提取液;电渗析;无机酸盐;金属盐;有机酸盐

1 材料与方法

1.1 材料、试剂与仪器

烟梗提取液(国内再造烟叶生产企业提供).

氯化钠(AR,国药试剂);KOH(优级纯,美国Thermo公司);盐酸(优级纯,上海医药公司);甲磺酸(99.5%)、柠檬酸钠盐(≥99%)、DL-苹果酸二钠盐(≥95%)、草酸钠(≥99.5%)(美国Sigma-Aldrich公司);钾离子(K+)、镁离子(Mg2+)、钙离子(Ca2+)标准品(1 000µg/mL),氯离子(Cl-)、硝酸根(、硫酸根()、磷酸根()标准品(1 000µg/mL)(中国计量科学研究院).

IONLYZER-40-2040实验室电渗析脱盐系统(含1对电极,20对膜,其中阳离子交换膜为IONSEP-08,阴离子交换膜为IONSEP-06,杭州埃尔环保科技有限公司);雷磁PHB-4型pH计(上海仪电科学仪器股份有限公司);ICS-2000离子色谱分析仪(配有恒温电导检测器和AS40自动进样器)、IonPac AS11-HC阴离子分析柱、IonPac AG11阴离子保护柱、IonPac CS16阳离子分析柱、IonPac CG16阳离子保护柱(美国DIONEX公司);Milli-Q超纯水仪(美国Millipore公司);S150超声波清洗仪(德国Elma公司).

1.2 方法

1.2.1 烟梗提取液的电渗析

按照文献[15]的方法进行烟梗提取液的电渗析脱盐处理:组装电渗析系统,在淡室注入10 kg 10%(固含量,质量分数)烟梗提取液,浓室注入等量的自来水,极水室注入5 kg 0.5%(质量分数)的氯化钠溶液,电压设置为20 V,流量设置为460 L/h,电渗析在室温下进行,按照设定的时间取样检测.

1.2.2 离子检测

采用离子色谱法测定烟梗提取液中的Cl-、苹果酸根、草酸根和柠檬酸根,方法如下:

(1)阳离子的离子色谱条件.CG16保护柱(4X 50 mm),CS16分析柱(5X250 mm),CSRS-300自生电子抑制器,流动相为0.03 mol/L甲磺酸溶液,流速1.00 mL/min,进样体积25 μL,抑制器电流88 mA,运行时间35 min.

(2)阴离子的离子色谱条件.IonPac AS11-HC阳离子分析柱(5X250 mm),IonPac AG11-HC阳离子保护柱(4X50 mm),ASRS-300自生电子抑制器,淋洗液为1～60 mmol/L KOH溶液,淋洗液流速1.2 mL/min,进样体积25 μL,抑制器电流179 mA,柱温30℃,检测池温度35℃,运行时间50 min.

(3)有机酸根离子的离子色谱条件.IonPac AS11-HC阳离子分析柱(5X250 mm),IonPac AG11-HC阳离子保护柱(4X50 mm),ASRS-300自生电子抑制器,淋洗液为1～50 mmol/L KOH溶液,淋洗液流速1.2 mL/min,进样体积25 μL,抑制器电流179 mA,柱温30℃,检测池温度35℃,运行时间45 min.

1.2.3 数据处理

利用Microsoft Office Excel 2007软件对数据进行处理分析.

2 结果与讨论

2.1 电渗析对主要无机酸盐的影响

不同电渗析时间点烟梗提取液中氯离子、硝酸根、硫酸根和磷酸根离子的含量(质量浓度)及其脱除率如表1所示.由表1可以看出,电渗析对不同无机酸盐的脱除效果不同.

实验用烟梗提取液呈弱酸性(pH4.86),氯化物和硝酸盐主要以Cl-和形式存在,硫酸盐以和形式存在,磷酸盐以和形式存在.电渗析过程中,氯化物和硝酸盐含量快速下降,硫酸盐和磷酸盐含量缓慢下降.4种无机酸盐的脱除速率大小顺序为氯化物gt;硝酸盐gt;硫酸盐gt;磷酸盐.这些简单无机酸盐的脱除速率与无机酸根离子的价态和水合离子半径有关,价态低、水合离子半径小的无机阴离子脱除更快[18].在卷烟燃烧时和受其他离子或自身H+的强极化作用,分解产生硫氧化物和磷氧化物,对卷烟感官品质有负面影响[31-32].综上可知,电渗析能降低烟梗提取液中硫酸盐和磷酸盐的含量,从而有利于提升提取液的品质.

表1 不同电渗析时间对烟梗提取液阴离子脱除效果的影响①

2.2 电渗析对主要金属盐类的影响

电渗析对烟梗提取液钾离子、镁离子和钙离子的影响如表2所示.在弱酸性条件下,钾盐、镁盐和钙盐均以可溶性盐形式存在,溶液中K+、Mg2+、Ca2+即代表烟梗提取液中对应盐的含量.由表2可知,电渗析过程中,金属离子脱除速率大小顺序为K+gt;Mg2+gt;Ca2+.金属离子的脱除速率与离子的价态、水合离子大小有关[18],低价态、不易形成水合离子的K+可被快速脱除,而高价态、易形成水合离子的Mg2+和Ca2+脱除速度相对较慢.

值得注意的是,在电渗析过程中,K+比Cl-脱除速度慢,溶液的钾氯比随电渗析时间的延长而升高,从初始的2.43到20 min的3.27,电渗析35 min时,溶液的钾氯比则达到5.83.由于钾氯比是评价烤烟品质的重要指标,一般认为烟叶的钾氯比适宜范围为8～12,钾氯比偏高或偏低,烟叶的品质均较差[33],因此利用电渗析技术可以提高造纸法再造烟叶产品的钾氯比.镁盐和钙盐具有凝结烟灰的作用[28],虽然电渗析会脱除部分钙盐和镁盐,但与造纸法再造烟叶生产中添加的碳酸钙相比[34-37],损失量要小得多,说明电渗析导致的钙盐和镁盐损失对造纸法再造烟叶产品的影响较小.

2.3 电渗析对主要有机酸盐的影响

电渗析对烟梗提取液中苹果酸、草酸和柠檬酸等有机酸根的脱除也有一定影响,如表3所示.苹果酸盐和草酸盐属于二元酸盐,柠檬酸盐为三元酸盐.在弱酸性的烟梗提取液中,3种盐主要以酸式盐形式存在.由表3可知,在电渗析过程中,苹果酸盐含量降低较快,草酸盐和柠檬酸盐含量降低缓慢,3种有机酸盐的脱除速率大小顺序为苹果酸盐gt;草酸盐gt;柠檬酸盐.与简单无机酸盐的脱除效果相似,电渗析条件下有机酸盐的脱除速率也与有机酸根离子的价态和水合离子半径大小相关[18].利用电渗析技术脱氯时,烟梗提取液中苹果酸盐和柠檬酸盐的含量也有一定程度的下降,下降幅度与脱氯程度有关,脱氯程度越高,有机酸盐的损失量越大.当脱氯量低于50%时,苹果酸盐和柠檬酸盐的损失量不超过20%,因此,由电渗析脱盐引起的苹果酸盐和柠檬酸盐损失引起的再造烟叶产品品质变化较小.

表2 不同电渗析时间对烟梗提取液阳离子脱除效果的影响

表3 不同电渗析时间对烟梗提取液有机酸根离子脱除效果的影响①

3 结论

电渗析法脱除的烟梗提取液盐类物质中,氯化物的脱除速度最快,硝酸盐的脱除速度次之,表明利用电渗析技术调控烟梗提取液氯离子时,也可以降低烟梗提取液中硝酸盐的含量,这有利于提高造纸法再造烟叶产品的安全性.但由于K+脱除速度也较快,K+损失量较大,因此,还需要进一步研究离子特性与电渗析试验条件的关系,以提高脱除离子的选择性,最大限度地保留对提取液及再造烟叶感官品质有益的成分.

电渗析会改变烟梗提取液盐类物质的组成及盐类物质与非盐类物质的比例,进而影响产品的化学指标(如钾氯比)和烟气指标,以及产品的感官品质与安全性.如何科学合理利用电渗析技术调控氯离子的功能,挖掘调控带来的有利因素,并克服潜在的不利因素,尚需要进一步研究.

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责任编辑 洪广峰

Effects of Electrodialysis on the Major Salts in Tobacco Stem Extract

WANG Jian1,MA Xun1,XIANG Haiying1,WU Lijun1,WANG Baoxing1,XU Guangjin2,LI Shanshan2,and KONG Ningchuan*1
1.Technology Center,China Tobacco Yunnan Industrial Co.,Ltd.,Kunming 650106,China
2.China Tobacco Yunnan Reconstituted Tobacco Co.,Ltd.,Kunming 650106,China

In order to find out the effects of electrodialysis(ED)on the major salts in tobacco stem extract,the removal efficiencies of ED for four inorganic acid salts(chloride,nitrate,sulfate and phosphate),three metallic salts(potassium salt,magnesium salt and calcium salt)and three organic acid salts(malate,oxalate and citrate)were investigated.The results showed that:the removal efficiencies of ED for different kind salts differed,chloride,nitrate and potassium salts were removed more quickly;the order of removal rates for four inorganic acid salts was chloridegt;nitrategt;sulphategt;phosphate,for three metallic salts was potassium saltgt;magnesium saltgt;calcium salt,and for three organic acid salts was malategt;oxalategt;citrate.By regulating both chloride content and nitrate content in tobacco stem extract,ED further regulated the contents of chlorine and nitrate in reconstituted tobacco.

Tobacco stem extract;Electrodialysis;Inorganic acid salt;Metal salt;Organic acid salt

TS411.1,TS452.6

A

1002-0861(2015)10-0052-05

10.16135/j.issn1002-0861.20151009

造纸法再造烟叶是中式卷烟的重要原料之一,对中式卷烟降焦减害、强化卷烟风格特色、提高卷烟产品质量稳定性、降低原料消耗等具有重要作用.研究人员从提取、制浆、填料、助剂、外加纤维及生化技术等方面[1-9]开展了大量的研究,以提升再造烟叶的品质,提高其对中式卷烟的贡献度.近年来,造纸法再造烟叶工艺过程中烟草提取液处理技术已成为研究的热点之一[10-13].前期研究表明,利用电渗析技术可有效脱除烟梗提取液中的氯离子,从而实现对造纸法再造烟叶产品氯含量的调控[14-15].然而,电渗析对于离子的脱除并没有选择性,在脱氯的同时也会脱除一定量的其他离子[16-18].盐类是烟草中一类重要化学成分,不同的盐类物质因组成和性质方面的差异,在卷烟燃吸过程中具有不同的作用与功能[19].其中,苹果酸盐、柠檬酸盐和草酸盐具有平衡烟气酸碱性的作用[20-25];钾盐、镁盐和钙盐是灰分的主要来源,影响烟灰的凝灰性和灰色[26-28];氯化物和硝酸盐不仅影响卷烟的燃烧性能,也影响卷烟的安全性[26-27,29-30].目前,电渗析对烟梗提取液中主要离子(盐类)的影响研究尚未见文献报道.因此,利用电渗析技术对烟梗提取液进行了处理,旨在考察4种无机酸盐(氯化物、硝酸盐、硫酸盐和磷酸盐)、3种金属盐(钾盐、镁盐和钙盐)和3种有机酸盐(苹果酸盐、草酸盐和柠檬酸盐)的电渗析脱除效果,了解电渗析对烟草中不同盐类物质的影响,为再造烟叶中盐类化学成分的调控提供基础数据支撑.

2014-08-25

2015-06-11

中国烟草总公司重大专项项目quot;高比例烟梗造纸法再造烟叶产品的开发及应用研究quot;[110201401021(ZZ-02)];云南中烟工业有限责任公司科技项目quot;应用生化技术提高造纸法再造烟叶品质的研究quot;(2013FL08);云南中烟工业有限公司技术中心科技项目quot;全梗造纸法再造烟叶产品的开发及应用研究quot;(JSZX2014YL02).

王建(1969-),学士,工程师,主要从事造纸法再造烟叶研究.E-mail:jianwang1212@sina.com;*

孔宁川,E-mail:nchkong@126.com

王建,马迅,向海英,等.电渗析对烟梗提取液中主要盐类物质的影响[J].烟草科技,2015,48(10):52-56.WANG Jian,MA Xun,XIANG Haiying,et al.Effects of electrodialysis on the major salts in tobacco stem extract[J].Tobacco Scienceamp;Technology,2015,48(10):52-56.