再造煙葉原料煙梗中果膠的去除

張 軍,曹 茜,李新生,陳 敏,王 軍＊

1.中國農業大學食品科學與營養工程學院,北京市海淀區清華東路17號 100083

2.上海煙草集團有限責任公司技術中心煙草行業卷煙煙氣重點實驗室,上海市長陽路717號 200082

3.上海煙草集團太倉海煙再造煙葉有限公司,江蘇太倉港口開發區東方東路19號 215433

再造煙葉是利用卷煙過程中廢棄的煙梗、煙末和煙片等作為原料制成接近煙葉的薄片,從而再用于卷煙生產[1-2]。果膠是一種親水性植物膠,是以半乳糖醛酸為主的復合多糖類物質,存在于高等植物的葉、根、莖的細胞壁內,與細胞彼此粘合在一起[3-4]。果膠約占煙草質量的6%～12%,煙梗果膠分子在半乳糖醛酸主鏈中連接著2-吡喃型鼠李糖基,約22%的半乳糖醛酸甲基化[5]。果膠熱解產生甲醇[6-7],對煙氣吸味不利。另外,果膠發酵生成多達1.0%～1.5%的乙酸,乙酸產生辛辣和刺激味,也會影響煙氣的吸味。目前生產中常用熱水浸梗、洗梗的方法去除果膠,但由于果膠常與鈣等離子結合使其在水中的溶解度很低,致使該方法去除果膠的效果不好。而煙梗中果膠的研究多集中在采用生物技術的方法水解煙梗中的果膠[8-9],以及將煙梗作為廢棄物粉碎后提取其中的果膠[10-12]。而在不破壞煙梗物理狀態和影響在后續再造煙葉生產中應用的前提下,利用簡便的化學、物理方法去除其中果膠的研究卻很少見報道。因此,作者進行了此項研究。

研究煙梗中果膠的去除方法,首先需要選擇一種能夠簡便、準確測定煙梗中果膠含量的方法。果膠的測定方法主要有重量法、硫酸咔唑法、3,5-二硝基水楊酸顯色法[13]、3,5-二甲苯酚分光光度法[14]、高效液相色譜法[15]、酶解-流動分析法[16]等。本研究中采用改進的硫酸咔唑法測定煙梗中果膠的含量,該方法能有效消除煙梗中糖的干擾,簡便、準確地測定在浸提工藝前后煙梗中果膠的含量。

1 材料與方法

1.1 材料、試劑和儀器

煙梗(湖南,短梗),α-萘酚、EDTA、磷酸氫二銨、乙醇、磷酸氫二銨(AR,北京化工公司),六偏聚磷酸鈉(AR,汕頭市西朧化工廠),草酸銨(AR,天津市津科精細化工廠),硫酸(GR,北京化工廠),咔唑(GR,Sigm a-A ld rich公司),半乳糖醛酸鈉(GR,ACROS ORGAN ICS公司),果膠標準品(GR,Sigm a-A ld rich公司)。

THZ-82恒溫振蕩器(國華企業有限公司),恒溫水浴鍋(北京市長風儀器儀表公司),722-可見分光光度計(上海現科儀器有限公司),TD I-5A離心機(上海安亭科學儀器廠)。

1.2 方法

1.2.1 測定前處理

果膠水解成半乳糖醛酸,半乳糖醛酸在濃硫酸介質中與咔唑反應能形成穩定的紫紅色絡合物,在525 nm下有最大吸收,通過分光光度計測定出半乳糖醛酸的含量,即可換算出果膠的含量。水解液中的糖類化合物也與咔唑反應,干擾了測定結果,因此在測定之前用濃度為63%的乙醇溶液在85℃的水浴中洗滌10 min,除去果膠中糖類化合物,消除對測定果膠的干擾。

1.2.2 半乳糖醛酸標準曲線的繪制

配制濃度為0.04,0.06,0.08,0.10,0.12 m g/mL的一系列半乳糖醛酸鈉標準液,各取1 mL,加入0.5 mL的0.1%咔唑無水乙醇溶液,產生白色沉淀,搖勻后加入5 mL的濃硫酸,立即放入85℃的水浴中5 min,隨后冷卻15 min,于525 nm下測定吸光值,繪制標準曲線。

1.2.3 煙梗中果膠的提取與測定

提取:10 g煙梗→加提取助劑溶液→搖床中浸提→熱濾(70℃)→再提取一次→合并提取液→取5 mL濾液→50 mL離心管→加95%熱乙醇20 mL→水浴(85℃、10 min)→離心3000 r/min、15 min→沉淀→加63%熱乙醇洗滌(85℃、10 min)→離心(3000 r/min、15 min)棄上清液→重復3次去糖,用穆立虛反應法檢驗[17]→得果膠沉淀。

測定:溶解沉淀至100 mL容量瓶后用硫酸咔唑法[18]測定。

1.2.4 煙梗中總果膠含量的測定

按1.2.3的步驟,以H3PO4+NaH2PO4配制成pH為2.0的150 mL酸性溶液在90℃水浴搖床中浸提1 h,趁熱過濾,得1次濾液。再用草酸銨溶液150 mL,在90℃水浴搖床中浸提過濾后的煙梗1.5 h,重復1次,分別得2次和3次濾液。測定3次提取液中的果膠濃度,3次之和為煙梗中的總果膠含量。

1.2.5 果膠去除率計算

果膠去除率(%)=提取出的果膠總量/煙梗中總果膠的含量

2 結果與討論

2.1 煙梗果膠的測定

2.1.1 測定方法的驗證

按1.2.2步驟,配制不同濃度的標準溶液,用半乳糖醛酸鈉作外標,得標準曲線線性方程為:y=113.79x-0.9432、相關系數為:0.9980,可以看出方法線性良好。

按1.2.3步驟,在草酸銨濃度為1.20%,溫度為70℃,浸提時間為30 min,液料比為10∶1,pH為6的條件下浸提,測定吸光度值,計算果膠含量。平行浸提測定5個樣品,計算RSD值為:1.66%,RSD值小于5%,滿足樣品分析要求。通過標準加入法測定回收率。稱取兩個10.000 g煙梗樣品,分別加入果膠標準品0.3 g,在草酸銨濃度為1.20%,溫度為70℃,浸提時間為30 min,液料比為10∶1,pH為6的條件下分別浸提,測定其吸光度值。計算果膠含量計算出浸提方法的回收率為94.64%,表明該方法適用于煙梗中果膠去除率分析研究。

2.1.2 煙梗中總果膠含量的測定

煙梗中總果膠含量的測定結果見圖1,由圖1可知,3次浸提出果膠量分別為69.8,680,77.6 m g。第一次浸提出的果膠較少,是因為浸提液中的酸尚未能將煙梗中的纖維素、半纖維素、木質素破壞而使果膠暴露出來,從而浸提率不高。第三次浸提出的果膠只占3次之和的9%,說明前兩次已經浸提出煙梗中的絕大部分果膠,因此可認為3次之和等于煙梗中的總果膠含量。煙梗中總果膠約占重量的8.27%。

2.2 果膠提取工藝的優化

2.2.1 提取助劑的選擇

由于煙草果膠的水溶性較差,因此考慮對果膠可起絡合、沉淀等作用的助劑,選取水、EDTA溶液、六偏聚磷酸鈉溶液、磷酸氫二銨溶液、草酸銨溶液分別進行浸提后,對比分析它們的果膠去除效果。如圖2所示,水和EDTA溶液對煙梗果膠的去除率小于5%,六偏聚磷酸鈉溶液、磷酸氫二銨溶液、草酸銨溶液對果膠的去除率隨溶液濃度的增加而升高,其中草酸銨溶液的去除效果最好。

2.2.2 單因素的影響

草酸銨浸提去除煙梗果膠,影響果膠去除率的因素主要包括濃度、溫度、時間、液料比和pH,做單因素優化實驗,結果見圖3。從圖3可知,濃度在0.3%至0.9%區間內對果膠去除率的影響較大;溫度在90℃時去除率最高,但在70℃至80℃區間果膠去除率隨溫度升高最快;去除率隨時間的增加而變大,45～60 min區間增加最快,60～75 min區間增加緩慢;隨著液料比的增大,果膠去除率先以較快的速率增加,然后變緩慢,液料比達到20∶1時,果膠去除率基本保持不變;pH值對煙梗果膠去除率的影響較小,由于煙梗提取液呈弱酸性,在浸提工藝中通常不調節pH,因此在后續響應曲面優化實驗中不考慮此因素。

圖3 濃度、溫度、時間、料液比、pH對果膠去除效果的影響

2.2.3 響應曲面優化(RS M)

從單因素實驗中選出濃度、溫度、時間和料液4個因素,每個因素選取3個水平進行響應曲面分析,結果見表1。表中相對果膠去除率Z是[Z=X/Y:表中的每一因素組的果膠去除率減去前一個因素組的果膠去除率,如編號1∶0.90 70 60 20的果膠去除率減去編號1＊∶0.60 60 45 15的果膠去除率,所得值記為X;用各項因素中能量因素的乘積除以各因素的基礎能量的乘積,如編號1∶0.90 70 60 20中為0.90×70×60×20/(0.60×60×30×10),所得記為Y]表征以單位耗能去除果膠的相對比率。相對果膠去除率是在考慮到能耗等經濟因素的基礎上建立的,而不是單純追求指標最大化,對于如何在單位能耗的條件下優化生產工藝,提高經濟效益具有重要意義。

根據表1的實驗設計,利用Design expert7.1軟件計算出四因素與相對果膠去除率之間的回歸關系式為:

相對果膠去除率=5.87-2.93A+0.98B-0.80C-3.00D-1.50AB-1.04AC+0.80AD-0.12BC+0.42BD+0.71CD+1.20A2+0.58B2+0.77C2+1.25D2

回歸曲線見圖4所示。

相對果膠去除率的回歸曲線后做方差分析,結果見表2。根據表1與表2的結果,在控制其中兩因素的值不變的前提下,改變另外兩個因素的值,作出這兩變量之間的變化關系圖,各因素的交互作用圖見圖5。分析表2與圖5可知,各因素對果膠去除率影響的顯著性依次為:濃度A、液料比D>溫度B>時間C(其中時間是非顯著性因素);濃度與溫度交互作用接近顯著,溫度與時間交互作用不顯著,濃度與液料比交互作用不顯著,溫度與時間交互作用不顯著,溫度與液料比交互作用不顯著,時間與液料比交互作用不顯著。

在Design expert7.1軟件中設定相對果膠去除率在0～15%之間,根據響應面數據得出此范圍內的可信實驗方案見表3。從表中選取可信度計算值最高的1號實驗方案,果膠提取去除條件為:草酸銨濃度1.2%,反應溫度60℃,浸提時間30 min,液料比10∶1。在此條件下,做驗證實驗得果膠去除率為30.18%,與軟件計算提供的方案結果相差2.4%,說明該方案條件可信、有效。

表1 響應曲面實驗結果

圖4 果膠去除率的回歸曲線

表2 方差分析數據

3 結論

建立了在去糖基礎上的硫酸咔唑果膠分析方法,并以該方法為基礎,通過二次作差響應曲面實驗分析方法,對煙梗果膠浸提工藝進行優化,最佳工藝條件為:1.2%草酸銨溶液,液料比為10∶1,提取溫度為60℃,浸提時間為30 min。采用此工藝條件,果膠去除率可達到30.18%,用該方法處理后的煙梗應用于再造煙葉制造,其中果膠含量降低。

表3 可信實驗方案數據表

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