再造烟叶原料烟梗中果胶的去除

张 军,曹 茜,李新生,陈 敏,王 军＊

1.中国农业大学食品科学与营养工程学院,北京市海淀区清华东路17号 100083

2.上海烟草集团有限责任公司技术中心烟草行业卷烟烟气重点实验室,上海市长阳路717号 200082

3.上海烟草集团太仓海烟再造烟叶有限公司,江苏太仓港口开发区东方东路19号 215433

再造烟叶是利用卷烟过程中废弃的烟梗、烟末和烟片等作为原料制成接近烟叶的薄片,从而再用于卷烟生产[1-2]。果胶是一种亲水性植物胶,是以半乳糖醛酸为主的复合多糖类物质,存在于高等植物的叶、根、茎的细胞壁内,与细胞彼此粘合在一起[3-4]。果胶约占烟草质量的6%～12%,烟梗果胶分子在半乳糖醛酸主链中连接着2-吡喃型鼠李糖基,约22%的半乳糖醛酸甲基化[5]。果胶热解产生甲醇[6-7],对烟气吸味不利。另外,果胶发酵生成多达1.0%～1.5%的乙酸,乙酸产生辛辣和刺激味,也会影响烟气的吸味。目前生产中常用热水浸梗、洗梗的方法去除果胶,但由于果胶常与钙等离子结合使其在水中的溶解度很低,致使该方法去除果胶的效果不好。而烟梗中果胶的研究多集中在采用生物技术的方法水解烟梗中的果胶[8-9],以及将烟梗作为废弃物粉碎后提取其中的果胶[10-12]。而在不破坏烟梗物理状态和影响在后续再造烟叶生产中应用的前提下,利用简便的化学、物理方法去除其中果胶的研究却很少见报道。因此,作者进行了此项研究。

研究烟梗中果胶的去除方法,首先需要选择一种能够简便、准确测定烟梗中果胶含量的方法。果胶的测定方法主要有重量法、硫酸咔唑法、3,5-二硝基水杨酸显色法[13]、3,5-二甲苯酚分光光度法[14]、高效液相色谱法[15]、酶解-流动分析法[16]等。本研究中采用改进的硫酸咔唑法测定烟梗中果胶的含量,该方法能有效消除烟梗中糖的干扰,简便、准确地测定在浸提工艺前后烟梗中果胶的含量。

1 材料与方法

1.1 材料、试剂和仪器

烟梗(湖南,短梗),α-萘酚、EDTA、磷酸氢二铵、乙醇、磷酸氢二铵(AR,北京化工公司),六偏聚磷酸钠(AR,汕头市西胧化工厂),草酸铵(AR,天津市津科精细化工厂),硫酸(GR,北京化工厂),咔唑(GR,Sigm a-A ld rich公司),半乳糖醛酸钠(GR,ACROS ORGAN ICS公司),果胶标准品(GR,Sigm a-A ld rich公司)。

THZ-82恒温振荡器(国华企业有限公司),恒温水浴锅(北京市长风仪器仪表公司),722-可见分光光度计(上海现科仪器有限公司),TD I-5A离心机(上海安亭科学仪器厂)。

1.2 方法

1.2.1 测定前处理

果胶水解成半乳糖醛酸,半乳糖醛酸在浓硫酸介质中与咔唑反应能形成稳定的紫红色络合物,在525 nm下有最大吸收,通过分光光度计测定出半乳糖醛酸的含量,即可换算出果胶的含量。水解液中的糖类化合物也与咔唑反应,干扰了测定结果,因此在测定之前用浓度为63%的乙醇溶液在85℃的水浴中洗涤10 min,除去果胶中糖类化合物,消除对测定果胶的干扰。

1.2.2 半乳糖醛酸标准曲线的绘制

配制浓度为0.04,0.06,0.08,0.10,0.12 m g/mL的一系列半乳糖醛酸钠标准液,各取1 mL,加入0.5 mL的0.1%咔唑无水乙醇溶液,产生白色沉淀,摇匀后加入5 mL的浓硫酸,立即放入85℃的水浴中5 min,随后冷却15 min,于525 nm下测定吸光值,绘制标准曲线。

1.2.3 烟梗中果胶的提取与测定

提取:10 g烟梗→加提取助剂溶液→摇床中浸提→热滤(70℃)→再提取一次→合并提取液→取5 mL滤液→50 mL离心管→加95%热乙醇20 mL→水浴(85℃、10 min)→离心3000 r/min、15 min→沉淀→加63%热乙醇洗涤(85℃、10 min)→离心(3000 r/min、15 min)弃上清液→重复3次去糖,用穆立虚反应法检验[17]→得果胶沉淀。

测定:溶解沉淀至100 mL容量瓶后用硫酸咔唑法[18]测定。

1.2.4 烟梗中总果胶含量的测定

按1.2.3的步骤,以H3PO4+NaH2PO4配制成pH为2.0的150 mL酸性溶液在90℃水浴摇床中浸提1 h,趁热过滤,得1次滤液。再用草酸铵溶液150 mL,在90℃水浴摇床中浸提过滤后的烟梗1.5 h,重复1次,分别得2次和3次滤液。测定3次提取液中的果胶浓度,3次之和为烟梗中的总果胶含量。

1.2.5 果胶去除率计算

果胶去除率(%)=提取出的果胶总量/烟梗中总果胶的含量

2 结果与讨论

2.1 烟梗果胶的测定

2.1.1 测定方法的验证

按1.2.2步骤,配制不同浓度的标准溶液,用半乳糖醛酸钠作外标,得标准曲线线性方程为:y=113.79x-0.9432、相关系数为:0.9980,可以看出方法线性良好。

按1.2.3步骤,在草酸铵浓度为1.20%,温度为70℃,浸提时间为30 min,液料比为10∶1,pH为6的条件下浸提,测定吸光度值,计算果胶含量。平行浸提测定5个样品,计算RSD值为:1.66%,RSD值小于5%,满足样品分析要求。通过标准加入法测定回收率。称取两个10.000 g烟梗样品,分别加入果胶标准品0.3 g,在草酸铵浓度为1.20%,温度为70℃,浸提时间为30 min,液料比为10∶1,pH为6的条件下分别浸提,测定其吸光度值。计算果胶含量计算出浸提方法的回收率为94.64%,表明该方法适用于烟梗中果胶去除率分析研究。

2.1.2 烟梗中总果胶含量的测定

烟梗中总果胶含量的测定结果见图1,由图1可知,3次浸提出果胶量分别为69.8,680,77.6 m g。第一次浸提出的果胶较少,是因为浸提液中的酸尚未能将烟梗中的纤维素、半纤维素、木质素破坏而使果胶暴露出来,从而浸提率不高。第三次浸提出的果胶只占3次之和的9%,说明前两次已经浸提出烟梗中的绝大部分果胶,因此可认为3次之和等于烟梗中的总果胶含量。烟梗中总果胶约占重量的8.27%。

2.2 果胶提取工艺的优化

2.2.1 提取助剂的选择

由于烟草果胶的水溶性较差,因此考虑对果胶可起络合、沉淀等作用的助剂,选取水、EDTA溶液、六偏聚磷酸钠溶液、磷酸氢二铵溶液、草酸铵溶液分别进行浸提后,对比分析它们的果胶去除效果。如图2所示,水和EDTA溶液对烟梗果胶的去除率小于5%,六偏聚磷酸钠溶液、磷酸氢二铵溶液、草酸铵溶液对果胶的去除率随溶液浓度的增加而升高,其中草酸铵溶液的去除效果最好。

2.2.2 单因素的影响

草酸铵浸提去除烟梗果胶,影响果胶去除率的因素主要包括浓度、温度、时间、液料比和pH,做单因素优化实验,结果见图3。从图3可知,浓度在0.3%至0.9%区间内对果胶去除率的影响较大;温度在90℃时去除率最高,但在70℃至80℃区间果胶去除率随温度升高最快;去除率随时间的增加而变大,45～60 min区间增加最快,60～75 min区间增加缓慢;随着液料比的增大,果胶去除率先以较快的速率增加,然后变缓慢,液料比达到20∶1时,果胶去除率基本保持不变;pH值对烟梗果胶去除率的影响较小,由于烟梗提取液呈弱酸性,在浸提工艺中通常不调节pH,因此在后续响应曲面优化实验中不考虑此因素。

图3 浓度、温度、时间、料液比、pH对果胶去除效果的影响

2.2.3 响应曲面优化(RS M)

从单因素实验中选出浓度、温度、时间和料液4个因素,每个因素选取3个水平进行响应曲面分析,结果见表1。表中相对果胶去除率Z是[Z=X/Y:表中的每一因素组的果胶去除率减去前一个因素组的果胶去除率,如编号1∶0.90 70 60 20的果胶去除率减去编号1＊∶0.60 60 45 15的果胶去除率,所得值记为X;用各项因素中能量因素的乘积除以各因素的基础能量的乘积,如编号1∶0.90 70 60 20中为0.90×70×60×20/(0.60×60×30×10),所得记为Y]表征以单位耗能去除果胶的相对比率。相对果胶去除率是在考虑到能耗等经济因素的基础上建立的,而不是单纯追求指标最大化,对于如何在单位能耗的条件下优化生产工艺,提高经济效益具有重要意义。

根据表1的实验设计,利用Design expert7.1软件计算出四因素与相对果胶去除率之间的回归关系式为:

相对果胶去除率=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

回归曲线见图4所示。

相对果胶去除率的回归曲线后做方差分析,结果见表2。根据表1与表2的结果,在控制其中两因素的值不变的前提下,改变另外两个因素的值,作出这两变量之间的变化关系图,各因素的交互作用图见图5。分析表2与图5可知,各因素对果胶去除率影响的显著性依次为:浓度A、液料比D>温度B>时间C(其中时间是非显著性因素);浓度与温度交互作用接近显著,温度与时间交互作用不显著,浓度与液料比交互作用不显著,温度与时间交互作用不显著,温度与液料比交互作用不显著,时间与液料比交互作用不显著。

在Design expert7.1软件中设定相对果胶去除率在0～15%之间,根据响应面数据得出此范围内的可信实验方案见表3。从表中选取可信度计算值最高的1号实验方案,果胶提取去除条件为:草酸铵浓度1.2%,反应温度60℃,浸提时间30 min,液料比10∶1。在此条件下,做验证实验得果胶去除率为30.18%,与软件计算提供的方案结果相差2.4%,说明该方案条件可信、有效。

表1 响应曲面实验结果

图4 果胶去除率的回归曲线

表2 方差分析数据

3 结论

建立了在去糖基础上的硫酸咔唑果胶分析方法,并以该方法为基础,通过二次作差响应曲面实验分析方法,对烟梗果胶浸提工艺进行优化,最佳工艺条件为:1.2%草酸铵溶液,液料比为10∶1,提取温度为60℃,浸提时间为30 min。采用此工艺条件,果胶去除率可达到30.18%,用该方法处理后的烟梗应用于再造烟叶制造,其中果胶含量降低。

表3 可信实验方案数据表

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