烟梗中纤维素和果胶酶解条件的响应面优化

侯读成,尧珍玉,刘劲芸,徐世涛,李长昱*

(1.红云红河集团 曲靖天福烟叶复烤有限责任公司,云南 曲靖 655001；2.云南瑞升烟草(集团)技术有限责任公司,云南 昆明 650106；3.云南中烟新材料科技有限公司,云南 昆明 650106)



烟梗中纤维素和果胶酶解条件的响应面优化

侯读成1,尧珍玉2,刘劲芸3,徐世涛3,李长昱2*

(1.红云红河集团 曲靖天福烟叶复烤有限责任公司,云南 曲靖 655001；2.云南瑞升烟草(集团)技术有限责任公司,云南 昆明 650106；3.云南中烟新材料科技有限公司,云南 昆明 650106)

根据Box-BehnkenDesign(BBD)法设计原理,采用3因素3水平的响应面法,对烟梗中纤维素和果胶的酶解条件进行了优化研究,建立的二次回归模型达到极显著水平。依据回归分析确定的最优处理条件为:纤维素酶2.00%、果胶酶2.00%、处理时间60min。验证试验结果表明,建立的响应面回归模型适用于烟梗细胞壁物质含量的预测,优化结果合理可靠。按此条件处理后,烟梗中的纤维素和果胶含量分别降低了5.88和1.13个百分点。

烟梗;纤维素;果胶;响应面分析;生物酶

烟梗是烟叶之粗硬叶脉,是烟草工业的副产物[1]。我国每年有数十万t烟梗资源被废弃,既造成环境污染,同时也是对自然资源的巨大浪费[2-3]。目前,以烟梗为原料制成梗丝和薄片,再将它们添加到卷烟中是利用烟梗的主要途径[4-5]；但由于烟梗中含有较多的纤维素、半纤维素、木质素和果胶等细胞壁物质,这些物质均对卷烟的香气和吸味有不利影响[6]。酚类是纤维素热解产物的主要成分,这些化合物的吸味与带有烟熏气味的食品香料类似;吡喃葡萄糖及其他类似的化合物具有抽烟时焦糖样的特征香气和吸味;稠环芳烃(PAH)有致癌作用[7-8]。果胶质在燃吸过程中可产生甲醇,甲醇再进一步氧化为甲醛、甲酸等成分,不仅会给烟气带来刺激性,而且不利于吸烟的安全性,而且较高的果胶质含量还会导致卷烟焦油量升高[9-11]。

为了提高烟梗质量,已有不少关于酶制剂降解烟梗中纤维素和果胶的报道。经酶处理的烟梗柔软,易于压扁和切丝,且其梗丝的填充力和挥发物的含量显著增大,总粒相物含量大幅降低[12]。纤维素酶的活性较低,目前大多是把纤维素酶和其它酶类以及添加剂一起应用到烟草发酵中[13]。目前采用果胶酶降低烟梗中果胶的研究报道较少[14],基本上是用酸碱处理法[15-16],而化学试剂会造成设备腐蚀。由于酶制剂的专一性,以往用单一酶制剂处理烟梗不能同时降低烟梗中的纤维素和果胶含量。因此,为了同时有效降低烟梗中的果胶和纤维素含量,本文选择纤维素酶和果胶酶混合处理烟梗,并采用响应面法优化最佳处理工艺,以期改善烟梗的内在质量,为提高烟梗原料的工业可用性提供科学依据。

1　材料与方法

试验烟梗由曲靖天福烟叶复烤有限责任公司提供,为2012年云87的C3F烟梗。纤维素酶和果胶酶购于上海和氏璧化工有限公司。

1.2实验方法

1.2.1响应面试验设计在发酵液浓度和处理时间2个单因素对烟梗中纤维素和果胶降解结果的基础上,根据响应面Box-BehnkenDesign(BBD)法设计试验原理,采用Design-Expert8软件进行组合试验优化,以微生物发酵液中纤维素酶、果胶酶浓度以及处理时间为因素,每个因素取3个水平(见表1)。

表1　响应面分析因素及其水平设计

1.2.2实验方法 按照试验设计,取不同比例的混合酶液均匀喷洒于烟梗上,将烟梗分别装入密封袋,扎少量小孔,放入恒温箱中30 ℃处理不同时间后,在105 ℃高温下灭活10min,然后取样检测烟梗中纤维素和果胶含量。

1.2.3纤维素和果胶含量的测定采用洗涤剂法测定烟梗中纤维素的含量，参照标准YCT347─2010；采用连续流动法测定果胶的含量,参照孔浩辉等[17]的方法。

1.2.4数据处理对所得实验数据用Design-Expert8软件进行建模、方差分析和响应面优化。

2　结果与分析

2.1二次回归模型拟合及方差分析

对前期单因素实验筛选出的发酵液浓度和处理时间两个重要影响因素,设计3因素3水平共20个处理的响应面分析实验,实验设计和处理后烟梗中纤维素和果胶含量测定结果见表2。

投掷远度的决定因素：1.肌肉的速度力量和快速爆发力；2.实心球出手时的初速度；3.实心球出手时的角度和高度。

根据表2中烟梗纤维素、果胶含量的实测值,应用Design-Expert8软件对表2中的实验数据进行多元回归拟合,得到各因子对烟梗中纤维素含量(Y1)和果胶含量(Y2)影响的二次多项回归模型:

Y1=15.47516+19.73378X1-10.68458X2-0.067135X3-5.95250X1X2+8.22917E-003X1X3+0.066354X2X3-2.93061X12+3.81519X22-1.02604E-004X32；

Y2=16.27105+0.18026X1-5.17948X2-0.047056X3-0.83100X1X2-3.79167E-003X1X3+0.011175X2X3+0.58580X12+1.16704X22+1.30444E-004X32

上式中, Y1、Y2分别为纤维素含量、果胶含量; X1、X2、X3分别表示纤维素酶、果胶酶浓度和处理时间(下同)。

表2　响应面实验设计方案及实验结果

注:在20个处理中，2、5、11、12、19和20号是中心处理,用以估计实验误差；其他的是析因处理。

当P值小于0.05时即表示该项指标显著。从表4的分析结果来看：纤维素酶(因子X1)对响应值纤维素含量的作用达到极显著水平,而对果胶含量的影响不显著;果胶酶(因子X2)对果胶含量的作用达到极显著水平,而对纤维素含量的影响不显著;处理时间(因子X3)对纤维素含量的影响达到极显著水平,而对果胶含量的影响不显著。

表3　响应面二次模型中纤维素和果胶含量的方差分析结果

表4　二次回归模型的回归系数分析结果

2.2模型的准确度分析

残差对评价模型的拟合情况有重要的参考价值[20]。从残差图(图1)可以看出,残差围绕残差等于0的直线上下随机散布,表明回归直线对原观测值Y的拟合情况良好。因此,建立的响应面回归模型适用于烟梗中纤维素和果胶含量的预测。

图1　纤维素和果胶含量残差图

2.3响应曲面分析

图2为纤维素酶、果胶酶和处理时间两两因素分别对烟梗中纤维素和果胶含量影响的交互作用图。由图2可知,纤维素酶、果胶酶和处理时间两两交互对烟梗中的果胶和纤维素含量均有一定的影响,其中果胶酶对果胶含量的影响较大,纤维素酶则对纤维素含量的影响较大,而处理时间对纤维素和果胶含量均有一定程度的影响。这些结果与模型的回归系数分析结果一致。

2.4烟梗中纤维素和果胶最佳降解条件的确定及验证试验

基于上述建立的回归方程,通过Design-Expert8软件分析得到降解烟梗纤维素和果胶的最佳条件:纤维素酶2.00%、果胶酶2.00%、处理时间60min。在此条件下,回归模型预测的烟梗中纤维素和果胶含量的理论值分别为17.85%和8.49%。

为了检验响应曲面优化所得结果的可靠性,采用上述优化条件进行验证实验,重复实验3次,并与未处理烟梗的纤维素和果胶含量进行了比较,结果见表5。

由表5可以看出,用优化得到的最佳条件处理后的烟梗纤维素和果胶含量实测值(分别是17.57%、8.74%)与理论值(分别是17.85%、8.49%)很接近,表明响应曲面优化所得模型能够反映各因素及响应值之间的真实关系,说明所构建模型具有较好的预测能力,其优化方向及优化结果较为可靠,可以用此模型对烟梗细胞壁物质降解效果及工艺条件进行初步分析和预测。表5还显示,经优化得到的最佳条件处理后烟梗中纤维素和果胶含量较未处理的烟梗均有极显著降低,降幅分别达到5.88和1.13个百分点。

表5　未处理与处理烟梗中纤维素和果胶的含量 %

注:表中“**”表示经t检验,与未处理烟梗中相应细胞壁物质含量的差异达到极显著水平。

3　结论与讨论

本实验证明,响应面方法是优化烟梗中纤维素和果胶降解条件的有效方法,采用Box-BehnkenDesign(BBD)实验设计能建立主要因素影响烟梗中纤维素和果胶含量的二次多项式数学模型。本实验建立的二次多项式数学模型可以较好地预测各因子对烟梗中纤维素和果胶含量的影响,优化结果较可靠。基于建立的二次多项式数学模型,通过Design-Expert8软件分析得到降解烟梗纤维素和果胶的最佳条件为:纤维素酶2.00%、果胶酶2.00%、处理时间60min。按此条件处理后,烟梗中的纤维素和果胶含量分别降低了5.88和1.13个百分点。优化所得的条件可用于烟梗复烤前处理,一方面可以大幅度降低烟梗中的纤维素和果胶含量,另一方面可以增加烟梗复烤后吸收料液的均匀性,对提升烟梗工业应用价值有重要的指导意义。

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(责任编辑:黄荣华)

OptimizationofConditionsforEnzymolysisofCelluloseandPectininTobaccoStembyResponseSurfaceMethodology

HOUDu-cheng1,YAOZhen-yu2,LIUJin-yun3,XUShi-tao3,LIChang-yu2*

(1.TianfuTobaccoRedryingCompanyLimitedofQujing,HongyunhongheGroup,Qujing655001,China;2.YunnanReascendTobacco(Group)TechnologyCompanyLimited,Kunming650106,China;3.ChinaTobaccoYunnanIndustrialHi-techMaterialCompanyLimited,Kunming650106,China)

AccordingtotheprincipleofBox-BehnkenDesign(BBD),theauthoradoptedresponsesurfacemethodologywith3factorsand3levelseachfactortooptimizetheconditionsfortheenzymolysisofcelluloseandpectinintobaccostem,andestablishedaquadricpolynomialregressionmodelwhichreachedtoaverysignificantlevel.Basedontheestablishedregressionmodel,theoptimumenzymolysisconditionswereobtainedasfollows:cellulase2.00%,pectinase2.00%,andtreatmenttime60min.Theresultsofverificationexperimentsshowedthattheestablishedresponse-surfaceregressionmodelwassuitableforthepredictionofthecontentofcytodermsubstancesintobaccostem,andtheoptimizedresultswerereasonableandreliable.Aftertreatingtobaccostemwith2.00%cellulaseand2.00%pectinasefor60min,thecontentsofcelluloseandpectinintobaccostemwerereducedby5.88and1.13percent,respectively.

Tobaccostem;Cellulose;Pectin;Responsesurfacemethodology;Bio-enzyme

2016-03-08

云南中烟工业有限责任公司资助项目“烟梗及梗丝价值提升工艺技术研究”(2012GY08)；红云红河烟草(集团)有限责任公司资助项目“打烤烟梗特色工艺及关键技术研究”(HYHH2012GY10)。

侯读成(1973─),男,云南曲靖人,工程师,硕士研究生,主要从事烟草工艺研究工作。*通讯作者:李长昱。

S572.099

A

1001-8581(2016)08-0046-05