煙梗中纖維素和果膠酶解條件的響應(yīng)面優(yōu)化

侯讀成,堯珍玉,劉勁蕓,徐世濤,李長(zhǎng)昱*

(1.紅云紅河集團(tuán) 曲靖天福煙葉復(fù)烤有限責(zé)任公司,云南 曲靖 655001；2.云南瑞升煙草(集團(tuán))技術(shù)有限責(zé)任公司,云南 昆明 650106；3.云南中煙新材料科技有限公司,云南 昆明 650106)

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煙梗中纖維素和果膠酶解條件的響應(yīng)面優(yōu)化

侯讀成1,堯珍玉2,劉勁蕓3,徐世濤3,李長(zhǎng)昱2*

(1.紅云紅河集團(tuán) 曲靖天福煙葉復(fù)烤有限責(zé)任公司,云南 曲靖 655001；2.云南瑞升煙草(集團(tuán))技術(shù)有限責(zé)任公司,云南 昆明 650106；3.云南中煙新材料科技有限公司,云南 昆明 650106)

根據(jù)Box-BehnkenDesign(BBD)法設(shè)計(jì)原理,采用3因素3水平的響應(yīng)面法,對(duì)煙梗中纖維素和果膠的酶解條件進(jìn)行了優(yōu)化研究,建立的二次回歸模型達(dá)到極顯著水平。依據(jù)回歸分析確定的最優(yōu)處理?xiàng)l件為:纖維素酶2.00%、果膠酶2.00%、處理時(shí)間60min。驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果表明,建立的響應(yīng)面回歸模型適用于煙梗細(xì)胞壁物質(zhì)含量的預(yù)測(cè),優(yōu)化結(jié)果合理可靠。按此條件處理后,煙梗中的纖維素和果膠含量分別降低了5.88和1.13個(gè)百分點(diǎn)。

煙梗;纖維素;果膠;響應(yīng)面分析;生物酶

煙梗是煙葉之粗硬葉脈,是煙草工業(yè)的副產(chǎn)物[1]。我國(guó)每年有數(shù)十萬(wàn)t煙梗資源被廢棄,既造成環(huán)境污染,同時(shí)也是對(duì)自然資源的巨大浪費(fèi)[2-3]。目前,以煙梗為原料制成梗絲和薄片,再將它們添加到卷煙中是利用煙梗的主要途徑[4-5]；但由于煙梗中含有較多的纖維素、半纖維素、木質(zhì)素和果膠等細(xì)胞壁物質(zhì),這些物質(zhì)均對(duì)卷煙的香氣和吸味有不利影響[6]。酚類是纖維素?zé)峤猱a(chǎn)物的主要成分,這些化合物的吸味與帶有煙熏氣味的食品香料類似;吡喃葡萄糖及其他類似的化合物具有抽煙時(shí)焦糖樣的特征香氣和吸味;稠環(huán)芳烴(PAH)有致癌作用[7-8]。果膠質(zhì)在燃吸過(guò)程中可產(chǎn)生甲醇,甲醇再進(jìn)一步氧化為甲醛、甲酸等成分,不僅會(huì)給煙氣帶來(lái)刺激性,而且不利于吸煙的安全性,而且較高的果膠質(zhì)含量還會(huì)導(dǎo)致卷煙焦油量升高[9-11]。

為了提高煙梗質(zhì)量,已有不少關(guān)于酶制劑降解煙梗中纖維素和果膠的報(bào)道。經(jīng)酶處理的煙梗柔軟,易于壓扁和切絲,且其梗絲的填充力和揮發(fā)物的含量顯著增大,總粒相物含量大幅降低[12]。纖維素酶的活性較低,目前大多是把纖維素酶和其它酶類以及添加劑一起應(yīng)用到煙草發(fā)酵中[13]。目前采用果膠酶降低煙梗中果膠的研究報(bào)道較少[14],基本上是用酸堿處理法[15-16],而化學(xué)試劑會(huì)造成設(shè)備腐蝕。由于酶制劑的專一性,以往用單一酶制劑處理煙梗不能同時(shí)降低煙梗中的纖維素和果膠含量。因此,為了同時(shí)有效降低煙梗中的果膠和纖維素含量,本文選擇纖維素酶和果膠酶混合處理煙梗,并采用響應(yīng)面法優(yōu)化最佳處理工藝,以期改善煙梗的內(nèi)在質(zhì)量,為提高煙梗原料的工業(yè)可用性提供科學(xué)依據(jù)。

1　材料與方法

試驗(yàn)煙梗由曲靖天福煙葉復(fù)烤有限責(zé)任公司提供,為2012年云87的C3F煙梗。纖維素酶和果膠酶購(gòu)于上海和氏璧化工有限公司。

1.2實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)在發(fā)酵液濃度和處理時(shí)間2個(gè)單因素對(duì)煙梗中纖維素和果膠降解結(jié)果的基礎(chǔ)上,根據(jù)響應(yīng)面Box-BehnkenDesign(BBD)法設(shè)計(jì)試驗(yàn)原理,采用Design-Expert8軟件進(jìn)行組合試驗(yàn)優(yōu)化,以微生物發(fā)酵液中纖維素酶、果膠酶濃度以及處理時(shí)間為因素,每個(gè)因素取3個(gè)水平(見(jiàn)表1)。

表1　響應(yīng)面分析因素及其水平設(shè)計(jì)

1.2.2實(shí)驗(yàn)方法 按照試驗(yàn)設(shè)計(jì),取不同比例的混合酶液均勻噴灑于煙梗上,將煙梗分別裝入密封袋,扎少量小孔,放入恒溫箱中30 ℃處理不同時(shí)間后,在105 ℃高溫下滅活10min,然后取樣檢測(cè)煙梗中纖維素和果膠含量。

1.2.3纖維素和果膠含量的測(cè)定采用洗滌劑法測(cè)定煙梗中纖維素的含量，參照標(biāo)準(zhǔn)YCT347─2010；采用連續(xù)流動(dòng)法測(cè)定果膠的含量,參照孔浩輝等[17]的方法。

1.2.4數(shù)據(jù)處理對(duì)所得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)用Design-Expert8軟件進(jìn)行建模、方差分析和響應(yīng)面優(yōu)化。

2　結(jié)果與分析

2.1二次回歸模型擬合及方差分析

對(duì)前期單因素實(shí)驗(yàn)篩選出的發(fā)酵液濃度和處理時(shí)間兩個(gè)重要影響因素,設(shè)計(jì)3因素3水平共20個(gè)處理的響應(yīng)面分析實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和處理后煙梗中纖維素和果膠含量測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表2。

投擲遠(yuǎn)度的決定因素：1.肌肉的速度力量和快速爆發(fā)力；2.實(shí)心球出手時(shí)的初速度；3.實(shí)心球出手時(shí)的角度和高度。

根據(jù)表2中煙梗纖維素、果膠含量的實(shí)測(cè)值,應(yīng)用Design-Expert8軟件對(duì)表2中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行多元回歸擬合,得到各因子對(duì)煙梗中纖維素含量(Y1)和果膠含量(Y2)影響的二次多項(xiàng)回歸模型:

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分別為纖維素含量、果膠含量; X1、X2、X3分別表示纖維素酶、果膠酶濃度和處理時(shí)間(下同)。

表2　響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案及實(shí)驗(yàn)結(jié)果

注:在20個(gè)處理中，2、5、11、12、19和20號(hào)是中心處理,用以估計(jì)實(shí)驗(yàn)誤差；其他的是析因處理。

當(dāng)P值小于0.05時(shí)即表示該項(xiàng)指標(biāo)顯著。從表4的分析結(jié)果來(lái)看：纖維素酶(因子X(jué)1)對(duì)響應(yīng)值纖維素含量的作用達(dá)到極顯著水平,而對(duì)果膠含量的影響不顯著;果膠酶(因子X(jué)2)對(duì)果膠含量的作用達(dá)到極顯著水平,而對(duì)纖維素含量的影響不顯著;處理時(shí)間(因子X(jué)3)對(duì)纖維素含量的影響達(dá)到極顯著水平,而對(duì)果膠含量的影響不顯著。

表3　響應(yīng)面二次模型中纖維素和果膠含量的方差分析結(jié)果

表4　二次回歸模型的回歸系數(shù)分析結(jié)果

2.2模型的準(zhǔn)確度分析

殘差對(duì)評(píng)價(jià)模型的擬合情況有重要的參考價(jià)值[20]。從殘差圖(圖1)可以看出,殘差圍繞殘差等于0的直線上下隨機(jī)散布,表明回歸直線對(duì)原觀測(cè)值Y的擬合情況良好。因此,建立的響應(yīng)面回歸模型適用于煙梗中纖維素和果膠含量的預(yù)測(cè)。

圖1　纖維素和果膠含量殘差圖

2.3響應(yīng)曲面分析

圖2為纖維素酶、果膠酶和處理時(shí)間兩兩因素分別對(duì)煙梗中纖維素和果膠含量影響的交互作用圖。由圖2可知,纖維素酶、果膠酶和處理時(shí)間兩兩交互對(duì)煙梗中的果膠和纖維素含量均有一定的影響,其中果膠酶對(duì)果膠含量的影響較大,纖維素酶則對(duì)纖維素含量的影響較大,而處理時(shí)間對(duì)纖維素和果膠含量均有一定程度的影響。這些結(jié)果與模型的回歸系數(shù)分析結(jié)果一致。

2.4煙梗中纖維素和果膠最佳降解條件的確定及驗(yàn)證試驗(yàn)

基于上述建立的回歸方程,通過(guò)Design-Expert8軟件分析得到降解煙梗纖維素和果膠的最佳條件:纖維素酶2.00%、果膠酶2.00%、處理時(shí)間60min。在此條件下,回歸模型預(yù)測(cè)的煙梗中纖維素和果膠含量的理論值分別為17.85%和8.49%。

為了檢驗(yàn)響應(yīng)曲面優(yōu)化所得結(jié)果的可靠性,采用上述優(yōu)化條件進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn),重復(fù)實(shí)驗(yàn)3次,并與未處理煙梗的纖維素和果膠含量進(jìn)行了比較,結(jié)果見(jiàn)表5。

由表5可以看出,用優(yōu)化得到的最佳條件處理后的煙梗纖維素和果膠含量實(shí)測(cè)值(分別是17.57%、8.74%)與理論值(分別是17.85%、8.49%)很接近,表明響應(yīng)曲面優(yōu)化所得模型能夠反映各因素及響應(yīng)值之間的真實(shí)關(guān)系,說(shuō)明所構(gòu)建模型具有較好的預(yù)測(cè)能力,其優(yōu)化方向及優(yōu)化結(jié)果較為可靠,可以用此模型對(duì)煙梗細(xì)胞壁物質(zhì)降解效果及工藝條件進(jìn)行初步分析和預(yù)測(cè)。表5還顯示,經(jīng)優(yōu)化得到的最佳條件處理后煙梗中纖維素和果膠含量較未處理的煙梗均有極顯著降低,降幅分別達(dá)到5.88和1.13個(gè)百分點(diǎn)。

表5　未處理與處理煙梗中纖維素和果膠的含量 %

注:表中“**”表示經(jīng)t檢驗(yàn),與未處理煙梗中相應(yīng)細(xì)胞壁物質(zhì)含量的差異達(dá)到極顯著水平。

3　結(jié)論與討論

本實(shí)驗(yàn)證明,響應(yīng)面方法是優(yōu)化煙梗中纖維素和果膠降解條件的有效方法,采用Box-BehnkenDesign(BBD)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能建立主要因素影響煙梗中纖維素和果膠含量的二次多項(xiàng)式數(shù)學(xué)模型。本實(shí)驗(yàn)建立的二次多項(xiàng)式數(shù)學(xué)模型可以較好地預(yù)測(cè)各因子對(duì)煙梗中纖維素和果膠含量的影響,優(yōu)化結(jié)果較可靠?；诮⒌亩味囗?xiàng)式數(shù)學(xué)模型,通過(guò)Design-Expert8軟件分析得到降解煙梗纖維素和果膠的最佳條件為:纖維素酶2.00%、果膠酶2.00%、處理時(shí)間60min。按此條件處理后,煙梗中的纖維素和果膠含量分別降低了5.88和1.13個(gè)百分點(diǎn)。優(yōu)化所得的條件可用于煙梗復(fù)烤前處理,一方面可以大幅度降低煙梗中的纖維素和果膠含量,另一方面可以增加煙梗復(fù)烤后吸收料液的均勻性,對(duì)提升煙梗工業(yè)應(yīng)用價(jià)值有重要的指導(dǎo)意義。

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(責(zé)任編輯:黃榮華)

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

云南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司資助項(xiàng)目“煙梗及梗絲價(jià)值提升工藝技術(shù)研究”(2012GY08)；紅云紅河煙草(集團(tuán))有限責(zé)任公司資助項(xiàng)目“打烤煙梗特色工藝及關(guān)鍵技術(shù)研究”(HYHH2012GY10)。

侯讀成(1973─),男,云南曲靖人,工程師,碩士研究生,主要從事煙草工藝研究工作。*通訊作者:李長(zhǎng)昱。

S572.099

A

1001-8581(2016)08-0046-05