造紙法再造煙葉原料的加酶萃取

吳亦集，沈光林，陶紅，周瑢，林翔

廣東中煙工業有限責任公司技術中心，廣州市中山七路333號510145

目前，國內現有的造紙法煙草再造煙葉生產工藝是將煙末和煙梗萃取，萃取液固液分離，固體部分制漿后抄制成紙基，液體部分濃縮后回涂到紙基上。在整個生產工藝流程中，萃取是第一道工序，目的是提取其中的煙堿等有效成分以便回用。萃取過程直接影響后續的生產過程，包括能耗、再造煙葉得率、生產成本、再造煙葉香氣質量和污水處理等[1]。造紙法再造煙葉萃取過程大多是用水浸提煙草原料，這種浸提方法存在一些不足，如煙梗、煙末中的有效成分溶出率不高(只有40%左右);制備工藝僅僅是一個原材料的物理重組過程，大分子化合物在制備過程中幾乎不發生轉化，片基中仍存留有大量不溶性的多糖、蛋白、果膠、淀粉等不利成分。從而導致再造煙葉存在吃味品質較差、雜氣重等吸味缺陷，影響了再造煙葉在卷煙產品中的使用效果和添加量。國內通常采用加料的辦法來部分改善這些不足，但這種方法對再造煙葉的內在品質改變不大。如何降低再造煙葉的雜氣，改善口感，增濃煙香，是許多煙草生產企業迫切希望解決的技術難題[2]。何漢平等[3]研究了在萃取液中添加復合酶制劑以改善回加萃取液的再造煙葉的香氣品質;馬東萍等[4]采用生物酶處理煙梗;李魯和葛少林[5]研究了煙草薄片原料中蛋白質的酶法降解。這些研究雖然在一定程度上改善了提取液的品質，但煙草片基中仍有大量的不溶性的大分子物質。纖維素酶和半纖維素酶已經被造紙工業廣泛地用于改善纖維性能。磨漿前加酶，目的是提高漿料的打漿性能和改變纖維的性質。打漿后加酶，主要是為了提高漿料的濾水性。一種纖維素酶和半纖維素酶混合成的商品酶——Pergalase-A 40(Trichoderma)已被許多造紙廠用于印刷用紙和證書用紙的木漿纖維改性[6]。20世紀80年代，Jackson等[7]采用纖維素酶和半纖維素酶處理經一次干燥的漂白針葉木纖維，結果表明，酶處理木漿纖維雖然在一定程度上被酶降解，但纖維長度基本不受影響，主要是比表面積較高的微細纖維更容易受到進攻而降解。因此進行了本實驗，旨在提高煙草原料的萃取效率，減少片基中的蛋白質、多糖和果膠等，進一步改善再造煙葉的感官質量。

1 材料與方法

1.1 材料

煙末、煙梗樣品(廣州卷煙二廠提供);50 000 U/g果膠酶、半纖維素酶(食品級，寧夏夏盛公司);0.8 AU/g中性蛋白酶Neutrase 0.8 L(食品級，諾維信公司)。

DZKW-4型電子恒溫水浴鍋(浙江英松儀器設備制造有限公司);NDJ-8S數顯粘度計(上海精密科學儀器有限公司);Lambda 850紫外可見分光光度計(美國Perkin Elmer);Titrando836全自動電位滴定儀(pH計)(瑞士Metrohm公司);BS423S型電子天平(感量:0.001 g，德國Sartrius)等。

1.2 煙梗和煙末的萃取與測定

(1)熱水萃取:取100 g煙末或煙梗，加1 000 mL自來水(固液比為1∶10，g∶L)，50℃下攪拌(速度5 r/min)2 h，抽濾，得濾液和殘渣。

(2)酶處理萃取:取一定量的煙末或煙梗，按1∶10的量加入水，在水溫達到設定值后加入酶，在5 r/min的攪拌速度下保溫萃取一定時間。抽濾，得濾液和殘渣。

萃取后的固體煙末或煙梗殘渣放入烘箱，40℃下烘干，取出稱量。參照YC/T 31-1996測定萃取前后煙梗、煙末的干質量，據此計算其萃取后重量損失率;參照YC/T 159-2002，YC/T 161-2002 YC/T 249-2008和YC/T 160-2002規定的方法和文獻[8-9]分別檢測萃取前后煙梗和煙末的總糖、總氮、總蛋白質、煙堿、細胞壁物質、木素、綜纖維素和果膠。

取20 mL萃取液，于105℃下烘4～6 h至恒重，稱量，計算萃取液的含固量。采用DNS法(3，5-二硝基水楊酸法)[10-11]、GB/T 8314-87《茶游離氨基酸總量測定》規定的方法分別測定萃取液中的游離半乳糖醛酸、游離氨基酸含量;采用數顯粘度計和pH計分別測定萃取液的粘度(測定條件:1#轉子，60 r/min，40℃)和pH。

2 結果與討論

2.1 煙梗和煙末加酶萃取條件的確定

分析結果(圖1)顯示:①隨著果膠酶、蛋白酶和半纖維素酶用量的增大，煙梗萃取液中的蛋白和還原糖含量增大。當蛋白酶、果膠酶和半纖維素酶的用量分別達到0.12%、0.2%和0.3%時，萃取液中的蛋白含量和還原糖含量達到最大，分別為3.68，16.5和17.8 mg/mL。而后隨著酶用量的增大，萃取液中的蛋白和還原糖的含量并未發生明顯變化;②萃取液中的蛋白含量和還原糖含量隨著酶解時間的變化具有相同的趨勢，均在2 h左右達到最大值;③隨著酶解溫度由30℃上升至50℃，萃取液中的蛋白含量和還原糖含量幾乎呈線性增大，在50℃時達到最大，而后隨著溫度的升高，蛋白含量和還原糖含量反而降低。可能是因為溫度太高抑制了酶的活性，甚至會使其鈍化;④煙末萃取液中的蛋白和還原糖含量受酶解溫度、酶解時間的影響與煙梗萃取液的基本相同，在應用相同的酶進行水解時，兩種物料在水解時間和水解溫度上差別不大，主要是酶的用量有差異，可能是二者化學成分含量的差異所致。考慮到煙梗中綜纖維素含量對于制漿抄紙時有一定的影響，確定煙梗和煙末的酶處理萃取條件為:處理溫度50℃;處理時間2 h;煙梗的酶用量0.5%(酶/煙梗質量分數，果膠酶、半纖維素酶和蛋白酶質量比2∶2∶1);煙末的酶用量0.8%(果膠酶、半纖維素酶和蛋白酶質量比1∶2∶2)。

2.2 加酶萃取對煙梗和煙末化學成分的影響

圖1 酶用量、酶解溫度、酶解時間對煙末、煙梗萃取液蛋白質和還原糖含量的影響

表1 萃取前后煙梗和煙末的化學組成(%)

從分析結果(表1)可以看出，萃取后，煙梗和煙末的重量、總糖、煙堿和蛋白質含量均有大幅降低，而且加酶萃取的降幅比熱水萃取的略大，這說明加酶萃取對煙草可溶性成分包括糖類和煙堿以及蛋白質的溶出有一定的作用。然而，萃取后，煙梗和煙末中的細胞壁物質、綜纖維素和果膠含量卻大幅升高，按理，加入酶后會有更多的不溶性大分子物質如細胞壁物質、纖維素和果膠經過分解轉化成為可溶物溶于萃取液中，其殘渣中含量應該降低，這可能是殘渣中的可溶性成分含量相對較小造成的。為了更好地了解加酶萃取對煙梗和煙末中大分子物質的影響，根據表1中的數據計算了熱水萃取和酶處理萃取后細胞壁物質、蛋白質、綜纖維素和果膠的轉化率，結果見表2。

從表2可以看出:①不管是煙末，還是煙梗，加酶萃取細胞壁物質、蛋白質、綜纖維素和果膠的轉化率均明顯高于熱水萃取，尤其是細胞壁物質、綜纖維素和果膠，這說明加酶萃取確實可以使煙末和煙梗中這些大分子成分大幅降低;②不管是加酶萃取，還是熱水萃取，煙末和煙梗中的蛋白質的轉化率均很高，加酶萃取的轉化率在60%，熱水萃取的接近50%，這說明加酶萃取和熱水萃取都可顯著降低煙末和煙梗中的蛋白質，加酶萃取的效果更好;③煙末的酶解效果較煙梗好，主要原因是煙末中含有較多的不溶蛋白質，不溶性的大分子蛋白經過酶水解后，肽鏈被打斷，暴露較多的氫鍵，使溶解性提高，轉移至萃取液中，另一方面，煙末的比表面積大，與萃取液接觸面積大，經過酶破壁后，有利于萃取的進行。片基中存在較多的此類成分正是造成再造煙葉煙氣的苦味增加，有蛋白臭味，燃燒性降低，木質氣重的主要原因[12-13]。因此，將這種經過酶處理后的煙梗、煙末固體部分抄制成紙基，對于改善再造煙葉的口感和減少刺激性是有利的。

表2 不同處理后煙梗和煙末樣品中細胞壁物質、蛋白質、綜纖維素和果膠的轉化率①(%)

2.3 加酶對煙梗、煙末萃取液理化性質的影響

加酶和不加酶煙梗和煙末萃取液的理化檢測結果見表3。由此可見:①與不加酶的對照相比，不管是煙末，還是煙梗，加酶萃取液的固形物含量升高，但其粘度均有不同程度的降低，這可能是由于一些大分子，特別是蛋白質和果膠的降解，使得萃取液的粘度有了一定程度的降低，這在一定程度上避免濃縮液在存放過程中出現的結膠現象;②加酶萃取液的總糖、還原糖、總氮和游離氨基酸的含量明顯增大，而其pH和煙堿含量略有下降，這可能是大分子化合物被降解后產生了一些有機酸的緣故，如蛋白質水解后生成較多的游離氨基酸，果膠水解生成半乳糖醛酸。這些對于改善再造煙葉品質至關重要。

表3 酶處理前后煙梗、煙末萃取液理化性質

3 結論

在造紙法再造煙葉萃取工藝過程中加入果膠酶、半纖維素酶和蛋白酶復合酶制劑，能夠有效降解再造煙葉原料煙末和煙梗中的蛋白質、果膠及纖維素等，提高萃取液中的氨基酸和還原糖的含量，有利于改善造紙法再造煙葉的感官質量。

本研究用的復合酶對在再造煙葉生產過程中的打漿及紙漿抄造過程的影響，有待在后續的工作中進一步研究。

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