生物酶預處理對煙梗漿料纖維特性的影響

趙夢醒 王燕燕 王 昊 暢婉清 祁浩成 劉廷志

（天津科技大學輕工科學與工程學院，天津市制漿造紙重點實驗室，天津，300457）

煙梗為煙葉的粗硬葉脈部分，約占煙葉總質量的25%～30%。煙梗是煙草工業(yè)副產物，生產加工過程中產量大、利用率較低[1]。研究表明，煙梗中化學成分種類與煙葉相似，經合理加工后仍有利用價值。與煙葉相比，煙梗具有較好的填充性和燃燒性，在煙草減焦降害、降本降耗、改善卷煙品質等方面有著獨特的作用。由于煙梗中纖維素和半纖維素的含量與木材接近，自20 世紀60 年代以來，煙梗已被用于紙漿生產等[2]。造紙法煙草薄片技術起源于20世紀六、七十年代，生產的煙草薄片均勻性好，經過幾十年的積淀與技術、裝備的發(fā)展，國內外的煙草薄片技術已經相對成熟。目前包括菲利浦·莫利斯公司、英美煙草、日本煙草等公司的卷煙產品中煙草薄片添加量均在20%左右。目前我國擁有煙草薄片生產企業(yè)10 余家，年生產各類薄片約15萬～20萬t，但在卷煙應用等方面與國外仍有一定差距。

煙草薄片是以煙梗、碎煙等煙草下腳料為原料，經過浸提、制漿、造紙、涂布等工藝加工而成的非再生產品。煙草薄片組織結構疏松，具有較高的填充能力，強度高，彈性好，燃燒性能好等特點。煙梗經加工處理后物理性能得到改善，顏色桔黃至棕黃，近似于煙絲，摻配使用后色澤均勻性較好；感官質量明顯優(yōu)于常規(guī)梗絲[3]。煙草薄片具有有效實現(xiàn)煙草廢棄資源的回收利用、降低卷煙成本和促進卷煙降焦的作用。

煙草薄片生產受原料組成限制，普遍存在著強度差、光澤度差、細小組分過多、松厚度小、抄造困難等問題，因此磨漿是煙草薄片加工的關鍵步驟[4]，特別是煙梗漿料，相對比較粗硬，且存在一定量的韌皮纖維，打漿過程對煙草薄片抄造和產品質量有很大影響。煙梗漿料在機械打漿過程中隨著打漿度的提高，煙梗漿料纖維長度、寬度和粗度均呈下降的趨勢，細小纖維含量不斷增加，對抄造過程和成紙松厚度有較大影響，而松厚度又直接影響到風味物質回涂過程，因此打漿過程對煙草薄片生產至關重要。煙草薄片的不足之處[5-6]（如雜氣和殘留較重、舒適感弱、灼燒感強、成紙強度較差等）在一定程度上限制煙草薄片應用和發(fā)展。傳統(tǒng)機械制漿存在能耗大等問題，國內外學者[7-8]多將生物技術應用于煙草薄片的生產加工過程中，利用生物酶等作用處理煙梗漿料，以達到提升煙草薄片品質的目的。纖維素酶和半纖維素酶共同處理煙梗漿料，可提高煙梗漿料的纖維物理性能和柔軟度，并降低打漿能耗[9-10]。采用生物酶預處理與傳統(tǒng)的機械制漿相結合處理煙梗漿料，可使?jié){料纖維結構變得疏松，降低打漿能耗，改善漿料某些物理性能及煙梗的品質和使用價值，最終有效改善了煙梗漿料的強度性能等。本研究在已知生物酶預處理對煙梗漿料打漿方面有促進作用情況下[11]，對生物酶預處理在煙梗漿料纖維特性及打漿方面的影響進行了進一步分析。

1 材料與方法

1.1 實驗原料

煙梗漿料：取自山東某煙草相關企業(yè)，每段長度2～3 mm。

生物酶：由諾維信（北京）提供，食品級液體酶制劑。

研究中所用生物酶為纖維素酶、半纖維素酶，不同酶種的說明如表1所示。

表1 主要生物酶酶活構成

1.2 實驗方法

1.2.1 生物酶預處理

參考成分比例及前期預實驗結果，經初步篩選，采用組合酶（表1 中所述按各纖維素酶用量20%，半纖維素酶用量各10%比例混合）對煙梗漿料處理效果較好。在組合酶用量為0.5%（相對于絕干原料），料液比1∶4，pH 值7.0（自然），50℃條件下對煙梗漿料預處理4 h，采用200目網袋離心甩干脫水，收集煙梗漿料備用。對照組除不加酶外，其他條件與酶預處理組同。

1.2.2 打漿

取經生物酶預處理和對照煙梗漿料，分別調節(jié)漿濃為15%，取40 g（以絕干計）煙梗漿料加入到PFI磨漿機中，對樣品進行磨漿處理，控制兩組樣品打漿度均為35°SR。打漿結束后測量打漿度，分析纖維形態(tài)。

1.2.3 煙梗漿料特性分析

煙梗漿料微觀形態(tài)采用JSM-IT300LV 掃描電子顯微鏡（SEM）進行分析，分析前對酶預處理及對照組煙梗樣進行冷凍干燥、切片并做噴金處理；采用FTIR-650傅里葉變換紅外光譜儀上表征煙梗漿料（樣品經冷凍干燥后研磨過40～60 目篩）的紅外光譜圖，波數(shù)掃描范圍為400～4000 cm-1；采用布魯克公司D8 ADVANCES 型X 射線衍射儀（XRD）分析煙梗漿料晶型結構，樣品經冷凍干燥后研磨過300～350 目篩。熱重分析采用TGA-Q50熱重分析儀進行，樣品在105℃下干燥4 h，磨成粉狀，過150目標準篩，備用。

2 結果討論

2.1 酶預處理對煙梗漿料纖維特性的影響

纖維形態(tài)是植物纖維原料的基本特征之一，是評價漿料優(yōu)劣的重要指標。在保證打漿度基本一致的情況下，測定和研究了酶預處理對煙梗漿料纖維基本特性的影響，結果見表2。

表2 對照組和酶預處理組煙梗漿料纖維形態(tài)比較

從表2 可以看出，酶預處理組煙梗漿料纖維平均長度為1.397 mm，比對照組的0.927 mm 長約50%，一般認為纖維平均長度較長有助于提升紙張物理強度。煙梗漿料纖維經生物酶預處理后，纖維素、半纖維素之間的結合受到不同程度的破壞，纖維本身結構變得疏松多孔，纖維吸水潤脹性能好，因此具有良好的柔韌性，纖維結構不同程度破壞也會改變纖維的剛性，增加柔韌性，在打漿機械作用下不容易被切斷，另外酶作用在纖維表面造成的應力脆弱點使纖維更容易分絲帚化，打漿度上升更快，因此相同打漿度下所需機械打漿強度也相對較低，對纖維破壞也就越小。而對照組為達到相同打漿度，需要依靠PFI 磨打漿的剪切力和纖維間的相互摩擦作用，因此打漿強度相對較高，對纖維的切斷和破壞也就嚴重。

酶預處理后纖維寬度增加，說明酶預處理促進纖維表面吸水潤脹。從表2中可以看出，相較于對照組的纖維長寬比（17.8），酶預處理組的纖維長寬比為25.4，增加了43.0%。長寬比大的纖維由于成紙時纖維間接觸面積大，成紙強度高，因此酶預處理對紙張強度應該有提高作用。

造紙原料中長度小于0.2 mm 的纖維定義為細小纖維[12]，細小纖維的含量會影響成紙的松厚度和透氣度[13]，并影響后期煙草薄片涂布工藝。從表2 可以看出，酶預處理組的細小纖維含量要高于對照組。這可能是由于生物酶可以直接作用于煙梗漿料細胞壁使S1 層破裂，S2 層纖維素暴露產生細小纖維。酶的作用在細小纖維上造成應力脆弱點，在機械作用下使得細小纖維更容易脫落，因此細小纖維含量略高；而對照組主要是受到打漿的揉搓和剪切作用得到細小纖維。

從表2 還可以看出，酶預處理組的纖維粗度要大于對照組，增加了53.0%。由于纖維粗度影響纖維的柔軟性和結合力，因而影響紙張的物理性能。粗度大，紙張的松厚度增加，有利于紙張對液體的吸收，這對于風味物質回涂有很大好處。但紙張強度則有下降趨勢，而酶預處理組纖維平均長度較長，因此粗度對強度的影響不明顯。對照組纖維粗度下降可能跟煙梗漿料中含較多雜細胞，打漿過程機械作用強，更容易被打碎，使其從纖維上脫落有關。

纖維扭結是指由于纖維細胞壁受損產生的突然而生硬的轉折[12]。紙張物理性能與纖維的扭結程度成反比。從表2可以看出，酶預處理組的扭結指數(shù)略高于對照組，增加了0.78%。一般來說，纖維扭結指數(shù)與纖維長度呈正相關[14]。纖維平均長度較長是酶預處理組扭結指數(shù)略高的主要原因。對照組纖維平均長度要比酶預處理組短很多，而扭結指數(shù)差距卻很小，這是因為對照組纖維柔韌性差，在打漿機械作用下更容易被機械作用撕裂扭結所致。另外打漿過程使得纖維切斷變短，并且還存在拉直作用，使得卷曲、扭結狀態(tài)會逐漸減少，而對照組機械打漿強度大，但其扭結指數(shù)仍然和酶促打漿漿料相近，進一步說明對照組煙梗漿料靠機械打漿更容易被切斷、拉直，扭結指數(shù)提高。

在保證同樣打漿度條件下，生物酶預處理可以降低磨漿能耗[15-16]，本研究酶預處理組磨漿能耗降低了37.2%，磨漿能耗指數(shù)降低了35.5%。

2.2 酶預處理對煙梗漿料微觀結構影響

酶預處理過程會對纖維原料結構造成一定程度的破壞，通過對酶預處理組和對照組煙梗漿料微觀結構進行SEM 觀察，分析了酶預處理可能對煙梗漿料結構造成的破壞，結果如圖1所示。

細胞在次生壁增厚時，并非全面均勻地增厚，其中常留有不增厚的部分。這種不增厚的部分，因為細胞壁比較薄，在顯微鏡下觀察像一些圓形小孔，這些薄壁區(qū)域叫做紋孔[12]。由圖1 可知，煙梗漿料纖維結構表面有許多紋孔，并且有纖維骨架露出。酶預處理組的煙梗漿料纖維紋孔打開，這說明纖維素酶和半纖維素酶協(xié)同作用使得煙梗漿料中的纖維表面暴露，紋孔膨脹打開，纖維孔隙率增加，這樣更有利于水分子和生物酶分子的傳遞和進入，提高了纖維素酶的可及度，纖維細胞壁被進一步破壞，導致整個細胞壁結構的坍塌，也有利于細胞內部的大分子物質溶出，從而裸露出更多的纖維骨架，纖維表面變得粗糙[17]。

2.3 酶預處理對煙梗漿料成分影響分析

煙梗制漿過程中，浸提是其中重要的一步，而本研究的酶預處理過程也是和浸提過程結合到一起的，并未增加工序，為研究酶預處理對煙梗漿料浸提的作用，對處理后漿料進行了紅外光譜分析，結果如圖2所示。

由圖2 可知，酶預處理組與對照組煙梗漿料的紅外吸收光譜圖大致相同，表明煙梗漿料纖維的基本骨架沒有明顯變化，但酶預處理組出現(xiàn)在2357 cm-1處的碳氮三鍵特征峰和在625 cm-1處含氮雜環(huán)化合物的特征吸收峰強度都明顯變小，表明煙堿等特征物質能較好地溶于酶預處理液中，有利于后期涂布，保證煙草薄片的特殊風味。由圖2可知，3385 cm-1附近為芳香族和脂肪族的O—H 伸縮振動區(qū)[18]；2920 cm-1附近為甲基和亞甲基中C—H 不對稱伸縮振動吸收區(qū)；1617 cm-1附近是共軛羰基伸縮振動吸收區(qū)[19]；1422 cm-1附近的峰為芳環(huán)振動峰；1316 cm-1附近的峰為C—H 彎曲振動吸收峰；1242 cm-1附近為S＝O反對稱及對稱伸縮振動產生的吸收峰[20]；1054 cm-1為纖維素和半纖維素的羰基伸縮振動。通過紅外光譜圖比較可知，經酶預處理后得到的煙梗漿料中的纖維素和半纖維素存在于煙梗固體中，而其中的煙堿和木質素經過酶預處理溶于處理液中，有利于改善煙草薄片的品質。

圖1 煙梗漿料SEM圖

圖2 酶預處理組和對照組煙梗漿料的紅外光譜圖

酶預處理組抽出物得率為27.91%，比對照組抽出物得率提高了4.77 個百分點。事實證明，酶預處理可有效提高煙梗漿料中有機物的提取率。纖維素酶和半纖維素酶協(xié)同作用促進煙梗漿料細胞壁破裂，細胞壁物質和果膠等大分子物質被酶解成還原糖等小分子物質溶于浸提液中，可減少煙梗漿料中雜質，改善煙梗漿料的感官質量；經酶預處理的煙梗漿料更柔軟，易于磨漿。提取液用于后續(xù)回涂過程既不影響風味，又凈化了制漿和抄造環(huán)境。

酶預處理抽提后的風味物質，在后期加工回涂過程中，可通過吸附、沉淀等作用有效去除木素、雜蛋白等物質，大大提升了煙草薄片的品吸質量，擴大其應用范圍。有效地抽提是避免這些物質在紙料中存在的關鍵，是改善品吸質量的前提。

2.4 酶預處理對煙梗漿料纖維素結晶度的影響

生物酶作用，特別是纖維素內切酶作用，會對纖維素分子的結晶度造成一定影響，通過對酶預處理后煙梗漿料進行XRD 分析，探究了酶預處理對煙梗漿料纖維素結晶度的影響，結果如圖3所示。

圖3 酶預處理組和對照組煙梗漿料的XRD圖譜

從圖3 可知，對照組和酶預處理組煙梗漿料特征衍射峰分別是2θ=21.47°、21.76°。兩條曲線較為相似，但曲線前端仍有差異，表明煙梗漿料經過酶預處理后結晶度和化學物質含量等有改變。纖維素的結晶度是決定其物理、化學和機械性能的重要特征之一[21]。根據(jù)Segal 公式計算相對結晶度，對照組結晶度為26.19%，酶預處理組結晶度為28.15%，結晶度增加7.51%。這是因為生物酶作用使煙梗漿料半纖維素和纖維素部分水解，煙梗漿料纖維細胞壁破裂，細胞結構出現(xiàn)坍塌，細胞壁物質溶出增加，使得無定形區(qū)比例減少，煙梗漿料結晶度增加。其中，半纖維素酶作用于煙梗提高了煙梗漿料的可及度，由于纖維無定形區(qū)的可及度和反應活性大，纖維素酶優(yōu)先降解無定形區(qū)[22]，因此結晶區(qū)相對含量增加。

圖4 煙梗漿料熱解的TG和DTG曲線

2.5 酶預處理對煙梗漿料熱穩(wěn)定性分析

各種酶對纖維素、半纖維素的結構破壞，以及溶出物含量的變化，都會對纖維原料的熱穩(wěn)定性造成影響，通過對酶預處理組和對照組煙梗漿料進行熱重分析，研究了酶預處理對漿料熱穩(wěn)定性影響，結果如圖4所示。

由圖4 可知，煙梗漿料的熱解主要有4 個階段：①干燥階段（15～100℃），此階段為煙梗漿料表面脫水階段，化學組成基本沒有發(fā)生變化，質量僅出現(xiàn)輕微下降，樣品呈現(xiàn)吸熱狀態(tài)。②預熱裂解階段（100～180℃），煙梗漿料中的物質組成和結構從這個階段開始發(fā)生化學變化。③快速熱解階段（180～340℃），是煙梗漿料熱解主要階段。這一階段煙梗漿料會出現(xiàn)明顯的質量損失現(xiàn)象，主要是因為纖維素、半纖維素、木質素熱解疊加。這一階段也是4個過程中吸熱最多的階段。④殘留物緩慢熱解階段（340～900℃），主要是煙梗漿料中木質素的二次裂解，溫度升高后進一步生成焦炭和氫氣，其質量損失總體趨于平緩。

由圖4（a）可知，酶預處理組和對照組TG 曲線的變化趨勢十分相似。酶預處理組和對照組的起始質量損失溫度分別是28.69℃、19.09℃。損失率相同時，酶預處理組熱解溫度高于對照組，說明酶預處理組起始熱穩(wěn)定性較好。二者主要裂解階段質量損失分別為44.4%和46.0%，這說明這一階段酶預處理組的熱穩(wěn)定性較差?？赡芨割A處理導致部分纖維素和半纖維素轉化成小分子物質，且有部分木質素流失有關，這些物質的熱穩(wěn)定性比纖維素、半纖維素和木素熱穩(wěn)定性要差。酶預處理組和對照組最后的質量分數(shù)分別為29.1%、26.2%，酶預處理組熱穩(wěn)定性高于對照組。結合煙梗漿料結晶度數(shù)據(jù)可以看出，煙梗漿料結晶度越高，其熱解階段的熱穩(wěn)定性越好[23]。從圖4（b）中可以看到，酶預處理組和對照組DTG 曲線的變化趨勢類似。在快速熱解階段，對照組和酶預處理組DTG曲線均出現(xiàn)兩條明顯峰，經酶預處理后兩峰峰值溫度均向高溫側移動，這主要是由于酶預處理后煙梗漿料3大組分含量發(fā)生了改變。

研究發(fā)現(xiàn)卷煙熱穩(wěn)定性越好，其燃燒最大熱釋放速率越高，燃燒性能越好。經酶預處理后煙梗漿料的熱穩(wěn)定性增加更利于燃燒，提升燃燒效率。由于酶預處理使煙梗漿料纖維變得疏松多孔，減小了熱量等的擴散阻力，有利于燃燒反應的進行。

3 結 論

通過采用生物酶對煙梗漿料進行預處理，對比分析了生物酶預處理對煙梗漿料纖維特性的影響。

3.1 生物酶預處理可改善煙梗漿料打漿及纖維特性，酶預處理組的纖維長寬比、粗度和扭結指數(shù)分別增加了43.0%、53.0%和0.78%。這對提升煙草薄片強度和抄造性能有一定好處，且酶預處理可有效降低打漿能耗。

3.2 酶預處理后煙梗漿料纖維細胞壁存在被破壞現(xiàn)象，紋孔打開增多，有利于機械作用下纖維的撕裂和壓潰及水分子的滲透；紅外光譜分析表明，經酶預處理煙梗漿料中的纖維素和半纖維素仍保留在煙梗固體中，而其中的煙堿和木質素溶于處理液中，有助于后續(xù)回涂加工中風味物質的保持。

3.3 X射線衍射儀（XRD）分析表明，酶預處理可提高煙梗漿料的相對結晶度，結晶度增加了7.51%；熱重分析表明，酶預處理會導致煙梗漿料纖維熱穩(wěn)定性的提升，這些變化有助于增加煙草薄片強度、改善煙草薄片燃燒性能。