1、2023 年 8 月 第 38 卷 第 4 期 JOURNAL OF LIGHT INDUSTRY Vol.38 No.4 Aug.2023收稿日期:2022-07-26;修回日期:2022-09-16;出版日期:2023-08-15基金项目:中国烟草总公司重点研发项目(110202102020)作者简介:胡仙妹(1986),女,湖南省益阳市人,郑州轻工业大学讲师,博士,主要研究方向为烟草生物技术。E-mail:huxian-mei 通信作者:尹献忠(1970),男,河南省南阳市人,河南中烟工业有限责任公司工程师,主要研究方向为加热卷烟产品开发。E-mail:yinxz686 胡仙妹,张晨,杨
2、雪鹏,等.不同干燥方式对烟用细菌纤维素结构及挥发性香味成分的影响J.轻工学报,2023,38(4):77-83.HU X M,ZHANG C,YANG X P,et al.Effects of different drying methods on structure and volatile components of tobacco bacterial celluloseJ.Journal of Light Industry,2023,38(4):77-83.DOI:10.12187/2023.04.010不同干燥方式对烟用细菌纤维素结构及挥发性香味成分的影响 胡仙妹1,张晨1,杨雪鹏1,
3、张展2,尹献忠21.郑州轻工业大学 烟草科学与工程学院,河南 郑州 4500012.河南中烟工业有限责任公司 技术中心,河南 郑州 450016摘要:以烟草废弃物制备的细菌纤维素为原料,利用全自动测色色差计、场发射扫描电子显微镜、同步热分析仪等对经自然干燥(NAD)、热风干燥(HAD)、真空冷冻干燥(VFD)、-20 预冻-真空冷冻干燥(VFD-20)、-80 预冻-真空冷冻干燥(VFD-80)和液氮预冻-真空冷冻干燥(VFD-FLN)处理后的细菌纤维素进行形貌与结构表征,利用蒸馏萃取-气质联用法分析不同干燥方式对烟用细菌纤维素香味成分的影响。结果表明:经 VFD-FLN 处理的细菌纤维素在原
4、有三维网状结构基础上能较好地保持纤维长度;经 VFD、VFD-20 和 VFD-80 处理的细菌纤维素的三维空间结构保持较好,但纤维长度变短;经 NAD 和 HAD 处理的细菌纤维素空间结构被破坏,导致其复水率和溶胀率最小。经 NAD 处理的细菌纤维素色泽保留情况最好且其挥发性香味成分主要为酸性物质,相对含量高达 97.93%;经 VFD 处理的细菌纤维素中挥发性香味成分相对含量次之,主要为类胡萝卜素降解产物、萜类化合物降解产物和苯丙氨酸类降解产物;HAD 的干燥速度最快,但经其处理的细菌纤维素中挥发性香味成分相对含量最低。关键词:烟草;细菌纤维素;干燥方式;物理性质;挥发性香味成分中图分类号
5、:TS49 文献标识码:A 文章编号:2096-1553(2023)04-0077-070 引言细菌纤维素(Bacterial Cellulose,BC),是一种主要由细菌产生的具有生物可降解性的天然纳米结构高分子材料1,广泛应用于食品2、造纸3、医药4等领域,近年来成为国内外生物材料研究的热点之一5。张婷婷等6开发了利用废弃烟末发酵制备烟用细菌纤维素的技术,并对菌种的接种量、温度、pH 值及发酵时间进行优化;J.B.Ye 等7以烟草废液为碳源,用水蒸气蒸馏法除去浸提液中的烟碱,并采用两阶段发酵法提高了细菌纤维素的产量;丁一郎等8用烟草生物发酵获得的烟用细菌纤维素制备全烟草组分的 BC 重组再
6、造烟叶,并应用于加热卷烟中,提高了加热卷烟的吸食品质。用烟草废弃77 2023 年 8 月 第 38 卷 第 4 期物制备的细菌纤维素不但具有网状结构精细、抗张强度较高、可生物降解、合成可调控等优良性能9,还可以在发酵过程中吸附烟草浸提液中各种烟草风味的香味成分。通常情况下,细菌纤维素需经干燥处理后才可应用于烟草行业传统卷烟、烟草薄片、新型卷烟等领域,而由烟草废弃物发酵液制备的细菌纤维素含水率较高,达 95%,不方便运输和保存,因而限制了细菌纤维素的应用。不同干燥方式可能对细菌纤维素的结构产生较大影响,造成细菌纤维素所负载的烟草香味成分不同程度的保留或释放。目前,国内外对细菌纤维素的研究2-5
7、主要集中在生产及应用上,关于干燥方式对烟草废弃物制备的细菌纤维素香味成分的影响及细菌纤维素在烟草行业的应用研究较少,因此,本文拟以烟草废弃物制备的细菌纤维素为原料,考查不同干燥方式对其微观结构、物理性质和挥发性香味成分的影响,以期为细菌纤维素在烟草行业的应用提供参考。1 材料与方法1.1 主要材料烟用细菌纤维素,郑州轻工业大学实验室自制。主要试剂:乙酸苯乙酯,阿拉丁试剂有限公司产;CaCl2,天津市大茂化学试剂厂产。1.2 主要仪器DW-86L388A 型冷冻干燥机,北京博医康实验仪器有限公司;JSM-7001F 型场发射扫描电子显微镜、JEM-ARM200F 型能谱仪,日本电子株式会社;AD
8、CI-60-C 型全自动测色色差计,北京辰泰仪器有限公司;STA449F3 型同步热分析仪,德国耐驰仪器公司;7890B-5977B GC/MSD 型气相色谱质谱联用仪,美国安捷伦公司。1.3 实验方法1.3.1细菌纤维素的干燥处理选取长势均一的细菌纤维素薄膜,经 4000 r/min 离心 20 min 后切成2 cm2 cm 的纤维素片,用不同干燥方式处理纤维素片,每组进行 3 次平行实验,称量干燥前细菌纤维素膜的质量,记为 W湿,作为对照。1)自然干燥(NAD)处理:将细菌纤维素置于干净平板中,在室温条件下自然风干,每隔 1 h 取出称重,自然风干 36 h,直至样品恒重。2)热风干燥(
9、HAD)处理:将细菌纤维素置于干净平板中,用保鲜膜密封并留孔,置于 60 电热鼓风干燥箱中,每隔 0.5 h 取出称重,热风干燥 10 h,直至样品恒重。3)真空冷冻干燥(VFD)处理:将细菌纤维素置于干净平板中,用保鲜膜密封并留孔,置于真空冷冻干燥箱中,干燥 18 h。4)-20 预冻-真空冷冻干燥(VFD-20)处理:将细菌纤维素置于干净平板中,用保鲜膜密封并留孔,置于-20 冰箱中预冻 12 h,预冻完成后取出,立即转移至真空冷冻干燥机中,干燥 18 h。5)-80 预冻-真空冷冻干燥(VFD-80)处理:将细菌纤维素置于干净平板中,用保鲜膜密封并留孔,置于-80 冰箱中预冻 6 h,预
10、冻完成后取出,立即转移至真空冷冻干燥机中,干燥 18 h。6)液氮预冻-真空冷冻干燥(VFD-FLN)处理:泡沫箱底部装液氮,将细菌纤维素静置于液氮上方5 cm 处预冻 20 min,再将其转移至真空冷冻干燥机中,干燥 18 h。1.3.2不同干燥方式处理后细菌纤维素的形貌及结构表征 1)色差测定:采用全自动测色色差计测量不同干燥方式处理后的细菌纤维素,色差由 E表示,反映干燥前后细菌纤维素的色泽差异,E 越小表示色泽保留程度越好,计算公式如下:E=(L-L0)2+(a-a0)2+(b-b0)2式中:L为干燥前明度指数,a为干燥前红绿指数,b为干燥前蓝黄指数,L0为干燥后明度指数,a0为干燥后
11、红绿指数,b0为干燥后蓝黄指数。2)微观形貌表征:采用扫描电子显微镜观察各样品的形貌,电压为 3 kV,放大倍数为 50010 000。3)热重分析(差示扫描量热法):称取约 2.5 mg不同干燥方式处理后的细菌纤维素膜,剪碎铺于 Pt坩埚中,置于 N2氛围中进行测试,温度范围为 30650,绘制 TG 和 DTG 曲线。1.3.3不同干燥方式处理后细菌纤维素持水性能测定 将不同干燥方式处理后的细菌纤维素膜定义为干膜,其质量记为 W干;将干膜在常温环境下浸入87 胡仙妹,等:不同干燥方式对烟用细菌纤维素结构及负载挥发性香味成分的影响去离子水中,浸泡 48 h 后用滤纸吸干表面水分,所得膜定义为
12、复水膜,其质量记为 W复。细菌纤维素含水率、复水率及溶胀率的计算公式分别如下:C1=W湿-W干W湿 100%C2=W复-W干W湿-W干 100%C3=W复-W干W干 100%式中:C1表示湿膜含水率/%,C2表示干膜复水率/%,C3表示溶胀率/%。1.3.4 挥发性香味成分含量的测定为有效保留细菌纤维素中的香味成分,前处理根据文献10的优化条件处理后,加入过量的无水 Na2SO4进行除水,置于 4 冰箱过夜,以一定质量浓度的乙酸苯乙酯作为定量分析的内标物质,将滤液减压浓缩至 1 mL 后进行 GC-MS 分析,每个待测样品做 3 次重复实验。根据文献11设置色谱条件。采用 NIST11.L质谱
13、数据库进行检索,将检测出的化合物结构特征与图谱进行比对,并采用峰面积归一化法定量计算干燥处理后细菌纤维素中挥发性香气成分的相对含量。1.4 数据统计分析采用 Excel 和 SPSS 软件分析实验数据,利用Origin 2019 软件进行绘图。上述所有实验均重复 3次,统计分析值以(平均值标准差)表示。2 结果与讨论2.1 不同干燥方式处理后细菌纤维素的形貌及结构表征分析2.1.1色泽分析色泽是评价干制产品的重要指标之一12。不同干燥方式处理后的细菌纤维素色泽参数如表 1 所示。由表 1 可知,经 NAD 处理后细菌纤维素的 E 值最小,为(7.870.15),色泽保留情况最好。不同干燥处理后
14、的细菌纤维素 a值差异显著,经 HAD 和 VFD-20 处理后 a值较小,经VFD 处理后 a值最大。经 HAD、NAD 和 VFD-20处理后细菌纤维素的 b值显著低于其他 3 种干燥方式,表明这 3 种干燥方式处理后的细菌纤维素黄色程度显著降低。2.1.2微观形貌分析不同干燥方式处理后的细菌纤维素内部结构如图 1 所示。由图 1 可知,不同干燥方式处理后的细菌纤维素内部结构差异较大,其中 NAD 和 HAD 相对于其他 4 种处理方式干燥温度较高,细菌纤维素直接与空气接触,其表面迅速失水皱缩,内部纤维不断堆叠压缩,因此细菌纤维素内部结构比较致密,三维空间结构被破坏;VFD,VFD-20,
15、VFD-80 和 VFD-FLN 均使用真空冷冻干燥机进行干燥,其三维空间结构保持得较好,但因前处理不同,导致 BC 内部形态有所不同。VFD、VFD-20 和VFD-80 预冷温度较高,冻结速度较慢,水冷形成较大的冰晶,使 BC 发生不同程度的断裂;VFD-FLN使用的液氮迅速渗透 BC,内部水分子结晶形成小冰晶,使其内部结构更加松散,该方式处理后 BC 长度保持较好13-14。2.1.3 热重分析图 2 为不同干燥方式处理后细菌纤维素的 TG 曲线和 DTG 曲线。由图 2 可以看 表 1 不同干燥方式对细菌纤维素色泽的影响Table 1 Effects of different dryi
16、ng methods on the color of bacterial cellulose处理方式色泽参数LabENAD36.410.36d14.020.1d13.590.15d7.870.15eHAD40.080.62c9.190.06e8.910.99e15.50.44cVFD40.680.22c22.160.43a29.010.08a12.520.29dVFD-20 50.710.14b7.460.39f16.60.22c20.650.29aVFD-80 51.940.06a14.940.59c26.461.01b20.030.54abVFD-FLN 51.741.1a18.280.11b26.010.54b19.260.82b 注:同一列不同字母表示显著差异(P0.05),下同。图 1 不同干燥方式处理后的细菌纤维素内部结构 SEM 图Fig.1 Electron micrographs of bacterial cellulose under different drying methods97 2023 年 8 月 第 38 卷 第 4 期出,不同干燥方式对细菌纤维素的热