CN112903627A - 一种在线判定烟草加工过程生物酶活性的方法 - Google Patents
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Abstract
一种在线判定烟草加工过程生物酶活性的方法，包括：1）在线检测设备的搭建：两台近红外光谱仪分别安装在烟草生物酶灭活设备和烟草贮存工序的出口；2）建立预测模型在线判定生物酶活性。本发明的原理是通过近红外光谱仪检测生物酶作用的烟草物料底物含量变化反映生物酶的活性。若灭活后的烟草物料中生物酶存在活性，则经过一段时间加工处理后，生物酶作用的底物含量将减少，其近红外扫描图谱将发生变化，通过近红外光谱仪将能够检测出底物含量的变化，反之若生物酶失去活性，则检测出底物含量无显著差异。本发明相比现有的离线测定生物酶活性方法，能实现烟草物料生物酶活性在线判定，无需反复取样离线测定，降低了操作成本，提升了工作效率。
Description
技术领域
本发明涉及烟草加工技术领域，尤其涉及一种能够在线判定烟草加工过程生物酶活性的方法。
背景技术
生物酶发酵技术是卷烟加工过程中快速提升烟草品质的一种有效方式方法，其主要过程是根据烟草物料的化学物质组成，针对性地将不同生物酶制剂通过均匀施加到烟草物料的表面，通过在适宜温湿度条件下的发酵处理，使烟草化学成分趋于协调，品质得到提升。
生物酶灭活是生物酶处理烟草的关键工序，其目的是在生物酶处理烟草达到最佳时间后，将生物酶迅速灭活，以避免过长时间处理会影响烟叶品质，因此为了判定酶活工序是否达到了预期的效果，需要对灭后的烟草物料中的生物酶活性进行检测。现有的测定灭活工序后烟草生物酶活性的方法是在灭活工序出口取样，采用终点法、动力学法等离线测定酶的活性，其过程需要样品的前处理、标准曲线的绘制、酶活的测定等步骤。
现有技术存在以下不足：一方面对于日常的烟草生物酶处理，为了准确判定生物酶的活性，需要耗费大量的人工、长时间在线取样；另一方面离线测定生物酶的活性需要样品前处理，标准曲线的绘制等多个步骤，过程较复杂，需要专业检测人员进行检验，检测的成本较高，时间周期较长。
发明内容
本发明的目的正是针对上述不足之处而提出的一种在线判定烟草加工过程生物酶活性的方法，该方法能实现在线快捷、准确地判定烟草加工过程中的生物酶活性，无需反复取样离线检测，成本低，效率高。
本发明的目的是通过以下方案来实现的：
一种在线判定烟草加工过程生物酶活性的方法，包括：
1）在线检测设备的搭建
包括两台近红外光谱仪，一台安装在烟草生物酶灭活设备的出口；另一台安装在烟草生物酶灭活工序后续的烟草贮存工序设备出口；
安装在烟草生物酶灭活设备出口的近红外光谱仪，与灭活设备出口的距离大于2m，以避免出口蒸汽影响近红外仪测定结果。
所述的两台近红外光谱仪均固定于烟草物料输送皮带的正上方，光谱仪的光学窗口距离烟草物料20-30cm。
两台近红外光谱仪之间的距离，根据加工过程中输送的烟草物料抵达两台红外光谱仪的时间确定，要求烟草物料抵达两台光谱仪的时间差大于3h（具体时间根据施加到烟草物料上的生物酶种类和用量设定）。
2）在线判定生物酶活性的方法，具体步骤如下：
（1）预测模型建立：当烟草物料经过生物酶灭活工序处理后，以稳定的流量通过近红外检测仪时，采用近红外光谱仪烟草物料进行扫描，光谱扫描范围为4000-10000cm-1，光谱扫描的同时在光谱仪后进行取样，离线测定底物含量，依据底物含量和扫描光谱，建立近红外光谱定量预测模型；
（2）底物含量检测：当灭活后的烟草物料以稳定的流量通过第一台近红外光谱仪时，开启近红外仪对来料底物含量进行检测，检测频率为间隔2-5min扫描一次，每批物料至少扫描20次；经过第一台光谱仪扫描后的烟草物料继续输送至后续工序进行加工处理，当其以稳定的流量通过第二台近红外光谱仪时，开启近红外仪对来料底物含量再次进行检测，检测频率和扫描次数与第一次相同；
（3）酶活性判定：根据近红外光谱定量预测模型和扫描结果，计算两次底物含量平均值，比较两次测定结果大小，若第二次测定的底物浓度显著低于第一次底物浓度，则判定施加的生物酶存在活性，需要再次灭活；若第二次测定的底物浓度与第一次检测的底物浓度差异不显著，则判定施加的生物酶不存在活性，烟草物料无需再次灭活处理。
所述近红外光谱定量预测模型的建立方法可采用主成分分析、偏最小二乘法、支持向量机或人工神经网络法。
在近红外光谱定量预测模型的建立过程中，离线测定的底物种类是根据灭活的生物酶种类确定。
本发明的原理是通过近红外光谱仪检测生物酶作用的烟草物料底物含量变化反映生物酶的活性。若灭活后的烟草物料中生物酶存在活性，则经过一段时间加工处理后，生物酶作用的底物含量将减少，其近红外扫描图谱将发生变化，通过近红外光谱仪将能够检测出底物含量的变化，反之若生物酶失去活性，则检测出底物含量无显著差异。
本发明相比现有的离线测定生物酶活性的方法，能够实现烟草物料生物酶活性的在线判定，无需反复取样离线测定，显著降低了人工操作成本，提升了工作效率。
具体实施方式
本发明以下结合实施例，对在线判定烟草加工过程生物酶活性的装置和方法做进一步描述：
本发明的用于在线判定烟草加工过程生物酶活性的装置，包括两台近红外光谱仪。其中一台安装在烟草生物酶灭活设备的出口，距离灭活设备出口大于2m；另一台近红外光谱仪安装在烟草生物酶灭活工序后续的烟草贮存工序设备出口。两台近红外光谱仪均固定于烟草物料输送皮带的正上方，光谱仪的光学窗口距离烟草物料20-30cm。两台近红外光谱仪之间的距离，根据加工过程中输送的烟草物料抵达两台红外光谱仪的时间确定，要求烟草物料抵达两台光谱仪的时间差大于3h。
本发明的在线判定烟草加工过程生物酶活性的方法包括以下步骤：
（1）预测模型建立：当生物酶处理的烟草物料经过灭活工序灭活，以稳定流量通过近红外检测仪时，采用近红外光谱仪烟草物料进行扫描，光谱扫描范围为4000-10000cm-1，光谱扫描的同时在光谱仪后进行取样，离线测定底物含量，其中离线测定的底物种类是根据灭活的生物酶种类确定。依据底物含量和扫描光谱，采用主成分分析、偏最小二乘法、支持向量机或人工神经网络法等方法，建立近红外光谱定量预测模型。
（2）底物含量检测：当灭活后的烟草物料以稳定的流量通过第一台近红外光谱仪时，开启近红外仪对来料底物含量进行检测，检测频率为间隔2-5min扫描一次，每批物料至少扫描20次。经过第一台光谱仪扫描后的烟草物料继续输送至后续工序进行加工处理，当其以稳定的流量通过第二台近红外光谱仪时，开启近红外仪对来料底物含量再次进行检测，检测频率和扫描次数与第一次相同。
（3）酶活性判定：根据近红外光谱定量预测模型和扫描结果，计算两次底物含量平均值，比较两次测定结果大小，若第二次测定的底物浓度显著低于第一次底物浓度，则判定施加的生物酶存在活性，需要再次灭活；若第二次测定的底物浓度与第一次检测的底物浓度差异不显著，则判定施加的生物酶不存在活性，烟草物料无需再次灭活处理。
同一配方的物料只建立一次预测模型即可。
实施例1
国内某卷烟工业企业生物酶处理烟叶生产线，采用纤维素酶处理甘肃庆阳2015年X4F烟叶，主要工艺流程依次包括备料、切片、松散回潮、生物酶施加、贮片、灭活、贮存等工序。采用本发明的方法在线判定灭活后的纤维素活性，具体过程如下：
在生物酶处理烟叶生产线的灭活设备出口以及后续的烟片贮柜出口分别安装近红外光谱仪，根据实际生产测算，烟草物料抵达两台光谱仪的时间差为18h。为了避免外围环境对测量结果的影响，两台光谱仪的光学窗口距离烟草物料25cm，其中安装在灭活设备出口的近红外光谱仪距离灭活设备出口为2.5m。
采用以下步骤在线判定纤维素酶活性：
（1）预测模型建立：当纤维素处理后的庆阳烟叶经过灭活工序灭活，以稳定流量通过近红外检测仪时，采用近红外光谱仪进行扫描，光谱扫描范围为4000-10000cm-1，分辨率为8cm-1，光谱扫描的同时在光谱仪后进行取样，离线测定纤维素含量。依据纤维素含量和采集的光谱数据，选择信号较强的4000-7000cm-1谱段，并进行一阶导数和光谱平滑滤波预处理后，采用偏最小二乘法建立近红外光谱定量预测模型。
（2）底物含量检测：当灭活后的庆阳烟叶以稳定的流量通过第一台近红外光谱仪时，开启近红外仪对烟片中的纤维素含量进行检测，每间隔2min扫描一次，整批物料扫描20次。当扫描后的片烟经过贮存工序以稳定的流量通过贮柜出口的第二台近红外光谱仪时，开启近红外仪对片烟中的纤维素含量再次进行检测，每间隔2min扫描一次，整批物料扫描20次。
（3）酶活性判定：根据近红外光谱定量预测模型和扫描结果，测定的灭活设备出口和贮柜出口纤维素含量见表1和表2，比较两次测定的纤维素含量平均值，贮柜出口的纤维素含量显著低于酶活设备出口的纤维素含量，说明施加到庆阳烟叶上的纤维素酶仍然存在活性，在后序贮存工序中，纤维素酶仍然在降解烟叶中的纤维素。因此，该批片烟仍需进一步灭活处理。
为了验证判定结果准确性，在上述烟叶加工处理过程中，分别在灭活设备出口和贮柜出口取样，离线检测纤维素酶的活性，测定结果表明，灭活设备出口和贮柜出口烟叶中的纤维素酶均存在活性，因此采用本发明方法判定纤维素酶活性准确可靠。
表1 采用近红外光谱仪测定的灭活设备出口烟叶纤维素含量
表2 采用近红外光谱仪测定的贮柜出口烟叶纤维素含量
实施例2
国内某卷烟工业企业生物酶处理梗丝生产线，采用纤维素酶、果胶酶组成的复合酶处理四川凉山梗丝，主要工艺流程依次包括备料、筛分、回潮、贮梗、蒸梗、压梗、切丝、生物酶施加、生物酶发酵、灭活、贮丝等工序。采用本发明的方法在线判定灭活后的纤维素酶、果胶酶、半纤维素酶组成的复合酶活性，具体过程如下：
在生物酶处理烟叶生产线的灭活设备出口以及后续的贮丝出口分别安装近近红外光谱仪，烟草物料抵达两台光谱仪的时间差为23h。两台光谱仪的光学窗口距离烟草物料30cm，安装在灭活设备出口的近红外光谱仪距离灭活设备出口2.5m。
采用以下步骤在线判定施加的复合生物酶活性：
（1）预测模型建立：当纤维素酶、果胶酶组成的复合酶制剂处理后的四川凉山梗丝经过灭活工序灭活，以稳定流量通过近红外检测仪时，采用近红外光谱仪进行扫描，光谱扫描范围为4000-10000cm-1，分辨率为8cm-1，光谱扫描的同时在光谱仪后进行取样，离线测定纤维素含量。依据纤维素、果胶质含量和采集的光谱数据，采用偏最小二乘法（也可采用主成分分析法）建立近红外光谱定量预测模型。
（2）底物含量检测：当灭活后的四川凉山梗丝以稳定的流量通过第一台近红外光谱仪时，开启近红外仪对烟片中的纤维素、果胶质含量进行检测，每间隔2min扫描一次，整批物料扫描30次。当扫描后的片烟经过贮存工序以稳定的流量通过贮柜出口的第二台近红外光谱仪时，开启近红外仪对片烟中的纤维素、果胶质含量再次进行检测，每间隔2min扫描一次，整批物料扫描30次。
（3）酶活性判定：根据近红外光谱定量预测模型和扫描结果，测定的灭活设备出口梗丝纤维素、果胶质含量均值为16.87%和8.32%，贮柜出口梗丝纤维素、果胶质含量均值为16.24%和7.96%，两组数据均值比较结果表明，贮柜出口的梗丝纤维素、果胶质含量显著低于灭活设备出口的梗丝纤维素和果胶质含量，因此，灭活后梗丝中纤维素酶、果胶酶仍然存在活性，需进一步灭活处理。
实施例3
国内某卷烟工业企业生物酶处理烟叶生产线，采用纤维素酶、淀粉酶组成的复合酶制剂处理河南2016年洛阳B3F烟叶，主要工艺流程依次包括备料、切片、松散回潮、生物酶施加、贮片、灭活、贮存等工序。采用本发明的方法在线判定灭活后的复合酶制剂活性，具体过程如下：
在生物酶处理烟叶生产线的灭活设备出口以及后续的烟片贮柜出口分别安装近红外光谱仪，根据实际生产测算，烟草物料抵达两台光谱仪的时间差为16h。两台光谱仪的光学窗口距离烟草物料25cm，其中安装在灭活设备出口的近红外光谱仪距离灭活设备出口为2.5m。
采用以下步骤在线判定复合酶制剂活性：
（1）预测模型建立：当复合酶制剂处理后的河南洛阳烟叶经过灭活工序灭活，以稳定流量通过近红外检测仪时，采用近红外光谱仪进行扫描，光谱扫描范围为4000-10000cm-1，分辨率为8cm-1，光谱扫描的同时在光谱仪后进行取样，离线测定纤维素、淀粉含量。依据纤维素、淀粉含量和采集的光谱数据，采用偏最小二乘法（或采用支持向量机或神经网络法）建立近红外光谱定量预测模型。
（2）底物含量检测：当灭活后的洛阳烟叶以稳定的流量通过第一台近红外光谱仪时，开启近红外仪对烟片中的纤维素、淀粉含量进行检测，每间隔3min扫描一次，整批物料扫描30次。当扫描后的片烟经过贮存工序以稳定的流量通过贮柜出口的第二台近红外光谱仪时，开启近红外仪对片烟中的纤维素、淀粉再次进行检测，每间隔3min扫描一次，整批物料扫描30次。
（3）酶活性判定：根据近红外光谱定量预测模型和扫描结果，测定的灭活设备出口的纤维素和淀粉含量平均值分别为14.24%和4.13%，贮柜出口的烟叶纤维素和淀粉含量平均值分别为14.32和4.15%，对两组数据进行均值比较，结果表明，贮柜出口的烟叶纤维素、淀粉含量与灭活设备出口烟叶中的纤维素、淀粉含量无显著差异，说明烟叶中的纤维素酶和淀粉酶经过灭活工序处理后，均已失去活性。
Claims (7)
1.一种在线判定烟草加工过程生物酶活性的方法，其特征在于：包括：
1）在线检测设备的搭建
包括两台近红外光谱仪，一台安装在烟草生物酶灭活设备的出口；另一台安装在烟草生物酶灭活工序后续的烟草贮存工序设备出口；
2）在线判定生物酶活性的方法，具体步骤如下：
（1）预测模型建立：当烟草物料经过生物酶灭活工序处理后，以稳定的流量通过近红外检测仪时，采用近红外光谱仪烟草物料进行扫描，光谱扫描范围为4000-10000cm-1，光谱扫描的同时在光谱仪后进行取样，离线测定底物含量，依据底物含量和扫描光谱，建立近红外光谱定量预测模型；
（2）底物含量检测：当灭活后的烟草物料以稳定的流量通过第一台近红外光谱仪时，开启近红外仪对来料底物含量进行检测，检测频率为间隔2-5min扫描一次，每批物料至少扫描20次；经过第一台光谱仪扫描后的烟草物料继续输送至后续工序进行加工处理，当其以稳定的流量通过第二台近红外光谱仪时，开启近红外仪对来料底物含量再次进行检测，检测频率和扫描次数与第一次相同；
（3）酶活性判定：根据近红外光谱定量预测模型和扫描结果，计算两次底物含量平均值，比较两次测定结果大小，若第二次测定的底物浓度显著低于第一次底物浓度，则判定施加的生物酶存在活性，需要再次灭活；若第二次测定的底物浓度与第一次检测的底物浓度差异不显著，则判定施加的生物酶不存在活性，烟草物料无需再次灭活处理。
2.根据权利要求1所述的在线判定烟草加工过程生物酶活性的方法，其特征在于：所述近红外光谱定量预测模型的建立方法可采用主成分分析、偏最小二乘法、支持向量机或人工神经网络法。
3.根据权利要求1所述的在线判定烟草加工过程生物酶活性的方法，其特征在于：在近红外光谱定量预测模型的建立过程中，离线测定的底物种类是根据灭活的生物酶种类确定。
4.根据权利要求1所述的在线判定烟草加工过程生物酶活性的方法，其特征在于：在线检测设备的搭建过程中，安装在烟草生物酶灭活设备出口的近红外光谱仪，与灭活设备出口的距离大于2m，以避免出口蒸汽影响近红外仪测定结果。
5.根据权利要求1或4所述的在线判定烟草加工过程生物酶活性的方法，其特征在于：在线检测设备的搭建过程中，两台近红外光谱仪均固定于烟草物料输送皮带的正上方，光谱仪的光学窗口距离烟草物料20-30cm。
6.根据权利要求1或4所述的在线判定烟草加工过程生物酶活性的方法，其特征在于：在线检测设备的搭建过程中，用于检测的两台近红外光谱仪之间的距离，根据加工过程中输送的烟草物料抵达两台红外光谱仪的时间确定，要求烟草物料抵达两台光谱仪的时间差大于3h。
7.根据权利要求1所述的在线判定烟草加工过程生物酶活性的方法，其特征在于：该方法适用于生物酶处理烟叶生产线、生物酶处理梗丝生产线。
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|---|---|---|---|
| CN202110247663.3A Active CN112903627B (zh) | 2021-03-06 | 2021-03-06 | 一种在线判定烟草加工过程生物酶活性的方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN112903627B (zh) |
Citations (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS6232900A (ja) * | 1985-08-06 | 1987-02-12 | Kyowa Hakko Kogyo Co Ltd | 基質もしくは酵素活性の定量法 |
| JPH07203988A (ja) * | 1994-01-12 | 1995-08-08 | Shimadzu Corp | 酵素活性測定方法 |
| JPH09297A (ja) * | 1995-06-22 | 1997-01-07 | Daicel Chem Ind Ltd | セルロース加水分解酵素の活性を測定する方法 |
| CN101339186A (zh) * | 2008-08-07 | 2009-01-07 | 中国科学院过程工程研究所 | 一种在线检测固态生物质生物转化过程的方法 |
| CN102279166A (zh) * | 2011-07-06 | 2011-12-14 | 长沙理工大学 | 一种利用近红外快速测定米糠脂肪酶活性的方法 |
| US20130337481A1 (en) * | 2010-12-20 | 2013-12-19 | Reactivlab Limited | Assay method |
| CN104596984A (zh) * | 2015-01-05 | 2015-05-06 | 北京中医药大学 | 一种六神曲发酵过程近红外在线质量检测方法 |
| CN105628644A (zh) * | 2015-12-21 | 2016-06-01 | 江苏大学 | 基于原位实时光谱在线监测蛋白质酶解过程的装置和方法 |
| DE102016013365A1 (de) * | 2016-11-09 | 2018-05-09 | Ovidiu Dicoi | Methoden und Apparatur zur Messung von Aktivitäten technischer Enzyme |
| CN109668858A (zh) * | 2019-02-14 | 2019-04-23 | 大连理工大学 | 基于近红外光谱检测发酵过程生物量和组分浓度的方法 |
-
2021
- 2021-03-06 CN CN202110247663.3A patent/CN112903627B/zh active Active
Patent Citations (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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| CN109668858A (zh) * | 2019-02-14 | 2019-04-23 | 大连理工大学 | 基于近红外光谱检测发酵过程生物量和组分浓度的方法 |
Non-Patent Citations (4)
| Title |
|---|
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| 马雷等: "谷氨酸棒杆菌发酵过程中亮氨酸浓度近红外模型的建立", 《生物技术通讯》 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN112903627B (zh) | 2023-01-24 |
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