賀 帆，王 濤，樊士軍，董艷輝，王 梅，宮長(zhǎng)榮

(1 河南農(nóng)業(yè)大學(xué) 煙草學(xué)院，河南 鄭州 450002；2 曲靖市煙草公司師宗分公司，云南 曲靖 655700；3 郴州市煙草公司，湖南 郴州 423000；4 鐵嶺市煙草公司昌圖分公司，遼寧 鐵嶺 112000)

煙葉烘烤是煙葉脫水干燥的物理過(guò)程及其生物化學(xué)變化過(guò)程的統(tǒng)一，科學(xué)先進(jìn)的烘烤工藝必須建立在對(duì)烘烤過(guò)程中煙葉外觀變化與內(nèi)在變化規(guī)律、烘烤環(huán)境條件可控因素與煙葉變化關(guān)系充分了解的基礎(chǔ)上[1]。近年來(lái)，隨著現(xiàn)代煙草農(nóng)業(yè)的發(fā)展，密集烘烤已成為我國(guó)最主要的煙葉烘烤方式，其在降低勞動(dòng)力成本、能耗成本以及煙葉外觀質(zhì)量控制等方面具有明顯優(yōu)勢(shì)[2]。但相關(guān)研究表明，密集烘烤以對(duì)流傳熱為主，采取階段性快排濕，使煙葉內(nèi)水分驟減，導(dǎo)致煙葉收縮變??；而且密集烘烤各階段尤其是變黃期持續(xù)時(shí)間較短，煙葉中淀粉、蛋白質(zhì)等大分子物質(zhì)降解不充分，導(dǎo)致烤后煙葉結(jié)構(gòu)緊密、香氣質(zhì)量降低[3-4]。因此在密集烘烤過(guò)程中準(zhǔn)確判斷煙葉顏色和水分含量的變化，從而預(yù)測(cè)水分和內(nèi)在化學(xué)成分的變化，是合理調(diào)控烤房溫濕度和風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速及提高煙葉質(zhì)量的重要措施。

色度學(xué)是從物理意義上量化描述人們顏色知覺(jué)的科學(xué)和技術(shù)。段史江等[5-6]曾采用圖像處理技術(shù)提取烘烤過(guò)程中煙葉圖像形態(tài)特征和R、G、B顏色特征值，實(shí)現(xiàn)了煙葉水分和β-胡蘿卜素含量的估測(cè)?；糸_(kāi)玲等[7]、王濤等[8-9]、裴曉東等[10]采用色差儀定量測(cè)定了密集烘烤過(guò)程中煙葉顏色參數(shù)，即亮度值(L)、紅度值(a)、黃度值(b)及其與色素、淀粉和蛋白質(zhì)等主要化學(xué)成分的關(guān)系，但并未對(duì)顏色參數(shù)與化學(xué)成分的定量關(guān)系進(jìn)行研究和驗(yàn)證。有研究表明，應(yīng)用CIE色度系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)水果[11]、谷物[12]和肉類[13]等農(nóng)產(chǎn)品的快速檢測(cè)。因此，本試驗(yàn)采用WSC-2型測(cè)色色差計(jì)定量分析密集烘烤過(guò)程中煙葉顏色參數(shù)與色素、淀粉、蛋白質(zhì)和含水量的關(guān)系，以期快速、準(zhǔn)確預(yù)測(cè)烘烤過(guò)程中煙葉化學(xué)成分和含水量的變化，進(jìn)而為優(yōu)化密集烘烤工藝、提升煙葉質(zhì)量特色提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)于2011-2012年在河南省汝陽(yáng)縣進(jìn)行。試驗(yàn)田土壤質(zhì)地為紅黏土，土壤肥力中等。供試烤煙品種為NC89，05-05移栽，種植株行距為50 cm×120 cm。土壤堿解氮51.32 mg/kg，速效磷6.9 mg/kg，速效鉀146.41 mg/kg，pH 8.35。施純氮45.0 kg/hm2，N∶P2O5∶K2O = 1∶2∶3。田間管理按照優(yōu)質(zhì)烤煙栽培生產(chǎn)技術(shù)規(guī)范進(jìn)行。以上部煙葉(第16～18葉位)為試驗(yàn)材料，依據(jù)成熟標(biāo)準(zhǔn)及時(shí)采收。

1.2 樣品制備

采用河南農(nóng)業(yè)大學(xué)設(shè)計(jì)的4臺(tái)規(guī)格相同的電熱式溫濕度自控密集烤煙箱進(jìn)行烘烤，每箱裝煙12竿，每竿4～5 kg，密度為65 kg/m3。烘烤工藝參照“烤煙三段式烘烤工藝”進(jìn)行。分別于開(kāi)烤、38 ℃始、38 ℃末、42 ℃始、42 ℃末、47 ℃始、47 ℃末、54 ℃始、54 ℃末和烘烤結(jié)束時(shí)，各取煙葉24片；其中12片用于煙葉顏色參數(shù)和含水量的測(cè)定，另外12片于烘箱中105 ℃殺青5 min，60 ℃烘干、粉碎，過(guò)孔徑為0.25 mm的篩，用于煙葉主要化學(xué)成分的測(cè)定。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.3.1 煙葉含水量 樣品在100～105 ℃的烘箱中烘2 h，冷卻稱質(zhì)量，計(jì)算公式為：煙葉含水量(%)=(鮮煙質(zhì)量-干煙質(zhì)量)/鮮煙質(zhì)量×100%。

1.3.2 煙葉顏色參數(shù) 用WSC-2型測(cè)色色差計(jì)(北京光學(xué)儀器廠)測(cè)量煙葉正背面的顏色參數(shù)(即亮度值(L)、紅度值(a)和黃度值(b)，計(jì)算色澤比(H)、色相角(H°)、飽和度(C)和色差值(ΔE))。取葉中部測(cè)量距離煙葉主脈5 cm處對(duì)稱點(diǎn)的葉色，每半片葉等距離測(cè)量3個(gè)點(diǎn)，每片葉取6個(gè)測(cè)點(diǎn)的平均值作為此葉片的顏色值；葉片正背面的測(cè)定方法一致。計(jì)算公式為：色澤比(H)=a/b；色相角(H°)=arctan(b/a)；飽和度(C)=(a2+b2)1/2；色差值(ΔE)=[(ΔL2+Δa2+Δb2)]1/2。

1.3.3 煙葉化學(xué)成分 淀粉和蛋白質(zhì)含量的測(cè)定參照王瑞新等[14]的方法。葉綠素、類胡蘿卜素含量測(cè)定采用分光光度法[15]。

1.4 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)處理和繪圖采用Microsoft Excel 2003，用DPS 6.55進(jìn)行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)與分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 烘烤過(guò)程中烤煙葉片顏色參數(shù)的變化

2.1.1 葉片亮度值(L) 從圖1可知，烘烤過(guò)程中煙葉正背面亮度值的變化趨勢(shì)表現(xiàn)一致，而且整個(gè)烘烤過(guò)程中煙葉背面的亮度一直高于葉片正面。隨著烘烤的進(jìn)行，煙葉正背面的亮度先快速升高，在38 ℃末之后稍有降低，并于42 ℃末開(kāi)始上升，在47 ℃始達(dá)到最大值，之后迅速降低，在54 ℃末達(dá)到一個(gè)低谷，烘烤結(jié)束后煙葉亮度值較54 ℃末略有上升。

圖1 烘烤過(guò)程中烤煙葉片亮度值(L)的變化

2.1.2 葉片紅度值(a) 由圖2可知，烘烤過(guò)程中煙葉正背面a值變化趨勢(shì)一致，但鮮煙葉背面的a值稍高于正面，從38 ℃末之后葉片正面a值均大于葉片背面。隨著烘烤的進(jìn)行，煙葉的正背面a值整體呈升高的趨勢(shì)，并在42 ℃末至47 ℃始有所降低，之后緩慢升高并趨于平穩(wěn)直至烘烤結(jié)束?？偟膩?lái)說(shuō)，煙葉烘烤中正背面a值的變化主要集中在變黃期，在定色和干筋期變化幅度較小。

圖2 烘烤過(guò)程中烤煙葉片紅度值(a)的變化

2.1.3 葉片黃度值(b) 由圖3可知，烘烤過(guò)程中葉片正背面b值的變化趨勢(shì)基本一致，且葉片正面的b值均高于背面，但葉片背面b值的變化較為平緩。隨著烘烤的進(jìn)行，葉片正、背面b值均迅速升高，并在42 ℃始達(dá)到最大值，之后緩慢下降，在47 ℃末達(dá)到一個(gè)低谷后又緩慢升高；烘烤結(jié)束時(shí)葉片正面b值較54 ℃末有所升高，而葉片背面b值則較54 ℃末有所降低。整個(gè)烘烤過(guò)程中葉片b值均為正值，可見(jiàn)，烤煙葉片的顏色參數(shù)以黃色程度所占比重較大。

圖3 烘烤過(guò)程中烤煙葉片黃度值(b)的變化

2.1.4 葉片色相角(H°) 色相角(H°)是顏色的基本特征，其在0°～360°連續(xù)變化，0°是紅色，90°是黃色，180°是綠色，270°是藍(lán)色[16]。由圖4可知，整個(gè)烘烤過(guò)程中煙葉正背面的色相角差別不大，變化趨勢(shì)表現(xiàn)一致，且均以變黃期的變化幅度較大。鮮煙葉正背面的H°值分別為98.55°和97.91°，表明成熟的上部鮮煙葉以黃色為主。在烘烤過(guò)程中煙葉正背面的色相角(H°)基本呈下降趨勢(shì)，且在47 ℃始有稍許起伏，之后趨于平穩(wěn)，其值為0°～90°，但更接近90°，表明隨著烘烤的進(jìn)行，煙葉顏色變?yōu)辄S色并向紅色方向轉(zhuǎn)變，但整體偏向于黃色。

2.1.5 葉片色澤比(H)H為色調(diào)參數(shù)中的色澤比。綠色為負(fù)值，數(shù)值越小，綠色越深；紅色為正值，數(shù)值越大，紅色越深[17]。由圖5可知，整個(gè)烘烤過(guò)程中煙葉正背面的色澤比差別不大，變化趨勢(shì)一致，且均以變黃期的變化幅度較大。鮮煙葉正背面的色澤比為負(fù)值，表明煙葉正背面的顏色以綠色為主，隨著烘烤的進(jìn)行，色澤比逐漸增大，并在42 ℃末至47 ℃始稍有降低，之后又緩慢升高并趨于平穩(wěn)。

圖4 烘烤過(guò)程中烤煙葉片色相角(H°)的變化

2.1.6 葉片飽和度(C) 飽和度(C)又稱純度，表示含色的多少，低飽和度意味著色澤稀疏暗淡，而高飽和度則表示飽滿、強(qiáng)烈的顏色，其值為0～60[16]。從圖6可以看出，整個(gè)烘烤過(guò)程中煙葉葉片正背面飽和度的變化趨勢(shì)基本一致，且葉片正面的飽和度均大于葉片背面，葉片背面的飽和度變化趨勢(shì)比較平穩(wěn)。另外，烘烤中葉片正背面飽和度的變化趨勢(shì)與煙葉色度b值的變化趨勢(shì)基本一致。

圖6 烘烤過(guò)程中烤煙葉片飽和度(C)的變化

2.1.7 葉片色差(ΔE) 色差是L、a和b的綜合差別，其值為0～≤0.5表示顏色差別極小，>0.5～≤1.5為稍有差異，>1.5～≤3.0表示感覺(jué)有點(diǎn)差異，>3～≤6表示差異顯著，>6～≤12表示差異極顯著，>12即為不同顏色。若以ΔE1、ΔE2分別表示烘烤過(guò)程中煙葉正、背面相對(duì)于鮮煙葉正、背面的色差，以ΔE3表示烘烤過(guò)程中煙葉正、背面之間的色差，則由圖7可知，ΔE1和ΔE2在整個(gè)烘烤過(guò)程中的變化趨勢(shì)基本一致，而且ΔE1均大于ΔE2；隨著烘烤的進(jìn)行，二者均急劇增大。其中ΔE1在38 ℃始已經(jīng)超過(guò)12，表示此時(shí)葉片正面顏色與鮮煙葉相比已經(jīng)為不同的顏色；而在38 ℃始時(shí)ΔE2為 10.57，表示此時(shí)葉片背面顏色與鮮煙葉背面相比已經(jīng)表現(xiàn)出極顯著差異，之后其值也大于12，表明從38 ℃始之后煙葉的顏色與鮮煙葉相比已經(jīng)有了極為明顯的差別；ΔE1在42 ℃始達(dá)到最大值，之后緩慢降低，在47 ℃末之后趨于平穩(wěn)；ΔE2從烘烤開(kāi)始后急劇增大，但增大的速度一直有所減緩，在47 ℃始達(dá)到最大值，之后略有降低，在47 ℃末趨于平緩。

煙葉正背面色差ΔE3在整個(gè)烘烤過(guò)程中的變化趨勢(shì)較為平緩，一直保持在8～13，整個(gè)烘烤過(guò)程中呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢(shì)，在38 ℃末和42 ℃始略大于12，在其他溫度點(diǎn)均小于12，并在干筋期略有增大?？梢?jiàn)，整個(gè)烘烤過(guò)程中煙葉正背面色差均表現(xiàn)出極顯著的差異，并在定色期尤其是定色后期有下降趨勢(shì)。

2.2 烘烤過(guò)程中烤煙葉片顏色參數(shù)與主要化學(xué)成分的相關(guān)分析

相關(guān)分析(表1)表明，烘烤過(guò)程中煙葉主要化學(xué)成分與各顏色參數(shù)之間具有良好的相關(guān)性，其中葉綠素與各顏色參數(shù)之間相關(guān)性最好，除ΔE3和葉正面b值之外，其余各顏色參數(shù)均與葉綠素含量呈顯著或極顯著相關(guān)。類胡蘿卜素則與葉正面和背面a值、葉正面和背面的H值呈極顯著負(fù)相關(guān)，與葉背面C值和ΔE2呈顯著負(fù)相關(guān)，與葉正面和背面的H°值呈極顯著正相關(guān)。類胡蘿卜素/葉綠素則只與葉正面和背面的a值、H°值、H值以及ΔE2呈顯著相關(guān)。淀粉與各顏色參數(shù)之間，除與葉正面b值和ΔE3相關(guān)性不顯著、與葉正面C值顯著負(fù)相關(guān)外，與其余各顏色參數(shù)均呈極顯著相關(guān)。蛋白質(zhì)含量則與葉正面和背面的a值、H值呈極顯著負(fù)相關(guān)，與ΔE1和ΔE2呈顯著負(fù)相關(guān)，與葉正面和背面的H°值呈極顯著正相關(guān)。含水量與各顏色參數(shù)之間的相關(guān)性較差，僅與葉正面H°和H值顯著相關(guān)。

表1 烘烤過(guò)程中烤煙葉片顏色參數(shù)與主要化學(xué)成分的相關(guān)系數(shù)

2.3 烘烤過(guò)程中煙葉主要化學(xué)成分變化模型的建立與驗(yàn)證

0.230X5-0.156X6+14.753X11，

(R=1.000,F=9 978.244)；

(1)

0.187X6-0.094X10-6.715X11+

0.175X15，(R=1.000,F=71 428.464)；

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

對(duì)烘烤過(guò)程中烤煙葉片各顏色參數(shù)與主要化學(xué)成分的回歸分析表明，各方程均達(dá)到極顯著水平。

2.3.2 烤煙葉片主要化學(xué)成分回歸模型的驗(yàn)證 對(duì)烘烤過(guò)程中烤煙葉片主要化學(xué)成分的回歸模型進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果(圖8)表明，從鮮煙葉到烘烤結(jié)束時(shí)，烤煙葉片葉綠素和蛋白質(zhì)含量的預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值符合程度最好，相關(guān)系數(shù)分別為0.999和0.997，平均相對(duì)誤差為8.67%和1.47%。對(duì)類胡蘿卜素和淀粉含量，鮮煙葉預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值差異較大，但在烘烤過(guò)程中及烘烤結(jié)束時(shí)的預(yù)測(cè)效果均較好，除鮮煙葉外，類胡蘿卜素和淀粉含量預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值的相關(guān)系數(shù)分別為0.967，0.995，平均相對(duì)誤差分別為 8.71%，8.27%，模型預(yù)測(cè)精度較高。類胡蘿卜素/葉綠素及含水量的預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值之間符合程度一般，相關(guān)系數(shù)分別為0.935和0.989，但平均相對(duì)誤差為33.06%和18.25%，模型預(yù)測(cè)精度略差。

圖8 烘烤過(guò)程中烤煙葉片主要化學(xué)成分回歸模型的驗(yàn)證

3 結(jié)論與討論

本研究結(jié)果表明，烘烤過(guò)程中烤煙葉片正面與背面各顏色參數(shù)(L、a、b、H、H°、C)的變化趨勢(shì)基本一致，且各顏色參數(shù)均在開(kāi)烤至42 ℃末時(shí)變化劇烈，42 ℃之后變化幅度較小，即其變化主要集中在變黃期。宮長(zhǎng)榮等[18]、楊立均等[19]和李艷梅等[20]認(rèn)為，烘烤過(guò)程中煙葉顏色的變化與色素的降解有密切關(guān)系；鮮煙葉葉綠素含量較高，類胡蘿卜素的黃色被綠色所掩蓋；隨著烘烤的進(jìn)行，變黃期色素快速降解，但葉綠素的降解速率遠(yuǎn)大于類胡蘿卜素，導(dǎo)致煙葉內(nèi)類胡蘿卜素與葉綠素的比值逐漸增大，使煙葉的顏色逐漸由綠色轉(zhuǎn)為黃色。進(jìn)入定色期后，隨著煙葉脫水干燥，色素類物質(zhì)有少量降解，而葉片表皮細(xì)胞逐漸皺縮，導(dǎo)致煙葉表面的漫反射逐漸加強(qiáng)[21]；另外，定色期煙葉的棕色化反應(yīng)生成深色物質(zhì)，從而導(dǎo)致各煙葉顏色參數(shù)變化幅度減小。由此可見(jiàn)，烘烤過(guò)程中煙葉顏色參數(shù)的變化與色素的降解規(guī)律一致。

煙葉烘烤過(guò)程中的顏色變化是執(zhí)行烘烤工藝的關(guān)鍵。烘烤過(guò)程中煙葉的顏色變化是煙葉脫水干燥和生理生化變化尤其是色素降解綜合作用的結(jié)果。從理論上講，烘烤過(guò)程中葉片綠色逐漸消失，黃色逐漸顯現(xiàn)，表明此時(shí)煙葉內(nèi)的葉綠素、淀粉、蛋白質(zhì)等大分子物質(zhì)降解到了適宜的程度。但是在實(shí)際生產(chǎn)中，僅憑主觀判斷煙葉的變黃標(biāo)準(zhǔn)并不一定表明煙葉的物質(zhì)轉(zhuǎn)化達(dá)到了最理想的程度，反而有時(shí)會(huì)給煙葉烘烤帶來(lái)錯(cuò)誤信息，導(dǎo)致烤后煙葉內(nèi)在質(zhì)量變差[22]。王濤等[8-9]、裴曉東等[10]研究認(rèn)為，密集烘烤過(guò)程中，烤煙中部葉葉片正面與背面的L和a值與色素類物質(zhì)和淀粉含量呈極顯著負(fù)相關(guān)，但與葉片正面和背面的b值相關(guān)性不顯著，且不同煙葉部位之間差異較大。這與本研究結(jié)果略有差異，其原因可能是由于煙葉品種、鮮煙葉素質(zhì)以及色差計(jì)型號(hào)不同所致。本研究對(duì)烘烤過(guò)程中烤煙葉片各顏色參數(shù)與主要化學(xué)成分的回歸分析表明，烘烤過(guò)程中通過(guò)色差計(jì)定量煙葉顏色參數(shù)可以實(shí)現(xiàn)葉綠素、類胡蘿卜素、淀粉和蛋白質(zhì)等大分子物質(zhì)含量的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。而且在其他農(nóng)作物或農(nóng)產(chǎn)品中的研究也表明，利用顏色參數(shù)估算色素進(jìn)行化學(xué)成分分析打破了品種等因素的限制，具有快捷、精確的效果[11-13]。因此，通過(guò)對(duì)烘烤過(guò)程中煙葉顏色參數(shù)的量化，建立烘烤過(guò)程中煙葉水分及化學(xué)成分變化模型，可以精確跟蹤或控制煙葉烘烤過(guò)程中的物質(zhì)轉(zhuǎn)化和水分散失，進(jìn)而為烘烤工藝的實(shí)施提供支持。

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