煙葉烘烤的理論與實踐

楊 樹 勛

(甘肅省煙草公司隴南市公司，隴南 746000)

煙草是一種特殊的經(jīng)濟作物，其生產(chǎn)加工過程比較復雜，而烘烤是煙草生產(chǎn)的關鍵技術環(huán)節(jié)。煙草烘烤的理論基礎是煙草調制學，是煙草學的重要組成部分，主要研究煙葉成熟和調制過程中的規(guī)律、煙葉質量形成的本質及所需要的條件，并設計最適宜的調制工藝技術。長期以來，許多學者對煙草烘烤的實踐進行了探索與總結，對煙草烘烤的理論進行了大量研究，并將成果應用到實踐中，對提高煙葉產(chǎn)、質量做出了積極的貢獻。但由于煙草烘烤的復雜性，人類對煙草烘烤的認識還不夠深入，因此探尋煙草烘烤機理，尋找影響煙草烘烤的核心要素，對人類認識煙草烘烤規(guī)律，實現(xiàn)智能化烘烤具有積極意義。

1 煙草烘烤理論研究現(xiàn)狀

自發(fā)明與現(xiàn)代烘烤方法相近的火管烤煙以來，人類應用科技手段，經(jīng)過大量實踐，歸納總結出了一套煙葉烘烤理論及與之相對應的烘烤工藝，形成了一門獨立的學科。特別是對煙葉烘烤過程中生理生化反應、煙葉內在質量的形成、煙葉變黃現(xiàn)象、煙葉變褐機理進行了長期的研究，對影響煙葉烘烤質量的各項外部條件(烤房溫度、濕度、通風)研究也取得了一定進展，形成了一套系統(tǒng)完整的煙葉烘烤理論和技術體系。至20世紀末，我國具有代表性的煙草烘烤教科書有《煙草調制學》(1985)、《煙葉烘烤原理》(宮長榮，1994)。2003年我國又編寫出版了《煙草調制學》(宮長榮)，2011年又進行了修訂，其代表了我國煙草烘烤理論的最新水平[1]。雖然人類對煙草烘烤理論取得了一定認識，對煙草生產(chǎn)起到了積極的促進作用，但人類對煙草烘烤的認識還不夠深入。因為現(xiàn)行的烘烤理論主要描述的是烘烤過程中煙葉變黃的現(xiàn)象，是對特定裝煙方式下外部條件如環(huán)境溫度、濕度、風量(通風)與變黃關系的觀察與總結，沒有發(fā)現(xiàn)煙葉變黃的內在規(guī)律或普遍性原理，當裝煙方式發(fā)生變化時就可能失靈。因而具有局限性，也不能回答四個根本問題：一是烘烤過程中煙葉變黃的根源；二是影響煙葉變黃的核心要素及其作用機理；三是如何實現(xiàn)對煙葉密度的無差別烘烤；四是煙草烘烤的普遍性原理及技術。從理論上，現(xiàn)行的烘烤理論不能回答煙葉變黃的根源問題，從技術上，現(xiàn)有的烘烤工藝沒有定量的、規(guī)定性的、普遍適用的核心技術指標，不能有效解決高密度煙葉烘烤問題。且需要根據(jù)地域、品種、氣候以及煙葉在煙株上著生部位進行歸納總結，重新制定烘烤工藝。很多新技術如集中供熱、余熱共享、納米保溫涂料等只是設備的更新。因此，現(xiàn)行的烘烤理論及烘烤工藝只能算是烘烤技術或經(jīng)驗科學，其側重的是對煙葉變黃現(xiàn)象的描述。對生理生化反應的研究雖能夠解釋煙葉變黃現(xiàn)象，但在基本理論和技術上沒有實質性突破，還不是嚴格意義上的烘烤科學。因其沒有基本的生物學原理作支撐，沒有提煉出煙葉變黃的核心要素，沒有揭示煙葉變黃的本質，并將烘烤實踐上升為科學理論[2]?？茖W的烘烤理論注重的是機理的研究，可解析生理生化反應導致煙葉變黃的原因。

2 煙草烘烤理論的生物學基礎

植物都具有生命周期，煙葉葉片組織都要經(jīng)歷出生和死亡，正常條件下都經(jīng)過葉芽發(fā)生、旺盛生長、生理成熟、衰老、死亡五個過程[3]，每個過程都有其生長期。衰老死亡是它的基本生物學屬性。

2.1 葉片的衰老機理及作用

植物的衰老是指一個器官或整個植株的生命功能衰退，代謝活動減弱，最終導致自然死亡的一系列惡化過程。在這個過程中，營養(yǎng)、核酸、自由基、內源激素、程序性細胞死亡(PCD)等發(fā)揮著關鍵作用。一是營養(yǎng)虧缺。植物進入生殖生長后，生殖器官成為一個很大的“庫”。營養(yǎng)物質在植物體內循環(huán)時，通常將進行光合作用或合成有機物質的部位(如成熟的綠葉，也稱為“源”)的營養(yǎng)物質不斷地通過長距離運輸轉運到庫，貯存?zhèn)溆茫瑥亩斐芍参铩霸础钡臓I養(yǎng)虧缺，導致營養(yǎng)體衰老。當摘除生殖器官后上部新葉成為“庫”。二是核酸出錯。DNA的裂痕或缺損造成復制、轉錄、翻譯過程中的錯誤，導致蛋白質結構出現(xiàn)錯誤，無功能蛋白的積累導致衰老。同時由于核酸的分解大于合成，使核酸含量下降，核酸的結構出錯或含量不足引發(fā)衰老。三是自由基積累。自由基極不穩(wěn)定，化學性質極活潑，有極強的氧化能力，能持續(xù)進行鏈式反應，容易導致被攻擊物結構的破壞，使DNA降解、膜脂過氧化加劇、蛋白質變性失活。四是內源激素失衡。脫落酸(ABA)、乙烯(ETH)、茉莉酸(JA)和茉莉酸甲酯(MeJA)增加，細胞分裂素(CTK)、赤霉素(GA)、植物生長素(IAA)、激動素(KT)等促進生長的激素濃度下降[4]。五是程序性細胞死亡。植物葉片的衰老死亡受基因的控制，是程序性死亡過程。植物選擇性地使某些非要害細胞、組織和器官有序死亡，將不需要的細胞或組織通過自溶、裂解和木質化等方式主動撤退，不但可以減少這些細胞或組織對養(yǎng)分和水分的消耗，以確保生殖等要害組織的養(yǎng)分和水分，還可以將死亡細胞或組織自溶、裂解的養(yǎng)分進行重新利用，是植物為延續(xù)種群的自我保護功能[5]。

綠色植物葉片生理成熟后進入衰老期，隨著衰老的加深，葉片從外觀到內在結構都會發(fā)生一系列變化。一是葉色由綠變黃、再到枯黃，這是生理生化變化的外在反映。二是內部有機物含量發(fā)生改變。隨著衰老的加深，蛋白質、淀粉、脂類、核酸和葉綠素含量下降，而氨基酸、還原糖含量上升[6，7]。三是器官衰老。這是植物衰老的基礎，它的發(fā)生有一定的順序性。在細胞衰老過程中細胞結構的破壞也有一定順序，葉綠體破壞最早，其次是高爾基體和線粒體等，而質膜破壞較遲。因而葉片組織的衰老一般最先從下部葉、老葉開始，最明顯的變化是葉色由綠變黃[7]。葉片衰老是在核基因控制下，細胞結構(葉綠體、細胞核等)發(fā)生高度有序解體、細胞內含物降解的過程。包括大量有序事件的發(fā)生，如有些植物的葉子是按照它們特有的發(fā)育順序相繼變黃、衰老、死亡和脫落，有些植物在某一段時間內形成的所有葉子會在同一時間全部衰老死亡。

2.2 葉片的死亡方式及結果

死亡是葉片組織生命周期的最后階段，是其生命的永久性終止，符合自然界生命的基本屬性。植物葉片有三種死亡方式：一是程序性細胞死亡。葉片組織程序性死亡后，細胞構架、膜結構被破壞，體積縮小，有機物被大量消耗成為枯葉、糟片。二是環(huán)境對組織結構的損傷。如植物組織受病蟲害侵染、機械損傷、凍害或高溫傷害造成的死亡。由于組織結構的損傷、膜結構被破壞，細胞內含物溢出被氧化。病蟲害侵染、機械損傷導致的死亡造成的是病殘葉，凍害導致的死亡造成的是水煮葉，高溫傷害導致的死亡造成的是蒸片。三是通過失水的方式將原生質變?yōu)槟z，酶失去活性，細胞死亡[8]。通過失水方式導致組織死亡的葉片細胞構架、膜結構完整，沒有內含物溢出，顏色為黃色，內含物較充實，使用價值較高。程序性細胞死亡和環(huán)境對組織結構損傷導致組織死亡的葉片一般使用價值較低甚至無使用價值。

在衰老死亡過程中核基因通過調節(jié)內源激素、自由基、生理鐘等控制葉片衰老死亡的強度和進程，并受溫度、水分、病原體感染、傷害等環(huán)境因素的影響。內、外因子共同決定了葉片衰老死亡進程。

3 影響煙葉衰老及烘烤的核心要素

影響煙葉衰老及烘烤變黃的因素很多，其核心要素主要有核基因、煙葉組織溫度、水分脅迫、流動性等。

3.1 核基因

核基因不但通過復制將遺傳信息傳遞給下一代，而且控制著植物變化的方向，通過控制或調節(jié)內源激素、自由基、生理鐘等來決定葉片衰老死亡的進程及生命代謝過程。植物進入衰老死亡階段，說明植物上一個生命周期已經(jīng)完成，結束了自己的階段性使命。每種生物的生長發(fā)育都有特定的時間，有相應的衰老死亡期限。對于煙草葉片來說，其在大田生長的時間是有限的，當生長發(fā)育到一定時期就會開啟衰老，進入衰老死亡階段。根據(jù)在甘肅省隴南市的觀察[9]，煙葉大田成熟需要一定的時間(即葉齡)，不同的部位葉齡不同，且對葉齡的反應具有差異。由于核基因及所處的位置，下部葉對葉齡的反應最為明顯，進入衰老成熟的葉齡后下部葉會很快變黃、再到枯黃，而上部葉變黃過程卻比較遲緩，即下部葉衰老開啟的早但持續(xù)的時間短，而上部葉衰老開啟的遲而延續(xù)的時間長，因此葉齡在下部葉田間成熟采收及烘烤中具有重要意義。

3.2 煙葉組織溫度

在煙葉烘烤中環(huán)境溫度、濕度是手段，最關鍵的是煙葉組織溫度。煙葉組織溫度的作用：一是達到(水解及呼吸)酶活性要求的溫度；二是提供生理生化反應的活化能；三是降低原生質的粘滯性，提高底物的自由度；四是為葉片水分的蒸發(fā)提供動能，而水分的蒸發(fā)進一步提高水及親水有機物的運動；五是高溫誘發(fā)自由基產(chǎn)生，造成生物膜破壞；六是高溫降低了植物葉片保護酶活性，使植物葉片抗逆性下降[10，11]；七是溫度升高時，部分結合水掙脫親水有機物的束縛轉變?yōu)樽杂伤峙c有機物的自由度增大、代謝增強，衰老變黃加快。組織溫度低時水分與有機物的自由度小、代謝弱，衰老變黃的速度慢、耗時長，大量有機物被呼吸消耗。煙葉組織溫度過高就會燒壞煙葉，出現(xiàn)蒸片、發(fā)生棕色化反應。因此煙葉組織溫度是煙葉烘烤的核心控制指標，煙葉變黃速度以及煙葉變黃后是否變褐直接受其影響，烘烤中要提高煙葉組織溫度并將其控制在適宜的范圍內。

3.3 水分脅迫

水是生命之源，缺水會引發(fā)并促進衰老基因的表達，水分脅迫下，細胞迅速感知外界信號使植物衰老加速[12]。水分脅迫的作用：一是可以促進植物內源激素ETH和ABA的合成，并使細胞膜的透性增加，加速呼吸作用，加快葉片中蛋白質和葉綠素的降解；二是引起氧化脅迫、積累活性氧，破壞葉綠素和加劇膜脂過氧化。葉綠素含量隨水分脅迫程度的加深和脅迫時間的延長，均呈現(xiàn)下降趨勢；三是造成葉內還原狀態(tài)。谷胱甘肽還原酶受激，促進蛋白質降解和氨基酸活化，導致淀粉酶、蛋白酶等水解酶類數(shù)量增加和活性提高；四是使葉片膨壓降低、氣孔關閉，導致水解酶比活上升，有利于淀粉和蛋白質的水解，進而加速衰老[13]。因此水分脅迫是葉片衰老變黃的關鍵因素。

3.4 流動性

葉片組織內底物與酶處于不同的區(qū)域，雙方要相互接觸才能發(fā)生反應，而水分是運輸介質及水解反應的底物之一，只有通過水分流動底物與酶才能結合。提高流動性的主要作用：一是提高底物與酶活性位點的結合速度和頻率，促進生化反應速度；二是將水解反應和酶促反應產(chǎn)物運走。如果流動性差，不但底物與酶活性位點的結合速度和頻率低，水解反應和酶促反應緩慢，而且造成反應產(chǎn)物堆積，細胞組織就會將信息傳遞給上一級反應，減慢反應速度[14]。所以流動性強弱與葉片衰老變黃快慢成正相關。

以上四方面因素在衰老變黃中發(fā)揮著關鍵作用，并通過互作關系相互促進。

4 煙葉烘烤理論的實踐

煙葉葉片具有植物葉片的基本屬性。根據(jù)植物葉片的生物學基礎，衰老是煙葉變黃的根源，煙葉烘烤的實質是葉片的衰老、死亡、干制。煙葉葉片在衰老過程中類胡蘿卜素降解產(chǎn)生酮類化合物等香氣前體物質并在烘烤中進一步轉化為二氫大馬酮等香氣物質，淀粉、蛋白質等大分子物質降解為小分子的糖和游離氨基酸，而糖和氨基酸的美拉德反應形成香氣物質阿馬杜里化合物[1]。因此煙葉衰老變黃階段是葉內主要化學成分降解、轉化的關鍵時期。在煙葉生產(chǎn)中要應用葉片的生物學屬性，用葉片的衰老死亡原理解析煙葉成熟采收及烘烤過程，利用影響烘烤的核心要素，使煙葉采收與烘烤工藝科學化。

4.1 科學的煙葉成熟采收標準

煙葉的衰老成熟是核基因與環(huán)境共同作用的結果。根據(jù)煙葉的生育期及成熟外觀表現(xiàn)，正常條件下煙葉田間成熟標準有兩個方面：一是葉齡，即下部葉55～65 d，中部葉65～75 d，上部煙75～85 d；二是外觀特征，葉色由綠色變?yōu)辄S綠色，葉面茸毛部分脫落，煙油增多，葉片下垂，莖葉角度增大，葉面發(fā)皺，出現(xiàn)成熟斑。由于部位對葉齡反應的差異性，所以煙葉成熟采收標準要有所差別，外觀特征和葉齡按部位應各有側重：下部葉以葉齡為主，中、上部葉根據(jù)葉齡和外觀特征綜合判斷[9]。只按外觀特征進行采煙的傳統(tǒng)觀點是片面的。

4.2 科學的煙葉烘烤工藝及解析

根據(jù)植物葉片的生物學屬性和煙葉烘烤的實質，煙葉烘烤分兩個階段：一是衰老變黃，將采收的煙葉通過人為調控環(huán)境因素使其組織內部處于最佳的衰老環(huán)境，以加快衰老變黃速度，即變黃期；二是在煙葉衰老變黃后讓煙葉通過失水的方式死亡并將煙葉干制的過程。根據(jù)葉片的結構又分干葉期和干筋期，即三個大的階段。具體分以下幾個步驟：

(1) 變黃階段。第一步，煙葉裝爐起火后以1 ℃/h將干球溫度升到35 ℃，通過強制通風讓煙葉失水。失水標準：下部煙6%，中部煙4.7%，上部煙2.7%[13]。達到要求后，保持濕球溫度33 ℃，煙葉組織溫度控制在34 ℃，直到葉尖葉緣變黃。第二步，以同樣的速度將干球溫度升到38～40 ℃，保持濕球溫度34 ℃，煙葉組織溫度控制在35～36 ℃，直到煙葉基本變黃。第三步，將干球溫度升到41～43 ℃，保持濕球溫度34～35 ℃，煙葉組織溫度控制在35～37 ℃，直到煙葉凋萎發(fā)軟。

(2) 干葉階段。第一步，轉入干葉期后以2～3 h升溫1 ℃的速度將干球溫度升到45～49 ℃，保持濕球溫度35～36 ℃，煙葉組織溫度控制在36～37 ℃，直到煙葉半干。第二步，將干球溫度升到50～54 ℃，保持濕球溫度35～36 ℃，煙葉組織溫度控制在36～38 ℃，直到煙葉全干。

(3) 干筋階段。第一步，轉入干筋期后以1 ℃/h的速度將干球溫度升到56～60 ℃，保持濕球溫度37～38 ℃，煙葉組織溫度50～55 ℃，直到煙葉2/3干筋。第二步，以相同速度將干球溫度升到63～70 ℃，保持濕球溫度38～40 ℃，煙葉組織溫度60～70 ℃，直到煙筋全干。

以上烘烤工藝的核心：

一是煙葉組織溫度控制。變黃期濕煙葉的組織溫度控制在32～37 ℃，以34～36 ℃為適宜范圍(裝煙密度低時稍高，裝煙密度高時稍低)。定色期煙葉的組織溫度控制在34～38 ℃，干葉前不超過38 ℃。干筋期葉片細胞已死亡，葉片已基本干燥，煙葉組織溫度會迅速接近干球溫度，組織溫度也就失去了作用。

二是造成水分脅迫環(huán)境。在變黃前期強制失水，讓煙葉達到變黃最佳水分含量[15](下部煙79.5%，中部煙79.3%，上部煙79.2%)，形成葉內水分脅迫環(huán)境，加快變黃。前期強制失水還能降低烘烤難度，簡化操作技術，因在生產(chǎn)中同一批煙葉存在素質差異，如不同葉位、不同地塊、不同采收時間等，其主要原因之一是含水量不同。通過強制失水，一是將煙葉的含水量調整到適宜衰老程度(最佳變黃水平)；二是可以縮小同一批煙葉的素質差異，提高煙葉的一致性；三是限制米根霉的生長，防止煙葉“霉爛病”的發(fā)生。而且前期強制失水還拉大了葉邊、葉緣、表皮與葉肉及葉脈的水勢差，為下一步的失水變黃創(chuàng)造了條件。

三是保持流動性。通過干濕差保持失水速度，增加流動性，促進衰老變黃速度。變黃期失水速度控制在2.5～4.5 g/(kg·h)，保持葉內水分脅迫環(huán)境，使葉片的含水量保持在一個適宜的范圍內逐漸減少。凋萎期失水速度控制在5～7 g/(kg·h)之間[16]，使葉片充分凋萎、主脈發(fā)軟，達到消除青煙，防止棕色化反應的目的。干葉期失水速度控制在9～12 g/(kg·h)之間，干葉的同時，有利于香氣物質的合成。如失水過慢，香氣原始物質被消耗過度，合成的香氣物質則少；如失水過快，香氣原始物質脫水縮合不充分，導致香氣物質少且香氣量不足，而如果香氣原始物質剩余量較多，烤后煙葉香氣質欠純。在干筋期失水速度控制在3～7 g/(kg·h)，如溫度高、風量大、失水速度過快，會使部分香氣物質分解轉化及揮發(fā)，香氣量減少，而且煙葉色淡。

四是確保變黃后的煙葉通過失水的方式死亡干葉。在煙葉烘烤過程中煙葉組織溫度與失水進程必須協(xié)調，要水、溫同步。在煙葉變黃后干葉前組織溫度不得超過38 ℃[11]，否則高溫會使組織結構解體，煙葉變褐，質量下降[9，10]。

煙葉組織溫度、水分脅迫、流動性及變黃后煙葉組織死亡方式是煙葉科學烘烤的關鍵，而控制好環(huán)境溫度、濕球溫度、風量(通風)等外因只是手段。雖然將煙葉烘烤過程人為的分為變黃期、干葉期、干筋期，但由于煙葉的生命代謝活動具有連續(xù)性，因而在烘烤過程中提供給煙葉的環(huán)境條件也應具有連續(xù)性，應隨著煙葉的分解代謝、顏色變化、失水程度的變化而變化。環(huán)境因子與煙葉變化程度的連線應該是一條平滑的曲線，而不是幾個線段，只有這樣煙葉的質量潛勢才能充分彰顯[17]。

5 展望

煙葉烘烤是煙葉生產(chǎn)最關鍵也是最后的技術環(huán)節(jié)。烘烤過程雖然復雜，但其符合植物葉片衰老及死亡等基本生物學規(guī)律，只要我們運用代謝組學、細胞超微結構等現(xiàn)代科技手段認識和掌握其規(guī)律，趨利避害，并運用系統(tǒng)論、控制論等設計符合生命運動規(guī)律的煙葉烘烤工藝，就能夠實現(xiàn)對煙葉烘烤的精準控制，實現(xiàn)對煙葉密度的無差別烘烤。