低場核磁共振法測定烘烤過程中煙葉水分

宋朝鵬，李生棟，魏 碩，譚方利，吳文信，許清孝，李宏光，方 明

（1.河南農(nóng)業(yè)大學煙草學院，鄭州 450002；2.湖南省煙草公司郴州市公司，湖南 郴州 423000）

低場核磁共振法測定烘烤過程中煙葉水分

宋朝鵬1，李生棟1，魏 碩1，譚方利2，吳文信2，許清孝2，李宏光2，方 明2

（1.河南農(nóng)業(yè)大學煙草學院，鄭州 450002；2.湖南省煙草公司郴州市公司，湖南 郴州 423000）

為全面了解烘烤過程煙葉不同位置水分變化，提高烘烤過程中煙葉水分檢測效率，以秦煙96品種上部葉為材料，利用低場核磁共振技術(shù)分別對烘烤過程煙葉葉片、主脈水分含量進行檢測，并與烘箱法進行對比分析。結(jié)果表明：（1）煙葉不同位置弛豫圖譜顯示，煙葉葉片含有3種狀態(tài)水分，分別為T21（0.1～1 ms）結(jié)合水、T22（1～10 ms）半結(jié)合水、T23（100～1000 ms）自由水，煙葉主脈含有2種狀態(tài)水分，分別為T21（1～10 ms）結(jié)合水，T22（100～1000 ms）自由水。（2）煙葉葉片、主脈總信號幅值與其水分質(zhì)量、干基含水率呈極顯著正相關(guān)（決定系數(shù)R2依次為0.9847、0.9929、0.9952，P＜0.01）。（3）與烘箱法相比，低場核磁共振法檢測穩(wěn)定性較好，適用于烘烤過程中煙葉葉片和主脈水分的快速、精確檢測分析。

低場核磁；烘烤；煙葉；水分

烘烤過程煙葉水分變化影響其內(nèi)在生理化學反應(yīng)，決定著煙葉的烘烤品質(zhì)[1-3]，水分的快速檢測有利于及時掌握烘烤過程煙葉干燥狀況、調(diào)整烘烤參數(shù)。烘箱法是烘烤過程中煙葉水分測定的常用方法，但其檢測耗費時間較長，無法得到即時的含水率信息，而且加熱會導致物質(zhì)揮發(fā)或性質(zhì)改變[4]，影響檢測結(jié)果的準確性；紅外水分檢測技術(shù)容易受到物料表觀性質(zhì)和檢測環(huán)境影響，檢測誤差略大[5]；氣相色譜法[6]或卡爾費休法[7]經(jīng)測定結(jié)果較為精確，但其操作復雜繁瑣；同時上述這些方法均不能提供物料水分的詳細情況。核磁共振（NMR）是一種精準、快速、無損的檢測技術(shù)，是目前較為理想的測量水分工具[8]，在農(nóng)產(chǎn)品加工領(lǐng)域研究應(yīng)用較多[9-14]，而在煙葉烘烤過程水分檢測研究尚不多見。本試驗擬通過分析低場核磁對烘烤過程煙葉葉片和主脈水分的檢測效果，為煙葉水分的實時監(jiān)測及實現(xiàn)精準烘烤提供借鑒。

1 材料與方法

1.1樣品制備

2016年9月于河南省洛陽市國家生理生化研究基地洛寧試驗站試驗田選取鮮煙葉，供試品種秦煙96，按照當?shù)貎?yōu)質(zhì)烤煙生產(chǎn)技術(shù)規(guī)范種植，部位為上部葉（第14～15位葉），正常成熟落黃；烘烤過程中相關(guān)溫（濕）度按照三段式烘烤工藝[15]進行設(shè)定，分別對鮮煙及烘烤關(guān)鍵溫度點結(jié)束時進行取樣（如：干球 38 ℃，濕球36 ℃，煙葉變黃八成，葉片發(fā)軟；干球 42 ℃，濕球36～37 ℃，煙葉黃片青筋，主脈發(fā)軟；干球45 ℃，濕球37 ℃，支脈變黃勾尖卷邊；干球48 ℃，濕球37～38 ℃，主脈變黃勾小卷筒；干球54 ℃，濕球39 ℃，葉片全干、大卷筒；干球62 ℃，濕球39 ℃，主脈干燥1/2左右；干球68 ℃，濕球40 ℃，主脈基本干燥），在煙葉中間位置用刀片切取主脈樣品（長1 cm小段）和葉片樣品（長寬為5 cm×1.5 cm小片，2片），用烘箱干燥及低場核磁T2弛豫信息檢測，取樣檢測重復3次。

1.2試驗儀器

DH-9076A精宏電熱恒溫鼓風干燥箱（精度為±1 ℃，上海精宏實驗設(shè)備有限公司）；FA2004電子天平（精度為0.1 mg，上海舜宇恒平科學儀器有限公司）；MicroMR23-025V低場核磁儀（共振頻率23.347MHz，探頭線圈直徑25 mm，磁體溫度控制在31.99～32.01 ℃，上海紐邁電子科技有限公司）。

1.3含水量測定方法

1.3.1 煙葉水分指標測定 參照YC/T31—1996[16]的烘箱法進行測定，以煙葉樣品初始和絕干質(zhì)量，計算煙葉樣品水分質(zhì)量、濕基含水率和干基含水率，絕干質(zhì)量為3次連續(xù)稱量（間隔3 min）數(shù)值基本一樣。

1.3.2 低場核磁共振法 利用低場核磁儀（LF-NMR）檢測煙樣水分，CPMG序列參數(shù)：SF=23MHz，O1=348655.79 Hz，TW=5000 ms，PRG=3，SW=200 KHz，TD=720154，NECH=18000，TE=0.2 ms，P1=7 μs，P2=15 μs，NS=16，RFD=0.02 ms，RG1=20 db，DRG1=3。使用迭代尋優(yōu)的方法將采集到的T2衰減曲線進行擬合并反演可以得到樣品的T2弛豫信息，包括弛豫時間及其對應(yīng)的弛豫信號分量，對部分結(jié)果進行科學去噪處理[17]。

式中：M（t）為隨時間t衰退的回波峰值；n為指數(shù)擬合的個數(shù)；A2i為各弛豫組分的信號強度；T2i對應(yīng)于A2i的弛豫時間常數(shù)。

1.4數(shù)據(jù)處理

由于煙葉烘烤過程中需要定時對煙葉葉片與主脈分別取樣，在實時取樣時難以控制每次取樣量，為提高取樣的準確性，對試驗數(shù)據(jù)進行歸一化處理[18]，消除干物質(zhì)的影響，得到單位質(zhì)量樣品對應(yīng)的水分信號幅值。

信號幅值（波譜峰面積）歸一化處理可描述為：

式中：A2y為歸一化處理后的信號幅值；A2X為所取樣品反演后的信號幅值；m為所取樣品絕干質(zhì)量（g）。

試驗結(jié)果用Microsoft Excel 2010及SPSS 23.0軟件進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析。

2 結(jié) 果

2.1烘烤過程中煙葉弛豫圖譜

低場核磁共振波譜法是通過傅里葉公式把試驗樣品的磁共振信號變換成波譜（頻率）的一種微觀分析方法。由圖1A可以看出，葉片的T2圖譜中有3個明顯的峰，即將其劃分為3種水分狀態(tài)，分別為：T21（0.1～1 ms）為結(jié)合水、T22（1～100 ms）為半結(jié)合水，T23（10～1000 ms）為自由水[10,18-19]；由圖1B可以看出，主脈的T2圖譜中有2個明顯的峰，即將其劃分為2種水分狀態(tài)，分別為：T21（1～10 ms）為結(jié)合水、T22（10～1000 ms）為自由水。反演譜每個峰所覆蓋的信號幅值間接表征對應(yīng)狀態(tài)水分的相對含量[10]，通過不同弛豫組分信號幅值增減反映烘烤過程中煙葉葉片主脈中不同狀態(tài)水分含量的變化。

2.2烘烤過程中煙葉水分含量測定

核磁共振（NMR）總信號幅值（A20）與檢測樣品中的氫質(zhì)子的數(shù)量成正比，所以總信號幅值表征對應(yīng)樣品中的總水分質(zhì)量[10]。從圖2可以看出，T2弛豫譜總幅值（A20）與煙葉樣品中的水分質(zhì)量具有明顯的線性關(guān)系。由此可見，通過T2弛豫譜總信號幅值可以較精準的求得烘烤過程中煙葉樣品的水分質(zhì)量。線性回歸方程為：y=13847x+384.06（R2=0.9847，P＜0.01），x為煙葉樣品中水分質(zhì)量；y為其T2弛豫譜總信號幅值。

圖1烘烤過程中煙葉橫向弛豫時間T2反演譜Fig. 1 Inversion spectra of lateral relaxation time of tobacco leaves during curing

圖2核磁總信號幅值（A20）與煙葉樣品水分質(zhì)量線性分析Fig. 2 The linear analysis between the total signal amplitude and water mass of tobacco samples

由圖3 A、圖3 B看出，經(jīng)歸一化處理后，煙葉葉片和主脈的干基含水率分別與對應(yīng)核磁共振總信號幅值（A20）呈明顯的線性關(guān)系。由此可見，通過T2弛豫譜總信號幅值可以較精準地求得烘烤過程中煙葉葉片、主脈的含水率。葉片總信號幅值（A20）與干基含水率線性回歸方程為：y=15326x+96.141，（R2=0.9929，P＜0.01），x為葉片樣品干基含水率，y為其T2弛豫譜總信號幅值；主脈總信號幅值（A20）與干基含水率線性回歸方程為：y=13495x+77.347，（R2=0.9952，P＜0.01），x為主脈樣品干基含水率，y為其T2弛豫譜總信號幅值。

2.3低場核磁共振法與烘箱法水分檢測對比

從表1結(jié)果對比可以看出，煙葉葉片與主脈采用低場核磁共振法檢測結(jié)果高于烘箱法，結(jié)果差異基本在1%以內(nèi)；煙葉含水率檢測結(jié)果顯示，煙葉葉片與主脈采用低場核磁共振法檢測結(jié)果高于烘箱法，54 ℃時采用低場核磁共振法檢測結(jié)果比烘箱法高1.12%，差異略大。由表2可以看出，兩種方法檢測結(jié)果的標準差（SD）、變異系數(shù)（CV）均較小，說明烘箱法和核磁共振法的結(jié)果都具有穩(wěn)定性，其中核磁共振法的穩(wěn)定性相對較好，從而證明了核磁共振法適用于煙草葉片及主脈水分的檢測。

3 討 論

水分通常與物料內(nèi)部親水性膠體物質(zhì)結(jié)合，水分的狀態(tài)差異與其所處的化學環(huán)境有關(guān)，流動性最差的水通常存在于細胞質(zhì)中，與細胞骨架和高濃度細胞溶質(zhì)結(jié)合，流動性較強的水通常存在于液泡、細胞間隙或?qū)Ч苤校c低分子量化合物結(jié)合[20]；煙葉葉片含有3種狀態(tài)水，主脈含有2種狀態(tài)水，煙葉葉片與主脈水分狀態(tài)類型的差異，可能是因為葉片作為煙葉物質(zhì)積累的主要部位，而主脈主要作為煙葉水分運輸部位，葉片內(nèi)含物質(zhì)成分含量或種類多于主脈[21]。

研究顯示，煙葉葉片與主脈采用低場核磁共振法檢測結(jié)果高于烘箱法，可能是葉片油分等雜質(zhì)的干擾信號引起的[13]，也可能是烘箱法測定煙葉水分的過程中，煙樣內(nèi)部少部分結(jié)合水無法徹底烘干去除造成的[9,22]。54 ℃時葉片采用低場核磁共振法檢測結(jié)果比烘箱法高1.12%，波動相對略大，可能是此時水分大量散失，油分信號比例增加引起的；再者由于烘箱法檢測過程中較高的溫度干燥，會造成煙葉部分油分等物質(zhì)的熱解揮發(fā)[4,23]，而且隨著煙葉含水率的逐漸減少，高溫烘干時間縮短，這都可能是烘箱法測定穩(wěn)定性相對較差的原因。

圖3T2弛豫譜總信號幅值（A20）與煙葉干基含水率線性分析Fig. 3 The linear analysis between the total signal amplitude and dry basis moisture content of tobacco leaves

表1低場核磁共振法與烘箱法測定的含水率對比Table 1 Comparison of moisture content in LF-NMR method and oven method %

表2低場核磁共振法與烘箱法檢測含水率平行試驗Table 2 Parallel experiment using LF-NMR and oven method for the detection of moisture content %

4 結(jié) 論

核磁弛豫譜反演結(jié)果顯示，煙葉葉片和主脈水分組成不同；通過核磁總信號幅值的增減可以清楚地反映煙葉葉片、主脈內(nèi)部水分含量變化；低場核磁共振法水分檢測具有較好的穩(wěn)定性，適用于烘烤過程中煙葉水分的快速、準確檢測。

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Determination of Moisture in Tobacco Leaves during Curing Process by Low-field NMR

SONG Zhaopeng1, LI Shengdong1, WEI Shuo1, TAN Fangli2, WU Wenxin2, XU Qingxiao2, LI Hongguang2, FANG Ming2
(1. College of Tobacco Science, Henan Agricultural University, Zhengzhou 450002, China; 2. Chenzhou Company of Hunan Tobacco Company, Chenzhou, Hunan 423000, China)

In order to fully understand the change of moisture content in different positions of tobacco leaves during curing process, and to improve the moisture detection efficiency of tobacco leaf during curing, using the upper leaf of Qinyan96 as test material, Low-field NMR was used to determine the moisture content in lamina and midrib. The results were compared with those determined by a conventional oven method. The results showed that： (1)The map of different positions of tobacco leaves showed that there were 3 states of water in lamina, bound waterT21(0.1-1 ms), semi-bound waterT22 (1-10 ms) and free waterT23 (100-1000 ms). There were 2 states of water in midrib, bound waterT21(1-10 ms) and free waterT22(100-1000 ms). (2)The inversion spectrum of lamina and midrib has an extremely significant positive correlation with the water mass and moisture content of dry base (the coefficient of determination are in turn 0.9847, 0.9929, 0.9952,P＜0.01). (3) Comparing with the conventional oven method, the stability of Low-field NMR was better, which is suitable for rapid and accurate detection of the lamina and midrib moisture content of tobacco leaves during curing.

low-field NMR; flue-curing; tobacco leaves; moisture

TS44+1

1007-5119（2017）03-0056-05 DOI：10.13496/j.issn.1007-5119.2017.03.010

湖南省煙草公司郴州市公司項目“特殊煙葉烘烤技術(shù)研究”（201543100094001）

宋朝鵬（1978-），男，博士，副教授，主要從事煙草調(diào)制與加工研究。E-mail：ycszp@163.com

2016-12-04

2017-02-28