烤煙變黃期葉綠素降解動(dòng)力學(xué)分析

魏 碩，王 濤，王松峰，高華鋒，解 燕，毛建書， 李祖紅，張 峰，宋朝鵬*

（1.河南農(nóng)業(yè)大學(xué)煙草學(xué)院，鄭州 450002；2.云南省煙草公司曲靖市公司，云南 曲靖 655000；3.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院煙草研究所，農(nóng)業(yè)部煙草生物學(xué)與加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，青島 266101）

烤煙變黃期葉綠素降解動(dòng)力學(xué)分析

魏 碩1，王 濤2，王松峰3，高華鋒2，解 燕2，毛建書2， 李祖紅2，張 峰2，宋朝鵬1*

（1.河南農(nóng)業(yè)大學(xué)煙草學(xué)院，鄭州 450002；2.云南省煙草公司曲靖市公司，云南 曲靖 655000；3.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院煙草研究所，農(nóng)業(yè)部煙草生物學(xué)與加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，青島 266101）

為研究不同烤煙品種的變黃特性和預(yù)測變黃期煙葉葉綠素含量變化，通過分析不同品種（紅花大金元、K326和云煙85）在不同變黃溫度（34 ℃、36 ℃、38 ℃、40 ℃和42 ℃）下煙葉葉綠素含量變化，建立了煙葉葉綠素降解動(dòng)力學(xué)模型。試驗(yàn)結(jié)果表明：（1）隨著變黃溫度的升高煙葉葉綠素降解加快，變黃溫度較低時(shí)（34 ℃、36 ℃）煙葉葉綠素降解存在延滯期，高溫變黃（40 ℃、42 ℃）不存在延滯期；相同變黃溫度下，云煙85煙葉葉綠素降解最快，K326次之，紅花大金元最慢。（2）利用一階反應(yīng)模型可以很好地描述變黃期煙葉葉綠素含量變化，隨著變黃溫度升高煙葉葉綠素降解半衰期t1/2縮短，紅花大金元、K326和云煙85煙葉葉綠素降解活化能分別為61.76、56.20和53.16 kJ/mol；（3）試驗(yàn)建立了基于溫度波動(dòng)變化的葉綠素降解反應(yīng)模型，為預(yù)測實(shí)際變黃過程中煙葉葉綠素含量變化提供理論參考。

烤煙；變黃期；葉綠素；降解動(dòng)力學(xué)；模型

變黃是煙葉烘烤過程的主要任務(wù)之一，煙葉變黃主要與葉綠素的降解有關(guān)[1]。通常烘烤過程中煙葉葉綠素不斷被降解、含量逐漸減少，類胡蘿卜素雖然也發(fā)生降解，但其降解較慢、降解量小，致使類胡蘿卜素等黃色素比例增加，煙葉逐漸呈現(xiàn)黃色[1-2]。葉綠素含量也是衡量烤后煙葉品質(zhì)的主要指標(biāo)[3-4]，葉綠素含量較高時(shí)，烤后煙葉外觀等級較差，評吸時(shí)青雜氣明顯。變黃期是煙葉色素降解的關(guān)鍵時(shí)期，煙葉有80%以上的葉綠素被降解[1]，因此研究變黃期煙葉葉綠素的降解特性具有重要意義。

近年來，零階反應(yīng)模型或一階反應(yīng)模型被廣泛應(yīng)用于研究綠色果蔬加工貯藏過程中葉綠素降解變化，預(yù)測產(chǎn)品的貨架期[5-7]，取得了相應(yīng)的研究進(jìn)展；許鳳等[8]研究表明，利用一階反應(yīng)模型可以很好地預(yù)測青花菜貯藏過程葉綠素降解動(dòng)力學(xué)；楊宏順等[9]研究顯示，嫩莖花椰菜在不同氣調(diào)包裝下的葉綠素降解動(dòng)力學(xué)符合一階反應(yīng)模型；喬勇進(jìn)等[10]，謝晶等[11]研究表明，采后上海青在不同貯藏溫度條件下葉綠體色素降解變化符合零級動(dòng)力學(xué)反應(yīng)模型，并確定了其降解的活化能。目前，關(guān)于烘烤過程煙葉葉綠素降解反應(yīng)模型的研究尚未見報(bào)道。

煙葉葉綠素的降解速率與烘烤環(huán)境溫濕度有關(guān)，溫度主要影響葉綠素酶活性，直接影響其降解速率[1]，適當(dāng)提高煙葉變黃溫度可以加快變黃[1,12]；濕度主要影響煙葉水分這一反應(yīng)介質(zhì)的含量，間接影響葉綠素降解速率[1]；煙葉葉綠素的降解速率還與品種有關(guān)[13-14]，如云煙85煙葉葉綠素降解較快，易烤性較好，紅花大金元煙葉葉綠素降解較慢，易烤性較差；K326煙葉葉綠素降解速率介于兩者之間，易烤性適中。為此，試驗(yàn)通過研究紅花大金元、K326和云煙85煙葉在不同變黃溫度下葉綠素降解動(dòng)力學(xué)特性，為揭示烤煙品種之間變黃特性差異和預(yù)測煙葉葉綠素變化提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗(yàn)于2015年8月在云南省曲靖市師宗縣彩云試驗(yàn)基地進(jìn)行，供試品種為云煙85、K326和紅花大金元，試驗(yàn)田土壤肥力中等，株行距55 cm× 110 cm，按照當(dāng)?shù)貎?yōu)質(zhì)煙葉生產(chǎn)技術(shù)規(guī)范統(tǒng)一管理，選取葉片大小相對一致的10～11葉位中部適熟煙葉采收，用福州興東輝自動(dòng)化科技有限公司生產(chǎn)的電熱式智能烤煙箱烘烤。

1.2 方法

根據(jù)實(shí)際烘烤過程烤房溫度、濕度范圍，試驗(yàn)將變黃溫度等間距劃分為34 ℃、36 ℃、38 ℃、40 ℃和42 ℃，相對濕度均為85%，煙葉變黃過程每隔3 h取1次樣，每個(gè)取樣節(jié)點(diǎn)3次重復(fù)，當(dāng)煙葉達(dá)到黃片青筋時(shí)停止試驗(yàn)。

1.3 煙葉葉綠素含量的測定

將所取煙葉葉尖和葉基各剪去10 cm，并剔除煙葉的主脈和支脈，用烘箱105 ℃殺青烘干，研磨并過60目篩，取0.2 g樣，利用80%的丙酮進(jìn)行色素提取，提取液分別在分光光度計(jì)644 nm和662 nm下比色，進(jìn)而測定其葉綠素的含量[15]。

1.4 煙葉葉綠素降解動(dòng)力學(xué)模型建立

1.4.1 零階和一階反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型 農(nóng)產(chǎn)品在加工貯藏過程中品質(zhì)指標(biāo)變化受各種因素的影響，大量研究表明，農(nóng)產(chǎn)品加工貯藏過程中品質(zhì)變化符合零階反應(yīng)模型[式（1）]或一階反應(yīng)模型[式（2）][16-17]。

式中C0、Ct分別為樣品的初始品質(zhì)指標(biāo)值和t時(shí)的品質(zhì)指標(biāo)值；k0、k1分別為零階反應(yīng)模型和一階反應(yīng)模型品質(zhì)指標(biāo)變化的速率常數(shù)；t為反應(yīng)持續(xù)時(shí)間，h。

1.4.2 反應(yīng)的半衰期和活化能 當(dāng)樣品的品質(zhì)指標(biāo)下降至初始樣品品質(zhì)指標(biāo)的一半時(shí)，所需的反應(yīng)時(shí)間t1/2為半衰期[17]，式（3）為零階反應(yīng)的半衰期，式（4）為一階反應(yīng)的半衰期。

Arrhenius方程可以用來描述反應(yīng)模型速率常數(shù)隨反應(yīng)溫度的變化關(guān)系[11,17]。

式中A為指前因子；Ea為反應(yīng)的活化能，J/mol；R為氣體常數(shù)，8.314 J/(mol·K)；T為反應(yīng)的絕對溫度，k數(shù)值等于攝氏溫度與273.15的加和。

1.5 數(shù)據(jù)分析

利用 Origin 2016軟件進(jìn)行作圖，利用MatlabR 2014a軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

2 結(jié) 果

2.1 不同品種變黃期煙葉葉綠素降解動(dòng)力學(xué)

不同變黃溫度（34 ℃、36 ℃、38 ℃、40 ℃和42 ℃）下云煙85、K326、紅花大金元煙葉葉綠素含量隨時(shí)間變化如圖1所示，隨著時(shí)間的推移煙葉葉綠素含量逐漸降低，隨著變黃溫度的升高煙葉葉綠素含量下降速度加快，在變黃溫度較低時(shí)（34 ℃、36 ℃）煙葉葉綠素降解速率呈先慢后快再慢的變化趨勢，而變黃溫度較高時(shí)（40 ℃、42 ℃）煙葉降解速率呈由快到慢的變化趨勢，說明低溫變黃存在延滯期，而高溫變黃可以打破延滯期；云煙85煙葉在42 ℃變黃溫度下變黃時(shí)間相比40 ℃、38 ℃、36 ℃和34 ℃分別減少14.3%、20%、29.4%和42.9%，K326煙葉在42 ℃變黃溫度下變黃時(shí)間相比40 ℃、38 ℃、36 ℃和34 ℃分別減少13.3%、18.7%、35%和43.5%，紅花大金元煙葉在42 ℃變黃溫度下變黃時(shí)間相比40 ℃、38 ℃、36 ℃和34 ℃分別減少11.8%、21.1%、31.8%和42.3%。

2.2 煙葉變黃期葉綠素降解模型構(gòu)建

圖1 不同品種變黃期煙葉葉綠素含量變化Fig. 1 Changes of chlorophyll content in tobacco leaves of different varieties during the yellowing stage

表1 變黃期煙葉葉綠素降解動(dòng)力學(xué)模型求解Table 1 Results of tobacco leaves’ chlorophyll degradation kinetics model during the yellowing stage

2.2.1 煙葉變黃期葉綠素降解模型確定 通常根據(jù)反應(yīng)模型的擬合結(jié)果決定系數(shù)R2推斷反應(yīng)階數(shù)，決定系數(shù)R2越大，說明反應(yīng)符合此階數(shù)；不同溫度條件下各品種煙葉變黃期葉綠素降解動(dòng)力學(xué)模型求解結(jié)果見表1，在低溫條件下（34 ℃、36 ℃）利用零階反應(yīng)模型可以獲得較好的擬合效果，但一階反應(yīng)模型模擬煙葉葉綠素含量變化決定系數(shù)R2整體大于零階反應(yīng)模型，說明變黃期煙葉葉綠素含量變化符合一階反應(yīng)模型；速率常數(shù)k1也顯示隨著變黃溫度的升高煙葉葉綠素降解速率增大，相同變黃溫度下，云煙85煙葉葉綠素降解速率最大，K326次之，紅花大金元最慢，這與煙葉葉綠素降解動(dòng)力學(xué)曲線描述一致。

2.2.2 煙葉變黃期葉綠素降解模型驗(yàn)證 對煙葉變黃期葉綠素降解動(dòng)力學(xué)一階反應(yīng)模型進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果如圖2，變黃溫度38 ℃時(shí)，紅花大金元、K326、云煙85煙葉葉綠素含量變化實(shí)測值與預(yù)測值決定系數(shù)R2分別為0.9853、0.9769、0.9854，說明一階反應(yīng)模型能夠較為準(zhǔn)確的反映各品種變黃過程葉綠素含量變化；K326品種煙葉在變黃溫度為34 ℃、38 ℃和42 ℃條件下，葉綠素含量變化實(shí)測值與預(yù)測值決定系數(shù)R2分別為0.9823、0.9769、0.9864，說明一階反應(yīng)模型能夠較為準(zhǔn)確的反映不同溫度條件下煙葉變黃過程葉綠素含量變化。

圖2 煙葉變黃期葉綠素降解動(dòng)力學(xué)模型驗(yàn)證Fig. 2 Verification of tobacco leaves’ chlorophyll degradation kinetics model during the yellowing stage

2.2.3 煙葉變黃期葉綠素降解半衰期和活化能 在模型構(gòu)建基礎(chǔ)上將煙葉葉綠素的一階反應(yīng)模型速率常數(shù)的對數(shù)ln k與變黃溫度的倒數(shù)1 000/T進(jìn)行線性擬合，結(jié)果見圖3，進(jìn)而計(jì)算出煙葉變黃期葉綠素降解半衰期、指前因子和活化能（表2），隨著變黃溫度升高煙葉葉綠素降解半衰期t1/2縮短，各品種42 ℃時(shí)相比34 ℃煙葉葉綠素降解的半衰期t1/2縮短41.4%～45.2%，說明溫度對煙葉葉綠素 的降解影響較大；活化能反映了單位反應(yīng)需要從外界環(huán)境中吸收熱量的多少，是反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的重要參數(shù)，活化能越小反應(yīng)越易進(jìn)行，紅花大金元煙葉葉綠素降解活化能為61.76 kJ/mol，大于K326的56.20 kJ/mol，云煙85煙葉葉綠素降解活化能最小，為53.16 kJ/mol，說明云煙85煙葉葉綠素降解較為容易，K326次之，而紅花大金元煙葉葉綠素降解相對較難，一定程度上揭示了不同品種變黃特性差異。

圖3 煙葉變黃期葉綠素降解的Arrhenius擬合Fig. 3 Arrhenius fitting of chlorophyll degradation in tobacco leaves during the yellowing stage

表2 煙葉變黃期葉綠素降解半衰期和活化能Table 2 Half-time and active energy of chlorophyll degradation in tobacco leaves during the yellowing stage

2.3 煙葉變黃期葉綠素降解動(dòng)力學(xué)模型的應(yīng)用

與試驗(yàn)的恒溫變黃不同，實(shí)際烘烤過程變黃期烘烤溫度變化為階梯升溫，并存在一定波動(dòng)，為提升模型的可靠性和適用性，將實(shí)際烘烤變黃期溫度波動(dòng)變化融入模型；即在模型構(gòu)建基礎(chǔ)上，將一階反應(yīng)模型式（1）與Arrhenius方程式（5）結(jié)合，預(yù)測試驗(yàn)以K326品種中部葉為材料，代入K326品種煙葉活化能Ea和指前因子A，建立K326品種煙葉葉綠素含量Ct隨時(shí)間t和變黃溫度D的預(yù)測模型：

根據(jù)國內(nèi)現(xiàn)行烘烤技術(shù)，分別進(jìn)行低溫變黃烘烤（前期33～34 ℃、中期36～37 ℃、后期39～40 ℃）、中溫變黃烘烤（前期35～36 ℃、中期38～39 ℃、后期41～42 ℃）和高溫變黃烘烤（前期37～38 ℃、 中期40～41 ℃、后期43～44 ℃）煙葉葉綠素含量預(yù)測試驗(yàn)，其變黃期具體溫度隨時(shí)間變化曲線見圖4。 通過代入煙葉葉綠素初始含量C0，并將變黃過程的時(shí)間t和對應(yīng)溫度D記錄數(shù)值代入模型，煙葉葉綠素含量的實(shí)測值和預(yù)測值如圖5，基于溫度波動(dòng)的低溫、中溫、高溫變黃條件下K326煙葉葉綠素含量變化實(shí)測值與預(yù)測值決定系數(shù)R2分別為0.9667、0.9765、0.9823，說明該反應(yīng)模型能夠較為準(zhǔn)確的預(yù)測實(shí)際烘烤變黃過程中煙葉葉綠素含量變化。

圖4 不同變黃條件烘烤過程溫度變化Fig. 4 Changes of temperature with different yellowing conditions during curing

圖5 不同變黃條件煙葉葉綠素含量變化預(yù)測Fig. 5 Prediction of chlorophyll content in tobacco leaves with different yellowing conditions

3 討 論

不同烤煙品種烘烤過程中煙葉色素降解速率存在一定差異[3]，研究顯示，相同變黃溫度下，云煙85煙葉葉綠素降解最快，K326次之，紅花大金元最慢，這與張樹堂等[2]研究不同品種煙葉烘烤特性的結(jié)果一致。煙葉烘烤前期可以看作是烤房逆境 條件下內(nèi)部物質(zhì)代謝的過程，相關(guān)研究顯示，隨著變黃溫度的升高煙葉葉綠素降解加快，這可能與高溫逆境脅迫有關(guān)[1]；從色素降解活化能來看，活化能反映了單位反應(yīng)需要從外界環(huán)境中吸收熱量的多少，有關(guān)研究認(rèn)為活化能Ea＜42 kJ/mol，反應(yīng)速率較大，Ea＞400 kJ/mol，反應(yīng)速率較小[10]，烤煙與小白菜貯藏過程葉綠素降解活化能57.02 kJ/mol較為接近[11]，說明其葉綠素降解速率相對偏大、易發(fā)生降解；高溫條件下有利于煙葉吸收較多熱量，加速降解反應(yīng)進(jìn)行，這印證了高溫變黃煙葉葉綠素降解較快這一結(jié)論，這可能是較低溫度下葉綠素降解存在延滯期，而較高溫度下不存在延滯期的原因。

烘烤過程中不同變黃工藝條件下變黃前期預(yù)測結(jié)果與實(shí)際值偏差較大，可能是變黃前期溫度較低，煙葉處于預(yù)熱階段[18-19]，葉綠素降解開始啟動(dòng)、存在延滯期，容易偏離實(shí)際值；而且從葉綠素降解模型求解結(jié)果來看，零階模型隨著變黃溫度升高擬合優(yōu)度基本呈下降趨勢，一階模型隨著變黃溫度升高擬合優(yōu)度基本呈升高趨勢，由此可推測，隨著變黃溫度的降低煙葉色素降解可能匹配零階模型，這也可能是烘烤過程中變黃前期預(yù)測結(jié)果與實(shí)際值偏差較大的原因。

4 結(jié) 論

烤煙葉綠素降解動(dòng)力學(xué)顯示，隨著變黃溫度的升高煙葉葉綠素含量下降速度加快；相同溫度下，云煙85煙葉葉綠素降解最快，K326次之，紅花大金元最慢；煙葉變黃過程中葉綠素降解符合一階反應(yīng)模型，隨著變黃溫度升高煙葉葉綠素降解半衰期t1/2縮短，紅花大金元煙葉葉綠素降解活化能較大，K326次之，云煙85煙葉葉綠素降解活化能最小；試驗(yàn)建立了基于溫度波動(dòng)變化的葉綠素降解反應(yīng)模型，能夠較為準(zhǔn)確地預(yù)測實(shí)際烘烤變黃過程中煙葉葉綠素含量變化，為進(jìn)一步推動(dòng)煙葉精準(zhǔn)烘烤的發(fā)展提供參考。

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Analysis of the Chlorophyll Degradation Kinetics of Flue-cured Tobacco during the Yellowing Stage

WEI Shuo1, WANG Tao2, WANG Songfeng3, GAO Huafeng2, XIE Yan2, MAO Jianshu2, LI Zuhong2, ZHANG Feng2, SONG Zhaopeng1*

(1. College of Tobacco Science, Henan Agricultural University, Zhengzhou 450002, China; 2. Yunnan Qujing Municipal Tobacco Company, Qujing, Yunan 655000, China; 3. Key Laboratory of Tobacco Biology and Processing, Ministry of Agriculture, Tobacco Research Institute of CAAS, Qingdao 266101, China)

In order to study the yellowing characteristics of different tobacco varieties and predict the changes of chlorophyll content during the yellowing stage. Changes of flue-cured tobacco leaves’ chlorophyll content in different varieties (Honghuadajinyuan, K326, Yunyan85) under different yellowing temperature (34 ℃, 36 ℃, 38 ℃, 40 ℃ and 42 ℃) were analyzed, and the degradation kinetic model of flue-cured tobacco leaves’ chlorophyll was established. The results showed that flue-cured tobacco leaves’ chlorophyll content got a faster degradation with the increase of yellowing temperature. There was a lag phase of flue-cured tobacco leaves’ chlorophyll degradation at the low yellowing temperature (such as 34 ℃ and 36 ℃), however, there was no lag phase at the high yellowing temperature (such as 40 ℃ and 42 ℃). The chlorophyll degradation of the Yunyan-85 variety was the fastest, followed by the variety of K326, and the variety of Honghuadajinyuan got the slowest degradation. The first-order reaction kinetic model can well describe the variation of flue-cured tobacco leaves’ chlorophyll content during the yellowing stage. The half-life(t1/2) of flue-cured tobacco leaves’ chlorophyll degradation was shortened with yellowing temperature increased. The chlorophyll degradation activation energy of the varieties of Honghuadajinyuan, K326 and Yunyan85 leaf were 61.76, 56.20 and 53.16 kJ/mol respectively. The chlorophyll degradation reaction model based on the variation of temperature fluctuation was established in the test, which could provide a theoretical reference for the accurate prediction of the changes of chlorophyll content in tobacco leaves during the yellowing stage.

flue-cured tobacco; yellowing stage; chlorophyll; degradation kinetics; model

TS44+1

1007-5119（2017）04-0086-06

10.13496/j.issn.1007-5119.2017.04.014

中國煙草總公司云南省公司項(xiàng)目“防治烘烤過程中煙葉腐爛霉變技術(shù)研究推廣”（2016YN10）

魏 碩（1991-），男，在讀碩士，研究方向?yàn)闊熑~烘烤研究。E-mail：weishuo006@163.com。*

，E-mail：ycszp@163.com

2017-04-18

2017-06-26