基于形態(tài)學和色度學的烘烤過程中煙葉水分含量變化的模型

李崢　邱坤　方明　譚方利　趙東方　趙貴斌　張杰　賀帆

摘要：旨在建立烤煙烘烤過程中的煙葉形態(tài)指標和顏色參數(shù)與含水量的關(guān)系模型，從而為烤煙烘烤工藝的優(yōu)化改良、烘烤質(zhì)量的動態(tài)形成研究提供參考。以烤煙K326的上部葉為試驗材料，采用電熱式溫濕度自控烤煙箱，以三段式烘烤工藝進行試驗，研究烘烤過程中煙葉含水量與外觀形態(tài)、顏色變化之間的規(guī)律。結(jié)果表明，在烤煙烘烤過程中葉片、整葉的總含水率及葉片的自由水含量均在定色期快速下降，主脈各含水量指標則在定色后期開始大幅度降低。烘烤過程中葉片、主脈的厚度和體積收縮率較為明顯，其余形態(tài)指標在變黃期的變化均較平緩，定色期相對劇烈，干筋期又減緩;葉片正面、背面各顏色參數(shù)的變化趨勢基本一致，均表現(xiàn)為變黃期變化幅度較大，之后趨于穩(wěn)定，且葉片正面顏色的變化快于背面，主脈顏色參數(shù)的變化則明顯滯后于葉片，定色末期之后的變化最顯著。相關(guān)性分析表明，煙葉含水量指標與各形態(tài)指標均具有良好的相關(guān)性，與葉片正面a*值、葉片背面a*值、主脈a*值和主脈b*值的相關(guān)性較好。回歸分析擬合方程的構(gòu)建，實現(xiàn)了通過烘烤過程中葉片、主脈的形態(tài)和顏色變化快速、精準地預測葉片、主脈和整葉含水量的變化。

關(guān)鍵詞：烤煙;形態(tài)學;色度學;烘烤;自由水;形態(tài)指標;顏色參數(shù)

中圖分類號： TS452+.4文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2019）19-0209-06

收稿日期：2018-05-14

基金項目：河南省高等學校青年骨干教師資助項目（編號：2015GGJS-079）;湖南省煙草公司郴州市公司資助項目（編號：201543100094001）。

作者簡介：李 崢（1994—），男，河南周口人，碩士研究生，研究方向為煙草調(diào)制與加工。E-mail：tobaccolz@126.com。

通信作者：賀 帆，博士，副教授，主要從事煙草調(diào)制與加工方面的研究。E-mail：hefanyc@163.com。

煙葉烘烤的實質(zhì)是通過調(diào)節(jié)采后煙葉所處的溫濕環(huán)境，進而有節(jié)奏地促進煙葉失水干燥的過程。在煙葉烘烤過程中，上、下表皮細胞的厚度、寬度以及柵欄組織、海綿組織的厚度、收縮率存在差異，宏觀上煙葉形態(tài)的變化是煙葉失水干燥程度的體現(xiàn)[1-2]。同時，水分作為調(diào)控煙葉生理變化的重要介質(zhì)，與煙葉內(nèi)含物質(zhì)的轉(zhuǎn)化密切相關(guān)，而色素類物質(zhì)含量的變化外在體現(xiàn)在煙葉顏色的變化[3]。隨著現(xiàn)代儀器學科的不斷發(fā)展，煙葉外觀顏色的檢測和識別技術(shù)越發(fā)成熟，CIE（國際照明委員會）色度空間較好地實現(xiàn)了煙葉顏色的量化研究，目前已得到廣泛應用[4-6]。因此，研究烘烤過程中煙葉水分與形態(tài)、顏色變化之間的關(guān)系，對于了解煙葉品質(zhì)形成、提高煙葉的可用性、實現(xiàn)精益烘烤具有重要意義。樊軍輝等研究了不同烤房類型對煙葉烘烤過程中形態(tài)收縮、卷曲的影響，結(jié)果顯示，密集烤房裝煙密度大，煙葉形態(tài)變化受到限制，是導致上部葉出現(xiàn)光滑僵硬現(xiàn)象的重要原因[7]。魏碩等對比研究了煙葉帶莖與不帶莖烘烤過程中含水量與形態(tài)收縮的變化，結(jié)果表明，葉片厚度、主脈直徑的變化與煙葉總水含量、自由水含量的關(guān)系密切[8]。謝鵬飛等研究了煙葉烘烤過程中水含量與顏色參數(shù)變化的關(guān)系，結(jié)果表明，煙葉a*值、主脈b*值與含水率指標呈顯著或極顯著相關(guān)[9]。對于烘烤過程中煙葉水分含量與外觀形態(tài)、顏色變化的關(guān)系還有待進一步探究。

為此，本研究以湖南郴州煙區(qū)所產(chǎn)煙草品種K326的上部葉為試驗材料，分別探究葉片、主脈在烘烤過程中的失水規(guī)律，在前人研究的基礎(chǔ)上進一步完善形態(tài)學指標，并采用亨特Lab值量化研究葉片和主脈顏色的變化，通過相關(guān)性分析和回歸分析實現(xiàn)煙葉外觀形態(tài)、顏色變化與含水量關(guān)系的定性定量研究，進而為烤煙烘烤質(zhì)量的動態(tài)形成、烘烤工藝的優(yōu)化改進提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

本試驗于2017年3—8月在湖南省桂陽縣正和煙草工作站進行。供試煙草品種為K326，試驗田土壤為水稻土，土壤肥力中等;于2017年3月14日移栽，種植株行距為50 cm×110 cm;田間管理參照當?shù)貎?yōu)質(zhì)煙草栽培生產(chǎn)技術(shù)規(guī)范進行。選取葉色均勻且葉片大小、成熟度基本一致的上部葉（第 15～16 葉位）作為試驗材料。

1.2 試驗方法

將采收后的煙葉均勻懸掛于2個電熱智能密集烤煙箱（由鄭州智聯(lián)自動化設(shè)備有限公司生產(chǎn)）中，同時開烤，參照三段式烘烤工藝[10]進行。烘烤開始后以12 h為周期，選取20張具有代表性的完整煙葉，用于含水量、形態(tài)指標和顏色參數(shù)的測定，為了避免取樣后裝煙密度及葉間隙風速對于試驗誤差產(chǎn)生影響，每次取樣后選取另1個烤煙箱的煙葉進行填充。

1.3 測定項目及方法

為了確保試驗數(shù)據(jù)的精準性，將煙葉、主脈分為上部（第2～3支脈）、中部（第5～6支脈）和下部（第8～9支脈）3個區(qū)域。圖1中的檢測位點1、2、3距離主脈2 cm，檢測位點4、5、6位于主脈上。

1.3.1 煙葉水分指標的測定 在測定總含水率時，將葉片和主脈剝離，參照YC/T 31—1996《煙草及煙草制品 試樣的制備和水分測定 烘箱法》，采用烘箱法分別測量葉片、主脈的含水率，并以此為基礎(chǔ)計算整葉（葉片+主脈）的含水率。葉片、主脈中自由水、束縛水含量的測定采用阿貝折射儀法[11]，其中測定葉片自由水、束縛水含量時用打孔器（孔徑5 mm）分別選取圖1中1、2、3位置的樣品，測定主脈自由水、束縛水含量時用刀片切取圖1中4、5、6位置的樣品。

1.3.2 煙葉形態(tài)指標的測定 煙葉平面收縮率、煙葉卷曲度的測量參照樊軍輝等的方法[7];厚度收縮率的測量采用Progage 100測厚儀（美國Thwing-Albert公司），葉片的測量位置為圖1中的1、2、3位點，主脈的測量位置為圖1中的4、5、6位點;體積收縮率的測量參照鐘廣炎的方法[12]進行。

2.5 煙葉水分含量與形態(tài)指標和顏色參數(shù)的相關(guān)性分析

由表1對烘烤過程中煙葉含水量與各項形態(tài)指標的相關(guān)性分析可以看出，葉片含水率、整葉含水率與各項形態(tài)指標均呈極顯著負相關(guān)。主脈水含率與縱向收縮率、葉面積收縮率、主脈厚度收縮率和橫向卷曲度4項指標呈顯著負相關(guān)，與主脈體積收縮率、縱向卷曲度呈極顯著負相關(guān)。葉片自由水含量與各項形態(tài)學指標呈負相關(guān)，除與縱向卷曲度顯著相關(guān)外，與其余指標的相關(guān)性均達極顯著水平。主脈自由水含量與縱向收縮率、主脈厚度收縮率、主脈體積收縮率、縱向卷曲度的相關(guān)性達到極顯著水平，與其余5項指標也呈顯著負相關(guān)。葉片束縛水含量除與葉片體積收縮率的相關(guān)性不顯著外，與其余指標均呈顯著或極顯著負相關(guān)。主脈束縛水含量與縱向收縮率、主脈厚度收縮率、主脈體積收縮率、橫向卷曲度呈顯著負相關(guān)，與縱向卷曲度呈極顯著負相關(guān)。

對烘烤過程中煙葉含水量與顏色參數(shù)中的亨特Lab值進行相關(guān)性分析，從表1可以看出，葉片正面a*值與葉片束縛水含量、主脈束縛水含量之間的相關(guān)性不顯著，與主脈水含率、整葉含水率和主脈自由水含量3項指標呈顯著負相關(guān)，與葉片含水率、葉片自由水含量呈極顯著負相關(guān)。葉片背面L*值與葉片自由水含量呈顯著負相關(guān)，a*值與葉片含水率、主脈含水率呈顯著負相關(guān)，與葉片自由水含量呈極顯著負相關(guān)。各項煙葉水分含量指標與主脈a*值的相關(guān)性最強，除與葉片含水率、葉片自由水含量、葉片束縛水含量3項指標呈顯著負相關(guān)外，其余水分含量指標均與主脈a*值呈極顯著負相關(guān)。主脈b*值則與葉片自由水含量的相關(guān)性不顯著，與主脈束縛水含量呈極顯著負相關(guān)，與其余水分含量指標呈顯著負相關(guān)。葉片正面的L*值、b*值，以及葉片背面的b*值、主脈L*值與各項水分含量指標的相關(guān)性均不顯著。

2.6 烘烤過程中煙葉水分含量模型的建立

依據(jù)自變量對因變量作用的顯著程度，選擇回歸方程的初始參數(shù)，以葉片含水率（y1）、主脈含水率（y2）、整葉含水率（y3）、葉片自由水含量（y4）、主脈自由水含量（y5）、葉片束縛水含量（y6）、主脈束縛水含量（y7）7項指標為因變量，以橫向收縮率（x1）、縱向收縮率（x2）、葉面積收縮率（x3）、葉片厚度收縮率（x4）、主脈厚度收縮率（x5）、葉片體積收縮率（x6）、主脈體積收縮率（x7）、橫向卷曲度（x8）、縱向卷曲度（x9）9項形態(tài)參數(shù)為自變量，擬合出回歸方程y1～y7。在顏色參數(shù)方面，以葉片水含率（y8）、主脈水含率（y9）、整葉水含率（y10）、葉片自由水含量（y11）、主脈自由水含量（y12）、葉片束縛水含量（y13）、主脈束縛水含量（y14）7項指標為因變量，以葉片正面a*值（x1）、葉片背面a*值（x2）、主脈a*值（x3）、主脈b*值（x4）4項指標為自變量，建立回歸方程y8～y14。具體公式如下：

y1=-3.305x1+1.518x2+1.936x3-0.689x4-0.528x5+0.637x6-0.135x7-0.928x8+2.728x9+76.042（R2=0.999，P<0.01）;

y2=0.869x1-5.230x2-1.765x3-0.025x4+0.308x5+1.074x6-1.055x7+1.454x8-4.639x9+79.042（R2=0.980，P<0.01）;

y3=-0.669x1+1.535x2-1.689x3-0.015x4-0.473x5+0.593x6-0.349x7-0.154x8-0.939x9+78.979（R2=0.999，P<0.01）;

y4=0.260x1+1.882x2-3.489x3+0.291x4-0.194x5-0.208x6-0.035x7+1.290x8-1.158x9+35.801（R2=0.997，P<0.01）;

y5=-0.815x1-5.861x2+0.740x3-0.729x4-0.628x5+0.886x6-1.090x7+1.569x8-0.797x9+63.685（R2=0.965，P<0.05）;

y6=-1.899x1-0.021x2+3.637x3-0.427x4-0.459x5+0.342x6+0.346x7-1.885x8-0.510x9+38.066（R2=0.998，P<0.01）;

y7=-0.301x1-5.865x2+2.835x3+0.010x4-0.032x5+0.025x6+0.241x7-1.396x8+0.769x9+36.497（R2=0.961，P<0.05）;

y8=-2.937x1-0.294x2-3.829x3+0.167x4+183.342（R2=0.967，P<0.05）;

y9=0.814x1-5.100x2-0.028x3+0.024x4+61.571（R2=0.949，P<0.05）;

y10=-1.681x1-2.107x2-2.950x3-0.311x4+155.717（R2=0.977，P<0.05）;

y11=-2.265x1+0.012x2-0.439x3+1.205x4+44.507（R2=0.985，P<0.01）;

y12=-0.566x1-3.110x2+0.744x3-0.038x4+27.041（R2=0.917，P<0.05）;

y13=-0.309x1-0.638x2-3.363x3+0.264x4+134.596（R2=0.952，P<0.05）;

y14=0.122x1-1.151x2-0.515x3+0.419x4+34.473（R2=0.885，P<0.05）。

通過各回歸方程的確定系數(shù)R2可以看出，烘烤過程中煙葉的含水量與形態(tài)指標、顏色參數(shù)的回歸方程均具有較高的擬合度，方差分析結(jié)果均達到顯著或極顯著水平。

3 結(jié)論與討論

煙葉在烘烤過程中，葉片、主脈、整葉的含水率均不斷降低，葉片、整葉的失水速率呈現(xiàn)出變黃期慢、定色期快、干筋期再減緩的變化趨勢，整葉含水率的降低速率和幅度要慢于葉片。葉片的失水干燥必然會影響主脈水分的遷移，在定色末期，葉片水分基本全干，主脈中的水分受到水勢差的作用，此時水分經(jīng)由側(cè)脈向葉片快速轉(zhuǎn)移散失[14]。煙葉水分分為自由水和束縛水，主脈的自由水含量明顯高于葉片，而束縛水含量表現(xiàn)為葉片高于主脈，表明主脈水分的流動性強于葉片。葉片的自由水、束縛水含量在定色期快速遞減，主脈的自由水、束縛水含量則在定色后期開始明顯降低。

煙葉形態(tài)變化的本質(zhì)是由于表皮細胞、柵欄組織和海綿組織的厚度、間隙發(fā)生了改變[15]。本試驗結(jié)果表明，烘烤過程中煙葉的縱向收縮率和縱向卷曲度的變化幅度較小，厚度與體積2項形態(tài)學指標的變化幅度較高，葉片的厚薄與體積大小表征了煙葉對水分的容納能力[16]。隨著葉片、主脈含水率的不斷降低，最終葉片和主脈厚度、體積的變化較為明顯。整體來看，各項形態(tài)指標在變黃期的變化較為平緩，變化幅度最大的時期發(fā)生在定色期，在干筋期變化又逐漸減緩，與煙葉水分的變化規(guī)律近似。就煙葉顏色的變化而言，由于變黃期的煙葉仍含有大量水分，為色素等大分子物質(zhì)的降解轉(zhuǎn)化提供了適宜的條件，因此葉片的顏色參數(shù)變化主要集中在變黃期，且葉片正面、背面顏色參數(shù)的變化趨勢基本一致。由于煙葉為典型異面葉，葉面、葉背的組織結(jié)構(gòu)、色素含量、失水特性不同[17]，葉片正面顏色的變化要略快于葉背面，這與謝鵬飛等的研究結(jié)果[9]一致。主脈顏色參數(shù)變化最顯著及最高值出現(xiàn)的時期要滯后于葉片，主要發(fā)生在定色后期，這個時期對于主脈水分的合理調(diào)控有助于煙梗利用率的提升。

在烤煙烘烤過程中合理地調(diào)控煙葉失水量、失水速率是促進烤煙生理變化和物理變化協(xié)調(diào)統(tǒng)一進行的前提[18-19]。煙葉形態(tài)、顏色是煙葉內(nèi)部理化變化的外在宏觀體現(xiàn)，同時也是溫濕度調(diào)節(jié)的重要參照指標。煙葉烘烤過程中的水分含量與形態(tài)、顏色密切相關(guān)，由相關(guān)性分析可以看出，煙草葉片含水率、整葉含水率、葉片自由水含量、主脈自由水含量與各項形態(tài)學指標均有顯著或極顯著負相關(guān)關(guān)系，其余的水含量指標也與形態(tài)參數(shù)具有較高的相關(guān)性?；貧w擬合方程表明，可以通過煙葉烘烤過程中形態(tài)的變化實現(xiàn)煙葉含水量的精準預測。顏色參數(shù)中的葉片正面a*值、葉片背面a*值、主脈a*值和主脈b*值與煙葉含水量指標的相關(guān)性較好，通過回歸分析擬合方程定量地將烘烤過程中煙葉的含水量變化與形態(tài)、顏色變化聯(lián)系起來。雖然本試驗實現(xiàn)了煙葉各部分水分含量與外觀形態(tài)指標、顏色參數(shù)的定性、定量分析，但仍處于初步階段，有關(guān)煙葉烘烤過程中葉片、主脈、支脈等各部分細胞形態(tài)、組織結(jié)構(gòu)、顏色變化與含水量變化的關(guān)系還有待進一步研究。

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