烤煙晾制變黃過程中顏色變化動力學模型分析

李 崢，汪代斌，王建安，李常軍，王洪峰，楊 超，李納鉀，申洪濤,3*

(1.河南農(nóng)業(yè)大學煙草學院，河南 鄭州 450002；2.中國煙草總公司重慶市公司，重慶 400023；3.河南中煙工業(yè)有限責任公司，河南 鄭州 450016)

【研究意義】晾黃烘烤作為烤煙調(diào)制技術的重要補充，近年來在許多煙區(qū)得到了廣泛的應用[1]?？緹熃?jīng)一定時間晾制變黃后進行烘烤作業(yè)，可有效降低烘烤能耗、提升烤房裝煙容量以及提高煙葉內(nèi)外觀質(zhì)量[2-3]，對于煙葉烘烤在節(jié)能減排、提質(zhì)增效方面有良好的應用意義。然而當前有關烤煙在烤前晾制過程中對煙葉顏色變化的精細化研究鮮有報道。煙葉顏色作為采收成熟度、科學烘烤[4-5]、烤煙分級以及外觀質(zhì)量評價[6-7]中的重要判別指標，是煙葉內(nèi)多種化學成分綜合作用的外在體現(xiàn)，一定程度上反映了煙葉的內(nèi)在品質(zhì)[7-8]。因此研究煙葉晾制過程中的顏色變化規(guī)律具有重要意義。【前人研究進展】隨著交叉學科的不斷發(fā)展和滲透，許多學者將色度學指標與動力學模型以及經(jīng)典Arrhenius方程相結合來研究農(nóng)產(chǎn)品儲藏和加工過程中顏色的變化，預測產(chǎn)品的品質(zhì)變化[9-10]，并取得了相應的研究進展。謝晶等[11]、劉春菊等[12]分別對上海青和蓮藕片在不同儲藏溫度下顏色變化的研究表明，其表征顏色變化的指標亮度值L*和總色差△E的變化均符合零階動力學模型，并采用Arrhenius方程對顏色參數(shù)變化速率和溫度進行非線性擬合得到顏色變化的活化能，構建了對應產(chǎn)品的貨架期預測模型。王軍等[13]研究顯示，荷花粉在不同貯藏條件下黃度值b*的變化符合一階反應模型。鐘金鋒等[14]研究表明，竹筍在不同溫度條件下的熱燙處理過程中L*、a*的反應速率常數(shù)與處理溫度成正比，而b*、ΔE、飽和度C*和褐變指數(shù)BI隨熱燙溫度升高而降低，擬合系數(shù)R2表明竹筍在熱燙處理過程中各項顏色指標變化均符合零階動力學模型。在烤煙方面，魏碩等[15]對烘烤過程中不同變黃溫度下煙葉葉綠素變化規(guī)律進行研究，發(fā)現(xiàn)葉綠素的降解規(guī)律均符合一階動力學模型。 【本研究切入點】基于上述研究基礎，該研究以常用的CIELAB顏色空間中的亮度值L*、紅綠值a*、黃藍值b*及由此而衍生的褐變指數(shù)BI(browning index) 和總色差ΔE并結合SPAD實現(xiàn)對晾制過程中煙葉顏色和葉綠素的快速無損檢測。重點探討煙葉在晾制過程中溫度和時間對顏色變化的影響規(guī)律，建立煙葉晾制過程中顏色變化動力學模型，以模擬預測煙葉在不同晾制溫度下顏色變化與晾制時間的關系?！緮M解決的關鍵問題】旨在為烤煙晾制標準、方法以及晾烤結合的配套工藝技術的研究和發(fā)展提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

1.1.1 材料和儀器 試驗于2017年8月在四川省瀘州市古藺縣箭竹試驗基地進行，供試烤煙品種為云煙87。試驗田土壤肥力中等，種植株行距50 cm×120 cm，田間管理按優(yōu)質(zhì)烤煙栽培生產(chǎn)技術規(guī)范進行。選取葉片大小相對一致的中部葉(11～12位葉)作為試驗材料，成熟度為適熟，外觀特征表現(xiàn)為主脈全白發(fā)亮，支脈2/3變白，葉面黃而均勻，枯尖焦邊，茸毛較多脫落[16]。

1.1.2 測量儀器 HP-C210精密色差儀(深圳漢譜光彩科技有限公司)，配備標準白板以及CIE標準0/d測試探頭，測量孔徑為20 mm。SPAD502葉綠素儀(日本Minolta公司)，通過測量葉片在2種波長(650 和940 nm)范圍內(nèi)的透光系數(shù)來確定葉片當前葉綠素的相對數(shù)量。

1.2 試驗方法

由于Arrhenius定律所適用的溫度區(qū)間有限[17]，綜合煙區(qū)在煙葉采收烘烤季節(jié)所處的溫度范圍，本研究以5 ℃為溫度梯度，將采收后的中部葉分為5組，每組5片煙葉，分別儲藏在溫度為20、25、30、35和40 ℃的恒溫恒濕箱中，相對濕度均為65 %。每隔4 h分別測量5組煙葉表面的亮度值L*、紅綠值a*、黃藍值b*以及SPAD值，每次測定平行次數(shù)和重復次數(shù)均為3。并分別依據(jù)式(1)和式(2)計算總色差△E和褐變指數(shù)BI[14]。至SPAD502葉綠素儀測量值為0時(葉片全黃)停止測量。顏色參數(shù)和SPAD測量時選取煙葉1/4、1/2、3/4處對稱的6個位置作為測量點(圖1)，測量點距離主脈約5 cm。

(1)

(2)

式中：Lt*、at*、bt*表示在晾制時間t時測得的顏色指標數(shù)值；L0*、a0*、b0*表示剛采收后煙葉的初始顏色指標數(shù)值。

1.3 顏色變化動力學模型建立

1.3.1 零階和一階反應動力學模型 國內(nèi)外對農(nóng)產(chǎn)品在加工和儲藏過程中品質(zhì)指標變化大多采用動力學模型進行研究分析。從已有研究來看，大多數(shù)農(nóng)產(chǎn)品的品質(zhì)因子C與時間t之間的關系表現(xiàn)出零階反應模型(式3)或一階反應模型[11,18-19](式4)，具體動力學方程如下：

f(Ct)=f(C0)-kt

(3)

lnf(Ct)= lnf(C0)-kt

(4)

式中：f(C0)為樣品的初始品質(zhì)指標值，f(Ct)為反應至t時的品質(zhì)指標值，k為反應模型品質(zhì)指標變化的速率常數(shù)。

1.3.2 反應的半衰期和活化能 研究表明擁有動力學性質(zhì)的反應才具有穩(wěn)定的半衰期t1/2，與核衰變不同的是反應的半衰期數(shù)據(jù)會受溫度的影響很大。式(5)和式(6)分別表示零階反應和一階反應的半衰期。

圖1 煙葉顏色參數(shù)和SPAD測量位置

t1/2=f(C0)/2k

(5)

t1/2= ln 2/k

(6)

阿侖尼烏斯(Arrhenius)公式(式7)表征了反應速度常數(shù)k與溫度T之間的變化關系[15]，

k=Aexp(-Ea/RT)

(7)

式中：A為指前因子，是一個只由反應本性決定而與反應溫度無關的常數(shù)，與k具有相同的量綱；Ea(J·mol-1)表示反應的活化能：R(J·mol-1·K-1)為氣體常數(shù)，其數(shù)值為8.314：T(K)為絕對溫度，其數(shù)值為反應的攝氏溫度與273.15之和。

1.4 數(shù)據(jù)分析

最終統(tǒng)計的數(shù)據(jù)為3組平行試驗的3次重復測量結果的平均值，采用Matlab2014a軟件對各項顏色指標的數(shù)據(jù)進行模型擬合與分析，利用Excel2013進行作圖。

2 結果與分析

2.1 不同晾制溫度對SPAD的影響

如圖2所示，隨晾制時間的推移煙葉SPAD值逐漸降低，且溫度越高下降速度越快。在晾制溫度較低時(20、25 ℃)煙葉SPAD值降低速率呈先慢后快再慢的變化趨勢，而晾制溫度較高時(30、35、40 ℃)煙葉SPAD值下降速度呈現(xiàn)由快至慢的變化趨勢，說明高溫條件下晾制有助于煙葉中葉綠素的降解。煙葉在40 ℃晾制溫度下變黃時間較35、30、25 和20 ℃分別減少10.0 %、25.0 %、35.7 %和43.8 %左右。

圖2 煙葉晾制過程中SPAD變化

2.2 不同晾制溫度下煙葉顏色的變化

由圖3a和圖3b可知，煙葉表面亮度值L*和紅綠值a*隨晾制時間的增加呈現(xiàn)不斷增長的變化趨勢，且晾制溫度越高增長速率越快。在晾制溫度20 和40 ℃條件下，煙葉表面L*值分別增長至67.21和69.77，a*值分別增長至-3.60和1.25。表明高溫條件下晾制的煙葉變黃后較低溫晾制的煙葉亮度偏高、顏色偏紅。煙葉表面顏色變化本質(zhì)是葉片中內(nèi)含物質(zhì)綜合體現(xiàn)的結果[7]，王濤等[20]對烤煙中部葉顏色參數(shù)與內(nèi)在品質(zhì)之間的關系研究中發(fā)現(xiàn)L*值、a*值的變化與色素類物質(zhì)和淀粉含量呈極顯著負相關關系，高溫條件下煙葉變黃所需晾制時間短，干物質(zhì)損失少[21]從而導致晾制溫度越低煙葉變黃后表面L*值和a*越高。

圖3c中，在晾制過程中煙葉表面的黃藍值b*逐漸升高，且晾制溫度越低b*值增幅越大，20 ℃條件下晾制結束時b*值分別較25、30、35和40 ℃增大1.49 %、3.12 %、4.35 %和4.89 %?？赡苁怯捎诘蜏貤l件下煙葉晾制變黃時間長，更有利于葉內(nèi)的葉綠素、淀粉以及蛋白 質(zhì)等大分子物質(zhì)降解到適宜的程度[22]，從而使煙葉顏色更加偏黃。

從圖3d可以看出，煙葉在20～30 ℃條件下晾制，總色差△E增長速率表現(xiàn)為先慢后快的上升趨勢，高溫條件(35、40 ℃)下晾制時△E呈快速上升的趨勢。△E做為一項顏色參數(shù)廣泛被用來描述農(nóng)產(chǎn)品在加工或儲藏過程中的顏色變化，當△E>2時視覺就很容易捕獲顏色所呈現(xiàn)的變化[23]，結合不同溫度條件下煙葉晾制過程中△E變化規(guī)律可以看出，隨溫度不斷上升，煙葉顏色變化速率逐漸增長。

褐變指數(shù)BI在一定程度上表征非酶褐變指數(shù)，其數(shù)值的大小和褐變反應程度呈正比[12]。由圖3e可見，煙葉的褐變指數(shù)BI在晾制過程中也在逐漸增長，且BI的變化規(guī)律和上述△E的變化規(guī)律較為一致。40 ℃條件下晾制的煙葉變黃后褐變指數(shù)為96.84，相比同期20～35 ℃條件下晾制的煙葉BI值分別增加28.37 %、18.09 %、14.78 %和6.11 %。表明不同晾制溫度對BI值的影響較大，且晾制溫度越高BI增幅越大。說明煙葉晾制過程中較高的溫度可能促進了葉片中含有氨基酸基團的復合物與還原糖之間美拉德反應的發(fā)生，從而生成了有顏色的類黑色素類物質(zhì)[24]。此外美拉德反應形成的阿馬杜里化合物被認為可賦予煙葉特有的香氣[25]，有關煙葉晾制過程中褐變指數(shù)與煙葉香氣成分的形成之間的關系仍需進一步探究。

圖3 不同晾制溫度下煙葉顏色的變化

2.3 煙葉晾制過程中顏色變化動力學分析

2.3.1 煙葉晾制過程中顏色變化動力學模型確定 采用matlab2014a軟件對煙葉晾制過程中上述顏色評價指標進行線性和非線性擬合分別得到所測指標的零階和一階動力學模型的模型常數(shù)k、均方根誤差RMSE以及決定系數(shù)R2，結果見表1?？梢钥闯霾煌乐茰囟葪l件下煙葉樣品的L*值、△E和BI3項顏色評價指標的零階動力學模型決定系數(shù)的∑R2大于一階動力學模型，表明零階動力學模型更具擬合優(yōu)勢，而a*值、b*值和SPAD的變化規(guī)律更遵循一階動力學模型。

表1 煙葉晾制過程中顏色評價指標動力學模型

2.3.2 煙葉晾制過程中各項顏色指標變化的半衰期和活化能 在模型構建的基礎上對煙葉晾制過程中顏色指標的零階或一階動力學模型速率常數(shù)k取對數(shù)得到l nk，與晾制溫度的倒數(shù)1000/T進行線性擬合，結果如圖3所示，可以看出各項顏色評價指標的決定系數(shù)R2在0.8980～0.9781之間，均具有較高的擬合程度。

圖3 煙葉晾制過程中顏色指標變化的Arrhenius擬合圖

表2 煙葉晾制過程中顏色指標變化的半衰期和活化能

圖4 不同晾制溫度下煙葉顏色指標實測值與預測值之間的關系

通過各項顏色指標的零階或一階反應速率常數(shù)k計算出半衰期， 由Arrhenius方程擬合公式的斜率和截距分別計算出各項顏色指標的活化能和指前因子，結果如表2所示。隨晾制溫度升高，各項顏色指標的半衰期均有不同程度的縮短，L*、a*、b*、△E、BI和SPAD6個指標中40 ℃條件下晾制分別較20 ℃條件下晾制的半衰期縮短33.93 %、71.99 %、37.08 %、48.37 %、55.60 %和52.98 %，說明晾制溫度對煙葉顏色變化會產(chǎn)生很大的影響。活化能反映了一個反應發(fā)生需從外界環(huán)境吸收能量的多少，其數(shù)值越大表明反應越難進行[26]，反應的活化能低于42 kJ/mol時，表示反應較易進行，當活化能高于400 kJ/mol，反應進行較為困難。由表2可知晾制過程中煙葉各項顏色指標的活化能以a*值最高，為41.11 kJ·mol-1，說明煙葉在晾制過程中各項顏色指標變化速率均較大，容易發(fā)生變化。同時活化能的大小也可以反映溫度對變化的影響程度，活化能越大，溫度變化對于反應速率的影響也越大[27]。就各項顏色指標而言，煙葉表面a*值的活化能分別高出L*、b*、△E、BI和SPAD5項指標14.44、27.13、23.65、25.61和15.94 kJ·mol-1，說明溫度變化對于a*值的影響最大，對b*值的影響最小。

表3 不同晾制溫度下煙葉顏色指標預測值與實測值之間的相關系數(shù)

2.4 煙葉晾制過程顏色變化動力學模型與驗證

在實際應用中由于煙葉品種、部位、成熟度以及生態(tài)條件的不同，每次采收后的煙葉表面顏色會存在部分差異，同時因為目前煙葉表面顏色指標在行業(yè)內(nèi)或國標中沒有針對不同品種、部位、成熟度的固定范圍，因此顏色指標確定的固定初始值會降低模型預測的精準性。依據(jù)上述研究結果，將動力學模型和經(jīng)典Arrhenius方程相結合分別建立烤煙品種云煙87中部葉在晾制過程中L*、a*、b*、△E、BI和SPAD等顏色指標隨晾制時間t和晾制溫度n變化的預測模型。

為驗證該模型的精準性，重新選取云煙87中部適熟煙葉作為驗證組，試驗設計與試驗組一致，每隔一段時間利用色差儀和葉綠素儀對驗證組各處理煙葉的顏色指標進行測量。實測數(shù)據(jù)和預測模型之間的關系見圖4，并對圖中的實測值預測值進行相關性分析，得出L*、a*、b*、SPAD等5個顏色指標在20～40 ℃范圍內(nèi)的5個溫度點下實測值與預測值的相關系數(shù)(表3)。出各項顏色指標的不同溫度處理相關系數(shù)在0.9185～0.9959的范圍內(nèi)，表明顏色指標的實測值與模型的預測值之間具有較高的相關性，擬合能力良好，說明預測模型可較好的反應在晾制過程中煙葉表面顏色的變化規(guī)律。

(8)

(9)

(10)

(11)

(12)

(13)

3 結論與討論

通過研究20、25、30、35和40 ℃ 5個不同晾制溫度下云煙87中部葉顏色指標中的亮度值L*、紅綠值a*、黃藍值b*、總色差△E、褐變指數(shù)BI以及SPAD值隨晾制時間的變化，結果表明煙葉在晾制過程中L*、a*、b*、△E和BI均逐漸升高，而SPAD值則逐漸降低，且隨晾制溫度升高各顏色指標變化速率均變快。40 ℃晾制條件下煙葉變黃時間較20～35 ℃條件下變黃時間分別縮短43.8 %、35.7 %、25.0 %和10.0 %。不同溫度條件下煙葉晾黃后顏色參數(shù)表現(xiàn)出一定規(guī)律性，晾制溫度在20～40 ℃范圍內(nèi)，煙葉晾制變黃后L*、a*以及由亨特Lab值衍生的△E、BI的數(shù)值與晾制溫度成正比，而b*值與晾制溫度成反比，主要是由于不同晾制溫度下煙葉變黃時間和葉內(nèi)干物質(zhì)消耗程度不同所致[1,28-29]。活化能的大小反映了晾制溫度對煙葉晾制過程中顏色變化的影響程度，從各項顏色指標活化能可以看出，晾制溫度的變化對a*的影響最大，其次為L*和SPAD，對于b*的影響最小，其次影響較小的為△E和BI。

對不同晾制溫度下煙葉顏色指標的試驗值進行分析發(fā)現(xiàn)亮度值L*、總色差△E和褐變指數(shù)BI的變化均符合零階反應，而紅綠值a*、黃藍值b*和SPAD的變化符合一階動力學模型，結合Arrhenius方程對各項指標進行擬合，并構建煙葉晾制過程顏色變化動力學模型方程，經(jīng)驗證表明各項顏色指標實測值與模型預測值的相關系數(shù)(R2)均高于0.9，說明各模型均能準確的預測不同晾制溫度條件下煙葉顏色的變化規(guī)律，為烤煙晾制方法、標準的制定和發(fā)展奠定基礎，也可以為煙葉晾制后葉內(nèi)含有的顏色營養(yǎng)素(如葉綠素、類胡蘿卜素、類黃酮、多酚等)的保持程度提供理論參考，相應為晾烤結合的配套工藝技術的研究提供指導依據(jù)。