煙葉烘烤過程中生理指標(biāo)和顏色值變化研究

丁燕芳，張 昭，朱銀峰，朱景偉，李彥平，吳新文，米 琳

(河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 煙草研究所，河南 許昌 461000)

成熟采收的煙葉在烘烤過程中，需要經(jīng)過逐步脫水并伴有一系列的生理生化變化，才能實現(xiàn)其使用價值[1]。而不同素質(zhì)的煙葉在烘烤過程中隨著內(nèi)在物質(zhì)含量的變化，使其在煙葉表面顏色上也存在著嫩黃、濃綠等特殊表現(xiàn)[2]。煙葉表面顏色變化實質(zhì)上是內(nèi)在復(fù)雜的生理生化的表現(xiàn)，與煙葉中的色素[2]、酚類物質(zhì)[3]、淀粉[4]等含量的變化密切相關(guān)。隨著現(xiàn)代儀器技術(shù)的不斷發(fā)展，對于煙葉表面顏色變化的研究逐步實現(xiàn)精準(zhǔn)化和數(shù)字化，目前廣泛應(yīng)用的CIE系統(tǒng)，可通過計算機(jī)圖像處理及色差儀器量化可達(dá)到識別煙葉表面顏色特征的目的[2,5]。有關(guān)烤煙顏色與質(zhì)體色素、多酚、化學(xué)成分之間的關(guān)系已有許多學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究[2,3,6]，且在烘烤過程中的生理生化變化也多集中在成熟度、品種、烘烤工藝等方面的研究[7-11]，而對煙葉烘烤過程中顏色特征值與主要生理指標(biāo)的變化規(guī)律及其關(guān)系缺乏研究。鑒于此，本研究選用烤煙品種中煙100、豫煙7號、豫煙13號作為供試材料，分析烘烤過程中煙葉生理指標(biāo)和煙葉顏色特征值的變化規(guī)律，旨在為快速判斷烘烤過程中煙葉外觀顏色和內(nèi)在生理指標(biāo)的變化，為進(jìn)一步優(yōu)化烘烤工藝，配套烘烤方案的制定提供參考。

1 材料與方法

1.1 供試材料與設(shè)備

試驗于2019年7～9月在河南許昌縣進(jìn)行，試驗田土壤質(zhì)地為沙土，土壤肥力中等。供試烤煙品種為中煙100、豫煙7號、豫煙13號，于2019年5月8日移栽；種植行距120 cm、株距60 cm,打頂株高110～130 cm，留葉數(shù)20～24片。在群體中選擇株高一致、葉片數(shù)相等、葉色基本一致且無病害的煙株，對11～12位葉掛牌，煙葉成熟時采收，備用。

煙葉烘烤設(shè)備采用改進(jìn)KCKY-A型智能烘烤箱，裝煙密度為70 kg/m3。采用自制色度值測試設(shè)備箱體測量煙葉表面顏色特征值。色度值測試設(shè)備箱箱體規(guī)格1000 mm×200 mm×800 mm，箱體上端固定2個帶過載保護(hù)的稱重傳感器,內(nèi)置500 mm×675 mm規(guī)格的煙葉雙層碳纖維棒煙夾，懸空掛置在箱體內(nèi)，箱體上2個稱重傳感器各自垂下2根掛繩，掛繩上帶掛鉤，掛鉤與煙葉夾具上的掛鉤相連，使煙夾懸空掛置于箱體內(nèi)，并可以分離；煙葉夾具中間夾緊一片煙葉，利用測試設(shè)備內(nèi)置攝像頭測試不同處理煙葉的量化色度值。

1.2 試驗設(shè)計

煙葉按照三段式烘烤工藝進(jìn)行，烘烤開始后分別在烘烤過程中的關(guān)鍵溫度點(diǎn)(鮮煙、38 ℃、42 ℃、48 ℃、54 ℃、60 ℃)取顏色變化均勻一致的煙葉12片，3片煙葉用于水分含量檢測，另外3片煙葉取樣時，切去煙葉葉尖與基部的1/3區(qū)域，留葉中間1/3區(qū)域用于煙葉試驗過程，僅采集掛牌煙葉。取樣后立即用液氮處理后，放入超低溫冰箱(-80 ℃)保存，用于葉綠素、淀粉酶活性、總酚、淀粉含量的測定。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 顏色特征值的采集 采用自制色度值測試設(shè)備，煙葉圖像信號1394接口傳輸?shù)教幚碛嬎銠C(jī)后，通過圖像預(yù)處理、特征提取和識別比對，確定煙葉的中心位置和煙葉夾持板遮擋的位置，以中心向四周確定32個顏色采樣區(qū)域；再使用原始圖像提取每個區(qū)域20×20像素的R、G、B數(shù)值進(jìn)行均值處理，得到煙葉32個區(qū)域的R、G、B值；R、G、B值不易表述顏色的變化，將其轉(zhuǎn)換成孟塞爾的顏色立體模型中的亮度H、飽和度S、色度B。并記錄存儲在數(shù)據(jù)庫中。數(shù)據(jù)庫內(nèi)包含各個區(qū)域的亮度H、飽和度S、色度B值，以及溫度、濕度、時間等相關(guān)參數(shù)。

1.3.2 主要生理指標(biāo)的測量 水分含量的測定采用殺青烘干法、色素含量測定采用分光光度法[12]；總酚采用福林試劑法[13]；淀粉酶活性采用3，5-二硝基水楊酸比色法[14]；淀粉含量采用蒽酮比色法[15]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2007和DPS 19.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 煙葉烘烤過程中生理指標(biāo)的變化

2.1.1 煙葉烘烤過程中葉綠素含量的變化 由圖1可知，3個品種的葉綠素含量隨烘烤過程的推移而呈下降趨勢，采收鮮葉綠素含量表現(xiàn)為豫煙7號>豫煙13號>中煙100。在烘烤過程中，豫煙13號和豫煙7號的葉綠素含量在烘烤前期變化基本一致，均在38 ℃前降解量最大，3個品種的降解速度表現(xiàn)為豫煙13號>豫煙7號>中煙100；豫煙7號和中煙100在38～42 ℃時繼續(xù)大幅度降解，豫煙13號在38～42 ℃時降解較慢，其降解量在3個品種中最低；豫煙13號和豫煙7號的葉綠素含量在54～60 ℃時仍有小幅度降解，中煙100則趨于穩(wěn)定。

圖1 煙葉烘烤過程中葉綠素含量的變化

2.1.2 煙葉烘烤過程中水分含量的變化 失水變黃是煙葉烘烤的最終目標(biāo)之一，烘烤過程中生理生化變化受水分動態(tài)的控制，煙葉失水速度的快慢影響了煙葉的烘烤質(zhì)量[16]。由圖2可以看出，3個品種的水分含量均呈下降趨勢，鮮煙葉的水分含量差異不明顯，但在整個烘烤過程中，各品種間失水速度差異較大。38 ℃之前3個品種的失水速度差異較小，42～54 ℃時3個品種的水分含量變化差異較大，此階段失水速度表現(xiàn)為中煙100>豫煙13號>豫煙7號；54～60 ℃時3個品種的水分含量趨于一致。在整個烘烤過程中，中煙100的失水速度最快，其次是豫煙13號，豫煙7號的失水速度較慢。

圖2 煙葉烘烤過程中水分含量的變化

2.1.3 煙葉烘烤過程中淀粉酶活性和淀粉含量的變化 由圖3可知，鮮煙葉豫煙13號的淀粉酶活性最低，中煙100和豫煙7號的淀粉酶活性差異不明顯。38～42 ℃時中煙100和豫煙7號的淀粉酶活性上升較快，并在42 ℃時出現(xiàn)峰值；42～48 ℃時有2個品種的淀粉酶活性開始下降，中煙100的淀粉酶活性下降幅度較大，48 ℃時達(dá)到品種間最低；48～54 ℃時上升出現(xiàn)第2個峰值；豫煙13號的淀粉酶活性前期比較低，到48 ℃時急劇上升并在54 ℃達(dá)到峰值；54～60 ℃時3個品種的淀粉酶活性變化一致，均呈下降趨勢。在整個烘烤過程中，中煙100和豫煙7號的變化趨勢一致，酶活性變化近似雙峰曲線；豫煙13號的淀粉酶活性變化呈單峰曲線，且前期酶活性較低，后期高于豫煙7號，低于中煙100。

圖3 煙葉烘烤過程中淀粉酶活性的變化

淀粉的降解與多種因素有關(guān)，不僅僅受淀粉酶的影響，可能也與煙葉含水量密切相關(guān)[9]。由圖4可知，3個品種的淀粉含量均隨烘烤進(jìn)程的推移呈下降趨勢，從烘烤開始到38 ℃時，煙葉淀粉含量下降迅速，38 ℃之后中煙100和豫煙7號的變化趨勢一致，但豫煙7號的淀粉含量降解最快，品種間持續(xù)最低；豫煙13號在38～42 ℃時呈上升趨勢，42 ℃之后與中煙100和豫煙7號的變化趨勢一致，均呈下降趨勢。

圖4 煙葉烘烤過程中淀粉含量的變化

2.1.4 煙葉烘烤過程中總酚含量變化 由圖5可以看出，中煙100的總酚含量從鮮煙葉到42 ℃呈上升趨勢，在42～48 ℃時有所降低，隨后緩慢上升；豫煙13號的總酚含量從鮮煙葉到48 ℃持續(xù)上升，48～54 ℃時逐漸下降，隨后開始上升；豫煙7號鮮煙葉到38 ℃總酚含量上升，38～42 ℃時呈下降趨勢，隨后開始持續(xù)上升。在整個烘烤過程中，中煙100的總酚含量一直高于其他2個品種，豫煙7號的總酚含量在38 ℃之前高于豫煙13號，38 ℃以后的烘烤階段，各品種的總酚含量均最低。

圖5 煙葉烘烤過程中總酚含量的變化

2.2 烘烤過程中煙葉顏色特征值的變化

2.2.1 烘烤過程中不同品種煙葉RGB顏色特征值 表1為3個品種不同烘烤時期煙葉的紅、綠、藍(lán)3種顏色分量均值(表中僅列出烘烤過程中關(guān)鍵溫度點(diǎn)穩(wěn)溫結(jié)束時的特征值)，在烘烤過程中，綠色分量值最高，這是由于鮮煙葉的主題顏色為綠色，純紅色和純綠色的加色為純黃色，從38 ℃到烘烤結(jié)束，煙葉的紅、綠分量遠(yuǎn)大于藍(lán)分量。3個品種鮮煙的紅色分量值表現(xiàn)為豫煙13號>豫煙7>中煙100；綠色分量值表現(xiàn)為中煙100>豫煙7號>豫煙13號；藍(lán)色分量值表現(xiàn)為豫煙13號>中煙100>豫煙7號。隨著烘烤進(jìn)程的推移，中煙100的紅色分量值逐漸上升，持續(xù)到54 ℃時達(dá)到峰值，豫煙13號持續(xù)到42 ℃時達(dá)到峰值，豫煙7號在48 ℃時達(dá)到峰值；3個品種的綠色分量和藍(lán)色分量值均呈下降趨勢；60 ℃時3個品種的3種顏色分量值均表現(xiàn)為中煙100最高，豫煙7號次之，豫煙13號最低。

表1 煙葉烘烤過程中RGB系統(tǒng)煙葉顏色特征值的變化

2.2.2 烘烤過程中不同品種煙葉HSL顏色的特征值 煙葉HSL顏色特征值顯示，3個品種煙葉圖像的色相值前期較高，隨著烘烤時間的推移，色相值逐漸變小，說明煙葉顏色由綠色向黃色轉(zhuǎn)變；3個品種煙葉的飽和度均在38 ℃達(dá)到最低值，隨后開始上升，48 ℃以后趨于穩(wěn)定，這是由于定色期煙葉顏色介于鮮煙葉的綠色與烘烤后期的黃色的過渡期，顏色純度較??；隨著烘烤時間的推移，亮度值逐漸上升。3個品種在整個烘烤階段中煙100和豫煙7號的色相、飽和度和亮度值均高于豫煙13號(表2)。

表2 煙葉烘烤過程中煙葉HSL顏色特征值的變化

2.3 烘烤過程中煙葉生理特性變化與顏色特征值的相關(guān)性分析

由表3可知，在烘烤過程中，煙葉水分含量的變化與綠色值、色相呈極顯著正相關(guān)，與藍(lán)色值呈顯著正相關(guān)；與紅色值、亮度呈極顯著負(fù)相關(guān)，與飽和度呈顯著負(fù)相關(guān)。葉綠素含量與綠色值、色相呈顯著正相關(guān)，與亮度呈極顯著正相關(guān)，與紅色值呈極顯著負(fù)相關(guān)。淀粉酶活性與紅色值、飽和度、亮度呈正相關(guān)；與綠色值、藍(lán)色值、色相呈負(fù)相關(guān)，但相關(guān)性均不顯著。淀粉的含量與紅色值、飽和度、亮度呈負(fù)相關(guān)，與綠色值、藍(lán)色值、色相呈正相關(guān)，相關(guān)性均不顯著?？偡雍颗c特征值紅色值、飽和度呈顯著正相關(guān)，與亮度呈極顯著正相關(guān)；與綠色值、色相呈極顯著負(fù)相關(guān)，與藍(lán)色值呈顯著負(fù)相關(guān)。

表3 煙葉烘烤過程顏色特征值與生理、生化特性的相關(guān)性分析

3 結(jié)論

本試驗研究結(jié)果表明，煙葉烘烤過程中，葉綠素和水分含量隨著烘烤進(jìn)程的推進(jìn)，各品種間差異顯著，中煙100的葉綠素降解速度與失水速度較為一致，變黃和失水相對協(xié)調(diào)，較易定色；豫煙13號變黃快，失水居中，耐烤性相對較好；豫煙7號的葉綠素降解較快，但失水速度較慢，易掛灰，變褐。中煙100和豫煙7號的淀粉酶活性變化趨勢較為一致，呈雙峰變化趨勢，豫煙13號的淀粉酶活性在54 ℃之前一直處于上升趨勢，且淀粉酶活性達(dá)到最高。3個品種的淀粉含量均隨烘烤進(jìn)程呈下降趨勢，前期降解速度較快，38～42 ℃時品種間降解速度差異較大，42 ℃之后3品種的變化趨勢趨于穩(wěn)定。中煙100和豫煙13號的總酚含量變化前期較為一致，從38 ℃至烘烤結(jié)束，豫煙7號的總酚含量一直低于其他2個品種。

通過對3個品種顏色特征值測定顯示，整個烘烤過程中綠色分量值最高，從38 ℃到烘烤結(jié)束，煙葉的紅、綠分量遠(yuǎn)大于藍(lán)分量，這是因為鮮煙葉的主題顏色為綠色，純紅色和純綠色的加色為純黃色；3個品種煙葉圖像的色相值前期較高，隨著烘烤時間的推移，色相值逐漸變小，說明煙葉顏色由綠色向黃色轉(zhuǎn)變。

煙葉的顏色是烤煙中的重要判斷標(biāo)準(zhǔn)，賀帆等[17]依據(jù)烤中煙顏色的變化，模擬出了烤煙的化學(xué)成分變化，通過烘烤過程中生理指標(biāo)的變化與顏色特征值的相關(guān)性分析顯示，煙葉在烘烤過程中葉綠素的降解速率、葉片失水速度、總酚的含量變化均與煙葉外觀顏色特征值呈顯著相關(guān)，而淀粉酶活性和淀粉的含量與煙葉外觀顏色的變化相關(guān)性不顯著。不同品種在烘烤過程中其煙葉外觀顏色特征值與內(nèi)在的水分、色素和、淀粉、總酚的含量有一定的相關(guān)性，可以通過外觀顏色參數(shù)估算內(nèi)部色素、水分、總酚等生理指標(biāo)的含量變化，為準(zhǔn)確地把握煙葉的烘烤進(jìn)程、優(yōu)化烘烤工藝，配套烘烤方案的制定提供參考依據(jù)。