復(fù)烤片煙醇化過(guò)程耗氧規(guī)律及其影響因素分析

張?chǎng)? 湯朝起 楊凱 李強(qiáng) 劉勇

摘? 要：為考察復(fù)烤片煙醇化過(guò)程消耗氧氣的規(guī)律特征及其影響因素，在山東諸城倉(cāng)庫(kù)對(duì)8個(gè)代表性等級(jí)復(fù)烤片煙密封垛內(nèi)的氧氣濃度、溫度、濕度進(jìn)行了3年的跟蹤監(jiān)測(cè)，分析了垛內(nèi)氧氣濃度、煙葉醇化耗氧速率隨貯存時(shí)間的變化規(guī)律及溫度、相對(duì)濕度、氧氣濃度對(duì)耗氧速率的影響。結(jié)果表明：①?gòu)?fù)烤片煙醇化過(guò)程伴有較明顯的耗氧現(xiàn)象，年度最大耗氧速率逐年降低，年度內(nèi)呈現(xiàn)季節(jié)性變化。②煙葉耗氧速率受溫度影響最大，在本試驗(yàn)條件下，溫度超過(guò)20 ℃時(shí)，耗氧速率呈線性增加趨勢(shì)。③不同醇化階段煙葉耗氧速率受氧氣濃度影響程度不同，醇化第2年、第3年煙葉耗氧反應(yīng)充分進(jìn)行所需氧氣濃度下限分別為14%和8%，在氧氣濃度小于6%時(shí)煙葉耗氧反應(yīng)明顯減弱。復(fù)烤片煙醇化過(guò)程所需氧氣供應(yīng)隨醇化周期、貯存環(huán)境而改變，在氣調(diào)養(yǎng)護(hù)時(shí)可對(duì)垛內(nèi)氧氣濃度做針對(duì)性調(diào)控，以便于提高煙葉醇化質(zhì)量、節(jié)約養(yǎng)護(hù)成本。

關(guān)鍵詞：復(fù)烤片煙;醇化;耗氧速率;溫度;絕對(duì)濕度;醇化周期

Abstract： In order to investigate the characteristics of oxygen consumption and influencing factors of redried flue-cured tobacco strips during aging， oxygen concentration， temperature and humidity in the sealed stack containing 8 representative redried strips were monitored for 3 years in Zhucheng， Shandong. The variation of oxygen concentration in stack， oxygen consumption rate， and influence of ambient factors were analyzed. The results showed that： 1） There was obvious oxygen consumption in the aging process of redried strips， and the maximum oxygen consumption rate decreased year by year， showing a seasonal change within a year. 2） Under the conditions of this test， the oxygen consumption rate showed a linear increase trend when the temperature exceeded 20 ℃. 3） Oxygen concentration had different influences on the oxygen consumption rate of redried strips at different stage of aging. The lower limits of oxygen concentration required for the saturation of oxygen consumption reaction of redried strips aged for two and three years were 14% and 8%， respectively， and the reaction weakened significantly when the oxygen concentration was less than 6%. Oxygen supply required for the aging process of redried tobacco strip varies with stage of aging and storage environment. With controlled atmosphere methods， the oxygen concentration in the stack can be controlled specifically to improve the quality of tobacco and save conservation costs.

Keywords： redried strip; aging; oxygen consumption rate; temperature; absolute humidity; stage of aging

倉(cāng)儲(chǔ)醇化是改善復(fù)烤片煙質(zhì)量、提高煙葉可用性必不可少的環(huán)節(jié)，是保障卷煙產(chǎn)品內(nèi)在質(zhì)量的基礎(chǔ)。關(guān)于煙葉醇化機(jī)制主要有3種理論：微生物作用理論、酶催化作用理論、氧化作用理論[1]，前兩者指通過(guò)煙葉表面微生物的代謝或煙葉自身生物酶的催化反應(yīng)實(shí)現(xiàn)煙葉內(nèi)含物質(zhì)的轉(zhuǎn)化，因此可通過(guò)接種外源微生物或添加酶制劑實(shí)現(xiàn)復(fù)烤片煙品質(zhì)的改良[2-4];氧化作用則指煙葉中有機(jī)物質(zhì)在無(wú)機(jī)元素（Fe、Mg等）的催化作用下與氧氣發(fā)生反應(yīng)而變化。朱大恒等[5]研究表明，煙葉中還原糖、總氮、煙堿、蛋白質(zhì)、總氨基酸、多酚和類(lèi)蘿卜素含量在有氧發(fā)酵時(shí)下降幅度大于無(wú)氧條件。劉紅光等[6]通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)證實(shí)氧氣含量對(duì)煙葉常規(guī)化學(xué)指標(biāo)的影響較小，但對(duì)化學(xué)成分可用性指數(shù)、多酚和色素類(lèi)潛香物質(zhì)、揮發(fā)性香味成分影響較大，氧氣體積分?jǐn)?shù)為50%～60%、醇化40 d左右處理所得復(fù)烤片煙的質(zhì)量較優(yōu)。任勝超等[7]研究了倉(cāng)庫(kù)內(nèi)不同氧氣濃度、不同控氧方式下片煙醇化效果，結(jié)果顯示，氧處理方式對(duì)煙堿和還原糖影響較小，對(duì)多酚和類(lèi)胡蘿卜素影響較明顯，利用物理氣調(diào)法先密封低氧殺蟲(chóng)再將氧氣濃度回調(diào)至15%～21%所得片煙感官品質(zhì)最佳。以上研究均認(rèn)為適宜濃度氧含量是保障片煙正常醇化的必要條件。范堅(jiān)強(qiáng)等[8]、沈艦等[9]、張明乾等[10]、楊欣玲等[11]研究表明，低氧處理可抑制煙葉醇化過(guò)程顏色轉(zhuǎn)深，并延長(zhǎng)煙葉適宜醇化質(zhì)量周期?？梢?jiàn)，氧氣濃度調(diào)控對(duì)片煙醇化質(zhì)量起著重要作用。

氣調(diào)養(yǎng)護(hù)技術(shù)已在煙草行業(yè)得到較廣泛認(rèn)可及應(yīng)用[12-13]，除上述關(guān)于片煙醇化質(zhì)量比較分析外，劉博等[14]、楊慶等[15]分別研究了化學(xué)氣調(diào)、物理氣調(diào)兩種方式下快速降氧殺蟲(chóng)工藝，陳善義等[16]研究氣調(diào)醇化過(guò)程中片煙細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)變化規(guī)律，但關(guān)于煙葉醇化過(guò)程較為具體的耗氧規(guī)律研究還鮮見(jiàn)報(bào)道，一定程度上限制了該項(xiàng)技術(shù)的優(yōu)化利用。為此，本研究在山東濰坊諸城常規(guī)片煙醇化庫(kù)內(nèi)，對(duì)典型等級(jí)復(fù)烤片煙密封煙垛內(nèi)氧氣濃度及溫度、相對(duì)濕度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并就煙葉醇化周期、貯存環(huán)境對(duì)耗氧速率的影響展開(kāi)分析，以期掌握煙葉醇化過(guò)程耗氧規(guī)律及關(guān)鍵影響因素，從而為解析煙葉醇化機(jī)制、優(yōu)化養(yǎng)護(hù)措施提供參考。

1? 材料與方法

1.1? 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)樣品為上海煙草集團(tuán)有限責(zé)任公司2015年采購(gòu)加工的武夷丘陵生態(tài)區(qū)（上部、中部、下部）、黃淮平原生態(tài)區(qū)（上部、中部、下部）、西南高原生態(tài)區(qū)中部和東北平原生態(tài)區(qū)中部共計(jì)8個(gè)代表性等級(jí)復(fù)烤片煙各4箱，于2016年12月至2019年11月在山東省濰坊市諸城市倉(cāng)庫(kù)按兩層高形式拼垛密封存儲(chǔ)。煙垛密封所用尼龍復(fù)合膜符合《片煙貯存養(yǎng)護(hù) 氣調(diào)貯存法》YC/T 322—2018 [13]相關(guān)要求。堆垛前根據(jù)煙垛大小制作底膜和罩膜，將煙箱整齊堆放在底膜上，而后鋪放罩膜，四周用膠槽、膠條嵌合密封。密封垛位氣密性達(dá)到氣調(diào)儲(chǔ)糧二級(jí)以上氣密性要求（氣壓從-300 Pa降至-150 Pa的半衰期150～300 s）。試驗(yàn)過(guò)程取樣或熏蒸開(kāi)封后立即恢復(fù)密封狀態(tài)。

1.2? 指標(biāo)檢測(cè)

分別采用MIC-800氧氣檢測(cè)儀（深圳逸云天電子有限公司）、CENTER-310溫濕度檢測(cè)儀（臺(tái)灣群特股份有限公司）通過(guò)帳幕上布置的氧氣濃度檢測(cè)點(diǎn)每工作日定時(shí)檢測(cè)密封垛內(nèi)氧氣濃度和溫度、相對(duì)濕度。

1.3? 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

采用Excel 2016、SPSS 22進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、相關(guān)分析和方差分析以及繪圖。參照下式計(jì)算密封垛內(nèi)單日耗氧速率：

式中：r-耗氧速率（%/d），Ci-初始氧氣體積分?jǐn)?shù)（%），Ce-終止氧氣體積分?jǐn)?shù)（%），t-兩測(cè)試值相隔時(shí)間（d）。

2? 結(jié)? 果

2.1? 煙葉醇化過(guò)程耗氧規(guī)律分析

根據(jù)垛內(nèi)氧氣濃度日監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算煙葉醇化單日耗氧速率，并進(jìn)一步求得密封垛內(nèi)氧氣濃度及耗氧速率月度均值，如單日耗氧速率計(jì)算值為負(fù)，則不計(jì)入均值統(tǒng)計(jì)。由圖1可知，密封垛內(nèi)氧氣消耗呈現(xiàn)季節(jié)性變化規(guī)律，即每年5月開(kāi)始耗氧速率變大，氧氣濃度呈現(xiàn)較明顯下降趨勢(shì);7—8月耗氧速率達(dá)到峰值，而后開(kāi)始減小，10月份垛內(nèi)氧氣濃度趨于平穩(wěn)低值;開(kāi)垛換氣并重新密封后仍可見(jiàn)12月至次年4月耗氧速率微小，氧氣濃度基本不變。另外，該組2015年產(chǎn)煙葉在2017年（醇化第2年）、2018年（醇化第3年）、2019年（醇化第4年）密封垛內(nèi)氧氣濃度最低值依次為4.44%、4.67%、9.78%，耗氧速率峰值依次為0.29%/d、0.17%/d、0.09%/d，即煙葉醇化過(guò)程氧氣消耗隨存放周期延長(zhǎng)而減弱。

另可見(jiàn)，每年11月至開(kāi)垛換氣前，密封垛內(nèi)氧氣濃度有所上升，即垛外氧氣滲入垛內(nèi)速率超過(guò)了煙葉醇化耗氧速率。試驗(yàn)所用密封薄膜符合透氧量小于80 mL/（m2·24 h·0.1 Mpa）要求[13]。煙箱尺寸為1136 mm×720 mm×725 mm，所堆煙垛理論尺寸為4.544 m×5.76 m×1.45 m。實(shí)際密封底膜尺寸為5 m×6 m，罩膜尺寸為9 m×8 m，即總面積為102 m2。試驗(yàn)過(guò)程垛內(nèi)氧氣體積分?jǐn)?shù)單日檢出最低值為4.31%，則垛外垛內(nèi)氧氣分壓壓差最大為（21%～4.31%）×101 325 pa（標(biāo)準(zhǔn)大氣壓），即0.016 9 Mpa，因此，單日外界通過(guò)薄膜滲入密封垛內(nèi)氧氣量小于1 379.95 mL。而密封帳幕尺寸為5 m ×6 m×1.6 m，即體積為48 m3。在《片煙貯存養(yǎng)護(hù) 氮?dú)獗Ｗo(hù)法》YC/Z 586標(biāo)準(zhǔn)研制過(guò)程，發(fā)現(xiàn)片煙煙箱中空氣體積約占1/3，由此計(jì)算出密封垛內(nèi)有效氣體體積約為22.7 m3。則單日滲入氧氣引起密封垛內(nèi)氧氣體積分?jǐn)?shù)變化量最大約為0.006%。而實(shí)際3年10—11月垛內(nèi)氧氣濃度月度均值回升量分別為0.39%、1.19%、2.09%，折合日透量0.013%/d、0.038%/d、0.067%/d，說(shuō)明除薄膜外，更多的氧氣是通過(guò)罩膜與密封接口處滲入垛內(nèi)，且隨著材料的老化，透氧量逐漸加大。盡管如此，外界透入氧氣量未影響煙葉醇化過(guò)程年度最大耗氧速率逐步減小的結(jié)論。

2.2? 煙葉醇化耗氧影響因素分析

統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)過(guò)程密封垛內(nèi)和垛外倉(cāng)間的溫度、相對(duì)濕度情況（表1），并繪制月度均值圖（圖2），結(jié)果顯示，山東諸城試驗(yàn)倉(cāng)庫(kù)地處溫帶季風(fēng)氣候區(qū)[12]，垛外倉(cāng)間溫度、相對(duì)濕度季節(jié)特征明顯;密封垛內(nèi)溫度與垛外分布范圍一致，總體均值較垛外高0.11 ℃，垛內(nèi)外溫度變化趨勢(shì)相同，二者相關(guān)系數(shù)達(dá)0.999（p<0.01）。密封垛內(nèi)外相對(duì)濕度分布范圍差異較大，垛內(nèi)相對(duì)濕度均值較垛外高4.22%，且內(nèi)外相對(duì)濕度呈現(xiàn)出非同步的周期性變化，二者相關(guān)系數(shù)為?0.016（p=0.653）。試驗(yàn)所用密封薄膜厚度為0.12 mm，透濕量小于0.5 g/（m2·h），在內(nèi)外溫度基本相同的情況下，相對(duì)濕度存在的差異表明密封薄膜起到有效隔濕作用，這與楊佳玫等[17]的報(bào)道一致。

基于圖1、2中月度均值結(jié)果，分析得煙葉醇化耗氧速率與溫度、相對(duì)濕度相關(guān)系數(shù)分別為0.727（p<0.01）、?0.317（p=0.082），即溫度對(duì)煙葉醇化耗氧速率影響大于相對(duì)濕度。

統(tǒng)計(jì)不同溫度區(qū)間單日耗氧速率均值[圖3中所示“5 ℃”對(duì)應(yīng)值即垛內(nèi)溫度介于（4.51～5.50）℃范圍所有單日耗氧速率的平均值]，結(jié)果顯示：溫度小于20 ℃時(shí)，耗氧速率區(qū)間均值在較低水平無(wú)序波動(dòng)，此后耗氧速率隨溫度升高近似呈線性遞增趨勢(shì)，擬合方程為r=?0.282+0.015T（R2=0.925，p<0.01;r為耗氧速率，T為攝氏溫度），即20 ℃是煙葉醇化耗氧反應(yīng)開(kāi)始增強(qiáng)的溫度臨界點(diǎn)。

選用試驗(yàn)開(kāi)展3年期間6—9月（溫度>20 ℃）日統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析煙葉醇化耗氧速率與存放周期、氧氣濃度的關(guān)系。由圖4可知，醇化至第2年的煙葉耗氧速率總體隨氧氣濃度增加而變大，氧氣濃度4%～6%、8%～10%、>14%各組間耗氧速率差異顯著;醇化至第3年的煙葉在氧氣濃度4%～6%、8%～10%兩組間耗氧速率差異顯著;醇化至第4年的煙葉在不同氧氣濃度下耗氧速率差異不顯著。即密封垛內(nèi)氧氣濃度升高會(huì)促進(jìn)煙葉醇化耗氧，但這種作用規(guī)律會(huì)隨著煙葉醇化周期的延長(zhǎng)逐漸減弱。對(duì)比圖1中12月至次年4月低溫時(shí)段垛內(nèi)氧氣濃度高但耗氧速率小的現(xiàn)象，可知溫度對(duì)耗氧速率的影響要大于氧氣濃度。

3? 討? 論

氣調(diào)包裝被廣泛用于果蔬類(lèi)食品的保鮮存儲(chǔ)，對(duì)包裝內(nèi)果蔬呼吸速率的檢測(cè)方法包括密閉系統(tǒng)法、流動(dòng)系統(tǒng)法、滲透系統(tǒng)法等[18]，檢測(cè)結(jié)果是氣調(diào)包裝材料設(shè)計(jì)的重要依據(jù)[19]。本研究對(duì)復(fù)烤片煙醇化速率的測(cè)定即參照了密閉系統(tǒng)法，盡管并非嚴(yán)格的氣密，但不影響趨勢(shì)性規(guī)律分析。

早在上世紀(jì)70年代我國(guó)就針對(duì)初烤煙葉開(kāi)展密封降氧保管技術(shù)研究，目的在于防蟲(chóng)防霉[20]。丁清源等[21]對(duì)145包含水率17%的中3煙葉密封試驗(yàn)結(jié)果顯示，煙葉密封5 d后垛內(nèi)氧氣濃度降至1.6%，折算耗氧速率約3.88%/d，同期二氧化碳濃度上升至18.8%，而后氧氣濃度有所回升，二氧化碳濃度降低。本研究中，煙葉單日耗氧速率最大值為0.67%/d，遠(yuǎn)低于以上報(bào)道數(shù)值，可能是因?yàn)樯鲜鰣?bào)道中初烤煙葉含水率以及參與或促成煙葉耗氧反應(yīng)的物質(zhì)含量較高導(dǎo)致耗氧反應(yīng)較為劇烈。潘武寧[22]比較了10.8%～12.8%范圍內(nèi)不同含水率片煙的醇化質(zhì)量變化情況，發(fā)現(xiàn)片煙含水率越高，醇化速度越快;陳頤等[23]發(fā)現(xiàn)復(fù)烤片煙中類(lèi)胡蘿卜素、多酚和維生素C等抗氧化物質(zhì)含量在醇化初期（0～21個(gè)月）快速下降而后逐漸趨于平穩(wěn);趙銘欽等[24]發(fā)現(xiàn)多酚氧化酶、過(guò)氧化物酶、脂氧合酶的活性在醇化6個(gè)月或9個(gè)月達(dá)到最大值后開(kāi)始下降。由此推測(cè)，氧化反應(yīng)相關(guān)物質(zhì)減少是本研究中片煙醇化耗氧速率呈現(xiàn)逐年降低的主要原因。

溫度是影響氣調(diào)包裝內(nèi)果蔬呼吸速率最重要的外在因素，其作用規(guī)律可用Arrhenius方程表示，降低溫度會(huì)對(duì)呼吸速率產(chǎn)生明顯的抑制作用[18]。盡管不同于果蔬簡(jiǎn)單的呼吸作用，片煙醇化耗氧也遵循以上規(guī)律，利用圖3數(shù)據(jù)可擬合得到Arrhenius方程ln r = 34.772-11 190.312/T（R2=0.777，p<0.01，T為絕對(duì)溫度）。不同研究中對(duì)于煙葉醇化起始溫度的認(rèn)定不同[25-26]，但通常要求醇化初始階段環(huán)境溫度以20～30 ℃為宜[12]，與本研究顯示的20 ℃后煙葉醇化耗氧速率開(kāi)始增大結(jié)論一致。由此可見(jiàn)，在低溫時(shí)節(jié)可適度放寬對(duì)氣調(diào)保質(zhì)養(yǎng)護(hù)煙葉垛內(nèi)氧氣濃度的控制要求以節(jié)約設(shè)備運(yùn)行能耗。

低氧氣調(diào)（氧氣濃度<2%）已被廣泛用于抑制煙葉過(guò)度醇化[7-13]，卓思楚[27]研究發(fā)現(xiàn)氧氣濃度<6%即可有效遏制片煙顏色轉(zhuǎn)深，這與本研究發(fā)現(xiàn)的當(dāng)氧氣濃度小于6%時(shí)，煙葉醇化耗氧速率顯著降低的結(jié)論一致。一般認(rèn)為，烤煙煙葉在醇化發(fā)酵過(guò)程中的變化主要是純化學(xué)變化（其中以氧化反應(yīng)為主），酶催化和微生物的作用是次要的[28]。本研究發(fā)現(xiàn)，醇化第2年、第3年煙葉的耗氧速率分別在氧氣濃度14%、8%以上時(shí)趨于平穩(wěn)，即存在底物氧氣飽和度值，說(shuō)明煙葉醇化耗氧不是單純的化學(xué)反應(yīng)，可能有生物酶參與其中。這又與氣調(diào)包裝果蔬呼吸速率多符合酶動(dòng)力學(xué)模型Michaelis-Menten方程情況類(lèi)似[18]。

提高貯存環(huán)境相對(duì)濕度可促進(jìn)煙葉醇化過(guò)程物質(zhì)轉(zhuǎn)化[29-31]，但本研究發(fā)現(xiàn)耗氧速率與相對(duì)濕度并不存在顯著相關(guān)性，可能是因?yàn)樵囼?yàn)垛內(nèi)相對(duì)濕度變幅較小（62.35%±3.60%）所致。

4? 結(jié)? 論

復(fù)烤片煙醇化過(guò)程伴有較明顯的耗氧現(xiàn)象，且隨著貯存周期的延長(zhǎng)，年度最大耗氧速率逐漸減小。煙葉醇化耗氧速率受環(huán)境溫度的影響最大，在年度內(nèi)呈現(xiàn)季節(jié)性變化規(guī)律，溫度小于20 ℃時(shí)，煙葉耗氧不明顯;超過(guò)此臨界值，耗氧速率呈線性增加趨勢(shì)。對(duì)于醇化至第2年、第3年煙葉，耗氧反應(yīng)充分進(jìn)行所需氧氣濃度應(yīng)分別大于14%、8%，如需抑制醇化耗氧反應(yīng)可將氧氣濃度降至6%以下。對(duì)于氣調(diào)貯存養(yǎng)護(hù)模式下密封垛內(nèi)氧氣濃度的控制，可根據(jù)煙葉醇化周期、環(huán)境溫度做適當(dāng)調(diào)節(jié)，以保障煙葉醇化質(zhì)量、節(jié)約養(yǎng)護(hù)成本。

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