宋朝鵬，李生棟，魏 碩，譚方利，吳文信，許清孝，李宏光，方 明

（1.河南農(nóng)業(yè)大學(xué)煙草學(xué)院，鄭州 450002；2.湖南省煙草公司郴州市公司，湖南 郴州 423000）

低場(chǎng)核磁共振法測(cè)定烘烤過程中煙葉水分

宋朝鵬1，李生棟1，魏 碩1，譚方利2，吳文信2，許清孝2，李宏光2，方 明2

（1.河南農(nóng)業(yè)大學(xué)煙草學(xué)院，鄭州 450002；2.湖南省煙草公司郴州市公司，湖南 郴州 423000）

為全面了解烘烤過程煙葉不同位置水分變化，提高烘烤過程中煙葉水分檢測(cè)效率，以秦?zé)?6品種上部葉為材料，利用低場(chǎng)核磁共振技術(shù)分別對(duì)烘烤過程煙葉葉片、主脈水分含量進(jìn)行檢測(cè)，并與烘箱法進(jìn)行對(duì)比分析。結(jié)果表明：（1）煙葉不同位置弛豫圖譜顯示，煙葉葉片含有3種狀態(tài)水分，分別為T21（0.1～1 ms）結(jié)合水、T22（1～10 ms）半結(jié)合水、T23（100～1000 ms）自由水，煙葉主脈含有2種狀態(tài)水分，分別為T21（1～10 ms）結(jié)合水，T22（100～1000 ms）自由水。（2）煙葉葉片、主脈總信號(hào)幅值與其水分質(zhì)量、干基含水率呈極顯著正相關(guān)（決定系數(shù)R2依次為0.9847、0.9929、0.9952，P＜0.01）。（3）與烘箱法相比，低場(chǎng)核磁共振法檢測(cè)穩(wěn)定性較好，適用于烘烤過程中煙葉葉片和主脈水分的快速、精確檢測(cè)分析。

低場(chǎng)核磁；烘烤；煙葉；水分

烘烤過程煙葉水分變化影響其內(nèi)在生理化學(xué)反應(yīng)，決定著煙葉的烘烤品質(zhì)[1-3]，水分的快速檢測(cè)有利于及時(shí)掌握烘烤過程煙葉干燥狀況、調(diào)整烘烤參數(shù)。烘箱法是烘烤過程中煙葉水分測(cè)定的常用方法，但其檢測(cè)耗費(fèi)時(shí)間較長(zhǎng)，無法得到即時(shí)的含水率信息，而且加熱會(huì)導(dǎo)致物質(zhì)揮發(fā)或性質(zhì)改變[4]，影響檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性；紅外水分檢測(cè)技術(shù)容易受到物料表觀性質(zhì)和檢測(cè)環(huán)境影響，檢測(cè)誤差略大[5]；氣相色譜法[6]或卡爾費(fèi)休法[7]經(jīng)測(cè)定結(jié)果較為精確，但其操作復(fù)雜繁瑣；同時(shí)上述這些方法均不能提供物料水分的詳細(xì)情況。核磁共振（NMR）是一種精準(zhǔn)、快速、無損的檢測(cè)技術(shù)，是目前較為理想的測(cè)量水分工具[8]，在農(nóng)產(chǎn)品加工領(lǐng)域研究應(yīng)用較多[9-14]，而在煙葉烘烤過程水分檢測(cè)研究尚不多見。本試驗(yàn)擬通過分析低場(chǎng)核磁對(duì)烘烤過程煙葉葉片和主脈水分的檢測(cè)效果，為煙葉水分的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)烘烤提供借鑒。

1 材料與方法

1.1樣品制備

2016年9月于河南省洛陽(yáng)市國(guó)家生理生化研究基地洛寧試驗(yàn)站試驗(yàn)田選取鮮煙葉，供試品種秦?zé)?6，按照當(dāng)?shù)貎?yōu)質(zhì)烤煙生產(chǎn)技術(shù)規(guī)范種植，部位為上部葉（第14～15位葉），正常成熟落黃；烘烤過程中相關(guān)溫（濕）度按照三段式烘烤工藝[15]進(jìn)行設(shè)定，分別對(duì)鮮煙及烘烤關(guān)鍵溫度點(diǎn)結(jié)束時(shí)進(jìn)行取樣（如：干球 38 ℃，濕球36 ℃，煙葉變黃八成，葉片發(fā)軟；干球 42 ℃，濕球36～37 ℃，煙葉黃片青筋，主脈發(fā)軟；干球45 ℃，濕球37 ℃，支脈變黃勾尖卷邊；干球48 ℃，濕球37～38 ℃，主脈變黃勾小卷筒；干球54 ℃，濕球39 ℃，葉片全干、大卷筒；干球62 ℃，濕球39 ℃，主脈干燥1/2左右；干球68 ℃，濕球40 ℃，主脈基本干燥），在煙葉中間位置用刀片切取主脈樣品（長(zhǎng)1 cm小段）和葉片樣品（長(zhǎng)寬為5 cm×1.5 cm小片，2片），用烘箱干燥及低場(chǎng)核磁T2弛豫信息檢測(cè)，取樣檢測(cè)重復(fù)3次。

1.2試驗(yàn)儀器

DH-9076A精宏電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱（精度為±1 ℃，上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司）；FA2004電子天平（精度為0.1 mg，上海舜宇恒平科學(xué)儀器有限公司）；MicroMR23-025V低場(chǎng)核磁儀（共振頻率23.347MHz，探頭線圈直徑25 mm，磁體溫度控制在31.99～32.01 ℃，上海紐邁電子科技有限公司）。

1.3含水量測(cè)定方法

1.3.1 煙葉水分指標(biāo)測(cè)定 參照YC/T31—1996[16]的烘箱法進(jìn)行測(cè)定，以煙葉樣品初始和絕干質(zhì)量，計(jì)算煙葉樣品水分質(zhì)量、濕基含水率和干基含水率，絕干質(zhì)量為3次連續(xù)稱量（間隔3 min）數(shù)值基本一樣。

1.3.2 低場(chǎng)核磁共振法 利用低場(chǎng)核磁儀（LF-NMR）檢測(cè)煙樣水分，CPMG序列參數(shù)：SF=23MHz，O1=348655.79 Hz，TW=5000 ms，PRG=3，SW=200 KHz，TD=720154，NECH=18000，TE=0.2 ms，P1=7 μs，P2=15 μs，NS=16，RFD=0.02 ms，RG1=20 db，DRG1=3。使用迭代尋優(yōu)的方法將采集到的T2衰減曲線進(jìn)行擬合并反演可以得到樣品的T2弛豫信息，包括弛豫時(shí)間及其對(duì)應(yīng)的弛豫信號(hào)分量，對(duì)部分結(jié)果進(jìn)行科學(xué)去噪處理[17]。

式中：M（t）為隨時(shí)間t衰退的回波峰值；n為指數(shù)擬合的個(gè)數(shù)；A2i為各弛豫組分的信號(hào)強(qiáng)度；T2i對(duì)應(yīng)于A2i的弛豫時(shí)間常數(shù)。

1.4數(shù)據(jù)處理

由于煙葉烘烤過程中需要定時(shí)對(duì)煙葉葉片與主脈分別取樣，在實(shí)時(shí)取樣時(shí)難以控制每次取樣量，為提高取樣的準(zhǔn)確性，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理[18]，消除干物質(zhì)的影響，得到單位質(zhì)量樣品對(duì)應(yīng)的水分信號(hào)幅值。

信號(hào)幅值（波譜峰面積）歸一化處理可描述為：

式中：A2y為歸一化處理后的信號(hào)幅值；A2X為所取樣品反演后的信號(hào)幅值；m為所取樣品絕干質(zhì)量（g）。

試驗(yàn)結(jié)果用Microsoft Excel 2010及SPSS 23.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié) 果

2.1烘烤過程中煙葉弛豫圖譜

低場(chǎng)核磁共振波譜法是通過傅里葉公式把試驗(yàn)樣品的磁共振信號(hào)變換成波譜（頻率）的一種微觀分析方法。由圖1A可以看出，葉片的T2圖譜中有3個(gè)明顯的峰，即將其劃分為3種水分狀態(tài)，分別為：T21（0.1～1 ms）為結(jié)合水、T22（1～100 ms）為半結(jié)合水，T23（10～1000 ms）為自由水[10,18-19]；由圖1B可以看出，主脈的T2圖譜中有2個(gè)明顯的峰，即將其劃分為2種水分狀態(tài)，分別為：T21（1～10 ms）為結(jié)合水、T22（10～1000 ms）為自由水。反演譜每個(gè)峰所覆蓋的信號(hào)幅值間接表征對(duì)應(yīng)狀態(tài)水分的相對(duì)含量[10]，通過不同弛豫組分信號(hào)幅值增減反映烘烤過程中煙葉葉片主脈中不同狀態(tài)水分含量的變化。

2.2烘烤過程中煙葉水分含量測(cè)定

核磁共振（NMR）總信號(hào)幅值（A20）與檢測(cè)樣品中的氫質(zhì)子的數(shù)量成正比，所以總信號(hào)幅值表征對(duì)應(yīng)樣品中的總水分質(zhì)量[10]。從圖2可以看出，T2弛豫譜總幅值（A20）與煙葉樣品中的水分質(zhì)量具有明顯的線性關(guān)系。由此可見，通過T2弛豫譜總信號(hào)幅值可以較精準(zhǔn)的求得烘烤過程中煙葉樣品的水分質(zhì)量。線性回歸方程為：y=13847x+384.06（R2=0.9847，P＜0.01），x為煙葉樣品中水分質(zhì)量；y為其T2弛豫譜總信號(hào)幅值。

圖1烘烤過程中煙葉橫向弛豫時(shí)間T2反演譜Fig. 1 Inversion spectra of lateral relaxation time of tobacco leaves during curing

圖2核磁總信號(hào)幅值（A20）與煙葉樣品水分質(zhì)量線性分析Fig. 2 The linear analysis between the total signal amplitude and water mass of tobacco samples

由圖3 A、圖3 B看出，經(jīng)歸一化處理后，煙葉葉片和主脈的干基含水率分別與對(duì)應(yīng)核磁共振總信號(hào)幅值（A20）呈明顯的線性關(guān)系。由此可見，通過T2弛豫譜總信號(hào)幅值可以較精準(zhǔn)地求得烘烤過程中煙葉葉片、主脈的含水率。葉片總信號(hào)幅值（A20）與干基含水率線性回歸方程為：y=15326x+96.141，（R2=0.9929，P＜0.01），x為葉片樣品干基含水率，y為其T2弛豫譜總信號(hào)幅值；主脈總信號(hào)幅值（A20）與干基含水率線性回歸方程為：y=13495x+77.347，（R2=0.9952，P＜0.01），x為主脈樣品干基含水率，y為其T2弛豫譜總信號(hào)幅值。

2.3低場(chǎng)核磁共振法與烘箱法水分檢測(cè)對(duì)比

從表1結(jié)果對(duì)比可以看出，煙葉葉片與主脈采用低場(chǎng)核磁共振法檢測(cè)結(jié)果高于烘箱法，結(jié)果差異基本在1%以內(nèi)；煙葉含水率檢測(cè)結(jié)果顯示，煙葉葉片與主脈采用低場(chǎng)核磁共振法檢測(cè)結(jié)果高于烘箱法，54 ℃時(shí)采用低場(chǎng)核磁共振法檢測(cè)結(jié)果比烘箱法高1.12%，差異略大。由表2可以看出，兩種方法檢測(cè)結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)差（SD）、變異系數(shù)（CV）均較小，說明烘箱法和核磁共振法的結(jié)果都具有穩(wěn)定性，其中核磁共振法的穩(wěn)定性相對(duì)較好，從而證明了核磁共振法適用于煙草葉片及主脈水分的檢測(cè)。

3 討 論

水分通常與物料內(nèi)部親水性膠體物質(zhì)結(jié)合，水分的狀態(tài)差異與其所處的化學(xué)環(huán)境有關(guān)，流動(dòng)性最差的水通常存在于細(xì)胞質(zhì)中，與細(xì)胞骨架和高濃度細(xì)胞溶質(zhì)結(jié)合，流動(dòng)性較強(qiáng)的水通常存在于液泡、細(xì)胞間隙或?qū)Ч苤校c低分子量化合物結(jié)合[20]；煙葉葉片含有3種狀態(tài)水，主脈含有2種狀態(tài)水，煙葉葉片與主脈水分狀態(tài)類型的差異，可能是因?yàn)槿~片作為煙葉物質(zhì)積累的主要部位，而主脈主要作為煙葉水分運(yùn)輸部位，葉片內(nèi)含物質(zhì)成分含量或種類多于主脈[21]。

研究顯示，煙葉葉片與主脈采用低場(chǎng)核磁共振法檢測(cè)結(jié)果高于烘箱法，可能是葉片油分等雜質(zhì)的干擾信號(hào)引起的[13]，也可能是烘箱法測(cè)定煙葉水分的過程中，煙樣內(nèi)部少部分結(jié)合水無法徹底烘干去除造成的[9,22]。54 ℃時(shí)葉片采用低場(chǎng)核磁共振法檢測(cè)結(jié)果比烘箱法高1.12%，波動(dòng)相對(duì)略大，可能是此時(shí)水分大量散失，油分信號(hào)比例增加引起的；再者由于烘箱法檢測(cè)過程中較高的溫度干燥，會(huì)造成煙葉部分油分等物質(zhì)的熱解揮發(fā)[4,23]，而且隨著煙葉含水率的逐漸減少，高溫烘干時(shí)間縮短，這都可能是烘箱法測(cè)定穩(wěn)定性相對(duì)較差的原因。

圖3T2弛豫譜總信號(hào)幅值（A20）與煙葉干基含水率線性分析Fig. 3 The linear analysis between the total signal amplitude and dry basis moisture content of tobacco leaves

表1低場(chǎng)核磁共振法與烘箱法測(cè)定的含水率對(duì)比Table 1 Comparison of moisture content in LF-NMR method and oven method %

表2低場(chǎng)核磁共振法與烘箱法檢測(cè)含水率平行試驗(yàn)Table 2 Parallel experiment using LF-NMR and oven method for the detection of moisture content %

4 結(jié) 論

核磁弛豫譜反演結(jié)果顯示，煙葉葉片和主脈水分組成不同；通過核磁總信號(hào)幅值的增減可以清楚地反映煙葉葉片、主脈內(nèi)部水分含量變化；低場(chǎng)核磁共振法水分檢測(cè)具有較好的穩(wěn)定性，適用于烘烤過程中煙葉水分的快速、準(zhǔn)確檢測(cè)。

[1] 宮長(zhǎng)榮，王曉劍，馬京民，等. 烘烤過程中煙葉的水分動(dòng)態(tài)與生理變化關(guān)系的研究[J]. 河南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2000，34（3）：229-231.

[2] 王曉賓，孫福山，徐秀紅，等. 上部煙葉帶莖烘烤中主要化學(xué)成分變化[J]. 中國(guó)煙草科學(xué)，2008，29（6）：12-16.

[3] 王傳義，張忠鋒，徐秀紅，等. 煙葉烘烤特性研究進(jìn)展[J]. 中國(guó)煙草科學(xué)，2009，30（1）：38-41.

[4] 潘永康，王喜忠. 干燥技術(shù)[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1998.

[5] 邱軍，張懷寶，宋巖，等. 近紅外光譜分析技術(shù)在煙草行業(yè)的應(yīng)用[J]. 中國(guó)煙草科學(xué)，2008，29（1）：5-59.

[6] 伍錦鳴，彭斌，劉克建，等. 氣相色譜法測(cè)定煙草含水率[J]. 煙草科技，2012（12）：40-51.

[7] 國(guó)家煙草專賣局. 煙草及煙草制品水分的測(cè)定-卡爾費(fèi)休法GB/T 23357[S]. 北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2009.

[8] 祝樹森，張緒坤，黃儉花，等. 干燥過程物料內(nèi)部水分無損檢測(cè)技術(shù)[J]. 食品工業(yè)科技，2012（8）：409-411，415.

[9] 李然，陳珊珊，俞捷，等. 應(yīng)用低場(chǎng)核磁共振技術(shù)測(cè)定茶葉含水量[J]. 茶葉科學(xué)，2010，30（6）：440-444.

[10] 張緒坤，祝樹森，黃儉花，等. 用低場(chǎng)核磁分析胡蘿卜切片干燥過程的內(nèi)部水分變化[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2012，28（22）：282-287.

[11] 陳琳莉，李俠，張春暉，等. 低場(chǎng)核磁共振法測(cè)定五種肉類中不同狀態(tài)水分含量[J]. 分析科學(xué)學(xué)報(bào)，2015，31（1）：90-94.

[12] 張明輝，李新宇，周云潔，等. 利用時(shí)域核磁共振研究木材干燥過程水分狀態(tài)變化[J]. 林業(yè)科學(xué)，2014，50（12）：109-113.

[13] 梁國(guó)海，劉百戰(zhàn)，朱仲良，等. 應(yīng)用低場(chǎng)核磁共振技術(shù)分析煙絲樣品含水率的方法[J]. 中國(guó)煙草學(xué)報(bào)，2014，20（5）：6-11.

[14] 周凝，劉寶林，王欣. 核磁共振技術(shù)在食品分析檢測(cè)中的應(yīng)用[J]. 食品工業(yè)科技，2011，32（1）：325-329.

[15] 國(guó)家煙草專賣局. 煙草及煙草制品試樣的制備和水分的測(cè)定-烘箱法YC/T 31—1996[S]. 北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，1996.

[16] 宮長(zhǎng)榮，周義和，楊煥文. 烤煙三段式烘烤導(dǎo)論[M]. 北京：科學(xué)出版社，2006.

[17] 王紅敏，聶生東，王遠(yuǎn)軍. 低場(chǎng)核磁共振信號(hào)降噪方法研究進(jìn)展[J]. 中國(guó)醫(yī)學(xué)物理學(xué)雜志，2013，30（4）：4261-4265.

[18] 王相友，魏忠彩，孫傳祝，等. 胡蘿卜切片紅外輻射干燥水分遷移特性研究[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2015，46（12）：240-245.

[19] 宋平，楊濤，王成，等. 利用低場(chǎng)核磁共振分析水稻種子浸泡過程中的水分變化[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2015，31（15）：279-284.

[20] 王雪媛，高琨，陳芹芹，等. 蘋果片中短波紅外烘烤過程中水分?jǐn)U散特性[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2015，31（12）：275-281.

[21] 孫建鋒. 烤煙葉片不同區(qū)位生理特性及理化指標(biāo)的比較研究[D]. 鄭州：河南農(nóng)業(yè)大學(xué)，2006.

[22] 任廣躍，曾凡蓮，段續(xù)，等. 利用低場(chǎng)核磁分析玉米干燥過程中內(nèi)部水分變化[J]. 中國(guó)糧油學(xué)報(bào)，2016，31（8）：95-99.

[23] 王愛華，楊斌，管志坤，等. 烤煙烘烤與煙葉香吃味關(guān)系研究進(jìn)展[J]. 中國(guó)煙草學(xué)報(bào)，2010，16（4）：92-97.

Determination of Moisture in Tobacco Leaves during Curing Process by Low-field NMR

SONG Zhaopeng1, LI Shengdong1, WEI Shuo1, TAN Fangli2, WU Wenxin2, XU Qingxiao2, LI Hongguang2, FANG Ming2
(1. College of Tobacco Science, Henan Agricultural University, Zhengzhou 450002, China; 2. Chenzhou Company of Hunan Tobacco Company, Chenzhou, Hunan 423000, China)

In order to fully understand the change of moisture content in different positions of tobacco leaves during curing process, and to improve the moisture detection efficiency of tobacco leaf during curing, using the upper leaf of Qinyan96 as test material, Low-field NMR was used to determine the moisture content in lamina and midrib. The results were compared with those determined by a conventional oven method. The results showed that： (1)The map of different positions of tobacco leaves showed that there were 3 states of water in lamina, bound waterT21(0.1-1 ms), semi-bound waterT22 (1-10 ms) and free waterT23 (100-1000 ms). There were 2 states of water in midrib, bound waterT21(1-10 ms) and free waterT22(100-1000 ms). (2)The inversion spectrum of lamina and midrib has an extremely significant positive correlation with the water mass and moisture content of dry base (the coefficient of determination are in turn 0.9847, 0.9929, 0.9952,P＜0.01). (3) Comparing with the conventional oven method, the stability of Low-field NMR was better, which is suitable for rapid and accurate detection of the lamina and midrib moisture content of tobacco leaves during curing.

low-field NMR; flue-curing; tobacco leaves; moisture

TS44+1

1007-5119（2017）03-0056-05 DOI：10.13496/j.issn.1007-5119.2017.03.010

湖南省煙草公司郴州市公司項(xiàng)目“特殊煙葉烘烤技術(shù)研究”（201543100094001）

宋朝鵬（1978-），男，博士，副教授，主要從事煙草調(diào)制與加工研究。E-mail：ycszp@163.com

2016-12-04

2017-02-28