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(xué)煙草學(xué)院，河南 鄭州 450002；2.中國(guó)煙草總公司重慶市公司，重慶 400023；3.河南中煙工業(yè)有限責(zé)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(shù)的重要補(bǔ)充，近年來(lái)在許多煙區(qū)得到了廣泛的應(yīng)用[1]?？緹熃?jīng)一定時(shí)間晾制變黃后進(jìn)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(duì)于煙葉烘烤在節(jié)能減排、提質(zhì)增效方面有良好的應(yīng)用意義。然而當(dāng)前有關(guān)烤煙在烤前晾制過(guò)程中對(duì)煙葉顏色變化的精細(xì)化研究鮮有報(bào)道。煙葉顏色作為采收成熟度、科學(xué)烘烤[4-5]、烤煙分級(jí)以及外觀質(zhì)量評(píng)價(jià)[6-7]中的重要判別指標(biāo)，是煙葉內(nèi)多種化學(xué)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(guò)程中的顏色變化規(guī)律具有重要意義。【前人研究進(jìn)展】隨著交叉學(xué)科的不斷發(fā)展和滲透，許多學(xué)者將色度學(xué)指標(biāo)與動(dòng)力學(xué)模型以及經(jīng)典Arrhenius方程相結(jié)合來(lái)研究農(nóng)產(chǎn)品儲(chǔ)藏和加工過(guò)程中顏色的變化，預(yù)測(cè)產(chǎn)品的品質(zhì)變化[9-10]，并取得了相應(yīng)的研究進(jìn)展。謝晶等[11]、劉春菊等[12]分別對(duì)上海青和蓮藕片在不同儲(chǔ)藏溫度下顏色變化的研究表明，其表征顏色變化的指標(biāo)亮度值L*和總色差△E的變化均符合零階動(dòng)力學(xué)模型，并采用Arrhenius方程對(duì)顏色參數(shù)變化速率和溫度進(jìn)行非線性擬合得到顏色變化的活化能，構(gòu)建了對(duì)應(yīng)產(chǎn)品的貨架期預(yù)測(cè)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(yīng)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(guò)程中L*、a*的反應(yīng)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(guò)程中各項(xiàng)顏色指標(biāo)變化均符合零階動(dòng)力學(xué)模型。在烤煙方面，魏碩等[15]對(duì)烘烤過(guò)程中不同變黃溫度下煙葉葉綠素變化規(guī)律進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)葉綠素的降解規(guī)律均符合一階動(dòng)力學(xué)模型。 【本研究切入點(diǎn)】基于上述研究基礎(chǔ)，該研究以常用的CIELAB顏色空間中的亮度值L*、紅綠值a*、黃藍(lán)值b*及由此而衍生的褐變指數(shù)BI(browning index) 和總色差ΔE并結(jié)合SPAD實(shí)現(xiàn)對(duì)晾制過(guò)程中煙葉顏色和葉綠素的快速無(wú)損檢測(cè)。重點(diǎn)探討煙葉在晾制過(guò)程中溫度和時(shí)間對(duì)顏色變化的影響規(guī)律，建立煙葉晾制過(guò)程中顏色變化動(dòng)力學(xué)模型，以模擬預(yù)測(cè)煙葉在不同晾制溫度下顏色變化與晾制時(shí)間的關(guān)系?！緮M解決的關(guān)鍵問(wèn)題】旨在為烤煙晾制標(biāo)準(zhǔn)、方法以及晾烤結(jié)合的配套工藝技術(shù)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(yàn)于2017年8月在四川省瀘州市古藺縣箭竹試驗(yàn)基地進(jìn)行，供試烤煙品種為云煙87。試驗(yàn)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(shù)規(guī)范進(jìn)行。選取葉片大小相對(duì)一致的中部葉(11～12位葉)作為試驗(yàn)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(cè)量?jī)x器 HP-C210精密色差儀(深圳漢譜光彩科技有限公司)，配備標(biāo)準(zhǔn)白板以及CIE標(biāo)準(zhǔn)0/d測(cè)試探頭，測(cè)量孔徑為20 mm。SPAD502葉綠素儀(日本Minolta公司)，通過(guò)測(cè)量葉片在2種波長(zhǎng)(650 和940 nm)范圍內(nèi)的透光系數(shù)來(lái)確定葉片當(dāng)前葉綠素的相對(duì)數(shù)量。

1.2 試驗(yàn)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(chǔ)藏在溫度為20、25、30、35和40 ℃的恒溫恒濕箱中，相對(duì)濕度均為65 %。每隔4 h分別測(cè)量5組煙葉表面的亮度值L*、紅綠值a*、黃藍(lán)值b*以及SPAD值，每次測(cè)定平行次數(shù)和重復(fù)次數(shù)均為3。并分別依據(jù)式(1)和式(2)計(jì)算總色差△E和褐變指數(shù)BI[14]。至SPAD502葉綠素儀測(cè)量值為0時(shí)(葉片全黃)停止測(cè)量。顏色參數(shù)和SPAD測(cè)量時(shí)選取煙葉1/4、1/2、3/4處對(duì)稱(chēng)的6個(gè)位置作為測(cè)量點(diǎn)(圖1)，測(cè)量點(diǎn)距離主脈約5 cm。

(1)

(2)

式中：Lt*、at*、bt*表示在晾制時(shí)間t時(shí)測(cè)得的顏色指標(biāo)數(shù)值；L0*、a0*、b0*表示剛采收后煙葉的初始顏色指標(biāo)數(shù)值。

1.3 顏色變化動(dòng)力學(xué)模型建立

1.3.1 零階和一階反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型 國(guó)內(nèi)外對(duì)農(nóng)產(chǎn)品在加工和儲(chǔ)藏過(guò)程中品質(zhì)指標(biāo)變化大多采用動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行研究分析。從已有研究來(lái)看，大多數(shù)農(nóng)產(chǎn)品的品質(zhì)因子C與時(shí)間t之間的關(guān)系表現(xiàn)出零階反應(yīng)模型(式3)或一階反應(yīng)模型[11,18-19](式4)，具體動(dòng)力學(xué)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(biāo)值，f(Ct)為反應(yīng)至t時(shí)的品質(zhì)指標(biāo)值，k為反應(yīng)模型品質(zhì)指標(biāo)變化的速率常數(shù)。

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

圖1 煙葉顏色參數(shù)和SPAD測(cè)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(yīng)速度常數(shù)k與溫度T之間的變化關(guān)系[15]，

k=Aexp(-Ea/RT)

(7)

式中：A為指前因子，是一個(gè)只由反應(yīng)本性決定而與反應(yīng)溫度無(wú)關(guān)的常數(shù)，與k具有相同的量綱；Ea(J·mol-1)表示反應(yīng)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(duì)溫度，其數(shù)值為反應(yīng)的攝氏溫度與273.15之和。

1.4 數(shù)據(jù)分析

最終統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)為3組平行試驗(yàn)的3次重復(fù)測(cè)量結(jié)果的平均值，采用Matlab2014a軟件對(duì)各項(xiàng)顏色指標(biāo)的數(shù)據(jù)進(jìn)行模型擬合與分析，利用Excel2013進(jìn)行作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同晾制溫度對(duì)SPAD的影響

如圖2所示，隨晾制時(shí)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(shí)(20、25 ℃)煙葉SPAD值降低速率呈先慢后快再慢的變化趨勢(shì)，而晾制溫度較高時(shí)(30、35、40 ℃)煙葉SPAD值下降速度呈現(xiàn)由快至慢的變化趨勢(shì)，說(shuō)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(shí)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(guò)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(shí)間的增加呈現(xiàn)不斷增長(zhǎng)的變化趨勢(shì)，且晾制溫度越高增長(zhǎng)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(zhǎng)至67.21和69.77，a*值分別增長(zhǎng)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(jié)果[7]，王濤等[20]對(duì)烤煙中部葉顏色參數(shù)與內(nèi)在品質(zhì)之間的關(guān)系研究中發(fā)現(xiàn)L*值、a*值的變化與色素類(lèi)物質(zhì)和淀粉含量呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，高溫條件下煙葉變黃所需晾制時(shí)間短，干物質(zhì)損失少[21]從而導(dǎo)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(guò)程中煙葉表面的黃藍(lán)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(jié)束時(shí)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(shí)間長(zhǎng)，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(zhǎng)速率表現(xiàn)為先慢后快的上升趨勢(shì)，高溫條件(35、40 ℃)下晾制時(shí)△E呈快速上升的趨勢(shì)?！鱁做為一項(xiàng)顏色參數(shù)廣泛被用來(lái)描述農(nóng)產(chǎn)品在加工或儲(chǔ)藏過(guò)程中的顏色變化，當(dāng)△E>2時(shí)視覺(jué)就很容易捕獲顏色所呈現(xiàn)的變化[23]，結(jié)合不同溫度條件下煙葉晾制過(guò)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(zhǎng)。

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(yīng)程度呈正比[12]。由圖3e可見(jiàn)，煙葉的褐變指數(shù)BI在晾制過(guò)程中也在逐漸增長(zhǎng)，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(duì)BI值的影響較大，且晾制溫度越高BI增幅越大。說(shuō)明煙葉晾制過(guò)程中較高的溫度可能促進(jìn)了葉片中含有氨基酸基團(tuán)的復(fù)合物與還原糖之間美拉德反應(yīng)的發(fā)生，從而生成了有顏色的類(lèi)黑色素類(lèi)物質(zhì)[24]。此外美拉德反應(yīng)形成的阿馬杜里化合物被認(rèn)為可賦予煙葉特有的香氣[25]，有關(guān)煙葉晾制過(guò)程中褐變指數(shù)與煙葉香氣成分的形成之間的關(guān)系仍需進(jìn)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(guò)程中顏色變化動(dòng)力學(xué)分析

2.3.1 煙葉晾制過(guò)程中顏色變化動(dòng)力學(xué)模型確定 采用matlab2014a軟件對(duì)煙葉晾制過(guò)程中上述顏色評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行線性和非線性擬合分別得到所測(cè)指標(biāo)的零階和一階動(dòng)力學(xué)模型的模型常數(shù)k、均方根誤差RMSE以及決定系數(shù)R2，結(jié)果見(jiàn)表1。可以看出不同晾制溫度條件下煙葉樣品的L*值、△E和BI3項(xiàng)顏色評(píng)價(jià)指標(biāo)的零階動(dòng)力學(xué)模型決定系數(shù)的∑R2大于一階動(dòng)力學(xué)模型，表明零階動(dòng)力學(xué)模型更具擬合優(yōu)勢(shì)，而a*值、b*值和SPAD的變化規(guī)律更遵循一階動(dòng)力學(xué)模型。

表1 煙葉晾制過(guò)程中顏色評(píng)價(jià)指標(biāo)動(dòng)力學(xué)模型

2.3.2 煙葉晾制過(guò)程中各項(xiàng)顏色指標(biāo)變化的半衰期和活化能 在模型構(gòu)建的基礎(chǔ)上對(duì)煙葉晾制過(guò)程中顏色指標(biāo)的零階或一階動(dòng)力學(xué)模型速率常數(shù)k取對(duì)數(shù)得到l nk，與晾制溫度的倒數(shù)1000/T進(jìn)行線性擬合，結(jié)果如圖3所示，可以看出各項(xiàng)顏色評(píng)價(jià)指標(biāo)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(guò)程中顏色指標(biāo)變化的Arrhenius擬合圖

表2 煙葉晾制過(guò)程中顏色指標(biāo)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(biāo)實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)值之間的關(guān)系

通過(guò)各項(xiàng)顏色指標(biāo)的零階或一階反應(yīng)速率常數(shù)k計(jì)算出半衰期， 由Arrhenius方程擬合公式的斜率和截距分別計(jì)算出各項(xiàng)顏色指標(biāo)的活化能和指前因子，結(jié)果如表2所示。隨晾制溫度升高，各項(xiàng)顏色指標(biāo)的半衰期均有不同程度的縮短，L*、a*、b*、△E、BI和SPAD6個(gè)指標(biāo)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(shuō)明晾制溫度對(duì)煙葉顏色變化會(huì)產(chǎn)生很大的影響?；罨芊从沉艘粋€(gè)反應(yīng)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(yīng)越難進(jìn)行[26]，反應(yīng)的活化能低于42 kJ/mol時(shí)，表示反應(yīng)較易進(jìn)行，當(dāng)活化能高于400 kJ/mol，反應(yīng)進(jìn)行較為困難。由表2可知晾制過(guò)程中煙葉各項(xiàng)顏色指標(biāo)的活化能以a*值最高，為41.11 kJ·mol-1，說(shuō)明煙葉在晾制過(guò)程中各項(xiàng)顏色指標(biāo)變化速率均較大，容易發(fā)生變化。同時(shí)活化能的大小也可以反映溫度對(duì)變化的影響程度，活化能越大，溫度變化對(duì)于反應(yīng)速率的影響也越大[27]。就各項(xiàng)顏色指標(biāo)而言，煙葉表面a*值的活化能分別高出L*、b*、△E、BI和SPAD5項(xiàng)指標(biāo)14.44、27.13、23.65、25.61和15.94 kJ·mol-1，說(shuō)明溫度變化對(duì)于a*值的影響最大，對(duì)b*值的影響最小。

表3 不同晾制溫度下煙葉顏色指標(biāo)預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值之間的相關(guān)系數(shù)

2.4 煙葉晾制過(guò)程顏色變化動(dòng)力學(xué)模型與驗(yàn)證

在實(shí)際應(yīng)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(huì)存在部分差異，同時(shí)因?yàn)槟壳盁熑~表面顏色指標(biāo)在行業(yè)內(nèi)或國(guó)標(biāo)中沒(méi)有針對(duì)不同品種、部位、成熟度的固定范圍，因此顏色指標(biāo)確定的固定初始值會(huì)降低模型預(yù)測(cè)的精準(zhǔn)性。依據(jù)上述研究結(jié)果，將動(dòng)力學(xué)模型和經(jīng)典Arrhenius方程相結(jié)合分別建立烤煙品種云煙87中部葉在晾制過(guò)程中L*、a*、b*、△E、BI和SPAD等顏色指標(biāo)隨晾制時(shí)間t和晾制溫度n變化的預(yù)測(cè)模型。

為驗(yàn)證該模型的精準(zhǔn)性，重新選取云煙87中部適熟煙葉作為驗(yàn)證組，試驗(yàn)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)組一致，每隔一段時(shí)間利用色差儀和葉綠素儀對(duì)驗(yàn)證組各處理煙葉的顏色指標(biāo)進(jìn)行測(cè)量。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和預(yù)測(cè)模型之間的關(guān)系見(jiàn)圖4，并對(duì)圖中的實(shí)測(cè)值預(yù)測(cè)值進(jìn)行相關(guān)性分析，得出L*、a*、b*、SPAD等5個(gè)顏色指標(biāo)在20～40 ℃范圍內(nèi)的5個(gè)溫度點(diǎn)下實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)值的相關(guān)系數(shù)(表3)。出各項(xiàng)顏色指標(biāo)的不同溫度處理相關(guān)系數(shù)在0.9185～0.9959的范圍內(nèi)，表明顏色指標(biāo)的實(shí)測(cè)值與模型的預(yù)測(cè)值之間具有較高的相關(guān)性，擬合能力良好，說(shuō)明預(yù)測(cè)模型可較好的反應(yīng)在晾制過(guò)程中煙葉表面顏色的變化規(guī)律。

(8)

(9)

(10)

(11)

(12)

(13)

3 結(jié)論與討論

通過(guò)研究20、25、30、35和40 ℃ 5個(gè)不同晾制溫度下云煙87中部葉顏色指標(biāo)中的亮度值L*、紅綠值a*、黃藍(lán)值b*、總色差△E、褐變指數(shù)BI以及SPAD值隨晾制時(shí)間的變化，結(jié)果表明煙葉在晾制過(guò)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(biāo)變化速率均變快。40 ℃晾制條件下煙葉變黃時(shí)間較20～35 ℃條件下變黃時(shí)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(shí)間和葉內(nèi)干物質(zhì)消耗程度不同所致[1,28-29]?；罨艿拇笮》从沉肆乐茰囟葘?duì)煙葉晾制過(guò)程中顏色變化的影響程度，從各項(xiàng)顏色指標(biāo)活化能可以看出，晾制溫度的變化對(duì)a*的影響最大，其次為L(zhǎng)*和SPAD，對(duì)于b*的影響最小，其次影響較小的為△E和BI。

對(duì)不同晾制溫度下煙葉顏色指標(biāo)的試驗(yàn)值進(jìn)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(yīng)，而紅綠值a*、黃藍(lán)值b*和SPAD的變化符合一階動(dòng)力學(xué)模型，結(jié)合Arrhenius方程對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行擬合，并構(gòu)建煙葉晾制過(guò)程顏色變化動(dòng)力學(xué)模型方程，經(jīng)驗(yàn)證表明各項(xiàng)顏色指標(biāo)實(shí)測(cè)值與模型預(yù)測(cè)值的相關(guān)系數(shù)(R2)均高于0.9，說(shuō)明各模型均能準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)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(biāo)準(zhǔn)的制定和發(fā)展奠定基礎(chǔ)，也可以為煙葉晾制后葉內(nèi)含有的顏色營(yíng)養(yǎng)素(如葉綠素、類(lèi)胡蘿卜素、類(lèi)黃酮、多酚等)的保持程度提供理論參考，相應(yīng)為晾烤結(jié)合的配套工藝技術(shù)的研究提供指導(dǎo)依據(jù)。