烘烤过程中烟叶颜色变化与主要化学成分的关系

贺帆，王涛，王梅，宫长荣

1 河南农业大学烟草学院，郑州文化路95号 450002；

2 曲靖市烟草公司师宗分公司，师宗通源大街中段 655700；

3 铁岭市烟草公司昌图分公司，铁岭 112000

烘烤过程中烟叶颜色变化与主要化学成分的关系

贺帆1，王涛2，王梅3，宫长荣1

1 河南农业大学烟草学院，郑州文化路95号 450002；

2 曲靖市烟草公司师宗分公司，师宗通源大街中段 655700；

3 铁岭市烟草公司昌图分公司，铁岭 112000

以烤烟NC89中部叶为试验材料，对密集烘烤过程中烤烟烟叶亮度值L、红度值a、黄度值b、饱和度C、色相角H°、色泽比H和色差值ΔE的变化规律及其与主要化学成分的关系进行了研究。结果表明，烘烤过程中烟叶正面与背面L、a、b、C、H°和H值的变化趋势基本一致；其均在鲜烟叶至42℃结束时变化剧烈，42℃结束之后变化幅度趋缓。烟叶正背面色差值的变化则相对平稳，从鲜烟叶至42℃开始略有上升，在54℃稳温结束时略有下降。相关分析表明，烘烤过程中烟叶各颜色参数与淀粉、还原糖、叶绿素、类胡萝卜素、蛋白质、氨基酸和含水量之间相关性明显，大部分达到了显著或极显著水平。通过对烟叶颜色参数与化学成分的回归分析，建立了烟叶颜色参数与主要化学成分动态变化的预测方程；除叶绿素外，烘烤过程中烤烟烟叶其他主要化学成分预测值与实测值符合程度较好，预测精度高。通过色差计量化烘烤过程中的烟叶颜色参数，从而建立烘烤过程中主要化学成分的预测模型，进行快速准确的预测，提高烘烤操作的准确性。

烤烟；烘烤；颜色；化学成分

密集烤房是现代烟草农业建设的重要基础设施，随着在全国的大面积推广，烟叶在烘烤过程中的温湿度自动化和精准化控制水平不断提高[1-2]。但当前密集烘烤温湿度的确定仍是基于技术人员对烟叶颜色和形态变化进行的人为判断，这种方法往往受烟叶品种、烟叶素质和技术人员的认识程度等诸多因素的影响，主观随意性大，不能完全满足现代烟草农业生产对精准化操作的要求。因此，实现烟叶主要化学成分的实时快速无损检测将大大提高烘烤温湿度调控精度。近年来的相关研究[3-4]指出，近红外技术能实现烟叶主要化学成分的快速测定，但并未见应用于烘烤研究；而基于CIE色度学理论的计算机图像处理和色差计量化烘烤中烟叶颜色参数技术的研究为揭示烘烤过程中烟叶颜色与内在化学成分变化的关系，科学精准调控烟叶温湿度提供了新的方法。

CIE色度系统是国际照明协会规定用三刺激值x、y、z表达任一颜色匹配的系统。目前，在水果[5-6]、蔬菜[7]和肉类[8]等农作物或农产品检测方面得到了广泛的应用，并利用颜色参数快速、准确的估测了色素类物质、抗坏血酸和品质的变化。梁洪波[9]、彭新辉[10]和丁根胜[11]等研究认为烟叶颜色与总糖、还原糖、总氮、蛋白质、烟碱等化学成分密切相关，可反映烟叶内在化学品质。但迄今为止，有关烟叶颜色的定量分析及其与烟叶化学成分的关系主要集中在烟叶的成熟过程及其烤后烟叶[9-12]；对烘烤过程只是进行了颜色的定量测定及其与化学成分的简单相关分析[13-14]，有关颜色参数与化学成分的定量关系鲜有报道。因此本研究对密集烘烤中烟叶颜色参数与淀粉、色素、蛋白质、氨基酸和含水量的定量关系进行了研究，并对模型进行了验证，以期为快速、准确、科学的判断烟叶烘烤中的外观颜色、水分和内在化学物质变化，为提高烟叶密集烘烤的精准化操作提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验于2011—2012年在河南省汝阳县进行。试验田土壤质地为红黏土，土壤肥力中等。供试烤烟品种为NC89，种植株行距为50 cm×120 cm。按照当地优质烤烟栽培生产技术规范进行田间管理。以中部烟叶（第11～12叶位）为试验材料，依据成熟采收标准，在烟叶成熟时按照叶位单叶采收。

1.2 试验设计

试验分成两组，分别采用河南农业大学设计的规格相同的4台电热式温湿度自控密集烤烟箱和气流下降式密集烤房进行烘烤。装烟密度为65 kg·m-3，参照“三段式烘烤工艺”正常烘烤。烘烤过程中分别取开烤、38℃开始、38℃结束、42℃开始、42℃结束、47℃开始、47℃结束、54℃开始、54℃结束和烘烤结束时的烟叶，取样后空隙处用麻袋片挡住，防止因取样带来试验误差；每次共选取具有代表性的完整烟叶24片，其中12片用于烟叶颜色参数和含水量的测定，另外12片去除主脉和一级支脉在烘箱中105℃杀青5 min，60℃烘干、粉碎，过60目筛，用于烟叶主要化学成分的测定。其中通过4台电热式温湿度自控密集烤烟箱采集的数据用于数据分析，气流下降式密集烤房采集的数据用于数据的验证。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 烟叶含水量 样品在100～105℃的烘箱中烘2 h，冷却称重，计算公式为：烟叶含水量(%)=(鲜重-干重)/鲜重。

1.3.2 烟叶颜色参数 采用北京光学仪器厂产WSC-2型测色色差计参照霍开玲等[13]的方法测量烟叶正反面的颜色参数；分别测得烟叶正面和背面的亮度值L、红度值a和黄度值b，并计算饱和度C、色相角H°、色泽比H、各温度点烟叶正面、背面相对于鲜烟叶的色差值和正面与背面之间的色差值ΔE，计算公式为：色泽比(H) = a/b；

1.3.3 烟叶化学成分 淀粉、还原糖、蛋白质和氨基酸含量的测定参照王瑞新等[15]的方法。叶绿素、类胡萝卜素含量的测定采用分光光度法[16]。

1.4 数据分析

采用Microsoft Excel 2003和SPSS17.0进行数据处理、绘图和统计分析。

2 结果与分析

2.1 烘烤过程中烤烟烟叶颜色参数的变化

2.1.1 烘烤过程中烤烟烟叶L、a、b值的变化

由表1可知，烘烤过程中烟叶正面与背面L、a和b值变化趋势基本一致；且各颜色参数均在鲜烟叶至42℃结束时变化剧烈，42℃之后变化幅度较小。烟叶正面与背面的L值在烘烤过程中的变化趋势基本一致，整体呈先上升再下降而后再上升后又略有下降的趋势。在47℃开始时叶片正面与背面L值均达到最大，其中正面除与38℃结束时差异不显著，与其他各温度点差异显著或极显著；而叶片背面在此温度点与其他各温度点差异均极显著。a值则随着烘烤的进行整体呈升高的趋势，但在42℃结束至47℃开始阶段有所降低，之后缓慢升高并趋于平稳；在鲜烟叶至42℃结束阶段各温度点之间a值差异极显著。b值呈先升高在42℃开始时达到最大而后降低然后再略有上升的趋势；在鲜烟叶至38℃结束阶段各温度点差异极显著。

表1 烘烤过程中烟叶L、a、b值的变化Tab.1 Changes of lightness value(L),red value(a) and yellow value(b) of flue-cured tobacco leaves during curing

2.1.2 烘烤过程中烤烟烟叶C、H°和H值的变化

烘烤过程中烟叶正面和背面的饱和度（C）、色相角（H°）和色泽比（H）的变化趋势基本一致；均在鲜烟叶至42℃结束时变化剧烈，42℃结束后变化幅度趋缓（图1、图2）。其中，烟叶正面与背面C值随着烘烤的进行呈先上升的趋势，正面C值在42℃开始时达到最大值，背面C值在42℃结束时达到最大，然后下降而后又略有上升；且在整个烘烤进程中，叶片正面C值明显高于叶片背面。色相角H°值的变化基本呈下降的趋势，但在47℃开始时略有上升，但差异不明显；同时，整个烘烤过程中，烟叶正面与背面H°值差异不明显。鲜烟叶正面与背面的H值为负值，表明烟叶正面与背面的颜色以绿色为主；随着烘烤进程的推进，H值逐渐增大，在47℃结束时达到最大值，而后基本不变。

图1 烘烤过程中烟叶C和H°值的变化Fig.1 Changes of chroma (C) and hue angle (H°) of flue-cured tobacco leaves during curing

图2 烘烤过程中烟叶H值的变化Fig.2 Changes of color ratio (H) of flue-cured tobacco leaves during curing

2.1.3 烘烤过程中烤烟烟叶色差值的变化

由图3可知，烘烤过程中烟叶正面相对于鲜烟叶正面的色差值与烟叶背面相对于鲜烟叶背面的色差值的变化规律基本一致，在鲜烟叶至38℃末时呈急剧增加的趋势，在42℃开始时又略有下降最后在定色前期结束（47℃末）后趋于稳定。且烟叶正面色差值和背面色差值在38℃结束后均明显大于12，说明38℃稳温结束烟叶颜色与鲜烟叶之间完全不同。而烘烤过程中烟叶正背面色差值的变化相对平稳，从鲜烟叶至42℃开始略有上升，而后略有下降并在烤后时略有增加；并且只在38℃末和42℃开始时略大于12，而在54℃稳温结束时略有下降；可见，在54℃时适当延长稳温时间有利于降低烟叶正背面色差。

图3 烘烤过程中烟叶色差值的变化Fig.3 Changes of color difference of flue-cured tobacco leaves during curing

2.2 烘烤过程中烤烟烟叶颜色参数与化学成分相关分析

对烘烤过程中烤烟烟叶颜色参数与主要化学成分进行相关分析（表2）表明，叶片正面和背面H°均与烟叶淀粉含量呈极显著正相关，其他几个颜色参数与烟叶淀粉含量呈负相关，除正面b和正面与背面色差外均达到了显著或者极显著水平。还原糖含量与叶片背面L、b和C，正面与背面a、H°和H以及正面色差、背面色差均达到极显著相关；与正面L和C显著相关。除正背面色差值与叶绿素含量的相关性不显著外，其他各指标均分别与叶绿素含量呈现出显著或极显著负相关。烟叶类胡萝卜素含量与叶片正面和背面a、H°、H均呈极显著负相关，与背面b和C和背面色差值呈显著性负相关。烟叶蛋白质含量与叶片正面和背面H°呈极显著性正相关，与正面和背面a、H均达到了极显著负相关，与叶片背面C和背面色差达到了显著负相关。氨基酸含量与叶片正面与背面a、H，背面C和背面色差值均极显著正相关；与正面H°极显著负相关；与背面L、b、H°和正面色差显著相关。含水量与叶片正面H和背面H°呈显著或极显著性正相关，与正面和背面a、H达到了显著负相关水平。

表2 烘烤过程中烟叶颜色参数与主要化学成分的相关分析Tab.2 Correlation between color parameters and chemical components of flue-cured tobacco leaves during curing

2.3 烘烤过程中烤烟烟叶颜色参数与化学成分回归分析

以烘烤过程中烤烟烟叶淀粉（Ŷ1）、还原糖（Ŷ2）、叶绿素（Ŷ3）、类胡萝卜素（Ŷ4）、蛋白质（Ŷ5）、氨基酸（Ŷ6）和水分（Ŷ7）含量7个指标为因变量，以叶片正面L（X1）、叶片背面L（X2）、叶片正面a（X3）、叶片背面 a（X4）、叶片正面b（X5）、叶片背面 b（X6）、叶片正面C（X7）、叶片背面C（X8）、叶片正面H°（X9）、叶片背面H°（X10）、叶片正面H（X11）、叶片背面H（X12）、正面色差值（X13）和背面色差值（X14）为自变量，进行回归分析，建立烘烤过程中烤烟烟叶主要化学成分动态变化的预测方程：

烘烤过程中烤烟烟叶颜色参数与各化学成分的回归方程拟合度较好，方差分析表明均达到极显著水平。

2.4 烘烤过程中烤烟烟叶化学成分回归模型验证

以汝阳地区NC89中部叶为试验材料，采用密集烤房进行烘烤，对烘烤过程中烤烟烟叶主要化学成分动态变化的预测方程进行验证（表3）可知，烘烤过程中烤烟烟叶主要化学成分预测值与实测值符合程度较好。对各化学成分实测值与预测值进行相关分析表明，淀粉、还原糖、叶绿素、类胡萝卜素、蛋白质、氨基酸和含水量的相关系数分别为0.998、0.993、0.999、0.977、0.997、0.992、0.993，且达到极显著水平。其中，淀粉、还原糖、类胡萝卜素、蛋白质、氨基酸和含水量实测值与预测值之间相对误差分别为6.10%、3.01%、9.62%、1.28%、2.82%和9.35%，误差均在10%以内，预测精度较高；但叶绿素实测值与预测值相对误差为20.34%，预测精度较差。

表3 烘烤过程中烤烟烟叶化学成分预测结果Tab.3 Predicted values of chemical components of flue-cured tobacco leaves during curing

3 讨论与结论

宫长荣等[17-19]研究表明，烘烤中烟叶色素的降解主要集中在变黄期，且叶绿素的降解速率远大于类胡萝卜素，导致烟叶内类胡萝卜素与叶绿素的比值逐渐增大，其综合作用使烟叶的颜色也逐渐由绿色转向黄色；进入定色期之后烟叶内叶绿素和类胡萝卜素的含量逐渐稳定，影响烟叶颜色的糖或者多酚类的深色复合物转化也基本稳定。研究结果表明，烘烤过程中烟叶正面与背面L、a、b、C、H°和H值的变化趋势基本一致；其均在鲜烟叶至42℃结束时变化剧烈，42℃结束之后变化幅度趋缓；其中在鲜烟叶至38℃结束烟叶变黄八到九成，三个温度点各颜色参数之间差异极显著。烘烤过程中烟叶的红绿颜色参数（a）、蓝黄颜色参数（b）及其色相角（H°）和色泽比（H）反映了烟叶的颜色逐渐由蓝绿色向红黄色的转变，而且主要在变黄期；即烘烤过程中烟叶颜色的变化与色素的降解规律一致。相关分析也表明，烘烤过程中烟叶各颜色参数与淀粉、还原糖、叶绿素、类胡萝卜素、蛋白质、氨基酸和含水量之间相关性明显。王涛[13-14]、裴晓东[20]等研究认为烘烤过程中烟叶正面与背面的各颜色参数变化趋势基本一致，且在开烤至42℃变化最为显著；但各颜色参数与化学成分之间的相关分析结果略有差异，这主要是由于不同生态区、不同品种的烟叶素质不同，烘烤特性不同。

烟叶烘烤在于创造一个适宜的环境调控烟叶失水干燥与叶内生理生化变化过程的协调。目前来说，烘烤过程中烟叶颜色的变化既是烟叶生理生化变化的宏观体现，也是调整温湿度的重要外观指标。理论上认为，烘烤过程中烟叶绿色逐渐消失，黄色显现，此时应该表明烟叶内的叶绿素、淀粉、蛋白质等大分子物质已降解转化到了适宜的程度；但是在实际生产中，烘烤操作人员素质不同，对变黄标准的认定也不同；因此，在人为主观的判断下烟叶变黄并不一定表明烟叶内在物质转化达到了最理想的程度。目前烟叶化学成分预测的方法有近红外、高光谱等；但是近红外需要先将样品粉碎等前处理，不能满足烘烤过程实时无损预测的要求；而光谱仪成本较高，难以适应生产需要[21-23]。而通过色差计量化烟叶颜色参数，建立烘烤过程中烤烟烟叶主要化学成分动态变化的预测方程；除叶绿素外，对其他主要化学成分预测精度较高。段史江等[24-25]也研究认为通过提取烟叶颜色和形态特征值，建立其与烟叶内在物质含量的无损检测模型，可实现烤烟密集烘烤智能控制。本研究虽然初步建立了烘烤中烟叶主要化学成分的预测模型，但是只是针对汝阳地区NC89品种；不同地区、不同品种的烟叶在生长过程中烟叶内在物质积累不同，在不同烘烤设备和条件下，烟叶烘烤特性各不相同，今后应在不同条件下对模型进一步进行验证和修正，使预测模型具有更广泛的适用性和普遍的指导意义。

[1] Larry M S.Mechanization and labor reduction: a history of U.S.flue-cured tobacco production,1950 to 2008[J].Tobacco Science,2008,47: 1-83.

[2]宋朝鹏,陈江华,许自成,等.我国烤房的建设现状与发展方向[J].中国烟草学报,2009,15(3): 83-86.

[3]武圣江,周义和,宋朝鹏,等.密集烘烤过程中烤烟上部叶质地和色度变化研究[J].中国烟草学报,2010,16(5): 72-77.

[4]蒋锦锋,李莉,赵明月.应用近红外检测技术快速测定烟叶主要化学成分[J].中国烟草学报,2006,12(2): 8-12.

[5] Garrote R L,Silva E R,Bertone R A,et al.Changes of ascorbic acid and surface color of green peas sterilized in cans subjected to end-over-end agitation[J].Journal of Food Engineering,2006,73: 29-37.

[6] Dane B,Darko D,Svjetlana L,Charlotte T,et al.Estimating rapidly and precisely the concentration of beta carotene in mango homogenates by measuring the amplitude of optothermal signals,chromaticity indices and the intensities of Raman peaks[J].Food Chem,2010,121(3): 832-838.

[7] Franco P,Jorge L,Domingo M,et al.Color development and acrylamide content of pre-dried potato chips [J].J Food Engin,2007,79(3): 786-793.

[8] Larraín R E,Schaefer D M,Reed J D.Use of digital images to estimate CIE color coordinates of beef[J].Food Res Intl,2008,41(4): 380-385.

[9]梁洪波,李念胜,元建,等.烤烟烟叶颜色与内在品质的关系[J].中国烟草科学,2002 (1): 9-11.

[10]彭新辉,易建华,周清明,等.同部位不同等级烤烟的色泽和化学成分及其关系[J].湖南农业大学学报(自然科学版),2008,34(1): 39-43.

[11]丁根胜,张庆明,巴金莎,等.烟叶颜色色度学指标与考研品质的关系分析[J].中国烟草科学,2011,32(4): 14-18.

[12]霍开玲,宋朝鹏,武圣江,等.不同成熟度烟叶烘烤中颜色值和色素含量的变化[J].中国农业科学,2011,44(10):2013-2021.

[13]王涛,贺帆,詹军,等.烘烤过程中不同部位烟叶颜色值和主要化学成分的变化[J].湖南农业大学学报（自然科学版）,2012,38(2): 125-130.

[14]王涛,贺帆,詹军,等.密集烘烤过程中基于色度学和形态学的烤烟外观变化与化学成分关系[J].华中农业大学学报,2012,31(6): 765-770.

[15]王瑞新,韩富根,杨素勤,等.烟草化学品质分析法[M].郑州: 河南科学技术出版社,1998.

[16]邹琦.植物生理生化实验指导[M].北京: 中国农业出版社,1995.

[17]宫长荣,赵铭钦,汪耀富,等.不同烘烤条件下烟叶色素降解规律的研究[J].烟草科技,1997(2): 33-34.

[18]杨立均,宫长荣,马京民.烘烤过程中烟叶色素的降解及与化学成分的相关分析[J].中国烟草科学,2002 (2): 5-7.

[19]李艳梅,宫长荣,陈江华,等.烟叶在烘烤过程中脂氧合酶、脱落酸与色素降解的关系[J].中国烟草学报,2001,9(3): 46-48.

[20]裴晓东,王涛,李帆,等.密集烘烤过程中烤烟上部叶颜色参数与主要化学成分变化[J].华北农学报,2012,27(S1): 218-222.

[21]董小卫,马强,厉昌坤,等.近红外检测把烟叶片化学成分技术研究[J].中国烟草科学,2008,29(4): 10-14.

[22]付秋娟,王树声,窦玉青,等.烟草根中N、K、Ca、Mg的近红外光谱分析[J].烟草科技,2006(10): 35-37.

[23]李向阳,刘国顺,杨永锋,等.烤烟叶片高光谱参数与多种生理生化指标关系研究[J].中国农业科学,2007,40(5): 987-994.

[24]段史江,朱红根,傅宗仁,等.烤烟密集烘烤智能控制技术研究进展[J].江西农业学报,2013,25(2): 107-109.

[25]段史江,马力,史龙飞,等.基于图像处理的密集烘烤过程烟叶β-胡萝卜素含量的检测[J].湖南农业大学学报（自然科学版）,2011,37(5): 490-493.

Relationship between color changes and chemical components of flue-cured tobacco leaves during curing

HE Fan1,WANG Tao2,WANG Mei1,GONG Changrong1
1 College of Tobacco Science,Henan Agricultural University,Zhengzhou 450002,China;
2 Yunnan Qujing Shizong Tobacco Company,Qujing 655700,Yunan,China;
3 Liaoning Tieling Changtu Tobacco Company,Tieling 112000,Liaoning,China

Changes in color indexes such as L,a,b,C,H°,H and ΔE and their relationship with chemical components in flue-cured tobacco leaves during bulk curing were studied with middle leaves of NC89 as experimental materials.Results showed that value of L,a,b,C,H° and H in front and back of leaves showed same changing trends during curing with 42℃ as turning point between drastic changes and mild changes.Smooth color changes were observed in front and back of leaves with steady increase till 42℃ and slight decline after 54℃ .Correlation analysis indicated that color parameters showed significant or extremely significant positive correlation with contents of starch,reducing sugar,chlorophyll,carotenoid,protein,amino acid and moisture.Prediction equations were established between color parameters and chemical components by regression analysis.Predicted value and tested value of chemical components except chlorophyll were almost consistent with each other,showing good accuracy of prediction,which could help establish prediction model of chemical components based on color parameter changes in tobacco leaves,improving flue-curing process with more accuracy and efficiency.

flue-cured tobacco; curing; color; chemical components

10.3969/j.issn.1004-5708.2014.06.015

TS44 文献标志码：A 文章编号：1004-5708（2014）06-0097-06

国家烟草专卖局重大专项资助项目（TS-01-2011006）

贺帆（1975—），博士，副教授，主要从事烟草调制与加工研究，Email：hefanyc@163.com

宫长荣(1948—)，教授，博士生导师，主要从事烟草调制与加工研究，Email:gongchr009@126.com

2013-07-03