烤烟变黄期叶绿素降解动力学分析

魏 硕，王 涛，王松峰，高华锋，解 燕，毛建书， 李祖红，张 峰，宋朝鹏*

（1.河南农业大学烟草学院，郑州 450002；2.云南省烟草公司曲靖市公司，云南 曲靖 655000；3.中国农业科学院烟草研究所，农业部烟草生物学与加工重点实验室，青岛 266101）

烤烟变黄期叶绿素降解动力学分析

魏 硕1，王 涛2，王松峰3，高华锋2，解 燕2，毛建书2， 李祖红2，张 峰2，宋朝鹏1*

（1.河南农业大学烟草学院，郑州 450002；2.云南省烟草公司曲靖市公司，云南 曲靖 655000；3.中国农业科学院烟草研究所，农业部烟草生物学与加工重点实验室，青岛 266101）

为研究不同烤烟品种的变黄特性和预测变黄期烟叶叶绿素含量变化，通过分析不同品种（红花大金元、K326和云烟85）在不同变黄温度（34 ℃、36 ℃、38 ℃、40 ℃和42 ℃）下烟叶叶绿素含量变化，建立了烟叶叶绿素降解动力学模型。试验结果表明：（1）随着变黄温度的升高烟叶叶绿素降解加快，变黄温度较低时（34 ℃、36 ℃）烟叶叶绿素降解存在延滞期，高温变黄（40 ℃、42 ℃）不存在延滞期；相同变黄温度下，云烟85烟叶叶绿素降解最快，K326次之，红花大金元最慢。（2）利用一阶反应模型可以很好地描述变黄期烟叶叶绿素含量变化，随着变黄温度升高烟叶叶绿素降解半衰期t1/2缩短，红花大金元、K326和云烟85烟叶叶绿素降解活化能分别为61.76、56.20和53.16 kJ/mol；（3）试验建立了基于温度波动变化的叶绿素降解反应模型，为预测实际变黄过程中烟叶叶绿素含量变化提供理论参考。

烤烟；变黄期；叶绿素；降解动力学；模型

变黄是烟叶烘烤过程的主要任务之一，烟叶变黄主要与叶绿素的降解有关[1]。通常烘烤过程中烟叶叶绿素不断被降解、含量逐渐减少，类胡萝卜素虽然也发生降解，但其降解较慢、降解量小，致使类胡萝卜素等黄色素比例增加，烟叶逐渐呈现黄色[1-2]。叶绿素含量也是衡量烤后烟叶品质的主要指标[3-4]，叶绿素含量较高时，烤后烟叶外观等级较差，评吸时青杂气明显。变黄期是烟叶色素降解的关键时期，烟叶有80%以上的叶绿素被降解[1]，因此研究变黄期烟叶叶绿素的降解特性具有重要意义。

近年来，零阶反应模型或一阶反应模型被广泛应用于研究绿色果蔬加工贮藏过程中叶绿素降解变化，预测产品的货架期[5-7]，取得了相应的研究进展；许凤等[8]研究表明，利用一阶反应模型可以很好地预测青花菜贮藏过程叶绿素降解动力学；杨宏顺等[9]研究显示，嫩茎花椰菜在不同气调包装下的叶绿素降解动力学符合一阶反应模型；乔勇进等[10]，谢晶等[11]研究表明，采后上海青在不同贮藏温度条件下叶绿体色素降解变化符合零级动力学反应模型，并确定了其降解的活化能。目前，关于烘烤过程烟叶叶绿素降解反应模型的研究尚未见报道。

烟叶叶绿素的降解速率与烘烤环境温湿度有关，温度主要影响叶绿素酶活性，直接影响其降解速率[1]，适当提高烟叶变黄温度可以加快变黄[1,12]；湿度主要影响烟叶水分这一反应介质的含量，间接影响叶绿素降解速率[1]；烟叶叶绿素的降解速率还与品种有关[13-14]，如云烟85烟叶叶绿素降解较快，易烤性较好，红花大金元烟叶叶绿素降解较慢，易烤性较差；K326烟叶叶绿素降解速率介于两者之间，易烤性适中。为此，试验通过研究红花大金元、K326和云烟85烟叶在不同变黄温度下叶绿素降解动力学特性，为揭示烤烟品种之间变黄特性差异和预测烟叶叶绿素变化提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料

试验于2015年8月在云南省曲靖市师宗县彩云试验基地进行，供试品种为云烟85、K326和红花大金元，试验田土壤肥力中等，株行距55 cm× 110 cm，按照当地优质烟叶生产技术规范统一管理，选取叶片大小相对一致的10～11叶位中部适熟烟叶采收，用福州兴东辉自动化科技有限公司生产的电热式智能烤烟箱烘烤。

1.2 方法

根据实际烘烤过程烤房温度、湿度范围，试验将变黄温度等间距划分为34 ℃、36 ℃、38 ℃、40 ℃和42 ℃，相对湿度均为85%，烟叶变黄过程每隔3 h取1次样，每个取样节点3次重复，当烟叶达到黄片青筋时停止试验。

1.3 烟叶叶绿素含量的测定

将所取烟叶叶尖和叶基各剪去10 cm，并剔除烟叶的主脉和支脉，用烘箱105 ℃杀青烘干，研磨并过60目筛，取0.2 g样，利用80%的丙酮进行色素提取，提取液分别在分光光度计644 nm和662 nm下比色，进而测定其叶绿素的含量[15]。

1.4 烟叶叶绿素降解动力学模型建立

1.4.1 零阶和一阶反应动力学模型 农产品在加工贮藏过程中品质指标变化受各种因素的影响，大量研究表明，农产品加工贮藏过程中品质变化符合零阶反应模型[式（1）]或一阶反应模型[式（2）][16-17]。

式中C0、Ct分别为样品的初始品质指标值和t时的品质指标值；k0、k1分别为零阶反应模型和一阶反应模型品质指标变化的速率常数；t为反应持续时间，h。

1.4.2 反应的半衰期和活化能 当样品的品质指标下降至初始样品品质指标的一半时，所需的反应时间t1/2为半衰期[17]，式（3）为零阶反应的半衰期，式（4）为一阶反应的半衰期。

Arrhenius方程可以用来描述反应模型速率常数随反应温度的变化关系[11,17]。

式中A为指前因子；Ea为反应的活化能，J/mol；R为气体常数，8.314 J/(mol·K)；T为反应的绝对温度，k数值等于摄氏温度与273.15的加和。

1.5 数据分析

利用 Origin 2016软件进行作图，利用MatlabR 2014a软件进行数据分析。

2 结 果

2.1 不同品种变黄期烟叶叶绿素降解动力学

不同变黄温度（34 ℃、36 ℃、38 ℃、40 ℃和42 ℃）下云烟85、K326、红花大金元烟叶叶绿素含量随时间变化如图1所示，随着时间的推移烟叶叶绿素含量逐渐降低，随着变黄温度的升高烟叶叶绿素含量下降速度加快，在变黄温度较低时（34 ℃、36 ℃）烟叶叶绿素降解速率呈先慢后快再慢的变化趋势，而变黄温度较高时（40 ℃、42 ℃）烟叶降解速率呈由快到慢的变化趋势，说明低温变黄存在延滞期，而高温变黄可以打破延滞期；云烟85烟叶在42 ℃变黄温度下变黄时间相比40 ℃、38 ℃、36 ℃和34 ℃分别减少14.3%、20%、29.4%和42.9%，K326烟叶在42 ℃变黄温度下变黄时间相比40 ℃、38 ℃、36 ℃和34 ℃分别减少13.3%、18.7%、35%和43.5%，红花大金元烟叶在42 ℃变黄温度下变黄时间相比40 ℃、38 ℃、36 ℃和34 ℃分别减少11.8%、21.1%、31.8%和42.3%。

2.2 烟叶变黄期叶绿素降解模型构建

图1 不同品种变黄期烟叶叶绿素含量变化Fig. 1 Changes of chlorophyll content in tobacco leaves of different varieties during the yellowing stage

表1 变黄期烟叶叶绿素降解动力学模型求解Table 1 Results of tobacco leaves’ chlorophyll degradation kinetics model during the yellowing stage

2.2.1 烟叶变黄期叶绿素降解模型确定 通常根据反应模型的拟合结果决定系数R2推断反应阶数，决定系数R2越大，说明反应符合此阶数；不同温度条件下各品种烟叶变黄期叶绿素降解动力学模型求解结果见表1，在低温条件下（34 ℃、36 ℃）利用零阶反应模型可以获得较好的拟合效果，但一阶反应模型模拟烟叶叶绿素含量变化决定系数R2整体大于零阶反应模型，说明变黄期烟叶叶绿素含量变化符合一阶反应模型；速率常数k1也显示随着变黄温度的升高烟叶叶绿素降解速率增大，相同变黄温度下，云烟85烟叶叶绿素降解速率最大，K326次之，红花大金元最慢，这与烟叶叶绿素降解动力学曲线描述一致。

2.2.2 烟叶变黄期叶绿素降解模型验证 对烟叶变黄期叶绿素降解动力学一阶反应模型进行验证，结果如图2，变黄温度38 ℃时，红花大金元、K326、云烟85烟叶叶绿素含量变化实测值与预测值决定系数R2分别为0.9853、0.9769、0.9854，说明一阶反应模型能够较为准确的反映各品种变黄过程叶绿素含量变化；K326品种烟叶在变黄温度为34 ℃、38 ℃和42 ℃条件下，叶绿素含量变化实测值与预测值决定系数R2分别为0.9823、0.9769、0.9864，说明一阶反应模型能够较为准确的反映不同温度条件下烟叶变黄过程叶绿素含量变化。

图2 烟叶变黄期叶绿素降解动力学模型验证Fig. 2 Verification of tobacco leaves’ chlorophyll degradation kinetics model during the yellowing stage

2.2.3 烟叶变黄期叶绿素降解半衰期和活化能 在模型构建基础上将烟叶叶绿素的一阶反应模型速率常数的对数ln k与变黄温度的倒数1 000/T进行线性拟合，结果见图3，进而计算出烟叶变黄期叶绿素降解半衰期、指前因子和活化能（表2），随着变黄温度升高烟叶叶绿素降解半衰期t1/2缩短，各品种42 ℃时相比34 ℃烟叶叶绿素降解的半衰期t1/2缩短41.4%～45.2%，说明温度对烟叶叶绿素 的降解影响较大；活化能反映了单位反应需要从外界环境中吸收热量的多少，是反应动力学的重要参数，活化能越小反应越易进行，红花大金元烟叶叶绿素降解活化能为61.76 kJ/mol，大于K326的56.20 kJ/mol，云烟85烟叶叶绿素降解活化能最小，为53.16 kJ/mol，说明云烟85烟叶叶绿素降解较为容易，K326次之，而红花大金元烟叶叶绿素降解相对较难，一定程度上揭示了不同品种变黄特性差异。

图3 烟叶变黄期叶绿素降解的Arrhenius拟合Fig. 3 Arrhenius fitting of chlorophyll degradation in tobacco leaves during the yellowing stage

表2 烟叶变黄期叶绿素降解半衰期和活化能Table 2 Half-time and active energy of chlorophyll degradation in tobacco leaves during the yellowing stage

2.3 烟叶变黄期叶绿素降解动力学模型的应用

与试验的恒温变黄不同，实际烘烤过程变黄期烘烤温度变化为阶梯升温，并存在一定波动，为提升模型的可靠性和适用性，将实际烘烤变黄期温度波动变化融入模型；即在模型构建基础上，将一阶反应模型式（1）与Arrhenius方程式（5）结合，预测试验以K326品种中部叶为材料，代入K326品种烟叶活化能Ea和指前因子A，建立K326品种烟叶叶绿素含量Ct随时间t和变黄温度D的预测模型：

根据国内现行烘烤技术，分别进行低温变黄烘烤（前期33～34 ℃、中期36～37 ℃、后期39～40 ℃）、中温变黄烘烤（前期35～36 ℃、中期38～39 ℃、后期41～42 ℃）和高温变黄烘烤（前期37～38 ℃、 中期40～41 ℃、后期43～44 ℃）烟叶叶绿素含量预测试验，其变黄期具体温度随时间变化曲线见图4。 通过代入烟叶叶绿素初始含量C0，并将变黄过程的时间t和对应温度D记录数值代入模型，烟叶叶绿素含量的实测值和预测值如图5，基于温度波动的低温、中温、高温变黄条件下K326烟叶叶绿素含量变化实测值与预测值决定系数R2分别为0.9667、0.9765、0.9823，说明该反应模型能够较为准确的预测实际烘烤变黄过程中烟叶叶绿素含量变化。

图4 不同变黄条件烘烤过程温度变化Fig. 4 Changes of temperature with different yellowing conditions during curing

图5 不同变黄条件烟叶叶绿素含量变化预测Fig. 5 Prediction of chlorophyll content in tobacco leaves with different yellowing conditions

3 讨 论

不同烤烟品种烘烤过程中烟叶色素降解速率存在一定差异[3]，研究显示，相同变黄温度下，云烟85烟叶叶绿素降解最快，K326次之，红花大金元最慢，这与张树堂等[2]研究不同品种烟叶烘烤特性的结果一致。烟叶烘烤前期可以看作是烤房逆境 条件下内部物质代谢的过程，相关研究显示，随着变黄温度的升高烟叶叶绿素降解加快，这可能与高温逆境胁迫有关[1]；从色素降解活化能来看，活化能反映了单位反应需要从外界环境中吸收热量的多少，有关研究认为活化能Ea＜42 kJ/mol，反应速率较大，Ea＞400 kJ/mol，反应速率较小[10]，烤烟与小白菜贮藏过程叶绿素降解活化能57.02 kJ/mol较为接近[11]，说明其叶绿素降解速率相对偏大、易发生降解；高温条件下有利于烟叶吸收较多热量，加速降解反应进行，这印证了高温变黄烟叶叶绿素降解较快这一结论，这可能是较低温度下叶绿素降解存在延滞期，而较高温度下不存在延滞期的原因。

烘烤过程中不同变黄工艺条件下变黄前期预测结果与实际值偏差较大，可能是变黄前期温度较低，烟叶处于预热阶段[18-19]，叶绿素降解开始启动、存在延滞期，容易偏离实际值；而且从叶绿素降解模型求解结果来看，零阶模型随着变黄温度升高拟合优度基本呈下降趋势，一阶模型随着变黄温度升高拟合优度基本呈升高趋势，由此可推测，随着变黄温度的降低烟叶色素降解可能匹配零阶模型，这也可能是烘烤过程中变黄前期预测结果与实际值偏差较大的原因。

4 结 论

烤烟叶绿素降解动力学显示，随着变黄温度的升高烟叶叶绿素含量下降速度加快；相同温度下，云烟85烟叶叶绿素降解最快，K326次之，红花大金元最慢；烟叶变黄过程中叶绿素降解符合一阶反应模型，随着变黄温度升高烟叶叶绿素降解半衰期t1/2缩短，红花大金元烟叶叶绿素降解活化能较大，K326次之，云烟85烟叶叶绿素降解活化能最小；试验建立了基于温度波动变化的叶绿素降解反应模型，能够较为准确地预测实际烘烤变黄过程中烟叶叶绿素含量变化，为进一步推动烟叶精准烘烤的发展提供参考。

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Analysis of the Chlorophyll Degradation Kinetics of Flue-cured Tobacco during the Yellowing Stage

WEI Shuo1, WANG Tao2, WANG Songfeng3, GAO Huafeng2, XIE Yan2, MAO Jianshu2, LI Zuhong2, ZHANG Feng2, SONG Zhaopeng1*

(1. College of Tobacco Science, Henan Agricultural University, Zhengzhou 450002, China; 2. Yunnan Qujing Municipal Tobacco Company, Qujing, Yunan 655000, China; 3. Key Laboratory of Tobacco Biology and Processing, Ministry of Agriculture, Tobacco Research Institute of CAAS, Qingdao 266101, China)

In order to study the yellowing characteristics of different tobacco varieties and predict the changes of chlorophyll content during the yellowing stage. Changes of flue-cured tobacco leaves’ chlorophyll content in different varieties (Honghuadajinyuan, K326, Yunyan85) under different yellowing temperature (34 ℃, 36 ℃, 38 ℃, 40 ℃ and 42 ℃) were analyzed, and the degradation kinetic model of flue-cured tobacco leaves’ chlorophyll was established. The results showed that flue-cured tobacco leaves’ chlorophyll content got a faster degradation with the increase of yellowing temperature. There was a lag phase of flue-cured tobacco leaves’ chlorophyll degradation at the low yellowing temperature (such as 34 ℃ and 36 ℃), however, there was no lag phase at the high yellowing temperature (such as 40 ℃ and 42 ℃). The chlorophyll degradation of the Yunyan-85 variety was the fastest, followed by the variety of K326, and the variety of Honghuadajinyuan got the slowest degradation. The first-order reaction kinetic model can well describe the variation of flue-cured tobacco leaves’ chlorophyll content during the yellowing stage. The half-life(t1/2) of flue-cured tobacco leaves’ chlorophyll degradation was shortened with yellowing temperature increased. The chlorophyll degradation activation energy of the varieties of Honghuadajinyuan, K326 and Yunyan85 leaf were 61.76, 56.20 and 53.16 kJ/mol respectively. The chlorophyll degradation reaction model based on the variation of temperature fluctuation was established in the test, which could provide a theoretical reference for the accurate prediction of the changes of chlorophyll content in tobacco leaves during the yellowing stage.

flue-cured tobacco; yellowing stage; chlorophyll; degradation kinetics; model

TS44+1

1007-5119（2017）04-0086-06

10.13496/j.issn.1007-5119.2017.04.014

中国烟草总公司云南省公司项目“防治烘烤过程中烟叶腐烂霉变技术研究推广”（2016YN10）

魏 硕（1991-），男，在读硕士，研究方向为烟叶烘烤研究。E-mail：weishuo006@163.com。*

，E-mail：ycszp@163.com

2017-04-18

2017-06-26