预凋萎烟叶烘烤过程中水分迁移干燥及形态收缩特性

魏 硕，徐 宸，王松峰，汪代斌，李常军，江厚龙，王洪峰，朱晓伟，宋朝鹏

(1 河南农业大学 烟草学院，河南 郑州 450002；2 中国烟草总公司重庆市公司，重庆 400023；3 农业部烟草生物学与加工重点实验室，中国农业科学院 烟草研究所，山东 青岛266101)

烟叶烘烤是脱水干燥的物理过程和内部生物化学变化过程的协调统一，定色阶段是烟叶品质形成和固定的关键时期[1-2]，如果此时烟叶主脉水分较多，主脉的水分向叶片转移将导致烟叶难以及时定色；干筋阶段前期烟叶品质逐渐达到最优，随着干筋温度和持续时间的增加，会造成香气物质损失和香吃味下降[3]，此时如果主脉还含有较多水分，则无疑需要较长的干筋时间，这将造成烟叶品质的下降和能耗的增加[3-4]。为达到调控生理代谢、提高烘烤效率、降低能耗的目的，研究人员开展了主脉剔除或划开的研究，也取得了满意的结果[5-7]，但由于缺乏配套设备、烤后叶片不完整、企业尚无这类烟叶收购标准等原因，相关成果未得到大范围推广[7-8]。另外，研究人员也开展了烤前晾制凋萎或烤前高温脱水诱导的相关研究，结果表明失水凋萎后烟叶的生理代谢加快[9-11]，变黄时间缩短[12-13]，凋萎程度还影响烟叶品质香型[13-14]，可见水分变化对烟叶品质的影响依然发挥着重要作用。因此，有必要对正常和凋萎烟叶烘烤过程中水分迁移干燥之间的差异进行系统分析。物料干燥是传热传质的过程，物料自身温度与其内部水分迁移干燥密切相关[15]，物料内部水分迁移变化可以通过核磁成像直观呈现[16]，也可以通过计算烟叶叶片和主脉失水比率分析烟叶失水的分配状况[17]，进而了解烟叶的水分迁移特性；烟叶失水干燥往往还伴随形态的收缩，两者变化规律具有明显的一致性[18-19]，通常利用形态收缩模型进行分析。物料干燥常用的收缩模型包括Hatamipour线性收缩模型及Quadratic、Vazquez和Exponential非线性收缩模型[20-21]，均可以实现对物料干燥状况的精准预测。本研究以烤烟品种K326中部叶为材料，烤前对烟叶进行凋萎处理，研究烘烤过程中预凋萎烟叶温度、水分迁移态势及干燥和形态收缩的变化，并利用干燥收缩模型分析烟叶烘烤过程中的失水收缩特性，以期为揭示烟叶失水干燥机理及烘烤工艺优化提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验于2016年在云南大理红花大金元科技研发基地进行，供试烤烟品种为K326，试验田土壤肥力中等，株行距50 cm×110 cm，选取正常落黄、成熟度相对一致的中部10～11叶位烟叶统一采收，将采收的烟叶平均分为2份，分别编杆标记，先对其中一份预先进行凋萎处理(脱水10%)，另一份未进行预凋萎的处理作为对照。凋萎处理参照崔国民[22]的顶叶脱水方法并有所改进，将烟叶挂入电热式密集烤烟箱，通过升高干球温度至40～42 ℃来加快烟叶脱水，为提高烟叶失水的均匀性，湿球温度适当提高，期间适时拉低湿度完成脱水。

1.2 样品制备

2种烟叶用电热式温湿自控烤烟箱进行烘烤，装烟密度为70 kg/m3，装烟量42 kg，按照常规三段式烘烤工艺[23]设定工艺参数，其中预凋萎处理的烟叶变黄期(0～66 h)提高湿球温度1 ℃，分别在烘烤的0，48，66，84，96，114，128和160 h取样，分别对应烤前(30 ℃)和干球温度38，42，45，48，54，60，68 ℃稳温结束时刻；每个取样节点重复3次取样，每次取9片烟叶均分为3份，用于核磁成像、水分指标和形态指标测定。

1.3 测定项目及方法

1.3.1 烟叶温度 利用中国计量学院烤烟叶温实时监测仪(精度为0.1 ℃)测定烟叶叶片温度(简称叶温)，测定时将温度传感器探头夹持在烟叶第5-6条支脉之间；利用杭州大泽有限公司热电偶温度计(精度为0.1 ℃，探头直径3.0 mm)测定烟叶主脉温度(简称脉温)，测定时将温度传感器探头插入烟叶第5-6条支脉之间的主脉中。

1.3.2 核磁质子密度成像(MRI) 在烟叶中部第5条支脉处用刀片切取样品1.0 cm×6.0 cm(包含主脉、支脉和叶片3个部分)，利用上海纽迈电子科技有限公司MesoMR23-60H-I核磁成像仪(共振频率23.423 MHz，探头线圈直径60 mm，磁体温度控制在31.99～32.01 ℃)进行检测，成像面垂直于烟叶样品的中间位置。试验使用T2加权成像序列，多重自旋回波成像MSE序列参数：视野FOV=100 mm×100 mm，重复时间TR=500 ms，回波时间TE=20 ms，选层厚度SW=13.6 mm，采样次数NS=4，矩阵256×256，经傅立叶重建后统一映射，将图像转换成伪彩图。

1.3.3 水分指标 将所取烟叶样品分为主脉部分和叶片部分(含侧脉)，参照行业标准YC/T 311-2009中的烘箱法分别测定湿基含水率(FW)。

叶片和主脉的失水比率(WR)参照宋朝鹏等[17]的方法，计算公式如下：

(1)

WRat+WRbt=100%。

(2)

式中：ma、mc分别为叶片初始质量和整片烟叶初始质量，g；FWa1、FWa2为任意干燥t时间内叶片的初始湿基含水率和结束湿基含水率，g/g；FWc1、FWc2为任意干燥t时间内整片烟叶的初始湿基含水率和结束湿基含水率，g/g；WRat、WRbt分别为任意干燥t时间内叶片和主脉的失水比率，%。

1.3.4 形态指标 用10.0 mm打孔器在烟叶中部第5-6支脉中间取烟叶叶片样品，利用浙江托普仪器有限责任公司植物叶片厚度仪(精度为0.001 mm)测定烟叶叶片厚度(h，mm)，叶片厚度收缩率计算参照樊军辉等[18]的方法；用刀片在烟叶主脉重心位点(与叶基的距离为1/4叶长)截取10.0 mm主脉小段，利用广州一思通电子仪器厂ETB-05B激光测径仪测定主脉直径(d，mm)。叶片厚度收缩率和主脉直径收缩率计算公式如下：

(3)

(4)

式中：TS、DS分别为叶片厚度收缩率和主脉直径收缩率，%；h1、d1为鲜烟叶片厚度和主脉直径，mm；h2、d2为取样时叶片厚度和主脉直径，mm。

1.3.5 收缩模型及拟合效果评价 (1)将所取的烟叶叶样小圆片和烟叶主脉小段均视为圆柱体，其体积比(VR)推导公式分别为公式(5)和公式(6)：

(5)

(6)

式中：V0、Vt分别表示初始、任意干燥t时刻叶片或主脉的体积，mm3；r为所取叶样圆片的半径，此处为10.0 mm；h0、ht分别表示初始、任意干燥t时刻叶片的厚度，mm；L为所取主脉小段的长度，此处为10.0 mm；d0、dt分别表示初始、任意干燥t时刻主脉的直径，mm。

(2)水分比(MR)[20-21]的计算公式如下：

(7)

(8)

式中：FWt为烟叶任意干燥t时刻的湿基含水率；M0、Mt分别表示烟叶初始、任意干燥t时刻的干基含水率，g/g。

(3)烟叶烘烤过程中叶片和主脉的收缩形态按表1所示模型进行拟合。收缩模型的拟合优度使用决定系数R2、均方根误差RMSE和χ2进行评价，R2越大且RMSE和χ2越小，表明拟合效果越好[20]。

表1 物料体积收缩经验模型[20-21]Table 1 Different empirical models of material volume shrinkage

2 结果与分析

2.1 烘烤过程中烟叶温度的变化

由图1可以看出，烟叶叶温呈由慢到快逐渐升高的趋势，而干球与叶温的温差(简称温差)呈先增大后减小的趋势，变黄后期至定色期(48～114 h)温差较大；通常将烘烤过程中烟叶叶温的变化分为预热阶段、平稳阶段、慢速升温阶段和快速升温阶段[24]，在预热阶段(0～20 h)、平稳阶段(20～66 h)和快速升温阶段(96～140 h)，预凋萎烟叶叶温高于对照烟叶0.5～2 ℃，而在慢速升温阶段(66～96 h)两者叶温、温差出现重合。

由图1可以看出，烟叶主脉温度(简称脉温)呈由慢到快逐渐升高的趋势，而温差呈先增大后减小的变化趋势，其中干筋期(114～160 h)温差较大；根据烟叶脉温变化可将其分为同步阶段(0～96 h)、慢速升温阶段(96～128 h)和快速升温阶段(128～160 h)，同步阶段脉温与干球温度基本一致，而慢速升温阶段温差逐渐增大，快速升温阶段温差逐渐缩小；在脉温同步阶段，预凋萎烟叶与对照烟叶脉温相差不大，在慢速升温阶段和快速升温阶段，预凋萎烟叶脉温高于对照烟叶0.5～1.5 ℃。

左图温差为叶温与干球温度的差值，右图温差为脉温与干球温度的差值The temperature difference of left figure is difference between lamina temperature and dry-bulb temperature, and the right is difference between midrib temperature and dry-bulb temperature图1 烘烤过程中烟叶叶温和脉温的变化Fig.1 Changes in temperatures of tobacco lamina and midrib during flue-curing

2.2 烘烤过程中烟叶水分迁移的变化

由图2可以看出，烤前烟叶水分核磁信号强度表现为主脉>侧脉>叶片，表明主脉水分含量最高，侧脉次之，叶片最低；烘烤过程中烟叶叶片、侧脉、主脉信号强度依次减弱消失，表明叶片失水干燥较快，侧脉次之，主脉失水较慢。烘烤过程中主脉与侧脉连接的一侧信号较弱，侧脉与主脉连接的一侧信号较强，叶片与侧脉、主脉连接较近一侧信号较强，说明烟叶水分由主脉经过侧脉向叶片迁移；预凋萎烟叶42 ℃主脉水分信号强度明显减弱，说明在变黄期主脉失水程度较高；42，48，60 ℃烟叶主脉信号强度明显小于对照烟叶，说明预凋萎烟叶水分由主脉向叶片迁移效率较高，加快了主脉水分的散失；48 ℃对照烟叶侧脉信号强度明显大于预凋萎烟叶，说明对照烟叶主脉仍存在较多水分需向叶片迁移。

每幅图中左侧为预凋萎烟叶样品，右侧为对照烟叶样品The left is pre-wilted tobacco leaf sample and the right is control tobacco sample图2 烘烤过程中烟叶的质子密度图像Fig.2 Proton density images of tobacco leaves during flue-curing

2.3 烘烤过程中烟叶水分的变化

由图3可以看出，烘烤过程中整片烟叶湿基含水率、叶片湿基含水率、主脉湿基含水率均呈下降趋势，在48 ℃后整片烟叶和叶片的湿基含水率下降均较快，在60 ℃后主脉湿基含水率降低较快。变黄期(0～48 h)整片烟叶失水与叶片失水较为一致，定色后期至干筋前期(96～128 h)整片烟叶失水与主脉失水较为一致。就两种处理的烟叶而言，变黄期预凋萎整片烟叶及叶片含水率均显著小于对照，定色后期至干筋前期预凋萎整片烟叶含水率均显著小于对照，烘烤过程中预凋萎主脉含水率均显著小于对照。

.对照；.预凋萎;*表示预凋萎处理与对照指标之间差异达到P≤0.05显著水平，下同.Control;.Pre-wilted；*indicates significant difference at P≤0.05 level between the pre-wilted treatment and control.The same below图3 烘烤过程中烟叶含水率的变化Fig.3 Changes in moisture content of tobacco leaves during flue-curing

烟叶水分分布于叶片和主脉中，叶片水分通过自身蒸发散失；主脉水分一部分向叶片迁移散失，一部分通过自身蒸发散失。由图4可以看出，烘烤过程中叶片失水比率基本呈先增大后减小的趋势，变黄期叶片失水缓慢，失水比率略小；在45～54 ℃时进入定色期，叶片失水加快，失水比率较高；60 ℃时叶片基本干燥，失水比率快速下降，而主脉失水比率则呈相反的变化趋势。变黄期(0～66 h)预凋萎烟叶叶片失水比率小于对照，而主脉失水比率大于对照；45 ℃时两者叶片和主脉失水比率基本相同；进入干叶期(48～54 ℃)，预凋萎烟叶叶片失水比率大于对照，主脉失水比率小于对照；而干筋期(60～68 ℃)两者叶片和主脉失水比率相差不大。

图4 烘烤过程中烟叶叶片和主脉失水比率的变化Fig.4 Changes in dehydration distribution ratio of tobacco lamina and midrib during flue-curing

2.4 烘烤过程中烟叶形态收缩的变化

由图5可以看出，烘烤过程中烟叶叶片厚度收缩率和主脉直径收缩率呈逐渐增大趋势，叶片厚度收缩率在定色期(66～114 h)变化较大，主脉直径收缩率在干筋期(114～160 h)变化较大；预凋萎烟叶烤前(30 ℃)叶片厚度收缩率和主脉直径收缩率大于对照，定色期和干筋期(66～160 h)随着对照烟叶逐渐失水，叶片厚度收缩率两者相差不大，而变黄期预凋萎烟叶主脉直径收缩率增幅大于对照烟叶，说明预凋萎处理可以促进主脉形态收缩。

图5 烘烤过程中烟叶叶片和主脉收缩率的变化Fig.5 Changes in shrinkage ratio of tobacco lamina and midrib during flue-curing

2.5 烘烤过程中烟叶形态收缩模型的拟合效果

利用常用的4种收缩模型对烘烤过程中对照烟叶叶片和主脉的体积比与水分比变化进行拟合分析，结果见表2。由表2可以看出，烟叶叶片和主脉的体积比与水分比变化，用Quadratic模型拟合可以获得较大的R2值和较小的RMSE、χ2值，其后依次为Vazquez模型和Hatamipour模型、Exponential模型，说明对照烟叶叶片和主脉的体积比与水分比变化用Quadratic收缩模型拟合效果相对较好，即烟叶叶片和主脉体积比变化呈非线性收缩。

表2 对照烟叶形态收缩模型及其拟合结果Table 2 Fitting of volume shrinkage models of control tobacco leaves

利用预凋萎烟叶烘烤过程中叶片和主脉的体积比与水分比数据对Quadratic模型进行验证，结果见图6。

图6 预凋萎烟叶形态收缩模型的验证Fig.6 Verification of pre-wilted tobacco leaves with shrinkage models

由图6可以看出，预凋萎烟叶叶片体积比与水分比变化实测值和预测值线性分析R2为0.994 8，烟叶主脉体积比与水分比变化实测值和预测值线性分析R2为0.995 4，说明用Quadratic模型可以准确预测预凋萎烟叶叶片和主脉烘烤过程中体积比与水分比的变化。

3 讨 论

植物体内水分的迁移运输主要是由于水势梯度引起的[25-26]，凋萎烟叶变黄期叶片水分低于对照，叶片失水胁迫程度较高，此时叶片与主脉可能存在较大的水势差[26]，因此加速了主脉水分向叶片的迁移，这可能是变黄期预凋萎烟叶主脉失水比率大于对照的原因，而42 ℃预凋萎烟叶主脉核磁信号强度弱于对照烟叶，水分经侧脉由叶片迁移效率较快也验证了这一点。烘烤过程中烟叶主脉逐渐失水收缩，叶片逐渐失水干燥死亡，干湿界面逐渐退缩到主脉表面，主脉向叶片的水分迁移通道逐渐封闭[23]，引起局部水分聚集，这可能是42，48，60 ℃对照烟叶主脉局部信号增强的原因，而预凋萎烟叶主脉水分迁移散失较对照烟叶多，核磁信号明显减弱，不存在核磁信号局部增强的现象。

植物作为一种变温有机体，其叶温是与环境进行能量交换的结果，植物的叶片温度通过蒸腾失水来维持相对的稳定性[27]；路晓崇等[24]研究表明，平稳阶段和快速升温阶段叶温受干球温度影响较大，其次是湿度。本研究结果显示，预凋萎烟叶含水率有所减少，变黄期烘烤湿球温度较高，水分蒸发散失有所减缓，这可能是其叶温在预热阶段及平稳阶段大于对照烟叶的原因；进入定色后期，对照烟叶主脉含水率高于预凋萎烟叶，核磁成像显示主脉仍存在较多水分向叶片迁移，叶片和主脉水分蒸发散失强度较高，进而使其叶温和脉温小于预凋萎烟叶，而预凋萎烟叶干筋期脉温较高，这将有利于主脉自身水分的蒸发散失，提高干筋效率。

烘烤过程中烟叶失水规律与形态收缩规律具有明显的一致性[18-19]。本研究结果显示，变黄期预凋萎烟叶主脉失水相比对照加快，使其烟叶主脉直径收缩率增幅较大；形态收缩模型拟合显示，不同处理烟叶烘烤过程中叶片和主脉体积收缩变化为非线性收缩，这与许冰洋等[28]认为烟丝干燥时呈线性收缩的研究结果不一致，但这并不冲突，可能是烟叶烘烤过程中由于物质降解消耗等因素引起了形态的变化[1-3]，造成其收缩与失水关系偏离线性变化，也可能是烟叶烘烤过程中内部产生孔隙等因素延缓了形态收缩引起的[28-29]。

4 结 论

与未经预凋萎处理的烟叶相比，预凋萎烟叶可以提高变黄期叶片温度和干筋期主脉温度，促进烘烤前期烟叶主脉水分向叶片的迁移，加快主脉水分的散失和形态的收缩，烘烤过程中烟叶叶片和主脉的体积比与水分比呈现非线性变化。