烘烤中烟叶颜色值与水分的变化及相互关系

李志刚,王廷贤,潘飞龙,杨占伟,张楠,杨晓亮,钱传林,孙曙光

(1.湖北中烟工业有限责任公司,湖北 武汉,430040;2.福建省烟草公司 南平市公司,福建 南平,353000;3.河南农业大学 烟草学院,河南 郑州,450002)

随着烟草农业现代化推进,用于烘烤作业的密集烤房在各产区已得到大面积的推广利用,其配套工艺技术也逐渐趋于成熟[1–2]。在烘烤过程中,技术人员通过观察烟叶的变黄失水程度来调节烘烤温湿环境[3],使其朝着有利于品质形成的方向发展。烟叶在烘烤中的变黄失水特性也通常用作烘烤特性评价的定性指标[4–7]。且烘烤期间烟叶颜色和水分的变化是相互偶联的,烟叶失水速率的快慢会影响变黄定色的难易程度[8]。近年来,基于色度学理论的颜色研究模式实现了烘烤过程中烟叶颜色的量化,避免了因环境和人为因素产生的判断误差,使得相关科学研究结果更具说服力。

目前,关于烟叶颜色量化的研究较多,尤其是基于CIE-L*a*b*的烟叶颜色描述模式的相关报道[9–12]。但针对烘烤过程中烟叶颜色值与水分的变化及相互关系的研究较少,且已有相关研究仍有待进一步完善补充。烤烟叶片与主脉在空间上相互连接,烘烤过程中叶片、主脉之间存在着水分迁移和物质转化[13],进而影响到烟叶整体的颜色变化和水分散失。因此本研究采用HP-C210型色差仪测量烤烟叶片、主脉的颜色值,对烘烤过程中上部叶、中部叶、下部叶的颜色值及烟叶水分含量的变化规律进行研究,并分析两者之间的相关关系,以期为实现烘烤进程监测的精准化和智能化奠定一定理论基础。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验于2018—2019年在福建省建瓯市水源乡烟叶生产基地进行,供试烤烟品种云烟87,以下部叶(第4～6叶位)、中部叶(第10～12叶位)、上部叶(第15～17叶位)为试验材料,按GB/T 23219-2008[14]规定的成熟度适时采收。烟叶烘烤采用KCKY-C电热式密集烤烟箱(福建南平科创机电有限公司),装烟室一层一路设计,装烟量约900片烟叶。

1.2 试验设计

选取叶色均匀、叶片大小基本一致的烟叶均匀悬挂于烤箱中,装烟密度35～40 kg·m-3。采用三段式烘烤工艺[15]进行烘烤作业,分别于烤前30℃、烤中38℃末、42℃末、45℃末、48℃末、54℃末、烤后68℃末挑选具有代表性的烟叶样品10片,用于颜色值和含水量的测定。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 烟叶颜色值

采用HP-C210精密色差仪(深圳汉谱光彩科技有限公司),测量孔径20 mm。测量时根据叶片支脉分布情况,将叶片和主脉分为上段(第2～3支脉间)、中段(第5～6支脉间)和下段(第8～9支脉间),具体测量位点如图1所示。其中,叶片测量位点距离主脉5 cm处对称分布。以各测量点的平均值作为该片烟叶样品叶片、主脉的颜色值。叶片、主脉颜色测量指标为亮度值L*、红绿值a*、黄蓝值b*,并计算总色差ΔE,计算公式为:ΔE=[(Lt*-L0*)2+(at*-a0*)2+(bt*-b0*)2](1/2),式中Lt*、at*、bt*代表取样后颜色参数测量值,L0*、a0*、b0*代表鲜烟叶初始颜色参数。

1.3.2 烟叶含水量

用刀片剥离烟叶样品的叶片和主脉,采用杀青烘干法[16]分别测量叶片、主脉的总水含量,并计算出整叶(叶片＋主脉)总水含量。叶片、主脉的自由水和束缚水含量采用阿贝折射仪测量[17]。

图1 烟叶叶片、主脉颜色值测量位点

1.4 统计分析

采用Microsoft Excel 2010和SPSS 19.0软件进行图片制作及数据统计分析。

2 结果与分析

2.1 烘烤过程中烟叶颜色值变化

2.1.1 叶片颜色值变化

由图2(a)-(c)可知,采收后鲜烟叶叶片L*、a*值以上部叶最高,下部叶最低;b*值则以下部叶最高,中部叶最低。烘烤开始后,不同部位烟叶叶片颜色值的变化规律基本一致,在42℃之前总体呈增长趋势,其中,L*、b*值在38℃之前增幅最明显,42℃之后各颜色值趋于稳定。烘烤结束后叶片L*值以下部叶最高、上部叶最低,a*、b*值则与鲜烟叶规律一致。总色差ΔE可表征烟叶颜色的整体变化,当ΔE＞2时就可观察到颜色发生了明显变化。由图2(d)可知,38℃时各部位烟叶ΔE值均高于20,表明叶片颜色在该阶段变化显著。42℃时各部位烟叶ΔE值达到最高值,之后呈缓慢降低的变化趋势。烘烤期间下部叶颜色变化快于中、上部叶,烤后烟叶片ΔE值随部位提升逐渐减小,且部位之间差异达到显著水平。

图2 烘烤中不同部位烟叶叶片颜色值变化

2.1.2 主脉颜色值变化

由图3可知,鲜烟叶主脉颜色值均随部位提升逐渐减小。烘烤开始后,中、上部叶主脉L*值在48℃之前缓慢增长,下部叶在45℃之前,各部位烟叶L*值在达到最高值后开始缓慢降低,且均在54～68℃期间降幅最明显。各部位烟叶主脉a*值在烘烤过程中不断增长。45℃之前增幅较小,45～48℃期间下部叶增幅明显增大,中、上部叶在则在54～68℃期间增速最快。烘烤中主脉b*值则表现为与L*值相反的变化趋势,中、上部叶在42℃之前降低,下部叶在38℃之前。在45～48℃阶段,中、下部叶主脉b*值增幅明显高于上部叶。

烘烤结束后,主脉L*、b*值以上部叶最低,下部叶最高,且部位之间差异显著;主脉a*值则完全相反,上部叶与中、下部叶差异达到显著水平。从图3d可以看出,烘烤过程中主脉ΔE值始终以下部叶最高,上部叶最低,且随烘烤推进ΔE值增长速率逐渐加快,各部位烟叶增幅最明显的阶段为54～68℃,但烘烤结束后中、下部叶主脉ΔE值显著高于上部叶。

图3 烘烤中不同部位烟叶主脉颜色值变化

2.2 烘烤过程中烟叶含水量变化

2.2.1 总水含量

由图4可知,鲜烟叶随部位提升,叶片、主脉和整叶总水含量均不断降低,且不同部位烟叶总水含量均以主脉最高,叶片最低。烘烤开始后烟叶水分不断散失,但不同阶段叶片、主脉总水含量的降低幅度和速率存在明显差异。叶片总水含量在54℃之前降低速率逐渐增大,54℃时不同部位烟叶叶片总水含量均在10%以下,基本完全干燥。主脉总水含量则在48℃之前缓慢降低,之后降低速率明显加快,在54～68℃阶段主脉失水幅度最明显。整叶总水含量在48℃之前降低速率逐渐加快,中、下部叶降幅高于上部叶,48～54℃降幅最大,54℃之后叶片基本全干,主脉中仍存在部分水分通过向叶片迁移散失,失水速率开始降低。

图4 烘烤中不同部位烟叶总水含量变化

2.2.2 自由水、束缚水含量

烟叶水分分为自由水和束缚水。由图5可知,鲜烟叶叶片自由水、束缚水含量及主脉束缚水含量均随部位提升逐渐增加,主脉自由水含量则表现为相反的规律。烘烤开始后,叶片自由水含量在38℃之前降幅最明显,之后降低速率有所减缓,54℃时各部位烟叶叶片自由水含量散失完全;主脉自由水含量在48℃之前降低速率基本保持稳定,48℃之后降低速率逐渐增大,54～68℃阶段降幅最明显。束缚水含量则呈先升高后降低的变化趋势,叶片束缚水含量增长阶段在38℃之前,增幅以上部叶最高,下部叶最低,之后叶片束缚水含量降低速率不断加快,至54℃时叶片束缚水含量基本散失完全。主脉束缚水含量增长时阶段略长,中、上部叶在48℃之前缓慢增长,下部叶在42℃之前,之后降低速率也不断加快,54℃之后烘烤进入干筋期,降幅最为明显。

图5 烘烤中不同部位烟叶自由水、束缚水含量变化

2.3 烟叶颜色值与含水量指标的相关关系分析

从表1可以看出,烘烤中叶片、主脉颜色值与含水量指标之间存在较大差异,不同部位烟叶之间也存在部分差异。各部位烟叶主脉L*值与主脉束缚水均呈极显著正相关,主脉a*值与总水含量指标及叶片、主脉自由水含量、叶片束缚水含量均呈显著或极显著负相关。上部叶叶片a*值与叶片、整叶总水含量呈显著负相关,主脉L*值与主脉总水含量的相关性也达到显著水平,主脉b*值与整叶总水、叶片自由水、主脉自由水含量呈显著或极显著负相关,主脉ΔE值与叶片、主脉、整叶总水含量及主脉自由水、叶片束缚水含量的相关性均达到显著或极显著水平。中、下部叶叶片L*、a*值与叶片自由水含量呈显著负相关,主脉ΔE值除与主脉束缚水含量的相关性不显著外,与其余含水量指标均呈显著或极显著负相关。此外,中部叶叶片b*、ΔE值与叶片自由水含量的相关性也达到显著或极显著水平,主脉b*值与3项总水含量指标及主脉自由水、叶片束缚水含量均呈显著或极显著负相关;下部叶主脉a*值与主脉束缚水含量也呈显著负相关,主脉b*值与含水量之间具有较好的相关性,除与主脉束缚水未达到显著水平,与其余指标均呈显著或极显著。

表1 不同部位烟叶颜色值与含水量指标的相关系数

续表1

3 结论与讨论

不同部位鲜烟叶田间生育期所处营养环境、生态环境都有较大差异[18]。再者烟叶成熟采收标准也存在较大差异。不同部位烟叶组织结构、大分子物质积累程度各不相同[19],进而影响烟叶外观颜色及烘烤特性的形成。本研究结果表明:鲜烟叶叶片L*、a*值随部位提升逐渐增大,b*值以下部叶最高,中部叶最低。各部位烟叶烘烤过程中叶片颜色值变化趋势基本近似,但上部叶叶片颜色值的变化较为滞后,与王涛等[19]研究结果一致。烘烤中各部位烟叶叶片颜色值在42℃前增幅较为明显,之后逐渐趋于稳定。其中,a*值在38～42℃期间增幅最大,其余颜色值均在38℃之前增幅最明显。烤后烟叶片L*、ΔE值均以下部叶最高,上部叶最低,a*值则表现为完全相反的规律,b*值以上部叶最高,中部叶最低。鲜烟叶主脉L*、a*、b*值均随部位升高而增大,烟叶部位由下至上,成熟度逐渐提高,主脉逐渐退青、变白、发亮。烘烤中,各部位烟叶主脉L*值在48℃之前总体呈缓慢增长的趋势,54℃之后急剧降低;a*值在烘烤中不断增长,45℃之前缓慢增长,下部叶在45～48℃期间增幅最大,中、上部叶在54℃之后增幅最大;b*值呈先降低后增长的变化趋势,下部叶在38℃之前降低,中、上部叶则在42℃;烘烤期间ΔE值不断增长,且均表现为下部叶最高,上部叶最低的规律,表明上部叶主脉颜色变化较为滞后。烘烤结束后下部叶主脉L*、b*值最高,a*值最低,整体表现为浅黄色;上部叶表现为完全相反的规律,颜色呈现为黑褐色;中部叶主脉则呈棕褐色。烟叶部位由下至上,鲜烟叶总水、自由水含量逐渐降低,束缚水含量逐渐升高。烘烤中叶片、整叶总水含量在42℃之前降幅较小,之后降幅逐渐增大,54℃之后叶片基本干燥,失水速率明显降低;主脉总水含量在42℃之前降幅较小,54℃之后迅速降低;叶片自由水含量在38℃之前降幅明显,之后降低速率逐渐减缓,主脉自由水含量则在48℃之后降低速率明显加快;叶片束缚水含量在38℃之前呈增长趋势,之后降低速率逐渐加快,54℃时束缚水几乎完全散失,主脉束缚水含量增加阶段较长,中、上部烟叶主脉束缚水含量在48℃之前缓慢增长,下部叶则在42℃之前,54℃之后各部位烟叶主脉束缚水含量急剧降低。整体来看,烘烤中主脉大量失水阶段在干筋期,明显滞后于叶片;部位间上部叶较难,下部叶最易脱水干燥。含水量与颜色值的相关性分析结果表明:主脉a*、b*、ΔE值与总水含量、自由水含量及叶片束缚水含量的相关性较好,主脉L*值与主脉束缚水的相关性较好。中、下部叶的叶片颜色值与叶片自由水含量具有较好的相关性。

基于色度学的颜色量化方法实现了烘烤中烟叶颜色的科学研究,色差仪测量的颜色值可作为判断烟叶含水量的辅助指标,为烟叶烘烤作业智能、精准化发展提供参考依据。