雪茄烟叶调制过程中外观颜色与内含物质的变化规律及相互关系

谭永浩， 刘勇军， 符昌武， 王振华， 汪薇， 操张洪， 时向东

(1.河南农业大学烟草行业烟草栽培重点实验室，河南 郑州 450002； 2.中国烟草总公司湖南省公司，湖南 长沙 410004； 3.中国烟草总公司湖南省公司张家界市公司，湖南 张家界 427000；4.中国烟草总公司湖南省公司张家界市公司桑植县分公司，湖南 桑植 427100)

不同雪茄烟叶质量及原料配比形成了不同的雪茄烟风格，优质的烟叶原料是生产出高品质雪茄的关键[1]。调制作为雪茄烟叶生产中不可或缺的一环，较大程度地影响了烟叶的内在品质和外观质量。调制过程中烟叶颜色变化在一定程度上可以反映内部生理生化进程[2]。研究发现，雪茄烟叶在调制过程中的颜色变化与环境温湿度[3-4]、烟叶中水分含量[5]、色素类物质的降解与生成[6]、叶肉细胞的膜脂过氧化[7]等多种因素密切相关。

近年来，CIEL*a*b*颜色空间模型在烟叶分级[8]、烟叶评价[9]、再造烟叶[10]、烟用材料[11]等多方面得到广泛的应用。在烤烟烘烤过程中烟叶颜色变化的量化也取得了一定的研究进展[12]，霍开玲等[13]研究发现，在烘烤过程中烟叶颜色参数与淀粉、总氮、总酚、总糖和还原糖密切相关，李生栋等[14-15]研究发现，烟叶颜色参数与色素和含氮化合物也存在一定的相关性。但是雪茄烟叶在调制过程中颜色变化与内在化学成分之间的关系尚不完善。本研究以湖南张家界种植的“哈伯纳斯”品种为试验材料，选取3个不同部位的烟叶，通过CIEL*a*b*均匀颜色空间量化烟叶颜色，探明调制过程中颜色变化情况，及其与烟叶内在化学成分、质体色素、多酚类物质含量的相关关系，旨在为优化雪茄烟叶调制工艺提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验于2021年在湖南省张家界市桑植县龙潭坪镇进行，供试品种为“哈伯纳斯”，试验选取3个不同部位的烟叶，分别为A1-下二棚，A2-腰叶，A3-上二棚。试验地前茬作物为水稻，土壤pH值为5.87，有机质含量为29.7 g·kg-1、速效磷为69.6 mg·kg-1，速效钾为286.2 mg·kg-1、碱解氮为104.0 mg·kg-1，行距为120 cm，株距为35 cm，选用大田管理规范、鲜烟素质基本一致的烟叶为试验材料。

1.2 试验方法

凋萎期：相对湿度为85%，温度为26～28 ℃；变黄期：相对湿度为80%～85%，温度为28～30 ℃；变褐期：温度为30～32 ℃，相对湿度为75%～80%；定色期：相对湿度为60%～70%，温度为32～35 ℃；干筋期：相对湿度为50%～60%，温度为35～40 ℃。

记调制开始当天为0 d(鲜烟叶)，每5 d取1次样，每次取样40片，部分用于颜色参数的测定，部分杀青(105 ℃，15 min)烘干(40～45 ℃，烘干至质量恒定)后用于叶绿素含量、化学成分以及多酚类物质含量的测定。

1.3 测定方法

1.3.1 雪茄烟叶颜色参数的测定 烟叶上架前挑选出5片鲜烟素质基本一致的烟叶作为颜色参数测定的固定样品，采用HP-C210色差计，先对仪器进行黑白板校正，然后在每片烟叶两侧1/3、1/2和2/3处(主脉与叶缘的中间点)分别测定，每片烟叶每次测定6个位点，每5 d测定1次，测定完成后将烟叶重新上架放回原位。测量时将烟叶正面朝上置于黑色背景板上，取点时保证烟叶平展。测定的色度学参数指标如表1所示：

表1 各项颜色参数表示意义及测定方法Table 1 Various color parameters indicate the significance and the determination methods

1.3.2 常规化学成分测定 采用YC/T 159—2019[16]、YC/T 468—2013[17]方法测定烟叶内总糖、还原糖、烟碱含量。采用分光光度法[18]测定烟叶内叶绿素、类胡萝卜素含量。采用YC/T 202—2006[19]的方法测定多酚类物质含量。

1.3.3 数据分析采用 Microsoft Excel2019进行数据整理、SPSS25进行统计和相关性分析、Python进行图表的绘制。

2 结果与分析

2.1 雪茄烟叶调制过程中烟叶颜色参数的变化

由图1可知，3个部位烟叶颜色参数值随调制时间的推进变化趋势不尽相同。就L*值而言，随着烟叶着生点的升高，达到的峰值越高(A1：55.93，A2：63.63，A3：65.50)；3个部位烟叶的明度值均在调制第5天达到峰值，随后呈逐渐下降趋势。调制前后A1、A2和A3的L*值变化幅度较小，变化幅度分别仅为-2.60%、-5.46%、2.82%。随着调制的进行，烟叶b*值的变化趋势与L*值变化趋势相似，整体呈左偏单峰变化趋势，达到峰值的时间也在第5天，在调制结束后，A2的b*值(A2：30.33)略高于A1和A3的b*值(A1：25.48，A3：25.30)。此外，在调制过程中烟叶的a*值与L*值、b*值的变化情况明显不同，即随着调制的进行，3个部位烟叶的a*值逐渐上升，在约15d达到峰值；调制前后上升幅度明显，上升幅度分别为292.83%、247.45%、224.57%。

图1 雪茄烟叶调制过程中颜色参数的变化Fig.1 Changes in color parameter values during cigar leaf modulation

色相角H°、饱和度C、色泽比H由L*、a*和b*值计算得出，调制期间烟叶色泽比H逐渐升高，在晾制15d以后逐渐趋于平稳，其与a*值变化趋势相似；饱和度C在调制过程中呈先升高后下降的单峰变化趋势；A1处理的色相角在调制前期增幅较大，0～10d内的增幅为175.53%，调制中后期逐渐趋于稳定；A2、A3处理的色相角H°在调制0～5d内稍有下降，后急剧升高，在晾制第10天达到峰值。

2.2 雪茄烟叶调制过程中烟叶常规化学成分的变化

由图2可知，调制过程中，3个部位烟叶的常规化学成分变化规律较为一致。烟叶的总糖、还原糖含量变化主要集中在0～10 d内。调制0～5 d内烟叶总糖含量的增幅分别为A1：42.44%、A2：47.08%、A3：86.11%，还原糖含量的增幅分别为A1：77.36%、A2：80.18%、A3：50.71%。这说明调制前期大分子碳水化合物质降解速率较快，水溶性总糖和还原糖生成量高于消耗量。此外，3个处理烟叶烟碱含量在调制前期略有升高，第5天达到峰值后(峰值分别为5.95%、6.83%、7.38%)，逐渐降低，但下降趋势相对平缓，并在整个调制过程中烟碱含量始终保持上二棚>腰叶>下二棚。3个处理调制前后的总糖分别含量下降了87.18%、83.93%、72.12%，还原糖含量下降了84.05%、73.33%、82.63%。说明雪茄烟叶的调制过程是内含物消耗的过程。

图2 雪茄烟叶调制过程中化学成分的变化Fig.2 Changes in the chemical composition during the cigar leaf modulation process

2.3 雪茄烟叶调制过程中烟叶质体色素含量的变化

图3为调制过程中不同部位烟叶质体色素含量的变化。可以看出，各类质体色素含量均呈现随调制的进行而降低的趋势。调制0～10 d内各处理叶绿素a含量分别下降61.94%、77.57%和69.63%，叶绿素b含量分别下降77.31%、69.74%和80.09%，调制10 d以后虽仍有降解，但降解速率较慢。类胡萝卜素含量在调制前期降解速率(调制0～10 d内各处理分别下降41.91%、39.15%和42.44%)小于叶绿素a和叶绿素b降解速率，整个过程中降解速率相对稳定。进一步比较发现，调制过程中3个部位烟叶的叶绿素a和叶绿素b含量降解规律均呈前期快后期慢的特点。而不同部位烟叶的类胡萝卜素含量随调制的进行逐渐减少，降解速率相对稳定。故而在调制前10 d烟叶内类胡萝卜素相对含量上升，叶绿素相对含量下降，烟叶颜色表现出褪绿显黄的特点。

图3 雪茄烟叶调制过程中质体色素含量变化Fig.3 Changes in plastid pigment content during cigar leaf modulation

2.4 雪茄烟叶调制过程中烟叶多酚类物质含量的变化

由图4可以看出，不同部位雪茄烟叶的多酚类物质含量均呈现随调制的进行而波动降低的趋势。3个部位烟叶的绿原酸含量在调制前期稍有增加，在第5天达到峰值(分别为4.78、5.55和4.36 mg·g-1)，随后逐渐降低。烟叶的芸香苷含量在调制过程中的变化趋势与绿原酸含量的变化趋势类似，但达到峰值的时间略有不同，在调制第10天，烟叶的芸香苷含量达到峰值。而随着调制的进行，烟叶的莨菪亭含量呈逐渐减少的趋势，在调制30 d达到最低值，调制前后相比各处理分别下降了81.84%、87.07%和73.01%。进一步比较发现，3个部位烟叶的绿原酸与芸香苷含量均呈先升高后降低的单峰变化趋势，并在调制前期腰叶的含量始终大于其他2个部位的烟叶；各部位烟叶的莨菪亭含量在调制过程中始终保持下降趋势。调制过程中多酚类物质被氧化，生成的类黑素等物质，促使烟叶颜色由黄变褐。

图4 雪茄烟叶调制过程中多酚类物质含量变化Fig.4 Changes in polyphenolic content during cigar leaf modulation

2.5 雪茄烟叶调制过程中烟叶颜色参数与内在化学成分的相关性分析

2.5.1 简单相关分析 为探明不同部位调制过程中产生颜色变化的原因，进行了不同部位烟叶颜色参数与主要常规化学成分、质体色素含量以及多酚类物质含量之间的相关性分析(表2)。结果表明，各项颜色指标与多种化学成分、质体色素间存在相关性。其中，L*、b*、C值与总糖、还原糖、绿原酸以及芸香苷含量之间均呈现极显著正相关关系(P<0.01)，与莨菪亭含量之间无显著相关关系。a*、H°、H值与总糖、还原糖、叶绿素a、叶绿素b、类胡萝卜素、绿原酸、莨菪亭均呈极显著负相关关系(P<0.01)，与烟碱含量之间无显著相关关系。说明了在雪茄烟叶的调制过程中，烟叶颜色变化受总糖、还原糖、质体色素及多酚类物质含量变化的影响较大。

表2 雪茄烟叶调制过程中颜色参数与内在化学成分的简单相关分析Table 2 Simple correlation analysis of color parameters and intrinsic chemical composition during cigar leaf modulation

2.5.2 典型相关分析 为进一步分析雪茄烟叶调制过程中颜色参数变化与化学成分、质体色素及多酚类物质等变量的组内与组间关系，采用SPSS 25.0对调制过程3个部位烟叶的总糖(X1)、烟碱(X2)、还原糖(X3)、叶绿素a(X4)、叶绿素b(X5)、类胡萝卜素(X6)、绿原酸(X7)、芸香苷(X8)和莨菪亭(X9)与L*(Y1)、a*(Y2)、b*(Y3)、H°(Y4)、H(Y5)和C(Y6)等颜色参数进行典型相关分析。

表3显示，不同部位颜色参数与化学成分和质体色素含量的典型相关分析提取到2组典型变量，其中，第1组典型变量的相关系数达为0.996，达到极显著水平(P<0.01)，第2组典型相关系数为0.987，同样达到了极显著水平(P<0.01)，其余组不显著。

由表4可得第1组典型变量为：

u1=-0.591X1-0.196X2-0.233X3-0.004X4+0.910X5+0.538X6+0.296X7-0.090X8-0.124X9；

v1=0.598Y1+1.056Y2-2.314Y3-0.453Y4-1.892Y5+1.233Y6。

在典型变量(u1，v1)中，u1代表了不同部位雪茄烟叶调制过程中的化学成分、质体色素及多酚类物质含量情况，由u1与原始数据的相关系数可知，X4(0.834)、X5(0.883)、X6(0.793)、X7(0.680)和X9(0.766)的载荷较大。v1代表了不同部位烟叶调制过程中的颜色参数变化情况，由v1与原始数据的相关系数可知，Y2(-0.910)、Y4(-0.746)和Y5(-0.924)的载荷较大。虽然X4、X9和Y2的系数较大，但其与相对应的相关系数互为反号，所以,这几个变量在该组变量中为校正(或抑制)变量[20]，本文不予分析。因此可理解为，在一定范围内随着叶绿素b、类胡萝卜素和绿原酸含量的升高，H°、H值呈升高趋势。

由表4得第2组典型变量为：

u2=-0.870X1+0.013X2+1.424X3-0.852X4-0.680X5+0.663X6+1.530X7-0.081X8-0.627X9;

v2=-0.397Y1-1.129Y2+3.498Y3+0.778Y4+0.721Y5-1.958Y6。

从第2组典型变量可以看出，化学成分、质体色素及多酚类物质含量中X1(0.767)、X3(0.811)的载荷较大，颜色参数中Y1(0.931)、Y3(0.913)、Y6(0.859)载荷较大。但X1和Y6与其相对应的相关系数互为反号，在该组变量中为校正变量。因此第2组典型变量可理解为，在一定范围内随着还原糖含量的升高，引起L*值和b*值的升高。

表3 雪茄烟叶调制过程中颜色参数与内在化学成分的典型相关性Table 3 Typical correlation of color parameters and intrinsic chemical composition during cigar leaf modulation

表4 雪茄烟叶调制过程中颜色参数与内在化学成分的显著典型变量构成Table 4 Significant typical variables composition of color parameters and intrinsic chemical composition during cigar leaf modulation

续表4 Continuing table 4

3 结论与讨论

雪茄烟的调制是由绿变黄再变褐的过程，烟叶颜色的变化是叶片内各种色素不同比例所表现出来的综合结果[21]。近年来，通过CIEL*a*b*颜色模型实现了烟叶颜色的量化[22]。本研究就调制期间雪茄烟叶颜色的变化进行了分析，通过颜色参数的变化，反映调制中烟叶颜色的转变过程。结果显示，3个部位烟叶的L*值与b*值在调制过程中均呈先上升后下降的单峰变化趋势，a*值在调制前中期逐渐增加，由负值转为正值，调制约15 d达到峰值，调制后期趋于稳定。这与高娅北等[5]，范宁波等[23]研究结果基本一致。其中在调制前期烟叶的L*、a*和b*值波动幅度较大，L*值与b*值的峰值均出现在调制第5天，a*值也在此阶段由负值变为正值。宋朝鹏等[24]研究结果显示，烤烟在变黄期淀粉等不溶性多糖类物质的逐渐降解，水溶性总糖、还原糖的生成量大于消耗量，细胞内氢离子增多，导致叶绿素脱镁反应加剧，此时叶肉细胞内的类胡萝卜素虽有降解，但降解速率小于叶绿素的降解速率，烟叶褪绿，呈现出淡黄色。本研究中总糖、还原糖及质体色素含量的变化也从侧面证实了雪茄烟的调制具有类似的规律。其中，下二棚烟叶的各项颜色参数在此阶段的变化与腰叶、上二棚烟叶相比较为平缓。可能是由于不同部位烟叶在烟株上的着生位点不同，下二棚烟叶在田间生长过程中光温条件以及采收成熟度与上二棚烟叶相比有所差异，加之在采收时根系对上部叶营养供应的优先级要大于下部叶，致使其生物质积累量较少，化学成分协调性略差，调制过程中内部生理生化反应较为温和[15,25-27]。进一步研究发现，绿原酸和莨菪亭含量在调制前期会有短暂的升高，调制中后期逐渐降低。这与卢绍浩等[28]研究结果一致。可能是由于调制前期烟叶内的木质素、纤维素等发生热解转化作用，导致多酚含量上升[29]；调制中后期，烟叶细胞生命活性相对较弱，细胞器和细胞质膜逐渐溶解，膜选择通透性丧失，活性氧、PPO与多酚类物质接触更加频繁，加之总糖、还原糖的消耗量大于生成量，还原态氢减少，导致多酚类物质的氧化还原反应失衡，氧化反应占据主要，仅有少量多酚类物质被还原，从而致使棕色化反应产物增多，L*、b*值降低，颜色由黄变褐[30]。

典型相关分析是通过线性组合构造出互不相关的若干配对的典型变量，再通过组内相关与组间相关，化简为配对内典型变量间的相关[20]。典型相关分析中第1组典型变量表明，随着叶绿素b、类胡萝卜素、绿原酸含量在一定范围内的降低，a*、H°和H值呈升高趋势，这主要是因为质体色素的降解导致烟叶褪绿显黄，棕色化反应产物的增多，进一步促使烟叶由黄变褐[31]，a*值由负值转为正值；第2组典型变量表明，总糖、还原糖对L*、b*值和C值的影响较大。由典型载荷可知，还原糖含量的升高，在一定程度上可以引起L*、b*值的升高。由典型相关分析结果可以看出，调制过程中烟叶颜色变化与化学成分含量间具有密切的联系。因此，在实际生产中，可以通过色差仪测定烟叶颜色参数构建化学成分动态变化预测模型，以便于及时调整晾制工艺，使烟叶化学成分更加协调。

通过研究雪茄烟在调制过程中烟叶外观颜色与内在化学成分变化，明确了其变化规律及相互关系。研究结果表明，随着调制的进行，烟叶颜色参数值(L*、b*和C)呈先升高后降低的单峰变化趋势；a*值和H值在调制前期逐渐增加，后期趋于稳定，对应的烟叶颜色由绿转黄，最终定为褐色。进一步分析发现，叶绿素b、类胡萝卜素、绿原酸含量的升高导致H°、H值升高，还原糖含量的升高导致L*、b*值的升高。该研究为今后进一步明确雪茄烟晾制过程中内含物变化情况以及构建烟叶颜色与化学成分预测模型，提供理论参考。