基于CIE-Lab的雪茄烟叶晾制过程水分与颜色相关性研究

赵晨,王爱霞,范宁波,李粉粉,王佩,李成刚,周中宇

(1.河南农业大学 烟草学院,河南 郑州,450002;2.河南中烟工业有限责任公司 河南 郑州,450016;3.安徽中烟工业有限责任公司 安徽 合肥,230088)

烟草是一种常见的茄科作物,是一种在世界上广泛种植的经济作物,烟叶颜色的形成不仅是外观质量的体现,也是内在质量的外观反应[1-2],因此在烟叶的生产中,有关烟叶颜色变化的研究得到了众多科技工作者的关注。影响颜色形成的因素有很多,其中烟叶中水分的含量是影响烟叶颜色形成的重要因素。水分是物质代谢的基础,作为生物在生命活动中的必须成分,水分在植物的生理生化反应当中发挥着重要的作用,植物中最重要的两大生理活动——呼吸作用和光合作用均离不开水分的作用[3]。雪茄烟叶的晾制过程本身就是一个人为控制的有规律失水干燥的过程,失水干燥和颜色变化是烟叶在调制中肉眼明显可见的最明显的两大变化。

在烟叶中,已经有大量研究证明烟叶颜色的变化与水分的含量有极大的关系。李峥[4]等以烟叶的水分作为因变量,以颜色参数作为自变量,建立回归方程,发现烟叶的含水量与颜色参数的回归方程具有较高的拟合度。高娅北[5]等通过相关分析和建立逐步回归方程进行验证,证明雪茄烟叶在晾制过程当中水分指标与颜色特征之间有明显的相关性,可以用颜色参数来估量烟叶的水分含量。另外,CIE-Lab颜色系统在烟草生产中已经被广泛应用,在烟草的栽培、采收、调制、贮存等过程中均被用来作为颜色的衡量系统。张军刚[6]等将CIE-Lab色差计作为判断烟叶成熟采收的辅助工具;贺帆[7]等通过色差计检测烟叶烘烤过程中烟叶化学物质的动态变化;王小升[8]等利用色差仪检测了再造烟叶在贮存过程中的颜色变化,为烟叶的贮藏提供了一定的数据支持。因此,本文利用CIE-Lab系统量化雪茄烟叶颜色的变化,并测定烟叶水分含量的变化,以期为科学准确快速高效判断雪茄晾制过程中的外观颜色以及水分的变化情况,为雪茄晾制过程中的精准化操作奠定理论基础。

1 材料与方法

1.1 供试材料

试验于2019—2020年在河南农业大学进行,试验材料取自四川省德阳什邡市大泉坑村,供试雪茄烟叶品种为当地栽培品种“德雪7号”,以中部叶(第10～12叶位)作为供试材料,试验田前作为水稻,土壤类型为水稻土,地势平坦,土壤偏酸性,肥力均匀适中。按照当地常规优质雪茄烟叶生产技术规范进行统一管理。选取处于大田成熟期,长势基本一致的烟叶作为试验材料。

1.2 试验设计

将试验所需烟叶严格按照适熟标准采收后,从中挑选出叶色均匀、叶片大小和成熟度基本一致的烟叶均匀悬挂于3台型号一致的恒温恒湿箱中进行晾制,该恒温恒湿箱有效容积为1 000×500×500 mm(高×宽×深)。每台设备中晾制烟叶40片,一共120片,参照高娅北[2]等雪茄调制技术参数进行温湿度的设置。自晾制当天起(鲜烟叶),固定3片烟叶(每个恒温恒湿箱中固定1片),每2 d一次利用色差仪记录颜色参数的变化;另外每2 d取样一次,用于水分指标的测定。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 烟叶颜色参数测定

使用HP-C210精密色差仪(深圳汉谱光彩科技有限公司),分别测量叶片正面和背面的颜色参数亮度值L*、红绿值a*和黄蓝值b*,并计算饱和度C*、色泽比H*以及色相角H°。参照文献的测定方法,在烟叶的上部、中部、下部的左右两侧各取一个位点进行测量[9],每片烟叶测量6个位点并取其平均值作为该烟叶的颜色参数值(如图1)。

图1 烟叶颜色参数测量位点

1.3.2 烟叶中水分指标的测定

每2 d一次从3个恒温恒湿箱中各取1片烟叶,共取3片烟叶用于烟叶中水分指标的测定。将烟叶主脉与叶片用美工刀分离,利用烘箱法分别测定主脉和叶片的含水率,并由此计算整叶水分含量的变化。另外每2 d一次从3个恒温恒湿箱中各取1片烟叶,共取3片烟叶用于水活度值的检测。利用10 mm打孔器分别在每片烟叶的叶尖、叶中和叶基部快速打孔40个,平均放入4个样品皿中,利用HD-6型水分活度测量仪(无锡市华科仪器仪表有限公司)进行叶片水活度的测定。将烟叶的主脉平均分成4段,每个样品皿中每次放置1段主脉,置于样品皿中测定主脉的水活度[2]。3个恒温恒湿箱中的处理即作为3组重复。

1.4 数据分析

试验结果利用Excel 2010进行作图,利用SPSS 22.0对数据进行处理和统计分析。

2 结果与分析

2.1 雪茄烟叶晾制过程中颜色的变化

图2为雪茄烟叶在晒制过程中颜色的变化,由图2可知,在雪茄烟叶的晾制过程中,烟叶从绿色转为黄色,再逐渐定为褐色。烟叶的变色是由叶尖、叶缘开始的,逐渐向叶片中间发展,主脉旁边的叶片变色最为迟缓,叶片变色要早于主脉的变色。

图2 雪茄烟叶在晾制过程中颜色的变化

2.2 雪茄烟叶晾制过程中颜色参数的变化

将烟叶颜色进一步进行量化,图3为雪茄烟叶晾制过程中正面和背面颜色参数变化。由图3可知,烟叶晾制过程中烟叶正面与背面的颜色参数变化趋势基本一致;亮度值L*和黄蓝值b*从晾制开始时即快速增大,并在晾制的第6 d达到最大值,之后又迅速下降;a*值在烟叶的调制过程中一直保持着增加的趋势,在晾制的前期,a*值的增加速率相对较为缓慢,随着调制时间的增加,a*值迅速增加,晾制10 d之后,增加速率又逐渐降低,a*值的增加速率呈慢—快—慢的趋势。

图3 雪茄烟叶晾制过程中正、背面颜色参数变化

烟叶在变色过程中正面与背面的C*值变化规律也一致,晾制前期保持一直增加的趋势,达到最大值后又迅速下降;色泽比H*随晾制过程的推进而逐渐增加,增加速率较为稳定,在晾制的过程中,H*值也逐渐由负值变为了正值,且正面和背面的色泽比相差不大;色相角H°在晾制的前10 d逐渐下降,并在第10 d达到了最低值,之后又迅速增加并在第10 d变为正值,之后又略有降低但依然保持为正值,另外,烟叶正面和背面的色相角H°相差也一直不大。

2.3 雪茄烟叶晾制过程中水分含量的变化

图4为雪茄烟叶晾制过程中含水率和水活度值的变化。由图4可知,烟叶调制过程是水分散失的过程,在烟叶的晾制过程中,无论是叶片还是主脉,其水分含量都在逐渐降低。整个烟叶的总含水率在晾制的2周之内,一直保持着快速下降的趋势,含水率从89.44%降低至39.36%,降低了50.08%。进一步将叶片与主脉的含水率分开计算,发现叶片的失水速率远远大于主脉的失水速率,第14 d时,叶片的总含水率降低了73.51%,主脉的总含水率仅降低了36.77%。在整个晾制过程中,主脉中的水分含量一直高于叶片中的含水量,这可能是由于植物主脉的保水能力较好所造成的[10]。

图4 雪茄烟叶晾制过程中含水率和水活度值的变化

水活度与含水量密切相关,可用于样品含水量的无损快速测定。进一步用水活度计测定烟叶中的水分变化,结果发现烟叶的水活度变化规律和含水率变化一致,基本呈现出慢—快—慢的降低速率,主脉的水活度一直高于叶片的水活度值,在晾制的第14 d,叶片的水活度值降低了50.80%,主脉的水活度降低了36.50%。

2.4 烟叶水分含量与颜色参数的简单相关分析

对晾制过程中烟叶含水量与颜色参数进行简单相关分析(表1),由表1可知,叶片正面a*值与烟叶中所有的水分参数都呈极显著负相关关系;叶片正面b*值与烟叶中所有的水分参数都呈极显著正相关关系;叶片正面C*值与烟叶中所有的水分参数都呈极显著正相关关系;叶片正面H*值与烟叶中所有的水分参数都呈极显著负相关关系;叶片正面H°值与烟叶中所有的水分参数都呈极显著负相关关系。烟叶背面的颜色参数与水分指标的相关性和烟叶正面的颜色参数与水分指标的相关性一致。

表1 烘烤过程中烟叶水分含量与形态指标和颜色参数的相关系数

续表1

2.5 烟叶水分含量与形态指标和颜色参数的典型相关分析

利用DPS 7.5将叶片水活度(x1)、主脉水活度(x2)、叶片含水率(x3)、主脉含水率(x4)、整叶含水率(x5)分别与颜色指标正面 L*(y1)、a*(y2)、b*(y3)、C*(y4)、H*(y5)、H°(y6), 反面 L*(y7)、a*(y8)、b*(y9)、C*(y10)、H*(y11)、H°(y12)等12个色度特征值做典型相关分析(表2)。由表2可知,烟叶中水分参数与烟叶颜色变化的典型相关分析中前2组达到显著水平(p＜0.05),相关系数分别为0.9996与0.9042,后3组未达到显著水平,因此对前2组数据进行重点分析。

第1组典型相关变量为:u1=0.5212x1+0.3899x2+0.2705x3+0.3912x4-0.5585x5,v1=-0.2113y1-0.908y2+0.2042y3-0.0703y4+0.2332y5-0.1054y6-0.1018y7-0.2899y8+0.0207y9-0.0118y10-0.0162y11+0.0221y12。在典型相关变量1中,u1与叶片水活度(x1)、主脉水活度(x2)、叶片含水率(x3)、主脉含水率(x4)、整叶含水率(x5)均呈极大的正相关关系,因此u1可以理解为描述了烟叶中所有水分参数(x1-x5)变化的综合指标。v1与正面a*(y2)、正面H*(y5),背面a*(y8)以及反面H*(y11)有较大的负相关关系,因此v1可以描述为烟叶红绿值a*、色泽比H*变化的综合指标。由于v1与u1极显著相关,因此可以认为烟叶中的水分参数(x1-x5)对烟叶正面和背面的a*(y2、y8)、H*(y5、y11)值有较大影响,在一定范围内随着烟叶中水分的散失,叶片红绿值a*、色泽比H*逐渐产生变化。

第2组典型相关变量为:u2=0.5353x1-1.5096x2-2.6554x3-0.17662x4+3.666x5,v2=-0.974x1-1.359x2-0.5754x3-0.5096x4+3.0283x5-0.4015x6+1.2378y7-1.5826y8+0.1788y9-0.2027y10-0.5874y11+0.202y12。在典型相关变量2中,u2与主脉水活度(x2)的相关系数最大,为-0.1178,这表示随着烟叶主脉水活度参数的减小,u2不断增加,因此u2可以理解为描述了烟叶主脉水活度(x2)变化的综合指标。v2与正面L*(y1)的相关系数最大,为-0.2923,因此v2可以描述为叶片正面亮度值L*变化的综合指标。由于v2与u2呈显著正相关关系,因此主脉水活度(x2)对烟叶正面亮度值L*(y1)有较大影响,L*值一定范围内随主脉水活度的变化而变化。

表2 雪茄烟叶晾制过程中烟叶颜色与烟叶水分含量的典型相关分析

续表2

3 讨论

本研究结果表明,叶片的L*、b*、C*值呈现先增加后减小的趋势,且最终值都小于初始值;a*、H*、H°值均逐渐增大,这在雪茄的晾制过程中已经被证明[5]。这可能是由于在晾制初期,烟叶主要表现为绿色,后表现为明亮的黄色,最终为暗沉的褐色,而颜色是通过眼、脑和生活经验所产生的一种对光的视觉效应,不同的颜色由于波长的差异,对光的吸收和反射不同所造成的[11],因此造成了烟叶颜色参数的变化。另外,除了叶片背面的亮度值一直大于正面的亮度值外,其他的颜色参数基本表现为正面的颜色参数大于背面,这在烤烟和晾烟的研究中均被证明[12,5]。这可能是由于烟叶是异面叶,叶片两面的组织结构差异较大,导致物质积累和降解也有所差异所造成[13-14];叶片正面细胞排列紧密,光合作用效率高,物质积累丰富,颜色较深;叶片背面细胞结合松散,光合效率低,物质积累较少,颜色也较浅,这可能就是造成烟叶两面的颜色差异的重要原因。相关分析表明,同一颜色参数之间,烟叶正面和背面的颜色参数相关系极强,这表明烟叶正面的颜色变化和背面的颜色变化是同步一致的[15]。

烟叶的调制过程是一种采后失水的过程[16],在雪茄烟叶的晾制过程中,整叶和叶片主脉的含水率都逐渐降低,无论是晾制开始还是结束,都表现为烟叶主脉含水率最高,其次是整叶和叶片的含水率最低,这可能与叶片和主脉的植物学结构有一定的关系。叶片主要包括栅栏组织和海绵组织,在遭遇到失水胁迫时容易瓦解,而主脉中含有维管束,其结构难以瓦解[17];叶片和主脉的化学组成和含量存在明显的差异,叶绿体等物质的含量也有较大的差异[18],因此,烟叶在调制期间叶片和主脉的失水干燥特性也具有较大的差异。叶片和主脉二者之间的含水量差异逐渐增大,失水不同步,就会导致叶片和主脉之间的水势差拉大[19-20],使叶脉中的水分向叶片进行扩散,因此无论是在烤烟的烘烤还是晾晒的调制过程中,都要经历过干筋期才能算作整个调制过程的完成。水活度的测定不具破坏性,且省时省力[21],因此在本文中使用水活度计分别测定了雪茄叶片和主脉中的水分变化,其结果与含水率的变化趋势一致,均随着时间的增加而逐渐减小,这与高娅北[5]等在雪茄烟晾制过程中的水活度变化趋势一致。

水分不仅是烟叶在田间生长所需的必要物质,烟叶在采后依然需要水分来维持必要的生命活动和物质代谢。本文中,将烟叶的含水率和水活度与颜色参数作典型相关分析,结果发现烟叶的水分含量与叶片的颜色变化密切相关,这与前人在白肋烟中的研究结果一致[22]。这可能是由于烟叶的自然失水导致叶绿体被膜破裂,甚至导致了叶绿体的解体,从而进一步导致了烟叶的颜色发生了改变[23-24]。由简单相关分析可知,烟草叶片含水率、整叶含水率、叶片自由水含量、主脉自由水含量与烟叶颜色参数均有显著或极显著的相关关系;典型相关分析也表明烟叶的水分与颜色参数之间具有一定的联系。

4 结论

本文的研究结果表明,雪茄烟叶在晾制过程中,伴随着烟叶颜色的变化,烟叶的水分大量散失。进一步将烟叶的颜色参数分别与各项生理指标进行典型相关分析,结果表明,雪茄烟叶颜色的变化与水分的变化相关性较强,烟叶中的水分指标对烟叶的a*(y2、y8)和H*(y5、y11)值影响最大。