密集烘烤过程中烤烟电特性和主要化学成分变化

贺 帆，王 涛，赵华武，樊士军，4，杨彦明，宫长荣*

1.河南农业大学烟草学院，郑州市文化路95号 450002

2.曲靖市烟草公司师宗分公司，云南省师宗县通源大街 655700

3.曲靖市烟草公司罗平分公司，云南省罗平县文笔路 655800

4.湖南省郴州市烟草公司，湖南省郴州市燕泉北路61号 423000

前人对植物进行电特性方面的研究表明［1］，生物体内的各种组织和细胞的一系列生命活动均能产生电现象，并伴随着一定的电位变化；生物电被认为是生物体生命活动的象征，反映了生物体生命活动中的一些生理生化变化和物理变化，与生物体的新陈代谢关系密切。目前，烤烟烘烤进程的调控主要是依据烟叶颜色和形态的变化，主观性较强，影响因素较多。段史江［2-4］、王涛等［5-6］分别通过机器视觉技术和色差计量化烘烤过程中烟叶颜色变化，进而预测烟叶主要化学成分的变化。但这些方法需要将烟叶从烤房取出，且受光照等外界环境影响较大，并不能完全实现快速无损预测烟叶化学成分。而成熟烟叶自田间采收后虽然脱离了烟株母体，但仍处于生命活动状态，在烘烤过程前期，叶组织的生命活动仍在进行，叶内物质不断分解转化［7］。因此，烟叶内的水分和主要化学成分形成的导电介质使烟叶存在电特性，而烘烤过程中水分和化学成分的变化势必会引起电特性的变化。研究［8-13］表明，根据作物的电特性可以进行含水率的快速测定，果蔬成熟度、冻伤、腐烂和品质等的判别，植物油品质指标预测，提取人体生物医学信息以及分析不同介质中离子浓度等；利用电特性与水分、温度和品质指标等的相关性，开发和研制了水分快速测定仪、粮食电容物位计和果汁糖度检测仪等。但是目前有关烘烤过程中烟叶电特性及其与内在生理生化变化关系的研究尚未见报道。因此，对烘烤过程中烟叶的电容值、电阻值以及主要化学成分变化进行了试验，以期通过电特性分析来实现烘烤过程中烟叶含水率与化学成分的实时检测，为科学调控烘烤温湿度，提高烟叶品质提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验于2011～2012年在湖南省宁远县仁和镇进行。供试品种为K326，种植行距120 cm，株距50 cm。试验田地势平坦，土壤肥力均匀一致，按照当地优质烟叶生产技术规程进行大田栽培管理，取达到成熟采收标准的中部叶（第10～11 叶位）为试验材料。

1.2 样品制备

采用气流上升式密集烤房（烤房规格2.7 m×3.5 m×8m），装烟密度65kg/m3，按照三段式烘烤工艺进行烟叶调制。分别在烟叶烘烤过程中的关键温度点取样：干球36℃、湿球34 ℃（鲜烟叶）；干球38℃、湿球36℃（烟叶八成黄变软）；干球42℃、湿球37 ℃（烟叶黄片青筋，主脉变软）；干球48℃、湿球38℃（烟叶黄片黄筋小卷筒）；干球54 ℃、湿球39 ℃（叶片全干大卷筒）；干球68℃、湿球42℃（烤后烟叶）。每次取样20片，10片用于电特性和含水率的测定；10片去除主脉和一级支脉留叶片于烘箱内105℃杀青5min，60℃烘干，粉碎过60目筛，用于主要化学成分的测定。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 电特性的测定

参照宣奇丹等［14］的方法测定电容值，将叶片缓慢放入两电极间，打开电容仪，在并联方式和串联方式分别设置频率为100 Hz，120 Hz，1 kHz，10 kHz，100 kHz，稳定5 s 后读取数据。使用电桥仪测定电阻值，两个测试夹分别夹住烟叶叶片最宽处的两端，打开电桥仪，设置为DCR 档位，稳定5s 后读取数据。

1.3.2 含水率的测定

称烟叶叶片（去除叶脉）鲜质量W1，将叶片放在105℃烘箱内烘至恒质量，待叶片冷却后称取叶片干质量W2。含水率MP 计算公式：

1.3.3 化学成分的测定

采用连续流动法［15-18］测定烟叶中总氮、总糖、还原糖、蛋白质和淀粉含量；参照宁正祥［19］的方法测定可溶性果胶和总果胶；参照张槐苓［20］的方法测定纤维素含量；采用反相高效液相色谱法［21］测定叶绿素a、叶绿素b、β-胡萝卜素、新黄质、叶黄素和紫黄质的含量。

2 结果与分析

2.1 烘烤过程中烤烟电特性的变化

2.1.1 烤烟电容值变化及其最优测定方式的确定

由图1 和图2 可知，密集烘烤过程中，不同测试频率下的并联电容和串联电容变化趋势基本一致。当测试频率为100 和120 Hz 时，烤烟电容值呈先下降后上升而后再下降的趋势；但并联方式下，测试频率100 Hz 时电容值的变化幅度明显高于120 Hz；串联方式下，烘烤前期以测试频率100 Hz 时变化幅度较大，烘烤后期以测试频率120 Hz 的变化频率较大。当测试频率为1，10 和100 kHz 时，随着烘烤过程的推进，烤烟电容值均呈缓慢下降的趋势；其中，测试频率为1 kHz 时电容值的变化幅度略高于测试频率10 和100 kHz。

对烘烤过程中烤烟电容值随烘烤温度的变化进行方程拟合检验，以一元三次方程拟合程度较高。不同测定方式烤烟电容值的一元三次方程拟合检验R2值如表1 所示，除测试频率100 Hz 时串联方式R2值高于并联方式外，其余各测试频率下，采用并联方式的R2值均高于串联方式。而不同测试频率中，以1 kHz 时，拟合检验的R2值为最高。而烘烤过程中，各温度点电容值的离散程度随着测试频率的升高呈降低趋势。因此，烤烟叶片电容值的测定采用并联方式，测试频率为1 kHz。

图1 烘烤过程中烤烟并联电容变化Fig.1 Changes of parallel capacitance of flue-cured tobacco during curing

图2 烘烤过程中烤烟串联电容变化Fig.2 Changes of series capacitance of flue-cured tobacco during curing

表1 不同测定方式烤烟电容值的一元三次方程拟合检验R2值Tab.1 R2 values of simple cubic equation of different determination modes of flue-cured tobacco capacitance

2.1.2 烤烟电阻的变化

由图3可知，密集烘烤过程中，随着烟叶温度升高和水分的散失，叶片电阻值呈升高趋势。其中，在干球温度36℃至42℃的变黄期烟叶电阻值升高趋势较为平缓，且3个温度点烟叶电阻值间差异不显著（P>0.05）。进入定色期（42℃后），烟叶电阻值呈急速骤升的趋势；其中干球温度48℃和54 ℃烟叶的电阻值与其他各温度点间差异均达到极显著水平（P<0.01）。而在54 ℃之后，由于烟叶叶片全干，电阻值无限大而无法测出。而在干球温度42℃和48℃时测定的烟叶电阻值之间离散程度较高。由此可见，随着烘烤进程的推进，烟叶叶片组织内和组织间的水分逐渐散失，叶片的导电性能随之减弱，叶片的电阻值则呈现逐渐升高、甚至是急速升高的趋势。

图3 烘烤过程中烤烟电阻值变化Fig.3 Changes of resistance values of flue-cured tobacco during curing

2.2 烘烤过程中烤烟含水率的变化

图4 结果表明，烘烤过程中烤烟叶片含水率呈下降趋势，其中在变黄期（干球温度42℃前）和定色期（干球温度42～54 ℃）均明显降低，尤其在定色期下降趋势更为显著；且各温度点之间含水率差异达到极显著水平（P<0.01）。干球温度54 ℃后叶片全干，其含水率基本无变化，干球温度54 ℃和68℃之间的差异不显著（P>0.05）。

图4 烘烤过程中烤烟含水量的变化Fig.4 Changes of moisture contents in flue-cured tobacco during curing

2.3 烘烤过程中烤烟主要化学成分的变化

2.3.1 常规化学成分

烘烤过程中淀粉、总氮和蛋白质含量呈下降趋势，总糖和还原糖呈上升趋势（表2）。其中，淀粉在变黄期（干球温度42 ℃之前）明显降低，进入定色期略有降低；而总糖和还原糖含量变化与其相反，在变黄期明显增多，进入定色期之后增加不明显。烘烤过程中总氮含量虽然整体上呈下降趋势，但减少量不明显。蛋白质含量的变化则在整个烘烤过程中呈现出平稳降低的趋势，但在变黄期结束时蛋白质降解量占总降解量的32.13%。

表2 烘烤过程中化学成分的变化Tab.2 Changes of routine chemical components during curing（%）

2.3.2 质体色素

烟叶的质体色素在整个烘烤过程中呈现出逐渐降低的变化趋势，其中叶绿素a、叶绿素b 和紫黄质的含量在干球温度38 ℃之前均呈急剧下降趋势，而在之后的下降趋势逐渐变缓；β-胡萝卜素的含量下降趋势类似直线下降；叶黄质含量的变化在干球温度42 ℃之前均呈急剧下降趋势，而在此之后的下降趋势逐渐缓慢；新黄质含量的变化呈缓慢下降趋势，见表3。

表3 烘烤过程中质体色素含量的变化Tab.3 Changes of contents of pigment during curing

2.3.3 细胞壁组分

细胞是生物体结构和功能的基本单位，烘烤过程中细胞壁组分的变化与光滑烟的形成密切相关［22］。由图5可知，烘烤过程中可溶性果胶含量呈增加趋势，总果胶含量则在干球温度48℃之前略有增加，而后下降。纤维素含量则随着烘烤进程的推进，在干球温度38℃时有所增加，之后急剧下降，其中在干球温度38～48℃之间急剧下降，48℃之后降低趋势减缓。

2.4 烘烤过程中烤烟电特性与主要化学成分的关系

由表4 可知，烘烤过程中烤烟烟叶电容值和电阻值与主要化学成分之间具有明显的相关性，但各化学成分之间差异较大。其中含水率与电容值之间呈极显著正相关（P<0.01），与电阻值之间呈负相关，相关系数较大；总糖和可溶性果胶均与电容值之间呈显著负相关（P<0.05），与电阻值之间呈正相关关系，但相关性不显著；总氮、蛋白质、叶黄质、新黄质均与电容值呈显著正相关（P<0.05），与电阻值之间呈负相关，但相关性不显著；其余各化学成分与烟叶电容值和电阻值之间相关性不显著，其中总果胶含量与其相关性较低，其他化学成分与电容值呈正相关，与电阻值呈负相关。

图5 烘烤过程中细胞壁组分的变化Fig.5 Changes of cell wall components during curing

表4 烘烤过程中烤烟电特性与主要化学成分的相关性Tab.4 Correlation between electrical characteristics and chemical components of flue-cured tobacco during curing

3 结论与讨论

国内外较多研究［23-25］表明，农业物料的电特性直接或间接地与农业物料的品质、成分、含水率、生长发育等诸多因素有关，直接关系到物料的贮藏、保鲜和加工等过程。烤烟密集烘烤是人为创造一个适宜的温湿度环境，从而调控烟叶失水干燥与生理生化变化的过程。相关研究［26-27］认为水分是影响植物电特性参数的主要因素，叶片内水分的减少导致叶片介电常数和导电性减小，烟叶电容值减小、电阻值增大。而且烘烤过程中的烟叶仍然是有生命活动的有机体，通过呼吸作用，使得淀粉、蛋白质、色素等物质发生降解转化，从而导致烟叶内部空间电荷分布的变化，进而影响烟叶电特性［28］。对烘烤过程中烤烟叶片含水率与主要化学成分变化进行分析，含水率呈下降趋势，尤其在定色期下降趋势更为显著，干球温度54 ℃后叶片全干，没有明显变化；常规化学成分、质体色素与细胞壁组分的变化主要在变黄期（干球温度42℃前）和定色期（干球温度42～54 ℃），54 ℃后进入干筋期，没有明显变化。因此，烘烤过程中，随着烟叶内大分子物质的降解转化和水分的散失，在干球温度38℃至48℃结束时，烟叶并联电容值呈迅速下降的趋势，48℃之后呈极缓慢下降的趋势；电阻值的变化整体上呈上升趋势，在干球温度36℃至42℃的变黄期升高趋势较为平缓，且3个温度点烟叶电阻值之间差异不显著，进入定色期（干球温度42℃之后），烟叶电阻值呈急速骤升的趋势。

植物作为一种生物体，是介于绝缘体与导体之间的电介质，在外电场作用下的电容值和电阻值不仅与含水率有密切关系，同时与植物的内在化学成分、生理指标以及物理性质间也具有直接或间接的关系［29-30］。对密集烘烤过程中烟叶并联电容和电阻值与主要化学成分进行相关分析，烟叶电容值和电阻值与主要化学成分之间呈显著相关，而电容值与化学成分的相关性明显优于电阻值；其中电容值与含水率呈极显著相关，与总糖、总氮、蛋白质、β-胡萝卜素、叶黄质、新黄质和可溶性果胶间呈显著相关。而唐燕［8］、郭文川［31］等的研究也认为作物的电特性与水分和化学成分之间有一定的相关性，但不同作物间电特性与水分和化学成分的相关性表现各不相同。因此，通过烘烤过程中烟叶电特性的变化对含水率和主要化学成分进行无损、快速检测是可行的。但在烟叶阻抗特性和介电参数等方面尚有待进一步试验，以积累大量可靠实用的参数，实现烘烤过程中烟叶水分和主要化学成分的快速无损检测，科学调控烘烤温湿度。

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