基于色度学的密集烘烤过程中烟叶主要化学成分变化模型研究

贺 帆，王 涛，樊士军，董艳辉，王 梅，宫长荣

(1 河南农业大学 烟草学院，河南 郑州 450002；2 曲靖市烟草公司师宗分公司，云南 曲靖 655700；3 郴州市烟草公司，湖南 郴州 423000；4 铁岭市烟草公司昌图分公司，辽宁 铁岭 112000)

烟叶烘烤是烟叶脱水干燥的物理过程及其生物化学变化过程的统一，科学先进的烘烤工艺必须建立在对烘烤过程中烟叶外观变化与内在变化规律、烘烤环境条件可控因素与烟叶变化关系充分了解的基础上[1]。近年来，随着现代烟草农业的发展，密集烘烤已成为我国最主要的烟叶烘烤方式，其在降低劳动力成本、能耗成本以及烟叶外观质量控制等方面具有明显优势[2]。但相关研究表明，密集烘烤以对流传热为主，采取阶段性快排湿，使烟叶内水分骤减，导致烟叶收缩变小；而且密集烘烤各阶段尤其是变黄期持续时间较短，烟叶中淀粉、蛋白质等大分子物质降解不充分，导致烤后烟叶结构紧密、香气质量降低[3-4]。因此在密集烘烤过程中准确判断烟叶颜色和水分含量的变化，从而预测水分和内在化学成分的变化，是合理调控烤房温湿度和风机转速及提高烟叶质量的重要措施。

色度学是从物理意义上量化描述人们颜色知觉的科学和技术。段史江等[5-6]曾采用图像处理技术提取烘烤过程中烟叶图像形态特征和R、G、B颜色特征值，实现了烟叶水分和β-胡萝卜素含量的估测。霍开玲等[7]、王涛等[8-9]、裴晓东等[10]采用色差仪定量测定了密集烘烤过程中烟叶颜色参数，即亮度值(L)、红度值(a)、黄度值(b)及其与色素、淀粉和蛋白质等主要化学成分的关系，但并未对颜色参数与化学成分的定量关系进行研究和验证。有研究表明，应用CIE色度系统可以实现水果[11]、谷物[12]和肉类[13]等农产品的快速检测。因此，本试验采用WSC-2型测色色差计定量分析密集烘烤过程中烟叶颜色参数与色素、淀粉、蛋白质和含水量的关系，以期快速、准确预测烘烤过程中烟叶化学成分和含水量的变化，进而为优化密集烘烤工艺、提升烟叶质量特色提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验于2011-2012年在河南省汝阳县进行。试验田土壤质地为红黏土，土壤肥力中等。供试烤烟品种为NC89，05-05移栽，种植株行距为50 cm×120 cm。土壤碱解氮51.32 mg/kg，速效磷6.9 mg/kg，速效钾146.41 mg/kg，pH 8.35。施纯氮45.0 kg/hm2，N∶P2O5∶K2O = 1∶2∶3。田间管理按照优质烤烟栽培生产技术规范进行。以上部烟叶(第16～18叶位)为试验材料，依据成熟标准及时采收。

1.2 样品制备

采用河南农业大学设计的4台规格相同的电热式温湿度自控密集烤烟箱进行烘烤，每箱装烟12竿，每竿4～5 kg，密度为65 kg/m3。烘烤工艺参照“烤烟三段式烘烤工艺”进行。分别于开烤、38 ℃始、38 ℃末、42 ℃始、42 ℃末、47 ℃始、47 ℃末、54 ℃始、54 ℃末和烘烤结束时，各取烟叶24片；其中12片用于烟叶颜色参数和含水量的测定，另外12片于烘箱中105 ℃杀青5 min，60 ℃烘干、粉碎，过孔径为0.25 mm的筛，用于烟叶主要化学成分的测定。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 烟叶含水量 样品在100～105 ℃的烘箱中烘2 h，冷却称质量，计算公式为：烟叶含水量(%)=(鲜烟质量-干烟质量)/鲜烟质量×100%。

1.3.2 烟叶颜色参数 用WSC-2型测色色差计(北京光学仪器厂)测量烟叶正背面的颜色参数(即亮度值(L)、红度值(a)和黄度值(b)，计算色泽比(H)、色相角(H°)、饱和度(C)和色差值(ΔE))。取叶中部测量距离烟叶主脉5 cm处对称点的叶色，每半片叶等距离测量3个点，每片叶取6个测点的平均值作为此叶片的颜色值；叶片正背面的测定方法一致。计算公式为：色泽比(H)=a/b；色相角(H°)=arctan(b/a)；饱和度(C)=(a2+b2)1/2；色差值(ΔE)=[(ΔL2+Δa2+Δb2)]1/2。

1.3.3 烟叶化学成分 淀粉和蛋白质含量的测定参照王瑞新等[14]的方法。叶绿素、类胡萝卜素含量测定采用分光光度法[15]。

1.4 数据分析

数据处理和绘图采用Microsoft Excel 2003，用DPS 6.55进行数据的统计与分析。

2 结果与分析

2.1 烘烤过程中烤烟叶片颜色参数的变化

2.1.1 叶片亮度值(L) 从图1可知，烘烤过程中烟叶正背面亮度值的变化趋势表现一致，而且整个烘烤过程中烟叶背面的亮度一直高于叶片正面。随着烘烤的进行，烟叶正背面的亮度先快速升高，在38 ℃末之后稍有降低，并于42 ℃末开始上升，在47 ℃始达到最大值，之后迅速降低，在54 ℃末达到一个低谷，烘烤结束后烟叶亮度值较54 ℃末略有上升。

图1 烘烤过程中烤烟叶片亮度值(L)的变化

2.1.2 叶片红度值(a) 由图2可知，烘烤过程中烟叶正背面a值变化趋势一致，但鲜烟叶背面的a值稍高于正面，从38 ℃末之后叶片正面a值均大于叶片背面。随着烘烤的进行，烟叶的正背面a值整体呈升高的趋势，并在42 ℃末至47 ℃始有所降低，之后缓慢升高并趋于平稳直至烘烤结束。总的来说，烟叶烘烤中正背面a值的变化主要集中在变黄期，在定色和干筋期变化幅度较小。

图2 烘烤过程中烤烟叶片红度值(a)的变化

2.1.3 叶片黄度值(b) 由图3可知，烘烤过程中叶片正背面b值的变化趋势基本一致，且叶片正面的b值均高于背面，但叶片背面b值的变化较为平缓。随着烘烤的进行，叶片正、背面b值均迅速升高，并在42 ℃始达到最大值，之后缓慢下降，在47 ℃末达到一个低谷后又缓慢升高；烘烤结束时叶片正面b值较54 ℃末有所升高，而叶片背面b值则较54 ℃末有所降低。整个烘烤过程中叶片b值均为正值，可见，烤烟叶片的颜色参数以黄色程度所占比重较大。

图3 烘烤过程中烤烟叶片黄度值(b)的变化

2.1.4 叶片色相角(H°) 色相角(H°)是颜色的基本特征，其在0°～360°连续变化，0°是红色，90°是黄色，180°是绿色，270°是蓝色[16]。由图4可知，整个烘烤过程中烟叶正背面的色相角差别不大，变化趋势表现一致，且均以变黄期的变化幅度较大。鲜烟叶正背面的H°值分别为98.55°和97.91°，表明成熟的上部鲜烟叶以黄色为主。在烘烤过程中烟叶正背面的色相角(H°)基本呈下降趋势，且在47 ℃始有稍许起伏，之后趋于平稳，其值为0°～90°，但更接近90°，表明随着烘烤的进行，烟叶颜色变为黄色并向红色方向转变，但整体偏向于黄色。

2.1.5 叶片色泽比(H)H为色调参数中的色泽比。绿色为负值，数值越小，绿色越深；红色为正值，数值越大，红色越深[17]。由图5可知，整个烘烤过程中烟叶正背面的色泽比差别不大，变化趋势一致，且均以变黄期的变化幅度较大。鲜烟叶正背面的色泽比为负值，表明烟叶正背面的颜色以绿色为主，随着烘烤的进行，色泽比逐渐增大，并在42 ℃末至47 ℃始稍有降低，之后又缓慢升高并趋于平稳。

图4 烘烤过程中烤烟叶片色相角(H°)的变化

2.1.6 叶片饱和度(C) 饱和度(C)又称纯度，表示含色的多少，低饱和度意味着色泽稀疏暗淡，而高饱和度则表示饱满、强烈的颜色，其值为0～60[16]。从图6可以看出，整个烘烤过程中烟叶叶片正背面饱和度的变化趋势基本一致，且叶片正面的饱和度均大于叶片背面，叶片背面的饱和度变化趋势比较平稳。另外，烘烤中叶片正背面饱和度的变化趋势与烟叶色度b值的变化趋势基本一致。

图6 烘烤过程中烤烟叶片饱和度(C)的变化

2.1.7 叶片色差(ΔE) 色差是L、a和b的综合差别，其值为0～≤0.5表示颜色差别极小，>0.5～≤1.5为稍有差异，>1.5～≤3.0表示感觉有点差异，>3～≤6表示差异显著，>6～≤12表示差异极显著，>12即为不同颜色。若以ΔE1、ΔE2分别表示烘烤过程中烟叶正、背面相对于鲜烟叶正、背面的色差，以ΔE3表示烘烤过程中烟叶正、背面之间的色差，则由图7可知，ΔE1和ΔE2在整个烘烤过程中的变化趋势基本一致，而且ΔE1均大于ΔE2；随着烘烤的进行，二者均急剧增大。其中ΔE1在38 ℃始已经超过12，表示此时叶片正面颜色与鲜烟叶相比已经为不同的颜色；而在38 ℃始时ΔE2为 10.57，表示此时叶片背面颜色与鲜烟叶背面相比已经表现出极显著差异，之后其值也大于12，表明从38 ℃始之后烟叶的颜色与鲜烟叶相比已经有了极为明显的差别；ΔE1在42 ℃始达到最大值，之后缓慢降低，在47 ℃末之后趋于平稳；ΔE2从烘烤开始后急剧增大，但增大的速度一直有所减缓，在47 ℃始达到最大值，之后略有降低，在47 ℃末趋于平缓。

烟叶正背面色差ΔE3在整个烘烤过程中的变化趋势较为平缓，一直保持在8～13，整个烘烤过程中呈现出先升高后降低的趋势，在38 ℃末和42 ℃始略大于12，在其他温度点均小于12，并在干筋期略有增大。可见，整个烘烤过程中烟叶正背面色差均表现出极显著的差异，并在定色期尤其是定色后期有下降趋势。

2.2 烘烤过程中烤烟叶片颜色参数与主要化学成分的相关分析

相关分析(表1)表明，烘烤过程中烟叶主要化学成分与各颜色参数之间具有良好的相关性，其中叶绿素与各颜色参数之间相关性最好，除ΔE3和叶正面b值之外，其余各颜色参数均与叶绿素含量呈显著或极显著相关。类胡萝卜素则与叶正面和背面a值、叶正面和背面的H值呈极显著负相关，与叶背面C值和ΔE2呈显著负相关，与叶正面和背面的H°值呈极显著正相关。类胡萝卜素/叶绿素则只与叶正面和背面的a值、H°值、H值以及ΔE2呈显著相关。淀粉与各颜色参数之间，除与叶正面b值和ΔE3相关性不显著、与叶正面C值显著负相关外，与其余各颜色参数均呈极显著相关。蛋白质含量则与叶正面和背面的a值、H值呈极显著负相关，与ΔE1和ΔE2呈显著负相关，与叶正面和背面的H°值呈极显著正相关。含水量与各颜色参数之间的相关性较差，仅与叶正面H°和H值显著相关。

表1 烘烤过程中烤烟叶片颜色参数与主要化学成分的相关系数

2.3 烘烤过程中烟叶主要化学成分变化模型的建立与验证

0.230X5-0.156X6+14.753X11，

(R=1.000,F=9 978.244)；

(1)

0.187X6-0.094X10-6.715X11+

0.175X15，(R=1.000,F=71 428.464)；

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

对烘烤过程中烤烟叶片各颜色参数与主要化学成分的回归分析表明，各方程均达到极显著水平。

2.3.2 烤烟叶片主要化学成分回归模型的验证 对烘烤过程中烤烟叶片主要化学成分的回归模型进行验证，结果(图8)表明，从鲜烟叶到烘烤结束时，烤烟叶片叶绿素和蛋白质含量的预测值与实测值符合程度最好，相关系数分别为0.999和0.997，平均相对误差为8.67%和1.47%。对类胡萝卜素和淀粉含量，鲜烟叶预测值与实测值差异较大，但在烘烤过程中及烘烤结束时的预测效果均较好，除鲜烟叶外，类胡萝卜素和淀粉含量预测值与实测值的相关系数分别为0.967，0.995，平均相对误差分别为 8.71%，8.27%，模型预测精度较高。类胡萝卜素/叶绿素及含水量的预测值与实测值之间符合程度一般，相关系数分别为0.935和0.989，但平均相对误差为33.06%和18.25%，模型预测精度略差。

图8 烘烤过程中烤烟叶片主要化学成分回归模型的验证

3 结论与讨论

本研究结果表明，烘烤过程中烤烟叶片正面与背面各颜色参数(L、a、b、H、H°、C)的变化趋势基本一致，且各颜色参数均在开烤至42 ℃末时变化剧烈，42 ℃之后变化幅度较小，即其变化主要集中在变黄期。宫长荣等[18]、杨立均等[19]和李艳梅等[20]认为，烘烤过程中烟叶颜色的变化与色素的降解有密切关系；鲜烟叶叶绿素含量较高，类胡萝卜素的黄色被绿色所掩盖；随着烘烤的进行，变黄期色素快速降解，但叶绿素的降解速率远大于类胡萝卜素，导致烟叶内类胡萝卜素与叶绿素的比值逐渐增大，使烟叶的颜色逐渐由绿色转为黄色。进入定色期后，随着烟叶脱水干燥，色素类物质有少量降解，而叶片表皮细胞逐渐皱缩，导致烟叶表面的漫反射逐渐加强[21]；另外，定色期烟叶的棕色化反应生成深色物质，从而导致各烟叶颜色参数变化幅度减小。由此可见，烘烤过程中烟叶颜色参数的变化与色素的降解规律一致。

烟叶烘烤过程中的颜色变化是执行烘烤工艺的关键。烘烤过程中烟叶的颜色变化是烟叶脱水干燥和生理生化变化尤其是色素降解综合作用的结果。从理论上讲，烘烤过程中叶片绿色逐渐消失，黄色逐渐显现，表明此时烟叶内的叶绿素、淀粉、蛋白质等大分子物质降解到了适宜的程度。但是在实际生产中，仅凭主观判断烟叶的变黄标准并不一定表明烟叶的物质转化达到了最理想的程度，反而有时会给烟叶烘烤带来错误信息，导致烤后烟叶内在质量变差[22]。王涛等[8-9]、裴晓东等[10]研究认为，密集烘烤过程中，烤烟中部叶叶片正面与背面的L和a值与色素类物质和淀粉含量呈极显著负相关，但与叶片正面和背面的b值相关性不显著，且不同烟叶部位之间差异较大。这与本研究结果略有差异，其原因可能是由于烟叶品种、鲜烟叶素质以及色差计型号不同所致。本研究对烘烤过程中烤烟叶片各颜色参数与主要化学成分的回归分析表明，烘烤过程中通过色差计定量烟叶颜色参数可以实现叶绿素、类胡萝卜素、淀粉和蛋白质等大分子物质含量的动态监测。而且在其他农作物或农产品中的研究也表明，利用颜色参数估算色素进行化学成分分析打破了品种等因素的限制，具有快捷、精确的效果[11-13]。因此，通过对烘烤过程中烟叶颜色参数的量化，建立烘烤过程中烟叶水分及化学成分变化模型，可以精确跟踪或控制烟叶烘烤过程中的物质转化和水分散失，进而为烘烤工艺的实施提供支持。

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