低场核磁共振法测定烘烤过程中烟叶水分

宋朝鹏，李生栋，魏 硕，谭方利，吴文信，许清孝，李宏光，方 明

（1.河南农业大学烟草学院，郑州 450002；2.湖南省烟草公司郴州市公司，湖南 郴州 423000）

低场核磁共振法测定烘烤过程中烟叶水分

宋朝鹏1，李生栋1，魏 硕1，谭方利2，吴文信2，许清孝2，李宏光2，方 明2

（1.河南农业大学烟草学院，郑州 450002；2.湖南省烟草公司郴州市公司，湖南 郴州 423000）

为全面了解烘烤过程烟叶不同位置水分变化，提高烘烤过程中烟叶水分检测效率，以秦烟96品种上部叶为材料，利用低场核磁共振技术分别对烘烤过程烟叶叶片、主脉水分含量进行检测，并与烘箱法进行对比分析。结果表明：（1）烟叶不同位置弛豫图谱显示，烟叶叶片含有3种状态水分，分别为T21（0.1～1 ms）结合水、T22（1～10 ms）半结合水、T23（100～1000 ms）自由水，烟叶主脉含有2种状态水分，分别为T21（1～10 ms）结合水，T22（100～1000 ms）自由水。（2）烟叶叶片、主脉总信号幅值与其水分质量、干基含水率呈极显著正相关（决定系数R2依次为0.9847、0.9929、0.9952，P＜0.01）。（3）与烘箱法相比，低场核磁共振法检测稳定性较好，适用于烘烤过程中烟叶叶片和主脉水分的快速、精确检测分析。

低场核磁；烘烤；烟叶；水分

烘烤过程烟叶水分变化影响其内在生理化学反应，决定着烟叶的烘烤品质[1-3]，水分的快速检测有利于及时掌握烘烤过程烟叶干燥状况、调整烘烤参数。烘箱法是烘烤过程中烟叶水分测定的常用方法，但其检测耗费时间较长，无法得到即时的含水率信息，而且加热会导致物质挥发或性质改变[4]，影响检测结果的准确性；红外水分检测技术容易受到物料表观性质和检测环境影响，检测误差略大[5]；气相色谱法[6]或卡尔费休法[7]经测定结果较为精确，但其操作复杂繁琐；同时上述这些方法均不能提供物料水分的详细情况。核磁共振（NMR）是一种精准、快速、无损的检测技术，是目前较为理想的测量水分工具[8]，在农产品加工领域研究应用较多[9-14]，而在烟叶烘烤过程水分检测研究尚不多见。本试验拟通过分析低场核磁对烘烤过程烟叶叶片和主脉水分的检测效果，为烟叶水分的实时监测及实现精准烘烤提供借鉴。

1 材料与方法

1.1样品制备

2016年9月于河南省洛阳市国家生理生化研究基地洛宁试验站试验田选取鲜烟叶，供试品种秦烟96，按照当地优质烤烟生产技术规范种植，部位为上部叶（第14～15位叶），正常成熟落黄；烘烤过程中相关温（湿）度按照三段式烘烤工艺[15]进行设定，分别对鲜烟及烘烤关键温度点结束时进行取样（如：干球 38 ℃，湿球36 ℃，烟叶变黄八成，叶片发软；干球 42 ℃，湿球36～37 ℃，烟叶黄片青筋，主脉发软；干球45 ℃，湿球37 ℃，支脉变黄勾尖卷边；干球48 ℃，湿球37～38 ℃，主脉变黄勾小卷筒；干球54 ℃，湿球39 ℃，叶片全干、大卷筒；干球62 ℃，湿球39 ℃，主脉干燥1/2左右；干球68 ℃，湿球40 ℃，主脉基本干燥），在烟叶中间位置用刀片切取主脉样品（长1 cm小段）和叶片样品（长宽为5 cm×1.5 cm小片，2片），用烘箱干燥及低场核磁T2弛豫信息检测，取样检测重复3次。

1.2试验仪器

DH-9076A精宏电热恒温鼓风干燥箱（精度为±1 ℃，上海精宏实验设备有限公司）；FA2004电子天平（精度为0.1 mg，上海舜宇恒平科学仪器有限公司）；MicroMR23-025V低场核磁仪（共振频率23.347MHz，探头线圈直径25 mm，磁体温度控制在31.99～32.01 ℃，上海纽迈电子科技有限公司）。

1.3含水量测定方法

1.3.1 烟叶水分指标测定 参照YC/T31—1996[16]的烘箱法进行测定，以烟叶样品初始和绝干质量，计算烟叶样品水分质量、湿基含水率和干基含水率，绝干质量为3次连续称量（间隔3 min）数值基本一样。

1.3.2 低场核磁共振法 利用低场核磁仪（LF-NMR）检测烟样水分，CPMG序列参数：SF=23MHz，O1=348655.79 Hz，TW=5000 ms，PRG=3，SW=200 KHz，TD=720154，NECH=18000，TE=0.2 ms，P1=7 µs，P2=15 µs，NS=16，RFD=0.02 ms，RG1=20 db，DRG1=3。使用迭代寻优的方法将采集到的T2衰减曲线进行拟合并反演可以得到样品的T2弛豫信息，包括弛豫时间及其对应的弛豫信号分量，对部分结果进行科学去噪处理[17]。

式中：M（t）为随时间t衰退的回波峰值；n为指数拟合的个数；A2i为各弛豫组分的信号强度；T2i对应于A2i的弛豫时间常数。

1.4数据处理

由于烟叶烘烤过程中需要定时对烟叶叶片与主脉分别取样，在实时取样时难以控制每次取样量，为提高取样的准确性，对试验数据进行归一化处理[18]，消除干物质的影响，得到单位质量样品对应的水分信号幅值。

信号幅值（波谱峰面积）归一化处理可描述为：

式中：A2y为归一化处理后的信号幅值；A2X为所取样品反演后的信号幅值；m为所取样品绝干质量（g）。

试验结果用Microsoft Excel 2010及SPSS 23.0软件进行数据统计分析。

2 结 果

2.1烘烤过程中烟叶弛豫图谱

低场核磁共振波谱法是通过傅里叶公式把试验样品的磁共振信号变换成波谱（频率）的一种微观分析方法。由图1A可以看出，叶片的T2图谱中有3个明显的峰，即将其划分为3种水分状态，分别为：T21（0.1～1 ms）为结合水、T22（1～100 ms）为半结合水，T23（10～1000 ms）为自由水[10,18-19]；由图1B可以看出，主脉的T2图谱中有2个明显的峰，即将其划分为2种水分状态，分别为：T21（1～10 ms）为结合水、T22（10～1000 ms）为自由水。反演谱每个峰所覆盖的信号幅值间接表征对应状态水分的相对含量[10]，通过不同弛豫组分信号幅值增减反映烘烤过程中烟叶叶片主脉中不同状态水分含量的变化。

2.2烘烤过程中烟叶水分含量测定

核磁共振（NMR）总信号幅值（A20）与检测样品中的氢质子的数量成正比，所以总信号幅值表征对应样品中的总水分质量[10]。从图2可以看出，T2弛豫谱总幅值（A20）与烟叶样品中的水分质量具有明显的线性关系。由此可见，通过T2弛豫谱总信号幅值可以较精准的求得烘烤过程中烟叶样品的水分质量。线性回归方程为：y=13847x+384.06（R2=0.9847，P＜0.01），x为烟叶样品中水分质量；y为其T2弛豫谱总信号幅值。

图1烘烤过程中烟叶横向弛豫时间T2反演谱Fig. 1 Inversion spectra of lateral relaxation time of tobacco leaves during curing

图2核磁总信号幅值（A20）与烟叶样品水分质量线性分析Fig. 2 The linear analysis between the total signal amplitude and water mass of tobacco samples

由图3 A、图3 B看出，经归一化处理后，烟叶叶片和主脉的干基含水率分别与对应核磁共振总信号幅值（A20）呈明显的线性关系。由此可见，通过T2弛豫谱总信号幅值可以较精准地求得烘烤过程中烟叶叶片、主脉的含水率。叶片总信号幅值（A20）与干基含水率线性回归方程为：y=15326x+96.141，（R²=0.9929，P＜0.01），x为叶片样品干基含水率，y为其T2弛豫谱总信号幅值；主脉总信号幅值（A20）与干基含水率线性回归方程为：y=13495x+77.347，（R²=0.9952，P＜0.01），x为主脉样品干基含水率，y为其T2弛豫谱总信号幅值。

2.3低场核磁共振法与烘箱法水分检测对比

从表1结果对比可以看出，烟叶叶片与主脉采用低场核磁共振法检测结果高于烘箱法，结果差异基本在1%以内；烟叶含水率检测结果显示，烟叶叶片与主脉采用低场核磁共振法检测结果高于烘箱法，54 ℃时采用低场核磁共振法检测结果比烘箱法高1.12%，差异略大。由表2可以看出，两种方法检测结果的标准差（SD）、变异系数（CV）均较小，说明烘箱法和核磁共振法的结果都具有稳定性，其中核磁共振法的稳定性相对较好，从而证明了核磁共振法适用于烟草叶片及主脉水分的检测。

3 讨 论

水分通常与物料内部亲水性胶体物质结合，水分的状态差异与其所处的化学环境有关，流动性最差的水通常存在于细胞质中，与细胞骨架和高浓度细胞溶质结合，流动性较强的水通常存在于液泡、细胞间隙或导管中，与低分子量化合物结合[20]；烟叶叶片含有3种状态水，主脉含有2种状态水，烟叶叶片与主脉水分状态类型的差异，可能是因为叶片作为烟叶物质积累的主要部位，而主脉主要作为烟叶水分运输部位，叶片内含物质成分含量或种类多于主脉[21]。

研究显示，烟叶叶片与主脉采用低场核磁共振法检测结果高于烘箱法，可能是叶片油分等杂质的干扰信号引起的[13]，也可能是烘箱法测定烟叶水分的过程中，烟样内部少部分结合水无法彻底烘干去除造成的[9,22]。54 ℃时叶片采用低场核磁共振法检测结果比烘箱法高1.12%，波动相对略大，可能是此时水分大量散失，油分信号比例增加引起的；再者由于烘箱法检测过程中较高的温度干燥，会造成烟叶部分油分等物质的热解挥发[4,23]，而且随着烟叶含水率的逐渐减少，高温烘干时间缩短，这都可能是烘箱法测定稳定性相对较差的原因。

图3T2弛豫谱总信号幅值（A20）与烟叶干基含水率线性分析Fig. 3 The linear analysis between the total signal amplitude and dry basis moisture content of tobacco leaves

表1低场核磁共振法与烘箱法测定的含水率对比Table 1 Comparison of moisture content in LF-NMR method and oven method %

表2低场核磁共振法与烘箱法检测含水率平行试验Table 2 Parallel experiment using LF-NMR and oven method for the detection of moisture content %

4 结 论

核磁弛豫谱反演结果显示，烟叶叶片和主脉水分组成不同；通过核磁总信号幅值的增减可以清楚地反映烟叶叶片、主脉内部水分含量变化；低场核磁共振法水分检测具有较好的稳定性，适用于烘烤过程中烟叶水分的快速、准确检测。

[1] 宫长荣，王晓剑，马京民，等. 烘烤过程中烟叶的水分动态与生理变化关系的研究[J]. 河南农业大学学报，2000，34（3）：229-231.

[2] 王晓宾，孙福山，徐秀红，等. 上部烟叶带茎烘烤中主要化学成分变化[J]. 中国烟草科学，2008，29（6）：12-16.

[3] 王传义，张忠锋，徐秀红，等. 烟叶烘烤特性研究进展[J]. 中国烟草科学，2009，30（1）：38-41.

[4] 潘永康，王喜忠. 干燥技术[M]. 北京：化学工业出版社，1998.

[5] 邱军，张怀宝，宋岩，等. 近红外光谱分析技术在烟草行业的应用[J]. 中国烟草科学，2008，29（1）：5-59.

[6] 伍锦鸣，彭斌，刘克建，等. 气相色谱法测定烟草含水率[J]. 烟草科技，2012（12）：40-51.

[7] 国家烟草专卖局. 烟草及烟草制品水分的测定-卡尔费休法GB/T 23357[S]. 北京：中国标准出版社，2009.

[8] 祝树森，张绪坤，黄俭花，等. 干燥过程物料内部水分无损检测技术[J]. 食品工业科技，2012（8）：409-411，415.

[9] 李然，陈珊珊，俞捷，等. 应用低场核磁共振技术测定茶叶含水量[J]. 茶叶科学，2010，30（6）：440-444.

[10] 张绪坤，祝树森，黄俭花，等. 用低场核磁分析胡萝卜切片干燥过程的内部水分变化[J]. 农业工程学报，2012，28（22）：282-287.

[11] 陈琳莉，李侠，张春晖，等. 低场核磁共振法测定五种肉类中不同状态水分含量[J]. 分析科学学报，2015，31（1）：90-94.

[12] 张明辉，李新宇，周云洁，等. 利用时域核磁共振研究木材干燥过程水分状态变化[J]. 林业科学，2014，50（12）：109-113.

[13] 梁国海，刘百战，朱仲良，等. 应用低场核磁共振技术分析烟丝样品含水率的方法[J]. 中国烟草学报，2014，20（5）：6-11.

[14] 周凝，刘宝林，王欣. 核磁共振技术在食品分析检测中的应用[J]. 食品工业科技，2011，32（1）：325-329.

[15] 国家烟草专卖局. 烟草及烟草制品试样的制备和水分的测定-烘箱法YC/T 31—1996[S]. 北京：中国标准出版社，1996.

[16] 宫长荣，周义和，杨焕文. 烤烟三段式烘烤导论[M]. 北京：科学出版社，2006.

[17] 王红敏，聂生东，王远军. 低场核磁共振信号降噪方法研究进展[J]. 中国医学物理学杂志，2013，30（4）：4261-4265.

[18] 王相友，魏忠彩，孙传祝，等. 胡萝卜切片红外辐射干燥水分迁移特性研究[J]. 农业机械学报，2015，46（12）：240-245.

[19] 宋平，杨涛，王成，等. 利用低场核磁共振分析水稻种子浸泡过程中的水分变化[J]. 农业工程学报，2015，31（15）：279-284.

[20] 王雪媛，高琨，陈芹芹，等. 苹果片中短波红外烘烤过程中水分扩散特性[J]. 农业工程学报，2015，31（12）：275-281.

[21] 孙建锋. 烤烟叶片不同区位生理特性及理化指标的比较研究[D]. 郑州：河南农业大学，2006.

[22] 任广跃，曾凡莲，段续，等. 利用低场核磁分析玉米干燥过程中内部水分变化[J]. 中国粮油学报，2016，31（8）：95-99.

[23] 王爱华，杨斌，管志坤，等. 烤烟烘烤与烟叶香吃味关系研究进展[J]. 中国烟草学报，2010，16（4）：92-97.

Determination of Moisture in Tobacco Leaves during Curing Process by Low-field NMR

SONG Zhaopeng1, LI Shengdong1, WEI Shuo1, TAN Fangli2, WU Wenxin2, XU Qingxiao2, LI Hongguang2, FANG Ming2
(1. College of Tobacco Science, Henan Agricultural University, Zhengzhou 450002, China; 2. Chenzhou Company of Hunan Tobacco Company, Chenzhou, Hunan 423000, China)

In order to fully understand the change of moisture content in different positions of tobacco leaves during curing process, and to improve the moisture detection efficiency of tobacco leaf during curing, using the upper leaf of Qinyan96 as test material, Low-field NMR was used to determine the moisture content in lamina and midrib. The results were compared with those determined by a conventional oven method. The results showed that： (1)The map of different positions of tobacco leaves showed that there were 3 states of water in lamina, bound waterT21(0.1-1 ms), semi-bound waterT22 (1-10 ms) and free waterT23 (100-1000 ms). There were 2 states of water in midrib, bound waterT21(1-10 ms) and free waterT22(100-1000 ms). (2)The inversion spectrum of lamina and midrib has an extremely significant positive correlation with the water mass and moisture content of dry base (the coefficient of determination are in turn 0.9847, 0.9929, 0.9952,P＜0.01). (3) Comparing with the conventional oven method, the stability of Low-field NMR was better, which is suitable for rapid and accurate detection of the lamina and midrib moisture content of tobacco leaves during curing.

low-field NMR; flue-curing; tobacco leaves; moisture

TS44+1

1007-5119（2017）03-0056-05 DOI：10.13496/j.issn.1007-5119.2017.03.010

湖南省烟草公司郴州市公司项目“特殊烟叶烘烤技术研究”（201543100094001）

宋朝鹏（1978-），男，博士，副教授，主要从事烟草调制与加工研究。E-mail：ycszp@163.com

2016-12-04

2017-02-28