利用低场核磁共振分析烘烤过程烟叶水分迁移干燥特性

宋朝鹏，魏硕，贺帆，陈二龙，王建安，任天宝，宫长荣，田斌强

河南农业大学烟草学院，郑州 450002

利用低场核磁共振分析烘烤过程烟叶水分迁移干燥特性

宋朝鹏，魏硕，贺帆，陈二龙，王建安，任天宝，宫长荣，田斌强

河南农业大学烟草学院，郑州 450002

为探究烘烤过程烟叶水分状态及迁移变化规律，以上部叶为试验材料，利用低场核磁共振技术分别对烘烤过程烟叶叶片和主脉进行弛豫特性及质子密度成像分析。结果表明：（1）叶片含有自由水、半结合水和结合水3种状态水分，主脉含有自由水、半结合水2种状态水分，烘烤过程烟叶主脉各对应状态水分流动性大于叶片；（2）42～48℃和54～60℃分别为叶片和主脉水分状态迁移变化的关键时期；烘烤过程烟叶叶片和主脉中自由水最先被干燥去除，而半结合水和结合水需要转化为自由水才能散失，其中少量结合水难以通过干燥脱除。（3）烘烤过程主脉水分由“主脉—侧脉—叶片”通道迁移效率较高，由主脉直接向叶片转移效率较低；另外，叶片厚度收缩率和主脉直径收缩率分别与其自由水散失规律密切相关。研究揭示了烘烤过程烟叶的干燥特性，可以为其烘烤工艺优化提供理论依据。

低场核磁；烟叶；烘烤；水分状态；迁移特性

烟叶烘烤是烟叶脱水干燥的物理过程与内部生物化学变化过程的协调统一；烘烤过程中主脉水分向叶片组织迁移[1]，其水分状态主要为自由水[2]，而这部分水及其状态会影响叶片的生理代谢[3-6]，从而影响烤后烟叶的品质[5-7]；因此，研究烘烤过程烟叶内部的水分状态及迁移变化，对探究烟叶水分代谢干燥特性具有重要意义。低场核磁共振（low- fi eld NMR）是一种快速、无损、非侵入的检测技术，包括核磁共振波谱分析（MRS）技术和核磁共振成像（MRI）技术，是目前研究农产品加工过程水分状态及分布迁移变化的常用手段之一[8-12]。该技术在烟草领域的应用不多，多集中在检测烟丝含水率[13]和烘烤过程主脉含水率[14]，而应用于烤烟烘烤过程水分状态及迁移特性的研究尚未见报道。本试验拟通过利用低场核磁共振技术分析烟叶烘烤过程叶片和主脉水分状态及迁移变化，为揭示烟叶失水干燥机理及优化烘烤工艺提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

2016年9月于国家烟草栽培生理生化研究基地洛阳试验站试验田选取试验材料，试验田土壤肥力中等，供试品种为秦烟96，行距120 cm，株距55 cm，规范化种植管理，选取株高一致、留叶数18片、烟叶叶色均匀、呈典型“中棵烟”特征的烟株挂牌标记，选取叶面积大小基本一致的上部叶（第16叶位）为试验材料，烟叶落黄成熟时按照叶位单叶采收。

1.2 试验方法

1.2.1 样品制备

将采收的烟叶均匀悬挂于电热式温湿自控密集烤烟箱（江苏科地现代农业有限公司）中，按照三段式烘烤工艺[15]烘烤；分别在烘烤的0 h，48 h，66 h，84 h，96 h，114 h，128 h和160 h取样，依次对应干球温度38℃，42℃，45℃，48℃，54℃，60℃和68℃稳温结束时刻；取样部位见图1，每个取样节点取3次重复。

图1 烟叶取样位置示图Fig.1 Schematic diagram of sampling position of tobacco leaves

1.2.2 自旋-自旋弛豫特性分析

利用上海纽迈电子科技有限公司MicroMR23-025V低场核磁仪（共振频率23.347 MHz，探头线圈直径25 mm，磁体温度控制在31.99-32.01 ℃）检测烘烤过程中烟叶水分状态及含水率（FW）变化，每次在烟叶中部（图1）取主脉样品（长1 cm小段）和叶片样品（长宽为5×1.5 cm小片，2片）进行检测，CPMG序列参数：主频SF=23 MHz，偏移频率O1=348655.79 Hz，重复采样等待时间TW=5000 ms，接收带宽SW=200 KHz，采样点数TD=720154，回波个数NECH=18000，回波时间TE=0.2 ms，90度脉冲时间P1=7 μs，180 度脉冲时间P2=15 μs，累加采样次数NS=16，RFD=0.02 ms，模拟增益RG1=20 db，数字增益DRG1=3。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。

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为对应于A2i的弛豫时间常数。

1.2.3 低场核磁成像（LF-MRI）

利用上海纽迈电子科技有限公司MesoMR23-60H-I核磁成像仪（共振频率：23.423 MHz，探头线圈直径60 mm，磁体温度控制在31.99-32.01℃，）检测烘烤过程烟叶水信号分布变化，每次随机用刀片在烟叶中部（图1）切取样品（1.5×8 cm）进行检测，成像面为垂直于烟叶样品的中间位置。使用T2加权成像序列，多重自旋回波成像MSE序列参数：视野FOV=100 mm×100 mm，重复时间TR=500 ms，回波时间TE=20 ms，选层厚度SW=13.6 mm，采样次数NS=4，矩阵256×256，经傅立叶重建后统一映射，将图像转换成伪彩图进行比对分析。

1.2.4 烟叶形态收缩指标测定

利用10mm打孔器在烟叶中部（图1）取叶片样品，利用浙江托普仪器有限责任公司植物叶片厚度仪（精度为0.01 mm）测定叶片厚度；在烟叶中部（图1）取下主脉样品，利用广州一思通电子仪器厂ETB-05B激光测径仪测定主脉直径。

叶片厚度收缩率计算公式如下：

式中：TS为叶片厚度收缩率，%；h1为鲜叶片厚度，mm；h2为取样叶片厚度，mm。

主脉直径收缩率计算公式如下：

式中：DS为主脉直径收缩率，%；d1为鲜主脉直径，mm；d2为取样主脉直径，mm。

1.3 数据处理

试验结果利用Microsoft Excel 2010软件进行数据统计，利用Origin 9.32软件作图，利用SPSS 23.0进行相关性分析，利用Adobe Photoshop CC对图像进行编辑处理。

2 结果与讨论

2.1 鲜烟叶T2弛豫图谱

图2 鲜烟叶T2弛豫图谱Fig.2T2relaxation spectra of fresh tobacco leaves

核磁共振T2弛豫图谱呈现出多组分特征，代表不同的水分状态，通常将弛豫时间最长的组分T23定义为自由水，将弛豫时间较长的组分T22定义为半结合水，弛豫时间最短的组分T21定义为结合水水[9-11]，不同物料T2反演谱图存在一定差异，Xu等[11]利用核磁共振检测胡萝卜水分过程中得到结合水、半结合水和自由水3种状态水分；要世瑾等[16]利用核磁共振检测小麦叶片和茎秆水分过程中得到结合水和自由水2种状态水分。本试验以烟叶为材料的T2弛豫图谱显示，鲜烟叶叶片中含有3种状态的水分（图2），分别为结合水T21（0.03 ms～0.43 ms），半结合水T22（0.43 ms～8.11 ms） 及 自 由 水T23（8.11 ms～151.99 ms），鲜烟叶主脉中含有2种状态的水分，相对叶片各状态水分弛豫时间而言，分别为半结合水T22（0.66 ms～18.74 ms）和自由水T23（18.74 ms～811.13 ms）。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[17]，烟叶叶片与主脉水分状态组成的差异，可能是因为叶片作为烟叶物质积累的主要部位，其内含物质成分含量或种类多于主脉[18]。

2.2 烟叶叶片烘烤过程T2弛豫图谱

图3 烘烤过程烟叶叶片和主脉T2弛豫图谱Fig.3 T2relaxation spectra of tobacco blade and midrib during flue-curing

弛豫时间反映了H质子的自由度，横向弛豫时间越小，H质子所受束缚力越大，水分流动性越弱，反之，则水分流动性越强；与鲜烟叶叶片相比，45 ℃、48 ℃叶片的结合水T21流动性增大，54 ℃时减小（图3-A），38～45 ℃时叶片的半结合水T22流动性增大，48℃时流动性减小；38～42 ℃主脉的半结合水T22流动性逐渐减小（图3-B），45～48 ℃逐渐增大，且均大于鲜烟叶，68 ℃相比60 ℃主脉半结合水流动性减弱；烘烤过程叶片的自由水T23和主脉的自由水T23均呈流动性逐渐减小趋势，可能是自由水中流动性较强的那部分水散失，使流动性较弱的那部分水所占比例升高，进而引起整体弛豫时间减小[19]；从烟叶不同部分来看，烘烤过程叶片的半结合水和自由水的流动性弱于主脉，这也为烘烤过程主脉水分向叶片迁移提供条件。

2.3 烟叶烘烤过程不同状态水分含量变化

图4 烘烤过程烟叶不同状态水分信号幅值变化Fig.4 Changes of different moisture phase state content in tobacco leaves during flue-curing

烟叶叶片和主脉总水分信号幅值A20呈逐渐减小的趋势（图4-A），说明了烟叶水分逐渐散失；烘烤过程叶片的结合水信号幅值A21均大于鲜烟叶叶片（图4-B），38℃和48℃结合水信号幅值相比前一叶片样品增大4倍左右；叶片的半结合水信号幅值A22在38℃时增大（图4-C、图4-D），42～45℃期间由于弛豫时间增大，全部转化为自由水，主脉的半结合水信号幅值A22在54℃时也表现相同的现象，说明烟叶叶片和主脉的半结合水不稳定，它是烟叶叶片和主脉中结合水或自由水波动的原因，这与Xu等[11]研究胡萝卜烘烤中水分状态变化现象一致。水分与细胞亲水性物质之间作用力大小决定了水分状态存在形式[20-22]，而42～45℃期间叶片和54℃时主脉半结合水转化为自由水，可能是该时期其对应细胞亲水性大分子物质被降解成小分子物质或被消耗[23]，半结合水所受束缚力减弱，使其转化成流动性较大的自由水，其对应弛豫时间T22增大证实了这一点；而48℃时叶片和60℃时主脉自由水转化为半结合水，可能是随着烟叶叶片和主脉细胞失水程度增加，细胞质的浓度增大，一部分自由水所受束缚力增大转化成半结合水[19]，其对应弛豫时间T22减小印证了这一点。通过烟叶不同状态水分的弛豫时间、信号幅值变化可以看出，烟叶失水干燥表现为：烘烤过程中自由水首先散失减少，半结合水通过转化为自由水而散失，而结合水大部分最终通过转化为半结合水或自由水而散失，少部分由于与物质结合紧密，难以通过干燥脱除[24]。

2.4 烘烤过程烟叶核磁成像

图5 烘烤过程烟叶T2加权成像Fig.5T2weighted image of tobacco leaves during flue-curing

鲜烟叶信号强度主脉＞侧脉＞叶片（图5），表明主脉水分含量最高，侧脉次之，叶片最低；烘烤过程中烟叶叶片、侧脉、主脉信号强度依次减弱消失，表明叶片失水干燥较快，侧脉次之，主脉失水较慢；烘烤过程中主脉内部水分分布表现为：主脉边缘位置信号强度弱于中间位置，主脉与侧脉连接的一侧信号弱于远离侧脉的一侧，侧脉内部水分分布表现为与主脉连接的一侧信号较强，远离主脉的一侧水分信号减弱较快，叶片内部水分分布表现为与侧脉、主脉连接较近一侧信号较强，而远离侧脉、主脉的一侧水分信号减弱较快，表明烟叶内部水分迁移包含主脉直接向叶片转移和主脉经侧脉向叶片转移两种方式；其中烟叶水分由“主脉—侧脉—叶片”通道的迁移效率较高，主要是其运输方式引起的，前者水分是以渗透扩散的方式迁移，后者则以维管束运输的方式迁移[25]。42 ℃、54 ℃主脉远离侧脉的一侧水分发生集结，使信号有所增强，可能是此时主脉收缩水分迁移聚集引起的，而54℃信号有所增强也可能是烟叶叶片及侧脉逐渐失水干燥，干湿界面已经退缩到主脉表面，主脉向叶片水分迁移通道逐渐封闭引起水分的滞流[26-27]，可见叶片干燥过快将不利于主脉水分的迁移散失，而此时需要更高的温度加快主脉的失水干燥。

2.5 干燥过程烟叶形态收缩变化分析

图6 干燥过程中烟叶形态变化Fig.6 Changes in states of tobacco leaves during drying process

叶片厚度收缩率TS和主脉直径收缩率DS呈逐渐增大趋势（图6），叶片厚度收缩率增幅呈由慢-快-慢的变化规律，主脉直径收缩率增幅由慢-快的变化规律；烘烤过程中烟叶的形态变化反映了烟叶的失水干燥程度[28]，由表1可知，干燥过程中烟叶叶片厚度收缩率、主脉直径收缩率分别与其总信号幅值A20呈极显著负相关（P＜0.01），说明烟叶形态变化与烟叶的失水规律相一致。叶片厚度收缩率、主脉直径收缩率分别与其自由水信号幅值A21之间呈极显著负相关（P＜0.01），可能是烟叶叶片、主脉中自由水比例较高，维持细胞的形态轮廓，再者烘烤过程中自由水首先散失，半结合水和结合水通过转化为自由水而散失，进而使叶片、主脉形态收缩变化分别与其失水规律相一致。

3 结论

（1）烟叶不同部位水分状态组成不同，叶片含有结合水、半结合水、自由水3种状态水分，烟叶主脉含有半结合水、自由水2种状态水分；烘烤过程烟叶主脉水分的流动性大于叶片各对应状态水分的流动性，烟叶主脉水分向叶片迁移，由“主脉—侧脉—叶片”的通道迁移效率较高，而由主脉直接向叶片转移效率较低。

（2）烘烤过程烟叶不同部位水分状态变化有所差异，42～48 ℃为烟叶叶片水分状态迁移变化的关键时期，54～60 ℃为主脉水分状态迁移变化的关键时期；烘烤过程烟叶叶片和主脉水分散失表现为流动性较弱的水向流动性强的水转化而散失的过程。

（3）烘烤过程烟叶叶片厚度收缩率、主脉直径收缩率分别与其失水规律相一致，烟叶叶片和主脉的形态收缩与其自由水的散失变化关系密切。

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Analysis of moisture migration and drying characteristics of tobacco during fl ue-curing by low fi eld NMR

SONG Zhaopeng, WEI Shuo, HE Fan, CHEN Erlong, WANG Jianan, REN Tianbao, GONG Changrong, TIAN Binqiang*
College of Tobacco Science, Henan Agricultural University, Zhengzhou 450002

In order to study changes of moisture and migration characteristics of tobacco during curing process, tobacco upper leaves were used as test material in this study.Relaxation properties and proton density imaging of tobacco blade and tobacco midrib were analyzed by low fi eld nuclear magnetic resonance technology during curing process.Results showed that tobacco blade contained 3 kinds of water phase, namely free water, immobilized water and bound water, and tobacco midrib contained 2 kinds, namely free water and immobilized water, and the mobility of each water phase in tobacco midrib was stronger than in tobacco blade during curing.The key period of water phase transition variations of tobacco blade and tobacco midrib was 42～48℃ and 54～60℃ .Free water of tobacco blade and tobacco midrib was removed by drying at fi rst stage of curing.Immobilized water and bound water were dehydrated by converting into free water and part of bound water was dif fi cult to be removed by drying.Water migration channel of tobacco from tobacco midrib through lateral vein to tobacco blade had higher water migration ef fi ciency, while water migration channel of tobacco from tobacco midrib to tobacco blade had lower water migration ef fi ciency.The shrinkage rate of tobacco blade thickness and tobacco midrib diameter were consistent with the dehydration rule of their free water.The paper revealed the drying characteristics of tobacco during curing, and could provide a theoretical basis for optimizing curing technology.

low- fi eld NMR; tobacco leaf; fl ue-curing; moisture phase; migration characteristics

宋朝鹏，魏硕，贺帆，等.利用低场核磁共振分析烘烤过程烟叶水分迁移干燥特性[J].中国烟草学报，2017, 23（4）

中国烟草总公司云南省公司资助项目（2016YN10，2015YN20）

宋朝鹏（1978—），博士，副教授，主要从事烟草调制与加工研究，Tel：0371-63555763，Email：ycszp@163.com

田斌强（1976—），博士，讲师，主要从事烟草工程教学及研究，Tel：0371-63555763，Email：muzhuantian@sina.com

2017-03-02；< class="emphasis_bold">网络出版日期：

日期：2017-06-02

：SONG Zhaopeng, WEI Shuo, HE Fan, et al.Analysis of moisture migration and drying characteristics of tobacco during fl uecuring by low fi eld NMR [J].Acta Tabacaria Sinica, 2017, 23(4)

*Corresponding author.Email：muzhuantian@sina.com