烟叶烘烤的理论与实践

杨 树 勋

(甘肃省烟草公司陇南市公司，陇南 746000)

烟草是一种特殊的经济作物，其生产加工过程比较复杂，而烘烤是烟草生产的关键技术环节。烟草烘烤的理论基础是烟草调制学，是烟草学的重要组成部分，主要研究烟叶成熟和调制过程中的规律、烟叶质量形成的本质及所需要的条件，并设计最适宜的调制工艺技术。长期以来，许多学者对烟草烘烤的实践进行了探索与总结，对烟草烘烤的理论进行了大量研究，并将成果应用到实践中，对提高烟叶产、质量做出了积极的贡献。但由于烟草烘烤的复杂性，人类对烟草烘烤的认识还不够深入，因此探寻烟草烘烤机理，寻找影响烟草烘烤的核心要素，对人类认识烟草烘烤规律，实现智能化烘烤具有积极意义。

1 烟草烘烤理论研究现状

自发明与现代烘烤方法相近的火管烤烟以来，人类应用科技手段，经过大量实践，归纳总结出了一套烟叶烘烤理论及与之相对应的烘烤工艺，形成了一门独立的学科。特别是对烟叶烘烤过程中生理生化反应、烟叶内在质量的形成、烟叶变黄现象、烟叶变褐机理进行了长期的研究，对影响烟叶烘烤质量的各项外部条件(烤房温度、湿度、通风)研究也取得了一定进展，形成了一套系统完整的烟叶烘烤理论和技术体系。至20世纪末，我国具有代表性的烟草烘烤教科书有《烟草调制学》(1985)、《烟叶烘烤原理》(宫长荣，1994)。2003年我国又编写出版了《烟草调制学》(宫长荣)，2011年又进行了修订，其代表了我国烟草烘烤理论的最新水平[1]。虽然人类对烟草烘烤理论取得了一定认识，对烟草生产起到了积极的促进作用，但人类对烟草烘烤的认识还不够深入。因为现行的烘烤理论主要描述的是烘烤过程中烟叶变黄的现象，是对特定装烟方式下外部条件如环境温度、湿度、风量(通风)与变黄关系的观察与总结，没有发现烟叶变黄的内在规律或普遍性原理，当装烟方式发生变化时就可能失灵。因而具有局限性，也不能回答四个根本问题：一是烘烤过程中烟叶变黄的根源；二是影响烟叶变黄的核心要素及其作用机理；三是如何实现对烟叶密度的无差别烘烤；四是烟草烘烤的普遍性原理及技术。从理论上，现行的烘烤理论不能回答烟叶变黄的根源问题，从技术上，现有的烘烤工艺没有定量的、规定性的、普遍适用的核心技术指标，不能有效解决高密度烟叶烘烤问题。且需要根据地域、品种、气候以及烟叶在烟株上着生部位进行归纳总结，重新制定烘烤工艺。很多新技术如集中供热、余热共享、纳米保温涂料等只是设备的更新。因此，现行的烘烤理论及烘烤工艺只能算是烘烤技术或经验科学，其侧重的是对烟叶变黄现象的描述。对生理生化反应的研究虽能够解释烟叶变黄现象，但在基本理论和技术上没有实质性突破，还不是严格意义上的烘烤科学。因其没有基本的生物学原理作支撑，没有提炼出烟叶变黄的核心要素，没有揭示烟叶变黄的本质，并将烘烤实践上升为科学理论[2]。科学的烘烤理论注重的是机理的研究，可解析生理生化反应导致烟叶变黄的原因。

2 烟草烘烤理论的生物学基础

植物都具有生命周期，烟叶叶片组织都要经历出生和死亡，正常条件下都经过叶芽发生、旺盛生长、生理成熟、衰老、死亡五个过程[3]，每个过程都有其生长期。衰老死亡是它的基本生物学属性。

2.1 叶片的衰老机理及作用

植物的衰老是指一个器官或整个植株的生命功能衰退，代谢活动减弱，最终导致自然死亡的一系列恶化过程。在这个过程中，营养、核酸、自由基、内源激素、程序性细胞死亡(PCD)等发挥着关键作用。一是营养亏缺。植物进入生殖生长后，生殖器官成为一个很大的“库”。营养物质在植物体内循环时，通常将进行光合作用或合成有机物质的部位(如成熟的绿叶，也称为“源”)的营养物质不断地通过长距离运输转运到库，贮存备用，从而造成植物“源”的营养亏缺，导致营养体衰老。当摘除生殖器官后上部新叶成为“库”。二是核酸出错。DNA的裂痕或缺损造成复制、转录、翻译过程中的错误，导致蛋白质结构出现错误，无功能蛋白的积累导致衰老。同时由于核酸的分解大于合成，使核酸含量下降，核酸的结构出错或含量不足引发衰老。三是自由基积累。自由基极不稳定，化学性质极活泼，有极强的氧化能力，能持续进行链式反应，容易导致被攻击物结构的破坏，使DNA降解、膜脂过氧化加剧、蛋白质变性失活。四是内源激素失衡。脱落酸(ABA)、乙烯(ETH)、茉莉酸(JA)和茉莉酸甲酯(MeJA)增加，细胞分裂素(CTK)、赤霉素(GA)、植物生长素(IAA)、激动素(KT)等促进生长的激素浓度下降[4]。五是程序性细胞死亡。植物叶片的衰老死亡受基因的控制，是程序性死亡过程。植物选择性地使某些非要害细胞、组织和器官有序死亡，将不需要的细胞或组织通过自溶、裂解和木质化等方式主动撤退，不但可以减少这些细胞或组织对养分和水分的消耗，以确保生殖等要害组织的养分和水分，还可以将死亡细胞或组织自溶、裂解的养分进行重新利用，是植物为延续种群的自我保护功能[5]。

绿色植物叶片生理成熟后进入衰老期，随着衰老的加深，叶片从外观到内在结构都会发生一系列变化。一是叶色由绿变黄、再到枯黄，这是生理生化变化的外在反映。二是内部有机物含量发生改变。随着衰老的加深，蛋白质、淀粉、脂类、核酸和叶绿素含量下降，而氨基酸、还原糖含量上升[6，7]。三是器官衰老。这是植物衰老的基础，它的发生有一定的顺序性。在细胞衰老过程中细胞结构的破坏也有一定顺序，叶绿体破坏最早，其次是高尔基体和线粒体等，而质膜破坏较迟。因而叶片组织的衰老一般最先从下部叶、老叶开始，最明显的变化是叶色由绿变黄[7]。叶片衰老是在核基因控制下，细胞结构(叶绿体、细胞核等)发生高度有序解体、细胞内含物降解的过程。包括大量有序事件的发生，如有些植物的叶子是按照它们特有的发育顺序相继变黄、衰老、死亡和脱落，有些植物在某一段时间内形成的所有叶子会在同一时间全部衰老死亡。

2.2 叶片的死亡方式及结果

死亡是叶片组织生命周期的最后阶段，是其生命的永久性终止，符合自然界生命的基本属性。植物叶片有三种死亡方式：一是程序性细胞死亡。叶片组织程序性死亡后，细胞构架、膜结构被破坏，体积缩小，有机物被大量消耗成为枯叶、糟片。二是环境对组织结构的损伤。如植物组织受病虫害侵染、机械损伤、冻害或高温伤害造成的死亡。由于组织结构的损伤、膜结构被破坏，细胞内含物溢出被氧化。病虫害侵染、机械损伤导致的死亡造成的是病残叶，冻害导致的死亡造成的是水煮叶，高温伤害导致的死亡造成的是蒸片。三是通过失水的方式将原生质变为凝胶，酶失去活性，细胞死亡[8]。通过失水方式导致组织死亡的叶片细胞构架、膜结构完整，没有内含物溢出，颜色为黄色，内含物较充实，使用价值较高。程序性细胞死亡和环境对组织结构损伤导致组织死亡的叶片一般使用价值较低甚至无使用价值。

在衰老死亡过程中核基因通过调节内源激素、自由基、生理钟等控制叶片衰老死亡的强度和进程，并受温度、水分、病原体感染、伤害等环境因素的影响。内、外因子共同决定了叶片衰老死亡进程。

3 影响烟叶衰老及烘烤的核心要素

影响烟叶衰老及烘烤变黄的因素很多，其核心要素主要有核基因、烟叶组织温度、水分胁迫、流动性等。

3.1 核基因

核基因不但通过复制将遗传信息传递给下一代，而且控制着植物变化的方向，通过控制或调节内源激素、自由基、生理钟等来决定叶片衰老死亡的进程及生命代谢过程。植物进入衰老死亡阶段，说明植物上一个生命周期已经完成，结束了自己的阶段性使命。每种生物的生长发育都有特定的时间，有相应的衰老死亡期限。对于烟草叶片来说，其在大田生长的时间是有限的，当生长发育到一定时期就会开启衰老，进入衰老死亡阶段。根据在甘肃省陇南市的观察[9]，烟叶大田成熟需要一定的时间(即叶龄)，不同的部位叶龄不同，且对叶龄的反应具有差异。由于核基因及所处的位置，下部叶对叶龄的反应最为明显，进入衰老成熟的叶龄后下部叶会很快变黄、再到枯黄，而上部叶变黄过程却比较迟缓，即下部叶衰老开启的早但持续的时间短，而上部叶衰老开启的迟而延续的时间长，因此叶龄在下部叶田间成熟采收及烘烤中具有重要意义。

3.2 烟叶组织温度

在烟叶烘烤中环境温度、湿度是手段，最关键的是烟叶组织温度。烟叶组织温度的作用：一是达到(水解及呼吸)酶活性要求的温度；二是提供生理生化反应的活化能；三是降低原生质的粘滞性，提高底物的自由度；四是为叶片水分的蒸发提供动能，而水分的蒸发进一步提高水及亲水有机物的运动；五是高温诱发自由基产生，造成生物膜破坏；六是高温降低了植物叶片保护酶活性，使植物叶片抗逆性下降[10，11]；七是温度升高时，部分结合水挣脱亲水有机物的束缚转变为自由水，水分与有机物的自由度增大、代谢增强，衰老变黄加快。组织温度低时水分与有机物的自由度小、代谢弱，衰老变黄的速度慢、耗时长，大量有机物被呼吸消耗。烟叶组织温度过高就会烧坏烟叶，出现蒸片、发生棕色化反应。因此烟叶组织温度是烟叶烘烤的核心控制指标，烟叶变黄速度以及烟叶变黄后是否变褐直接受其影响，烘烤中要提高烟叶组织温度并将其控制在适宜的范围内。

3.3 水分胁迫

水是生命之源，缺水会引发并促进衰老基因的表达，水分胁迫下，细胞迅速感知外界信号使植物衰老加速[12]。水分胁迫的作用：一是可以促进植物内源激素ETH和ABA的合成，并使细胞膜的透性增加，加速呼吸作用，加快叶片中蛋白质和叶绿素的降解；二是引起氧化胁迫、积累活性氧，破坏叶绿素和加剧膜脂过氧化。叶绿素含量随水分胁迫程度的加深和胁迫时间的延长，均呈现下降趋势；三是造成叶内还原状态。谷胱甘肽还原酶受激，促进蛋白质降解和氨基酸活化，导致淀粉酶、蛋白酶等水解酶类数量增加和活性提高；四是使叶片膨压降低、气孔关闭，导致水解酶比活上升，有利于淀粉和蛋白质的水解，进而加速衰老[13]。因此水分胁迫是叶片衰老变黄的关键因素。

3.4 流动性

叶片组织内底物与酶处于不同的区域，双方要相互接触才能发生反应，而水分是运输介质及水解反应的底物之一，只有通过水分流动底物与酶才能结合。提高流动性的主要作用：一是提高底物与酶活性位点的结合速度和频率，促进生化反应速度；二是将水解反应和酶促反应产物运走。如果流动性差，不但底物与酶活性位点的结合速度和频率低，水解反应和酶促反应缓慢，而且造成反应产物堆积，细胞组织就会将信息传递给上一级反应，减慢反应速度[14]。所以流动性强弱与叶片衰老变黄快慢成正相关。

以上四方面因素在衰老变黄中发挥着关键作用，并通过互作关系相互促进。

4 烟叶烘烤理论的实践

烟叶叶片具有植物叶片的基本属性。根据植物叶片的生物学基础，衰老是烟叶变黄的根源，烟叶烘烤的实质是叶片的衰老、死亡、干制。烟叶叶片在衰老过程中类胡萝卜素降解产生酮类化合物等香气前体物质并在烘烤中进一步转化为二氢大马酮等香气物质，淀粉、蛋白质等大分子物质降解为小分子的糖和游离氨基酸，而糖和氨基酸的美拉德反应形成香气物质阿马杜里化合物[1]。因此烟叶衰老变黄阶段是叶内主要化学成分降解、转化的关键时期。在烟叶生产中要应用叶片的生物学属性，用叶片的衰老死亡原理解析烟叶成熟采收及烘烤过程，利用影响烘烤的核心要素，使烟叶采收与烘烤工艺科学化。

4.1 科学的烟叶成熟采收标准

烟叶的衰老成熟是核基因与环境共同作用的结果。根据烟叶的生育期及成熟外观表现，正常条件下烟叶田间成熟标准有两个方面：一是叶龄，即下部叶55～65 d，中部叶65～75 d，上部烟75～85 d；二是外观特征，叶色由绿色变为黄绿色，叶面茸毛部分脱落，烟油增多，叶片下垂，茎叶角度增大，叶面发皱，出现成熟斑。由于部位对叶龄反应的差异性，所以烟叶成熟采收标准要有所差别，外观特征和叶龄按部位应各有侧重：下部叶以叶龄为主，中、上部叶根据叶龄和外观特征综合判断[9]。只按外观特征进行采烟的传统观点是片面的。

4.2 科学的烟叶烘烤工艺及解析

根据植物叶片的生物学属性和烟叶烘烤的实质，烟叶烘烤分两个阶段：一是衰老变黄，将采收的烟叶通过人为调控环境因素使其组织内部处于最佳的衰老环境，以加快衰老变黄速度，即变黄期；二是在烟叶衰老变黄后让烟叶通过失水的方式死亡并将烟叶干制的过程。根据叶片的结构又分干叶期和干筋期，即三个大的阶段。具体分以下几个步骤：

(1) 变黄阶段。第一步，烟叶装炉起火后以1 ℃/h将干球温度升到35 ℃，通过强制通风让烟叶失水。失水标准：下部烟6%，中部烟4.7%，上部烟2.7%[13]。达到要求后，保持湿球温度33 ℃，烟叶组织温度控制在34 ℃，直到叶尖叶缘变黄。第二步，以同样的速度将干球温度升到38～40 ℃，保持湿球温度34 ℃，烟叶组织温度控制在35～36 ℃，直到烟叶基本变黄。第三步，将干球温度升到41～43 ℃，保持湿球温度34～35 ℃，烟叶组织温度控制在35～37 ℃，直到烟叶凋萎发软。

(2) 干叶阶段。第一步，转入干叶期后以2～3 h升温1 ℃的速度将干球温度升到45～49 ℃，保持湿球温度35～36 ℃，烟叶组织温度控制在36～37 ℃，直到烟叶半干。第二步，将干球温度升到50～54 ℃，保持湿球温度35～36 ℃，烟叶组织温度控制在36～38 ℃，直到烟叶全干。

(3) 干筋阶段。第一步，转入干筋期后以1 ℃/h的速度将干球温度升到56～60 ℃，保持湿球温度37～38 ℃，烟叶组织温度50～55 ℃，直到烟叶2/3干筋。第二步，以相同速度将干球温度升到63～70 ℃，保持湿球温度38～40 ℃，烟叶组织温度60～70 ℃，直到烟筋全干。

以上烘烤工艺的核心：

一是烟叶组织温度控制。变黄期湿烟叶的组织温度控制在32～37 ℃，以34～36 ℃为适宜范围(装烟密度低时稍高，装烟密度高时稍低)。定色期烟叶的组织温度控制在34～38 ℃，干叶前不超过38 ℃。干筋期叶片细胞已死亡，叶片已基本干燥，烟叶组织温度会迅速接近干球温度，组织温度也就失去了作用。

二是造成水分胁迫环境。在变黄前期强制失水，让烟叶达到变黄最佳水分含量[15](下部烟79.5%，中部烟79.3%，上部烟79.2%)，形成叶内水分胁迫环境，加快变黄。前期强制失水还能降低烘烤难度，简化操作技术，因在生产中同一批烟叶存在素质差异，如不同叶位、不同地块、不同采收时间等，其主要原因之一是含水量不同。通过强制失水，一是将烟叶的含水量调整到适宜衰老程度(最佳变黄水平)；二是可以缩小同一批烟叶的素质差异，提高烟叶的一致性；三是限制米根霉的生长，防止烟叶“霉烂病”的发生。而且前期强制失水还拉大了叶边、叶缘、表皮与叶肉及叶脉的水势差，为下一步的失水变黄创造了条件。

三是保持流动性。通过干湿差保持失水速度，增加流动性，促进衰老变黄速度。变黄期失水速度控制在2.5～4.5 g/(kg·h)，保持叶内水分胁迫环境，使叶片的含水量保持在一个适宜的范围内逐渐减少。凋萎期失水速度控制在5～7 g/(kg·h)之间[16]，使叶片充分凋萎、主脉发软，达到消除青烟，防止棕色化反应的目的。干叶期失水速度控制在9～12 g/(kg·h)之间，干叶的同时，有利于香气物质的合成。如失水过慢，香气原始物质被消耗过度，合成的香气物质则少；如失水过快，香气原始物质脱水缩合不充分，导致香气物质少且香气量不足，而如果香气原始物质剩余量较多，烤后烟叶香气质欠纯。在干筋期失水速度控制在3～7 g/(kg·h)，如温度高、风量大、失水速度过快，会使部分香气物质分解转化及挥发，香气量减少，而且烟叶色淡。

四是确保变黄后的烟叶通过失水的方式死亡干叶。在烟叶烘烤过程中烟叶组织温度与失水进程必须协调，要水、温同步。在烟叶变黄后干叶前组织温度不得超过38 ℃[11]，否则高温会使组织结构解体，烟叶变褐，质量下降[9，10]。

烟叶组织温度、水分胁迫、流动性及变黄后烟叶组织死亡方式是烟叶科学烘烤的关键，而控制好环境温度、湿球温度、风量(通风)等外因只是手段。虽然将烟叶烘烤过程人为的分为变黄期、干叶期、干筋期，但由于烟叶的生命代谢活动具有连续性，因而在烘烤过程中提供给烟叶的环境条件也应具有连续性，应随着烟叶的分解代谢、颜色变化、失水程度的变化而变化。环境因子与烟叶变化程度的连线应该是一条平滑的曲线，而不是几个线段，只有这样烟叶的质量潜势才能充分彰显[17]。

5 展望

烟叶烘烤是烟叶生产最关键也是最后的技术环节。烘烤过程虽然复杂，但其符合植物叶片衰老及死亡等基本生物学规律，只要我们运用代谢组学、细胞超微结构等现代科技手段认识和掌握其规律，趋利避害，并运用系统论、控制论等设计符合生命运动规律的烟叶烘烤工艺，就能够实现对烟叶烘烤的精准控制，实现对烟叶密度的无差别烘烤。