成熟度对云烟87上部烟叶烘烤中失水特性的影响

夏 春,范宁波,王 彬,张永辉,李 峥,刘腾飞,张 楠,典瑞丽

(1.四川省烟草公司泸州市公司，四川 泸州 646600；2.河南农业大学烟草学院，河南 郑州 450002；3.湖北中烟工业有限责任公司，湖北 武汉 430040；4.浙江中烟工业有限责任公司，浙江 杭州 310002；5.中国烟草总公司职工进修学院，河南 郑州 450008)

上部烟叶约占总产量的40%，在质量评价方面占上中等烟30个等级中的40%[1-2]，可见上部叶对烤烟整体产质量均有很大影响.实际生产过程中，由于上部叶组织结构较为致密、保水力较强，烤后易出现青筋、浮青、挂灰等杂色现象[3-5]，严重制约了上部叶的质量和应用价值.烟叶田间成熟度是衡量烟叶是否适合采收的重要指标[6]，由于烟叶成熟过程中发生着一系列复杂的生理生化变化，不同成熟度烟叶的鲜烟素质及营养物质积累程度存在着明显差异.采收成熟度作为质量概念，要求采收的烟叶达到适于调制加工的状态和程度[7-8]，且直接影响烟叶烘烤特性形成及烤后烟叶的等级质量[9-10].综合来看，探究上部烟叶适宜的采收成熟度具有重要意义.研究表明[11]，烟叶成熟过程中，其组织结构存在明显变化，随成熟度增加，烟叶胞间孔隙率逐渐增加，组织结构由紧密向疏松方向变化.植物叶片组织结构与其保水性、水力学特性密切相关[12-13]，因此，烟叶成熟度会影响烘烤中烟叶失水干燥特性和形态收缩变化.当前，有关烟叶成熟度与烤后烟叶质量评价方面的研究已取得一定进展[14-16]，但关于不同成熟度上部叶烘烤过程中失水特性和形态变化规律的研究鲜有报道.本研究依据田间上部烟叶的综合变黄程度，并结合SPAD值量化界定烟叶成熟度，分析不同成熟度鲜烟叶组织结构及烘烤期间含水量和形态学指标的变化，同时比较分析烟叶烘烤后的外观质量及主要化学成分含量，旨在为进一步细化烟叶采收成熟度标准、优化改进烘烤工艺提供依据.

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验于2018年在四川省泸州市古蔺县箭竹烟草站进行.供试烤烟品种云烟87，试验田的土壤肥力中等，施氮量52.5 kg·hm-2，N∶P2O5∶K2O=3∶3∶4(质量比).田间种植管理规范，整株留叶数18片，以上部叶(第15～16位叶)为试验材料.

1.2 试验设计

依据烟叶落黄程度设4个成熟度梯度，分别为M1、M2、M3、M4，其颜色特征如表1所示.采用SPAD-502叶绿素仪(日本Minolta公司)测量鲜烟叶SPAD值，每个成熟度档次选取100片烟叶测量，实现烟叶表面绿色程度的量化，明确取样标准.SPAD测量时选取主脉对称的叶基、叶中、叶尖共6个位置为测量位点，以算术平均数作为该片烟叶的SPAD值.各处理选取符合烟叶颜色特征及SPAD值条件的鲜烟叶800片，采用电热式密集烤烟箱(福建南平市科创机电设备有限公司)按照3段式烘烤工艺[17]进行烘烤，设备型号为KCKY-A.烘烤期间分别于30 ℃(鲜烟叶)、38 ℃末、42 ℃末、45 ℃末、48 ℃末和54 ℃末选取具有代表性的完整烟叶作为检测样品.

表1 不同成熟度上部鲜烟叶主要外观特征Table 1 Primary appearance characteristics of upper fresh tobacco leaves with different maturity

1.3 测定项目及方法

1.3.1 烟叶组织结构 参照朱金峰等[18]方法，于鲜烟叶叶尖至叶基第6～8条支脉中间区域切取长1 cm、宽0.5 cm的烟叶样品，采用FAA固定液固定，常规石蜡切片程序切片后染色、固封，每个处理制片15张.在Olympus BX51光学显微镜(×200倍)下利用测微尺检测烟叶样品的叶片厚度、上下表皮厚度、栅栏组织厚度、海绵组织厚度，同时统计单位长度(1 mm)内的海绵细胞和栅栏细胞密度，并计算烟叶样品组织结构的紧密度和疏松度[18]，具体公式如下：

紧密度(CTR)/%=(栅栏组织厚度/叶片厚度)×100

(1)

疏松度(SR)/%=(海绵组织厚度/叶片厚度)×100

(2)

1.3.2 烟叶含水量 参照行业标准YC/T 311—2009[19]，用刀片将烟叶样品的主脉和叶片剥离,采用烘箱法分别测定叶片、主脉及整叶(叶片+主脉)的含水质量及水含率，并以此为基础分别计算叶片、主脉失水质量占整叶失水质量的比例[2]，具体计算参照公式(3)和公式(4)；采用阿贝折射仪法[20]测量烟叶自由水、束缚水含量.

某阶段叶片失水质量占比/%=[叶片鲜质量×(取样时叶片水含率-上次取样时叶片水含率)]/[整叶鲜质量×(取样时整叶水含率-上次取样时整叶水含率)]×100

(3)

某阶段主脉失水质量占比/%=[主脉鲜质量×(取样时主脉水含率-上次取样时主脉水含率)]/[整叶鲜质量×(取样时整叶水含率-上次取样时整叶水含率)]×100

(4)

1.3.3 烟叶形态收缩率 参照王涛等[21]方法，采用毫米刻度尺测量叶片横向收缩率、纵向收缩率，采用测厚仪测量叶片(第5～6支脉中间)的厚度收缩率；参照魏硕等[22]方法，采用无弹性细线测量主脉(第5～6支脉中间)的周长收缩率.各项形态指标计算公式具体如下：

叶片横向收缩率/%=[(鲜烟叶宽度-取样时烟叶宽度)/鲜烟叶宽度]×100

(5)

叶片纵向收缩率/%=[(鲜烟叶长度-取样时烟叶长度)/鲜烟叶长度]×100

(6)

叶片厚度收缩率/%=[(鲜烟叶叶片厚度-取样时叶片厚度)/鲜烟叶主脉周长]×100

(7)

主脉周长收缩率/%=[(鲜烟叶主脉周长-取样时主脉周长)/鲜烟叶主脉周长]×100

(8)

1.3.4 初烤烟叶外观质量 参照王彦亭等[23]方法进行，各处理随机选取20片烟叶，评定指标包括颜色、成熟度、身份、油分、叶片结构、色度等6项.单项指标质量特征得分参照表2，总分值为100.

表2 烤烟外观质量评价指标及评分标准Table 2 Evaluation index and scoring standard for the appearance quality of flue-cured tobacco

1.3.5 初烤烟叶化学成分含量 烟叶样品中的总糖、还原糖、总氮、淀粉、蛋白质等含量采用流动分析法[23-24]测定，烟碱采用分光光度法[24-25]测定.

1.4 数据统计分析

采用Microsoft Excel 2010和SPSS 20.0统计软件进行.

2 结果与分析

2.1 不同成熟度鲜烟叶组织结构变化

由表3可以看出，随成熟度的提升，叶片、上表皮及下表皮厚度逐渐减小；栅栏组织的厚度也呈减小趋势，而海绵组织厚度呈增长趋势，因此栅栏组织厚度与海绵组织厚度的比值不断降低.单位面积内栅栏细胞和海绵细胞个数随成熟度提升均呈减少趋势，密度不断降低，表明细胞间隙呈增大趋势，同时一定程度上反映出烟叶紧密度和疏松度的变化规律，随成熟度提升烟叶组织紧密程度降低，疏松程度增加.从各处理烟叶组织结构差异程度来看，M1处理与M4处理各项指标之间差异均达到显著水平，表明烟叶成熟过程中组织结构发生了明显的变化.

2.2 不同成熟度烟叶烘烤过程中含水量变化

2.2.1 烟叶水含率变化 从表4可以看出，不同成熟度烟叶烘烤中叶片、主脉及整叶的组织水含率均呈不断降低的变化趋势.采收后鲜烟叶随成熟度提升，各项水含率指标逐渐减小，且烟叶水含率高低均表现为：主脉>整叶>叶片.烘烤过程中烟叶各项水含率指标整体表现为：M1>M2>M3>M4.其中，处理间叶片、整叶水含率在38 ℃之前的差异不明显，主脉水含率在42 ℃之前差异不明显，均未达到显著水平；42～45 ℃时，烟叶水含率差异逐渐增大，至45 ℃时，M4处理与M1、M2处理及M3处理与M1处理的叶片、整叶水含率差异均达到显著水平，M4处理的主脉水含率与M1、M2处理的差异也达到了显著水平；45～48 ℃时，不同成熟度烟叶叶片、整叶水含率差异基本稳定，而主脉水含率的差异进一步增大；54 ℃时M4处理的叶片水含率显著高于其余3个处理，主脉、整叶水含率显著高于M1、M2处理，M1和M2、M3处理主脉水含率的差异达到显著水平，M1和M3处理整叶水含率的差异也达到显著水平.可见，成熟度影响着烘烤过程中烟叶的失水状况，不同成熟度烟叶叶片、整叶水含率的差异主要在定色期之后，而主脉水含率体现出的差异相对较为滞后，在定色中期之后有所表现.

1)同列数据不同小写字母表示差异显著(P<0.05).

表4 不同成熟度烟叶烘烤中水含率变化1)Table 4 Changes in moisture content in tobacco leaves with different maturity during curing

1)同列数据不同小写字母表示差异显著(P<0.05).

图1反映了不同成熟度烟叶烘烤中叶片、主脉失水质量占整叶失水质量比例的变化.由图可知，M1、M2处理的叶片失水质量占比表现规律基本近似，在42 ℃之前略有增长，42～48 ℃时持续降低，48～54 ℃时再次增长，M3、M4处理则在48 ℃之前降低，48～54 ℃时表现为增长趋势.各处理主脉失水质量占比情况呈完全相反的变化规律.M1、M2和M3、M4处理在42 ℃之前叶片、主脉失水质量占比变化规律出现差异，可能是由于不同成熟度烟叶组织结构及水分在叶片、主脉中分布情况不同所致.48～54 ℃期间由于烘烤温度升高促进主脉中的水分向叶片迁移，各处理烟叶叶片、主脉失水质量占比变化规律趋于一致.

2.2.2 烟叶自由水、束缚水含量变化 由表5可知，不同成熟度烟叶自由水含量呈不断降低的变化趋势，且烘烤开始后至54 ℃期间自由水含量表现为：M1>M2>M3>M4.38～42 ℃和48～54 ℃期间自由水减少量表现为：M1>M2>M3>M4；42～48 ℃期间自由水减少量表现出完全相反的规律；各处理烟叶自由水含量降低幅度在48 ℃之前总体呈减小的趋势，54 ℃时，自由水含量降低幅度略有提升.处理之间自由水含量差异以M1和M4处理最为明显，除38 ℃外，其余温度点均达到显著水平.鲜烟叶束缚水含量同样随成熟度提升逐渐减少，烘烤开始后在38 ℃之前稍有增长，之后表现为不断降低的变化趋势.38 ℃之前束缚水增加量表现为：M4>M3>M2>M1；38～54 ℃时，束缚水减少量同样表现为：M4>M3>M2>M1.烘烤期间M1和M4处理束缚水含量差异也均达到显著水平，表明成熟度对于烘烤期间烟叶自由水、束缚水含量变化具有显著影响.自由水含量具有较强的流动性，当自由水含量/束缚水含量的比值高时，说明植物代谢旺盛，但抗逆性较弱.鲜烟叶中自由水含量/束缚水含量比值表现为：M4>M3>M2>M1，表明成熟度高的烟叶中束缚水含量占比较高，具有较强的抗逆性.烘烤期间比值同样表现为：M4>M3>M2>M1，且各温度点M4处理均显著高于M1和M2处理.

表5 不同成熟度烟叶烘烤中自由水、束缚水含量变化1)Table 5 Changes in free water and bound water contents in tobacco leaves with different maturity during curing

1)同列数据不同小写字母表示差异显著(P<0.05).

2.3 不同成熟度烟叶烘烤过程中形态变化

从表6可以看出，烘烤中叶片横向收缩率、纵向收缩率、厚度收缩率及主脉周长收缩率整体呈不断增大的趋势.38 ℃之前叶片横向、纵向收缩率和主脉周长收缩率的变化幅度较小，叶片横向、纵向收缩率表现为：M3>M2>M4>M1；主脉周长收缩率表现为：M3>M4>M2>M1.叶片厚度收缩率在38 ℃之前变幅较大，表现为M3>M2>M1>M4.42 ℃之后叶片横向收缩率、主脉周长收缩率随成熟度提升逐渐增大，叶片纵向收缩率则在45 ℃之后呈现出相似的规律；叶片厚度收缩率在45 ℃之后随成熟度提升逐渐降低.烘烤期间各处理烟叶叶片横向、纵向、厚度收缩率3项形态指标的增加量先增长后降低，叶片厚度收缩率在45～48 ℃期间增幅最大，叶片横向、纵向收缩率在42～45 ℃时增幅最大，且随烟叶成熟度提升，收缩率增加量逐渐增大；主脉周长收缩率的增幅趋势则不断增大，主要由于烘烤后期主脉大量失水逐渐达到干筋状态，体积剧烈收缩.烘烤结束后，各项形态指标变幅表现为：叶片厚度收缩率>主脉周长收缩率>叶片横向收缩率>叶片纵向收缩率，且M1和M4处理间差异均达到显著水平，表明成熟度影响烘烤过程中叶片和主脉的形态收缩变化.

表6 不同成熟度烟叶过程中形态指标变化1)Table 6 Changes of morphological indexes of tobacco leaves with different maturity during curing

1)同列数据不同小写字母表示差异显著(P<0.05).

2.4 烘烤过程中烟叶含水量与形态指标的相关性分析

由表7可知，不同成熟度烟叶烘烤中叶片、主脉、整叶水含率及自由水、束缚水含量与叶片横向收缩率、纵向收缩率、厚度收缩率及主脉周长收缩率变化具有较好的相关性.除M1处理烟叶束缚水含量与叶片厚度收缩率呈显著负相关外，其余含水量指标与形态学指标均呈极显著负相关的关系.表明不同成熟度烟叶烘烤期间失水干燥与叶片、主脉形态收缩密切相关.

表7 不同成熟度烟叶含水量与形态指标的相关系数1)Table 7 Coefficients of correlation between moisture content and morphological indexes of tobacco leaves with different maturity

1)*和**分别表示差异显著(P<0.05)和差异极显著(P<0.01).

2.5 烤后烟叶外观质量

从表8可以看出，上部叶不同成熟度处理中，M3处理烤后烟叶外观质量总分最高，其次为M2处理，得分均在90分以上，且两个处理间差异不显著.M1处理得分最低，显著低于M2、M3处理.

2.6 烤后烟叶主要化学成分含量

由表9可知，烤后烟叶总糖、总氮、蛋白质含量均以M3处理最高，其中总糖、蛋白质含量以M4处理最低，总氮含量则以M1处理最低，且处理之间差异不明显；还原糖、淀粉含量均以M2处理最高，M4处理最低；烟碱含量以M4处理最高，M1处理最低.优质烟叶糖碱比以6～8最佳，氮碱比以1.0最佳，综合以上结果，M3处理化学成分的协调性较好.

表8 不同成熟度烟叶外观质量评价1)Table 8 Evaluation of appearance quality of tobacco leaves with different maturity

1)同列数据不同小写字母表示差异显著(P<0.05).

1)同列数据不同小写字母表示差异显著(P<0.05).

3 结论与讨论

本研究结果表明：随鲜烟叶成熟度提高，叶片组织结构呈规律性的变化，主要表现为叶片厚度、上下表皮厚度、栅栏组织厚度逐渐降低，海绵组织厚度增长；栅栏细胞和海绵细胞密度不断降低，细胞间隙呈扩大趋势，导致烟叶紧密度逐渐下降，疏松度逐渐增大.与朱金峰等[18]对鲜烟叶组织结构的测定结果存在部分差异，主要由于对烟叶成熟度的界定不同，本试验依据烟叶综合变黄程度结合SPAD值量化区分烟叶成熟度.品种、叶位等因素的不同也会影响叶片组织结构.

研究表明，叶片组织结构与抗旱性、保水性等水分特性紧密相关[26-28]，而烟叶作为一种植物叶片，不同成熟度烟叶组织结构的差异会影响水分质量分布及失水特性[29].本研究表明，随成熟度提升，鲜烟叶各项含水率指标均不断降低，自由水/束缚水比值则呈不断增大，表明成熟度高的烟叶细胞内水分质量减少，叶片保水能力减弱.因此，烘烤期间叶片、主脉及整叶较鲜烟叶各部分的失水程度随成熟度提升而增加.同时本研究显示，不同成熟度烟叶叶片失水占比在38～48 ℃时，总体呈降低趋势，48～54 ℃时呈增长趋势，主脉失水占比则表现为完全相反的变化趋势.但M1、M2处理的叶片失水占比在38～42 ℃时稍有增长，可能由于成熟度较低的烟叶主脉结构更为致密，失水相对较难，烘烤前期叶片失水比例呈增长趋势，而成熟度较高的烟叶组织结构较为疏松，主脉中水分更易向叶片迁移散失.45～48 ℃时，随烟叶成熟度提升叶片失水占比逐渐减小，主脉表现为完全相反的趋势，说明烟叶烘烤期间主脉及叶片水分散失存在制约关系[30].48～54 ℃时，由于叶片基本完全干燥，而主脉中仍含有大量水分，叶片与主脉之间的水分迁移通道可能受到影响，阻碍了主脉水分的快速散失[2,31]，因此该阶段主脉失水占比有所降低，且随烟叶成熟度提升主脉失水越难.

叶片横向、纵向收缩率在42～45 ℃时增幅最为明显，叶片厚度收缩率在45～48 ℃时增幅最为显著，主脉周长收缩率的增长量则随烘烤进行逐渐增大，在48～54 ℃时达到最大值，且随成熟度提升，叶片和主脉收缩率的增加幅度呈增长趋势.相关分析表明，不同成熟度烟叶的各项含水量指标与形态学指标之间均呈显著或极显著负相关，说明烘烤期间烟叶失水干燥过程与形态变化过程是相互偶联的.叶片综合变黄80%～90%处理的烤后烟叶外观质量得分最高，化学成分含量较为协调，但烟碱含量较高，可能由于当年烟季生态条件及当地田间管理措施不当所致.科学合理的控制上部烟叶成熟度，可在一定程度上调整烟叶烘烤特性，有利于提高上部叶原料可用性，满足大品牌中式卷烟发展的需求.