烟叶烘烤过程中生理指标和颜色值变化研究

丁燕芳，张 昭，朱银峰，朱景伟，李彦平，吴新文，米 琳

(河南省农业科学院 烟草研究所，河南 许昌 461000)

成熟采收的烟叶在烘烤过程中，需要经过逐步脱水并伴有一系列的生理生化变化，才能实现其使用价值[1]。而不同素质的烟叶在烘烤过程中随着内在物质含量的变化，使其在烟叶表面颜色上也存在着嫩黄、浓绿等特殊表现[2]。烟叶表面颜色变化实质上是内在复杂的生理生化的表现，与烟叶中的色素[2]、酚类物质[3]、淀粉[4]等含量的变化密切相关。随着现代仪器技术的不断发展，对于烟叶表面颜色变化的研究逐步实现精准化和数字化，目前广泛应用的CIE系统，可通过计算机图像处理及色差仪器量化可达到识别烟叶表面颜色特征的目的[2,5]。有关烤烟颜色与质体色素、多酚、化学成分之间的关系已有许多学者进行了相关研究[2,3,6]，且在烘烤过程中的生理生化变化也多集中在成熟度、品种、烘烤工艺等方面的研究[7-11]，而对烟叶烘烤过程中颜色特征值与主要生理指标的变化规律及其关系缺乏研究。鉴于此，本研究选用烤烟品种中烟100、豫烟7号、豫烟13号作为供试材料，分析烘烤过程中烟叶生理指标和烟叶颜色特征值的变化规律，旨在为快速判断烘烤过程中烟叶外观颜色和内在生理指标的变化，为进一步优化烘烤工艺，配套烘烤方案的制定提供参考。

1 材料与方法

1.1 供试材料与设备

试验于2019年7～9月在河南许昌县进行，试验田土壤质地为沙土，土壤肥力中等。供试烤烟品种为中烟100、豫烟7号、豫烟13号，于2019年5月8日移栽；种植行距120 cm、株距60 cm,打顶株高110～130 cm，留叶数20～24片。在群体中选择株高一致、叶片数相等、叶色基本一致且无病害的烟株，对11～12位叶挂牌，烟叶成熟时采收，备用。

烟叶烘烤设备采用改进KCKY-A型智能烘烤箱，装烟密度为70 kg/m3。采用自制色度值测试设备箱体测量烟叶表面颜色特征值。色度值测试设备箱箱体规格1000 mm×200 mm×800 mm，箱体上端固定2个带过载保护的称重传感器,内置500 mm×675 mm规格的烟叶双层碳纤维棒烟夹，悬空挂置在箱体内，箱体上2个称重传感器各自垂下2根挂绳，挂绳上带挂钩，挂钩与烟叶夹具上的挂钩相连，使烟夹悬空挂置于箱体内，并可以分离；烟叶夹具中间夹紧一片烟叶，利用测试设备内置摄像头测试不同处理烟叶的量化色度值。

1.2 试验设计

烟叶按照三段式烘烤工艺进行，烘烤开始后分别在烘烤过程中的关键温度点(鲜烟、38 ℃、42 ℃、48 ℃、54 ℃、60 ℃)取颜色变化均匀一致的烟叶12片，3片烟叶用于水分含量检测，另外3片烟叶取样时，切去烟叶叶尖与基部的1/3区域，留叶中间1/3区域用于烟叶试验过程，仅采集挂牌烟叶。取样后立即用液氮处理后，放入超低温冰箱(-80 ℃)保存，用于叶绿素、淀粉酶活性、总酚、淀粉含量的测定。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 颜色特征值的采集 采用自制色度值测试设备，烟叶图像信号1394接口传输到处理计算机后，通过图像预处理、特征提取和识别比对，确定烟叶的中心位置和烟叶夹持板遮挡的位置，以中心向四周确定32个颜色采样区域；再使用原始图像提取每个区域20×20像素的R、G、B数值进行均值处理，得到烟叶32个区域的R、G、B值；R、G、B值不易表述颜色的变化，将其转换成孟塞尔的颜色立体模型中的亮度H、饱和度S、色度B。并记录存储在数据库中。数据库内包含各个区域的亮度H、饱和度S、色度B值，以及温度、湿度、时间等相关参数。

1.3.2 主要生理指标的测量 水分含量的测定采用杀青烘干法、色素含量测定采用分光光度法[12]；总酚采用福林试剂法[13]；淀粉酶活性采用3，5-二硝基水杨酸比色法[14]；淀粉含量采用蒽酮比色法[15]。

1.4 数据处理

采用Excel 2007和DPS 19.0软件进行数据分析。

2 结果与分析

2.1 烟叶烘烤过程中生理指标的变化

2.1.1 烟叶烘烤过程中叶绿素含量的变化 由图1可知，3个品种的叶绿素含量随烘烤过程的推移而呈下降趋势，采收鲜叶绿素含量表现为豫烟7号>豫烟13号>中烟100。在烘烤过程中，豫烟13号和豫烟7号的叶绿素含量在烘烤前期变化基本一致，均在38 ℃前降解量最大，3个品种的降解速度表现为豫烟13号>豫烟7号>中烟100；豫烟7号和中烟100在38～42 ℃时继续大幅度降解，豫烟13号在38～42 ℃时降解较慢，其降解量在3个品种中最低；豫烟13号和豫烟7号的叶绿素含量在54～60 ℃时仍有小幅度降解，中烟100则趋于稳定。

图1 烟叶烘烤过程中叶绿素含量的变化

2.1.2 烟叶烘烤过程中水分含量的变化 失水变黄是烟叶烘烤的最终目标之一，烘烤过程中生理生化变化受水分动态的控制，烟叶失水速度的快慢影响了烟叶的烘烤质量[16]。由图2可以看出，3个品种的水分含量均呈下降趋势，鲜烟叶的水分含量差异不明显，但在整个烘烤过程中，各品种间失水速度差异较大。38 ℃之前3个品种的失水速度差异较小，42～54 ℃时3个品种的水分含量变化差异较大，此阶段失水速度表现为中烟100>豫烟13号>豫烟7号；54～60 ℃时3个品种的水分含量趋于一致。在整个烘烤过程中，中烟100的失水速度最快，其次是豫烟13号，豫烟7号的失水速度较慢。

图2 烟叶烘烤过程中水分含量的变化

2.1.3 烟叶烘烤过程中淀粉酶活性和淀粉含量的变化 由图3可知，鲜烟叶豫烟13号的淀粉酶活性最低，中烟100和豫烟7号的淀粉酶活性差异不明显。38～42 ℃时中烟100和豫烟7号的淀粉酶活性上升较快，并在42 ℃时出现峰值；42～48 ℃时有2个品种的淀粉酶活性开始下降，中烟100的淀粉酶活性下降幅度较大，48 ℃时达到品种间最低；48～54 ℃时上升出现第2个峰值；豫烟13号的淀粉酶活性前期比较低，到48 ℃时急剧上升并在54 ℃达到峰值；54～60 ℃时3个品种的淀粉酶活性变化一致，均呈下降趋势。在整个烘烤过程中，中烟100和豫烟7号的变化趋势一致，酶活性变化近似双峰曲线；豫烟13号的淀粉酶活性变化呈单峰曲线，且前期酶活性较低，后期高于豫烟7号，低于中烟100。

图3 烟叶烘烤过程中淀粉酶活性的变化

淀粉的降解与多种因素有关，不仅仅受淀粉酶的影响，可能也与烟叶含水量密切相关[9]。由图4可知，3个品种的淀粉含量均随烘烤进程的推移呈下降趋势，从烘烤开始到38 ℃时，烟叶淀粉含量下降迅速，38 ℃之后中烟100和豫烟7号的变化趋势一致，但豫烟7号的淀粉含量降解最快，品种间持续最低；豫烟13号在38～42 ℃时呈上升趋势，42 ℃之后与中烟100和豫烟7号的变化趋势一致，均呈下降趋势。

图4 烟叶烘烤过程中淀粉含量的变化

2.1.4 烟叶烘烤过程中总酚含量变化 由图5可以看出，中烟100的总酚含量从鲜烟叶到42 ℃呈上升趋势，在42～48 ℃时有所降低，随后缓慢上升；豫烟13号的总酚含量从鲜烟叶到48 ℃持续上升，48～54 ℃时逐渐下降，随后开始上升；豫烟7号鲜烟叶到38 ℃总酚含量上升，38～42 ℃时呈下降趋势，随后开始持续上升。在整个烘烤过程中，中烟100的总酚含量一直高于其他2个品种，豫烟7号的总酚含量在38 ℃之前高于豫烟13号，38 ℃以后的烘烤阶段，各品种的总酚含量均最低。

图5 烟叶烘烤过程中总酚含量的变化

2.2 烘烤过程中烟叶颜色特征值的变化

2.2.1 烘烤过程中不同品种烟叶RGB颜色特征值 表1为3个品种不同烘烤时期烟叶的红、绿、蓝3种颜色分量均值(表中仅列出烘烤过程中关键温度点稳温结束时的特征值)，在烘烤过程中，绿色分量值最高，这是由于鲜烟叶的主题颜色为绿色，纯红色和纯绿色的加色为纯黄色，从38 ℃到烘烤结束，烟叶的红、绿分量远大于蓝分量。3个品种鲜烟的红色分量值表现为豫烟13号>豫烟7>中烟100；绿色分量值表现为中烟100>豫烟7号>豫烟13号；蓝色分量值表现为豫烟13号>中烟100>豫烟7号。随着烘烤进程的推移，中烟100的红色分量值逐渐上升，持续到54 ℃时达到峰值，豫烟13号持续到42 ℃时达到峰值，豫烟7号在48 ℃时达到峰值；3个品种的绿色分量和蓝色分量值均呈下降趋势；60 ℃时3个品种的3种颜色分量值均表现为中烟100最高，豫烟7号次之，豫烟13号最低。

表1 烟叶烘烤过程中RGB系统烟叶颜色特征值的变化

2.2.2 烘烤过程中不同品种烟叶HSL颜色的特征值 烟叶HSL颜色特征值显示，3个品种烟叶图像的色相值前期较高，随着烘烤时间的推移，色相值逐渐变小，说明烟叶颜色由绿色向黄色转变；3个品种烟叶的饱和度均在38 ℃达到最低值，随后开始上升，48 ℃以后趋于稳定，这是由于定色期烟叶颜色介于鲜烟叶的绿色与烘烤后期的黄色的过渡期，颜色纯度较小；随着烘烤时间的推移，亮度值逐渐上升。3个品种在整个烘烤阶段中烟100和豫烟7号的色相、饱和度和亮度值均高于豫烟13号(表2)。

表2 烟叶烘烤过程中烟叶HSL颜色特征值的变化

2.3 烘烤过程中烟叶生理特性变化与颜色特征值的相关性分析

由表3可知，在烘烤过程中，烟叶水分含量的变化与绿色值、色相呈极显著正相关，与蓝色值呈显著正相关；与红色值、亮度呈极显著负相关，与饱和度呈显著负相关。叶绿素含量与绿色值、色相呈显著正相关，与亮度呈极显著正相关，与红色值呈极显著负相关。淀粉酶活性与红色值、饱和度、亮度呈正相关；与绿色值、蓝色值、色相呈负相关，但相关性均不显著。淀粉的含量与红色值、饱和度、亮度呈负相关，与绿色值、蓝色值、色相呈正相关，相关性均不显著。总酚含量与特征值红色值、饱和度呈显著正相关，与亮度呈极显著正相关；与绿色值、色相呈极显著负相关，与蓝色值呈显著负相关。

表3 烟叶烘烤过程颜色特征值与生理、生化特性的相关性分析

3 结论

本试验研究结果表明，烟叶烘烤过程中，叶绿素和水分含量随着烘烤进程的推进，各品种间差异显著，中烟100的叶绿素降解速度与失水速度较为一致，变黄和失水相对协调，较易定色；豫烟13号变黄快，失水居中，耐烤性相对较好；豫烟7号的叶绿素降解较快，但失水速度较慢，易挂灰，变褐。中烟100和豫烟7号的淀粉酶活性变化趋势较为一致，呈双峰变化趋势，豫烟13号的淀粉酶活性在54 ℃之前一直处于上升趋势，且淀粉酶活性达到最高。3个品种的淀粉含量均随烘烤进程呈下降趋势，前期降解速度较快，38～42 ℃时品种间降解速度差异较大，42 ℃之后3品种的变化趋势趋于稳定。中烟100和豫烟13号的总酚含量变化前期较为一致，从38 ℃至烘烤结束，豫烟7号的总酚含量一直低于其他2个品种。

通过对3个品种颜色特征值测定显示，整个烘烤过程中绿色分量值最高，从38 ℃到烘烤结束，烟叶的红、绿分量远大于蓝分量，这是因为鲜烟叶的主题颜色为绿色，纯红色和纯绿色的加色为纯黄色；3个品种烟叶图像的色相值前期较高，随着烘烤时间的推移，色相值逐渐变小，说明烟叶颜色由绿色向黄色转变。

烟叶的颜色是烤烟中的重要判断标准，贺帆等[17]依据烤中烟颜色的变化，模拟出了烤烟的化学成分变化，通过烘烤过程中生理指标的变化与颜色特征值的相关性分析显示，烟叶在烘烤过程中叶绿素的降解速率、叶片失水速度、总酚的含量变化均与烟叶外观颜色特征值呈显著相关，而淀粉酶活性和淀粉的含量与烟叶外观颜色的变化相关性不显著。不同品种在烘烤过程中其烟叶外观颜色特征值与内在的水分、色素和、淀粉、总酚的含量有一定的相关性，可以通过外观颜色参数估算内部色素、水分、总酚等生理指标的含量变化，为准确地把握烟叶的烘烤进程、优化烘烤工艺，配套烘烤方案的制定提供参考依据。