不同主脉脱水率烟叶主要生理生化特性指标及烟叶质量差异性研究
2023-01-10陈献勇张荣成李静超王涛邱建明梁凯娟任铮李迪秦
陈献勇，张荣成，李静超，王涛，邱建明，梁凯娟，任铮，李迪秦*
(1 福建省烟草公司，福建 福州 350003； 2 浙江明新能源科技有限公司，浙江 上虞 312000；3 福建省南平市烟草公司，福建 南平 353000； 4 湖南农业大学，湖南 长沙 410128)
烟叶在烘烤过程中变黄、脱水的难易程度及定色期对烘烤环境变化的敏感性或耐受性等，是影响烟叶烘烤效果及烤后烟质量的重要因素[1]。翠碧1号具有较好的抗寒性、抗病性及抗涝性，烟叶品质较高，但因其SPAD[2]、色素[3]、水分[4]、化学成分[5]、酶活性[6]、组织结构[7]及多酚类物质[8]等导致烘烤中变黄、脱水慢，两者速率失调，易烤性较差，酶活性及多酚类物质含量较高，导致较难定色，耐烤性较差，烘烤难度较大，大大降低了烟叶质量及工业可用性[9]。
烤烟品种翠碧1号是2012年国家农业部审定通过的福建地方特色烤烟品种。该品种叶形长椭圆形，叶脉较细，叶片成熟落黄一致，厚薄适中，烟叶化学成分协调，评吸香气量足，香气质好。但翠碧1号由于组织结构较厚、色素含量较高的特点，烟叶的烘烤特性较差，烟叶变黄慢，失水慢，导致烤后烟叶易出现挂灰、青筋、光滑(僵硬)等现象[9]，严重影响了烟叶外观质量、内在品质及经济效益。为了解决翠碧1号烘烤过程中的上述问题，前人在施氮量与打顶等栽培技术措施[10-11]、采收方式[12]、带茎烘烤[13]、烘烤过程中温湿度控制及烘烤工艺[14-15]等方面做了很多探索，但通过先期对采收的鲜烟叶低温去除主脉自由水，然后采用低温低湿烘烤来探索有利于提高翠碧1号烟叶烘烤性及烘烤质量的相关报道至今没有。本研究拟通过预先工艺处理脱除部分主脉水分，然后再采用低温低湿闭式烘烤，以期探索一种解决翠碧1号烟叶烘烤难的新烘烤设备及烘烤工艺。
1 材料和方法
1.1 试验地点与材料
试验在福建省南平市建阳区胡巷村烤烟基地进行，试验地为“烟稻”轮作土壤，肥力水平中等偏上。参试烤烟品种为翠碧1号，2020年11月5日播种，2021年 1月20日移栽，密度为1.2 m × 0.5 m。移栽前，条施饼肥750 kg/hm2、氢氧化镁187.5 kg/hm2、硼砂7.5 kg/hm2、钙镁磷肥225 kg/hm2、烟草专用基肥375 kg/hm2。移栽后20 d，兑水浇施烟草专用追肥15 kg/hm2，团棵前干施烟草专用追肥90 kg/hm2、硝酸钾195 kg/hm2、硫酸钾240 kg/hm2。整个施肥有效养分比例为N∶P2O5∶K2O=1∶0.88∶2.98。其他按照当地优质烟叶生产技术及管理措施进行。
用于前期主脉脱水的小型低温除湿烤箱2台(与低温除湿烤房一致，只是体积大小不同)，低温除湿烤房1座，以上均由浙江明新能源公司生产并提供。
1.2 试验设计与处理
鲜烟叶来自下部和中部成熟度基本一致的烟叶。试验设置4个不同主脉脱水率处理：T1为主脉脱水10%；T2为主脉脱水20%；T3为主脉脱水30%；CK为主脉脱水0%。每个处理装烟6杆(100片/杆，共24杆)。其中：T1～T3先在同一个小烘烤箱中进行脱水，通过每次取样10片烟叶测定主脉脱水率，当主脉脱水达到(10±1)%、(20±1)%、(30±1)%时，再将6杆烟转入低温除湿烤房中一起进行烘烤(烤房留有60杆烟的位置，烤房共装烟380杆)。
1.3 测定项目与方法
在采收鲜烟叶中，选取有代表性大小一致的60片烟叶，称其鲜质量；然后用刀片将主脉与叶片分离，使用电子秤，分别称取主脉和叶片的鲜质量，计算其平均的单叶重、叶片重、主脉重、主脉/叶片比值(R，用于计算主脉脱水率)。
编杆前，分别随机取有代表性鲜烟叶各20片，分别编号为1，2，……，20，称全叶鲜质量后编入同一杆，装入两个小型低温除湿烤箱中烘烤。烘烤6 h后，取其中2片烟叶将主脉与叶片分开称重，根据平均单叶鲜重及R值计算脱水率，此后每2 h按照相同方法测定主脉脱水率，当主脉脱水率达到T1：(10±1) %、T2：(20±1) %、T3：(30±1) %以后，取其中6杆烟装入新型低温除湿烤房中进行烘烤。计算公式：
主脉脱水率(%)=[烤前全叶鲜质量×(主脉/叶片比值)-脱水后主脉质量]÷烤前全叶鲜质量×100
低温除湿烤房中先装320杆，每杆100片鲜烟叶，开烤6 h后取20杆称重，根据平均单叶鲜质量及R计算脱水率，此后每2 h按相同方法取样测定主脉脱水率，保证标准低温除湿烤房中的烟叶主脉脱水率控制在≤(30±1) %范围内。
同时，烤前鲜烟叶取3个不同主脉脱水率[T1：(10±1)%、T2：(20±1)%、T3：(30±1)%]烟叶4片编号，称重后迅速将叶片与主脉分离测定主脉脱水率，叶片立即用液氮处理后置于-20℃低温冰箱中保存(保存期≤15 d)，室内测定叶片酶活性(SOD、CAT、POD、α-淀粉酶、β-淀粉酶、淀粉磷酸化酶、叶绿素降解酶)及丙二醛(MDA)含量。
烤后称取干烟质量，并分级，取X2F和C3F烟叶，参照文献[16]测定物理特性指标：厚度、平衡水含量、填充值、拉力、叶面重/叶面密度，计算权重总分值；采用San++(荷兰Skalar公司)连续流动分析仪和火焰光度计法，测定烟叶总糖与还原糖、烟碱、总氮、氯、钾含量，并计算糖碱比、钾氯比和氮碱比，采用模糊数学隶属函数的数据模型进行可用性指数(CCUI)评价；参照文献[17]方法对外观质量指标颜色、成熟度、叶片结构、身份、油分、色度打分(表1)，再分别赋权重30%、25%、15%、12%、10%、8%，计算权重总分值；参照文献[18]方法，对感官质量指标：香气质(9分)、香气量(9分)、杂气(9分)、刺激性(9分)、燃烧性(5分)、灰分(5分)、余味(9分)、浓度(9分)、劲头(9分)进行打分，再依次分别赋权重25%、15%、12%、13%、3%、3%、10%、10%、10%，计算权重总分值。
然后，参照文献[16]方法，对C3F和X2F原烟的CCUI、外观质量指标、主要物理特性指标、感官评吸质量指标，采用赋值权重指数和法进行评价，权重比例依次为20%、10%、10%、60%，并计算权重总分值，权重总分值越高，表明烟叶综合质量越好。
表1 烟叶外观质量评价指标及分值
2 结果与分析
2.1 主脉脱水率计算
烤前翠碧1号鲜烟叶全叶平均单质量为83.83 g/片，其中鲜叶叶片平均质量为47.80 g/片，主脉鲜质量均值为36.19 g/片，叶片/主脉鲜质量为1.320 9(鲜烟叶中叶片含量57.02%，主脉含量42.98%)。
从表2可知，烘烤过程中，鲜烟叶随着烘烤时间递增，主脉失水率表现为：烘烤时间6.0～10.0、10.1～18.0、18.1～27.0、27.1～35.5 h，主脉失水率依次为5.0%～8.0%、8.1%～11.0%、11.1%～21.0%、21.1%～30.5%。
表2 主脉失水率及对应烘烤时间
2.2 叶片主要生理生化特性指标测定
从表3可知，烤前鲜烟叶(CK)的SOD活性平均值为11.71 U/g·h(FW)，POD活性平均值为19.77 U/g·h(FW)，MDA平均含量为0.006 5 nmol/mg，CAT活性平均值为4.69 U/g·h(FW)。
与烤前鲜烟叶相比较，主脉脱水后的鲜烟叶，不同失水率鲜烟叶酶活性等生化指标表现为：
1)当主脉失水率为9.5%～11.3%(T1)时，SOD活性比CK高53.52～64.64 U/g·h(FW)，POD活性比CK高15.48～18.11 U/g·h(FW)，MDA含量比CK高0.006 7～0.007 9 nmol/mg，CAT活性比CK高3.78～4.54 U/g·h(FW)。
2)当主脉失水率为19.1%～21.4%(T2)时，SOD活性比CK高75.82～83.42 U/g·h(FW)，POD活性比CK高19.36～31.61 U/g·h(FW)，MDA含量比CK高0.030 2～0.038 0 nmol/mg，CAT活性比CK高4.82～14.50 U/g·h(FW)。
3)当主脉失水率为28.5%～31.1%(T3)时，SOD活性比CK高91.56～194.04 U/g·h(FW)，POD活性比CK高55.36～98.08 U/g·h(FW)，MDA含量比CK高0.107～0.195 nmol/mg，CAT活性比CK高59.7～64.0 U/g·h(FW)。
结果表明，新鲜烟叶经过烘烤脱水胁迫后，烟叶细胞组织发生了一系列生理生化变化，导致细胞内的SOD、POD和CAT酶活性出现大幅上升，丙二醛含量增加，表明失水胁迫下对烟叶生理生化指标有较大的影响。
表3 不同脱水率鲜烟叶片主要酶活性及丙二醛含量
从表4可知，烤前鲜烟叶，其中：α-淀粉酶活性平均值为0.258 0 mg/g·min(FW)，β-淀粉酶活性平均值为0.035 2 mg/g·min(FW)，(α+β)-淀粉酶活性平均值为0.293 2 mg/g·min(FW)，淀粉磷酸化酶平均活性为3.048 5 U/mg·h(FW)，叶绿素降解酶活性平均值为0.042 3 △OD665/g·h(FW)。
与烤前鲜烟叶(CK)相比较，不同主脉脱水率鲜烟，其中：
1)当主脉失水率为9.5%～11.3%(T1)时，烟叶α-淀粉酶、β-淀粉酶、(α+β)-淀粉酶活性分别比CK高0.074 2、0.005 3和0.079 4 mg/g·min(FW)；淀粉磷酸化酶和叶绿素降解酶活性分别比CK高0.770 5 U/mg·h(FW)、0.014 8 △OD665/g·h(FW)。
2)当主脉失水率为19.1%～21.4%(T2)时，烟叶α-淀粉酶、β-淀粉酶、(α+β)-淀粉酶活性分别比CK高0.126 7、0.009 7、0.136 4 mg/g·min(FW)；淀粉磷酸化酶和叶绿素降解酶活性分别比CK高2.425 3 U/mg·h(FW)、0.020 3 △OD665/g·h(FW)。
3)当主脉失水率为28.5%～31.1%(T3)时，烟叶α-淀粉酶、β-淀粉酶、(α+β)-淀粉酶活性分别比CK高0.158 9、0.014 7、0.173 6 mg/g·min FW；淀粉磷酸化酶和叶绿素降解酶活性分别比CK高1.307 0 U/mg·h(FW)、0.035 3 △OD665/g·h(FW)。
结果表明，新鲜烟叶经过烘烤脱水胁迫以后，烟叶细胞组织发生了一系列生理生化变化，导致细胞内的α-淀粉酶、β-淀粉酶和(α+β)-淀粉酶活性、叶绿素降解酶活性出现大幅度的上升；而淀粉磷酸化酶活性则呈现出从主脉脱水率0.0%～21.4%呈现升高，然后下降的变化趋势。表明主脉失水胁迫下对烟叶淀粉酶及叶绿素降解酶均有着较大的影响。
表4 不同脱水率鲜烟叶片主要酶活性
2.3 烤后X2F和C3F烟叶主要质量指标及其综合评价
从表5可知，不同处理烤后烟叶质量指标，其中：1)烟叶主要物理特性指标权重总分值，X2F和C3F烟叶均表现为：CK>T1>T2>T3，T1、T2与CK间无显著性差异，T3显著低于其余处理。2)不同处理烟叶主要化学成分工业可用性指数(CCUI)，X2F和C3F烟叶均表现为：CK
通过对物理特性指标、CCUI、外观质量指标、感官质量指标权重总分值的综合评价，X2F和C3F烟叶4项指标综合评价权重总分值，均表现为：CK、T1>T2>T3，T1、T2与CK间无显著性差异，T3显著低于其余处理。
结果表明，与主脉不脱水烟叶相比，烟叶烘烤前对采摘的烟叶进行主脉低温除湿，使主脉脱水9.5%～21.4%以后，再采用闭式低温除湿烘烤，烤后烟叶的主要物理特性指标、CCUI、外观和感官质量无显著性差异，表明主脉脱水不超过20.14%时烟叶采用闭式低温除湿烤房及烘烤工艺，烤后烟叶质量无显著性差异，设备设施及配套烘烤工艺具有实际实用价值。
表5 不同处理烟叶物理特性、外观与感官质量及CCUI权重总分值和综合评价
3 讨论
3.1 主脉脱水对烟叶烘烤质量影响
烘烤特性是指烟叶在生长发育过程中，自身具有的与烘烤工艺紧密关联的内在特性，包括烟叶在烘烤过程中变黄与脱水难易度、定色期感受温湿度变化的敏感性等。烘烤特性直接影响烟叶烘烤效果及烤后烟叶质量[1]。烟叶烘烤包括变黄期、定色期、干筋期三个阶段，其中适度脱水有利于烟叶变黄期烘烤[19]。聂荣邦等[20]研究表明，翠碧1号鲜烟叶束缚水含量较高，自由水含量较低。宫长荣等[21]研究指出，合理调控烘烤期间脱水速度和脱水量，是增进和改善烟叶内在品质的技术核心和关键，不同鲜烟含水量烘烤工艺技术有差异；不同鲜烟含水量及烘烤中脱水，烘烤过程中色素降解有差异[22]；干筋阶段是主脉水分蒸发散失烟筋水分干燥的主要过程，对烟叶香气质量和香吃味的影响较大[23]。本研究结果表明，翠碧1号鲜烟烤前通过低温除湿工艺，脱去鲜烟主脉游离水20%左右，鲜烟保护性酶和淀粉酶及叶绿素降解酶等主要酶活性与不脱水鲜烟无显著性差异，烤后烟叶物理性状、主要化学成分、外观质量和感官质量等烟叶质量指标均无显著性差异。本研究为开展翠碧1号提质烘烤设备设施及烘烤工艺技术提供了新途径。但在主脉适宜脱水率情况下，烟叶烘烤质量无显著性差异，其原因有待进一步深入探讨；同时，翠碧1号上部烟叶在主脉脱水情况下，主要酶活性等生理生化指标及烤后烟叶质量指标的变化情况，也需要进一步深入研究。
3.2 烘烤设备设施对烟叶主脉脱水的影响
烟叶烘烤是一个先叶片脱水、叶脉部分脱水，经过变黄和定色，实现物质降解和转化，形成烟叶内在质量，再经过干筋阶段，脱去叶脉中的水分，固定烟叶内在质量的过程[1，15，20，22]。现有的密集式烤房及烘烤工艺，主要通过加热的空气在风机吹动下，带走烟叶的水分，实现烟叶烘烤。利用现有烤房设备设施及烘烤工艺，很难解决烤后烟叶挂灰等导致的烟叶质量稳定性差的难题，而导致这一情况的主要原因是翠碧1号鲜烟含水率高所致。为解决这一问题，本研究试图通过低温下先脱去主脉中的一部分水分，再采用新型除湿工艺，进行烘烤；但由于烟叶质量差异，很难控制脱水率的高度一致，为此本研究进行了不同主脉脱水率范围下的烘烤研究，通过烤后烟叶质量分析，探寻适宜的主脉脱水率范围，为设备设施及烘烤工艺在翠碧1号烘烤上的应用提供参考。
4 结论
本研究结果表明，成熟采收鲜烟采取低温除湿设备及工艺，在主脉游离水脱水10%±1%、20%±1%情况下，鲜烟保护性酶SOD、CAT、POD及MDA含量，叶片α-淀粉酶、β-淀粉酶、淀粉磷酸化酶和叶绿素降解酶活性，与主脉不脱水鲜烟无显著性差异；烤后烟叶质量同样无显著性差异。当主脉游离水脱水30%±1%时，由于鲜烟酶活性等主要生理生化指标产生显著性差异，导致烤后烟叶质量出现显著性差异。
通过探讨不同主脉脱水率烟叶烤后质量结果表明，在一定主脉脱水率范围内，采用低温低湿闭式烘烤，可提高翠碧1号烟叶的烘烤质量。本设备设施及烘烤工艺，为今后探索解决翠碧1号烘烤难的问题，提供了参考。
