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基于形态学和色度学的烘烤过程中烟叶水分含量变化的模型

范文

李峥　邱坤　方明　谭方利　赵东方　赵贵斌　张杰　贺帆

摘要：旨在建立烤烟烘烤过程中的烟叶形态指标和颜色参数与含水量的关系模型，从而为烤烟烘烤工艺的优化改良、烘烤质量的动态形成研究提供参考。以烤烟K326的上部叶为试验材料，采用电热式温湿度自控烤烟箱，以三段式烘烤工艺进行试验，研究烘烤过程中烟叶含水量与外观形态、颜色变化之间的规律。结果表明，在烤烟烘烤过程中叶片、整叶的总含水率及叶片的自由水含量均在定色期快速下降，主脉各含水量指标则在定色后期开始大幅度降低。烘烤过程中叶片、主脉的厚度和体积收缩率较为明显，其余形态指标在变黄期的变化均较平缓，定色期相对剧烈，干筋期又减缓;叶片正面、背面各颜色参数的变化趋势基本一致，均表现为变黄期变化幅度较大，之后趋于稳定，且叶片正面颜色的变化快于背面，主脉颜色参数的变化则明显滞后于叶片，定色末期之后的变化最显著。相关性分析表明，烟叶含水量指标与各形态指标均具有良好的相关性，与叶片正面a*值、叶片背面a*值、主脉a*值和主脉b*值的相关性较好。回归分析拟合方程的构建，实现了通过烘烤过程中叶片、主脉的形态和颜色变化快速、精准地预测叶片、主脉和整叶含水量的变化。

关键词：烤烟;形态学;色度学;烘烤;自由水;形态指标;颜色参数

中图分类号： TS452+.4文献标志码： A

文章编号：1002-1302（2019）19-0209-06

收稿日期：2018-05-14

基金项目：河南省高等学校青年骨干教师资助项目（编号：2015GGJS-079）;湖南省烟草公司郴州市公司资助项目（编号：201543100094001）。

作者简介：李峥（1994—），男，河南周口人，硕士研究生，研究方向为烟草调制与加工。E-mail：tobaccolz@126.com。

通信作者：贺帆，博士，副教授，主要从事烟草调制与加工方面的研究。E-mail：hefanyc@163.com。

烟叶烘烤的实质是通过调节采后烟叶所处的温湿环境，进而有节奏地促进烟叶失水干燥的过程。在烟叶烘烤过程中，上、下表皮细胞的厚度、宽度以及栅栏组织、海绵组织的厚度、收缩率存在差异，宏观上烟叶形态的变化是烟叶失水干燥程度的体现[1-2]。同时，水分作为调控烟叶生理变化的重要介质，与烟叶内含物质的转化密切相关，而色素类物质含量的变化外在体现在烟叶颜色的变化[3]。随着现代仪器学科的不断发展，烟叶外观颜色的检测和识别技术越发成熟，CIE（国际照明委员会）色度空间较好地实现了烟叶颜色的量化研究，目前已得到广泛应用[4-6]。因此，研究烘烤过程中烟叶水分与形态、颜色变化之间的关系，对于了解烟叶品质形成、提高烟叶的可用性、实现精益烘烤具有重要意义。樊军辉等研究了不同烤房類型对烟叶烘烤过程中形态收缩、卷曲的影响，结果显示，密集烤房装烟密度大，烟叶形态变化受到限制，是导致上部叶出现光滑僵硬现象的重要原因[7]。魏硕等对比研究了烟叶带茎与不带茎烘烤过程中含水量与形态收缩的变化，结果表明，叶片厚度、主脉直径的变化与烟叶总水含量、自由水含量的关系密切[8]。谢鹏飞等研究了烟叶烘烤过程中水含量与颜色参数变化的关系，结果表明，烟叶a*值、主脉b*值与含水率指标呈显著或极显著相关[9]。对于烘烤过程中烟叶水分含量与外观形态、颜色变化的关系还有待进一步探究。

为此，本研究以湖南郴州烟区所产烟草品种K326的上部叶为试验材料，分别探究叶片、主脉在烘烤过程中的失水规律，在前人研究的基础上进一步完善形态学指标，并采用亨特Lab值量化研究叶片和主脉颜色的变化，通过相关性分析和回归分析实现烟叶外观形态、颜色变化与含水量关系的定性定量研究，进而为烤烟烘烤质量的动态形成、烘烤工艺的优化改进提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

本试验于2017年3—8月在湖南省桂阳县正和烟草工作站进行。供试烟草品种为K326，试验田土壤为水稻土，土壤肥力中等;于2017年3月14日移栽，种植株行距为50 cm×110 cm;田间管理参照当地优质烟草栽培生产技术规范进行。选取叶色均匀且叶片大小、成熟度基本一致的上部叶（第 15～16 叶位）作为试验材料。

1.2 试验方法

将采收后的烟叶均匀悬挂于2个电热智能密集烤烟箱（由郑州智联自动化设备有限公司生产）中，同时开烤，参照三段式烘烤工艺[10]进行。烘烤开始后以12 h为周期，选取20张具有代表性的完整烟叶，用于含水量、形态指标和颜色参数的测定，为了避免取样后装烟密度及叶间隙风速对于试验误差产生影响，每次取样后选取另1个烤烟箱的烟叶进行填充。

1.3 测定项目及方法

为了确保试验数据的精准性，将烟叶、主脉分为上部（第2～3支脉）、中部（第5～6支脉）和下部（第8～9支脉）3个区域。图1中的检测位点1、2、3距离主脉2 cm，检测位点4、5、6位于主脉上。

1.3.1 烟叶水分指标的测定在测定总含水率时，将叶片和主脉剥离，参照YC/T 31—1996《烟草及烟草制品试样的制备和水分测定烘箱法》，采用烘箱法分别测量叶片、主脉的含水率，并以此为基础计算整叶（叶片+主脉）的含水率。叶片、主脉中自由水、束缚水含量的测定采用阿贝折射仪法[11]，其中测定叶片自由水、束缚水含量时用打孔器（孔径5 mm）分别选取图1中1、2、3位置的样品，测定主脉自由水、束缚水含量时用刀片切取图1中4、5、6位置的样品。

1.3.2 烟叶形态指标的测定烟叶平面收缩率、烟叶卷曲度的测量参照樊军辉等的方法[7];厚度收缩率的测量采用Progage 100测厚仪（美国Thwing-Albert公司），叶片的测量位置为图1中的1、2、3位点，主脉的测量位置为图1中的4、5、6位点;体积收缩率的测量参照钟广炎的方法[12]进行。

2.5 烟叶水分含量与形态指标和颜色参数的相关性分析

由表1对烘烤过程中烟叶含水量与各项形态指标的相关性分析可以看出，叶片含水率、整叶含水率与各项形态指标均呈极显著负相关。主脉水含率与纵向收缩率、叶面积收缩率、主脉厚度收缩率和横向卷曲度4项指标呈显著负相关，与主脉体积收缩率、纵向卷曲度呈极显著负相关。叶片自由水含量与各项形态学指标呈负相关，除与纵向卷曲度显著相关外，与其余指标的相关性均达极显著水平。主脉自由水含量与纵向收缩率、主脉厚度收缩率、主脉体积收缩率、纵向卷曲度的相关性达到极显著水平，与其余5项指标也呈显著负相关。叶片束缚水含量除与叶片体积收缩率的相關性不显著外，与其余指标均呈显著或极显著负相关。主脉束缚水含量与纵向收缩率、主脉厚度收缩率、主脉体积收缩率、横向卷曲度呈显著负相关，与纵向卷曲度呈极显著负相关。

对烘烤过程中烟叶含水量与颜色参数中的亨特Lab值进行相关性分析，从表1可以看出，叶片正面a*值与叶片束缚水含量、主脉束缚水含量之间的相关性不显著，与主脉水含率、整叶含水率和主脉自由水含量3项指标呈显著负相关，与叶片含水率、叶片自由水含量呈极显著负相关。叶片背面L*值与叶片自由水含量呈显著负相关，a*值与叶片含水率、主脉含水率呈显著负相关，与叶片自由水含量呈极显著负相关。各项烟叶水分含量指标与主脉a*值的相关性最强，除与叶片含水率、叶片自由水含量、叶片束缚水含量3项指标呈显著负相关外，其余水分含量指标均与主脉a*值呈极显著负相关。主脉b*值则与叶片自由水含量的相关性不显著，与主脉束缚水含量呈极显著负相关，与其余水分含量指标呈显著负相关。叶片正面的L*值、b*值，以及叶片背面的b*值、主脉L*值与各项水分含量指标的相关性均不显著。

2.6 烘烤过程中烟叶水分含量模型的建立

依据自变量对因变量作用的显著程度，选择回归方程的初始参数，以叶片含水率（y1）、主脉含水率（y2）、整叶含水率（y3）、叶片自由水含量（y4）、主脉自由水含量（y5）、叶片束缚水含量（y6）、主脉束缚水含量（y7）7项指标为因变量，以横向收缩率（x1）、纵向收缩率（x2）、叶面积收缩率（x3）、叶片厚度收缩率（x4）、主脉厚度收缩率（x5）、叶片体积收缩率（x6）、主脉体积收缩率（x7）、横向卷曲度（x8）、纵向卷曲度（x9）9项形态参数为自变量，拟合出回归方程y1～y7。在颜色参数方面，以叶片水含率（y8）、主脉水含率（y9）、整叶水含率（y10）、叶片自由水含量（y11）、主脉自由水含量（y12）、叶片束缚水含量（y13）、主脉束缚水含量（y14）7项指标为因变量，以叶片正面a*值（x1）、叶片背面a*值（x2）、主脉a*值（x3）、主脉b*值（x4）4项指标为自变量，建立回归方程y8～y14。具体公式如下：

y1=-3.305x1+1.518x2+1.936x3-0.689x4-0.528x5+0.637x6-0.135x7-0.928x8+2.728x9+76.042（R2=0.999，P<0.01）;

y2=0.869x1-5.230x2-1.765x3-0.025x4+0.308x5+1.074x6-1.055x7+1.454x8-4.639x9+79.042（R2=0.980，P<0.01）;

y3=-0.669x1+1.535x2-1.689x3-0.015x4-0.473x5+0.593x6-0.349x7-0.154x8-0.939x9+78.979（R2=0.999，P<0.01）;

y4=0.260x1+1.882x2-3.489x3+0.291x4-0.194x5-0.208x6-0.035x7+1.290x8-1.158x9+35.801（R2=0.997，P<0.01）;

y5=-0.815x1-5.861x2+0.740x3-0.729x4-0.628x5+0.886x6-1.090x7+1.569x8-0.797x9+63.685（R2=0.965，P<0.05）;

y6=-1.899x1-0.021x2+3.637x3-0.427x4-0.459x5+0.342x6+0.346x7-1.885x8-0.510x9+38.066（R2=0.998，P<0.01）;

y7=-0.301x1-5.865x2+2.835x3+0.010x4-0.032x5+0.025x6+0.241x7-1.396x8+0.769x9+36.497（R2=0.961，P<0.05）;

y8=-2.937x1-0.294x2-3.829x3+0.167x4+183.342（R2=0.967，P<0.05）;

y9=0.814x1-5.100x2-0.028x3+0.024x4+61.571（R2=0.949，P<0.05）;

y10=-1.681x1-2.107x2-2.950x3-0.311x4+155.717（R2=0.977，P<0.05）;

y11=-2.265x1+0.012x2-0.439x3+1.205x4+44.507（R2=0.985，P<0.01）;

y12=-0.566x1-3.110x2+0.744x3-0.038x4+27.041（R2=0.917，P<0.05）;

y13=-0.309x1-0.638x2-3.363x3+0.264x4+134.596（R2=0.952，P<0.05）;

y14=0.122x1-1.151x2-0.515x3+0.419x4+34.473（R2=0.885，P<0.05）。

通过各回归方程的确定系数R2可以看出，烘烤过程中烟叶的含水量与形态指标、颜色参数的回归方程均具有较高的拟合度，方差分析结果均达到显著或极显著水平。

3 结论与讨论

烟叶在烘烤过程中，叶片、主脉、整叶的含水率均不断降低，叶片、整叶的失水速率呈现出变黄期慢、定色期快、干筋期再减缓的变化趋势，整叶含水率的降低速率和幅度要慢于叶片。叶片的失水干燥必然会影响主脉水分的迁移，在定色末期，叶片水分基本全干，主脉中的水分受到水势差的作用，此时水分经由侧脉向叶片快速转移散失[14]。烟叶水分分为自由水和束缚水，主脉的自由水含量明显高于叶片，而束缚水含量表现为叶片高于主脉，表明主脉水分的流动性强于叶片。叶片的自由水、束缚水含量在定色期快速递减，主脉的自由水、束缚水含量则在定色后期开始明显降低。

烟叶形态变化的本质是由于表皮细胞、栅栏组织和海绵组织的厚度、间隙发生了改变[15]。本试验结果表明，烘烤过程中烟叶的纵向收缩率和纵向卷曲度的变化幅度较小，厚度与体积2项形态学指标的变化幅度较高，叶片的厚薄与体积大小表征了烟叶对水分的容纳能力[16]。随着叶片、主脉含水率的不断降低，最终叶片和主脉厚度、体积的变化较为明显。整体来看，各项形态指标在变黄期的变化较为平缓，变化幅度最大的时期发生在定色期，在干筋期变化又逐渐减缓，与烟叶水分的变化规律近似。就烟叶颜色的变化而言，由于变黄期的烟叶仍含有大量水分，为色素等大分子物质的降解转化提供了适宜的条件，因此叶片的颜色参数变化主要集中在变黄期，且叶片正面、背面颜色参数的变化趋势基本一致。由于烟叶为典型异面叶，叶面、叶背的组织结构、色素含量、失水特性不同[17]，叶片正面颜色的变化要略快于叶背面，这与谢鹏飞等的研究结果[9]一致。主脉颜色参数变化最显著及最高值出现的时期要滞后于叶片，主要发生在定色后期，这个时期对于主脉水分的合理调控有助于烟梗利用率的提升。

在烤烟烘烤過程中合理地调控烟叶失水量、失水速率是促进烤烟生理变化和物理变化协调统一进行的前提[18-19]。烟叶形态、颜色是烟叶内部理化变化的外在宏观体现，同时也是温湿度调节的重要参照指标。烟叶烘烤过程中的水分含量与形态、颜色密切相关，由相关性分析可以看出，烟草叶片含水率、整叶含水率、叶片自由水含量、主脉自由水含量与各项形态学指标均有显著或极显著负相关关系，其余的水含量指标也与形态参数具有较高的相关性。回归拟合方程表明，可以通过烟叶烘烤过程中形态的变化实现烟叶含水量的精准预测。颜色参数中的叶片正面a*值、叶片背面a*值、主脉a*值和主脉b*值与烟叶含水量指标的相关性较好，通过回归分析拟合方程定量地将烘烤过程中烟叶的含水量变化与形态、颜色变化联系起来。虽然本试验实现了烟叶各部分水分含量与外观形态指标、颜色参数的定性、定量分析，但仍处于初步阶段，有关烟叶烘烤过程中叶片、主脉、支脉等各部分细胞形态、组织结构、颜色变化与含水量变化的关系还有待进一步研究。

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