密集烘烤過程中烤煙電特性和主要化學(xué)成分變化

賀 帆，王 濤，趙華武，樊士軍，4，楊彥明，宮長榮*

1.河南農(nóng)業(yè)大學(xué)煙草學(xué)院，鄭州市文化路95號 450002

2.曲靖市煙草公司師宗分公司，云南省師宗縣通源大街 655700

3.曲靖市煙草公司羅平分公司，云南省羅平縣文筆路 655800

4.湖南省郴州市煙草公司，湖南省郴州市燕泉北路61號 423000

前人對植物進(jìn)行電特性方面的研究表明［1］，生物體內(nèi)的各種組織和細(xì)胞的一系列生命活動均能產(chǎn)生電現(xiàn)象，并伴隨著一定的電位變化；生物電被認(rèn)為是生物體生命活動的象征，反映了生物體生命活動中的一些生理生化變化和物理變化，與生物體的新陳代謝關(guān)系密切。目前，烤煙烘烤進(jìn)程的調(diào)控主要是依據(jù)煙葉顏色和形態(tài)的變化，主觀性較強，影響因素較多。段史江［2-4］、王濤等［5-6］分別通過機器視覺技術(shù)和色差計量化烘烤過程中煙葉顏色變化，進(jìn)而預(yù)測煙葉主要化學(xué)成分的變化。但這些方法需要將煙葉從烤房取出，且受光照等外界環(huán)境影響較大，并不能完全實現(xiàn)快速無損預(yù)測煙葉化學(xué)成分。而成熟煙葉自田間采收后雖然脫離了煙株母體，但仍處于生命活動狀態(tài)，在烘烤過程前期，葉組織的生命活動仍在進(jìn)行，葉內(nèi)物質(zhì)不斷分解轉(zhuǎn)化［7］。因此，煙葉內(nèi)的水分和主要化學(xué)成分形成的導(dǎo)電介質(zhì)使煙葉存在電特性，而烘烤過程中水分和化學(xué)成分的變化勢必會引起電特性的變化。研究［8-13］表明，根據(jù)作物的電特性可以進(jìn)行含水率的快速測定，果蔬成熟度、凍傷、腐爛和品質(zhì)等的判別，植物油品質(zhì)指標(biāo)預(yù)測，提取人體生物醫(yī)學(xué)信息以及分析不同介質(zhì)中離子濃度等；利用電特性與水分、溫度和品質(zhì)指標(biāo)等的相關(guān)性，開發(fā)和研制了水分快速測定儀、糧食電容物位計和果汁糖度檢測儀等。但是目前有關(guān)烘烤過程中煙葉電特性及其與內(nèi)在生理生化變化關(guān)系的研究尚未見報道。因此，對烘烤過程中煙葉的電容值、電阻值以及主要化學(xué)成分變化進(jìn)行了試驗，以期通過電特性分析來實現(xiàn)烘烤過程中煙葉含水率與化學(xué)成分的實時檢測，為科學(xué)調(diào)控烘烤溫濕度，提高煙葉品質(zhì)提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗于2011～2012年在湖南省寧遠(yuǎn)縣仁和鎮(zhèn)進(jìn)行。供試品種為K326，種植行距120 cm，株距50 cm。試驗田地勢平坦，土壤肥力均勻一致，按照當(dāng)?shù)貎?yōu)質(zhì)煙葉生產(chǎn)技術(shù)規(guī)程進(jìn)行大田栽培管理，取達(dá)到成熟采收標(biāo)準(zhǔn)的中部葉（第10～11 葉位）為試驗材料。

1.2 樣品制備

采用氣流上升式密集烤房（烤房規(guī)格2.7 m×3.5 m×8m），裝煙密度65kg/m3，按照三段式烘烤工藝進(jìn)行煙葉調(diào)制。分別在煙葉烘烤過程中的關(guān)鍵溫度點取樣：干球36℃、濕球34 ℃（鮮煙葉）；干球38℃、濕球36℃（煙葉八成黃變軟）；干球42℃、濕球37 ℃（煙葉黃片青筋，主脈變軟）；干球48℃、濕球38℃（煙葉黃片黃筋小卷筒）；干球54 ℃、濕球39 ℃（葉片全干大卷筒）；干球68℃、濕球42℃（烤后煙葉）。每次取樣20片，10片用于電特性和含水率的測定；10片去除主脈和一級支脈留葉片于烘箱內(nèi)105℃殺青5min，60℃烘干，粉碎過60目篩，用于主要化學(xué)成分的測定。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 電特性的測定

參照宣奇丹等［14］的方法測定電容值，將葉片緩慢放入兩電極間，打開電容儀，在并聯(lián)方式和串聯(lián)方式分別設(shè)置頻率為100 Hz，120 Hz，1 kHz，10 kHz，100 kHz，穩(wěn)定5 s 后讀取數(shù)據(jù)。使用電橋儀測定電阻值，兩個測試夾分別夾住煙葉葉片最寬處的兩端，打開電橋儀，設(shè)置為DCR 檔位，穩(wěn)定5s 后讀取數(shù)據(jù)。

1.3.2 含水率的測定

稱煙葉葉片（去除葉脈）鮮質(zhì)量W1，將葉片放在105℃烘箱內(nèi)烘至恒質(zhì)量，待葉片冷卻后稱取葉片干質(zhì)量W2。含水率MP 計算公式：

1.3.3 化學(xué)成分的測定

采用連續(xù)流動法［15-18］測定煙葉中總氮、總糖、還原糖、蛋白質(zhì)和淀粉含量；參照寧正祥［19］的方法測定可溶性果膠和總果膠；參照張槐苓［20］的方法測定纖維素含量；采用反相高效液相色譜法［21］測定葉綠素a、葉綠素b、β-胡蘿卜素、新黃質(zhì)、葉黃素和紫黃質(zhì)的含量。

2 結(jié)果與分析

2.1 烘烤過程中烤煙電特性的變化

2.1.1 烤煙電容值變化及其最優(yōu)測定方式的確定

由圖1 和圖2 可知，密集烘烤過程中，不同測試頻率下的并聯(lián)電容和串聯(lián)電容變化趨勢基本一致。當(dāng)測試頻率為100 和120 Hz 時，烤煙電容值呈先下降后上升而后再下降的趨勢；但并聯(lián)方式下，測試頻率100 Hz 時電容值的變化幅度明顯高于120 Hz；串聯(lián)方式下，烘烤前期以測試頻率100 Hz 時變化幅度較大，烘烤后期以測試頻率120 Hz 的變化頻率較大。當(dāng)測試頻率為1，10 和100 kHz 時，隨著烘烤過程的推進(jìn)，烤煙電容值均呈緩慢下降的趨勢；其中，測試頻率為1 kHz 時電容值的變化幅度略高于測試頻率10 和100 kHz。

對烘烤過程中烤煙電容值隨烘烤溫度的變化進(jìn)行方程擬合檢驗，以一元三次方程擬合程度較高。不同測定方式烤煙電容值的一元三次方程擬合檢驗R2值如表1 所示，除測試頻率100 Hz 時串聯(lián)方式R2值高于并聯(lián)方式外，其余各測試頻率下，采用并聯(lián)方式的R2值均高于串聯(lián)方式。而不同測試頻率中，以1 kHz 時，擬合檢驗的R2值為最高。而烘烤過程中，各溫度點電容值的離散程度隨著測試頻率的升高呈降低趨勢。因此，烤煙葉片電容值的測定采用并聯(lián)方式，測試頻率為1 kHz。

圖1 烘烤過程中烤煙并聯(lián)電容變化Fig.1 Changes of parallel capacitance of flue-cured tobacco during curing

圖2 烘烤過程中烤煙串聯(lián)電容變化Fig.2 Changes of series capacitance of flue-cured tobacco during curing

表1 不同測定方式烤煙電容值的一元三次方程擬合檢驗R2值Tab.1 R2 values of simple cubic equation of different determination modes of flue-cured tobacco capacitance

2.1.2 烤煙電阻的變化

由圖3可知，密集烘烤過程中，隨著煙葉溫度升高和水分的散失，葉片電阻值呈升高趨勢。其中，在干球溫度36℃至42℃的變黃期煙葉電阻值升高趨勢較為平緩，且3個溫度點煙葉電阻值間差異不顯著（P>0.05）。進(jìn)入定色期（42℃后），煙葉電阻值呈急速驟升的趨勢；其中干球溫度48℃和54 ℃煙葉的電阻值與其他各溫度點間差異均達(dá)到極顯著水平（P<0.01）。而在54 ℃之后，由于煙葉葉片全干，電阻值無限大而無法測出。而在干球溫度42℃和48℃時測定的煙葉電阻值之間離散程度較高。由此可見，隨著烘烤進(jìn)程的推進(jìn)，煙葉葉片組織內(nèi)和組織間的水分逐漸散失，葉片的導(dǎo)電性能隨之減弱，葉片的電阻值則呈現(xiàn)逐漸升高、甚至是急速升高的趨勢。

圖3 烘烤過程中烤煙電阻值變化Fig.3 Changes of resistance values of flue-cured tobacco during curing

2.2 烘烤過程中烤煙含水率的變化

圖4 結(jié)果表明，烘烤過程中烤煙葉片含水率呈下降趨勢，其中在變黃期（干球溫度42℃前）和定色期（干球溫度42～54 ℃）均明顯降低，尤其在定色期下降趨勢更為顯著；且各溫度點之間含水率差異達(dá)到極顯著水平（P<0.01）。干球溫度54 ℃后葉片全干，其含水率基本無變化，干球溫度54 ℃和68℃之間的差異不顯著（P>0.05）。

圖4 烘烤過程中烤煙含水量的變化Fig.4 Changes of moisture contents in flue-cured tobacco during curing

2.3 烘烤過程中烤煙主要化學(xué)成分的變化

2.3.1 常規(guī)化學(xué)成分

烘烤過程中淀粉、總氮和蛋白質(zhì)含量呈下降趨勢，總糖和還原糖呈上升趨勢（表2）。其中，淀粉在變黃期（干球溫度42 ℃之前）明顯降低，進(jìn)入定色期略有降低；而總糖和還原糖含量變化與其相反，在變黃期明顯增多，進(jìn)入定色期之后增加不明顯。烘烤過程中總氮含量雖然整體上呈下降趨勢，但減少量不明顯。蛋白質(zhì)含量的變化則在整個烘烤過程中呈現(xiàn)出平穩(wěn)降低的趨勢，但在變黃期結(jié)束時蛋白質(zhì)降解量占總降解量的32.13%。

表2 烘烤過程中化學(xué)成分的變化Tab.2 Changes of routine chemical components during curing（%）

2.3.2 質(zhì)體色素

煙葉的質(zhì)體色素在整個烘烤過程中呈現(xiàn)出逐漸降低的變化趨勢，其中葉綠素a、葉綠素b 和紫黃質(zhì)的含量在干球溫度38 ℃之前均呈急劇下降趨勢，而在之后的下降趨勢逐漸變緩；β-胡蘿卜素的含量下降趨勢類似直線下降；葉黃質(zhì)含量的變化在干球溫度42 ℃之前均呈急劇下降趨勢，而在此之后的下降趨勢逐漸緩慢；新黃質(zhì)含量的變化呈緩慢下降趨勢，見表3。

表3 烘烤過程中質(zhì)體色素含量的變化Tab.3 Changes of contents of pigment during curing

2.3.3 細(xì)胞壁組分

細(xì)胞是生物體結(jié)構(gòu)和功能的基本單位，烘烤過程中細(xì)胞壁組分的變化與光滑煙的形成密切相關(guān)［22］。由圖5可知，烘烤過程中可溶性果膠含量呈增加趨勢，總果膠含量則在干球溫度48℃之前略有增加，而后下降。纖維素含量則隨著烘烤進(jìn)程的推進(jìn)，在干球溫度38℃時有所增加，之后急劇下降，其中在干球溫度38～48℃之間急劇下降，48℃之后降低趨勢減緩。

2.4 烘烤過程中烤煙電特性與主要化學(xué)成分的關(guān)系

由表4 可知，烘烤過程中烤煙煙葉電容值和電阻值與主要化學(xué)成分之間具有明顯的相關(guān)性，但各化學(xué)成分之間差異較大。其中含水率與電容值之間呈極顯著正相關(guān)（P<0.01），與電阻值之間呈負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)較大；總糖和可溶性果膠均與電容值之間呈顯著負(fù)相關(guān)（P<0.05），與電阻值之間呈正相關(guān)關(guān)系，但相關(guān)性不顯著；總氮、蛋白質(zhì)、葉黃質(zhì)、新黃質(zhì)均與電容值呈顯著正相關(guān)（P<0.05），與電阻值之間呈負(fù)相關(guān)，但相關(guān)性不顯著；其余各化學(xué)成分與煙葉電容值和電阻值之間相關(guān)性不顯著，其中總果膠含量與其相關(guān)性較低，其他化學(xué)成分與電容值呈正相關(guān)，與電阻值呈負(fù)相關(guān)。

圖5 烘烤過程中細(xì)胞壁組分的變化Fig.5 Changes of cell wall components during curing

表4 烘烤過程中烤煙電特性與主要化學(xué)成分的相關(guān)性Tab.4 Correlation between electrical characteristics and chemical components of flue-cured tobacco during curing

3 結(jié)論與討論

國內(nèi)外較多研究［23-25］表明，農(nóng)業(yè)物料的電特性直接或間接地與農(nóng)業(yè)物料的品質(zhì)、成分、含水率、生長發(fā)育等諸多因素有關(guān)，直接關(guān)系到物料的貯藏、保鮮和加工等過程?？緹熋芗婵臼侨藶閯?chuàng)造一個適宜的溫濕度環(huán)境，從而調(diào)控?zé)熑~失水干燥與生理生化變化的過程。相關(guān)研究［26-27］認(rèn)為水分是影響植物電特性參數(shù)的主要因素，葉片內(nèi)水分的減少導(dǎo)致葉片介電常數(shù)和導(dǎo)電性減小，煙葉電容值減小、電阻值增大。而且烘烤過程中的煙葉仍然是有生命活動的有機體，通過呼吸作用，使得淀粉、蛋白質(zhì)、色素等物質(zhì)發(fā)生降解轉(zhuǎn)化，從而導(dǎo)致煙葉內(nèi)部空間電荷分布的變化，進(jìn)而影響煙葉電特性［28］。對烘烤過程中烤煙葉片含水率與主要化學(xué)成分變化進(jìn)行分析，含水率呈下降趨勢，尤其在定色期下降趨勢更為顯著，干球溫度54 ℃后葉片全干，沒有明顯變化；常規(guī)化學(xué)成分、質(zhì)體色素與細(xì)胞壁組分的變化主要在變黃期（干球溫度42℃前）和定色期（干球溫度42～54 ℃），54 ℃后進(jìn)入干筋期，沒有明顯變化。因此，烘烤過程中，隨著煙葉內(nèi)大分子物質(zhì)的降解轉(zhuǎn)化和水分的散失，在干球溫度38℃至48℃結(jié)束時，煙葉并聯(lián)電容值呈迅速下降的趨勢，48℃之后呈極緩慢下降的趨勢；電阻值的變化整體上呈上升趨勢，在干球溫度36℃至42℃的變黃期升高趨勢較為平緩，且3個溫度點煙葉電阻值之間差異不顯著，進(jìn)入定色期（干球溫度42℃之后），煙葉電阻值呈急速驟升的趨勢。

植物作為一種生物體，是介于絕緣體與導(dǎo)體之間的電介質(zhì)，在外電場作用下的電容值和電阻值不僅與含水率有密切關(guān)系，同時與植物的內(nèi)在化學(xué)成分、生理指標(biāo)以及物理性質(zhì)間也具有直接或間接的關(guān)系［29-30］。對密集烘烤過程中煙葉并聯(lián)電容和電阻值與主要化學(xué)成分進(jìn)行相關(guān)分析，煙葉電容值和電阻值與主要化學(xué)成分之間呈顯著相關(guān)，而電容值與化學(xué)成分的相關(guān)性明顯優(yōu)于電阻值；其中電容值與含水率呈極顯著相關(guān)，與總糖、總氮、蛋白質(zhì)、β-胡蘿卜素、葉黃質(zhì)、新黃質(zhì)和可溶性果膠間呈顯著相關(guān)。而唐燕［8］、郭文川［31］等的研究也認(rèn)為作物的電特性與水分和化學(xué)成分之間有一定的相關(guān)性，但不同作物間電特性與水分和化學(xué)成分的相關(guān)性表現(xiàn)各不相同。因此，通過烘烤過程中煙葉電特性的變化對含水率和主要化學(xué)成分進(jìn)行無損、快速檢測是可行的。但在煙葉阻抗特性和介電參數(shù)等方面尚有待進(jìn)一步試驗，以積累大量可靠實用的參數(shù)，實現(xiàn)烘烤過程中煙葉水分和主要化學(xué)成分的快速無損檢測，科學(xué)調(diào)控烘烤溫濕度。

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