利用低場核磁共振分析烘烤過程煙葉水分遷移干燥特性

宋朝鵬，魏碩，賀帆，陳二龍，王建安，任天寶，宮長榮，田斌強

河南農(nóng)業(yè)大學煙草學院，鄭州 450002

利用低場核磁共振分析烘烤過程煙葉水分遷移干燥特性

宋朝鵬，魏碩，賀帆，陳二龍，王建安，任天寶，宮長榮，田斌強

河南農(nóng)業(yè)大學煙草學院，鄭州 450002

為探究烘烤過程煙葉水分狀態(tài)及遷移變化規(guī)律，以上部葉為試驗材料，利用低場核磁共振技術(shù)分別對烘烤過程煙葉葉片和主脈進行弛豫特性及質(zhì)子密度成像分析。結(jié)果表明：（1）葉片含有自由水、半結(jié)合水和結(jié)合水3種狀態(tài)水分，主脈含有自由水、半結(jié)合水2種狀態(tài)水分，烘烤過程煙葉主脈各對應(yīng)狀態(tài)水分流動性大于葉片；（2）42～48℃和54～60℃分別為葉片和主脈水分狀態(tài)遷移變化的關(guān)鍵時期；烘烤過程煙葉葉片和主脈中自由水最先被干燥去除，而半結(jié)合水和結(jié)合水需要轉(zhuǎn)化為自由水才能散失，其中少量結(jié)合水難以通過干燥脫除。（3）烘烤過程主脈水分由“主脈—側(cè)脈—葉片”通道遷移效率較高，由主脈直接向葉片轉(zhuǎn)移效率較低；另外，葉片厚度收縮率和主脈直徑收縮率分別與其自由水散失規(guī)律密切相關(guān)。研究揭示了烘烤過程煙葉的干燥特性，可以為其烘烤工藝優(yōu)化提供理論依據(jù)。

低場核磁；煙葉；烘烤；水分狀態(tài)；遷移特性

煙葉烘烤是煙葉脫水干燥的物理過程與內(nèi)部生物化學變化過程的協(xié)調(diào)統(tǒng)一；烘烤過程中主脈水分向葉片組織遷移[1]，其水分狀態(tài)主要為自由水[2]，而這部分水及其狀態(tài)會影響葉片的生理代謝[3-6]，從而影響烤后煙葉的品質(zhì)[5-7]；因此，研究烘烤過程煙葉內(nèi)部的水分狀態(tài)及遷移變化，對探究煙葉水分代謝干燥特性具有重要意義。低場核磁共振（low- fi eld NMR）是一種快速、無損、非侵入的檢測技術(shù)，包括核磁共振波譜分析（MRS）技術(shù)和核磁共振成像（MRI）技術(shù)，是目前研究農(nóng)產(chǎn)品加工過程水分狀態(tài)及分布遷移變化的常用手段之一[8-12]。該技術(shù)在煙草領(lǐng)域的應(yīng)用不多，多集中在檢測煙絲含水率[13]和烘烤過程主脈含水率[14]，而應(yīng)用于烤煙烘烤過程水分狀態(tài)及遷移特性的研究尚未見報道。本試驗擬通過利用低場核磁共振技術(shù)分析煙葉烘烤過程葉片和主脈水分狀態(tài)及遷移變化，為揭示煙葉失水干燥機理及優(yōu)化烘烤工藝提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

2016年9月于國家煙草栽培生理生化研究基地洛陽試驗站試驗田選取試驗材料，試驗田土壤肥力中等，供試品種為秦煙96，行距120 cm，株距55 cm，規(guī)范化種植管理，選取株高一致、留葉數(shù)18片、煙葉葉色均勻、呈典型“中棵煙”特征的煙株掛牌標記，選取葉面積大小基本一致的上部葉（第16葉位）為試驗材料，煙葉落黃成熟時按照葉位單葉采收。

1.2 試驗方法

1.2.1 樣品制備

將采收的煙葉均勻懸掛于電熱式溫濕自控密集烤煙箱（江蘇科地現(xiàn)代農(nóng)業(yè)有限公司）中，按照三段式烘烤工藝[15]烘烤；分別在烘烤的0 h，48 h，66 h，84 h，96 h，114 h，128 h和160 h取樣，依次對應(yīng)干球溫度38℃，42℃，45℃，48℃，54℃，60℃和68℃穩(wěn)溫結(jié)束時刻；取樣部位見圖1，每個取樣節(jié)點取3次重復(fù)。

圖1 煙葉取樣位置示圖Fig.1 Schematic diagram of sampling position of tobacco leaves

1.2.2 自旋-自旋弛豫特性分析

利用上海紐邁電子科技有限公司MicroMR23-025V低場核磁儀（共振頻率23.347 MHz，探頭線圈直徑25 mm，磁體溫度控制在31.99-32.01 ℃）檢測烘烤過程中煙葉水分狀態(tài)及含水率（FW）變化，每次在煙葉中部（圖1）取主脈樣品（長1 cm小段）和葉片樣品（長寬為5×1.5 cm小片，2片）進行檢測，CPMG序列參數(shù)：主頻SF=23 MHz，偏移頻率O1=348655.79 Hz，重復(fù)采樣等待時間TW=5000 ms，接收帶寬SW=200 KHz，采樣點數(shù)TD=720154，回波個數(shù)NECH=18000，回波時間TE=0.2 ms，90度脈沖時間P1=7 μs，180 度脈沖時間P2=15 μs，累加采樣次數(shù)NS=16，RFD=0.02 ms，模擬增益RG1=20 db，數(shù)字增益DRG1=3。將采集到的T2衰減曲線進行擬合并反演可以得到樣品的T2弛豫信息，包括弛豫時間及其對應(yīng)的弛豫信號分量。

式中M（t）為隨時間t衰退的回波峰值；n為指數(shù)擬合的個數(shù)；A2i為各弛豫組分的信號強度；T2i為對應(yīng)于A2i的弛豫時間常數(shù)。

1.2.3 低場核磁成像（LF-MRI）

利用上海紐邁電子科技有限公司MesoMR23-60H-I核磁成像儀（共振頻率：23.423 MHz，探頭線圈直徑60 mm，磁體溫度控制在31.99-32.01℃，）檢測烘烤過程煙葉水信號分布變化，每次隨機用刀片在煙葉中部（圖1）切取樣品（1.5×8 cm）進行檢測，成像面為垂直于煙葉樣品的中間位置。使用T2加權(quán)成像序列，多重自旋回波成像MSE序列參數(shù)：視野FOV=100 mm×100 mm，重復(fù)時間TR=500 ms，回波時間TE=20 ms，選層厚度SW=13.6 mm，采樣次數(shù)NS=4，矩陣256×256，經(jīng)傅立葉重建后統(tǒng)一映射，將圖像轉(zhuǎn)換成偽彩圖進行比對分析。

1.2.4 煙葉形態(tài)收縮指標測定

利用10mm打孔器在煙葉中部（圖1）取葉片樣品，利用浙江托普儀器有限責任公司植物葉片厚度儀（精度為0.01 mm）測定葉片厚度；在煙葉中部（圖1）取下主脈樣品，利用廣州一思通電子儀器廠ETB-05B激光測徑儀測定主脈直徑。

葉片厚度收縮率計算公式如下：

式中：TS為葉片厚度收縮率，%；h1為鮮葉片厚度，mm；h2為取樣葉片厚度，mm。

主脈直徑收縮率計算公式如下：

式中：DS為主脈直徑收縮率，%；d1為鮮主脈直徑，mm；d2為取樣主脈直徑，mm。

1.3 數(shù)據(jù)處理

試驗結(jié)果利用Microsoft Excel 2010軟件進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計，利用Origin 9.32軟件作圖，利用SPSS 23.0進行相關(guān)性分析，利用Adobe Photoshop CC對圖像進行編輯處理。

2 結(jié)果與討論

2.1 鮮煙葉T2弛豫圖譜

圖2 鮮煙葉T2弛豫圖譜Fig.2T2relaxation spectra of fresh tobacco leaves

核磁共振T2弛豫圖譜呈現(xiàn)出多組分特征，代表不同的水分狀態(tài)，通常將弛豫時間最長的組分T23定義為自由水，將弛豫時間較長的組分T22定義為半結(jié)合水，弛豫時間最短的組分T21定義為結(jié)合水水[9-11]，不同物料T2反演譜圖存在一定差異，Xu等[11]利用核磁共振檢測胡蘿卜水分過程中得到結(jié)合水、半結(jié)合水和自由水3種狀態(tài)水分；要世瑾等[16]利用核磁共振檢測小麥葉片和莖稈水分過程中得到結(jié)合水和自由水2種狀態(tài)水分。本試驗以煙葉為材料的T2弛豫圖譜顯示，鮮煙葉葉片中含有3種狀態(tài)的水分（圖2），分別為結(jié)合水T21（0.03 ms～0.43 ms），半結(jié)合水T22（0.43 ms～8.11 ms） 及 自 由 水T23（8.11 ms～151.99 ms），鮮煙葉主脈中含有2種狀態(tài)的水分，相對葉片各狀態(tài)水分弛豫時間而言，分別為半結(jié)合水T22（0.66 ms～18.74 ms）和自由水T23（18.74 ms～811.13 ms）。水分通常與物料內(nèi)部親水性膠體物質(zhì)結(jié)合，水分的狀態(tài)差異與其所處的化學環(huán)境有關(guān)[17]，煙葉葉片與主脈水分狀態(tài)組成的差異，可能是因為葉片作為煙葉物質(zhì)積累的主要部位，其內(nèi)含物質(zhì)成分含量或種類多于主脈[18]。

2.2 煙葉葉片烘烤過程T2弛豫圖譜

圖3 烘烤過程煙葉葉片和主脈T2弛豫圖譜Fig.3 T2relaxation spectra of tobacco blade and midrib during flue-curing

弛豫時間反映了H質(zhì)子的自由度，橫向弛豫時間越小，H質(zhì)子所受束縛力越大，水分流動性越弱，反之，則水分流動性越強；與鮮煙葉葉片相比，45 ℃、48 ℃葉片的結(jié)合水T21流動性增大，54 ℃時減?。▓D3-A），38～45 ℃時葉片的半結(jié)合水T22流動性增大，48℃時流動性減??；38～42 ℃主脈的半結(jié)合水T22流動性逐漸減?。▓D3-B），45～48 ℃逐漸增大，且均大于鮮煙葉，68 ℃相比60 ℃主脈半結(jié)合水流動性減弱；烘烤過程葉片的自由水T23和主脈的自由水T23均呈流動性逐漸減小趨勢，可能是自由水中流動性較強的那部分水散失，使流動性較弱的那部分水所占比例升高，進而引起整體弛豫時間減小[19]；從煙葉不同部分來看，烘烤過程葉片的半結(jié)合水和自由水的流動性弱于主脈，這也為烘烤過程主脈水分向葉片遷移提供條件。

2.3 煙葉烘烤過程不同狀態(tài)水分含量變化

圖4 烘烤過程煙葉不同狀態(tài)水分信號幅值變化Fig.4 Changes of different moisture phase state content in tobacco leaves during flue-curing

煙葉葉片和主脈總水分信號幅值A(chǔ)20呈逐漸減小的趨勢（圖4-A），說明了煙葉水分逐漸散失；烘烤過程葉片的結(jié)合水信號幅值A(chǔ)21均大于鮮煙葉葉片（圖4-B），38℃和48℃結(jié)合水信號幅值相比前一葉片樣品增大4倍左右；葉片的半結(jié)合水信號幅值A(chǔ)22在38℃時增大（圖4-C、圖4-D），42～45℃期間由于弛豫時間增大，全部轉(zhuǎn)化為自由水，主脈的半結(jié)合水信號幅值A(chǔ)22在54℃時也表現(xiàn)相同的現(xiàn)象，說明煙葉葉片和主脈的半結(jié)合水不穩(wěn)定，它是煙葉葉片和主脈中結(jié)合水或自由水波動的原因，這與Xu等[11]研究胡蘿卜烘烤中水分狀態(tài)變化現(xiàn)象一致。水分與細胞親水性物質(zhì)之間作用力大小決定了水分狀態(tài)存在形式[20-22]，而42～45℃期間葉片和54℃時主脈半結(jié)合水轉(zhuǎn)化為自由水，可能是該時期其對應(yīng)細胞親水性大分子物質(zhì)被降解成小分子物質(zhì)或被消耗[23]，半結(jié)合水所受束縛力減弱，使其轉(zhuǎn)化成流動性較大的自由水，其對應(yīng)弛豫時間T22增大證實了這一點；而48℃時葉片和60℃時主脈自由水轉(zhuǎn)化為半結(jié)合水，可能是隨著煙葉葉片和主脈細胞失水程度增加，細胞質(zhì)的濃度增大，一部分自由水所受束縛力增大轉(zhuǎn)化成半結(jié)合水[19]，其對應(yīng)弛豫時間T22減小印證了這一點。通過煙葉不同狀態(tài)水分的弛豫時間、信號幅值變化可以看出，煙葉失水干燥表現(xiàn)為：烘烤過程中自由水首先散失減少，半結(jié)合水通過轉(zhuǎn)化為自由水而散失，而結(jié)合水大部分最終通過轉(zhuǎn)化為半結(jié)合水或自由水而散失，少部分由于與物質(zhì)結(jié)合緊密，難以通過干燥脫除[24]。

2.4 烘烤過程煙葉核磁成像

圖5 烘烤過程煙葉T2加權(quán)成像Fig.5T2weighted image of tobacco leaves during flue-curing

鮮煙葉信號強度主脈＞側(cè)脈＞葉片（圖5），表明主脈水分含量最高，側(cè)脈次之，葉片最低；烘烤過程中煙葉葉片、側(cè)脈、主脈信號強度依次減弱消失，表明葉片失水干燥較快，側(cè)脈次之，主脈失水較慢；烘烤過程中主脈內(nèi)部水分分布表現(xiàn)為：主脈邊緣位置信號強度弱于中間位置，主脈與側(cè)脈連接的一側(cè)信號弱于遠離側(cè)脈的一側(cè)，側(cè)脈內(nèi)部水分分布表現(xiàn)為與主脈連接的一側(cè)信號較強，遠離主脈的一側(cè)水分信號減弱較快，葉片內(nèi)部水分分布表現(xiàn)為與側(cè)脈、主脈連接較近一側(cè)信號較強，而遠離側(cè)脈、主脈的一側(cè)水分信號減弱較快，表明煙葉內(nèi)部水分遷移包含主脈直接向葉片轉(zhuǎn)移和主脈經(jīng)側(cè)脈向葉片轉(zhuǎn)移兩種方式；其中煙葉水分由“主脈—側(cè)脈—葉片”通道的遷移效率較高，主要是其運輸方式引起的，前者水分是以滲透擴散的方式遷移，后者則以維管束運輸?shù)姆绞竭w移[25]。42 ℃、54 ℃主脈遠離側(cè)脈的一側(cè)水分發(fā)生集結(jié)，使信號有所增強，可能是此時主脈收縮水分遷移聚集引起的，而54℃信號有所增強也可能是煙葉葉片及側(cè)脈逐漸失水干燥，干濕界面已經(jīng)退縮到主脈表面，主脈向葉片水分遷移通道逐漸封閉引起水分的滯流[26-27]，可見葉片干燥過快將不利于主脈水分的遷移散失，而此時需要更高的溫度加快主脈的失水干燥。

2.5 干燥過程煙葉形態(tài)收縮變化分析

圖6 干燥過程中煙葉形態(tài)變化Fig.6 Changes in states of tobacco leaves during drying process

葉片厚度收縮率TS和主脈直徑收縮率DS呈逐漸增大趨勢（圖6），葉片厚度收縮率增幅呈由慢-快-慢的變化規(guī)律，主脈直徑收縮率增幅由慢-快的變化規(guī)律；烘烤過程中煙葉的形態(tài)變化反映了煙葉的失水干燥程度[28]，由表1可知，干燥過程中煙葉葉片厚度收縮率、主脈直徑收縮率分別與其總信號幅值A(chǔ)20呈極顯著負相關(guān)（P＜0.01），說明煙葉形態(tài)變化與煙葉的失水規(guī)律相一致。葉片厚度收縮率、主脈直徑收縮率分別與其自由水信號幅值A(chǔ)21之間呈極顯著負相關(guān)（P＜0.01），可能是煙葉葉片、主脈中自由水比例較高，維持細胞的形態(tài)輪廓，再者烘烤過程中自由水首先散失，半結(jié)合水和結(jié)合水通過轉(zhuǎn)化為自由水而散失，進而使葉片、主脈形態(tài)收縮變化分別與其失水規(guī)律相一致。

3 結(jié)論

（1）煙葉不同部位水分狀態(tài)組成不同，葉片含有結(jié)合水、半結(jié)合水、自由水3種狀態(tài)水分，煙葉主脈含有半結(jié)合水、自由水2種狀態(tài)水分；烘烤過程煙葉主脈水分的流動性大于葉片各對應(yīng)狀態(tài)水分的流動性，煙葉主脈水分向葉片遷移，由“主脈—側(cè)脈—葉片”的通道遷移效率較高，而由主脈直接向葉片轉(zhuǎn)移效率較低。

（2）烘烤過程煙葉不同部位水分狀態(tài)變化有所差異，42～48 ℃為煙葉葉片水分狀態(tài)遷移變化的關(guān)鍵時期，54～60 ℃為主脈水分狀態(tài)遷移變化的關(guān)鍵時期；烘烤過程煙葉葉片和主脈水分散失表現(xiàn)為流動性較弱的水向流動性強的水轉(zhuǎn)化而散失的過程。

（3）烘烤過程煙葉葉片厚度收縮率、主脈直徑收縮率分別與其失水規(guī)律相一致，煙葉葉片和主脈的形態(tài)收縮與其自由水的散失變化關(guān)系密切。

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Analysis of moisture migration and drying characteristics of tobacco during fl ue-curing by low fi eld NMR

SONG Zhaopeng, WEI Shuo, HE Fan, CHEN Erlong, WANG Jianan, REN Tianbao, GONG Changrong, TIAN Binqiang*
College of Tobacco Science, Henan Agricultural University, Zhengzhou 450002

In order to study changes of moisture and migration characteristics of tobacco during curing process, tobacco upper leaves were used as test material in this study.Relaxation properties and proton density imaging of tobacco blade and tobacco midrib were analyzed by low fi eld nuclear magnetic resonance technology during curing process.Results showed that tobacco blade contained 3 kinds of water phase, namely free water, immobilized water and bound water, and tobacco midrib contained 2 kinds, namely free water and immobilized water, and the mobility of each water phase in tobacco midrib was stronger than in tobacco blade during curing.The key period of water phase transition variations of tobacco blade and tobacco midrib was 42～48℃ and 54～60℃ .Free water of tobacco blade and tobacco midrib was removed by drying at fi rst stage of curing.Immobilized water and bound water were dehydrated by converting into free water and part of bound water was dif fi cult to be removed by drying.Water migration channel of tobacco from tobacco midrib through lateral vein to tobacco blade had higher water migration ef fi ciency, while water migration channel of tobacco from tobacco midrib to tobacco blade had lower water migration ef fi ciency.The shrinkage rate of tobacco blade thickness and tobacco midrib diameter were consistent with the dehydration rule of their free water.The paper revealed the drying characteristics of tobacco during curing, and could provide a theoretical basis for optimizing curing technology.

low- fi eld NMR; tobacco leaf; fl ue-curing; moisture phase; migration characteristics

宋朝鵬，魏碩，賀帆，等.利用低場核磁共振分析烘烤過程煙葉水分遷移干燥特性[J].中國煙草學報，2017, 23（4）

中國煙草總公司云南省公司資助項目（2016YN10，2015YN20）

宋朝鵬（1978—），博士，副教授，主要從事煙草調(diào)制與加工研究，Tel：0371-63555763，Email：ycszp@163.com

田斌強（1976—），博士，講師，主要從事煙草工程教學及研究，Tel：0371-63555763，Email：muzhuantian@sina.com

2017-03-02；< class="emphasis_bold">網(wǎng)絡(luò)出版日期：

日期：2017-06-02

：SONG Zhaopeng, WEI Shuo, HE Fan, et al.Analysis of moisture migration and drying characteristics of tobacco during fl uecuring by low fi eld NMR [J].Acta Tabacaria Sinica, 2017, 23(4)

*Corresponding author.Email：muzhuantian@sina.com