不同成熟度烟叶密集烘烤中颜色值和色素含量的变化

不同成熟度烟叶密集烘烤中颜色值和色素含量的变化

0烟烟年龄及颜色[研究意义]叶片采收率是衡量叶片生产和质量的核心，它的影响和决定着叶片的加工价值。当前烟叶烘烤中出现挂灰、烤青,烤后烟叶等级质量不高等问题通常和烟叶采摘成熟度不一、烘烤工艺不完善等因素有关。烟叶颜色既是判断和确定烤烟田间成熟度的主要依据,又是烘烤操作的重要依据,并且烟叶成熟度、颜色和色度是评价烤后烟叶外观质量及等级结构的重要指标,与烟叶的品质密切相关。因此,研究密集烘烤不同成熟度烤烟烟叶颜色及色素含量的动态变化及其关系,对优化密集烘烤工艺,提高中国烟叶品质具有重要的现实意义。【前人研究进展】前人曾用比色卡和彩色图片比色、分析采摘期烟叶化学成分以及采用颜色与叶龄相结合的方法来判断烟叶的成熟度。王怀珠等用茎叶夹角来定量反映烟叶的成熟度。李佛琳等用叶绿素仪测定了不同成熟度的鲜烟叶,建立了可以对成熟度进行量化判别的TMDSPADV模型。此外,反射光谱、数字摄影和图像分析技术也被用来研究成熟期烟叶的颜色变化特征,并为烟叶成熟采收标准的量化提供了一定的理论依据。但目前烟叶生产中成熟度判断方法仍主要以定性描述为主,存在较强的主观性和随意性。色差计利用仪器内部的标准光源照明被测物体,测定其CIE三刺激值(X,Y,Z),然后转换成度量颜色的数值,其结果具有较高的灵敏性与客观性。国内外在色差分析对肉类、水果、蔬菜及观赏植物花色等方面的研究已经比较深入。在烤烟颜色的量化方面,梁洪波等、刘新民、彭新辉等采用色度学方法研究了烤后烟叶颜色与内在品质间的关系,得出叶色参数与烟叶常规化学成分存在显著相关性的结论。【本研究切入点】但是烘烤过程中烟叶色差动态变化的定量研究还鲜有报道。【拟解决的关键问题】本试验从烘烤环节入手,用色差计测定不同成熟度烟叶烘烤中颜色的动态变化,分析颜色参数与色素含量的相关关系,为实现烟叶烘烤实时监测的定量化提供理论依据。1材料和方法1.1田间采收成熟度试验试验于2008-2009年在湖北省襄樊市保康县龙坪烟站进行。供试土壤为黄黏土,弱酸性至中性,肥力中等。烟草品种为K326,5月5日移栽,种植行距120cm,株距50cm。施纯氮45.0kg·hm-2,N﹕P2O5﹕K2O=1﹕2﹕3。田间管理按优质烤烟栽培生产技术规范进行。以下部烟叶(第5—6位叶)为试验材料,设不熟、尚熟、适熟和过熟4种田间采收成熟度处理。其外观特征为:(1)未熟,主脉1/2发白,支脉青,叶色淡绿;(2)尚熟,主脉全白、发亮,支脉2/3变白,叶面黄色明显,茸毛部分脱落;(3)适熟,主脉全白、发亮,支脉2/3变白,叶面黄而均匀,枯尖焦边,茸毛较多脱落;(4)过熟,主脉和支脉全白、发亮,叶面黄泡变白,茸毛大部分脱落。1.2正常烘烤工艺取样前选取大田烟株长势基本一致,叶色、叶片大小相对一致,素质基本相同的烟叶。采用小型连体密集烤房(装烟室规格4m×1.5m×3.6m)以三段式烘烤工艺正常烘烤。装烟密度为70kg·m-3。4个处理分别于烤前(图表中以30℃表示)及开烤后干球温度达到38℃、42℃、48℃、54℃和烤后(图表中以68℃表示)取样。本试验每次取样共选取30片具有代表性的完整烟叶,其中15片用于颜色参数的测定,另外15片剔除主脉和支脉、取叶中部用于质体色素含量的测定。1.3叶的颜色值测量WSC-3型全自动测色色差计(北京光学仪器厂)可以从L*(从黑到白,表示亮度,0—100),a*(从绿到红,-A—+A),b*(从蓝到黄,-B—+B)3个方向三维立体分别评价。选择大小和外观色泽基本一致的烟叶,测量距离叶主脉约5cm处对称点的叶色,每半片叶等距离测量3个点,每片叶6个点的平均值作为该片叶的颜色值。重复15次。烟叶反面的叶色测量与此相同。图表中正面L*、a*、b*与反面L*、a*、b*差值的绝对值分别由△L*、△a*、△b*来表示。叶绿素、类胡萝卜素含量的测定采用分光光度法。1.4数据分析数据处理及作图采用MicrosoftExcel2003进行,用SPSS16.0软件对数据进行方差分析和相关分析。2结果2.1不同成熟度的烤烟颜色参数在烤过过程中的变化2.1.1烘烤前后各阶段8—烤烟叶片正反面颜色参数的变化颜色指标a*(-A—+A)表示从绿到红的变化,其正值越大,绿色越淡,橘红色愈浓。4种不同成熟度烟叶正反面a*值在烘烤过程中均呈现升高趋势(图1-C、1-D)。其中尚熟、适熟和过熟烟叶在38℃之前、48—54℃的烘烤温度段正反面a*值上升的速率较快,38—48℃的温度段变化相对趋缓,54℃以后保持在相对较高的水平。而未熟烟叶在42—54℃上升速率较快,比其余3种处理上升时间提早。方差分析表明:烘烤关键温度点和不同成熟度烟叶间正面a*、反面a*差异均极显著,其F值分别为690.75、68.49、672.91和31.65(P<0.01)。颜色指标b*(-B—+B)表示从蓝到黄的变化,其正值越大,黄色越浓。过熟鲜烟叶正反面b*值最大,其次为适熟、尚熟、未熟烟叶(图1-E、1-F)。烘烤中不同成熟度烟叶正反面b*值变化趋势基本一致,均在48℃之前升高,48—54℃有所下降,之后稍有回升。烤后未熟和尚熟烟叶的b*值较大,适熟和过熟烟叶相对较小。方差分析表明,烘烤关键温度点和不同成熟度烟叶间正面b*、反面b*差异均极显著,其F值分别为85.25、24.68、113.76和62.24(P<0.01)。2.1.2不同成熟度烟调中尚熟、适熟和过熟低含量b的变化由图3可知,不同成熟度烟叶中以未熟烟叶△a*变化最明显,在48℃达最高值,38℃和68℃达最低值。鲜烟叶中以过熟烟叶的△a*最大,未熟烟叶最小。烟叶△a*值在38℃之前较小,过熟烟叶例外,此后,△a*值增大,尚熟烟叶△a*在42—48℃降低,之后的烘烤时间段都增大。其余处理在42—48℃均增大,特别是未熟和过熟烟叶,增幅相对较大,在48—54℃急剧减小,之后适熟和过熟烟叶△a*增大,未熟烟叶△a*减小。烤后未熟烟叶△a*最小,适熟烟叶△a*最大。不同成熟度烟叶的△b*变化,以未熟烟叶最明显(图4)。未熟烟叶△b*值在48℃之前的温度段较小,在54℃之后相对稳定保持较高值。尚熟、适熟和过熟烟叶△b*在30℃之后明显增大,适熟烟叶在38—54℃△b*值稍有降低。而尚熟、过熟烟叶在38—48℃之间△b*值变小,之后上升。烤后4个不同成熟度烟叶中尚熟、过熟烟叶△b*较高,适熟烟叶的△b*较低。2.2不同成熟度和烘烤过程中类胡萝卜素的降解烤后烟叶的叶绿素含量过高对烟叶品质不利。不同成熟度处理对鲜烟叶叶绿素含量和烘烤过程中降解速率有显著影响(图5-A、5-B、5-C)。鲜烟叶叶绿素含量随成熟度的提高而降低,即表现为未熟>尚熟>适熟>过熟。在烘烤过程中,成熟度低的烟叶叶绿素降解较快,明显大于成熟度高的烟叶,未熟烟叶总叶绿素的总降解量为1.92mg·g-1DW,尚熟烟叶由1.46mg·g-1DW降至0.09mg·g-1DW,降解量为1.37mg·g-1DW,适熟和过熟烟叶的降解量分别为1.02和0.53mg·g-1DW。在整个烘烤过程中,不同成熟度烟叶叶绿素a、叶绿素b和总叶绿素含量在38℃之前降解最快,之后逐渐减慢。但未熟烟叶叶绿素的降解过程会延续到54℃。烘烤结束后,不同处理烟叶叶绿素含量基本不存在差异。不同成熟度烟叶叶绿素a含量、叶绿素b含量、总叶绿素含量均达到极显著正相关(P<0.01)。类胡萝卜素是烟叶香气物质的重要来源,烘烤中类胡萝卜素降解和转化的程度对烟叶品质有很大的影响。本试验结果表明,不同成熟度鲜烟叶类胡萝卜素含量随成熟度提高而降低(图5-D)。烘烤过程中类胡萝卜素的降解与叶绿素不同,随成熟度增加呈现不同的变化趋势。在烘烤过程中,适熟烟叶降解量最少,为0.08mg·g-1DW,而未熟、尚熟和过熟烟叶降解量相对较大分别为0.16、0.13和0.16mg·g-1DW。尚熟烟叶在变黄期降解较快,过熟烟叶在变黄期以后降解较快。不同成熟度烟叶类胡萝卜素降解量的大小表现为过熟>未熟>尚熟>适熟。未熟和过熟烟叶类胡萝卜素含量呈极显著正相关(P<0.01),适熟与未熟、尚熟、过熟烟叶类胡萝卜素含量均呈显著正相关(P<0.05)。2.3回归方程如表所示,尚熟和适熟烟叶的类胡萝卜素含量与正面L*均达到极显著负相关(P<0.01),与正面a*均达到显著负相关(P<0.05),以适熟烟叶为例,对烘烤过程中烟叶正面明亮度L*和各种色素含量做回归分析,拟合出回归方程为ŷ1=245.67x1+114.75x2-211.69x3-125.21x4+118.69(R2=0.999,P<0.05);a*和各种色素含量的回归方程为ŷ2=416.9x1+369.19x2-404.38x3-78.38x4+43.55(R2=0.988);b*和各种色素含量的回归方程为ŷ3=-1051.55x1-1270.02x2+1106.42x3+17.48x4+40.1(R2=0.853);x1、x2、x3、x4分别代表叶绿素a、叶绿素b、叶绿素和类胡萝卜素含量。由此可知,叶色参数可以指示烟叶色素含量的变化,实现烘烤过程中烟叶颜色的定量化。3适熟低热值对色谱分析的影响成熟度不同的烟叶在田间的生物质积累程度不一致,使其在烘烤中对环境温、湿度反应不一致,因此烟叶颜色的变化存在较大差异。颜色参数是利用色差计来定量表征色泽在三维空间变化的变量值,可以实现叶片色泽的量化。本试验结果表明,不同成熟度烟叶的△a*值以未熟烟叶的变化最为明显。这可能是因为烘烤中未熟烟叶体内各种化学成分的相互转化程度较低,未达到调制加工所要求的衰老程度,所以在烘烤前期(42℃之前)进行生理生化反应的时间较长,叶绿素在叶绿素酶的作用下降解量达到90%以上,但是前期降解产物仍是绿色,后期失绿是由于其中间降解产物卟啉环断裂以及后续反应,失绿时间滞后可能导致其颜色变化与色素降解之间存在时间差。因此,反映烟叶正反面红绿色差的△a*值较小。随着烘烤温、湿度升高,叶绿素的脱镁反应因氢离子浓度的增加而加剧,使叶绿素降解中间产物转变为无色物质的速度加快,烟叶正反面的外观颜色特征表现出较大变化,以致烟叶△a*值在48℃变化幅度较大,尤其是未熟烟叶最为明显。48℃之后随着烟叶颜色基本固定,烟叶的△a*值较小;△b*反映的是叶正面和叶背面蓝黄色度的差值,其值越小,叶片正反两面的差异越小。适熟烟叶的内在质量潜势和物理性状均达到最佳水平和状态,烘烤过程中各种物质转化程度适宜,在48℃之后叶绿素含量基本稳定,类胡萝卜素的降解维持在较低水平,影响烟叶颜色的细胞液色素甙、氨基酸和糖或多酚的复合物等深色复合体的转化和合成基本完成。因此,适熟烟叶的△b*在48℃之后最小;在42—48℃温度段尚熟、适熟和过熟烟叶△L*均稍有增大趋势,而△b*降低,未熟和过熟烟叶△a*明显变大。这说明此期是烟叶正反面颜色值差异较大的时期,成熟度偏低或偏高都增加了烤坏烟叶的可能性。因此,在42—54℃温度段调控适宜的烘烤工艺对缩小正反面烟叶颜色差、提高烟叶质量和使用价值具有重要作用,能在一定程度上弥补田间造成的缺憾。烘烤中烤烟颜色变化是叶片内各种色素比例变化所表现出来的综合结果。各处理烟叶叶绿素的降解量表现为:未熟>尚熟>适熟>过熟,且在38℃之前降解较快,降解量分别达到87.45%、90.28%、87.78%和77.99%,而类胡萝卜素在这一时期的降解量最大仅为7.5%。由此可知,此期叶绿素的降解速度远远大于类胡萝卜素的降解速度,这与王传义等、王爱华等的研究结果一致。叶绿素的快速降解使类胡萝卜素占色素总量的比例增加,致使烟叶在外观上呈现黄色。因此,仅就质体色素而言,叶绿素降解在38℃之前对烟叶颜色变化的影响较大。38℃之后尚熟、适熟和过熟烟叶中叶绿素降解基本停滞,未熟烟叶虽仍有降解但是含量甚微,各处理烟叶中类胡萝卜素含量均远远高于其叶绿素含量,且各处理烟叶类胡萝卜素在38℃之后的降解量分别为78.48%、95.78%、52.79%和92.36%,而叶绿素的降解量则分别为8.59%、3.95%、4.35%和13.42%。因此,在38℃之后类胡萝卜素降解量的多少对色素总量和烟叶颜色的影响较大。相关分析表明,烟叶类胡萝卜素含量与叶色参数相关性显著。由适熟烟叶颜色参数和色素含量的回归方程可知,在烘烤过程中,色差计可以作为测量烟叶色素含量的相对方法,估测烟叶色素含量的变化。方程的建立从定量的角度把烘烤过程中烤烟颜色参数和色素含量联系起来,通过进一步的深入研究可以根据烟叶颜色参数的变化来精准的控制烘烤进程。不同成熟度鲜烟叶中未熟烟叶的L*、a*和b*值均最小,且4种成熟度烟叶的L*、a*、b*值在烘烤同一温度点均随成熟度的提升(除个别)而升高,这说明烟叶田间的内含物积累程度影响烘烤中生理生化转化和变黄程度,进而影响烟叶颜色的变化。在烘烤过程中,烟叶的L*、a*和b*值在不同成熟度间的差异均极显著,烟叶正面和反面颜色参数的相关性均极显著,这说明烟叶正反面的颜色变化在烘烤过程中基本同步。同一成熟度烟叶在烘烤同一温度点正面的a*和b*值分别大于反面的a*和b*值,而L*值小于反面的L*值,这说明烟叶正面颜色比反面偏红、偏黄,明度偏黑,从而论证了烟叶正面的变黄速度比叶背面快。烟叶烘烤是一个与物理变化相伴随的复杂的生理生化过程,烟叶颜色是生理生化变化的集中外观体现,与烟叶水分的变化关系密切,受水分排出途径和路线的影响。由于烟叶属于典型异面叶,叶面和叶背在细胞结构、生理生化特征等方面差异较大,水分的蒸发速度不一致,色素的含量及变化也存在差异,从而影响烟叶正反面颜色的变化程度。有关烤烟烟叶在整个烘烤过程细胞结构、生理生化特征等差异是如何影响L*、a*和b*值的变化还需要进一步深入研究。4不同成熟度烟调中各变量的信号转化未熟烟叶较其它3种成熟度烟叶颜色变化差异较大,适熟烟叶烤后颜色最好。根据不同成熟度烟叶在烘烤过程中的颜色变化特征,48℃时调控色素降解和颜色变化对烟叶正反面呈色具有重要影响。尚熟烟叶和适熟烟叶的类胡萝卜素含量与正面L*值呈极显著负相关,与正面a*值呈显著负相关。适熟烟叶的L*、a*和b*与各种色素含量的回归方程分别为ŷ1=245.67x1+114.75x2-211.69x3-125.21x4+118.69,ŷ2=416.9x1+369.19x2-404.