烤烟晾制变黄过程中颜色变化动力学模型分析

李 峥，汪代斌，王建安，李常军，王洪峰，杨 超，李纳钾，申洪涛,3*

(1.河南农业大学烟草学院，河南 郑州 450002；2.中国烟草总公司重庆市公司，重庆 400023；3.河南中烟工业有限责任公司，河南 郑州 450016)

【研究意义】晾黄烘烤作为烤烟调制技术的重要补充，近年来在许多烟区得到了广泛的应用[1]。烤烟经一定时间晾制变黄后进行烘烤作业，可有效降低烘烤能耗、提升烤房装烟容量以及提高烟叶内外观质量[2-3]，对于烟叶烘烤在节能减排、提质增效方面有良好的应用意义。然而当前有关烤烟在烤前晾制过程中对烟叶颜色变化的精细化研究鲜有报道。烟叶颜色作为采收成熟度、科学烘烤[4-5]、烤烟分级以及外观质量评价[6-7]中的重要判别指标，是烟叶内多种化学成分综合作用的外在体现，一定程度上反映了烟叶的内在品质[7-8]。因此研究烟叶晾制过程中的颜色变化规律具有重要意义。【前人研究进展】随着交叉学科的不断发展和渗透，许多学者将色度学指标与动力学模型以及经典Arrhenius方程相结合来研究农产品储藏和加工过程中颜色的变化，预测产品的品质变化[9-10]，并取得了相应的研究进展。谢晶等[11]、刘春菊等[12]分别对上海青和莲藕片在不同储藏温度下颜色变化的研究表明，其表征颜色变化的指标亮度值L*和总色差△E的变化均符合零阶动力学模型，并采用Arrhenius方程对颜色参数变化速率和温度进行非线性拟合得到颜色变化的活化能，构建了对应产品的货架期预测模型。王军等[13]研究显示，荷花粉在不同贮藏条件下黄度值b*的变化符合一阶反应模型。钟金锋等[14]研究表明，竹笋在不同温度条件下的热烫处理过程中L*、a*的反应速率常数与处理温度成正比，而b*、ΔE、饱和度C*和褐变指数BI随热烫温度升高而降低，拟合系数R2表明竹笋在热烫处理过程中各项颜色指标变化均符合零阶动力学模型。在烤烟方面，魏硕等[15]对烘烤过程中不同变黄温度下烟叶叶绿素变化规律进行研究，发现叶绿素的降解规律均符合一阶动力学模型。 【本研究切入点】基于上述研究基础，该研究以常用的CIELAB颜色空间中的亮度值L*、红绿值a*、黄蓝值b*及由此而衍生的褐变指数BI(browning index) 和总色差ΔE并结合SPAD实现对晾制过程中烟叶颜色和叶绿素的快速无损检测。重点探讨烟叶在晾制过程中温度和时间对颜色变化的影响规律，建立烟叶晾制过程中颜色变化动力学模型，以模拟预测烟叶在不同晾制温度下颜色变化与晾制时间的关系。【拟解决的关键问题】旨在为烤烟晾制标准、方法以及晾烤结合的配套工艺技术的研究和发展提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

1.1.1 材料和仪器 试验于2017年8月在四川省泸州市古蔺县箭竹试验基地进行，供试烤烟品种为云烟87。试验田土壤肥力中等，种植株行距50 cm×120 cm，田间管理按优质烤烟栽培生产技术规范进行。选取叶片大小相对一致的中部叶(11～12位叶)作为试验材料，成熟度为适熟，外观特征表现为主脉全白发亮，支脉2/3变白，叶面黄而均匀，枯尖焦边，茸毛较多脱落[16]。

1.1.2 测量仪器 HP-C210精密色差仪(深圳汉谱光彩科技有限公司)，配备标准白板以及CIE标准0/d测试探头，测量孔径为20 mm。SPAD502叶绿素仪(日本Minolta公司)，通过测量叶片在2种波长(650 和940 nm)范围内的透光系数来确定叶片当前叶绿素的相对数量。

1.2 试验方法

由于Arrhenius定律所适用的温度区间有限[17]，综合烟区在烟叶采收烘烤季节所处的温度范围，本研究以5 ℃为温度梯度，将采收后的中部叶分为5组，每组5片烟叶，分别储藏在温度为20、25、30、35和40 ℃的恒温恒湿箱中，相对湿度均为65 %。每隔4 h分别测量5组烟叶表面的亮度值L*、红绿值a*、黄蓝值b*以及SPAD值，每次测定平行次数和重复次数均为3。并分别依据式(1)和式(2)计算总色差△E和褐变指数BI[14]。至SPAD502叶绿素仪测量值为0时(叶片全黄)停止测量。颜色参数和SPAD测量时选取烟叶1/4、1/2、3/4处对称的6个位置作为测量点(图1)，测量点距离主脉约5 cm。

(1)

(2)

式中：Lt*、at*、bt*表示在晾制时间t时测得的颜色指标数值；L0*、a0*、b0*表示刚采收后烟叶的初始颜色指标数值。

1.3 颜色变化动力学模型建立

1.3.1 零阶和一阶反应动力学模型 国内外对农产品在加工和储藏过程中品质指标变化大多采用动力学模型进行研究分析。从已有研究来看，大多数农产品的品质因子C与时间t之间的关系表现出零阶反应模型(式3)或一阶反应模型[11,18-19](式4)，具体动力学方程如下：

f(Ct)=f(C0)-kt

(3)

lnf(Ct)= lnf(C0)-kt

(4)

式中：f(C0)为样品的初始品质指标值，f(Ct)为反应至t时的品质指标值，k为反应模型品质指标变化的速率常数。

1.3.2 反应的半衰期和活化能 研究表明拥有动力学性质的反应才具有稳定的半衰期t1/2，与核衰变不同的是反应的半衰期数据会受温度的影响很大。式(5)和式(6)分别表示零阶反应和一阶反应的半衰期。

图1 烟叶颜色参数和SPAD测量位置

t1/2=f(C0)/2k

(5)

t1/2= ln 2/k

(6)

阿仑尼乌斯(Arrhenius)公式(式7)表征了反应速度常数k与温度T之间的变化关系[15]，

k=Aexp(-Ea/RT)

(7)

式中：A为指前因子，是一个只由反应本性决定而与反应温度无关的常数，与k具有相同的量纲；Ea(J·mol-1)表示反应的活化能：R(J·mol-1·K-1)为气体常数，其数值为8.314：T(K)为绝对温度，其数值为反应的摄氏温度与273.15之和。

1.4 数据分析

最终统计的数据为3组平行试验的3次重复测量结果的平均值，采用Matlab2014a软件对各项颜色指标的数据进行模型拟合与分析，利用Excel2013进行作图。

2 结果与分析

2.1 不同晾制温度对SPAD的影响

如图2所示，随晾制时间的推移烟叶SPAD值逐渐降低，且温度越高下降速度越快。在晾制温度较低时(20、25 ℃)烟叶SPAD值降低速率呈先慢后快再慢的变化趋势，而晾制温度较高时(30、35、40 ℃)烟叶SPAD值下降速度呈现由快至慢的变化趋势，说明高温条件下晾制有助于烟叶中叶绿素的降解。烟叶在40 ℃晾制温度下变黄时间较35、30、25 和20 ℃分别减少10.0 %、25.0 %、35.7 %和43.8 %左右。

图2 烟叶晾制过程中SPAD变化

2.2 不同晾制温度下烟叶颜色的变化

由图3a和图3b可知，烟叶表面亮度值L*和红绿值a*随晾制时间的增加呈现不断增长的变化趋势，且晾制温度越高增长速率越快。在晾制温度20 和40 ℃条件下，烟叶表面L*值分别增长至67.21和69.77，a*值分别增长至-3.60和1.25。表明高温条件下晾制的烟叶变黄后较低温晾制的烟叶亮度偏高、颜色偏红。烟叶表面颜色变化本质是叶片中内含物质综合体现的结果[7]，王涛等[20]对烤烟中部叶颜色参数与内在品质之间的关系研究中发现L*值、a*值的变化与色素类物质和淀粉含量呈极显著负相关关系，高温条件下烟叶变黄所需晾制时间短，干物质损失少[21]从而导致晾制温度越低烟叶变黄后表面L*值和a*越高。

图3c中，在晾制过程中烟叶表面的黄蓝值b*逐渐升高，且晾制温度越低b*值增幅越大，20 ℃条件下晾制结束时b*值分别较25、30、35和40 ℃增大1.49 %、3.12 %、4.35 %和4.89 %。可能是由于低温条件下烟叶晾制变黄时间长，更有利于叶内的叶绿素、淀粉以及蛋白 质等大分子物质降解到适宜的程度[22]，从而使烟叶颜色更加偏黄。

从图3d可以看出，烟叶在20～30 ℃条件下晾制，总色差△E增长速率表现为先慢后快的上升趋势，高温条件(35、40 ℃)下晾制时△E呈快速上升的趋势。△E做为一项颜色参数广泛被用来描述农产品在加工或储藏过程中的颜色变化，当△E>2时视觉就很容易捕获颜色所呈现的变化[23]，结合不同温度条件下烟叶晾制过程中△E变化规律可以看出，随温度不断上升，烟叶颜色变化速率逐渐增长。

褐变指数BI在一定程度上表征非酶褐变指数，其数值的大小和褐变反应程度呈正比[12]。由图3e可见，烟叶的褐变指数BI在晾制过程中也在逐渐增长，且BI的变化规律和上述△E的变化规律较为一致。40 ℃条件下晾制的烟叶变黄后褐变指数为96.84，相比同期20～35 ℃条件下晾制的烟叶BI值分别增加28.37 %、18.09 %、14.78 %和6.11 %。表明不同晾制温度对BI值的影响较大，且晾制温度越高BI增幅越大。说明烟叶晾制过程中较高的温度可能促进了叶片中含有氨基酸基团的复合物与还原糖之间美拉德反应的发生，从而生成了有颜色的类黑色素类物质[24]。此外美拉德反应形成的阿马杜里化合物被认为可赋予烟叶特有的香气[25]，有关烟叶晾制过程中褐变指数与烟叶香气成分的形成之间的关系仍需进一步探究。

图3 不同晾制温度下烟叶颜色的变化

2.3 烟叶晾制过程中颜色变化动力学分析

2.3.1 烟叶晾制过程中颜色变化动力学模型确定 采用matlab2014a软件对烟叶晾制过程中上述颜色评价指标进行线性和非线性拟合分别得到所测指标的零阶和一阶动力学模型的模型常数k、均方根误差RMSE以及决定系数R2，结果见表1。可以看出不同晾制温度条件下烟叶样品的L*值、△E和BI3项颜色评价指标的零阶动力学模型决定系数的∑R2大于一阶动力学模型，表明零阶动力学模型更具拟合优势，而a*值、b*值和SPAD的变化规律更遵循一阶动力学模型。

表1 烟叶晾制过程中颜色评价指标动力学模型

2.3.2 烟叶晾制过程中各项颜色指标变化的半衰期和活化能 在模型构建的基础上对烟叶晾制过程中颜色指标的零阶或一阶动力学模型速率常数k取对数得到l nk，与晾制温度的倒数1000/T进行线性拟合，结果如图3所示，可以看出各项颜色评价指标的决定系数R2在0.8980～0.9781之间，均具有较高的拟合程度。

图3 烟叶晾制过程中颜色指标变化的Arrhenius拟合图

表2 烟叶晾制过程中颜色指标变化的半衰期和活化能

图4 不同晾制温度下烟叶颜色指标实测值与预测值之间的关系

通过各项颜色指标的零阶或一阶反应速率常数k计算出半衰期， 由Arrhenius方程拟合公式的斜率和截距分别计算出各项颜色指标的活化能和指前因子，结果如表2所示。随晾制温度升高，各项颜色指标的半衰期均有不同程度的缩短，L*、a*、b*、△E、BI和SPAD6个指标中40 ℃条件下晾制分别较20 ℃条件下晾制的半衰期缩短33.93 %、71.99 %、37.08 %、48.37 %、55.60 %和52.98 %，说明晾制温度对烟叶颜色变化会产生很大的影响。活化能反映了一个反应发生需从外界环境吸收能量的多少，其数值越大表明反应越难进行[26]，反应的活化能低于42 kJ/mol时，表示反应较易进行，当活化能高于400 kJ/mol，反应进行较为困难。由表2可知晾制过程中烟叶各项颜色指标的活化能以a*值最高，为41.11 kJ·mol-1，说明烟叶在晾制过程中各项颜色指标变化速率均较大，容易发生变化。同时活化能的大小也可以反映温度对变化的影响程度，活化能越大，温度变化对于反应速率的影响也越大[27]。就各项颜色指标而言，烟叶表面a*值的活化能分别高出L*、b*、△E、BI和SPAD5项指标14.44、27.13、23.65、25.61和15.94 kJ·mol-1，说明温度变化对于a*值的影响最大，对b*值的影响最小。

表3 不同晾制温度下烟叶颜色指标预测值与实测值之间的相关系数

2.4 烟叶晾制过程颜色变化动力学模型与验证

在实际应用中由于烟叶品种、部位、成熟度以及生态条件的不同，每次采收后的烟叶表面颜色会存在部分差异，同时因为目前烟叶表面颜色指标在行业内或国标中没有针对不同品种、部位、成熟度的固定范围，因此颜色指标确定的固定初始值会降低模型预测的精准性。依据上述研究结果，将动力学模型和经典Arrhenius方程相结合分别建立烤烟品种云烟87中部叶在晾制过程中L*、a*、b*、△E、BI和SPAD等颜色指标随晾制时间t和晾制温度n变化的预测模型。

为验证该模型的精准性，重新选取云烟87中部适熟烟叶作为验证组，试验设计与试验组一致，每隔一段时间利用色差仪和叶绿素仪对验证组各处理烟叶的颜色指标进行测量。实测数据和预测模型之间的关系见图4，并对图中的实测值预测值进行相关性分析，得出L*、a*、b*、SPAD等5个颜色指标在20～40 ℃范围内的5个温度点下实测值与预测值的相关系数(表3)。出各项颜色指标的不同温度处理相关系数在0.9185～0.9959的范围内，表明颜色指标的实测值与模型的预测值之间具有较高的相关性，拟合能力良好，说明预测模型可较好的反应在晾制过程中烟叶表面颜色的变化规律。

(8)

(9)

(10)

(11)

(12)

(13)

3 结论与讨论

通过研究20、25、30、35和40 ℃ 5个不同晾制温度下云烟87中部叶颜色指标中的亮度值L*、红绿值a*、黄蓝值b*、总色差△E、褐变指数BI以及SPAD值随晾制时间的变化，结果表明烟叶在晾制过程中L*、a*、b*、△E和BI均逐渐升高，而SPAD值则逐渐降低，且随晾制温度升高各颜色指标变化速率均变快。40 ℃晾制条件下烟叶变黄时间较20～35 ℃条件下变黄时间分别缩短43.8 %、35.7 %、25.0 %和10.0 %。不同温度条件下烟叶晾黄后颜色参数表现出一定规律性，晾制温度在20～40 ℃范围内，烟叶晾制变黄后L*、a*以及由亨特Lab值衍生的△E、BI的数值与晾制温度成正比，而b*值与晾制温度成反比，主要是由于不同晾制温度下烟叶变黄时间和叶内干物质消耗程度不同所致[1,28-29]。活化能的大小反映了晾制温度对烟叶晾制过程中颜色变化的影响程度，从各项颜色指标活化能可以看出，晾制温度的变化对a*的影响最大，其次为L*和SPAD，对于b*的影响最小，其次影响较小的为△E和BI。

对不同晾制温度下烟叶颜色指标的试验值进行分析发现亮度值L*、总色差△E和褐变指数BI的变化均符合零阶反应，而红绿值a*、黄蓝值b*和SPAD的变化符合一阶动力学模型，结合Arrhenius方程对各项指标进行拟合，并构建烟叶晾制过程颜色变化动力学模型方程，经验证表明各项颜色指标实测值与模型预测值的相关系数(R2)均高于0.9，说明各模型均能准确的预测不同晾制温度条件下烟叶颜色的变化规律，为烤烟晾制方法、标准的制定和发展奠定基础，也可以为烟叶晾制后叶内含有的颜色营养素(如叶绿素、类胡萝卜素、类黄酮、多酚等)的保持程度提供理论参考，相应为晾烤结合的配套工艺技术的研究提供指导依据。