復烤片煙醇化過程耗氧規律及其影響因素分析

張鑫 湯朝起 楊凱 李強 劉勇

摘? 要：為考察復烤片煙醇化過程消耗氧氣的規律特征及其影響因素，在山東諸城倉庫對8個代表性等級復烤片煙密封垛內的氧氣濃度、溫度、濕度進行了3年的跟蹤監測，分析了垛內氧氣濃度、煙葉醇化耗氧速率隨貯存時間的變化規律及溫度、相對濕度、氧氣濃度對耗氧速率的影響。結果表明：①復烤片煙醇化過程伴有較明顯的耗氧現象，年度最大耗氧速率逐年降低，年度內呈現季節性變化。②煙葉耗氧速率受溫度影響最大，在本試驗條件下，溫度超過20 ℃時，耗氧速率呈線性增加趨勢。③不同醇化階段煙葉耗氧速率受氧氣濃度影響程度不同，醇化第2年、第3年煙葉耗氧反應充分進行所需氧氣濃度下限分別為14%和8%，在氧氣濃度小于6%時煙葉耗氧反應明顯減弱。復烤片煙醇化過程所需氧氣供應隨醇化周期、貯存環境而改變，在氣調養護時可對垛內氧氣濃度做針對性調控，以便于提高煙葉醇化質量、節約養護成本。

關鍵詞：復烤片煙;醇化;耗氧速率;溫度;絕對濕度;醇化周期

Abstract： In order to investigate the characteristics of oxygen consumption and influencing factors of redried flue-cured tobacco strips during aging， oxygen concentration， temperature and humidity in the sealed stack containing 8 representative redried strips were monitored for 3 years in Zhucheng， Shandong. The variation of oxygen concentration in stack， oxygen consumption rate， and influence of ambient factors were analyzed. The results showed that： 1） There was obvious oxygen consumption in the aging process of redried strips， and the maximum oxygen consumption rate decreased year by year， showing a seasonal change within a year. 2） Under the conditions of this test， the oxygen consumption rate showed a linear increase trend when the temperature exceeded 20 ℃. 3） Oxygen concentration had different influences on the oxygen consumption rate of redried strips at different stage of aging. The lower limits of oxygen concentration required for the saturation of oxygen consumption reaction of redried strips aged for two and three years were 14% and 8%， respectively， and the reaction weakened significantly when the oxygen concentration was less than 6%. Oxygen supply required for the aging process of redried tobacco strip varies with stage of aging and storage environment. With controlled atmosphere methods， the oxygen concentration in the stack can be controlled specifically to improve the quality of tobacco and save conservation costs.

Keywords： redried strip; aging; oxygen consumption rate; temperature; absolute humidity; stage of aging

倉儲醇化是改善復烤片煙質量、提高煙葉可用性必不可少的環節，是保障卷煙產品內在質量的基礎。關于煙葉醇化機制主要有3種理論：微生物作用理論、酶催化作用理論、氧化作用理論[1]，前兩者指通過煙葉表面微生物的代謝或煙葉自身生物酶的催化反應實現煙葉內含物質的轉化，因此可通過接種外源微生物或添加酶制劑實現復烤片煙品質的改良[2-4];氧化作用則指煙葉中有機物質在無機元素（Fe、Mg等）的催化作用下與氧氣發生反應而變化。朱大恒等[5]研究表明，煙葉中還原糖、總氮、煙堿、蛋白質、總氨基酸、多酚和類蘿卜素含量在有氧發酵時下降幅度大于無氧條件。劉紅光等[6]通過室內試驗證實氧氣含量對煙葉常規化學指標的影響較小，但對化學成分可用性指數、多酚和色素類潛香物質、揮發性香味成分影響較大，氧氣體積分數為50%～60%、醇化40 d左右處理所得復烤片煙的質量較優。任勝超等[7]研究了倉庫內不同氧氣濃度、不同控氧方式下片煙醇化效果，結果顯示，氧處理方式對煙堿和還原糖影響較小，對多酚和類胡蘿卜素影響較明顯，利用物理氣調法先密封低氧殺蟲再將氧氣濃度回調至15%～21%所得片煙感官品質最佳。以上研究均認為適宜濃度氧含量是保障片煙正常醇化的必要條件。范堅強等[8]、沈艦等[9]、張明乾等[10]、楊欣玲等[11]研究表明，低氧處理可抑制煙葉醇化過程顏色轉深，并延長煙葉適宜醇化質量周期。可見，氧氣濃度調控對片煙醇化質量起著重要作用。

氣調養護技術已在煙草行業得到較廣泛認可及應用[12-13]，除上述關于片煙醇化質量比較分析外，劉博等[14]、楊慶等[15]分別研究了化學氣調、物理氣調兩種方式下快速降氧殺蟲工藝，陳善義等[16]研究氣調醇化過程中片煙細菌群落結構變化規律，但關于煙葉醇化過程較為具體的耗氧規律研究還鮮見報道，一定程度上限制了該項技術的優化利用。為此，本研究在山東濰坊諸城常規片煙醇化庫內，對典型等級復烤片煙密封煙垛內氧氣濃度及溫度、相對濕度進行監測，并就煙葉醇化周期、貯存環境對耗氧速率的影響展開分析，以期掌握煙葉醇化過程耗氧規律及關鍵影響因素，從而為解析煙葉醇化機制、優化養護措施提供參考。

1? 材料與方法

1.1? 試驗設計

試驗樣品為上海煙草集團有限責任公司2015年采購加工的武夷丘陵生態區（上部、中部、下部）、黃淮平原生態區（上部、中部、下部）、西南高原生態區中部和東北平原生態區中部共計8個代表性等級復烤片煙各4箱，于2016年12月至2019年11月在山東省濰坊市諸城市倉庫按兩層高形式拼垛密封存儲。煙垛密封所用尼龍復合膜符合《片煙貯存養護 氣調貯存法》YC/T 322—2018 [13]相關要求。堆垛前根據煙垛大小制作底膜和罩膜，將煙箱整齊堆放在底膜上，而后鋪放罩膜，四周用膠槽、膠條嵌合密封。密封垛位氣密性達到氣調儲糧二級以上氣密性要求（氣壓從-300 Pa降至-150 Pa的半衰期150～300 s）。試驗過程取樣或熏蒸開封后立即恢復密封狀態。

1.2? 指標檢測

分別采用MIC-800氧氣檢測儀（深圳逸云天電子有限公司）、CENTER-310溫濕度檢測儀（臺灣群特股份有限公司）通過帳幕上布置的氧氣濃度檢測點每工作日定時檢測密封垛內氧氣濃度和溫度、相對濕度。

1.3? 數據統計分析

采用Excel 2016、SPSS 22進行數據統計、相關分析和方差分析以及繪圖。參照下式計算密封垛內單日耗氧速率：

式中：r-耗氧速率（%/d），Ci-初始氧氣體積分數（%），Ce-終止氧氣體積分數（%），t-兩測試值相隔時間（d）。

2? 結? 果

2.1? 煙葉醇化過程耗氧規律分析

根據垛內氧氣濃度日監測數據計算煙葉醇化單日耗氧速率，并進一步求得密封垛內氧氣濃度及耗氧速率月度均值，如單日耗氧速率計算值為負，則不計入均值統計。由圖1可知，密封垛內氧氣消耗呈現季節性變化規律，即每年5月開始耗氧速率變大，氧氣濃度呈現較明顯下降趨勢;7—8月耗氧速率達到峰值，而后開始減小，10月份垛內氧氣濃度趨于平穩低值;開垛換氣并重新密封后仍可見12月至次年4月耗氧速率微小，氧氣濃度基本不變。另外，該組2015年產煙葉在2017年（醇化第2年）、2018年（醇化第3年）、2019年（醇化第4年）密封垛內氧氣濃度最低值依次為4.44%、4.67%、9.78%，耗氧速率峰值依次為0.29%/d、0.17%/d、0.09%/d，即煙葉醇化過程氧氣消耗隨存放周期延長而減弱。

另可見，每年11月至開垛換氣前，密封垛內氧氣濃度有所上升，即垛外氧氣滲入垛內速率超過了煙葉醇化耗氧速率。試驗所用密封薄膜符合透氧量小于80 mL/（m2·24 h·0.1 Mpa）要求[13]。煙箱尺寸為1136 mm×720 mm×725 mm，所堆煙垛理論尺寸為4.544 m×5.76 m×1.45 m。實際密封底膜尺寸為5 m×6 m，罩膜尺寸為9 m×8 m，即總面積為102 m2。試驗過程垛內氧氣體積分數單日檢出最低值為4.31%，則垛外垛內氧氣分壓壓差最大為（21%～4.31%）×101 325 pa（標準大氣壓），即0.016 9 Mpa，因此，單日外界通過薄膜滲入密封垛內氧氣量小于1 379.95 mL。而密封帳幕尺寸為5 m ×6 m×1.6 m，即體積為48 m3。在《片煙貯存養護 氮氣保護法》YC/Z 586標準研制過程，發現片煙煙箱中空氣體積約占1/3，由此計算出密封垛內有效氣體體積約為22.7 m3。則單日滲入氧氣引起密封垛內氧氣體積分數變化量最大約為0.006%。而實際3年10—11月垛內氧氣濃度月度均值回升量分別為0.39%、1.19%、2.09%，折合日透量0.013%/d、0.038%/d、0.067%/d，說明除薄膜外，更多的氧氣是通過罩膜與密封接口處滲入垛內，且隨著材料的老化，透氧量逐漸加大。盡管如此，外界透入氧氣量未影響煙葉醇化過程年度最大耗氧速率逐步減小的結論。

2.2? 煙葉醇化耗氧影響因素分析

統計試驗過程密封垛內和垛外倉間的溫度、相對濕度情況（表1），并繪制月度均值圖（圖2），結果顯示，山東諸城試驗倉庫地處溫帶季風氣候區[12]，垛外倉間溫度、相對濕度季節特征明顯;密封垛內溫度與垛外分布范圍一致，總體均值較垛外高0.11 ℃，垛內外溫度變化趨勢相同，二者相關系數達0.999（p<0.01）。密封垛內外相對濕度分布范圍差異較大，垛內相對濕度均值較垛外高4.22%，且內外相對濕度呈現出非同步的周期性變化，二者相關系數為?0.016（p=0.653）。試驗所用密封薄膜厚度為0.12 mm，透濕量小于0.5 g/（m2·h），在內外溫度基本相同的情況下，相對濕度存在的差異表明密封薄膜起到有效隔濕作用，這與楊佳玫等[17]的報道一致。

基于圖1、2中月度均值結果，分析得煙葉醇化耗氧速率與溫度、相對濕度相關系數分別為0.727（p<0.01）、?0.317（p=0.082），即溫度對煙葉醇化耗氧速率影響大于相對濕度。

統計不同溫度區間單日耗氧速率均值[圖3中所示“5 ℃”對應值即垛內溫度介于（4.51～5.50）℃范圍所有單日耗氧速率的平均值]，結果顯示：溫度小于20 ℃時，耗氧速率區間均值在較低水平無序波動，此后耗氧速率隨溫度升高近似呈線性遞增趨勢，擬合方程為r=?0.282+0.015T（R2=0.925，p<0.01;r為耗氧速率，T為攝氏溫度），即20 ℃是煙葉醇化耗氧反應開始增強的溫度臨界點。

選用試驗開展3年期間6—9月（溫度>20 ℃）日統計數據分析煙葉醇化耗氧速率與存放周期、氧氣濃度的關系。由圖4可知，醇化至第2年的煙葉耗氧速率總體隨氧氣濃度增加而變大，氧氣濃度4%～6%、8%～10%、>14%各組間耗氧速率差異顯著;醇化至第3年的煙葉在氧氣濃度4%～6%、8%～10%兩組間耗氧速率差異顯著;醇化至第4年的煙葉在不同氧氣濃度下耗氧速率差異不顯著。即密封垛內氧氣濃度升高會促進煙葉醇化耗氧，但這種作用規律會隨著煙葉醇化周期的延長逐漸減弱。對比圖1中12月至次年4月低溫時段垛內氧氣濃度高但耗氧速率小的現象，可知溫度對耗氧速率的影響要大于氧氣濃度。

3? 討? 論

氣調包裝被廣泛用于果蔬類食品的保鮮存儲，對包裝內果蔬呼吸速率的檢測方法包括密閉系統法、流動系統法、滲透系統法等[18]，檢測結果是氣調包裝材料設計的重要依據[19]。本研究對復烤片煙醇化速率的測定即參照了密閉系統法，盡管并非嚴格的氣密，但不影響趨勢性規律分析。

早在上世紀70年代我國就針對初烤煙葉開展密封降氧保管技術研究，目的在于防蟲防霉[20]。丁清源等[21]對145包含水率17%的中3煙葉密封試驗結果顯示，煙葉密封5 d后垛內氧氣濃度降至1.6%，折算耗氧速率約3.88%/d，同期二氧化碳濃度上升至18.8%，而后氧氣濃度有所回升，二氧化碳濃度降低。本研究中，煙葉單日耗氧速率最大值為0.67%/d，遠低于以上報道數值，可能是因為上述報道中初烤煙葉含水率以及參與或促成煙葉耗氧反應的物質含量較高導致耗氧反應較為劇烈。潘武寧[22]比較了10.8%～12.8%范圍內不同含水率片煙的醇化質量變化情況，發現片煙含水率越高，醇化速度越快;陳頤等[23]發現復烤片煙中類胡蘿卜素、多酚和維生素C等抗氧化物質含量在醇化初期（0～21個月）快速下降而后逐漸趨于平穩;趙銘欽等[24]發現多酚氧化酶、過氧化物酶、脂氧合酶的活性在醇化6個月或9個月達到最大值后開始下降。由此推測，氧化反應相關物質減少是本研究中片煙醇化耗氧速率呈現逐年降低的主要原因。

溫度是影響氣調包裝內果蔬呼吸速率最重要的外在因素，其作用規律可用Arrhenius方程表示，降低溫度會對呼吸速率產生明顯的抑制作用[18]。盡管不同于果蔬簡單的呼吸作用，片煙醇化耗氧也遵循以上規律，利用圖3數據可擬合得到Arrhenius方程ln r = 34.772-11 190.312/T（R2=0.777，p<0.01，T為絕對溫度）。不同研究中對于煙葉醇化起始溫度的認定不同[25-26]，但通常要求醇化初始階段環境溫度以20～30 ℃為宜[12]，與本研究顯示的20 ℃后煙葉醇化耗氧速率開始增大結論一致。由此可見，在低溫時節可適度放寬對氣調保質養護煙葉垛內氧氣濃度的控制要求以節約設備運行能耗。

低氧氣調（氧氣濃度<2%）已被廣泛用于抑制煙葉過度醇化[7-13]，卓思楚[27]研究發現氧氣濃度<6%即可有效遏制片煙顏色轉深，這與本研究發現的當氧氣濃度小于6%時，煙葉醇化耗氧速率顯著降低的結論一致。一般認為，烤煙煙葉在醇化發酵過程中的變化主要是純化學變化（其中以氧化反應為主），酶催化和微生物的作用是次要的[28]。本研究發現，醇化第2年、第3年煙葉的耗氧速率分別在氧氣濃度14%、8%以上時趨于平穩，即存在底物氧氣飽和度值，說明煙葉醇化耗氧不是單純的化學反應，可能有生物酶參與其中。這又與氣調包裝果蔬呼吸速率多符合酶動力學模型Michaelis-Menten方程情況類似[18]。

提高貯存環境相對濕度可促進煙葉醇化過程物質轉化[29-31]，但本研究發現耗氧速率與相對濕度并不存在顯著相關性，可能是因為試驗垛內相對濕度變幅較小（62.35%±3.60%）所致。

4? 結? 論

復烤片煙醇化過程伴有較明顯的耗氧現象，且隨著貯存周期的延長，年度最大耗氧速率逐漸減小。煙葉醇化耗氧速率受環境溫度的影響最大，在年度內呈現季節性變化規律，溫度小于20 ℃時，煙葉耗氧不明顯;超過此臨界值，耗氧速率呈線性增加趨勢。對于醇化至第2年、第3年煙葉，耗氧反應充分進行所需氧氣濃度應分別大于14%、8%，如需抑制醇化耗氧反應可將氧氣濃度降至6%以下。對于氣調貯存養護模式下密封垛內氧氣濃度的控制，可根據煙葉醇化周期、環境溫度做適當調節，以保障煙葉醇化質量、節約養護成本。

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