张鑫 汤朝起 杨凯 李强 刘勇
摘 要：为考察复烤片烟醇化过程消耗氧气的规律特征及其影响因素，在山东诸城仓库对8个代表性等级复烤片烟密封垛内的氧气浓度、温度、湿度进行了3年的跟踪监测，分析了垛内氧气浓度、烟叶醇化耗氧速率随贮存时间的变化规律及温度、相对湿度、氧气浓度对耗氧速率的影响。结果表明：①复烤片烟醇化过程伴有较明显的耗氧现象，年度最大耗氧速率逐年降低，年度内呈现季节性变化。②烟叶耗氧速率受温度影响最大，在本试验条件下，温度超过20 ℃时，耗氧速率呈线性增加趋势。③不同醇化阶段烟叶耗氧速率受氧气浓度影响程度不同，醇化第2年、第3年烟叶耗氧反应充分进行所需氧气浓度下限分别为14%和8%，在氧气浓度小于6%时烟叶耗氧反应明显减弱。复烤片烟醇化过程所需氧气供应随醇化周期、贮存环境而改变，在气调养护时可对垛内氧气浓度做针对性调控，以便于提高烟叶醇化质量、节约养护成本。
关键词：复烤片烟;醇化;耗氧速率;温度;绝对湿度;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
仓储醇化是改善复烤片烟质量、提高烟叶可用性必不可少的环节，是保障卷烟产品内在质量的基础。关于烟叶醇化机制主要有3种理论：微生物作用理论、酶催化作用理论、氧化作用理论[1]，前两者指通过烟叶表面微生物的代谢或烟叶自身生物酶的催化反应实现烟叶内含物质的转化，因此可通过接种外源微生物或添加酶制剂实现复烤片烟品质的改良[2-4];氧化作用则指烟叶中有机物质在无机元素（Fe、Mg等）的催化作用下与氧气发生反应而变化。朱大恒等[5]研究表明，烟叶中还原糖、总氮、烟碱、蛋白质、总氨基酸、多酚和类萝卜素含量在有氧发酵时下降幅度大于无氧条件。刘红光等[6]通过室内试验证实氧气含量对烟叶常规化学指标的影响较小，但对化学成分可用性指数、多酚和色素类潜香物质、挥发性香味成分影响较大，氧气体积分数为50%～60%、醇化40 d左右处理所得复烤片烟的质量较优。任胜超等[7]研究了仓库内不同氧气浓度、不同控氧方式下片烟醇化效果，结果显示，氧处理方式对烟碱和还原糖影响较小，对多酚和类胡萝卜素影響较明显，利用物理气调法先密封低氧杀虫再将氧气浓度回调至15%～21%所得片烟感官品质最佳。以上研究均认为适宜浓度氧含量是保障片烟正常醇化的必要条件。范坚强等[8]、沈舰等[9]、张明乾等[10]、杨欣玲等[11]研究表明，低氧处理可抑制烟叶醇化过程颜色转深，并延长烟叶适宜醇化质量周期。可见，氧气浓度调控对片烟醇化质量起着重要作用。
气调养护技术已在烟草行业得到较广泛认可及应用[12-13]，除上述关于片烟醇化质量比较分析外，刘博等[14]、杨庆等[15]分别研究了化学气调、物理气调两种方式下快速降氧杀虫工艺，陈善义等[16]研究气调醇化过程中片烟细菌群落结构变化规律，但关于烟叶醇化过程较为具体的耗氧规律研究还鲜见报道，一定程度上限制了该项技术的优化利用。为此，本研究在山东潍坊诸城常规片烟醇化库内，对典型等级复烤片烟密封烟垛内氧气浓度及温度、相对湿度进行监测，并就烟叶醇化周期、贮存环境对耗氧速率的影响展开分析，以期掌握烟叶醇化过程耗氧規律及关键影响因素，从而为解析烟叶醇化机制、优化养护措施提供参考。
1 材料与方法
1.1 试验设计
试验样品为上海烟草集团有限责任公司2015年采购加工的武夷丘陵生态区（上部、中部、下部）、黄淮平原生态区（上部、中部、下部）、西南高原生态区中部和东北平原生态区中部共计8个代表性等级复烤片烟各4箱，于2016年12月至2019年11月在山东省潍坊市诸城市仓库按两层高形式拼垛密封存储。烟垛密封所用尼龙复合膜符合《片烟贮存养护 气调贮存法》YC/T 322—2018 [13]相关要求。堆垛前根据烟垛大小制作底膜和罩膜，将烟箱整齐堆放在底膜上，而后铺放罩膜，四周用胶槽、胶条嵌合密封。密封垛位气密性达到气调储粮二级以上气密性要求（气压从-300 Pa降至-150 Pa的半衰期150～300 s）。试验过程取样或熏蒸开封后立即恢复密封状态。
1.2 指标检测
分别采用MIC-800氧气检测仪（深圳逸云天电子有限公司）、CENTER-310温湿度检测仪（台湾群特股份有限公司）通过帐幕上布置的氧气浓度检测点每工作日定时检测密封垛内氧气浓度和温度、相对湿度。
1.3 数据统计分析
采用Excel 2016、SPSS 22进行数据统计、相关分析和方差分析以及绘图。参照下式计算密封垛内单日耗氧速率：
式中：r-耗氧速率（%/d），Ci-初始氧气体积分数（%），Ce-终止氧气体积分数（%），t-两测试值相隔时间（d）。
2 结 果
2.1 烟叶醇化过程耗氧规律分析
根据垛内氧气浓度日监测数据计算烟叶醇化单日耗氧速率，并进一步求得密封垛内氧气浓度及耗氧速率月度均值，如单日耗氧速率计算值为负，则不计入均值统计。由图1可知，密封垛内氧气消耗呈现季节性变化规律，即每年5月开始耗氧速率变大，氧气浓度呈现较明显下降趋势;7—8月耗氧速率达到峰值，而后开始减小，10月份垛内氧气浓度趋于平稳低值;开垛换气并重新密封后仍可见12月至次年4月耗氧速率微小，氧气浓度基本不变。另外，该组2015年产烟叶在2017年（醇化第2年）、2018年（醇化第3年）、2019年（醇化第4年）密封垛内氧气浓度最低值依次为4.44%、4.67%、9.78%，耗氧速率峰值依次为0.29%/d、0.17%/d、0.09%/d，即烟叶醇化过程氧气消耗随存放周期延长而减弱。
另可见，每年11月至开垛换气前，密封垛内氧气浓度有所上升，即垛外氧气渗入垛内速率超过了烟叶醇化耗氧速率。试验所用密封薄膜符合透氧量小于80 mL/（m2·24 h·0.1 Mpa）要求[13]。烟箱尺寸为1136 mm×720 mm×725 mm，所堆烟垛理论尺寸为4.544 m×5.76 m×1.45 m。实际密封底膜尺寸为5 m×6 m，罩膜尺寸为9 m×8 m，即总面积为102 m2。试验过程垛内氧气体积分数单日检出最低值为4.31%，则垛外垛内氧气分压压差最大为（21%～4.31%）×101 325 pa（标准大气压），即0.016 9 Mpa，因此，单日外界通过薄膜渗入密封垛内氧气量小于1 379.95 mL。而密封帐幕尺寸为5 m ×6 m×1.6 m，即体积为48 m3。在《片烟贮存养护 氮气保护法》YC/Z 586标准研制过程，发现片烟烟箱中空气体积约占1/3，由此计算出密封垛内有效气体体积约为22.7 m3。则单日渗入氧气引起密封垛内氧气体积分数变化量最大约为0.006%。而实际3年10—11月垛内氧气浓度月度均值回升量分别为0.39%、1.19%、2.09%，折合日透量0.013%/d、0.038%/d、0.067%/d，说明除薄膜外，更多的氧气是通过罩膜与密封接口处渗入垛内，且随着材料的老化，透氧量逐渐加大。尽管如此，外界透入氧气量未影响烟叶醇化过程年度最大耗氧速率逐步减小的结论。
2.2 烟叶醇化耗氧影响因素分析
统计试验过程密封垛内和垛外仓间的温度、相对湿度情况（表1），并绘制月度均值图（图2），结果显示，山东诸城试验仓库地处温带季风气候区[12]，垛外仓间温度、相对湿度季节特征明显;密封垛内温度与垛外分布范围一致，总体均值较垛外高0.11 ℃，垛内外温度变化趋势相同，二者相关系数达0.999（p<0.01）。密封垛内外相对湿度分布范围差异较大，垛内相对湿度均值较垛外高4.22%，且内外相对湿度呈现出非同步的周期性变化，二者相关系数为?0.016（p=0.653）。试验所用密封薄膜厚度为0.12 mm，透湿量小于0.5 g/（m2·h），在内外温度基本相同的情况下，相对湿度存在的差异表明密封薄膜起到有效隔湿作用，这与杨佳玫等[17]的报道一致。
基于图1、2中月度均值结果，分析得烟叶醇化耗氧速率与温度、相对湿度相关系数分别为0.727（p<0.01）、?0.317（p=0.082），即温度对烟叶醇化耗氧速率影响大于相对湿度。
统计不同温度区间单日耗氧速率均值[图3中所示“5 ℃”对应值即垛内温度介于（4.51～5.50）℃范围所有单日耗氧速率的平均值]，结果显示：温度小于20 ℃时，耗氧速率区间均值在较低水平无序波动，此后耗氧速率随温度升高近似呈线性递增趋势，拟合方程为r=?0.282+0.015T（R2=0.925，p<0.01;r为耗氧速率，T为摄氏温度），即20 ℃是烟叶醇化耗氧反应开始增强的温度临界点。
选用试验开展3年期间6—9月（温度>20 ℃）日统计数据分析烟叶醇化耗氧速率与存放周期、氧气浓度的关系。由图4可知，醇化至第2年的烟叶耗氧速率总体随氧气浓度增加而变大，氧气浓度4%～6%、8%～10%、>14%各组间耗氧速率差异显著;醇化至第3年的烟叶在氧气浓度4%～6%、8%～10%两组间耗氧速率差异显著;醇化至第4年的烟叶在不同氧气浓度下耗氧速率差异不显著。即密封垛内氧气浓度升高会促进烟叶醇化耗氧，但这种作用规律会随着烟叶醇化周期的延长逐渐减弱。对比图1中12月至次年4月低温时段垛内氧气浓度高但耗氧速率小的現象，可知温度对耗氧速率的影响要大于氧气浓度。
3 讨 论
气调包装被广泛用于果蔬类食品的保鲜存储，对包装内果蔬呼吸速率的检测方法包括密闭系统法、流动系统法、渗透系统法等[18]，检测结果是气调包装材料设计的重要依据[19]。本研究对复烤片烟醇化速率的测定即参照了密闭系统法，尽管并非严格的气密，但不影响趋势性规律分析。
早在上世纪70年代我国就针对初烤烟叶开展密封降氧保管技术研究，目的在于防虫防霉[20]。丁清源等[21]对145包含水率17%的中3烟叶密封试验结果显示，烟叶密封5 d后垛内氧气浓度降至1.6%，折算耗氧速率约3.88%/d，同期二氧化碳浓度上升至18.8%，而后氧气浓度有所回升，二氧化碳浓度降低。本研究中，烟叶单日耗氧速率最大值为0.67%/d，远低于以上报道数值，可能是因为上述报道中初烤烟叶含水率以及参与或促成烟叶耗氧反应的物质含量较高导致耗氧反应较为剧烈。潘武宁[22]比较了10.8%～12.8%范围内不同含水率片烟的醇化质量变化情况，发现片烟含水率越高，醇化速度越快;陈颐等[23]发现复烤片烟中类胡萝卜素、多酚和维生素C等抗氧化物质含量在醇化初期（0～21个月）快速下降而后逐渐趋于平稳;赵铭钦等[24]发现多酚氧化酶、过氧化物酶、脂氧合酶的活性在醇化6个月或9个月达到最大值后开始下降。由此推测，氧化反应相关物质减少是本研究中片烟醇化耗氧速率呈现逐年降低的主要原因。
温度是影响气调包装内果蔬呼吸速率最重要的外在因素，其作用规律可用Arrhenius方程表示，降低温度会对呼吸速率产生明显的抑制作用[18]。尽管不同于果蔬简单的呼吸作用，片烟醇化耗氧也遵循以上规律，利用图3数据可拟合得到Arrhenius方程ln r = 34.772-11 190.312/T（R2=0.777，p<0.01，T为绝对温度）。不同研究中对于烟叶醇化起始温度的认定不同[25-26]，但通常要求醇化初始阶段环境温度以20～30 ℃为宜[12]，与本研究显示的20 ℃后烟叶醇化耗氧速率开始增大结论一致。由此可见，在低温时节可适度放宽对气调保质养护烟叶垛内氧气浓度的控制要求以节约设备运行能耗。
低氧气调（氧气浓度<2%）已被广泛用于抑制烟叶过度醇化[7-13]，卓思楚[27]研究发现氧气浓度<6%即可有效遏制片烟颜色转深，这与本研究发现的当氧气浓度小于6%时，烟叶醇化耗氧速率显著降低的结论一致。一般认为，烤烟烟叶在醇化发酵过程中的变化主要是纯化学变化（其中以氧化反应为主），酶催化和微生物的作用是次要的[28]。本研究发现，醇化第2年、第3年烟叶的耗氧速率分别在氧气浓度14%、8%以上时趋于平稳，即存在底物氧气饱和度值，说明烟叶醇化耗氧不是单纯的化学反应，可能有生物酶参与其中。这又与气调包装果蔬呼吸速率多符合酶动力学模型Michaelis-Menten方程情况类似[18]。
提高贮存环境相对湿度可促进烟叶醇化过程物质转化[29-31]，但本研究发现耗氧速率与相对湿度并不存在显著相关性，可能是因为试验垛内相对湿度变幅较小（62.35%±3.60%）所致。
4 结 论
复烤片烟醇化过程伴有较明显的耗氧现象，且随着贮存周期的延长，年度最大耗氧速率逐渐减小。烟叶醇化耗氧速率受环境温度的影响最大，在年度内呈现季节性变化规律，温度小于20 ℃时，烟叶耗氧不明显;超过此临界值，耗氧速率呈线性增加趋势。对于醇化至第2年、第3年烟叶，耗氧反应充分进行所需氧气浓度应分别大于14%、8%，如需抑制醇化耗氧反应可将氧气浓度降至6%以下。对于气调贮存养护模式下密封垛内氧气浓度的控制，可根据烟叶醇化周期、环境温度做适当调节，以保障烟叶醇化质量、节约养护成本。
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