减氮对玉米黄草乌间作优势的影响
Effects of Nitrogen Reduction on Intercropping Advantage of Maize and Aconitum vilmorinianum
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Keywords:
- nitrogen reduction /
- maize /
- Aconitum vilmorinianum /
- intercropping advantage
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梗丝是卷烟配方烟丝的重要组成部分，在降低卷烟危害性、提升卷烟燃烧性能、调控卷烟烟气水平以及提高烟叶原料应用效率等方面发挥着重要的作用[1]。梗丝结构是影响卷烟质量及其稳定性的重要因素之一[2]。近年来，关于梗丝结构的研究主要集中在其加工工艺优化[3-4]、形态表征[5-7]以及对卷烟质量的影响[8]等方面。此外，祁林等[9]研究了不同长度梗丝挥发性化学物质含量的差异性。而关于不同长度梗丝色度值的差异性、变化趋势以及与致香成分的相关性研究尚未见报道。
色度是烤烟分级标准的重要指标之一[10]，烟叶色度的差异在很大程度上反映了烟叶中各种化学成分存在比例的不同，与烟叶的外观质量和内在品质密切相关[11]。随着色度学理论与实践的发展，色差法在国内烟草行业也逐步得到了应用。研究发现：色度值L* (从黑到白，表示明度值)、a* (从绿到红，表示红度值)和b* (从蓝到黄，表示黄度值)与烟叶中的总糖、还原糖、烟碱、钾、总氮、蛋白质、挥发碱、质体色素和多酚等多种化学成分显著或极显著相关[12‒15]。说明色度值能够较好地反映烟叶原料的内在质量，但色差法在梗丝中的研究尚未见报道。烟草中的致香成分大多含量很低，但对卷烟的评吸质量有较大的影响[16]。按照致香基团的不同，一般可把烟草的主要致香成分分为酸类、醇类、酮类、醛类、酯类、酚类、氮杂环类、呋喃类及烃类等[17]。研究表明：醛类和酮类致香物质与浓度显著正相关，与细腻度和柔和性显著负相关，醇类物质与愉悦性、细腻度、甜度、柔和性和杂气显著负相关，酯类物质与甜度、柔和性、杂气和余味显著负相关[18]。因此，利用烟丝振动分选筛对成品梗丝进行筛分，得到不同长度的梗丝，制成粉末后分别测定其CIE‒L*、a*、b*色空间值和致香成分，可分析不同长度梗丝色度值与致香成分含量的差异性、变化趋势以及两者之间的相关性，旨在为研究梗丝结构对卷烟质量稳定性的影响提供参考，也为利用便捷高效的色差法预测和评价梗丝中的致香成分含量提供参考。
1. 材料与方法
1.1 材料
云南昆明烤烟红大中桔三(C3F) 醇化烟梗制成的成品梗丝，由红云红河烟草(集团)有限责任公司会泽卷烟厂提供。
1.2 方法
1.2.1 试验样品制作
在加香工序出口截面接取梗丝样品，每间隔1 min取样约1 kg，共取样20次。按照标准YC/T 178—2003规定的方法利用YQ-2型烟丝振动分选筛将梗丝样品筛分为长丝、中丝、短丝和碎丝(筛网孔径依次为3.35、2.50和1.00 mm，长丝>3.35 mm、2.50 mm<中丝≤3.35 mm、1.00 mm<短丝≤2.50 mm、碎丝≤1.00 mm)[19]，筛分后同一长度的梗丝存放在一起并充分混匀。分别取上述4种不同长度的梗丝样品各约500 g，在45 ℃的烘箱中干燥1 h，用旋风磨粉碎，过孔径250 μm(60目)筛，所得粉末再置于温度(20±1) ℃、相对湿度(65±2)%的恒温恒湿箱中平衡48 h。
1.2.2 色度值测定与计算
使用DC‒P3型全自动测色色差计测定每种长度梗丝粉末的CIE‒L*、a*、b*色空间值，色差计每连续测定3次自动计算1次平均值，每种长度梗丝的粉末样品取样20次进行测定，即每种长度梗丝的粉末样品记录20个L*、a*和b*值。色差计主要技术指标按照文献[20]进行设置。分别按照公式(1)、(2)和(3)计算总色差值ΔE、色彩饱和度(C)和色调角(H)。
$ \Delta E=\sqrt{({{L}^{^{^{{*}}}}-{L}_{0}^{^{^{{*}}}})}^{2}+({{a}^{^{^{{*}}}}-{a}_{0}^{^{^{{*}}}})}^{2}+({{b}^{^{^{{*}}}}-{b}_{0}^{^{^{{*}}}})}^{2}} $
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$ C=\sqrt{{{a}{^{^{{*}}}}}^{2}+{{b}{^{^{{*}}}}}^{2}} $
(2) $ H=\mathrm{a}\mathrm{r}\mathrm{c}\mathrm{t}\mathrm{a}\mathrm{n}\left({b}^{*}/{a}^{*}\right) $
(3) 1.2.3 致香成分测定
样品前处理：将梗丝样品置于45 ℃的烘箱中干燥1 h，用旋风磨粉碎并过60目筛，所得粉末再分别置于(22±1) ℃、相对湿度为(60±2)%的恒温恒湿箱中平衡24 h后备用。
参照文献[21-22]中的方法利用气相色谱/质谱联用仪(6890N/5975N)测定不同长度梗丝样品中的挥发性致香成分和挥发性有机酸。为确保数据的代表性，每种长度的梗丝样品取样5次进行测定。
挥发性致香成分测定：准确称取烟末样品25.0 g，以二氯甲烷作溶剂同时蒸馏萃取2 h，所得提取物经无水硫酸钠干燥后，置于旋转蒸发仪中浓缩至1.0 mL，加入50 μL (0.1 mol/L)乙酸苯甲酯的无水乙醇溶液，摇匀，取样进行GC/MS分析。分析条件为：色谱柱：HP-5MS(30 m×0.25 mm×0.25 μm)毛细管柱；进样口温度：240 ℃；传输线温度：280 ℃；载气：He，流速1.0 mL/min；程序升温：50 ℃下保持1 min，以8 ℃/min的速率升至160 ℃，保持2 min，再以8 ℃/min的速率升至260 ℃，保持15 min；进样量：2 μL，分流比：25∶1；EI电离能量：70 eV；离子源温度：230 ℃；四级杆温度：160 ℃；质量范围：35~455 amu。采用NIST 14和Wiley 275标准谱库检索定性，内标法定量。
挥发性有机酸测定：准确称取0.50 g烟末样品放入锥形瓶中，加1.0 mL内标溶液(山梨酸溶液)和5.0 mL酯化溶液(10% H2SO4和10%对甲苯磺酸的甲醇溶液)，于55 ℃下酯化1 h，冷却至室温，加20 mL正己烷，振荡萃取15 min，静置分层后移取上层清液10 mL，用氮吹仪浓缩至约1.0 mL，用针筒式微孔滤膜过滤器过滤后上GC/MS分析挥发性有机酸。分析条件为：色谱柱：DB-5MS (30 m×0.25 mm×0.25 μm)；进样口温度260 ℃；传输线温度280 ℃；载气：He，流速1.0 mL/min；程序升温：50 ℃下保持1 min，以5 ℃/min的速率升至275 ℃，保持3 min；进样量：1.0 μL，分流比10∶1；EI电子能量：70 eV；离子源温度：230 ℃；质量范围：35~350 amu，采用NIST 14标准谱库检索定性，内标法定量。
1.2.4 数据分析
利用IBM SPSS Statistics 19.0软件对不同长度梗丝的色度值和致香成分含量进行单因素方差分析和Pearson相关性分析。
2. 结果与分析
2.1 不同长度梗丝色度值的差异及变化趋势
由表1可见：不同长度梗丝6个色度值总体均存在显著性差异(P<0.05)；梗丝长度由大到小，明度值(L*)、红度值(a*)、黄度值(b*)、饱和度(C)和色调角(H)总体呈降低的变化趋势，总色差值(ΔE)总体呈升高的变化趋势。
表 1 不同长度梗丝色度值的差异Table 1. Difference of chromaticity values of different length cut stems样品 samples L* a* b* ΔE C H 长丝 long cut stems 57.55±0.51 a 10.41±0.10 a 24.66±0.33 a 44.32±0.46 d 26.77±0.33 a 67.12±0.31 a 中丝 medium cut stems 56.60±0.50 b 10.14±0.17 b 23.80±0.35 b 44.63±0.53 c 25.87±0.38 b 66.95±0.26 b 短丝 short cut stems 55.96±0.48 c 9.98±0.16 c 23.41±0.49 c 44.96±0.59 b 25.45±0.50 c 66.90±0.21 b 碎丝 broken cut stems 53.33±0.46 d 9.73±0.10 d 22.33±0.37 d 46.72±0.49 a 24.36±0.37 d 66.41±0.30 c 注： L*. 明度值；a*. 红度值；b*. 黄度值；ΔE. 总色差值；C. 饱和度；H. 色调角；同列不同小写字母表示差异有统计学意义 (P<0.05)；下同。
Note: L*. lightness value; a*. redness value; b*. yellowness value; ΔE. total chromatic aberration; C. saturation; H. hue angle; different letters of the same columns represent significant differences at the level of P<0.05; the same as below.2.2 不同长度梗丝致香成分含量的差异及变化趋势
对气相色谱/质谱联用仪测定出的61种致香成分按官能团进行分类汇总(表2)；其中，醇类致香成分8种，醛类致香成分16种，酸类致香成分10种，酮类致香成分20种，酯类致香成分6种，烯类致香成分1种。
表 2 致香成分按官能团类型分类结果Table 2. The classification of aroma components by functional groups致香成分类型
types of aroma components致香成分名称
names of aroma components致香成分类型
types of aroma components致香成分名称
names of aroma components醇类 alcohols 3-甲基-1-丁醇 isoamylalcohol 3-甲基戊酸 3-methylvaleric acid 糠醇 furfuryl alcohol 己酸 caproic acid 苯甲醇 benzyl alcohol 苯甲酸 benzoic acid 苯乙醇 benzyl ethanol 辛酸 octanoic acid 薄荷醇 menthol 苯乙酸 phenylacetic acid 寸拜醇 inch alcohol 酮类 ketones 1-戊烯-3-酮 ethyl vinyl ketone 植醇 phytol 3-羟基-2-丁酮 acetyl 西柏三烯二醇 sibutrienediol 面包酮 2-methyltetrahydrofuran-3-one 醛类 aldehyde 3-甲基-2-丁烯醛 3-methyl-2-butena 2-环戊烯-1,4-二酮 2-cyclopentene-1,4-dione 己醛 hexanal 2-呋喃基-乙酮 2-furylacetone 糠醛 furfural 6-甲基-5-庚烯-2-酮 6-methyl-5-hepten-2-one 2-吡啶甲醛 pyridine-2-carboxaldehyde 1-(1H-吡咯-2-基)-乙酮 1-(1h-pyrrole-2-yl)-ethanone 苯甲醛 benzaldehyde 薄荷酮 menthone 5-甲基糠醛 5-methylfurfural 茄酮 solanone 2,4-庚二烯醛 A~B 2,4-heptadienal A-B β-大马酮 β-damascenone 4-吡啶甲醛 pyridine-4-carboxaldehyde β-二氢大马酮 β-2H-damascenone 1H-吡咯-2-甲醛
1H-pyrrole-2-formaldehyde香叶基丙酮 geranyl acetone 苯乙醛 phenylacetaldehyde β-紫罗兰酮 β-ionone 壬醛 nonanal 巨豆三烯酮 A~D megastigmatrienone A-D 2,6-壬二烯醛 2,6-nonadienal 螺岩兰草酮 solavetivone 藏花醛 safranal 金合欢基丙酮 A~B farnesylacetone A-B 紫苏醛 perillaldehyde 酯类 esters 丁内酯 butylactone 十四醛 undecan-4-olide 二氢猕猴桃内酯 dihydroacti-nidiolide 酸类 acids 糠酸 2-furoic acid 邻苯二甲酸二丁酯 dibutyl phthalate 棕榈酸 palmitic acid 棕榈酸甲酯 methyl hexadecanoate 异戊酸 isovaleric acid 棕榈酸乙酯 ethyl palmitate 2-甲基丁酸 2-methylbutyric acid 亚麻酸甲酯 methyl ester 戊酸 valeric acid 烯类 alkene 新植二烯 neophytadiene 由表3可见：不同长度梗丝中6类致香成分含量总体均存在显著性差异(P<0.05)；梗丝长度由大到小，醇类和酯类致香成分含量总体呈降低的变化趋势，醛类、酸类、酮类及烯类致香成分含量总体呈升高的变化趋势。
表 3 不同长度梗丝致香成分含量的差异Table 3. Difference of aroma components contents in different length cut stemsμg/g 样品 sample 醇类 alcohols 醛类 aldehydes 酸类 acids 酮类 ketones 酯类 esters 烯类 alkenes 长丝 long cut stem 18.65±0.78 a 15.40±0.53 c 31.01±0.59 c 14.55±0.46 d 21.40±0.65 a 14.37±0.66 d 中丝 medium cut stem 16.65±0.37 b 15.92±0.42 bc 32.39±0.62 b 15.31±0.53 c 20.74±0.43 a 15.06±0.73 c 短丝 short cut stem 16.04±0.83 b 16.58±0.38 ab 33.37±0.45 b 16.27±0.69 b 19.26±0.53 b 15.94±0.26 b 碎丝 broken cut stem 13.28±0.78 c 17.39±0.60 a 34.76±0.63 a 17.34±0.60 a 17.88±0.70 c 17.61±0.77 a 2.3 梗丝色度值与致香成分含量的相关性分析
对不同长度梗丝的色度值与各类致香成分含量进行Pearson相关性分析，结果见表4。由表4可见：梗丝明度值(L*)、红度值(a*)、黄度值(b*)和饱和度(C)与醇类、酯类致香成分含量显著或极显著正相关，与醛类、酸类、酮类和烯类致香成分含量显著或极显著负相关；总色差值(ΔE)与醇类致香成分含量显著负相关，与烯类致香成分含量显著正相关；色调角(H)与醇类致香成分含量显著正相关，与烯类致香成分含量显著负相关。
表 4 梗丝色度值与致香成分含量的Pearson相关性Table 4. Pearson correlation between chromaticity values and aroma components contents of cut stems样品 sample L* a* b* ΔE C H 醇类 alcohols 0.985* 0.986* 0.998* −0.955* 0.997** 0.962* 醛类 aldehydes −0.971* −0.989* −0.988* 0.939 −0.988* −0.920 酸类 acids −0.959* −0.999** −0.994** 0.915 −0.995** −0.908 酮类 ketones −0.965* −0.991** −0.986* 0.930 −0.987* −0.910 酯类 esters 0.961* 0.975* 0.971* −0.933 0.972* 0.903 烯类 alkenes −0.991** −0.974* −0.986* 0.973* −0.985* −0.957* 注：“*”表示在0.05水平(双侧)上显著相关，“**”表示在0.01水平(双侧)上极显著相关。
Note: “*” means significant correlation at 0.05 level (bilateral), “**” means extremely significant correlation at 0.01 level (bilateral).3. 讨论
在卷烟加工过程中，烟草物料通常会以不同的形态和尺寸存在。打叶复烤后的烟梗按尺寸大小可分为长梗、短梗、粗梗和细梗，而在同一批次生产的梗丝中，有长丝、中丝、短丝和碎丝。本研究发现：不同长度梗丝的色度值及致香成分含量存在较大差异，且随着梗丝长度的变化，色度值与致香成分含量呈规律性变化趋势，其中致香成分的变化趋势与祁林等[9]的研究结果基本一致。不同长度梗丝的理化特性为何存在较大差异，根据刘继辉等[23-24]的研究结果可以推测：不同长度的梗丝可能主要来源于烟叶主脉不同区段(也代表烟梗的粗细程度)的烟梗，因为梗丝长度由长到短与烟梗尺寸从粗到细，其致香物质含量具有相同的变化趋势，由此说明不同长度的梗丝主要来源于不同尺寸的烟梗。烟草原料的色度值是由其内在化学成分决定的[12-15]，由于不同尺寸烟梗的内在化学成分含量存在较大差异，因此由这些烟梗制成的不同长度梗丝具有不同的色度值。分析不同长度梗丝色度值的差异，为利用色差法快速评价不同长度梗丝在配方烟丝中的掺配均匀性提供数据支撑，也可为筛分适宜长度或色度值的梗丝与烟丝进行掺配以提升配方烟丝的外观质量提供参考。此外，梗丝色度值与其致香成分含量存在高度相关性，对于利用快捷高效的色差法预测和评价梗丝中的致香成分含量奠定基础。
4. 结论
研究不同长度梗丝色度值、致香成分的差异性及变化趋势，以及色度值与致香成分的Pearson相关性，结果发现：对于同一等级烟梗制成的梗丝，不同长度梗丝的6个色度指标(L*、a*、b*、ΔE、C和H)及6类致香成分(醇类、醛类、酸类、酮类、酯类和烯类)含量均存在显著性差异和规律性变化趋势；不同长度梗丝的色度值与其致香成分含量之间存在较高的相关性，为利用色差法快速预测和评价梗丝中的致香成分含量奠定了基础。
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图 1 4种间作处理的土地当量比和产量净效应
注：IN为玉米常规施氮间作黄草乌，IN20、IN40和IN60分别为玉米减氮20%、40%和60%且间作黄草乌；不同小写字母表示处理间在0.05 水平上差异显著；下同。
Figure 1. Land equivalent ratio and net yield effect of four intercropping treatments
Note: IN is maize intercropping Aconitum vilmorinianum with conventional nitrogen application; IN20, IN40 and IN60 is maize intercropping A. vilmorinianum with nitrogen reduction by 20%, 40% and 60%, respectively; different lowercase letters indicate significant differences among treatments at 0.05 level; the same as below.
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图 2 不同处理的黄草乌浸出物和总生物碱含量
注：AS为黄草乌常规施肥单作。
Figure 2. Extract and total alkaloids content of A. vilmorinianum of different treatments
Note: AS is A. vilmorinianum monoculture.
表 1 不同处理产量及收获指数比较
Table 1 Comparison of yield and harvest index of different treatments
处理
treatment产量/(kg·hm−2) yield 收获指数 harvest index 玉米
maize黄草乌
Aconitum vilmorinianum复合产量
compound yield玉米
maize黄草乌
A. vilmorinianumIN (CK) 8447.70±51.46 ab 8472.30±49.28 a 16920.00±10.30 a 0.34±0.02 a 0.62±0.05 a IN20 9094.50±26.30 ab 8533.35±67.67 a 17627.85±43.53 a 0.34±0.03 a 0.65±0.10 a IN40 8259.00±40.28 ab 6233.40±31.61 b 14492.40±65.77 b 0.35±0.03 a 0.59±0.09 a IN60 7494.45±59.68 b 5982.30±1.29 b 13476.75±59.62 b 0.30±0.03 a 0.52±0.10 a MS 9872.25±18.13 a — 9872.25±18.34 c 0.34±0.02 a — AS — 7366.65±15.17 ab 7366.65±15.17 d — 0.64±0.06 a 注：IN为玉米常规施氮间作黄草乌，IN20、IN40和IN60分别为玉米减氮20%、40%和60%且间作黄草乌，MS为玉米常规施氮单作，AS为黄草乌常规施肥单作；同列中不同小写字母表示处理间存在显著差异 (P<0.05)；下同。
Note: IN is maize intercropping A. vilmorinianum with conventional nitrogen application; IN20, IN40 and IN60 is maize intercropping A. vilmorinianum with nitrogen reduction by 20%, 40% and 60%, respectively; MS is maize monoculture; AS is A. vilmorinianum monoculture; different lowercase letters in the same column indicate significant differences among treatments (P<0.05); the same as below.
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表 2 不同处理玉米抽雄期和黄草乌初花期的生长性状和生物量的比较
Table 2 Growth characters and biomass of different treatments of heading stage of maize and early flowering stage of A. vilmorinianum
处理
treatment玉米 maize 黄草乌 A. vilmorinianum 株高/cm
plant height茎粗/cm
stem diameter生物量/g
biomass株高/cm
plant height茎粗/cm
stem diameter生物量/g
biomassIN (CK) 163.4±4.91 c 6.4±0.21 b 339.3±22.08 ab 173.3±8.94 a 1.5±0.05 a 95.9±12.14 ab IN20 182.7±6.91 ab 6.8±0.23 ab 403.1±25.75 a 164.5±8.05 a 1.6±0.09 a 111.4±20.35 a IN40 184.0±6.26 a 7.0±0.19 ab 367.0±22.61 ab 151.8±7.57 a 1.4±0.04 a 89.1±13.46 ab IN60 165.9±7.31 bc 6.9±0.26 ab 344.2±21.36 ab 176.6±12.77 a 1.5±0.05 a 55.5±4.77 b MS 171.3±6.28 abc 7.3±0.23 a 323.9±12.26 b — — — AS — — — 165.0±10.19 a 1.6±0.09 a 83.0±12.55 ab
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