烤煙表面微觀結構特征與外觀品質的關系

過偉民，程 森，張 駿，高 遠，陳 健，張艷玲，尹啟生，孫 平*

1.中國煙草總公司鄭州煙草研究院，鄭州高新技術產業開發區楓楊街2 號 450001

2.上海煙草集團有限責任公司，上海市楊浦區長陽路717 號 200082

烤煙分級國家標準［1］對葉片結構的定義為細胞排列的疏密程度，對身份的定義為煙葉厚度、細胞密度或單位面積的質量，油分指煙葉細胞內含有的一種柔軟半液體或液體物質。朱尊權［2］、于華堂等［3］認為成熟度好的煙葉葉片細胞呈疏開狀。因此，以細胞形態特征為代表的煙葉表面微觀結構與外觀品質指標成熟度、葉片結構、身份、油分等密切相關。目前，有關煙葉微觀結構特征的研究主要集中在煙草品種［4-5］、大田期植煙土壤［6］和土壤改良措施［7］對鮮煙葉顯微/超顯微結構的影響方面，依據煙葉微觀結構特征確定采收成熟度［8］和烘烤工藝［9］等。煙葉烘烤過程中由于水分和營養的雙重脅迫作用，使細胞失水、破裂和皺縮，微觀形態結構發生較大變化，而關于烤后煙葉微觀結構特征的研究卻鮮見報道，僅過偉民等［10］建立了烤后煙葉表面細胞形態特征指標的量化方法，并比較了我國不同產區中部初烤煙葉表面微觀結構特征的相似性和差異性。

利用掃描電鏡（SEM）觀察植物器官表皮的微形態學特征，已廣泛應用于植物系統發育和品質形成的研究中［11-12］。基于軟件處理的圖像量化技術在巖石分類、成分分析、空隙率分析等方面也有廣泛應用［13-15］。為此，以掃描電鏡圖像的軟件量化處理為手段，通過分析不同外觀品質煙葉樣品的表面微觀結構特征，利用數理統計學方法建立基于表面微觀結構特征的外觀品質預測模型，為明確煙葉外觀品質差異的成因和建立煙葉外觀品質的客觀、量化評價方法提供依據。

1 材料與方法

1.1 供試材料

采集2013年云南保山、昭通和河南許昌3 個產區初烤煙葉樣品，等級為C2F、C3F、C2L、B1F、B2F 和B2L。樣品采集完成后，分別制備各產區不同外觀品質的煙葉樣品。方法：將各產區同一部位不同等級煙葉樣品混合后，根據外觀品質因素，如成熟度、葉片結構、身份和油分的不同，每個品質因素指標制備2～3 組不同檔次的煙葉樣品，共制備樣品10 組30 個。

模型驗證采用的樣品為2012年和2013年云南（曲靖、臨滄）、貴州（黔西南、銅仁）、福建（三明）、湖南（郴州）、廣東（韶關）、湖北（十堰）、河南（許昌、平頂山）、山東（臨沂）、吉林（延邊）、遼寧（丹東）等產區C3F 等級煙葉樣品。

1.2 分析方法

1.2.1 煙葉SEM 圖像采集與處理

將待測煙葉在恒溫恒濕條件下平衡含水率至16%左右，在葉片相同位置（從葉基部至頂部2/3，左右兩側距離主脈2 cm）截取無雜色、病斑、損傷、含青和支脈，大小為1 cm×1 cm 的葉片。利用日立TM3030 型掃描電子顯微鏡觀測，保存圖片格式為BMP（24 bit），放大倍數450 倍，由于不可避免地存在圖像對比度不明顯及偏光問題，因此參考文獻［10］統一進行煙葉SEM圖像的對比度及偏光處理。

1.2.2 煙葉外觀品質評價

參照中國煙草種植區劃——烤煙外觀質量評分標準［16］進行煙葉外觀品質評價。

1.3 數據處理

采用SPSS 18.0 軟件對數據進行統計分析，樣本之間多重比較采用最小顯著差異法（LSD）。

2 結果與分析

2.1 煙葉樣品外觀品質量化評價結果

對制備煙葉樣品的外觀品質因素進行定量賦分，結果見表1。從表1 看出，根據外觀因素如油分、葉片結構、身份和成熟度所制備的不同檔次煙葉樣品組，多數樣品組目標差異因素量化分值的變異系數高于其他因素，說明所制備煙葉樣品基本體現了對應外觀因素的差異。

表1 不同外觀品質煙葉的外觀量化評價結果 （分）

表1 （續） （分）

2.2 不同外觀品質煙葉表面微觀結構特征差異分析

2.2.1 成熟度

不同成熟度煙葉樣品的表面微觀結構特征指標量化結果見表2。從表2 看出，隨煙葉成熟度的提高，細胞形狀參數指標呈上升趨勢，3 組樣品中成熟度好的煙葉細胞形狀參數指標均顯著高于成熟度差的煙葉，提高幅度在9.7%～38.3%之間。細胞大小、細胞密度和氣孔密度隨煙葉成熟度變化的規律不明顯。說明在產地、部位一致的條件下，隨成熟度的提高，煙葉表面細胞形狀存在趨向不規則的變化趨勢。

2.2.2 葉片結構

不同葉片結構煙葉樣品表面微觀結構特征指標的量化結果見表3。從表3 看出，許昌的兩個樣品組，隨煙葉葉片結構疏松程度的改善，細胞面積和周長呈逐漸下降趨勢，保山樣品組葉片結構疏松程度中等和好的煙葉細胞面積和周長顯著低于疏松程度差的煙葉，3 組樣品中葉片結構疏松程度好的煙葉細胞面積較疏松程度差的煙葉低13.3%～52.7%。細胞形狀參數、細胞密度、氣孔密度隨煙葉葉片結構變化的規律不明顯。說明在產地、部位一致的條件下，疏松程度好的煙葉細胞相對小于疏松程度差的煙葉。

表2 不同成熟度煙葉表面微觀結構特征指標的量化結果①

表3 不同葉片結構煙葉表面微觀結構特征指標的量化結果

2.2.3 身份

不同身份煙葉樣品表面微觀結構特征指標的量化結果見表4。從表4 看出，隨煙葉身份由稍薄～中等的變化，氣孔密度呈下降趨勢，身份稍薄煙葉的細胞形狀參數高于身份適中的煙葉，兩組樣品中身份稍薄的煙葉細胞形狀參數均顯著高于身份適中的煙葉。細胞面積、細胞周長、細胞密度隨煙葉身份變化的規律不明顯。說明在產地、部位一致的條件下，隨身份由稍薄向中等變化，煙葉氣孔密度有所下降，細胞形狀存在趨向規則的變化趨勢。

表4 不同身份煙葉表面微觀結構特征指標的量化結果

2.2.4 油分

不同油分煙葉樣品表面微觀結構特征指標的量化結果見表5。從表5 看出，兩組樣品中油分差的煙葉細胞面積和周長均顯著高于油分較好的煙葉，細胞密度也相對較低。細胞形狀參數、氣孔密度隨煙葉油潤感變化的規律不明顯。說明在產地、部位一致的條件下，油分較好的煙葉細胞相對較小，細胞密度相對較大。

表5 不同油分煙葉表面微觀結構特征指標的量化結果

2.3 煙葉表面微觀結構特征指標與外觀品質的相關分析

對中部煙葉表面微觀結構特征指標量化結果與外觀品質因素賦分分值進行相關分析，結果見表6。從外觀品質因素與細胞形態特征指標的相關性來看，成熟度、葉片結構與細胞形態特征的關系比身份和油分與細胞形態特征的關系更為密切，其中葉片結構分值與細胞面積極顯著負相關，成熟度分值與細胞形狀參數指標極顯著正相關。

表6 不同外觀品質煙葉表面微觀結構特征指標與外觀品質因素的簡單相關分析①（n=21）

2.4 基于表面微觀結構特征的煙葉外觀品質回歸預測模型

2.4.1 最優回歸預測模型的構建

分別以成熟度、葉片結構、身份、油分分值及相關程度較高的兩指標（成熟度和葉片結構）分值加和為因變量，煙葉表面微觀結構特征指標為自變量，進行逐步回歸分析。通過比較不同外觀品質因素回歸預測方程的決定系數、顯著性檢驗結果，發現以細胞面積、細胞周長和細胞形狀參數為自變量，可較好地實現煙葉成熟度和葉片結構分值加和回歸預測模型的構建。回歸方程各自變量的偏回歸系數、標準誤差和檢驗結果等見表7。線性回歸方程為：

表7 煙葉成熟度和葉片結構綜合狀況的回歸模型參數檢驗（n=21）

2.4.2 回歸模型的檢驗

分別采用建模樣品和驗證樣品對模型的預測效果進行檢驗。從圖1 和圖2 可以看出，利用建模樣品和驗證樣品得到的煙葉成熟度與葉片結構分值加和的預測值與實際評價值均極顯著或顯著正相關，建模樣品的預測值與實際評價值的平均絕對誤差為0.54 分，平均相對誤差3.18%，驗證樣品的預測值與實際評價值的平均絕對誤差為1.06分，平均相對誤差6.20%。由于煙葉外觀品質因素量化評價時，單一品質因素的記分單位為0.5，因此模型的預測偏差在0.5～1.0 個計分單位，說明模型預測的準確性較好。

圖1 建模樣品預測值和評價值的擬合

圖2 驗證樣品預測值和評價值的擬合

3 結論與討論

（1）通過不同外觀品質因素煙葉樣品的制備與分析，發現在產地、部位一致的條件下，隨煙葉成熟度提高，細胞形狀呈不規則變化趨勢。這與朱尊權［2］、于華堂等［3］認為成熟度好的煙葉細胞呈疏開狀態相吻合。此外，葉片結構相對疏松的煙葉細胞小于疏松程度較差的煙葉，身份相對適中的煙葉細胞形狀較身份偏薄的煙葉規則、氣孔密度較小，油潤感較強的煙葉細胞相對小于油潤感較弱的煙葉，這些研究結果與過偉民等［10］對我國不同產區煙葉的分析結果基本一致。由于葉片結構定義為細胞排列的疏密程度［1］，細胞排列間隙大，則葉片結構相對疏松；細胞面積較大時，細胞排列可能相對緊密，細胞間隙相對減少，造成葉片結構的疏松程度變差。而在油潤感方面，于華堂等［3］認為油分是煙葉組織細胞內含有的一種柔軟液體或半液體物質，可能是由于細胞面積較大時，細胞單位面積的柔軟液體或半液體物質含量相對減少，從而造成煙葉的油潤感變差。

（2）通過逐步回歸分析比較了基于表面微觀結構特征指標的煙葉不同外觀品質因素的預測效果，發現針對煙葉單一品質因素目前尚無法實現回歸建模，需要進一步加大樣本量進行后續研究。利用表面微觀指標可較好地實現煙葉成熟度和葉片結構綜合狀況的預測，建模樣品和驗證樣品預測值與實際評價值的平均相對誤差分別為3.18%和6.20%。

（3）在模型的驗證過程中發現，與建模樣品的預測準確率相比，驗證樣品的預測準確率有所下降，可能與驗證樣品涵蓋的產區較多、不同產區煙葉微觀結構特征的區域性差異對預測結果存在影響有關。因此，有待于進一步加大樣本量對模型進行后續優化試驗。

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