色度學在烤煙生產上的研究進展及展望

王德權 張玉琴 王 剛 張本強 杜傳印 李青山

（1山東濰坊煙草有限公司，山東濰坊 261205；2山東省威海市農業(yè)科學院，山東威海 264200；3山東中煙工業(yè)有限責任公司，山東濟南 250100；4安慶師范大學資源環(huán)境學院，安徽安慶 246133）

田間栽培、成熟采收、烘烤技術對于煙草品質的貢獻各占1/3[1]，而顏色是判斷煙葉田間成熟度和烘烤操作的重要依據[2-3]，也是重要的分組因素和分級因素“色度”的重要組成部分，因此顏色的準確鑒定直接關系到煙葉的最終品質。目前，生產上對于煙葉顏色的判斷評價基本上是基于人的肉眼進行的，而人的肉眼識別顏色的能力是有限的，加之受環(huán)境因素的影響，識別效果存在較大的主觀性。研究證明，色差計能夠實現(xiàn)農產品顏色的快速檢測[4-6]，許多煙草工作者把色差計應用在煙葉顏色方面的研究上。烤煙鮮煙葉或者烘烤過程中煙葉以及烤后煙葉的顏色是指同一種煙葉的相關色彩、色澤飽和度和色值的狀態(tài)[7]。本文主要對色差計在判斷鮮煙葉成熟度、檢測煙葉化學成分、優(yōu)化烘烤操作和分級等方面的研究進展進行綜述，為色差計進一步應用于煙草生產研究提供參考。

1 色差計的應用

1.1 色度測定

色差計是一種顏色偏差精準的測試儀器，利用儀器內部的標準光源照明被測物體，測定其CIE 三刺激值（X、Y、Z），然后轉換成度量顏色的數值，能夠準確測定物體表面顏色，可用于精確測量多種形態(tài)樣品，如平面、小顆粒、粉末、糊狀、溶液等。

L值（亮度值）：0 為黑色，100 為白色，0～100 之間為灰色，表示由黑到白的變化。a值（紅度值）：正值為紅色，負值為綠色，表示由綠到紅的變化。b值（黃度值）：正值為黃色，負值為藍色，表示由藍到黃的變化。色相角和飽和度由L、a和b通過相應公式求得，色相角［H=arctan（b/a）］、飽和度［（C=（a2+b2）1/2］、色差值［（△E=［（△L2+△a2+△b2）］1/2］。

1.2 色度學在作物生產研究上的應用

當前，色差計已廣泛地應用于果蔬等農作物生產研究中，在果蔬成熟度的定量判定、農產品化學物質的監(jiān)測和農作物育種工作中發(fā)揮了重要的作用。

Delwiche 等[8]認為a值能夠作為判斷桃成熟度的一項指標。Kader 等[9]在Delwiche 的基礎上，通過相關試驗也認為果皮或果肉的a值能夠作為一項判斷水果成熟度的參考指標。Robertson 等[10]認為arctan（b/a）的值作為評價核桃成熟度的參考指標更加可靠，因為在不同的條件下a值容易變化。王利群等[11]通過研究辣椒不同時期顏色參數的變化，結合感官檢驗和薄層分析，認為色度角［（H=tan-1（b/a）］、色澤比（h=a/b）可以較好地反映辣椒色澤在發(fā)育過程中的變化情況。此外，顏色參數也能較好地反映出一些內在品質。劉仲齊等[12]研究發(fā)現(xiàn)，在番茄果實自由水適中的基因型中，顏色參數與番茄紅素含量的相關關系達到顯著水平，（a3/b3+a3/L3）與番茄紅素的相關系數最大。通過分析顏色參數與紅酒感官質量的關系，發(fā)現(xiàn)顏色參數（L、a）與紅酒中的花青素含量、丹寧物質存在一定的線性關系[13]。此外，色差計還被應用于植物育種工作中。劉振興等[14]針對不同小豆品種資源的葉片色澤與農藝性狀進行相關分析，結果表明，小豆的目標育種可以利用色差計選擇特定的品種材料。根據多份自交系苦瓜葉片SPAD值、色度角和果實色度角之間的差異及相關關系均到達顯著或極顯著水平，程蛟文等[15]認為苦瓜的果色選種可以以葉片顏色為參考。

2 色差計在煙葉生產研究上的應用

目前，越來越多的學者把色差計應用到了煙葉生產研究上，主要從判斷鮮煙葉成熟度、實時監(jiān)測煙葉化學成分和優(yōu)化烘烤操作、烤后煙葉的品質評價和分級等方面展開研究。

2.1 輔助判斷煙葉成熟度

煙葉成熟度是影響煙葉質量的首要因素，也是保證和提高烤后煙葉外觀質量和品質的前提[16-18]。鮮煙葉成熟度的準確判斷和適熟采收是煙葉生產過程中的重要環(huán)節(jié)。煙葉生長發(fā)育和成熟過程中顏色的變化，實質上是葉片組織內總葉綠體色素以及類胡蘿卜素占總葉綠體色素含量比例變化的外觀反映[19]。另有研究發(fā)現(xiàn)，鮮煙葉正背面顏色參數隨成熟度提高的變化趨勢基本一致，鮮煙葉片正背面顏色值與色素含量的關系密切，兩者之間呈顯著或極顯著性相關關系，煙葉背面顏色參數與化學成分的關系達到顯著水平，顏色參數可以作為輔助指標來判斷煙葉成熟度[20-22]。武圣江等[23-25]利用色差計設計了一種烤煙采收成熟度的快速無損檢測方法和一種有機烤煙煙葉成熟度的快速無損檢測方法，給出量化煙葉成熟度的指標范圍。霍開玲等[26]、張麗英等[27]從烘烤角度研究了烘烤過程中不同成熟度煙葉顏色參數的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)顏色參數和色素含量呈顯著相關，煙葉成熟度的判斷可用色差計輔助進行。另外，王浩雅等[28]基于顏色指標（L、a、b）通過三維空間繪制的三維圖、山峰圖和等值線圖，使煙葉某一特性的狀況可以較好地由顏色指標來表征，避免了多個指標對煙葉顏色評價的局限。

2.2 優(yōu)化烘烤工藝

在煙葉烘烤過程中，隨著葉綠素等色素類物質的不斷降解及其他化學物質的降解和生成，煙葉的外觀顏色也隨之發(fā)生明顯變化，煙葉逐漸顯現(xiàn)黃色[29]。因此，明確煙葉色素和主要化學成分含量與顏色變化的關系，建立烤煙烘烤過程中煙葉顏色參數與色素、含水量和化學成分的關系模型，監(jiān)測煙葉烘烤過程中物質變化和水分散失，可以為優(yōu)化密集烘烤工藝、操作更客觀化和提高煙葉質量提供參考。烘烤過程中，煙葉各顏色參數與淀粉、葉綠素、類胡蘿卜素、蛋白質的相關關系達到了顯著或極顯著水平，而與含水量、類葉比的相關關系略差，基于煙葉烘烤過程中顏色參數建立的預測主要化學成分的模型精度較高，烘烤過程中顏色參數可預測煙葉內主要化學成分含量的變化[30-31]，也可預測煙葉形態(tài)的變化[32]。烘烤過程中葉片正背面顏色參數的變化趨勢基本一致，烘烤過程中的煙葉主脈和葉片的顏色參數與主要化學成分含量的相關關系存在差異。相關研究表明，主脈的各顏色參數與主要化學成分均不顯著或極顯著相關，葉片顏色參數（除b、C外）與各主要化學成分含量均顯著或極顯著相關，葉片b值和C值則與少數化學成分存在顯著相關關系[33]。上、中、下3個部位的煙葉各顏色值在烘烤過程中變化趨勢基本一致，不同部位煙葉顏色值與主要化學成分相關性差異較大[34]。不同成熟度煙葉在烘烤過程中變化不同、顏色值差異極顯著，顏色參數（L、a、H）與淀粉、總氮和總酚相關，其中有的達到了顯著正相關或負相關[35]。為了提高不同品質煙葉的精準烘烤，李生棟等[36]以品種K326 為試驗材料，發(fā)現(xiàn)煙葉在烘烤過程中其外觀顏色參數與內在色素含量具有密切相關性，可依據外觀顏色參數估計煙葉內部色素含量。賀帆等[37]以中煙100和秦煙96為試驗材料，分析烘烤過程中煙葉質地和顏色及相關生理指標的變化規(guī)律，得出秦煙96煙葉烘烤時應以中濕變黃、中濕定色，中煙100烘烤過程中應適當提高濕球溫度和增加變黃期、定色期時間的結論。

2.3 優(yōu)化烤后煙葉分級和品質評價工藝

顏色是評價烤后煙葉外觀質量的一個重要因素。在烤煙分級標準中，顏色是第二分組因素；色度與顏色緊密相關，是一個重要的分級因素[38]。長期以來，判定煙葉顏色的標準主要是根據國家分級標準的定性描述，依據行業(yè)標準和標準樣本通過人的感官和經驗進行定性判斷；不僅主觀性較強，而且環(huán)境、光線、檢測人員等多種因素往往會影響判定結果。實現(xiàn)煙葉顏色判定從定性轉向定量，從主觀化轉向客觀化對于烤煙分級具有重要意義。任夏等[39]研究發(fā)現(xiàn)，烤后煙葉顏色參數和色素含量顯著相關，對不同顏色主組及不同等級之間色度的差異可定量表征，色差計可以量化煙葉顏色。彭新輝等[40]對同部位不同等級烤后煙葉色度和光澤與化學成分的差異以及相關關系進行分析，發(fā)現(xiàn)不同等級煙葉間色度和光澤差異顯著，色度和光澤部分指標與化學成分相關關系達到顯著或極顯著水平。顏色一定程度上反映出煙葉的內在品質，煙葉各顏色參數與主要化學成分含量的相關性達到顯著水平，總氮對煙葉L值的負向影響最大，煙堿對a值的影響最大，蛋白質對b和C值的負向影響最大，氮堿比和蛋白質對H°值的影響最大[41]。梁洪波等[42]也認為顏色值基本能反映出煙葉的內在品質，但發(fā)現(xiàn)不同產地、不同色組、不同部位和不同評吸類型的煙葉間顏色值差異顯著。另外，煙葉顏色參數還可在一定程度上反映出感官質量，有研究表明，顏色參數與香氣量、吃味、刺激性達到顯著或極顯著相關關系，認為煙葉表面的顏色參數值可以反映出這3 項評吸指標的結果[43]；楊超等[44]研究發(fā)現(xiàn)，顏色指標僅與雜氣指標相關關系顯著，而與其他感官質量指標呈顯著或極顯著的曲線關系，研究結果的不同可能是由于不同產區(qū)煙葉的品質風格不同。此外，基于顏色指標可構建效果較好的烤后煙感官質量預測模型[45]。

2.4 優(yōu)化煙草生產工藝

明確一個產區(qū)內烤煙葉表面顏色的特征，對于烤煙生產和利用具有指導意義。董高峰等[46]研究了邵通煙區(qū)煙葉顏色指標空間分布特征，并指出不同品種的顏色參數（L、b、C）和不同產地的煙葉的表面顏色間的差異均達到顯著或極顯著水平。李青山等[47]利用煙葉SPAD 值與顏色參數的關系，初步探索了烤煙鮮煙葉葉色仿真的可行性，為實現(xiàn)鮮煙葉葉色可視化模式奠定了基礎。因此，通過研究各個煙區(qū)煙葉顏色指標的空間分布特征，從而建立起全國范圍內的煙葉顏色指標數據庫，有利于指導全國烤煙生產和保障煙葉的充分利用。

2.5 應用于煙草生產其他環(huán)節(jié)

烤煙蒴果的鮮重、含水量、種子發(fā)芽率和出苗率至少與1 個顏色參數（L、a、b、C、H）存在顯著或極顯著相關，烤煙蒴果的發(fā)育可由色差計的測色系統(tǒng)較好地模擬，并輔助預測種子的活力[48]。在量化再造煙葉顏色方面，余振華等[49]用色差計對12個再造煙葉產品進行了指標測量，結果表明，顏色參數可作為再造煙葉顏色的定量化測定指標。

3 展望

煙葉顏色的變化是烤煙適熟采收、優(yōu)化烘烤操作和科學分級等的一個重要依據。色差計能夠量化物體的顏色。因此，將色差計更好地應用于烤煙生產中，生產出優(yōu)質煙葉具有重要意義。

3.1 鮮煙葉可視化模擬

為了實現(xiàn)烤煙不同生育時期鮮煙葉顏色變化的可視化模擬，下一步工作還需要明確以下幾個問題：①不同施肥條件是否會影響鮮煙葉色仿真的效果？②不同品種間鮮煙葉色仿真是否存在差異？③如何實現(xiàn)鮮煙葉片不同部位的葉色仿真？④如何構建烤煙鮮煙葉片的三維模型？

3.2 判定鮮煙葉成熟度

煙葉顏色參數能夠較好地指示色素含量的變化，色差計可以作為判斷鮮煙葉成熟度的輔助工具。今后的研究重點可以從結合外觀顏色和內在化學物質含量的角度，給出可判斷煙葉生理成熟的指標范圍。此外，目前利用顏色參數判斷煙葉成熟度的參考范圍，僅涉及單產區(qū)單品種，此參考范圍是否適用于相同品種的其他產區(qū)和不同品種還有待進一步研究。

3.3 建立檢測煙葉化學成分的精確模型

通過色差計量化烘烤過程中煙葉顏色的變化以及分析顏色參數與色素和主要化學成分含量的關系，適時監(jiān)控煙葉內部物質的轉化程度，把握烘烤進度，對優(yōu)化烘烤操作具有指導意義。煙葉在烘烤過程中形態(tài)發(fā)生變化，如何提取煙葉顏色和形態(tài)特征值，建立其與煙葉色素和主要化學成分含量的精確檢測模型，并針對不同產區(qū)、不同品種和不同烘烤設備條件下，對模型進一步的驗證和改進，是一個重要的研究內容。

3.4 建立烤后煙分級模型

烤煙分級是對烤后煙葉質量的綜合評價，煙葉外觀顏色指標可以在一定程度上反映烤后煙葉的內在品質和感官質量特點。因此，基于烤后煙葉外觀顏色指標，建立判斷煙葉內在化學成分含量和感官質量的精確綜合模型，對指導烤后煙分級具有較大的實用價值，是下一步的研究重點。