烤烟表面微观结构特征与外观品质的关系

过伟民，程 森，张 骏，高 远，陈 健，张艳玲，尹启生，孙 平*

1.中国烟草总公司郑州烟草研究院，郑州高新技术产业开发区枫杨街2 号 450001

2.上海烟草集团有限责任公司，上海市杨浦区长阳路717 号 200082

烤烟分级国家标准［1］对叶片结构的定义为细胞排列的疏密程度，对身份的定义为烟叶厚度、细胞密度或单位面积的质量，油分指烟叶细胞内含有的一种柔软半液体或液体物质。朱尊权［2］、于华堂等［3］认为成熟度好的烟叶叶片细胞呈疏开状。因此，以细胞形态特征为代表的烟叶表面微观结构与外观品质指标成熟度、叶片结构、身份、油分等密切相关。目前，有关烟叶微观结构特征的研究主要集中在烟草品种［4-5］、大田期植烟土壤［6］和土壤改良措施［7］对鲜烟叶显微/超显微结构的影响方面，依据烟叶微观结构特征确定采收成熟度［8］和烘烤工艺［9］等。烟叶烘烤过程中由于水分和营养的双重胁迫作用，使细胞失水、破裂和皱缩，微观形态结构发生较大变化，而关于烤后烟叶微观结构特征的研究却鲜见报道，仅过伟民等［10］建立了烤后烟叶表面细胞形态特征指标的量化方法，并比较了我国不同产区中部初烤烟叶表面微观结构特征的相似性和差异性。

利用扫描电镜（SEM）观察植物器官表皮的微形态学特征，已广泛应用于植物系统发育和品质形成的研究中［11-12］。基于软件处理的图像量化技术在岩石分类、成分分析、空隙率分析等方面也有广泛应用［13-15］。为此，以扫描电镜图像的软件量化处理为手段，通过分析不同外观品质烟叶样品的表面微观结构特征，利用数理统计学方法建立基于表面微观结构特征的外观品质预测模型，为明确烟叶外观品质差异的成因和建立烟叶外观品质的客观、量化评价方法提供依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

采集2013年云南保山、昭通和河南许昌3 个产区初烤烟叶样品，等级为C2F、C3F、C2L、B1F、B2F 和B2L。样品采集完成后，分别制备各产区不同外观品质的烟叶样品。方法：将各产区同一部位不同等级烟叶样品混合后，根据外观品质因素，如成熟度、叶片结构、身份和油分的不同，每个品质因素指标制备2～3 组不同档次的烟叶样品，共制备样品10 组30 个。

模型验证采用的样品为2012年和2013年云南（曲靖、临沧）、贵州（黔西南、铜仁）、福建（三明）、湖南（郴州）、广东（韶关）、湖北（十堰）、河南（许昌、平顶山）、山东（临沂）、吉林（延边）、辽宁（丹东）等产区C3F 等级烟叶样品。

1.2 分析方法

1.2.1 烟叶SEM 图像采集与处理

将待测烟叶在恒温恒湿条件下平衡含水率至16%左右，在叶片相同位置（从叶基部至顶部2/3，左右两侧距离主脉2 cm）截取无杂色、病斑、损伤、含青和支脉，大小为1 cm×1 cm 的叶片。利用日立TM3030 型扫描电子显微镜观测，保存图片格式为BMP（24 bit），放大倍数450 倍，由于不可避免地存在图像对比度不明显及偏光问题，因此参考文献［10］统一进行烟叶SEM图像的对比度及偏光处理。

1.2.2 烟叶外观品质评价

参照中国烟草种植区划——烤烟外观质量评分标准［16］进行烟叶外观品质评价。

1.3 数据处理

采用SPSS 18.0 软件对数据进行统计分析，样本之间多重比较采用最小显著差异法（LSD）。

2 结果与分析

2.1 烟叶样品外观品质量化评价结果

对制备烟叶样品的外观品质因素进行定量赋分，结果见表1。从表1 看出，根据外观因素如油分、叶片结构、身份和成熟度所制备的不同档次烟叶样品组，多数样品组目标差异因素量化分值的变异系数高于其他因素，说明所制备烟叶样品基本体现了对应外观因素的差异。

表1 不同外观品质烟叶的外观量化评价结果 （分）

表1 （续） （分）

2.2 不同外观品质烟叶表面微观结构特征差异分析

2.2.1 成熟度

不同成熟度烟叶样品的表面微观结构特征指标量化结果见表2。从表2 看出，随烟叶成熟度的提高，细胞形状参数指标呈上升趋势，3 组样品中成熟度好的烟叶细胞形状参数指标均显著高于成熟度差的烟叶，提高幅度在9.7%～38.3%之间。细胞大小、细胞密度和气孔密度随烟叶成熟度变化的规律不明显。说明在产地、部位一致的条件下，随成熟度的提高，烟叶表面细胞形状存在趋向不规则的变化趋势。

2.2.2 叶片结构

不同叶片结构烟叶样品表面微观结构特征指标的量化结果见表3。从表3 看出，许昌的两个样品组，随烟叶叶片结构疏松程度的改善，细胞面积和周长呈逐渐下降趋势，保山样品组叶片结构疏松程度中等和好的烟叶细胞面积和周长显著低于疏松程度差的烟叶，3 组样品中叶片结构疏松程度好的烟叶细胞面积较疏松程度差的烟叶低13.3%～52.7%。细胞形状参数、细胞密度、气孔密度随烟叶叶片结构变化的规律不明显。说明在产地、部位一致的条件下，疏松程度好的烟叶细胞相对小于疏松程度差的烟叶。

表2 不同成熟度烟叶表面微观结构特征指标的量化结果①

表3 不同叶片结构烟叶表面微观结构特征指标的量化结果

2.2.3 身份

不同身份烟叶样品表面微观结构特征指标的量化结果见表4。从表4 看出，随烟叶身份由稍薄～中等的变化，气孔密度呈下降趋势，身份稍薄烟叶的细胞形状参数高于身份适中的烟叶，两组样品中身份稍薄的烟叶细胞形状参数均显著高于身份适中的烟叶。细胞面积、细胞周长、细胞密度随烟叶身份变化的规律不明显。说明在产地、部位一致的条件下，随身份由稍薄向中等变化，烟叶气孔密度有所下降，细胞形状存在趋向规则的变化趋势。

表4 不同身份烟叶表面微观结构特征指标的量化结果

2.2.4 油分

不同油分烟叶样品表面微观结构特征指标的量化结果见表5。从表5 看出，两组样品中油分差的烟叶细胞面积和周长均显著高于油分较好的烟叶，细胞密度也相对较低。细胞形状参数、气孔密度随烟叶油润感变化的规律不明显。说明在产地、部位一致的条件下，油分较好的烟叶细胞相对较小，细胞密度相对较大。

表5 不同油分烟叶表面微观结构特征指标的量化结果

2.3 烟叶表面微观结构特征指标与外观品质的相关分析

对中部烟叶表面微观结构特征指标量化结果与外观品质因素赋分分值进行相关分析，结果见表6。从外观品质因素与细胞形态特征指标的相关性来看，成熟度、叶片结构与细胞形态特征的关系比身份和油分与细胞形态特征的关系更为密切，其中叶片结构分值与细胞面积极显著负相关，成熟度分值与细胞形状参数指标极显著正相关。

表6 不同外观品质烟叶表面微观结构特征指标与外观品质因素的简单相关分析①（n=21）

2.4 基于表面微观结构特征的烟叶外观品质回归预测模型

2.4.1 最优回归预测模型的构建

分别以成熟度、叶片结构、身份、油分分值及相关程度较高的两指标（成熟度和叶片结构）分值加和为因变量，烟叶表面微观结构特征指标为自变量，进行逐步回归分析。通过比较不同外观品质因素回归预测方程的决定系数、显著性检验结果，发现以细胞面积、细胞周长和细胞形状参数为自变量，可较好地实现烟叶成熟度和叶片结构分值加和回归预测模型的构建。回归方程各自变量的偏回归系数、标准误差和检验结果等见表7。线性回归方程为：

表7 烟叶成熟度和叶片结构综合状况的回归模型参数检验（n=21）

2.4.2 回归模型的检验

分别采用建模样品和验证样品对模型的预测效果进行检验。从图1 和图2 可以看出，利用建模样品和验证样品得到的烟叶成熟度与叶片结构分值加和的预测值与实际评价值均极显著或显著正相关，建模样品的预测值与实际评价值的平均绝对误差为0.54 分，平均相对误差3.18%，验证样品的预测值与实际评价值的平均绝对误差为1.06分，平均相对误差6.20%。由于烟叶外观品质因素量化评价时，单一品质因素的记分单位为0.5，因此模型的预测偏差在0.5～1.0 个计分单位，说明模型预测的准确性较好。

图1 建模样品预测值和评价值的拟合

图2 验证样品预测值和评价值的拟合

3 结论与讨论

（1）通过不同外观品质因素烟叶样品的制备与分析，发现在产地、部位一致的条件下，随烟叶成熟度提高，细胞形状呈不规则变化趋势。这与朱尊权［2］、于华堂等［3］认为成熟度好的烟叶细胞呈疏开状态相吻合。此外，叶片结构相对疏松的烟叶细胞小于疏松程度较差的烟叶，身份相对适中的烟叶细胞形状较身份偏薄的烟叶规则、气孔密度较小，油润感较强的烟叶细胞相对小于油润感较弱的烟叶，这些研究结果与过伟民等［10］对我国不同产区烟叶的分析结果基本一致。由于叶片结构定义为细胞排列的疏密程度［1］，细胞排列间隙大，则叶片结构相对疏松；细胞面积较大时，细胞排列可能相对紧密，细胞间隙相对减少，造成叶片结构的疏松程度变差。而在油润感方面，于华堂等［3］认为油分是烟叶组织细胞内含有的一种柔软液体或半液体物质，可能是由于细胞面积较大时，细胞单位面积的柔软液体或半液体物质含量相对减少，从而造成烟叶的油润感变差。

（2）通过逐步回归分析比较了基于表面微观结构特征指标的烟叶不同外观品质因素的预测效果，发现针对烟叶单一品质因素目前尚无法实现回归建模，需要进一步加大样本量进行后续研究。利用表面微观指标可较好地实现烟叶成熟度和叶片结构综合状况的预测，建模样品和验证样品预测值与实际评价值的平均相对误差分别为3.18%和6.20%。

（3）在模型的验证过程中发现，与建模样品的预测准确率相比，验证样品的预测准确率有所下降，可能与验证样品涵盖的产区较多、不同产区烟叶微观结构特征的区域性差异对预测结果存在影响有关。因此，有待于进一步加大样本量对模型进行后续优化试验。

［1］GB/T 2635—1992 烤烟［S］.

［2］朱尊权.提高烤烟质量与分级标准的相互关系［J］.烟草科技，1988（2）：2-5.

［3］于华堂，李亚龙.烤烟分级标准教材［G］//郑州：中国烟草总公司科技情报站，1988.

［4］柴家荣，黄学跃，雷丽萍，等.不同品种白肋烟叶片的组织结构比较［J］.烟草科技，2004（12）：33-35.

［5］黄勇，何小力，张伟，等.不同烤烟品种中部叶的显微结构分析［J］.烟草科技，2012（6）：76-79.

［6］邱立友，李富欣，祖朝龙，等.皖南不同类型土壤植烟成熟期烟叶的基因差异表达和显微结构的比较［J］.作物学报，2009，35（4）：749-754.

［7］沈笑天，谷魏，牛书金，等.不同烟区及土壤改良措施下烟叶显微与超显微结构的动态观察［J］.中国烟草学报，2010，16（3）：36-42.

［8］张树堂，杨雪彪，王亚辉，等.不同成熟度烤烟鲜烟叶的组织结构比较［J］.烟草科技，2005（1）：28-40.

［9］王能如，李章海，徐增汉，等.烘烤过程中上部烟叶厚度及解剖结构的变化［J］.烟草科技，2005（9）：29-31.

［10］过伟民，张艳玲，蔡宪杰，等.典型烤烟产区初烤烟叶表面细胞形态特征分析［J］.烟草科技，2012（11）：64-68.

［11］Wells O C，Joy D C.The early history and future of the SEM［J］.Surf Interface Anal，2006，38（12/13）：1738-1742.

［12］张瑞奇，荣曼，张守忠，等.普通小麦籽粒硬度与胚乳组成及显微结构的关系［J］.中国农业科学，2011，44（9）：1753-1762.

［13］Nishimoto S.Modal analysis of granitic rocks by a personal computer-using image processing software Adobe Photoshop TM［J］.Ganko，1996，91（6）：235-241.

［14］Morse M J，Boles J R.Can Adobe Photoshop be used to quantify sandstone porosity［J］.AAPG Bulletin，1998，85（5A）：854.

［15］张学丰，蔡忠贤，胡文瑄.应用Adobe Photoshop 定量分析岩石结构［J］.沉积学报，2009，27（4）：667-673.

［16］王彦亭，谢剑平，李志宏，等.中国烟草种植区划［M］.北京：科学出版社，2009：26.