鲜烟成熟度颜色值指标及其判别函数研究

高宪辉，王松峰，孙帅帅，孙福山，王勇，程森，卢晓华，殷红，高峻，孙阳阳，周平，闫凯龙

1 农业部烟草生物学与加工重点实验室，中国农业科学院烟草研究所，青岛 266101；2 中国农业科学院研究生院，北京100081；3 山东中烟工业有限责任公司，济南 250100；4 四川省烟草公司凉山州公司，西昌 615000；5 上海烟草集团有限责任公司，上海 200082

鲜烟成熟度颜色值指标及其判别函数研究

高宪辉1,2，王松峰1，孙帅帅3，孙福山1，王勇4，程森5，卢晓华5，殷红4，高峻4，孙阳阳1,2，周平1,2，闫凯龙1

1 农业部烟草生物学与加工重点实验室，中国农业科学院烟草研究所，青岛 266101；2 中国农业科学院研究生院，北京100081；3 山东中烟工业有限责任公司，济南 250100；4 四川省烟草公司凉山州公司，西昌 615000；5 上海烟草集团有限责任公司，上海 200082

为探索鲜烟成熟度量化指标，提高烤烟采收成熟度判断准确率。以红花大金元品种为试验材料，研究了不同部位不同成熟度档次烟叶色素含量和颜色值变化及其相关性，并以鲜烟的L值、a值、b值3种颜色值为指标建立鲜烟成熟度判别函数。结果表明，在下、中、上3个部位中，随着鲜烟成熟度的提高，叶色黄绿程度增加，L值、a值、b值3种颜色值均呈升高趋势，且与色素含量相关性有高度统计学意义，明确了不同部位欠熟、适熟和过熟鲜烟的3种颜色值指标范围；依据鲜烟3种颜色值建立了鲜烟成熟度判别函数，经交互验证回判正确率为96.3%，新样本的判别准确率为95.6%，提高了鲜烟采收成熟度判断准确率。颜色值及其判别函数可作为判别鲜烟成熟度档次的一种新技术。

烤烟；成熟度；色素；颜色值；判别函数

鲜烟采收成熟度是指烟叶在田间生长发育到适于调制加工的成熟程度[1]。它与烤后烟的外观质量、评吸质量及香气质量等方面密切相关[2-5]。目前，国内鲜烟采收成熟度不够，掌握适宜成熟度不准，仍是影响烤后烟叶质量的主要因素之一。

对于采收成熟度的判断国内学者主要根据烟叶的外观颜色或色素含量进行了研究，宫长荣[1]、孙福山[6]、南力[7]等根据烟叶的外观特征将各部位鲜烟叶分为欠熟、适熟、过熟3个档次，并通过研究不同成熟度档次与烤后烟质量的关系，表明适熟烟叶烤后烟质量最佳。这些研究结果在烤烟实际生产过程中应用较广，但缺乏客观的量化指标，鲜烟成熟度判别准确性不高。近年来，农业生物信息技术发展迅速，徐照丽[8]、李旭华[9]等通过研究SPAD值与色素含量的关系，发现SPAD值与色素含量相关性显著；李佛琳等[10]提出了基于SPAD值的成熟度判别TMDSPADV模型。SPAD计的应用为鲜烟成熟度档次的判断提供了量化指标，但SPAD计属单一波段反射仪器，反射率稳定性差，易受环境因素的影响[11]。色差计是一种多波段组合定量测定颜色值的仪器，反射信息量大，受外部环境影响小，在鲜烟素质和烤后烟叶质量评价中开始应用[12-17]，张丽英[12]、张军刚[14]、霍开玲[16]等利用色差计对常规品种鲜烟成熟和烘烤过程中色素含量变化进行了研究，结果发现，鲜烟色素含量与颜色值具有明显的相关性。但依据鲜烟颜色值作为判定其成熟度的量化指标研究却鲜有报道。判别分析是一种根据已知类别的样品与其若干个观测量的关系对未知类别样品进行分类的统计方法，目前在烤后烟质量、香型、产区和卷烟品牌区分等方面已有应用[18-23]。毕淑峰等[18]以化学成分为自变量建立判别函数，对烤烟香型进行鉴定；秦璐等[19]以烤烟主要化学成分为指标建立了判别函数，用于烤烟产地的鉴定；詹军等[22]对烤后烟中性致香物质进行判别分析，建立了鉴定烤烟香型的判别函数。但在鲜烟成熟度档次区分方面尚无此类研究，本试验以红花大金元特色品种为试验材料，研究不同鲜烟成熟度档次的颜色值范围及其判别函数，旨在为鲜烟采收成熟度量化判别提供理论和技术依据。

1 材料与方法

1.1 试验地点与供试材料

试验于2015年在四川省凉山州会理县南阁乡海溪村进行，供试品种为红花大金元，土壤肥力中等，行距120cm，株距55cm，选取大田管理规范，长势均匀烟田，以下部（4~6叶位）、中部（9~11叶位）、上部（14~16叶位）3个部位烟叶为试验材料。

1.2 试验设计

鲜烟成熟度档次处理设置下（X）、中（C）、上（B）3个部位，根据烤烟生产采收实际，每个部位根据叶色和主脉变白程度分别设置欠熟（M1）、适熟（M2）、过熟（M3）3个不同成熟度档次处理，共9个处理，不同部位不同成熟度档次处理鲜烟外观特征见表1。每个成熟度档次处理分别选取具有代表性的完整鲜烟叶15片，9个处理共135片，分别测定每片鲜烟色素含量和颜色值。另有各处理鲜烟5片，共45片作为判别函数验证样本。

表1 各部位烟叶不同成熟度档次处理及主要外观特征Tab. 1 Treatment of different parts of tobacco leaves of different maturity and main appearance features

1.3 测定项目及方法

1.3.1 颜色值的测定：采用能够准确测定物体表面颜色的CR-10型全自动色差计，测定指标为亮度值L，红度值a及黄度值b。将鲜烟采摘后于光线状况良好的室内对每片烟叶测定以主脉对称的叶尖、叶中、叶基正面6个点，计算各颜色值平均数。

1.3.2 色素含量测定：采用分光光度法测定类胡萝卜素、叶绿素含量[24]。

1.3.3 类叶比：类胡萝卜素含量/叶绿素总量。反映叶面黄绿色程度，越大，黄色程度越高[24]。

1.3.4 数据分析：采用Excel2010进行数据处理，用SPASS19.0进行方差分析及相关性分析。

1.3.5 基于颜色值建立鲜烟成熟度判别函数：（1）判别函数的建立需满足的前提条件。①鲜烟样本的各颜色值指标数据分布呈正态或接近正态分布。主要由峰度系数与偏度系数进行判断，峰度系数与其标准误的比值及偏度系数与其标准误的比值小于或接近2，将接受或接近正态分布[25]。②各指标数据间不存在多重共线性。由总样本各指标间的相关性进行判断，当各指标间的相关系数小于0.8时满足条件。③所建立的判别函数Wilks的 Lambda值接近于0。Wilks的 Lambda是组内平方和与总平方和之比。Wilks的Lambda小表示组间有差异。在判别分析中，只有组均值不等时，判别分析才有意义[26]。（2）采用SPASS19.0建立与检验判别函数。

2 结果与分析

2.1 不同部位鲜烟成熟度档次处理间色素含量和颜色值变化

不同部位不同鲜烟成熟度烟叶色素含量不同，由表2可以看出，下中上3个部位随着鲜烟成熟度的提高，类胡萝卜素和叶绿素含量均呈逐渐降低，类胡萝卜素的降解幅度小于叶绿素的降解幅度，且成熟度档次处理间差异有统计学意义。3个部位随着鲜烟成熟度的提高，类叶比逐渐升高，下部：XM1和XM2之间差异没有统计学意义，XM1和XM3、XM2和XM3差异有统计学意义；中部：成熟度档次处理间差异有统计学意义；上部：BM1和BM2、BM1和BM3差异有统计学意义，BM2和BM3差异没有统计学意义。同一成熟度处理，不同部位的色素含量存在差异，类胡萝卜素含量，上部最低，M1处理下部高于中部，M2和M3处理中部高于下部叶绿素总量，下部＞中部＞上部；类叶比，中部＞下部＞上部。

由表3可知，不同部位随着鲜烟成熟度的提高， L值、a值、b值均呈现升高趋势，且同一部位不同成熟度档次处理间差异有统计学意义。说明在鲜烟叶成熟过程中，亮度不断增加、绿色逐渐褪去、黄色逐渐显现，与色素含量变化趋势相吻合。同一成熟度档次处理不同部位鲜烟颜色值有差异，亮度值L中部稍高于上部，下部最低；红度值a下部＞中部＞上部；黄度值b，M1、M2上部＞中部＞下部，M3中部＞上部＞下部。其中下部适熟烟叶XM2的L值、a值、b值的范围分别为44.5~47.4、-5.56～-4.64及31.02~33.78；中部适熟烟叶CM2的L值、a值、b值的范围分别为48.65~50.95、-8.24～-6.76及34.74~37.06；上部适熟烟叶BM2的L值、a值、b值的范围分别为47.3~50.7、-11.05～-8.75及35.49~37.51。同比亮度值XM2最低，CM2与BM2相当；同比红度值，XM2＞CM2＞BM2，同比黄度值，BM2＞CM2＞XM2，与叶面黄绿面积相吻合。

表2 不同部位鲜烟成熟度档次烟叶色素含量和类叶比Tab. 2 Relationship between the pigment content and maturity of fresh tobacco leaves

注：表中数字为平均值±标准差;同列不标有相同小写字母者表示组间差异有统计学意义( P ＜ 0.05) 。

表3 不同部位鲜烟成熟度档次烟叶颜色值Tab. 3 Relationship between color parameter and maturity of fresh tobacco leaves

2.2 不同部位鲜烟颜色值与色素含量的相关性

由表4可以看出，上中下3个部位鲜烟L值、a值、b值分别与类胡萝卜素含量和叶绿素总量负相关性有高度统计学意义 ，且下部叶和中部叶的相关系数较上部叶稍高；不同部位各颜色值与类叶比正相关性均有高度统计学意义，中部叶相关系数最高，下部叶与上部叶相当。3种颜色值指标与各色素含量均有统计学意义。

表4 不同部位烟叶颜色值与色素含量的相关系数Tab. 4 Correlation analysis between leaf color parameters and pigment contents of tobacco leaves

2.3 不同部位基于鲜烟颜色值的成熟度档次判别函数建立

在实际生产中，通过测定不同成熟度档次鲜烟叶的3种颜色值量化指标，采用SPASS19.0建立判别函数，判定烟叶采收成熟度档次，提高鲜烟成熟度档次判定准确率。

2.3.1 判别函数建立前提条件检验

135片鲜烟各颜色值指标间的描述统计结果见表5。可以看出，L值、a值、b值的均值分别为47.73、-7.46、43.7，且变幅较大。由峰度系数和偏度系数可以看出各指标均接近正态分布。对135片鲜烟各颜色值指标进行相关分析（表6），各颜色值指标间的相关系数均小于0.8，指标之间不存在多重共线性[23]。由表7可以看出，L、a、b 3种颜色值的Wilks的 Lambda值均接近0，各颜色值组间差异有统计学意义( P ＜ 0.05)，组均值不等，判别分析有意义。由以上结果可知，烤烟各颜色值变量接近正态分布且各颜色值间相关性较弱，满足判别分析的前提条件[23]。

表5 鲜烟总样本的颜色值描述统计Tab. 5 Descriptive statistics of leaf color parameters

表6 各颜色值指标间简单相关分析Tab. 6 Correlation analysis between leaf color parameters

表7 颜色值组均值的均等性的检验Tab. 7 Color parameters group mean uniformity test

2.3.2 判别函数的建立

要建立判别效果较好的判别函数，需要从自变量中筛选出对判别函数贡献较高的变量，对3种颜色值指标进行逐步判别分析，3种颜色值指标全部进入判别方程，b值贡献最高，其次为a值，L值贡献最低（见表8）。将不同成熟度档次鲜烟依次编号为1~9，然后将其与所对应的鲜烟颜色值录入SPASS19.0，通过判别分析最终得到不同成熟度档次的Fisher线性判别函数分别为：

作判别时，将未知成熟度档次鲜烟3种颜色值指标分别代入各判别函数，计算函数值，哪个函数值最大，就说明该鲜烟属于哪个成熟度档次。

表8 逐步判别分析筛选的变量Tab. 8 Selected variables of stepwise discriminant analysis

2.3.3 判别效果检验

利用所建立的判别函数采用交互验证法对135个烟叶样本进行回判。由表9结果表明，XM2、CM2和BM2各有一个样本判给了其他成熟度档次，正确率均为93.3%，BM3有两个样本判给了其他成熟度档次，正确率为86.7%，其余各成熟度档次正确率均为100%。总的成熟度档次判断正确率为96.3%。具有实际应用效果的判别函数不仅需要高准确率的回判，还需要有高准确率的前瞻性预测。分别选取5个各成熟度档次鲜烟新样本，将其相应的颜色值代入判别函数。CM2处理新样品有一个误判为BM2，判断准确率为80%；BM3处理新样品有一个误判为CM3，判断准确率为80%；其余各处理判别情况与实际结果完全一致。所有新样品的判别准确率为95.6%。

表9 不同成熟度处理档次回判分析Tab. 9 Results of re-discriminant analysis of different maturities

表10 不同成熟度处理档次前瞻性预测Tab. 10 Results of prospective prediction in different maturities

3 讨论

本试验研究结果表明，不同部位不同成熟度鲜烟色素含量和颜色值不同，随着鲜烟成熟度的提高，类胡萝卜素和叶绿素总量呈现降低趋势，L值、a值、b值呈现升高趋势，且同一部位不同成熟度档次处理间各色素含量和各颜色值差异均显著，与张军刚等[14]研究结果相同，主要是因为随着鲜烟成熟度的提高，烟叶对可见光的吸收减弱，反射增强[11]，叶内类胡萝卜素和叶绿素逐渐降解，且叶绿素的降解幅度大于类胡萝卜素，类叶比不断增大，黄色程度不断升高，从而使得叶片亮度逐渐升高，绿色逐渐褪去，黄色逐渐显现。但由于不同品种的鲜烟素质和采收成熟度档次叶色不同，同一鲜烟成熟度档次，色素含量和颜色值与其研究结果均存在差异。同一成熟度档次不同部位鲜烟颜色值结果表明，随着部位的升高，烟叶总体呈现亮度降低、绿色减弱、黄色增强的趋势，与不同部位烟叶设置的采收黄绿面积相吻合，说明颜色值较准确地反映了不同部位不同成熟度鲜烟外观颜色。鲜烟在成熟过程中烟叶的颜色变化实质就是烟叶组织内类胡萝卜素及叶绿素含量及比例变化的外观反映[11]。徐照丽[8]、李佛琳[10]等，曾通过测量鲜烟的色素含量判断鲜烟成熟度档次，但色素含量在实验室的测定存在一定的滞后性，无法及时反映田间鲜烟的成熟情况。通过对不同成熟度鲜烟颜色值与色素含量相关分析发现，鲜烟颜色值与色素含量关系密切，与张丽英[12]、张军刚[14]、霍开玲[16]等研究结果相同。

不同成熟度档次处理各颜色值指标范围较小，在烤烟生产实际烟叶采收中，鲜烟3种颜色值指标不一定都在同一成熟度档次处理范围内。通过鲜烟颜色值建立了不同部位不同成熟度的Fisher线性判别函数，并采用交互验证法及前瞻性预测对建立的判别函数进行检验，判别函数能够准确地判别鲜烟成熟度档次，且与李佛琳建立的TMDSPADV成熟度判别模型相比，准确率更高，而且色差计与SPAD计相比，反射率稳定性强，受环境因素的影响小。由于试验过程中判别函数建立的样本数量及检验函数的样本数量偏少，在实际应用过程中需考虑增加模型建立和检验的样本数量，以提高鲜烟成熟度判别函数应用性。不同烤烟品种的成熟度采收标准存在差异，对于其他烤烟品种，若各部位采收标准相同，则可直接应用此模型进行成熟度判别，当采收标准存在差异时，也可通过此方法建模。

4 结论

烤烟不同部位随着鲜烟成熟度的提高，L值、a值、b值3种颜色值均不断升高，这与烟叶叶色变化和色素含量变化趋势相吻合，且各颜色值指标与色素含量相关性有高度统计学意义，颜色值可作为判别鲜烟成熟度的量化指标。

基于颜色值建立鲜烟成熟度判别函数，能够判别采收鲜烟成熟度档次，且判别正确率较高。该判别函数法可作为一种准确判别鲜烟成熟度的新方法。

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：GAO Xianhui, WANG Songfeng, SUN Shuaishuai, et al. Study on color space data-based discriminating functions of fresh tobacco at various mature stages[J]. Acta Tabacaria Sinica, 2017, 23(1)

*Corresponding author. Email：sunfushan@caas.cn

Study on color space data-based discriminating functions of fresh tobacco at various mature stages

GAO Xianhui1,2, WANG Songfeng1, SUN Shuaishuai3, SUN Fushan1*, WANG Yong4, CHENG Sen5，LU Xiaohua5, YIN Hong4,GAO Jun4, SUN Yangyang1,2, ZHOU Ping1,2, YAN Kailong1
1 Key Laboratory of Tobacco Biology and Processing, Ministry of Agriculture, Tobacco Research Institute of CAAS,Qingdao 266101, Shandong, China;2 Graduate School of Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081, China;3 China Tobacco Shandong Industrial Co., Ltd., Jinan 250100, China;4 Sichuan Liangshan Prefectural Tobacco Company, Xichang 615000, Sichuan, China;5 Shanghai Tobacco Group Co, Ltd, Shanghai 200082, China

In order to explore quantitative index of fresh tobacco leaf maturity, and to improve accuracy rate of maturity, Honghuadajinyuan was used to investigate changes of color parameters and pigment contents during maturing process and their correlation, and a discriminant function based on color parameters was established. Results showed that with increase of maturity, L value, color parameters of both a and b values were increased in X、C、B three parts, which is consistent with leaf color change and pigment content change trend. Color parameter had signi fi cantly positive correlation with index and pigment content, and color parameter could be used as a quantitative index to distinguish fresh tobacco maturities. Maturity degree of tobacco leaves could be predicted based on quantitative discriminant model,which was constructed by L, a, b. Accuracy rate of prediction by cross validation method reached 96.3%, and the discriminant accuracy of new samples reached 95.6%.Color parameter and its discriminant function proved to be applicable as a new technology to determine tobacco leaf maturity.

fl ue-cured tobacco; maturity; pigment; color parameter; discriminant analysis

高宪辉，王松峰，孙帅帅，等. 鲜烟成熟度颜色值指标及其判别函数研究[J]. 中国烟草学报，2017,23（1）

中国烟草总公司四川省公司科技重点项目“提高烟叶密集烘烤质量综合配套技术集成与推广”（SCYC201402004）；四川省烟草公司凉山州科技项目“可调容量新型电热密集烤房研制技术”；上海烟草集团有限责任公司科技项目“烤烟密集烘烤采烤技术优化与推广”（SZBCW201500844）

高宪辉(1992—)，硕士，在读研究生，主要研究方向为烟草调制与加工， Email：460510702@qq.com

孙福山(1964—)，研究员，主要研究方向为烟草调制与加工， Email：sunfushan@caas.cn

2016-10-08；< class="emphasis_bold">网络出版日期：

日期：2017-01-25