光谱反射率与鲜烟叶成熟度及烤后烟叶质量的关系

2018-03-19何孝兵杨少峰胡丽涛王少飞周显波张梦旭孟相开张重义

江西农业学报 2018年3期

何孝兵,杨少峰,胡丽涛,王少飞,周显波,张梦旭,孟相开,张重义*

(1.重庆中烟工业有限责任公司，重庆 400000；2.福建农林大学烟草研究所，福建福州 350002；3.重庆市烟草公司丰都分公司，重庆 408200)

成熟采收是生产优质烟叶的重要环节，烟叶成熟度在很大程度上代表了烟叶质量的优劣，成熟采收是生产优质烟叶的重要环节。相关研究指出烟叶品质形成与田间成熟度密切相关，提高鲜烟叶的成熟度可以明显改善烤后烟叶内在化学成分的协调性、感官质量和经济性状[1-4]。

目前，有许多国家对鲜烟叶成熟度的判定方法已有深入的研究，如津巴布韦采用烟叶成熟彩色图片颜色、烤房试验和抽屉试验的量化指标、美国通过对采收前的烟叶样品进行化学成分分析来判断烟叶成熟情况，日本采用比色卡比色的方法对烟叶成熟度进行辅助判断[5-8]。但这些方法步骤繁琐，不能及时反映烟叶的成熟度。近红外光谱测定具有测量速度快、操作简单、环保经济等特点，且样品不需要进行预处理，已经应用于很多行业的分析检测[9-11]。目前，虽然在烟草生产过程中，利用近红外光谱作为一种新兴的分析方法在烟叶成熟度上已得到广泛的应用[12-15]。关于光谱反射率与烟叶采收成熟度的判断指标的相关性已开展了大量的研究，但依据烤后烟叶质量确定适宜的光谱反射率的研究却少有报道[16-20]。本试验测定不同成熟度烟叶的光谱反射率，研究光谱反射率与不同成熟度烤后烟叶质量的关系，以确定适宜采收成熟度对应的光谱反射率，为量化烟叶适宜采收成熟度提供快速、无损检测技术提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 试验仪器

本试验采用美国海洋光学公司(Ocean optics corporation)的USB4000微型光纤光谱仪，该仪器内置东芝公司的高性能3648像素的线阵CCD探测器，同时使用了海洋光学公司的HL-2000型卤素光源、R400-7-VIS-NIR型直径400 μm的“Y”形光纤、RPH-1型反射探头支架和STAN-SSH型漫反射标准参考板。光谱测定范围为345～1039 nm，光谱采样间隔为0.2 nm。设置10次扫描，以取平均值，并设矩形波串宽度为5，这将增加信噪比并校平光谱[15]。

1.2 试验地概况

试验于2016年3月～9月在重庆市丰都县太平坝乡进行，海拔1100 m，选取地势平坦，排灌方便的地块。供试品种为云烟97，试验田土壤肥力中等，pH值6.5、有机质15.6 g/kg、碱解氮48.5 mg/kg、速效钾66.1 mg/kg、速效磷17.8 mg/kg。于2016年5月8日移栽，行株距1.20 m×0.55 m，其他大田管理措施按当地优质烤烟栽培生产技术规范进行。

1.3 试验设计

各部位烟叶按照烟叶黄绿色面积百分数以10%为梯度从低到高划分11个成熟度，且各部位每个成熟度分别取5片鲜烟叶并测定其光谱值。

按下、中、上3个部位，从低到高分别设置3个成熟度处理，即M1、M2、M3，共计9个处理(表1)。每个处理选300片按照当地密集烘烤工艺进行烘烤，烤后烟叶用于经济性状调查、化学成分分析、感官评吸鉴定等。

表1 各部位烟叶不同成熟度处理与主要外观特征

注：X、C、B分别代表下、中、上部烟叶。下同。

1.4 测定项目与方法

1.4.1 光谱数据采集 USB4000光谱仪经反射标准校准后进行测试，光谱仪置于烟叶的上方，探头视场角为90°，对不同部位不同成熟度等级的烟叶依次进行测试，使用此光谱仪测得的光谱为去除外界环境干扰后的净光谱，且为连续光谱，每个光谱都是10次扫描所获得的平均光谱，此时的光谱为原始的漫反射光谱。采用光谱仪配套的Spectra Suite软件对样品的光谱数据进行采集和存储[15]。

1.4.2 经济性状调查根据国家42级烟叶分级标准GB 2635─1992测定各等级烟叶重量、比例；计算各处理烤后烟叶的产量、均价、产值、上等烟比例、中等烟比例等。

1.4.3 化学成分鉴定经高速粉碎机粉碎后，过60目筛，采用烟草行业推荐标准YC/T 159─2002、YC/T 160─2002、YC/T 161─2002、YC/T 162─2002、YC/T 173─2002规定的方法，测定烟叶样品的还原糖、总糖、烟碱、总氮、氯和钾含量，并计算糖碱比、两糖比、钾氯比等烟叶化学成分协调性指标[20]。

1.4.4 感官评吸鉴定按照YC/T 138─1998的规定进行评吸，包括香气质、香气量、杂气、浓度、劲头、刺激性、回甜、余味。

1.4.5 外观鉴定专家根据烤烟国标GB 2635─1992，以颜色、成熟度、结构、身份、油分、色度6项指标作为烤后烟外观质量评价指标。

1.5 数据分析

试验数据运用Excel 2010、SPSS 17.0软件进行数据处理和统计分析。

2 结果与分析

2.1 光谱反射率与不同鲜烟叶成熟度的关系

烟叶叶面黄绿色面积百分比代表了烟叶的成熟度。利用Excel 2003软件对每个成熟度等级烟叶所采集的光谱数据求平均值，且每个成熟度等级按上、中、下不同部位分别采集5个样本，取其平均值，然后利用DPS软件进行方差分析，处理结果见表2。由表2可知，不同部位鲜烟叶光谱反射率随着烟叶成熟度的增加而增加。各成熟度档次间均差异显著。由此可见，光谱反射率能够较灵敏地区分叶片10%梯度黄绿色面积差异。

不同部位烟叶黄绿色面积相同时光谱反射率不同，表现为中部叶>上部叶>下部叶(表2)。说明不同部位鲜烟叶代谢水平不一样，不同部位鲜烟叶光谱反射率不能相互比较。

相关性分析结果表明：同一部位鲜烟叶成熟度与光谱反射率存在极显著正相关关系，由此可知，光谱反射率可用于烟叶成熟度的判断(表3)。

表2 鲜烟叶不同成熟度光谱反射率

注：同列数据后的小、大写字母分别表示在0.05、0.01水平上的差异显著性，字母相同则差异不显著，不同则显著。

表3 烟叶成熟度与光谱反射率的相关性

2.2 光谱反射率与不同成熟度烤后烟经济性状的关系

经济性状是烤后烟叶价值和等级结构的最终体现。从表4可以看出，随着烟叶成熟度的提高，3个部位的产量、均价、产值、上等烟比例都有所提高。下部烟叶不同处理中以处理XM3(光谱反射率33.50～45.00)的经济性状表现最好，烤后烟叶上等烟叶比例14.17%、中等烟叶比例59.35%、产量120.86 kg/667 m2、均价17.6元/kg，其中上等烟叶比例分别比XM1、XM2高4.99、4.52个百分点。中部烟叶不同处理中以处理CM3(光谱反射率59.21～71.21)的效果最佳，产量134.46 kg/667 m2、均价25.8元/kg、上中等烟叶比例93.51%，其中均价分别比CM1、CM2高4.4、2.3元/kg。上部烟叶BM3(光谱反射率61.65～76.71)的产量、均价、产值最高，经济效益最好，其次是BM2，BM1最低，其中上等烟叶比例分别比BM1、BM2高29.81、22.29个百分点。

表4 不同采收成熟度烤后烟叶经济性状

2.3 光谱反射率与不同成熟度烤后烟化学成分的关系

烟叶主要化学成分是反映烟叶品质的重要指标，不同成熟度处理对烤后烟叶化学成分有一定影响。由表5可知，下部烟叶随着采收成熟度的提高，烟碱、总氮含量逐渐下降，其中XM1烟碱含量分别比XM2、XM3高0.31、0.66个百分点；总糖、还原糖含量逐渐上升，其中XM3总糖含量分别比XM1、XM2高3.05、2.07个百分点；钾含量以XM2最高，XM1次之，XM3最低；氯含量以XM1最高，分别比XM2、XM3高0.27、0.22个百分点；糖碱比XM3更接近合理范围；钾氯比XM2最优，其次是XM3，XM1最差。中部烟叶随着采收成熟度的提高，烟碱、总氮含量逐渐下降，其中CM1总氮含量分别比CM2、CM3高0.37、0.40个百分点；总糖、还原糖含量逐渐上升，其中CM3还原糖含量分别比CM1、CM2高6.48、3.18个百分点；钾含量以CM2最高，CM1次之，CM3最低；氯含量CM1最高，依次为CM2、CM3；糖碱比CM3更接近合理范围；钾氯比CM2最优，其次是CM3，CM1最差。上部烟叶随着采收成熟度的提高，烟碱、总氮及钾含量逐渐下降，其中BM1烟碱含量分别比BM2、BM3高0.23、0.36个百分点，钾含量以BM3最高，BM2次之，BM1最低；总糖、还原糖含量逐渐上升，其中BM3总糖含量分别比BM1、BM2高2.34、0.65个百分点；氯含量BM1最高，依次为BM3、BM2；糖碱比BM3更接近合理范围；钾氯比BM2最优，其次是BM3，BM1最差。

2.4 光谱反射率与不同成熟度烤后烟叶感官评吸质量的关系

由表6可以看出，各部位评吸总得分均随着烟叶成熟度的推进而升高。下部叶：综合评吸质量以处理XM3(光谱反射率33.50～45.00)较理想，其中香气量、香气质、杂气、劲头及回甜得分均最高。中部叶：处理CM3(光谱反射率59.21～71.21)的评吸质量最优，与其他2个处理相比，香气量、刺激性得分最高。上部叶：处理BM3(光谱反射率61.65～76.71)的评吸质量最高，表现为香气质、香气量、浓度、刺激性和回甜得分最高。

表5 不同采收成熟度烤后烟叶化学成分

表6 不同采收成熟度烤后烟叶感官评吸质量分

2.5 光谱反射率与不同成熟度烤后烟外观质量的关系

烟叶的外观质量反映了烟叶内在质量，是烟叶收购过程中分级的主要依据。成熟度对烤后烟叶外观有一定影响(表7)。下部叶：成熟度对颜色、成熟度、结构、身份等因素影响不明显，随着烟叶成熟度的提高，色度有所加强，以处理XM3最佳。中部叶：随着烟叶成熟度的提高，成熟度、结构、油分、色度均有所改善，综合各项指标，处理CM3的外观较理想。上部叶：不同成熟度处理间各项指标基本一致，只有色度随烟叶成熟度的推进而逐渐加强。

表7 不同采收成熟度烤后烟外观质量

3 结论与讨论

采用光谱技术进行烤烟叶片的成熟度及其烤后烟叶质量的相关研究还未见有报道，本试验利用光谱反射率与烟叶不同成熟度颜色变化进行定量分析。光谱仪具有操作简单、测量速度快、反应灵敏等特点，应用于烟叶采收成熟度的检测可以降低劳动，提供更精确的判定结果，为指导重庆山地烤烟成熟采收提供客观评判标准。研究表明：不同部位鲜烟叶光谱反射率随着烟叶成熟度的增加而增加，且各成熟度档次间均差异显著；同一部位鲜烟叶成熟度与光谱反射率存在极显著正相关关系，由此可知，光谱反射率可用于烟叶成熟度的判断。由此，可以通过建立烟叶成熟度量化体系和行之有效的评价方法，实现快速判定烟叶的成熟度。

光谱技术是根据化学物质对光能的吸收特征进行测量的技术[21]。烟草体内含有大量对光能敏感的官能基团，因此应用光谱技术对烟草体内各种化学物质进行检测具有广泛的前景[22-23]。其中，烟叶中烟碱、氮、糖等物质都含有光能敏感基团，利用光谱技术进行定量分析提供了有效途径[24]。

[1] 胡荣海,邵岩.云南烟草栽培学[M].北京:科学出版社,2007.

[2] 赵浩宾.烟叶成熟度的研究进展[J].经营管理者,2016(5):379-380.

[3] 左天觉,朱尊权.烟草的生产、生理和生物化学[M].上海:上海远东出版社,1993.

[4] 周冀衡,朱小平,王彦亭,等.烟草生理与生物化学[M].合肥:中国科学技术大学出版社,1996.

[5] Peedin G F. Efects of nitrogen rate and ripeness at harvest on some agronomic and chemical characteristics of flue-cured tobacco[C]//Coresta Congress, Agro-Photo Groups, 1995: 7.

[6] Hwang K J, Kim C W, Kim C H. Studies on the change of chemical components of flue-cured tobacco with maturity[C]//Coresta Congress, Agro-Photo Groups, 1981: 10.

[7] Walker E K. Some chemical characteristics of the cured leaves of flue-cured tobacco relative to time of harvest, stalk position and chlorophyll content of the Green leaves[J]. Tob Sci, 1968, 12: 58-65.

[8] 李佛琳，赵春江，刘良云，等.烤烟鲜烟叶成熟度的量化[J].烟草科技，2007(1)：54-58.

[9] 严衍禄,赵龙莲,韩东海,等.近红外光谱分析基础与应用[M].北京:中国轻工业出版社,2005.

[10] 段焰青,周红,李青青,等.烟样水分质量分数对其常规化学成分近红外测定的影响[J].云南大学学报,2005,27(5):424-428.

[11] 段焰青,李青青,者为,等.近红外光谱相似度匹配分析方法鉴别烟支真伪[J].云南大学学报,2010,32(4):453-459.

[12] 王家俊,罗丽萍,李辉,等.FT-NIR光谱法同时测定烟草根、茎、叶中的氮、磷、氯和钾[J].烟草科技,2004(12):24-27.

[13] 王家俊,梁逸曾,汪帆.偏最小二乘法结合傅里叶变换近红外光谱同时测定卷烟焦油、烟碱和一氧化碳的释放量[J].分析化学,2005,33(6):793-797.

[14] 段焰青,孔祥勇,李青青,等.近红外光谱法预测烟草中的纤维素含量[J].烟草科技,2006(8):16-20.

[15] 段焰青,王家俊,杨涛,等.FT-NIR光谱法定量分析烟草薄片中5种化学成分[J].激光与红外,2007,37(10):1058-1061.

[16] 李佛琳,赵春江,王纪华,等.一种基于反射光谱的烤烟鲜烟叶成熟度测定方法[J].西南大学学报,2008,30(10):51-55.

[17] 徐兴阳,何春荣,秦春丽,等.光谱判断田间鲜烟叶成熟度的影响因子研究[J].山地农业生物学报,2016,35(4):88-94.

[18] 王建伟,张艳玲,李海江,等.田间不同成熟度烤烟上部叶的高光谱特征分析[J].烟草科技,2013(5):64-67.

[19] 田凯丽.烟叶成熟度快速检测方法的研究[D].杨凌：西北农林科技大学,2015.