色差仪与DigiEye对预制蔬菜颜色的表征

周中帆，丁德玥，张沛枫，李媛媛，张燕

（中国农业大学食品科学与营养工程学院，国家果蔬加工工程技术研究中心，北京100083）

颜色是表征加工果蔬品质的重要指标之一[1]，加工果蔬颜色的视觉评估在确定产品价值和判断其是否足够成熟方面起着重要作用[2]。因此，研究客观评价加工果蔬颜色的方法对其进行精确的量化，得到较为稳定、标准、客观的结果对食品工业至关重要。

现有研究多采用色差仪来检测并评估加工果蔬的颜色变化。Wainwright 等[3]运用色差仪测定香蕉果肉颜色，发现在果皮区确定的L*和b*坐标，可以客观地表征香蕉果肉的颜色。范净等[4]运用色差仪研究砂梨果肉的褐变度，结果表明果肉褐变指数和色差值△E之间有显著的正相关。Bao 等[5]研究发现漂烫后胡萝卜果肉比未处理胡萝卜果肉红色保持得更好。许玲等[6]采用色差仪评估毛叶枣的成熟度，发现九成熟时果实脆度好，口感最佳，且不影响采后货架期。近年来，新兴的数字图像分析技术DigiEye 色牢度评级仪也可用于表征颜色，可以弥补色差仪无法测量质地不均匀的物质或小物体颜色的不足，且由于分析速度快、成本低以及使用简单而越来越受欢迎。DigiEye 色牢度评级仪使用非接触式数字彩色成像系统DigiEye，带有散射光源或直射光源的VeriVide 灯箱、高性能数码摄像机、标准色卡、定标显示器的电脑工作台以及图像处理与评估软件，其能提供稳定的图像攫取环境，保证图像能够在相同条件下分析。Hanna 等[2]采用DigiEye 色牢度评级仪重复拍照3 次，使用DigiFood 软件在绿色蔬菜样品上任意选取6 个位置，记录变量L*、a*、b*的数值，证明DigiEye 色牢度评级仪具有识别蔬菜间细小差异的能力，可以测量热处理过程中绿色蔬菜的颜色变化。Milanez 等[7]利用DigiEye 色牢度评级仪对食用植物油进行分级，结果表明DigiEye 色牢度评级仪可检测食用植物油真实性和保存状态且不需要通过复杂的试验测量其它参数。Rana 等[8]研究表明，数字图像分析对鲜切菠萝片贮藏过程中色泽和褐变的分析具有较好的准确性，而且可用于从样品的整个表面获取颜色数据。Phongthai 等[9]在研究蛋白质对无麸质米粉面团性能的影响时，运用数字图像分析技术，发现大豆蛋白浓缩物加入面团后颜色属性变化不大，可作为无麸质米粉面团的营养增强剂。

目前，色差仪表征加工蔬菜变化的研究较多，但DigiEye 色牢度评级仪作为一种新型仪器，它的可行性及与色差仪的相关性值得关注。本研究采用两种颜色评价方法测定不同预制加工工艺下（气蒸、水煮、油炒），不同蔬菜（藕、马铃薯、胡萝卜）颜色随预制加工时间的变化趋势，观察两者各参数的相似性与差异性，并探索色差仪和DigiEye 色牢度评级仪测量结果的相关性，确定DigiEye 色牢度评级仪的适用性，为蔬菜的颜色评价研究提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

金龙鱼阳光葵花籽油、九孔藕、胡萝卜、马铃薯：市售；试验中所用水为娃哈哈纯净水。

T18 匀浆机：德国IKA 公司；S-228 拜杰切片机：德清拜杰电器有限公司；ColorQuest XE 全自动色差仪：美国HunterLab 公司；DigiEye 色牢度评级仪：英国DigiEye 公司；BT124S 电子分析天平：赛多利斯科学仪器有限公司；SH-2146 电磁炉：广东美的电器股份有限公司。

1.2 方法

1.2.1 样品的制备

1.2.1.1 预处理

挑选形状规则，大小适中且颜色正常的新鲜藕，将其洗净去皮，切成6 mm 左右的薄片并浸于清水中混合均匀，避免酶促褐变。沥干水分，按照150 g/份称量藕片，共取30 份样品。其中27 份分别用于蒸、煮、炒3 种处理方式的各3 个时间梯度，剩余3 份不做任何处理作为对照。马铃薯、胡萝卜处理方式同上。

1.2.1.2 预制烹饪处理

试验所用烹饪方法参照日常家庭烹饪习惯，设定烹饪条件。将新鲜的样品，进行蒸煮炒处理，油炒时间取 0、0.5、1、1.5 min 4 个梯度，气蒸和水煮时间取 0、1、2、3 min 4 个梯度。

1.2.2 ColorQuest XE 全自动色差仪对颜色的测定

通过ColorQuest XE 全自动色差仪测量样品颜色。将烹饪处理后样品置于冷水中冷却，擦去样品表面残留水分，按1 mL/g 样品加入蒸馏水制成匀浆，取适量于石英比色皿中，选用反射模式测定，得到CIE-L*a*b*颜色参数亮度值（L*）、红-绿值（a*）和黄-蓝值（b*）。

1.2.3 DigiEye 色牢度评级仪对颜色的测定

使用非接触式数字彩色成像系统DigiEye 测量蔬菜样品的颜色。根据Wainwright 等[3]的描述，仪器参数使用D65 光源；使用白色标准板、彩色标准板进行仪器校准。校准完毕后，为与全自动色差仪测量时光程相同，将打浆样品取适量于厚度约为1 cm 的六孔板中（与比色皿厚度类似），放置于封闭的灯箱中，使用白色背景并点击尼康D90 数码相机居中从上方拍摄其表面图像，使用配套软件处理图像，选取图像中典型的部位将其颜色表示为L*，a*，b*。

1.3 统计分析

每个试验至少6 组平行，3 次重复。结果以平均值±标准差的形式表示。数据统计分析采用Statistix 8.1 （分析软件，St Paul，MN）软件包中Linear Models程序进行，差异显著性（p＜0.05）分析使用Tukey HSD程序；采用SPSS 20.0 软件，对有关数据进行相关性分析并作图。

2 结果与分析

2.1 ColorQuest XE全自动色差仪和DigiEye表征加工蔬菜的颜色

采用ColorQuest XE 全自动色差仪和DigiEye 表征不同加工条件下3 种蔬菜样品的CIE 颜色指数L*、a*、b* 值，如表1 所示。

从表1 中可知，蔬菜种类、预制方式等都会影响蔬菜的颜色变化规律。分析全自动色差仪测得数据可知，与对照组相比（未经处理的样品），藕和马铃薯在经过气蒸、油炒烹饪方式处理后L*，a*，b*值均逐渐降低，且藕的颜色参数变化较为显著（p＜0.05）。刘翠云[10]研究发现烹饪加热会使蔬菜中的酚类物质的含量发生变化。在有氧气存在的条件下，多酚氧化酶酶原被激活，酚类物质经酶的催化作用氧化为醌类化合物，醌类物质聚合，形成黑色素导致褐变，进而引起L*、a*、b*值下降[11-13]。值得注意的是胡萝卜的颜色变化趋势与其余两种蔬菜相反，绝大多数预制工艺下其L*、a*、b*值有所上升。胡萝卜在经过热处理后，颜色发黄发红发亮可能与烹饪破坏细胞壁、细胞膜和蛋白质-类胡萝卜素复合物的稳定性有关[14-15]，Gartner[16]等研究发现水煮处理有利于胡萝卜中的类胡萝卜素游离，从而影响其色泽变化。对DigiEye 色牢度评级仪的数据进行分析（如表1 所示），在胡萝卜颜色测定中两仪器测的结果一致性较高，但在藕、马铃薯颜色的测定中两仪器反映的结果存在差异。这种现象可能与藕中含有酚类物质及过氧化物酶有关[7-8]，尽管将匀浆样品进行密闭处理，但在测量颜色过程中仍然会发生褐变，且处理时间较短的组藕中的过氧化物酶活性尚未丧失，褐变反应更明显，因此其L*、a*、b*值与其他组有明显的差异。

表1 全自动色差仪和DigiEye 色牢度评级仪评价不同预制工艺对蔬菜颜色的影响Table 1 Evaluation of the effect of different prefabrication processes on vegetable color by automatic color difference meter and DigiEye

如表1 所示，以预制时间为变量，分析色差仪所得L*、a*、b*值的变化结果表明藕随着处理时间变化L*、a*、b*值变化较复杂。这可能与莲藕的品种有关，试验用藕在自然状态下呈粉红色，在经热处理过程中色素逐渐发生变化。此外，陈亭等[17]研究烹饪与超高压处理对莲藕影响时发现的L*值的变化规律相同，a*值变化规律却不同，这与本研究发现相似。值得注意的是，油炒胡萝卜的L*、a*、b*值随预制时间的增加呈现先增加后降低的变化趋势，油炒处理1 min 时L*、a*、b*值均达到最大。油炒胡萝卜颜色变化规律可能与其中类胡萝卜素的脂溶性有关，油炒过程有利于类胡萝卜素的游离，从而形成可观的色泽。水煮和气蒸处理胡萝卜的L*、a*、b*值均随处理时间先增加后降低。L*、a*、b*值先上升的趋势与热处理破坏细胞壁、细胞膜和蛋白质-类胡萝卜素复合物的稳定性使胡萝卜素游离释放这一理论有关；L*、a*、b*值后下降的趋势与Ahmed[18]等研究芒果泥、Rattanathanalerk[19]等发现菠萝汁长时间热处理的颜色变化规律相同。Chen[20]等用加热过程中类胡萝卜素顺异构体的形成不仅降低了维生素A 的活性，而且降低了其颜色强度，解释了L*、a*、b*值下降的原因。对比马铃薯的数据分析发现，蒸煮处理的马铃薯L*，b*值随预制时间的增加而升高，而a*值下降；炒制处理马铃薯的L*、a*、b*值均随处理时间的增加而降低。即蒸煮时间越长马铃薯越亮，越黄，红色物质越少；炒制处理时间越长，马铃薯亮度越暗，红色、黄色物质越减少。吕振磊[21]等研究发现马铃薯颜色参数的变化与马铃薯中的淀粉含量和淀粉糊化有关，大分子态的淀粉分子在高温下形成单个分子，被水分子包围，形成具有一定弹性和强度的半透明凝胶，使蒸煮处理的马铃薯亮度增加。整体分析来看，油炒处理的样品多与蒸煮样品的变化规律不同，可能与传热介质的不同有关，有待进一步研究。此外，根据本试验研究结果，要想提升蔬菜的亮度，藕与胡萝卜应进行油炒处理而马铃薯应进行蒸煮处理，该研究结果可以作为实际烹饪过程中提升蔬菜视觉品质的理论依据。

2.2 ColorQuest XE全自动色差仪和DigiEye色牢度评级仪测定结果的相关性分析

2.2.1 ColorQuest XE 全自动色差仪和DigiEye 色牢度评级仪对藕颜色测定的相关性分析

通过线性回归分析表1 中颜色参数值之间的相关性，结果如图1 所示。

图1 藕在不同烹饪条件下两种颜色表征方法的颜色指数相关性分析Fig.1 The correlation analysis of color index between two color characterization methods to measure lotus root under different cooking conditions

由图1 可以看出，全自动色差仪和DigiEye 色牢度评级仪测得蒸藕的L*、a*、b*值相关系数是3 种烹饪方式中最高的，相关系数分别是L*（R2=0.869）、a*（R2=0.732）和 b*（R2=0.927）。b*值的相关系数较 L*值和a*值的相关系数高且不同烹饪方式中b*的相关系数都较高，即藕的b*值在两种颜色测量方法中一致性较高。Gonzalez 等[22]在不同的葡萄酒中发现，全自动色差仪和DigiEye 色牢度评级仪评价颜色参数时具有的良好的相关性，且高相关系数表明，在一定置信区间内，两种不同颜色测量仪器所得到的参数可以进行换算。但是，从本研究发现用DigiEye 色牢度评级仪评价藕的颜色时，b*值是评价颜色的最佳指数，而L*值和a*值有一定的局限性。这是因为藕含有丰富的多酚类物质及多酚氧化酶，容易发生褐变，且经过热处理后淀粉易发生糊化，导致藕的L*值发生变化。在加热的条件下藕中的单宁物质经过空气的氧化，使藕变成红色。且在水煮试验中发现，煮藕的水变红，这也是水中的氧与单宁类物质发生反应的结果，这导致藕的a*值发生变化。因此，影响L*、a*的因素较复杂，不适宜DigiEye 色牢度评级仪评价藕的颜色。

2.2.2 ColorQuest XE 全自动色差仪和DigiEye 色牢度评级仪对马铃薯颜色测定的相关性分析

ColorQuest XE 全自动色差仪和DigiEye 色牢度评级仪对马铃薯颜色测定的相关性分析如图2 所示。

图2 马铃薯在不同烹饪条件下两种颜色表征方法的颜色指数相关性分析Fig.2 The correlation analysis of color index between two color characterization methods to measure potatoes under different cooking conditions

由图2 可知，马铃薯在经过不同预制处理后得到的颜色参数相关性十分显著，较藕、胡萝卜颜色参数的相关系数高。在水煮、气蒸处理的线性拟合图中可以明显地观察到散点集中3 个区域，且相关系数越高散点越集中。分析比较发现每个区域都对应烹饪处理的一个时间梯度，即同一处理时间样品的测量结果的方差较小，因此蒸煮处理的马铃薯颜色随处理时间的变化趋势十分明显。值得注意的是气蒸和水煮烹饪方式下a*的相关系数都较高，即马铃薯的a*值在两种颜色测量方式中一致性较高，可以作为评价DigiEye色牢度评级仪马铃薯颜色的指标。Patras 等[13]和刘程慧等[23]研究发现通常以L*亮度值的大小来表示马铃薯的褐变度，但是由于多酚氧化酶的存在和淀粉的糊化作用导致烹饪过程中马铃薯由原来发黄逐渐变得发白发亮，L*、b*值也发生很大的变化，因此L*和b*值不是DigiEye 色牢度评级仪研究马铃薯颜色的最佳指标。

2.2.3 ColorQuest XE 全自动色差仪和DigiEye 色牢度评级仪对胡萝卜颜色测定的相关性分析

ColorQuest XE 全自动色差仪和DigiEye 色牢度评级仪对胡萝卜颜色测定的相关性分析结果如图3所示。

图3 胡萝卜在不同烹饪条件下两种颜色表征方法的颜色指数相关性分析Fig.3 The correlation analysis of color index between two color characterization methods to measure carrots under different cooking conditions

由图3 中的数据分析可得，用DigiEye 色牢度评级仪和色差仪测得不同预制方式的胡萝卜样品颜色参数的相关性差异很大。对比不同预制方式对应的相关系数，可以发现油炒处理组对应的相关系数最大。这与藕、马铃薯呈现出的规律不相同，藕和马铃薯往往在气蒸条件下色差仪和DigiEye 色牢度评级仪所测的结果显著相关。除此之外，两种测定方式下胡萝卜a*值的相关系数较高。詹军等[24]发现的烟叶颜色参数a*值的变化与类胡萝卜素的组分变化有关。李福枝、Sára Brandt 等[25-26]在研究天然胡萝卜素时发现，类胡萝卜素的显色能力强，番茄红素是类胡萝卜素的一种。因此胡萝卜的颜色可能与番茄红素含量有关。此外，为找到DigiEye 色牢度评级仪和色差仪测量胡萝卜颜色的最佳参数，对各处理方式样品的L*、b*值进行相关性分析，发现L*、b*值的相关系数并没有a*值的相关系数高，因此L*、b*值不能作为评定胡萝卜相关性颜色变化的指标，相比较而言，a*值适用于在DigiEye色牢度评级仪上表征胡萝卜颜色。

3 结论

本研究表明，运用DigiEye 色牢度评级仪和色差仪在表征不同烹饪条件下不同处理时间的样品颜色时所得的结果变化规律相同，经过蒸煮炒3 种热处理的马铃薯、藕，其L*、a*、b*值有所下降；胡萝卜则与之相反。此外，根据预制工艺研究发现，藕与胡萝卜应进行油炒处理而马铃薯应进行蒸煮处理，可以提升蔬菜视觉品质。对比DigiEye 色牢度评级仪和色差仪的数据发现2 种测量方式所得的L*、a*、b*值显著相关，但不同蔬菜、不同颜色系数的相关程度不同，其中马铃薯的3 个颜色系数较高。用DigiEye 色牢度评级仪分析颜色时，藕、马铃薯和胡萝卜适用参数分别为b*，a*，a*，这一结论为DigiEye 色牢度评级仪在食品中的应用提供了理论基础，丰富了蔬菜颜色研究的方法。