不同组别初烤烟叶表面颜色参数及反射光谱特征分析

田阳阳，杨亚丽，温 健，冯佳薇，陈 超，傅 皓，宋 成，伍显禄

[1. 红塔烟草（集团）有限责任公司，云南 玉溪 653100；2. 玉溪师范学院化学生物与环境学院，云南 玉溪 653100]

烤烟分组是依据烟叶着生部位、颜色以及其他总体质量相关的某些特征，将同一类型的烟叶进一步划分[1]，烟叶颜色是烤烟分级国标中除部位外的第2 分组因素，由光泽强度、颜色饱和度和均匀程度共同呈现[2]。烤烟表面颜色会因为生态区域[3]、栽培措施[4]、调制技术[5]和品种[6]的影响而产生不同程度的差异，同一区域的烟叶由于部位、成熟度、品种等因素的影响，烟叶表面颜色也存在一定的差异性[7-9]。近年来，基于分光光谱仪测定颜色空间分布参数的研究已在多领域得到广泛应用[10-11]，L*、a*、b*和C*的颜色空间分布参数（CIE 1976）与人体视觉对颜色的感觉相一致[12]，利用此参数体系来表征颜色指标具有一定的指导意义。基于颜色参数与烟叶物理特性研究主要化学成分和感官质量相关关系的报道较多[13-15]，但关于初烤烟叶8 个主组的烟叶表面颜色参数和光谱特征的分析鲜有报道。随着现代仪器科学和感官评价学科的发展，有研究者运用计算机图像处理技术和色度学相关理论提取烟叶表面颜色信息，建立烤烟计算机视觉自动分级系统[16-17]，虽然在实际应用中自动化分级与42级国标之间存在一定程度的不对等情况，但实现自动化分组对工业特需品种采购和均质化加工仍具有重要意义[18]。研究以玉溪烟区K326 品种的8 个主组烟叶为材料，借助分光光谱仪分析组别间的烟叶表面颜色空间分布参数和光谱特征之间的差异，为烤烟收购和工业均质化加工时组别区分提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

2019 年收集玉溪市9 个县（市、区）当年生产的K326 初烤烟叶，样品包含上、中、下3 个部位的烟叶，分为柠檬、橘黄、红棕3 个基本色。样品收集后，由红塔集团抽调评级专家，按照GB 2635—92 制作上部橘黄（BF）、上部柠檬黄（BL）、上部红棕（BR）、中部橘黄（CF）、中部柠檬黄（CL）、下部橘黄（XF）、下部柠檬黄（XL）和完熟叶组（HF）8 个主组烟叶样品，每个组别样品30 片，共计240 片样品。

1.2 检测方法

烟叶表面颜色空间分布参数以及表面反射光谱的测定采用Ci7800 型分光光谱仪（美国爱色丽公司）进行，测量孔直径25.4 mm。在烤烟叶片距离叶尖1/3处、1/2 处和距离叶基部1/3 处的主脉与叶缘中间部位各选取2个对称的点（尽量避开叶脉和残伤）进行测定。

1.3 数据统计分析

从光谱检索清单数据视图中提取出各检测样品的光谱数据（360～750 nm），计算紫色（400～450 nm）、蓝色（450～490 nm）、绿色（490～560 nm）、黄色（560～590 nm）、橙色（590～630 nm）和红色（630～700 nm）6个标准颜色波段的反射率，得到各个组别烟叶的反射光谱曲线，并计算反射光谱一阶导数，绘制反射光谱一阶导数曲线，具体做法为：相邻2 个光谱之差除以光谱间隔值10 nm，即为第一点的一阶导数值。采用Microsoft Excel 2013 进行前期数据处理，采用SPSS 25.0 进行多重比较分析和相关性分析。

2 结果与分析

2.1 不同组别烤烟表面颜色参数特征

由表1 可知，不同部位间，明度（L*）排序为：下部＞中部＞上部，橘黄色组中部叶与下部叶间差异显著，柠檬色组各部烟叶差异均不显著；红度（a*）排序为：上部＞中部＞下部，橘黄色组上部叶与下部叶间差异显著，柠檬色组上部叶、中部叶均与下部叶差异显著；黄度（b*）参数特征表明上部叶小于中、下部叶，中下部烟叶差异不显著；饱和度（C*）排序为：中部＞上部＞下部。相同部位间，柠檬色组的L*大于橘黄色组，上部叶红棕色组的L*小于橘黄色组；橘黄色组的a*大于柠檬色组，上部叶红棕色组的a*明度大于橘黄色组；柠檬色组的b*整体大于橘黄色组，但差异不显著，上部叶红棕色组的b*小于柠檬色组和橘黄色组；橘黄色组的C*整体大于柠檬色组，但差异不显著，上部叶红棕色组的C*显著小于橘黄色组和柠檬色组。HF 和BR 两组烟叶表面颜色参数与各部位橘黄色组烟叶和柠檬色组烟叶差异较大，二者相比，HF 的L*和b*显著大于BR；C*大于BR，a*小于BR，但差异均不显著。

表1 不同组别初烤烤烟表面颜色参数

2.2 不同组别烤烟表面颜色特征参数变异系数分析

由图1 可知，各部位橘黄色组烟叶和柠檬色组烟叶L*的变异系数整体较小，其中BR 和HF 组烟叶的变异系数较大；各部位柠檬色组烟叶a*的变异系数均大于相应部位橘黄色组烟叶的，且XL 组的变异系数大于CL和BL组；各组别烟叶b*的变异系数整体较小，其中BR 和HF 组的变异系数较大；除CL 组C*的变异系数小于CF 组外，上部和下部柠檬色组烟叶C*的变异系数均大于橘黄色组烟叶。

2.3 不同组别烤烟表面颜色特征参数相关性分析

由表2 可知，除BF、CF 组外，其他组别烤烟叶的L*与a*呈显著或极显著负相关，其中BR 组呈正相关，但相关性不显著；BF、CF、HF 和BR 这4 个组的L*与b*、L*与C*呈极显著正相关，BL、CL 和XF 这3 个组的L*与b*、L*与C*相关关系较弱，XL组的L*与C*呈显著负相关关系；除HF 组的a*与C*呈负相关关系外，其他组别的a*与C*呈显著或极显著正相关关系；各组别烟叶的b*与C*均呈极显著正相关关系。

2.4 不同组别烤烟表面颜色参数聚类分析

将8 个组别样品表面颜色参数进行标准化转换后，采用欧氏距离、离差平方和法进行系统聚类分析，聚类结果如图2 所示。在欧式距离为5 时，可将8 个组别分为3 类，各部位柠檬色组烟叶和XF 为一类，特点为明度和黄度高、红度和饱和度低；CF 和BF 聚为一类，特点为明度、红度、黄度居中，饱和度高；BR 和HF 聚为一类，特点为明度、黄度和饱和度低，红度高。

表2 不同组别烤烟表面烟叶参数相关性分析

2.5 不同组别烤烟表面颜色的光谱分析

如图3 所示，不同组别烟叶表面颜色平均反射光谱呈现出相似的曲线形态，在360～750 nm 的可见光波长范围内，随着波长的增加，反射率整体增大，没有明显的高峰和低锋。8 个组别烟叶表面颜色平均反射光谱呈现出一定的规律排布，除了BL 和XF、CL和XL 反射光谱曲线有部分重合外，其他组别烟叶表面光谱曲线自呈一簇，且表现出一定的次序。以光谱曲线和X 轴围成的面积来计，BR 和HF 最小，BF 和CF 居中，各部位柠檬色烟叶和XF 烟叶较大。

2.6 不同组别烤烟表面颜色反射光谱数据的聚类分析

将8 个组别样品表面颜色反射光谱数据进行标准化转换后，采用欧氏距离、离差平方和法进行系统聚类分析，聚类结果如图4 所示。在欧式距离为5 时，可将8 个组别分为3 类，各部位柠檬色烟叶和XF 为一类，BF 和CF 聚为一类，BR 和HF 聚为一类，这与表面颜色参数的聚类结果相一致。

图2 不同组别烟叶表面颜色参数聚类分析

图3 不同组别烟叶表面颜色的平均反射光谱

图4 不同组别烟叶表面颜色反射光谱聚类分析

2.7 不同组别烤烟表面颜色在不同颜色波段反射率分析

由表3 可知，不同组别烤后烟叶表面颜色光谱在可见光范围内的6 波段中的分布比例呈现出相似的规律，均为红色波段比例最高，随后依次是橙色波段、绿色波段、黄色波段、蓝色波段，紫色波段比例最低。不同组别烤后烟叶表面颜色在橙色、黄色、紫色和蓝色波段反射率波动较小，绿色和红色波段波动较大，表明不同组别烟叶表面颜色的反射率差异主要集中在红色和绿色波段。

表3 不同组别烤后烟叶表面颜色光谱分波段反射比例 （%）

2.8 不同组别烤烟表面颜色的平均反射光谱一阶导数谱图

为了进一步分析不同组别烤后烟叶表面颜色反射光谱的差异，将各组别可见光范围内（360～750 nm）表面颜色反射光谱数据以10 nm为单位计算一阶导数，绘制不同组别烤后烟叶表面颜色平均反射光谱一阶导数谱图（图5）。由图5 可见，各组别烤后烟叶表面颜色反射光谱一阶导数谱图有2 个高峰和1 个低峰，2个高峰分别在510 nm 处绿色波段和680 nm 处红色波段，1 个低峰在650 nm 处红色波段。这表明各组别烟叶光谱数据差异主要集中在绿色波段和红色波段，这与各组别烟叶表面颜色光谱分波段反射比例差异主要集中在绿色波段和红色波段相一致。各部位橘黄和柠檬色烟叶表面颜色反射光谱一阶导数谱图走势基本一致，BR 和HF 这2 个组在510～610 nm 波段内一阶导数谱图呈逐渐上升趋势，与各部位橘黄色组和柠檬色组烟叶一阶导数谱图呈快速下降趋势有所差异，结合各组别烟叶表面颜色光谱分波段反射比例数据可知，除绿色波段和红色波段外，BR 和HF 在黄色波段与其他6 个组别有差异，可以作为识别这2 个组别烟叶的依据。

图5 各组别烤后烟叶表面颜色反射光谱一阶导数谱图

3 结论与讨论

烟叶部位和颜色是烤烟分组的2 个重要指标，在该研究中，从下部叶到中部叶，再到上部叶，各组别烟叶表面颜色参数整体呈现出明度逐渐下降，红度逐渐升高，黄度逐渐下降，饱和度中部最高，上部次之，下部最低的趋势。这与王改丽等的研究基本一致[19]，但该研究中柠檬色各部位烟叶的明度差异不显著。从3 个基本色烟叶的颜色参数来看，随着颜色从柠檬色到红棕色，明度逐渐降低，红度逐渐增加，黄度逐渐下降，饱和度橘黄色最高，柠檬色次之，红棕色最低，与李悦等的研究基本一致[20]。

研究中颜色参数之间的相关性研究表明，除BR和CF 组相关性不显著外，各组别明度（L*）与红度（a*）呈显著或极显著负相关；中、上部橘黄色组别和上部红棕组烟叶明度（L*）与黄度（a*）、饱和度（C*）呈极显著正相关，各部位柠檬色组别及下部橘黄组明度（L*）与黄度（b*）、饱和度（C*）的相关关系较弱；各组别红度（a*）与黄度（b*）、饱和度（C*）呈正相关关系，但完熟组烟叶呈负相关；各组别黄度（b*）与饱和度（C*）呈极显著正相关关系。研究中有部分结论与王改丽等[21]对清香型烟叶表面颜色特征参数的相关性分析一致，但笔者研究结果表明了颜色参数的相关性，烟叶部位和基本色之间存在差异。

对不同组别表面颜色参数和反射光谱数据的聚类分析表明，二者聚类结果完全一致，玉溪烟区8 个主组烟叶根据表面颜色参数和反射光谱可分为3 类：各部位柠檬色组和下部橘黄色组为一类，中部橘黄色组和上部橘黄色组为一类，上部红棕色组和完熟叶组为一类；其中，下部橘黄色组与各部位柠檬色组别烟叶聚为一类，说明下部橘黄烟叶表面颜色特征与各部位柠檬色烟叶颜色特征区分难度较大。

物体表面颜色反射光谱基本不受照明条件和观察条件以及采集设备的制约，是颜色最准确最全面的描述方式[22]。研究结果表明，在可见光波长范围内（360～750 nm），随着波长的增加，反射率逐渐增大，不同组别烟叶表面反射光谱数据差异主要表现在绿色（490～560 nm）和红色波段（630～700 nm），其他颜色波段差异不大，完熟叶组和上部红棕组在黄色波段（560～590 nm）的比例要显著低于其他组别，这与各组别反射光谱一阶导数谱图上表现出的特征一致。因此，完熟叶组和上部红棕组在黄色波段的反射光谱比例和一阶导数谱图特征可作为其鉴别依据。