烟叶颜色指标值与烟叶褐变程度及其内在化学成分相关分析

曾涛 宗钊辉 胡亚杰 韦建玉 王维 赵伟才 王行 王军

摘要 应用ward法聚类分析和Fisher判别分析探究烟叶的颜色指标值与醇化过程中烟叶褐变程度以及烟叶颜色指标值与其内在化学成分的关系。结果表明，以ward法聚类分析在14.08处将所有烟叶样品分为3个类别，逐步判别得对分类结果有显著影响的明度（L值）、黄蓝色（b值）、黄度（Y值），建立2个Fisher判别函数，Fisher判别法的结果与感官评价的结果符合率达96.7%;通过相关分析与线性回归分析烟叶的颜色指标值与化学成分存在极显著相关关系，醇化过程中L、Y与类胡萝卜素、总酚、游离氨基酸、还原糖含量存在线性相关关系，L、a、b值与全氮含量存在线性相关关系;总糖含量与Y值、淀粉含量与b值存在线性关系。证实了烟叶醇化过程中通过烟叶颜色指标值判定烟叶褐变程度与化学成分变化的可能性。

关键词 烟叶醇化;颜色指标值;褐变程度;化学成分;聚类分析;判别分析

中图分类号 TS41+1  文献标识码 A  文章编号 0517-6611（2022）05-0170-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2022.05.043

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Correlative Analysis of Index Value of Tobacco Leaf Color and Browning Degree and Its Internal Chemical Components

ZENG Tao1，2， ZONG Zhao-hui1，2， HU Ya-jie3 et al

（1.Technology Center of Tobacco Production of Guangdong， Nanxiong， Guangdong 512400;2.Nanxiong Tobacco Science Institute of Guangdong， Nanxiong， Guangdong 512400;3. Guangxi Tobacco Industry Co.， Ltd.， Nanning，Guangxi 530000）

Abstract The color index of tobacco leaves and the browning degree of tobacco leaves and the relationship between leaf color index and its intrinsic chemical composition were explored by ward clustering analysis and Fisher discriminant analysis. The results showed that all the tobacco samples were divided into three categories at 14.08， and the scores of L， b and Y， which had significant influence on the classification result were determined. Two Fisher discriminant functions were established by Fisher discriminant method.The results showed that the Fisher’s discriminant results and sensory evaluation of the results of the coincidence rate reached 96.7%. Through correlation analysis and linear regression analysis， there was extremely significant correlation between the color index values and chemical components of tobacco leaves.In the mellowing process， there was a linear correlation between L， Y and carotenoids， total phenols， free amino acids and reducing sugars;there was a linear correlation between L， a and b values and total nitrogen content. There was a linear relationship between total sugar content and Y value， starch content and b value. It was confirmed that the possibility that degree of browning and the change of chemical composition were determined by the leaf color index.

Key words Tobacco aging;Color index value;Browning degree;Chemical component;Cluster analysis;Discriminant analysis

基金項目 广西科技计划项目（桂科AB18229001）;广西中烟工业有限责任公司科技项目（201645000034020）。

作者简介 曾涛（1980—），男，河南信阳人，硕士，从事烟草种植与调制研究。*通信作者，高级农艺师，博士，从事植物营养研究。

收稿日期 2021-04-13

醇化是烟叶在配方使用前进行的工业调制，醇化过程中部分大分子化合物水解成烟叶中重要的香气物质，同时烟叶中的色素与部分木质素发生降解，杂气与刺激性减少。但醇化过程中，烟叶的羰基化合物（还原糖类）和氨基化合物发生美拉德反应，残留的酚类物质被空气中的氧气氧化，这2种反应产生的褐色物质在烟叶表面积累，导致烟叶发生褐变[1]，褐变会影响烟叶的色泽以及内在品质，进一步影响卷烟制品的质量，严重褐变烟叶甚至不能够使用，对卷烟工业企业造成重大的损失。由于醇化过程中贮存环境与烟叶产区、品种、等级等差异，同一批次烟叶醇化过程中褐变程度不同[2-5]，因此有效准确地评估烟叶褐变情况，指导卷烟生产中合理使用烟叶，能够有效减少卷烟生产中的损失，保障卷烟工业的可持续发展。色差计与WSL-2比较测色仪是常见的颜色测量仪器，具有测量速度快、精度高的优点，目前已经广泛应用于肉类、面粉、水果及茶叶等领域颜色的检测[6-9]。

前人主要针对烟叶褐变机制与褐变相关物质含量变化展开研究，有关烟叶褐变程度的判定以及醇化过程中烟叶颜色指标值与内在化学成分关系鲜有报道。该试验从烟叶褐变程度与烟叶表面颜色指标值变化展开研究，对烟叶颜色指标值与烟叶褐变程度以及内在成分关系进行分析，结合聚类分析和Fisher判别分析对其进行判别分类，成功区分30种醇化烟叶的褐变程度，分析烟叶颜色指标值与其内在化学成分的关系。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验材料30个样品均来自广西中烟原料醇化仓库。具体如表1所示。

1.2 测定方法

1.2.1 色差测量。

在处理的烤烟叶片上取3个代表性的点，使CR-10色差仪进行色差测量（3次重复）。

1.2.2 色度测量。

将样品分别进行105 ℃烘干1 h至恒重，粉碎，过20目筛，准确称取10 g，加200 mL蒸馏水，室温超声30 min，过滤，取滤液利用WSL-2比较测色仪比色测量（3次重复）。

1.2.3 化学成分测量。

按马一琼等[10]的方法进行总糖、还原糖、总氮、烟碱、蛋白质等烟叶常规化学成分分析。采用福林试剂法测定总酚，采用茚三酮比色法测定游离氨基酸。

1.3 数据处理与分析

数据分析采用SPSS 20.0和Excel 2010等软件。

2 结果与分析

2.1 聚类分析

对数据采用ward法进行聚类分析，度量标准为平方欧氏距离，采用Z-Score法标准化比较值。从聚类分析树状图（图1）可以看出，在聚类距离约为14.08处聚类分析将30个样品聚类为3个类群，第一类样品包括1～6号6个样品，第二类样品包括7～16号、18～24号17个样品，第三类包括17号、25～30号7个样品;聚类分析结果与感官评定等级的比较结果显示，聚类分析7号、8号样品为重度褐变，分类级别与感官评价褐变程度高，24号样品为轻度褐变，17号样品为轻度褐变，分类级别与感官评价相比褐变程度低。用ward法聚类分析的结果与感官评价的结果略有差异，准确率为86.67%，造成差异的原因可能是感官评价除了烟叶颜色指标外，还有评吸质量、烟叶身份、油分等烟叶外观质量指标，而该研究的分析方式仅涉及烟叶颜色指标值。

2.2 判别分析

采用Wilks’ lambda 逐步判别法，当加入或剔除一个变量后，对在判别函数中的变量进行方差分析，当F>3.74时保留，F≤3.74时剔除。从表2可以看出，通过Wilks’ lambda 逐步判别法筛选出3个对烟叶褐变程度分类影响较大的颜色指标值L（明度）、Y（黄度）、b（黄蓝色）作为建立判别函数的变量。Wilks’lambda 表示组内离差交叉乘积矩阵行列式与总离差交叉矩阵行列式的比值，其值越小表示判别能力强，经判别函数有效性检验发现，Wilks’ lambda值均小于1，判别函数的判别能力显著。将30个样品的相关颜色指标值带入判别函数，得到的二维数据作为样品在二维空间的距离，计算与各类样品重心坐标的距离作为分类的依据，样品距离各类样品重心坐标距离最小归属一类，对样品的褐变程度进行验证，结果如表3，除8号外其余29个烟叶样品均正确区分，正确率达96.67%，说明颜色指标值L、Y、b的选择对于判别醇化烟叶褐变程度是有效的，方法是可行的。

2.3 不同褐變程度烟叶颜色指标值与化学成分相关性分析

从表4可以看出，不同褐变程度烟叶的颜色指标值与烟叶内在成分存在相关关系，颜色指标值L值和b值与烟叶的总糖、还原糖、类胡萝卜素、总酚、游离氨基酸呈极显著正相关，与钾含量呈显著正相关，与淀粉含量呈极显著负相关;Y值与烟叶的总糖、还原糖、类胡萝卜素、总酚、游离氨基酸呈极显著负相关，与淀粉含量呈极显著正相关;a值和R值与烟叶内在成分相关性不显著。说明烟叶在醇化过程中随着烟叶颜色指标值L值与b值的减小，总糖、还原糖、类胡萝卜素、总酚、游离氨基酸、钾含量逐渐降低，淀粉含量增加，颜色指标值Y值趋势相反。从表4还可以看出在醇化过程中通过测量烟叶颜色指标值监控烟叶化学成分的动态变化过程是可行的。

2.4 不同褐变程度烟叶颜色指标值与化学成分线性逐步回归分析

采用SPSS 20.0软件对烟叶颜色指标值（L、a、b、Y、R）与烟叶内在成分进行线性逐步回归分析，得到烟叶各化学成分与烟叶颜色指标值的回归模型（表5）。从回归模型可以看出，除了烟碱与全钾外，其他化学成分均与颜色指标值存在显著的线性关系，烟叶颜色指标值L、Y与类胡萝卜素、总酚、游离氨基酸、还原糖含量存在线性关系;颜色指标值L、a、b与全氮含量存在线性关系;总糖含量与Y值、淀粉含量与b值存在线性关系，R值与烟叶化学成分不存在线性关系。从表6可以看出，在类胡萝卜素、总酚、游离氨基酸的线性回归模型中，颜色指标值L的作用大于Y值，而在还原糖的线性回归模型中颜色指标值Y的作用大于L值，全氮的线性回归模型中颜色指标值作用大小依次为L>b>a。

3 结论与讨论

烟叶醇化过程中，该研究利用色差仪与色度计结合聚类分析与Fisher判别分析对醇化烟叶进行分析。对30份样品不同产区与褐变程度的烟叶颜色指标值（L、a、b、Y、R）进行测量，通过ward法聚类分析在14.08处把样品分为3类，获得的结果与感官评比结果不一致，可能是由于该研究仅涉及烟叶表面的颜色指标值，而对烟叶的评吸质量以及身份、油分等外观评价指標未做评价所致;在通过逐步判别法从5个颜色指标值中筛选出L、Y、b对褐变程度等级有显著影响的成分，建立了2个Fisher判别函数，判别结果与感官评审相比，符合度达96.67%，表明利用烟叶表面颜色指标值可以实现对醇化烟叶褐变程度的判定。

前人研究表明，在烟叶醇化过程中发生的酶促褐变与非酶促褐变会导致烟叶发生褐变以及烟叶内在化学成分的变化[1，11-12]。在烤烟颜色的量化方面，丁根胜等[13-16]研究表明烟叶颜色与烟叶化学成分和感官评吸存在显著的相关关系。该研究在对烟叶颜色指标值与褐变程度的分析中，确定了颜色指标值与烟叶褐变程度存在相关关系，进一步分析烟叶颜色指标值与不同褐变程度烟叶内在化学成分关系，发现两者存在相关关系，试验结果表明，烟叶在醇化过程中随着烟叶颜色指标值L与b值的减小，总糖、还原糖、类胡萝卜素、总酚、游离氨基酸、钾含量逐渐降低，淀粉含量增加;颜色指标值Y值趋势相反;a值和R值与化学成分不存在显著关系。该研究烟叶颜色的明度、红度、黄度与化学成分关系的研究结果与梁洪波等[15-17]的研究结果不一致，可能是由于该研究的对象是醇化过程中不同褐变程度的烟叶，前人研究对象为未经醇化的烤后烟叶，与任夏[18]的研究结果一致。

该试验结果表明，在烟叶醇化过程中，以色度学理论为基础，对烟叶颜色指标值进行量化测定，可以通过颜色指标值对烟叶褐变程度的判定，为烟叶醇化过程褐变程度的评价提供了一种新方法，在进一步研究中得出化学成分与颜色的线性回归模型，通过颜色指标值变化监控烟叶醇化过程中的动态变化，为烟叶质量的评价提供了重要参考依据，对充分合理选用原料、凸显产品风格具有重要意义。

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