色度学在烤烟生产上的研究进展及展望

2023-10-15王德权张玉琴张本强杜传印李青山

安徽农学通报 2023年16期

王德权张玉琴王刚张本强杜传印李青山

（1山东潍坊烟草有限公司，山东潍坊 261205；2山东省威海市农业科学院，山东威海 264200；3山东中烟工业有限责任公司，山东济南 250100；4安庆师范大学资源环境学院，安徽安庆 246133）

田间栽培、成熟采收、烘烤技术对于烟草品质的贡献各占1/3[1]，而颜色是判断烟叶田间成熟度和烘烤操作的重要依据[2-3]，也是重要的分组因素和分级因素“色度”的重要组成部分，因此颜色的准确鉴定直接关系到烟叶的最终品质。目前，生产上对于烟叶颜色的判断评价基本上是基于人的肉眼进行的，而人的肉眼识别颜色的能力是有限的，加之受环境因素的影响，识别效果存在较大的主观性。研究证明，色差计能够实现农产品颜色的快速检测[4-6]，许多烟草工作者把色差计应用在烟叶颜色方面的研究上。烤烟鲜烟叶或者烘烤过程中烟叶以及烤后烟叶的颜色是指同一种烟叶的相关色彩、色泽饱和度和色值的状态[7]。本文主要对色差计在判断鲜烟叶成熟度、检测烟叶化学成分、优化烘烤操作和分级等方面的研究进展进行综述，为色差计进一步应用于烟草生产研究提供参考。

1 色差计的应用

1.1 色度测定

色差计是一种颜色偏差精准的测试仪器，利用仪器内部的标准光源照明被测物体，测定其CIE 三刺激值（X、Y、Z），然后转换成度量颜色的数值，能够准确测定物体表面颜色，可用于精确测量多种形态样品，如平面、小颗粒、粉末、糊状、溶液等。

L值（亮度值）：0 为黑色，100 为白色，0～100 之间为灰色，表示由黑到白的变化。a值（红度值）：正值为红色，负值为绿色，表示由绿到红的变化。b值（黄度值）：正值为黄色，负值为蓝色，表示由蓝到黄的变化。色相角和饱和度由L、a和b通过相应公式求得，色相角［H=arctan（b/a）］、饱和度［（C=（a2+b2）1/2］、色差值［（△E=［（△L2+△a2+△b2）］1/2］。

1.2 色度学在作物生产研究上的应用

当前，色差计已广泛地应用于果蔬等农作物生产研究中，在果蔬成熟度的定量判定、农产品化学物质的监测和农作物育种工作中发挥了重要的作用。

Delwiche 等[8]认为a值能够作为判断桃成熟度的一项指标。Kader 等[9]在Delwiche 的基础上，通过相关试验也认为果皮或果肉的a值能够作为一项判断水果成熟度的参考指标。Robertson 等[10]认为arctan（b/a）的值作为评价核桃成熟度的参考指标更加可靠，因为在不同的条件下a值容易变化。王利群等[11]通过研究辣椒不同时期颜色参数的变化，结合感官检验和薄层分析，认为色度角［（H=tan-1（b/a）］、色泽比（h=a/b）可以较好地反映辣椒色泽在发育过程中的变化情况。此外，颜色参数也能较好地反映出一些内在品质。刘仲齐等[12]研究发现，在番茄果实自由水适中的基因型中，颜色参数与番茄红素含量的相关关系达到显著水平，（a3/b3+a3/L3）与番茄红素的相关系数最大。通过分析颜色参数与红酒感官质量的关系，发现颜色参数（L、a）与红酒中的花青素含量、丹宁物质存在一定的线性关系[13]。此外，色差计还被应用于植物育种工作中。刘振兴等[14]针对不同小豆品种资源的叶片色泽与农艺性状进行相关分析，结果表明，小豆的目标育种可以利用色差计选择特定的品种材料。根据多份自交系苦瓜叶片SPAD值、色度角和果实色度角之间的差异及相关关系均到达显著或极显著水平，程蛟文等[15]认为苦瓜的果色选种可以以叶片颜色为参考。

2 色差计在烟叶生产研究上的应用

目前，越来越多的学者把色差计应用到了烟叶生产研究上，主要从判断鲜烟叶成熟度、实时监测烟叶化学成分和优化烘烤操作、烤后烟叶的品质评价和分级等方面展开研究。

2.1 辅助判断烟叶成熟度

烟叶成熟度是影响烟叶质量的首要因素，也是保证和提高烤后烟叶外观质量和品质的前提[16-18]。鲜烟叶成熟度的准确判断和适熟采收是烟叶生产过程中的重要环节。烟叶生长发育和成熟过程中颜色的变化，实质上是叶片组织内总叶绿体色素以及类胡萝卜素占总叶绿体色素含量比例变化的外观反映[19]。另有研究发现，鲜烟叶正背面颜色参数随成熟度提高的变化趋势基本一致，鲜烟叶片正背面颜色值与色素含量的关系密切，两者之间呈显著或极显著性相关关系，烟叶背面颜色参数与化学成分的关系达到显著水平，颜色参数可以作为辅助指标来判断烟叶成熟度[20-22]。武圣江等[23-25]利用色差计设计了一种烤烟采收成熟度的快速无损检测方法和一种有机烤烟烟叶成熟度的快速无损检测方法，给出量化烟叶成熟度的指标范围。霍开玲等[26]、张丽英等[27]从烘烤角度研究了烘烤过程中不同成熟度烟叶颜色参数的变化规律，发现颜色参数和色素含量呈显著相关，烟叶成熟度的判断可用色差计辅助进行。另外，王浩雅等[28]基于颜色指标（L、a、b）通过三维空间绘制的三维图、山峰图和等值线图，使烟叶某一特性的状况可以较好地由颜色指标来表征，避免了多个指标对烟叶颜色评价的局限。

2.2 优化烘烤工艺

在烟叶烘烤过程中，随着叶绿素等色素类物质的不断降解及其他化学物质的降解和生成，烟叶的外观颜色也随之发生明显变化，烟叶逐渐显现黄色[29]。因此，明确烟叶色素和主要化学成分含量与颜色变化的关系，建立烤烟烘烤过程中烟叶颜色参数与色素、含水量和化学成分的关系模型，监测烟叶烘烤过程中物质变化和水分散失，可以为优化密集烘烤工艺、操作更客观化和提高烟叶质量提供参考。烘烤过程中，烟叶各颜色参数与淀粉、叶绿素、类胡萝卜素、蛋白质的相关关系达到了显著或极显著水平，而与含水量、类叶比的相关关系略差，基于烟叶烘烤过程中颜色参数建立的预测主要化学成分的模型精度较高，烘烤过程中颜色参数可预测烟叶内主要化学成分含量的变化[30-31]，也可预测烟叶形态的变化[32]。烘烤过程中叶片正背面颜色参数的变化趋势基本一致，烘烤过程中的烟叶主脉和叶片的颜色参数与主要化学成分含量的相关关系存在差异。相关研究表明，主脉的各颜色参数与主要化学成分均不显著或极显著相关，叶片颜色参数（除b、C外）与各主要化学成分含量均显著或极显著相关，叶片b值和C值则与少数化学成分存在显著相关关系[33]。上、中、下3个部位的烟叶各颜色值在烘烤过程中变化趋势基本一致，不同部位烟叶颜色值与主要化学成分相关性差异较大[34]。不同成熟度烟叶在烘烤过程中变化不同、颜色值差异极显著，颜色参数（L、a、H）与淀粉、总氮和总酚相关，其中有的达到了显著正相关或负相关[35]。为了提高不同品质烟叶的精准烘烤，李生栋等[36]以品种K326 为试验材料，发现烟叶在烘烤过程中其外观颜色参数与内在色素含量具有密切相关性，可依据外观颜色参数估计烟叶内部色素含量。贺帆等[37]以中烟100和秦烟96为试验材料，分析烘烤过程中烟叶质地和颜色及相关生理指标的变化规律，得出秦烟96烟叶烘烤时应以中湿变黄、中湿定色，中烟100烘烤过程中应适当提高湿球温度和增加变黄期、定色期时间的结论。

2.3 优化烤后烟叶分级和品质评价工艺

颜色是评价烤后烟叶外观质量的一个重要因素。在烤烟分级标准中，颜色是第二分组因素；色度与颜色紧密相关，是一个重要的分级因素[38]。长期以来，判定烟叶颜色的标准主要是根据国家分级标准的定性描述，依据行业标准和标准样本通过人的感官和经验进行定性判断；不仅主观性较强，而且环境、光线、检测人员等多种因素往往会影响判定结果。实现烟叶颜色判定从定性转向定量，从主观化转向客观化对于烤烟分级具有重要意义。任夏等[39]研究发现，烤后烟叶颜色参数和色素含量显著相关，对不同颜色主组及不同等级之间色度的差异可定量表征，色差计可以量化烟叶颜色。彭新辉等[40]对同部位不同等级烤后烟叶色度和光泽与化学成分的差异以及相关关系进行分析，发现不同等级烟叶间色度和光泽差异显著，色度和光泽部分指标与化学成分相关关系达到显著或极显著水平。颜色一定程度上反映出烟叶的内在品质，烟叶各颜色参数与主要化学成分含量的相关性达到显著水平，总氮对烟叶L值的负向影响最大，烟碱对a值的影响最大，蛋白质对b和C值的负向影响最大，氮碱比和蛋白质对H°值的影响最大[41]。梁洪波等[42]也认为颜色值基本能反映出烟叶的内在品质，但发现不同产地、不同色组、不同部位和不同评吸类型的烟叶间颜色值差异显著。另外，烟叶颜色参数还可在一定程度上反映出感官质量，有研究表明，颜色参数与香气量、吃味、刺激性达到显著或极显著相关关系，认为烟叶表面的颜色参数值可以反映出这3 项评吸指标的结果[43]；杨超等[44]研究发现，颜色指标仅与杂气指标相关关系显著，而与其他感官质量指标呈显著或极显著的曲线关系，研究结果的不同可能是由于不同产区烟叶的品质风格不同。此外，基于颜色指标可构建效果较好的烤后烟感官质量预测模型[45]。

2.4 优化烟草生产工艺

明确一个产区内烤烟叶表面颜色的特征，对于烤烟生产和利用具有指导意义。董高峰等[46]研究了邵通烟区烟叶颜色指标空间分布特征，并指出不同品种的颜色参数（L、b、C）和不同产地的烟叶的表面颜色间的差异均达到显著或极显著水平。李青山等[47]利用烟叶SPAD 值与颜色参数的关系，初步探索了烤烟鲜烟叶叶色仿真的可行性，为实现鲜烟叶叶色可视化模式奠定了基础。因此，通过研究各个烟区烟叶颜色指标的空间分布特征，从而建立起全国范围内的烟叶颜色指标数据库，有利于指导全国烤烟生产和保障烟叶的充分利用。

2.5 应用于烟草生产其他环节

烤烟蒴果的鲜重、含水量、种子发芽率和出苗率至少与1 个颜色参数（L、a、b、C、H）存在显著或极显著相关，烤烟蒴果的发育可由色差计的测色系统较好地模拟，并辅助预测种子的活力[48]。在量化再造烟叶颜色方面，余振华等[49]用色差计对12个再造烟叶产品进行了指标测量，结果表明，颜色参数可作为再造烟叶颜色的定量化测定指标。

3 展望

烟叶颜色的变化是烤烟适熟采收、优化烘烤操作和科学分级等的一个重要依据。色差计能够量化物体的颜色。因此，将色差计更好地应用于烤烟生产中，生产出优质烟叶具有重要意义。

3.1 鲜烟叶可视化模拟

为了实现烤烟不同生育时期鲜烟叶颜色变化的可视化模拟，下一步工作还需要明确以下几个问题：①不同施肥条件是否会影响鲜烟叶色仿真的效果？②不同品种间鲜烟叶色仿真是否存在差异？③如何实现鲜烟叶片不同部位的叶色仿真？④如何构建烤烟鲜烟叶片的三维模型？

3.2 判定鲜烟叶成熟度

烟叶颜色参数能够较好地指示色素含量的变化，色差计可以作为判断鲜烟叶成熟度的辅助工具。今后的研究重点可以从结合外观颜色和内在化学物质含量的角度，给出可判断烟叶生理成熟的指标范围。此外，目前利用颜色参数判断烟叶成熟度的参考范围，仅涉及单产区单品种，此参考范围是否适用于相同品种的其他产区和不同品种还有待进一步研究。

3.3 建立检测烟叶化学成分的精确模型

通过色差计量化烘烤过程中烟叶颜色的变化以及分析颜色参数与色素和主要化学成分含量的关系，适时监控烟叶内部物质的转化程度，把握烘烤进度，对优化烘烤操作具有指导意义。烟叶在烘烤过程中形态发生变化，如何提取烟叶颜色和形态特征值，建立其与烟叶色素和主要化学成分含量的精确检测模型，并针对不同产区、不同品种和不同烘烤设备条件下，对模型进一步的验证和改进，是一个重要的研究内容。