基于CIE-Lab及RGB颜色空间的马铃薯块茎酶促褐变程度评价

罗有中，刘全亮，李珍妮，罗 磊，姚晏红，王 娟，满正行，2

（1.定西市农业科学研究院，甘肃 定西 743000；2.西北民族大学，甘肃 兰州 730000）

马铃薯（Solanumtuberosum）栽培历史悠久，是世界四大粮食作物之一，产量仅次于小麦、水稻和玉米[1]。马铃薯产量高、营养价值丰富，其块茎富含碳水化合物、蛋白质、维生素C、矿物质元素等多种营养物质，是谷类作物的优良替代品[2]。随着消费者生活方式的转变及对便利性需求的提升，市场对微加工马铃薯的需求越来越大。然而，微加工的马铃薯极易发生酶促褐变[3]，对马铃薯加工业的发展产生了严重影响。马铃薯中的酶促褐变只有在细胞破坏之后才能发生，有氧条件下，是由氧化还原酶多酚氧化酶（Polyphenol oxidase，PPO）和过氧化物酶（Peroxidase，POD）共同参与的酚类化合物的氧化过程[4]。该过程会产生大量的黑色物质，不但降低了马铃薯的风味和营养价值，而且严重影响了消费者的接受度。

目前，利用数字图像比色法研究酶促褐变反应已在马铃薯、苹果、梨、香蕉等农产品上得到了广泛的应用[5-7]。马铃薯发生酶促褐变后，有色物质会沉积在组织中，颜色显得暗淡。物体的颜色可以被分为RGB（红、绿、蓝）、CIE-Lab（明度、绿度、黄度）、CIE-LCH（明度、色度、色调）等多个色彩空间[8]。在这些色彩空间中，RGB 和CIE-Lab 颜色空间易于使用[9]。因此，本研究结合RGB 和CIE-Lab 色彩空间之间的差异，对77个性状优良的马铃薯品种（系）进行研究，以揭示不同马铃薯品种（系）的酶促褐变情况并对其进行评价、分类。建立的马铃薯品种间酶促褐变差异快速评估方法，可为马铃薯抗酶促褐变育种及加工业发展提供可靠依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

选用77个马铃薯主栽品种（系）为试验材料，具体情况见表1。于2021年4月下旬种植在甘肃省定西市农业科学研究院科研创新基地，于9月中旬收获。

表1 77个供试马铃薯品种（系）Tab.1 77 tested potato varieties(lines)

1.2 试验方法

1.2.1 样品预处理

选择同一品种质量较好、外观特征（大小、颜色和形状）接近的样品，用不锈钢刀对半横切马铃薯块茎进行试验预处理。试验于普通实验室进行，所有品种均在同一条件下处理及取样，以避免环境因素对研究结果的影响[10]。

1.2.2 图像采集

将预处理的马铃薯块茎放在黑色背景布上，用相机对马铃薯块茎有效区域进行图像采集。为确保图片命名准确，按拍摄时间读取和马铃薯品种一致，使用了Excel、记事本及命令行模式下Bat 批处理更名等办法，保证照片相机自动命名和马铃薯品种名称的高度一致性转换。

1.2.3 图像信息分析

使用相机拍照，将更名后获得的原始图像传输到计算机不同时间段文件夹，利用python 编写的程序提取实时拍照时间，并对每个样品的有效色彩空间值用numpy 子模块计算平均值，获得的平均值作为样品颜色RGB 和CIE-Lab 的参数。分析步骤：第一步，用labelimg主模块对图像最具代表性的区域手工进行数字化标注；第二步，利用pillow 主模块和numpy子模块把原始图像exif时间信息以及标注后所有像素点的相关指标统计结果写入Excel 文件；第三步，以统计结果作为获得的基础数据。

1.2.4 褐变程度的测定

测量置于室温下不同时间（0 h、7 h 和21 h）的马铃薯横切面颜色，取平均值作为测定值用于测定R、G、B和L*、a*、b*值。基于明度值L*（L*=-100～100；颜色越深L*越小）计算块茎的酶促褐变程度。为了消除不同品种（系）间马铃薯组织的颜色对计算结果的干扰，酶促褐变程度以0 h 为对照，取其相对值，不同时间相对酶促褐变程度计算公式为：

式中：n＝0 h、7 h、21 h。

1.2.5 数据处理

利用Excel 2016 对数据整理及计算，SPSS 26.0 进行聚类分析。

隶属函数U(Xij）＝(Xij-Xmin)/(Xmax-Xmin)。式中U(Xij）表示第i个品种第j个指标的隶属函数值，Xij为指标测定值，Xmax、Xmin分别为所有参试品种中第j 个指标测定值的最大值和最小值。

相应R、G、B比率的测定：

2 结果与分析

2.1 马铃薯品种(系)块茎切面在不同时间的酶促褐变程度

对77个马铃薯品种（系）块茎横切后，发生的酶促褐变表型见图1。

图1 77个马铃薯品种（系）块茎横切后不同时间酶促褐变表型Fig.1 The enzymatic browning phenotypes of 77 potato varieties(lines)after cutting

图1 显示，不同马铃薯品种（系）表现出不同程度的酶促褐变，在切片后放置的过程中马铃薯切片的色泽会随时间变化呈现不同的褐变。品种间的色泽差异可能是不同马铃薯中绿原酸的含量不同，而放置过程中色泽的黑化主要是块茎中的绿原酸与金属离子反应生成稳定的化合物所致。马铃薯切片的褐变主要是因为切片过程中产生机械伤，会打破马铃薯的氧化还原平衡，从而导致活性氧的大量产生，引起褐变发生。马铃薯切片暴露于空气中的时间越长，细胞内部降解的蛋白质越多，褐变越明显。

2.2 马铃薯品种(系)酶促褐变性状的聚类分析

利用马铃薯切面组织酶促褐变程度数据进行聚类分析，分析时在欧氏距离为10 处将77 个马铃薯品种划分为4 个类别（I～IV），分析结果见图2。

图2 77个马铃薯品种（系）酶促褐变聚类分析Fig.2 Dendrogram of 77 potato varieties(lines)for enzymatic browning

由图2 可以看出：第I 类酶促褐变程度最严重，第II 类次之，然后是第III 类，第IV 类的酶促褐变程度最小。第I 类为极易酶促褐变的品种，有2 个品种，分别为闽中101 和青薯9号；第II类为易酶促褐变的品种，有33个品种，分别为华颂34号、陇薯7号、东农321、华颂7号、凯薯2号、青薯10号、京张2号、陇薯16 号、龙薯4 号、中薯41 号、甘农薯9 号、中薯28 号、京张1 号、LK99、大丰8 号、丽薯6 号、黔渝8 号、庄薯4 号、爱兰1 号、陇薯6 号、大丰11 号、华薯1 号、宁薯16 号、冀12、凯薯1 号、陇薯9 号、陇薯10 号、龙薯12 号、天薯14 号、中薯45号、陇薯11号、大丰9号、甘引2号；第Ⅲ类属于中度易酶促褐变，有23 个品种，分别为中薯21 号、定薯3 号、中薯31 号、东农310、陇薯5号、冀14、中薯20号、庄薯3号、陇薯20号、希森1 号、冀20、定薯5 号、天薯15 号、榆薯5 号、中薯35 号、东农322、并薯26 号、陇薯22 号、丽薯15 号、天薯13 号、宣薯4 号、冀22、宣薯05-320；第Ⅳ类属于不易酶促褐变，有19 个品种，分别为黔渝7 号、爱兰6 号、中薯19 号、中薯18 号、云薯901、大丰6号、天薯12号、丽薯3号、榆薯3号、宁薯18号、新大坪、坝薯10 号、宁薯17 号、里外黄、陇薯15 号、陇薯14 号、定薯4号、甘农薯7号、陇薯19号。分类基本与表型一致。

2.3 酶促褐变过程中CIE-Lab值变化和隶属函数排名

马铃薯块茎在空气中暴露的时间越长，酶促褐变程度越高，酶促褐变程度值越大，颜色越深。数据显示，0～21 h 马铃薯切面L*值和b*值有明显的下降，相反a*值呈现先降低后上升趋势；0～7 h 马铃薯的酶促褐变速率明显高于7～21 h，77个马铃薯品种（系）酶促褐变过程中CIE-Lab 值变化和隶属函数排名见表2。由表2 可以看出，第I类极易酶促褐变品种的隶属函数值排名为1 和2；第II 类易酶促褐变品种排名在3～35；第III 类中度易酶促褐变品种排名在36～58；第IV 类不易酶促褐变品种排在59～77。另外，部分酶促褐变程度为负值，这可能是马铃薯淀粉附着于横切面导致，但没有影响到酶促褐变程度总体的变化趋势。

2.4 酶促褐变过程中RGB值变化

随着酶促褐变程度的加深，R、G、B值也发生不同程度变化。R和G值均呈现下降趋势，其下降速率与聚类分析基本保持一致，为第I类＞第II类＞第III类＞第IV 类，但是B值变化趋势没有显著的规律性，具体情况见表3。由上述结果可知，相较于B值，R值和G值在预测马铃薯的酶促褐变程度时可能更加有效。

在酶促褐变过程中，2 个红色比率（RR）、2 个绿色比率（GR）和2 个蓝色比率（BR）均受到影响。在绿色比率中G/R变化不明显，而G/B呈下降趋势，与酶促褐变趋势保持一致；红色比率中，R/B的线性关系更好地说明了酶促褐变情况。在蓝色比率中，B/G与B/R值的区别不大，对反应酶促褐变情况不是很明显。

3 结论

酶促褐变会严重影响果蔬色泽。研究表明，果蔬酶促褐变一般是由PPO 和POD 为主的酶引起的酶促褐变[11，12]。目前，酶促褐变的测定方法主要有人工观察法[13]、分光光度计测量法[14]和测色仪法[15]。图像分析系统在果蔬颜色中得到广泛的应用，颜色变化与质量变化高度一致，可用于量化果蔬的颜色[16]。马铃薯不同于其他果蔬，它含有大量的淀粉，随着酶促褐变时间越久，淀粉在马铃薯横切面的沉积越多，对切面明度值L*的影响越大。本实验中选取0～7 h 作为酶促褐变程度的时间点，明度值L*范围是-100～100，马铃薯切面颜色越深，L*值越小，颜色越浅，L*值越大，因此马铃薯的酶促褐变程度值可以用L*值的变化来表达。由于大量淀粉附着于马铃薯切面，导致酶促褐变程度值出现负值，该现象可以从数据表2中看出。尽管淀粉的存在导致测定的L*值存在一定的误差，但是结合图1 中酶促褐变图片不难看出马铃薯的酶促褐变趋势与L*值保持一致。有研究表明，在芒果成熟过程中，通过使用RGB和CIE-Lab 两色彩空间，证实了果实成熟过程的色彩变化[17]。而在马铃薯发生酶促褐变时，R、G、B值都能随酶促褐变加深，逐渐降低，而且绿色比率G/B呈下降趋势，在红色比率中，R/B具有更好的线性关系，都可以作为酶促褐变的程度的依据。但是蓝色比率中，B/G与B/R值的酶促褐变情况关系并不明显。本研究表明，马铃薯的酶促褐变用普通数码照相个人电脑数据提取法中RGB 和CLE-Lab的值相结合，更能够准确反映马铃薯块茎横切面酶促褐变情况，具有比测色仪更加丰富的参考依据。

本研究将77 个马铃薯品种（系）分为4 种类型，分别为极易酶促褐变品种（I）、易酶促褐变品种（II）、中度易酶促褐变品种（III）和不易酶促褐变品种（IV），应用隶属函数排名，得到了闽中101 和青薯9 号两个极易酶促褐变的品种。该结果与陈明俊等[18]对27 份马铃薯种质材料褐变规律青薯9 号酶促褐变程度高于陇薯12 号和丽薯6 号的研究结果相一致，本研究结果LK99 的酶促褐变隶属函数值16 优先陇薯6 号的隶属函数值22，也与赵萍等[19]对8 个马铃薯品种不同时期的褐变程度研究结果LK99 褐变强度＞陇薯6 号相一致，通过RGB和CIE-Lab 色彩空间之间的结合，该研究把大批量国内主栽的77个马铃薯品种进行了分类，为马铃薯育种材料的筛选和马铃薯加工原料的筛选提供了依据，也为马铃薯的酶促褐变研究提供了更新的理论支撑和便捷的测定技术手段。