色度學(xué)在烤煙生產(chǎn)上的研究進(jìn)展及展望

王德權(quán) 張玉琴 王 剛 張本強(qiáng) 杜傳印 李青山

（1山東濰坊煙草有限公司，山東濰坊 261205；2山東省威海市農(nóng)業(yè)科學(xué)院，山東威海 264200；3山東中煙工業(yè)有限責(zé)任公司，山東濟(jì)南 250100；4安慶師范大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，安徽安慶 246133）

田間栽培、成熟采收、烘烤技術(shù)對(duì)于煙草品質(zhì)的貢獻(xiàn)各占1/3[1]，而顏色是判斷煙葉田間成熟度和烘烤操作的重要依據(jù)[2-3]，也是重要的分組因素和分級(jí)因素“色度”的重要組成部分，因此顏色的準(zhǔn)確鑒定直接關(guān)系到煙葉的最終品質(zhì)。目前，生產(chǎn)上對(duì)于煙葉顏色的判斷評(píng)價(jià)基本上是基于人的肉眼進(jìn)行的，而人的肉眼識(shí)別顏色的能力是有限的，加之受環(huán)境因素的影響，識(shí)別效果存在較大的主觀性。研究證明，色差計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品顏色的快速檢測(cè)[4-6]，許多煙草工作者把色差計(jì)應(yīng)用在煙葉顏色方面的研究上?？緹燉r煙葉或者烘烤過程中煙葉以及烤后煙葉的顏色是指同一種煙葉的相關(guān)色彩、色澤飽和度和色值的狀態(tài)[7]。本文主要對(duì)色差計(jì)在判斷鮮煙葉成熟度、檢測(cè)煙葉化學(xué)成分、優(yōu)化烘烤操作和分級(jí)等方面的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述，為色差計(jì)進(jìn)一步應(yīng)用于煙草生產(chǎn)研究提供參考。

1 色差計(jì)的應(yīng)用

1.1 色度測(cè)定

色差計(jì)是一種顏色偏差精準(zhǔn)的測(cè)試儀器，利用儀器內(nèi)部的標(biāo)準(zhǔn)光源照明被測(cè)物體，測(cè)定其CIE 三刺激值（X、Y、Z），然后轉(zhuǎn)換成度量顏色的數(shù)值，能夠準(zhǔn)確測(cè)定物體表面顏色，可用于精確測(cè)量多種形態(tài)樣品，如平面、小顆粒、粉末、糊狀、溶液等。

L值（亮度值）：0 為黑色，100 為白色，0～100 之間為灰色，表示由黑到白的變化。a值（紅度值）：正值為紅色，負(fù)值為綠色，表示由綠到紅的變化。b值（黃度值）：正值為黃色，負(fù)值為藍(lán)色，表示由藍(lán)到黃的變化。色相角和飽和度由L、a和b通過相應(yīng)公式求得，色相角［H=arctan（b/a）］、飽和度［（C=（a2+b2）1/2］、色差值［（△E=［（△L2+△a2+△b2）］1/2］。

1.2 色度學(xué)在作物生產(chǎn)研究上的應(yīng)用

當(dāng)前，色差計(jì)已廣泛地應(yīng)用于果蔬等農(nóng)作物生產(chǎn)研究中，在果蔬成熟度的定量判定、農(nóng)產(chǎn)品化學(xué)物質(zhì)的監(jiān)測(cè)和農(nóng)作物育種工作中發(fā)揮了重要的作用。

Delwiche 等[8]認(rèn)為a值能夠作為判斷桃成熟度的一項(xiàng)指標(biāo)。Kader 等[9]在Delwiche 的基礎(chǔ)上，通過相關(guān)試驗(yàn)也認(rèn)為果皮或果肉的a值能夠作為一項(xiàng)判斷水果成熟度的參考指標(biāo)。Robertson 等[10]認(rèn)為arctan（b/a）的值作為評(píng)價(jià)核桃成熟度的參考指標(biāo)更加可靠，因?yàn)樵诓煌臈l件下a值容易變化。王利群等[11]通過研究辣椒不同時(shí)期顏色參數(shù)的變化，結(jié)合感官檢驗(yàn)和薄層分析，認(rèn)為色度角［（H=tan-1（b/a）］、色澤比（h=a/b）可以較好地反映辣椒色澤在發(fā)育過程中的變化情況。此外，顏色參數(shù)也能較好地反映出一些內(nèi)在品質(zhì)。劉仲齊等[12]研究發(fā)現(xiàn)，在番茄果實(shí)自由水適中的基因型中，顏色參數(shù)與番茄紅素含量的相關(guān)關(guān)系達(dá)到顯著水平，（a3/b3+a3/L3）與番茄紅素的相關(guān)系數(shù)最大。通過分析顏色參數(shù)與紅酒感官質(zhì)量的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)顏色參數(shù)（L、a）與紅酒中的花青素含量、丹寧物質(zhì)存在一定的線性關(guān)系[13]。此外，色差計(jì)還被應(yīng)用于植物育種工作中。劉振興等[14]針對(duì)不同小豆品種資源的葉片色澤與農(nóng)藝性狀進(jìn)行相關(guān)分析，結(jié)果表明，小豆的目標(biāo)育種可以利用色差計(jì)選擇特定的品種材料。根據(jù)多份自交系苦瓜葉片SPAD值、色度角和果實(shí)色度角之間的差異及相關(guān)關(guān)系均到達(dá)顯著或極顯著水平，程蛟文等[15]認(rèn)為苦瓜的果色選種可以以葉片顏色為參考。

2 色差計(jì)在煙葉生產(chǎn)研究上的應(yīng)用

目前，越來越多的學(xué)者把色差計(jì)應(yīng)用到了煙葉生產(chǎn)研究上，主要從判斷鮮煙葉成熟度、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)煙葉化學(xué)成分和優(yōu)化烘烤操作、烤后煙葉的品質(zhì)評(píng)價(jià)和分級(jí)等方面展開研究。

2.1 輔助判斷煙葉成熟度

煙葉成熟度是影響煙葉質(zhì)量的首要因素，也是保證和提高烤后煙葉外觀質(zhì)量和品質(zhì)的前提[16-18]。鮮煙葉成熟度的準(zhǔn)確判斷和適熟采收是煙葉生產(chǎn)過程中的重要環(huán)節(jié)。煙葉生長發(fā)育和成熟過程中顏色的變化，實(shí)質(zhì)上是葉片組織內(nèi)總?cè)~綠體色素以及類胡蘿卜素占總?cè)~綠體色素含量比例變化的外觀反映[19]。另有研究發(fā)現(xiàn)，鮮煙葉正背面顏色參數(shù)隨成熟度提高的變化趨勢(shì)基本一致，鮮煙葉片正背面顏色值與色素含量的關(guān)系密切，兩者之間呈顯著或極顯著性相關(guān)關(guān)系，煙葉背面顏色參數(shù)與化學(xué)成分的關(guān)系達(dá)到顯著水平，顏色參數(shù)可以作為輔助指標(biāo)來判斷煙葉成熟度[20-22]。武圣江等[23-25]利用色差計(jì)設(shè)計(jì)了一種烤煙采收成熟度的快速無損檢測(cè)方法和一種有機(jī)烤煙煙葉成熟度的快速無損檢測(cè)方法，給出量化煙葉成熟度的指標(biāo)范圍?；糸_玲等[26]、張麗英等[27]從烘烤角度研究了烘烤過程中不同成熟度煙葉顏色參數(shù)的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)顏色參數(shù)和色素含量呈顯著相關(guān)，煙葉成熟度的判斷可用色差計(jì)輔助進(jìn)行。另外，王浩雅等[28]基于顏色指標(biāo)（L、a、b）通過三維空間繪制的三維圖、山峰圖和等值線圖，使煙葉某一特性的狀況可以較好地由顏色指標(biāo)來表征，避免了多個(gè)指標(biāo)對(duì)煙葉顏色評(píng)價(jià)的局限。

2.2 優(yōu)化烘烤工藝

在煙葉烘烤過程中，隨著葉綠素等色素類物質(zhì)的不斷降解及其他化學(xué)物質(zhì)的降解和生成，煙葉的外觀顏色也隨之發(fā)生明顯變化，煙葉逐漸顯現(xiàn)黃色[29]。因此，明確煙葉色素和主要化學(xué)成分含量與顏色變化的關(guān)系，建立烤煙烘烤過程中煙葉顏色參數(shù)與色素、含水量和化學(xué)成分的關(guān)系模型，監(jiān)測(cè)煙葉烘烤過程中物質(zhì)變化和水分散失，可以為優(yōu)化密集烘烤工藝、操作更客觀化和提高煙葉質(zhì)量提供參考。烘烤過程中，煙葉各顏色參數(shù)與淀粉、葉綠素、類胡蘿卜素、蛋白質(zhì)的相關(guān)關(guān)系達(dá)到了顯著或極顯著水平，而與含水量、類葉比的相關(guān)關(guān)系略差，基于煙葉烘烤過程中顏色參數(shù)建立的預(yù)測(cè)主要化學(xué)成分的模型精度較高，烘烤過程中顏色參數(shù)可預(yù)測(cè)煙葉內(nèi)主要化學(xué)成分含量的變化[30-31]，也可預(yù)測(cè)煙葉形態(tài)的變化[32]。烘烤過程中葉片正背面顏色參數(shù)的變化趨勢(shì)基本一致，烘烤過程中的煙葉主脈和葉片的顏色參數(shù)與主要化學(xué)成分含量的相關(guān)關(guān)系存在差異。相關(guān)研究表明，主脈的各顏色參數(shù)與主要化學(xué)成分均不顯著或極顯著相關(guān)，葉片顏色參數(shù)（除b、C外）與各主要化學(xué)成分含量均顯著或極顯著相關(guān)，葉片b值和C值則與少數(shù)化學(xué)成分存在顯著相關(guān)關(guān)系[33]。上、中、下3個(gè)部位的煙葉各顏色值在烘烤過程中變化趨勢(shì)基本一致，不同部位煙葉顏色值與主要化學(xué)成分相關(guān)性差異較大[34]。不同成熟度煙葉在烘烤過程中變化不同、顏色值差異極顯著，顏色參數(shù)（L、a、H）與淀粉、總氮和總酚相關(guān)，其中有的達(dá)到了顯著正相關(guān)或負(fù)相關(guān)[35]。為了提高不同品質(zhì)煙葉的精準(zhǔn)烘烤，李生棟等[36]以品種K326 為試驗(yàn)材料，發(fā)現(xiàn)煙葉在烘烤過程中其外觀顏色參數(shù)與內(nèi)在色素含量具有密切相關(guān)性，可依據(jù)外觀顏色參數(shù)估計(jì)煙葉內(nèi)部色素含量。賀帆等[37]以中煙100和秦?zé)?6為試驗(yàn)材料，分析烘烤過程中煙葉質(zhì)地和顏色及相關(guān)生理指標(biāo)的變化規(guī)律，得出秦?zé)?6煙葉烘烤時(shí)應(yīng)以中濕變黃、中濕定色，中煙100烘烤過程中應(yīng)適當(dāng)提高濕球溫度和增加變黃期、定色期時(shí)間的結(jié)論。

2.3 優(yōu)化烤后煙葉分級(jí)和品質(zhì)評(píng)價(jià)工藝

顏色是評(píng)價(jià)烤后煙葉外觀質(zhì)量的一個(gè)重要因素。在烤煙分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)中，顏色是第二分組因素；色度與顏色緊密相關(guān)，是一個(gè)重要的分級(jí)因素[38]。長期以來，判定煙葉顏色的標(biāo)準(zhǔn)主要是根據(jù)國家分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的定性描述，依據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和標(biāo)準(zhǔn)樣本通過人的感官和經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行定性判斷；不僅主觀性較強(qiáng)，而且環(huán)境、光線、檢測(cè)人員等多種因素往往會(huì)影響判定結(jié)果。實(shí)現(xiàn)煙葉顏色判定從定性轉(zhuǎn)向定量，從主觀化轉(zhuǎn)向客觀化對(duì)于烤煙分級(jí)具有重要意義。任夏等[39]研究發(fā)現(xiàn)，烤后煙葉顏色參數(shù)和色素含量顯著相關(guān)，對(duì)不同顏色主組及不同等級(jí)之間色度的差異可定量表征，色差計(jì)可以量化煙葉顏色。彭新輝等[40]對(duì)同部位不同等級(jí)烤后煙葉色度和光澤與化學(xué)成分的差異以及相關(guān)關(guān)系進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)不同等級(jí)煙葉間色度和光澤差異顯著，色度和光澤部分指標(biāo)與化學(xué)成分相關(guān)關(guān)系達(dá)到顯著或極顯著水平。顏色一定程度上反映出煙葉的內(nèi)在品質(zhì)，煙葉各顏色參數(shù)與主要化學(xué)成分含量的相關(guān)性達(dá)到顯著水平，總氮對(duì)煙葉L值的負(fù)向影響最大，煙堿對(duì)a值的影響最大，蛋白質(zhì)對(duì)b和C值的負(fù)向影響最大，氮堿比和蛋白質(zhì)對(duì)H°值的影響最大[41]。梁洪波等[42]也認(rèn)為顏色值基本能反映出煙葉的內(nèi)在品質(zhì)，但發(fā)現(xiàn)不同產(chǎn)地、不同色組、不同部位和不同評(píng)吸類型的煙葉間顏色值差異顯著。另外，煙葉顏色參數(shù)還可在一定程度上反映出感官質(zhì)量，有研究表明，顏色參數(shù)與香氣量、吃味、刺激性達(dá)到顯著或極顯著相關(guān)關(guān)系，認(rèn)為煙葉表面的顏色參數(shù)值可以反映出這3 項(xiàng)評(píng)吸指標(biāo)的結(jié)果[43]；楊超等[44]研究發(fā)現(xiàn)，顏色指標(biāo)僅與雜氣指標(biāo)相關(guān)關(guān)系顯著，而與其他感官質(zhì)量指標(biāo)呈顯著或極顯著的曲線關(guān)系，研究結(jié)果的不同可能是由于不同產(chǎn)區(qū)煙葉的品質(zhì)風(fēng)格不同。此外，基于顏色指標(biāo)可構(gòu)建效果較好的烤后煙感官質(zhì)量預(yù)測(cè)模型[45]。

2.4 優(yōu)化煙草生產(chǎn)工藝

明確一個(gè)產(chǎn)區(qū)內(nèi)烤煙葉表面顏色的特征，對(duì)于烤煙生產(chǎn)和利用具有指導(dǎo)意義。董高峰等[46]研究了邵通煙區(qū)煙葉顏色指標(biāo)空間分布特征，并指出不同品種的顏色參數(shù)（L、b、C）和不同產(chǎn)地的煙葉的表面顏色間的差異均達(dá)到顯著或極顯著水平。李青山等[47]利用煙葉SPAD 值與顏色參數(shù)的關(guān)系，初步探索了烤煙鮮煙葉葉色仿真的可行性，為實(shí)現(xiàn)鮮煙葉葉色可視化模式奠定了基礎(chǔ)。因此，通過研究各個(gè)煙區(qū)煙葉顏色指標(biāo)的空間分布特征，從而建立起全國范圍內(nèi)的煙葉顏色指標(biāo)數(shù)據(jù)庫，有利于指導(dǎo)全國烤煙生產(chǎn)和保障煙葉的充分利用。

2.5 應(yīng)用于煙草生產(chǎn)其他環(huán)節(jié)

烤煙蒴果的鮮重、含水量、種子發(fā)芽率和出苗率至少與1 個(gè)顏色參數(shù)（L、a、b、C、H）存在顯著或極顯著相關(guān)，烤煙蒴果的發(fā)育可由色差計(jì)的測(cè)色系統(tǒng)較好地模擬，并輔助預(yù)測(cè)種子的活力[48]。在量化再造煙葉顏色方面，余振華等[49]用色差計(jì)對(duì)12個(gè)再造煙葉產(chǎn)品進(jìn)行了指標(biāo)測(cè)量，結(jié)果表明，顏色參數(shù)可作為再造煙葉顏色的定量化測(cè)定指標(biāo)。

3 展望

煙葉顏色的變化是烤煙適熟采收、優(yōu)化烘烤操作和科學(xué)分級(jí)等的一個(gè)重要依據(jù)。色差計(jì)能夠量化物體的顏色。因此，將色差計(jì)更好地應(yīng)用于烤煙生產(chǎn)中，生產(chǎn)出優(yōu)質(zhì)煙葉具有重要意義。

3.1 鮮煙葉可視化模擬

為了實(shí)現(xiàn)烤煙不同生育時(shí)期鮮煙葉顏色變化的可視化模擬，下一步工作還需要明確以下幾個(gè)問題：①不同施肥條件是否會(huì)影響鮮煙葉色仿真的效果？②不同品種間鮮煙葉色仿真是否存在差異？③如何實(shí)現(xiàn)鮮煙葉片不同部位的葉色仿真？④如何構(gòu)建烤煙鮮煙葉片的三維模型？

3.2 判定鮮煙葉成熟度

煙葉顏色參數(shù)能夠較好地指示色素含量的變化，色差計(jì)可以作為判斷鮮煙葉成熟度的輔助工具。今后的研究重點(diǎn)可以從結(jié)合外觀顏色和內(nèi)在化學(xué)物質(zhì)含量的角度，給出可判斷煙葉生理成熟的指標(biāo)范圍。此外，目前利用顏色參數(shù)判斷煙葉成熟度的參考范圍，僅涉及單產(chǎn)區(qū)單品種，此參考范圍是否適用于相同品種的其他產(chǎn)區(qū)和不同品種還有待進(jìn)一步研究。

3.3 建立檢測(cè)煙葉化學(xué)成分的精確模型

通過色差計(jì)量化烘烤過程中煙葉顏色的變化以及分析顏色參數(shù)與色素和主要化學(xué)成分含量的關(guān)系，適時(shí)監(jiān)控?zé)熑~內(nèi)部物質(zhì)的轉(zhuǎn)化程度，把握烘烤進(jìn)度，對(duì)優(yōu)化烘烤操作具有指導(dǎo)意義。煙葉在烘烤過程中形態(tài)發(fā)生變化，如何提取煙葉顏色和形態(tài)特征值，建立其與煙葉色素和主要化學(xué)成分含量的精確檢測(cè)模型，并針對(duì)不同產(chǎn)區(qū)、不同品種和不同烘烤設(shè)備條件下，對(duì)模型進(jìn)一步的驗(yàn)證和改進(jìn)，是一個(gè)重要的研究?jī)?nèi)容。

3.4 建立烤后煙分級(jí)模型

烤煙分級(jí)是對(duì)烤后煙葉質(zhì)量的綜合評(píng)價(jià)，煙葉外觀顏色指標(biāo)可以在一定程度上反映烤后煙葉的內(nèi)在品質(zhì)和感官質(zhì)量特點(diǎn)。因此，基于烤后煙葉外觀顏色指標(biāo)，建立判斷煙葉內(nèi)在化學(xué)成分含量和感官質(zhì)量的精確綜合模型，對(duì)指導(dǎo)烤后煙分級(jí)具有較大的實(shí)用價(jià)值，是下一步的研究重點(diǎn)。