高憲輝，王松峰，孫帥帥，孫福山，王勇，程森，盧曉華，殷紅，高峻，孫陽陽，周平，閆凱龍

1 農(nóng)業(yè)部煙草生物學(xué)與加工重點實驗室，中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院煙草研究所，青島 266101；2 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院研究生院，北京100081；3 山東中煙工業(yè)有限責(zé)任公司，濟南 250100；4 四川省煙草公司涼山州公司，西昌 615000；5 上海煙草集團有限責(zé)任公司，上海 200082

鮮煙成熟度顏色值指標及其判別函數(shù)研究

高憲輝1,2，王松峰1，孫帥帥3，孫福山1，王勇4，程森5，盧曉華5，殷紅4，高峻4，孫陽陽1,2，周平1,2，閆凱龍1

1 農(nóng)業(yè)部煙草生物學(xué)與加工重點實驗室，中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院煙草研究所，青島 266101；2 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院研究生院，北京100081；3 山東中煙工業(yè)有限責(zé)任公司，濟南 250100；4 四川省煙草公司涼山州公司，西昌 615000；5 上海煙草集團有限責(zé)任公司，上海 200082

為探索鮮煙成熟度量化指標，提高烤煙采收成熟度判斷準確率。以紅花大金元品種為試驗材料，研究了不同部位不同成熟度檔次煙葉色素含量和顏色值變化及其相關(guān)性，并以鮮煙的L值、a值、b值3種顏色值為指標建立鮮煙成熟度判別函數(shù)。結(jié)果表明，在下、中、上3個部位中，隨著鮮煙成熟度的提高，葉色黃綠程度增加，L值、a值、b值3種顏色值均呈升高趨勢，且與色素含量相關(guān)性有高度統(tǒng)計學(xué)意義，明確了不同部位欠熟、適熟和過熟鮮煙的3種顏色值指標范圍；依據(jù)鮮煙3種顏色值建立了鮮煙成熟度判別函數(shù)，經(jīng)交互驗證回判正確率為96.3%，新樣本的判別準確率為95.6%，提高了鮮煙采收成熟度判斷準確率。顏色值及其判別函數(shù)可作為判別鮮煙成熟度檔次的一種新技術(shù)。

烤煙；成熟度；色素；顏色值；判別函數(shù)

鮮煙采收成熟度是指煙葉在田間生長發(fā)育到適于調(diào)制加工的成熟程度[1]。它與烤后煙的外觀質(zhì)量、評吸質(zhì)量及香氣質(zhì)量等方面密切相關(guān)[2-5]。目前，國內(nèi)鮮煙采收成熟度不夠，掌握適宜成熟度不準，仍是影響烤后煙葉質(zhì)量的主要因素之一。

對于采收成熟度的判斷國內(nèi)學(xué)者主要根據(jù)煙葉的外觀顏色或色素含量進行了研究，宮長榮[1]、孫福山[6]、南力[7]等根據(jù)煙葉的外觀特征將各部位鮮煙葉分為欠熟、適熟、過熟3個檔次，并通過研究不同成熟度檔次與烤后煙質(zhì)量的關(guān)系，表明適熟煙葉烤后煙質(zhì)量最佳。這些研究結(jié)果在烤煙實際生產(chǎn)過程中應(yīng)用較廣，但缺乏客觀的量化指標，鮮煙成熟度判別準確性不高。近年來，農(nóng)業(yè)生物信息技術(shù)發(fā)展迅速，徐照麗[8]、李旭華[9]等通過研究SPAD值與色素含量的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)SPAD值與色素含量相關(guān)性顯著；李佛琳等[10]提出了基于SPAD值的成熟度判別TMDSPADV模型。SPAD計的應(yīng)用為鮮煙成熟度檔次的判斷提供了量化指標，但SPAD計屬單一波段反射儀器，反射率穩(wěn)定性差，易受環(huán)境因素的影響[11]。色差計是一種多波段組合定量測定顏色值的儀器，反射信息量大，受外部環(huán)境影響小，在鮮煙素質(zhì)和烤后煙葉質(zhì)量評價中開始應(yīng)用[12-17]，張麗英[12]、張軍剛[14]、霍開玲[16]等利用色差計對常規(guī)品種鮮煙成熟和烘烤過程中色素含量變化進行了研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，鮮煙色素含量與顏色值具有明顯的相關(guān)性。但依據(jù)鮮煙顏色值作為判定其成熟度的量化指標研究卻鮮有報道。判別分析是一種根據(jù)已知類別的樣品與其若干個觀測量的關(guān)系對未知類別樣品進行分類的統(tǒng)計方法，目前在烤后煙質(zhì)量、香型、產(chǎn)區(qū)和卷煙品牌區(qū)分等方面已有應(yīng)用[18-23]。畢淑峰等[18]以化學(xué)成分為自變量建立判別函數(shù)，對烤煙香型進行鑒定；秦璐等[19]以烤煙主要化學(xué)成分為指標建立了判別函數(shù)，用于烤煙產(chǎn)地的鑒定；詹軍等[22]對烤后煙中性致香物質(zhì)進行判別分析，建立了鑒定烤煙香型的判別函數(shù)。但在鮮煙成熟度檔次區(qū)分方面尚無此類研究，本試驗以紅花大金元特色品種為試驗材料，研究不同鮮煙成熟度檔次的顏色值范圍及其判別函數(shù)，旨在為鮮煙采收成熟度量化判別提供理論和技術(shù)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地點與供試材料

試驗于2015年在四川省涼山州會理縣南閣鄉(xiāng)海溪村進行，供試品種為紅花大金元，土壤肥力中等，行距120cm，株距55cm，選取大田管理規(guī)范，長勢均勻煙田，以下部（4~6葉位）、中部（9~11葉位）、上部（14~16葉位）3個部位煙葉為試驗材料。

1.2 試驗設(shè)計

鮮煙成熟度檔次處理設(shè)置下（X）、中（C）、上（B）3個部位，根據(jù)烤煙生產(chǎn)采收實際，每個部位根據(jù)葉色和主脈變白程度分別設(shè)置欠熟（M1）、適熟（M2）、過熟（M3）3個不同成熟度檔次處理，共9個處理，不同部位不同成熟度檔次處理鮮煙外觀特征見表1。每個成熟度檔次處理分別選取具有代表性的完整鮮煙葉15片，9個處理共135片，分別測定每片鮮煙色素含量和顏色值。另有各處理鮮煙5片，共45片作為判別函數(shù)驗證樣本。

表1 各部位煙葉不同成熟度檔次處理及主要外觀特征Tab. 1 Treatment of different parts of tobacco leaves of different maturity and main appearance features

1.3 測定項目及方法

1.3.1 顏色值的測定：采用能夠準確測定物體表面顏色的CR-10型全自動色差計，測定指標為亮度值L，紅度值a及黃度值b。將鮮煙采摘后于光線狀況良好的室內(nèi)對每片煙葉測定以主脈對稱的葉尖、葉中、葉基正面6個點，計算各顏色值平均數(shù)。

1.3.2 色素含量測定：采用分光光度法測定類胡蘿卜素、葉綠素含量[24]。

1.3.3 類葉比：類胡蘿卜素含量/葉綠素總量。反映葉面黃綠色程度，越大，黃色程度越高[24]。

1.3.4 數(shù)據(jù)分析：采用Excel2010進行數(shù)據(jù)處理，用SPASS19.0進行方差分析及相關(guān)性分析。

1.3.5 基于顏色值建立鮮煙成熟度判別函數(shù)：（1）判別函數(shù)的建立需滿足的前提條件。①鮮煙樣本的各顏色值指標數(shù)據(jù)分布呈正態(tài)或接近正態(tài)分布。主要由峰度系數(shù)與偏度系數(shù)進行判斷，峰度系數(shù)與其標準誤的比值及偏度系數(shù)與其標準誤的比值小于或接近2，將接受或接近正態(tài)分布[25]。②各指標數(shù)據(jù)間不存在多重共線性。由總樣本各指標間的相關(guān)性進行判斷，當各指標間的相關(guān)系數(shù)小于0.8時滿足條件。③所建立的判別函數(shù)Wilks的 Lambda值接近于0。Wilks的 Lambda是組內(nèi)平方和與總平方和之比。Wilks的Lambda小表示組間有差異。在判別分析中，只有組均值不等時，判別分析才有意義[26]。（2）采用SPASS19.0建立與檢驗判別函數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同部位鮮煙成熟度檔次處理間色素含量和顏色值變化

不同部位不同鮮煙成熟度煙葉色素含量不同，由表2可以看出，下中上3個部位隨著鮮煙成熟度的提高，類胡蘿卜素和葉綠素含量均呈逐漸降低，類胡蘿卜素的降解幅度小于葉綠素的降解幅度，且成熟度檔次處理間差異有統(tǒng)計學(xué)意義。3個部位隨著鮮煙成熟度的提高，類葉比逐漸升高，下部：XM1和XM2之間差異沒有統(tǒng)計學(xué)意義，XM1和XM3、XM2和XM3差異有統(tǒng)計學(xué)意義；中部：成熟度檔次處理間差異有統(tǒng)計學(xué)意義；上部：BM1和BM2、BM1和BM3差異有統(tǒng)計學(xué)意義，BM2和BM3差異沒有統(tǒng)計學(xué)意義。同一成熟度處理，不同部位的色素含量存在差異，類胡蘿卜素含量，上部最低，M1處理下部高于中部，M2和M3處理中部高于下部葉綠素總量，下部＞中部＞上部；類葉比，中部＞下部＞上部。

由表3可知，不同部位隨著鮮煙成熟度的提高， L值、a值、b值均呈現(xiàn)升高趨勢，且同一部位不同成熟度檔次處理間差異有統(tǒng)計學(xué)意義。說明在鮮煙葉成熟過程中，亮度不斷增加、綠色逐漸褪去、黃色逐漸顯現(xiàn)，與色素含量變化趨勢相吻合。同一成熟度檔次處理不同部位鮮煙顏色值有差異，亮度值L中部稍高于上部，下部最低；紅度值a下部＞中部＞上部；黃度值b，M1、M2上部＞中部＞下部，M3中部＞上部＞下部。其中下部適熟煙葉XM2的L值、a值、b值的范圍分別為44.5~47.4、-5.56～-4.64及31.02~33.78；中部適熟煙葉CM2的L值、a值、b值的范圍分別為48.65~50.95、-8.24～-6.76及34.74~37.06；上部適熟煙葉BM2的L值、a值、b值的范圍分別為47.3~50.7、-11.05～-8.75及35.49~37.51。同比亮度值XM2最低，CM2與BM2相當；同比紅度值，XM2＞CM2＞BM2，同比黃度值，BM2＞CM2＞XM2，與葉面黃綠面積相吻合。

表2 不同部位鮮煙成熟度檔次煙葉色素含量和類葉比Tab. 2 Relationship between the pigment content and maturity of fresh tobacco leaves

注：表中數(shù)字為平均值±標準差;同列不標有相同小寫字母者表示組間差異有統(tǒng)計學(xué)意義( P ＜ 0.05) 。

表3 不同部位鮮煙成熟度檔次煙葉顏色值Tab. 3 Relationship between color parameter and maturity of fresh tobacco leaves

2.2 不同部位鮮煙顏色值與色素含量的相關(guān)性

由表4可以看出，上中下3個部位鮮煙L值、a值、b值分別與類胡蘿卜素含量和葉綠素總量負相關(guān)性有高度統(tǒng)計學(xué)意義 ，且下部葉和中部葉的相關(guān)系數(shù)較上部葉稍高；不同部位各顏色值與類葉比正相關(guān)性均有高度統(tǒng)計學(xué)意義，中部葉相關(guān)系數(shù)最高，下部葉與上部葉相當。3種顏色值指標與各色素含量均有統(tǒng)計學(xué)意義。

表4 不同部位煙葉顏色值與色素含量的相關(guān)系數(shù)Tab. 4 Correlation analysis between leaf color parameters and pigment contents of tobacco leaves

2.3 不同部位基于鮮煙顏色值的成熟度檔次判別函數(shù)建立

在實際生產(chǎn)中，通過測定不同成熟度檔次鮮煙葉的3種顏色值量化指標，采用SPASS19.0建立判別函數(shù)，判定煙葉采收成熟度檔次，提高鮮煙成熟度檔次判定準確率。

2.3.1 判別函數(shù)建立前提條件檢驗

135片鮮煙各顏色值指標間的描述統(tǒng)計結(jié)果見表5?？梢钥闯?，L值、a值、b值的均值分別為47.73、-7.46、43.7，且變幅較大。由峰度系數(shù)和偏度系數(shù)可以看出各指標均接近正態(tài)分布。對135片鮮煙各顏色值指標進行相關(guān)分析（表6），各顏色值指標間的相關(guān)系數(shù)均小于0.8，指標之間不存在多重共線性[23]。由表7可以看出，L、a、b 3種顏色值的Wilks的 Lambda值均接近0，各顏色值組間差異有統(tǒng)計學(xué)意義( P ＜ 0.05)，組均值不等，判別分析有意義。由以上結(jié)果可知，烤煙各顏色值變量接近正態(tài)分布且各顏色值間相關(guān)性較弱，滿足判別分析的前提條件[23]。

表5 鮮煙總樣本的顏色值描述統(tǒng)計Tab. 5 Descriptive statistics of leaf color parameters

表6 各顏色值指標間簡單相關(guān)分析Tab. 6 Correlation analysis between leaf color parameters

表7 顏色值組均值的均等性的檢驗Tab. 7 Color parameters group mean uniformity test

2.3.2 判別函數(shù)的建立

要建立判別效果較好的判別函數(shù)，需要從自變量中篩選出對判別函數(shù)貢獻較高的變量，對3種顏色值指標進行逐步判別分析，3種顏色值指標全部進入判別方程，b值貢獻最高，其次為a值，L值貢獻最低（見表8）。將不同成熟度檔次鮮煙依次編號為1~9，然后將其與所對應(yīng)的鮮煙顏色值錄入SPASS19.0，通過判別分析最終得到不同成熟度檔次的Fisher線性判別函數(shù)分別為：

作判別時，將未知成熟度檔次鮮煙3種顏色值指標分別代入各判別函數(shù)，計算函數(shù)值，哪個函數(shù)值最大，就說明該鮮煙屬于哪個成熟度檔次。

表8 逐步判別分析篩選的變量Tab. 8 Selected variables of stepwise discriminant analysis

2.3.3 判別效果檢驗

利用所建立的判別函數(shù)采用交互驗證法對135個煙葉樣本進行回判。由表9結(jié)果表明，XM2、CM2和BM2各有一個樣本判給了其他成熟度檔次，正確率均為93.3%，BM3有兩個樣本判給了其他成熟度檔次，正確率為86.7%，其余各成熟度檔次正確率均為100%?？偟某墒於葯n次判斷正確率為96.3%。具有實際應(yīng)用效果的判別函數(shù)不僅需要高準確率的回判，還需要有高準確率的前瞻性預(yù)測。分別選取5個各成熟度檔次鮮煙新樣本，將其相應(yīng)的顏色值代入判別函數(shù)。CM2處理新樣品有一個誤判為BM2，判斷準確率為80%；BM3處理新樣品有一個誤判為CM3，判斷準確率為80%；其余各處理判別情況與實際結(jié)果完全一致。所有新樣品的判別準確率為95.6%。

表9 不同成熟度處理檔次回判分析Tab. 9 Results of re-discriminant analysis of different maturities

表10 不同成熟度處理檔次前瞻性預(yù)測Tab. 10 Results of prospective prediction in different maturities

3 討論

本試驗研究結(jié)果表明，不同部位不同成熟度鮮煙色素含量和顏色值不同，隨著鮮煙成熟度的提高，類胡蘿卜素和葉綠素總量呈現(xiàn)降低趨勢，L值、a值、b值呈現(xiàn)升高趨勢，且同一部位不同成熟度檔次處理間各色素含量和各顏色值差異均顯著，與張軍剛等[14]研究結(jié)果相同，主要是因為隨著鮮煙成熟度的提高，煙葉對可見光的吸收減弱，反射增強[11]，葉內(nèi)類胡蘿卜素和葉綠素逐漸降解，且葉綠素的降解幅度大于類胡蘿卜素，類葉比不斷增大，黃色程度不斷升高，從而使得葉片亮度逐漸升高，綠色逐漸褪去，黃色逐漸顯現(xiàn)。但由于不同品種的鮮煙素質(zhì)和采收成熟度檔次葉色不同，同一鮮煙成熟度檔次，色素含量和顏色值與其研究結(jié)果均存在差異。同一成熟度檔次不同部位鮮煙顏色值結(jié)果表明，隨著部位的升高，煙葉總體呈現(xiàn)亮度降低、綠色減弱、黃色增強的趨勢，與不同部位煙葉設(shè)置的采收黃綠面積相吻合，說明顏色值較準確地反映了不同部位不同成熟度鮮煙外觀顏色。鮮煙在成熟過程中煙葉的顏色變化實質(zhì)就是煙葉組織內(nèi)類胡蘿卜素及葉綠素含量及比例變化的外觀反映[11]。徐照麗[8]、李佛琳[10]等，曾通過測量鮮煙的色素含量判斷鮮煙成熟度檔次，但色素含量在實驗室的測定存在一定的滯后性，無法及時反映田間鮮煙的成熟情況。通過對不同成熟度鮮煙顏色值與色素含量相關(guān)分析發(fā)現(xiàn)，鮮煙顏色值與色素含量關(guān)系密切，與張麗英[12]、張軍剛[14]、霍開玲[16]等研究結(jié)果相同。

不同成熟度檔次處理各顏色值指標范圍較小，在烤煙生產(chǎn)實際煙葉采收中，鮮煙3種顏色值指標不一定都在同一成熟度檔次處理范圍內(nèi)。通過鮮煙顏色值建立了不同部位不同成熟度的Fisher線性判別函數(shù)，并采用交互驗證法及前瞻性預(yù)測對建立的判別函數(shù)進行檢驗，判別函數(shù)能夠準確地判別鮮煙成熟度檔次，且與李佛琳建立的TMDSPADV成熟度判別模型相比，準確率更高，而且色差計與SPAD計相比，反射率穩(wěn)定性強，受環(huán)境因素的影響小。由于試驗過程中判別函數(shù)建立的樣本數(shù)量及檢驗函數(shù)的樣本數(shù)量偏少，在實際應(yīng)用過程中需考慮增加模型建立和檢驗的樣本數(shù)量，以提高鮮煙成熟度判別函數(shù)應(yīng)用性。不同烤煙品種的成熟度采收標準存在差異，對于其他烤煙品種，若各部位采收標準相同，則可直接應(yīng)用此模型進行成熟度判別，當采收標準存在差異時，也可通過此方法建模。

4 結(jié)論

烤煙不同部位隨著鮮煙成熟度的提高，L值、a值、b值3種顏色值均不斷升高，這與煙葉葉色變化和色素含量變化趨勢相吻合，且各顏色值指標與色素含量相關(guān)性有高度統(tǒng)計學(xué)意義，顏色值可作為判別鮮煙成熟度的量化指標。

基于顏色值建立鮮煙成熟度判別函數(shù)，能夠判別采收鮮煙成熟度檔次，且判別正確率較高。該判別函數(shù)法可作為一種準確判別鮮煙成熟度的新方法。

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：GAO Xianhui, WANG Songfeng, SUN Shuaishuai, et al. Study on color space data-based discriminating functions of fresh tobacco at various mature stages[J]. Acta Tabacaria Sinica, 2017, 23(1)

*Corresponding author. Email：sunfushan@caas.cn

Study on color space data-based discriminating functions of fresh tobacco at various mature stages

GAO Xianhui1,2, WANG Songfeng1, SUN Shuaishuai3, SUN Fushan1*, WANG Yong4, CHENG Sen5，LU Xiaohua5, YIN Hong4,GAO Jun4, SUN Yangyang1,2, ZHOU Ping1,2, YAN Kailong1
1 Key Laboratory of Tobacco Biology and Processing, Ministry of Agriculture, Tobacco Research Institute of CAAS,Qingdao 266101, Shandong, China;2 Graduate School of Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081, China;3 China Tobacco Shandong Industrial Co., Ltd., Jinan 250100, China;4 Sichuan Liangshan Prefectural Tobacco Company, Xichang 615000, Sichuan, China;5 Shanghai Tobacco Group Co, Ltd, Shanghai 200082, China

In order to explore quantitative index of fresh tobacco leaf maturity, and to improve accuracy rate of maturity, Honghuadajinyuan was used to investigate changes of color parameters and pigment contents during maturing process and their correlation, and a discriminant function based on color parameters was established. Results showed that with increase of maturity, L value, color parameters of both a and b values were increased in X、C、B three parts, which is consistent with leaf color change and pigment content change trend. Color parameter had signi fi cantly positive correlation with index and pigment content, and color parameter could be used as a quantitative index to distinguish fresh tobacco maturities. Maturity degree of tobacco leaves could be predicted based on quantitative discriminant model,which was constructed by L, a, b. Accuracy rate of prediction by cross validation method reached 96.3%, and the discriminant accuracy of new samples reached 95.6%.Color parameter and its discriminant function proved to be applicable as a new technology to determine tobacco leaf maturity.

fl ue-cured tobacco; maturity; pigment; color parameter; discriminant analysis

高憲輝，王松峰，孫帥帥，等. 鮮煙成熟度顏色值指標及其判別函數(shù)研究[J]. 中國煙草學(xué)報，2017,23（1）

中國煙草總公司四川省公司科技重點項目“提高煙葉密集烘烤質(zhì)量綜合配套技術(shù)集成與推廣”（SCYC201402004）；四川省煙草公司涼山州科技項目“可調(diào)容量新型電熱密集烤房研制技術(shù)”；上海煙草集團有限責(zé)任公司科技項目“烤煙密集烘烤采烤技術(shù)優(yōu)化與推廣”（SZBCW201500844）

高憲輝(1992—)，碩士，在讀研究生，主要研究方向為煙草調(diào)制與加工， Email：460510702@qq.com

孫福山(1964—)，研究員，主要研究方向為煙草調(diào)制與加工， Email：sunfushan@caas.cn

2016-10-08；< class="emphasis_bold">網(wǎng)絡(luò)出版日期：

日期：2017-01-25