不同組別初烤煙葉表面顏色參數及反射光譜特征分析

田陽陽，楊亞麗，溫 健，馮佳薇，陳 超，傅 皓，宋 成，伍顯祿

[1. 紅塔煙草（集團）有限責任公司，云南 玉溪 653100；2. 玉溪師范學院化學生物與環境學院，云南 玉溪 653100]

烤煙分組是依據煙葉著生部位、顏色以及其他總體質量相關的某些特征，將同一類型的煙葉進一步劃分[1]，煙葉顏色是烤煙分級國標中除部位外的第2 分組因素，由光澤強度、顏色飽和度和均勻程度共同呈現[2]。烤煙表面顏色會因為生態區域[3]、栽培措施[4]、調制技術[5]和品種[6]的影響而產生不同程度的差異，同一區域的煙葉由于部位、成熟度、品種等因素的影響，煙葉表面顏色也存在一定的差異性[7-9]。近年來，基于分光光譜儀測定顏色空間分布參數的研究已在多領域得到廣泛應用[10-11]，L*、a*、b*和C*的顏色空間分布參數（CIE 1976）與人體視覺對顏色的感覺相一致[12]，利用此參數體系來表征顏色指標具有一定的指導意義。基于顏色參數與煙葉物理特性研究主要化學成分和感官質量相關關系的報道較多[13-15]，但關于初烤煙葉8 個主組的煙葉表面顏色參數和光譜特征的分析鮮有報道。隨著現代儀器科學和感官評價學科的發展，有研究者運用計算機圖像處理技術和色度學相關理論提取煙葉表面顏色信息，建立烤煙計算機視覺自動分級系統[16-17]，雖然在實際應用中自動化分級與42級國標之間存在一定程度的不對等情況，但實現自動化分組對工業特需品種采購和均質化加工仍具有重要意義[18]。研究以玉溪煙區K326 品種的8 個主組煙葉為材料，借助分光光譜儀分析組別間的煙葉表面顏色空間分布參數和光譜特征之間的差異，為烤煙收購和工業均質化加工時組別區分提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

2019 年收集玉溪市9 個縣（市、區）當年生產的K326 初烤煙葉，樣品包含上、中、下3 個部位的煙葉，分為檸檬、橘黃、紅棕3 個基本色。樣品收集后，由紅塔集團抽調評級專家，按照GB 2635—92 制作上部橘黃（BF）、上部檸檬黃（BL）、上部紅棕（BR）、中部橘黃（CF）、中部檸檬黃（CL）、下部橘黃（XF）、下部檸檬黃（XL）和完熟葉組（HF）8 個主組煙葉樣品，每個組別樣品30 片，共計240 片樣品。

1.2 檢測方法

煙葉表面顏色空間分布參數以及表面反射光譜的測定采用Ci7800 型分光光譜儀（美國愛色麗公司）進行，測量孔直徑25.4 mm。在烤煙葉片距離葉尖1/3處、1/2 處和距離葉基部1/3 處的主脈與葉緣中間部位各選取2個對稱的點（盡量避開葉脈和殘傷）進行測定。

1.3 數據統計分析

從光譜檢索清單數據視圖中提取出各檢測樣品的光譜數據（360～750 nm），計算紫色（400～450 nm）、藍色（450～490 nm）、綠色（490～560 nm）、黃色（560～590 nm）、橙色（590～630 nm）和紅色（630～700 nm）6個標準顏色波段的反射率，得到各個組別煙葉的反射光譜曲線，并計算反射光譜一階導數，繪制反射光譜一階導數曲線，具體做法為：相鄰2 個光譜之差除以光譜間隔值10 nm，即為第一點的一階導數值。采用Microsoft Excel 2013 進行前期數據處理，采用SPSS 25.0 進行多重比較分析和相關性分析。

2 結果與分析

2.1 不同組別烤煙表面顏色參數特征

由表1 可知，不同部位間，明度（L*）排序為：下部＞中部＞上部，橘黃色組中部葉與下部葉間差異顯著，檸檬色組各部煙葉差異均不顯著；紅度（a*）排序為：上部＞中部＞下部，橘黃色組上部葉與下部葉間差異顯著，檸檬色組上部葉、中部葉均與下部葉差異顯著；黃度（b*）參數特征表明上部葉小于中、下部葉，中下部煙葉差異不顯著；飽和度（C*）排序為：中部＞上部＞下部。相同部位間，檸檬色組的L*大于橘黃色組，上部葉紅棕色組的L*小于橘黃色組；橘黃色組的a*大于檸檬色組，上部葉紅棕色組的a*明度大于橘黃色組；檸檬色組的b*整體大于橘黃色組，但差異不顯著，上部葉紅棕色組的b*小于檸檬色組和橘黃色組；橘黃色組的C*整體大于檸檬色組，但差異不顯著，上部葉紅棕色組的C*顯著小于橘黃色組和檸檬色組。HF 和BR 兩組煙葉表面顏色參數與各部位橘黃色組煙葉和檸檬色組煙葉差異較大，二者相比，HF 的L*和b*顯著大于BR；C*大于BR，a*小于BR，但差異均不顯著。

表1 不同組別初烤烤煙表面顏色參數

2.2 不同組別烤煙表面顏色特征參數變異系數分析

由圖1 可知，各部位橘黃色組煙葉和檸檬色組煙葉L*的變異系數整體較小，其中BR 和HF 組煙葉的變異系數較大；各部位檸檬色組煙葉a*的變異系數均大于相應部位橘黃色組煙葉的，且XL 組的變異系數大于CL和BL組；各組別煙葉b*的變異系數整體較小，其中BR 和HF 組的變異系數較大；除CL 組C*的變異系數小于CF 組外，上部和下部檸檬色組煙葉C*的變異系數均大于橘黃色組煙葉。

2.3 不同組別烤煙表面顏色特征參數相關性分析

由表2 可知，除BF、CF 組外，其他組別烤煙葉的L*與a*呈顯著或極顯著負相關，其中BR 組呈正相關，但相關性不顯著；BF、CF、HF 和BR 這4 個組的L*與b*、L*與C*呈極顯著正相關，BL、CL 和XF 這3 個組的L*與b*、L*與C*相關關系較弱，XL組的L*與C*呈顯著負相關關系；除HF 組的a*與C*呈負相關關系外，其他組別的a*與C*呈顯著或極顯著正相關關系；各組別煙葉的b*與C*均呈極顯著正相關關系。

2.4 不同組別烤煙表面顏色參數聚類分析

將8 個組別樣品表面顏色參數進行標準化轉換后，采用歐氏距離、離差平方和法進行系統聚類分析，聚類結果如圖2 所示。在歐式距離為5 時，可將8 個組別分為3 類，各部位檸檬色組煙葉和XF 為一類，特點為明度和黃度高、紅度和飽和度低；CF 和BF 聚為一類，特點為明度、紅度、黃度居中，飽和度高；BR 和HF 聚為一類，特點為明度、黃度和飽和度低，紅度高。

表2 不同組別烤煙表面煙葉參數相關性分析

2.5 不同組別烤煙表面顏色的光譜分析

如圖3 所示，不同組別煙葉表面顏色平均反射光譜呈現出相似的曲線形態，在360～750 nm 的可見光波長范圍內，隨著波長的增加，反射率整體增大，沒有明顯的高峰和低鋒。8 個組別煙葉表面顏色平均反射光譜呈現出一定的規律排布，除了BL 和XF、CL和XL 反射光譜曲線有部分重合外，其他組別煙葉表面光譜曲線自呈一簇，且表現出一定的次序。以光譜曲線和X 軸圍成的面積來計，BR 和HF 最小，BF 和CF 居中，各部位檸檬色煙葉和XF 煙葉較大。

2.6 不同組別烤煙表面顏色反射光譜數據的聚類分析

將8 個組別樣品表面顏色反射光譜數據進行標準化轉換后，采用歐氏距離、離差平方和法進行系統聚類分析，聚類結果如圖4 所示。在歐式距離為5 時，可將8 個組別分為3 類，各部位檸檬色煙葉和XF 為一類，BF 和CF 聚為一類，BR 和HF 聚為一類，這與表面顏色參數的聚類結果相一致。

圖2 不同組別煙葉表面顏色參數聚類分析

圖3 不同組別煙葉表面顏色的平均反射光譜

圖4 不同組別煙葉表面顏色反射光譜聚類分析

2.7 不同組別烤煙表面顏色在不同顏色波段反射率分析

由表3 可知，不同組別烤后煙葉表面顏色光譜在可見光范圍內的6 波段中的分布比例呈現出相似的規律，均為紅色波段比例最高，隨后依次是橙色波段、綠色波段、黃色波段、藍色波段，紫色波段比例最低。不同組別烤后煙葉表面顏色在橙色、黃色、紫色和藍色波段反射率波動較小，綠色和紅色波段波動較大，表明不同組別煙葉表面顏色的反射率差異主要集中在紅色和綠色波段。

表3 不同組別烤后煙葉表面顏色光譜分波段反射比例 （%）

2.8 不同組別烤煙表面顏色的平均反射光譜一階導數譜圖

為了進一步分析不同組別烤后煙葉表面顏色反射光譜的差異，將各組別可見光范圍內（360～750 nm）表面顏色反射光譜數據以10 nm為單位計算一階導數，繪制不同組別烤后煙葉表面顏色平均反射光譜一階導數譜圖（圖5）。由圖5 可見，各組別烤后煙葉表面顏色反射光譜一階導數譜圖有2 個高峰和1 個低峰，2個高峰分別在510 nm 處綠色波段和680 nm 處紅色波段，1 個低峰在650 nm 處紅色波段。這表明各組別煙葉光譜數據差異主要集中在綠色波段和紅色波段，這與各組別煙葉表面顏色光譜分波段反射比例差異主要集中在綠色波段和紅色波段相一致。各部位橘黃和檸檬色煙葉表面顏色反射光譜一階導數譜圖走勢基本一致，BR 和HF 這2 個組在510～610 nm 波段內一階導數譜圖呈逐漸上升趨勢，與各部位橘黃色組和檸檬色組煙葉一階導數譜圖呈快速下降趨勢有所差異，結合各組別煙葉表面顏色光譜分波段反射比例數據可知，除綠色波段和紅色波段外，BR 和HF 在黃色波段與其他6 個組別有差異，可以作為識別這2 個組別煙葉的依據。

圖5 各組別烤后煙葉表面顏色反射光譜一階導數譜圖

3 結論與討論

煙葉部位和顏色是烤煙分組的2 個重要指標，在該研究中，從下部葉到中部葉，再到上部葉，各組別煙葉表面顏色參數整體呈現出明度逐漸下降，紅度逐漸升高，黃度逐漸下降，飽和度中部最高，上部次之，下部最低的趨勢。這與王改麗等的研究基本一致[19]，但該研究中檸檬色各部位煙葉的明度差異不顯著。從3 個基本色煙葉的顏色參數來看，隨著顏色從檸檬色到紅棕色，明度逐漸降低，紅度逐漸增加，黃度逐漸下降，飽和度橘黃色最高，檸檬色次之，紅棕色最低，與李悅等的研究基本一致[20]。

研究中顏色參數之間的相關性研究表明，除BR和CF 組相關性不顯著外，各組別明度（L*）與紅度（a*）呈顯著或極顯著負相關；中、上部橘黃色組別和上部紅棕組煙葉明度（L*）與黃度（a*）、飽和度（C*）呈極顯著正相關，各部位檸檬色組別及下部橘黃組明度（L*）與黃度（b*）、飽和度（C*）的相關關系較弱；各組別紅度（a*）與黃度（b*）、飽和度（C*）呈正相關關系，但完熟組煙葉呈負相關；各組別黃度（b*）與飽和度（C*）呈極顯著正相關關系。研究中有部分結論與王改麗等[21]對清香型煙葉表面顏色特征參數的相關性分析一致，但筆者研究結果表明了顏色參數的相關性，煙葉部位和基本色之間存在差異。

對不同組別表面顏色參數和反射光譜數據的聚類分析表明，二者聚類結果完全一致，玉溪煙區8 個主組煙葉根據表面顏色參數和反射光譜可分為3 類：各部位檸檬色組和下部橘黃色組為一類，中部橘黃色組和上部橘黃色組為一類，上部紅棕色組和完熟葉組為一類；其中，下部橘黃色組與各部位檸檬色組別煙葉聚為一類，說明下部橘黃煙葉表面顏色特征與各部位檸檬色煙葉顏色特征區分難度較大。

物體表面顏色反射光譜基本不受照明條件和觀察條件以及采集設備的制約，是顏色最準確最全面的描述方式[22]。研究結果表明，在可見光波長范圍內（360～750 nm），隨著波長的增加，反射率逐漸增大，不同組別煙葉表面反射光譜數據差異主要表現在綠色（490～560 nm）和紅色波段（630～700 nm），其他顏色波段差異不大，完熟葉組和上部紅棕組在黃色波段（560～590 nm）的比例要顯著低于其他組別，這與各組別反射光譜一階導數譜圖上表現出的特征一致。因此，完熟葉組和上部紅棕組在黃色波段的反射光譜比例和一階導數譜圖特征可作為其鑒別依據。