基于初烤煙葉表面微觀結構特征的葉片區段劃分

高 輝，楊晶津，李思源，王玉真，劉 靜，汪顯國，劉繼輝，楊盼盼，邱昌桂*，高占勇*

1.云南同創檢測技術股份有限公司，昆明市高新技術產業開發區海源北路1699 號 650106

2.紅云紅河煙草（集團）有限責任公司，昆明市五華區紅錦路367 號 650231

微觀結構是指物質、生物、細胞在顯微鏡下的結構。其中，植物葉片表皮提供的微觀結構特征，可用于植物系統發育和品質形成的相關研究［1-4］。《烤煙》標準利用葉片表皮細胞排列的疏密程度來評價葉片結構，利用細胞密度、煙葉厚度或單位面積質量對其身份進行定義［5］。朱尊權［6］、于華堂等［7］研究表明，葉片表皮細胞呈疏開狀態的煙葉成熟度較好。過偉民等［8-10］、高輝等［11］的研究認為，煙葉表面微觀結構指標與其部分外觀品質、色度和物理特性存在顯著相關性，在評價煙葉成熟度和葉片結構等方面具有重要作用。可見，以細胞形態特征為代表的煙葉表面微觀結構與外觀品質指標密切相關。此外，有關煙葉微觀形態特征的研究還包括不同土壤環境［12-13］、水分條件［14］、品種［15-17］和部位［10］煙葉微觀結構的差異性分析，以及基于煙葉表面微觀結構特征的變化來確定采收成熟度等［18-19］。由于煙葉葉片不同區段的生理特性和在生長過程中接受的光照條件等生態因子不同，致使同一葉片不同區段的內含物質代謝狀況不同［20-21］，最終導致煙葉葉片不同區段的化學成分含量［22-25］和物理耐加工性能［26］等存在較大差異。在煙葉原料分段打葉復烤中較科學、合理的煙葉分切方法研究方面，祁林等［24］以石油醚提取物作為評價指標，采用傳統的聚類方法對煙葉不同區段進行了劃分；龍明海等［27］以近紅外光譜信息的主成分綜合得分作為評價指標結合Fisher 最優分割法對煙葉區段進行了劃分；高輝等［28］基于初烤煙葉不同區段的色差參數變化，利用Fisher 最優分割法對煙葉區段進行了劃分。但基于煙葉表面微觀結構特征差異對葉片區段進行劃分的研究尚鮮見報道。為此，以掃描電鏡圖像的PHOTOSHOP 軟件量化處理為手段，分析云煙87 B2F、C3F 初烤煙葉不同區段表面微觀結構特征指標的變化，并基于不同區段表面微觀結構特征的差異利用Fisher 最優分割法對煙葉進行劃分，最后通過感官評吸驗證分切后各區段葉片之間感官品質的差異性，旨在為煙葉合理分切和差異化打葉復烤提供依據。

1 材料與方法

1.1 材料、設備和儀器

以2019 年云南昆明產云煙87 B2F 和C3F 初烤煙葉作為試驗材料，分別選取約5 kg 顏色均勻一致，無青雜色、病斑和破損的煙葉以供電鏡觀測和感官評吸。

G2 Pro 臺式掃描電子顯微鏡（荷蘭PHENOM公司）；QS-1 試樣切絲機（鄭州中煙科技開發有限公司）；AB204-S 型電子天平（感量0.000 1 g，瑞士Mettler Toledo 公司）；KBF 540 恒溫恒濕箱（德國Binder 公司）。

1.2 方法

1.2.1 試驗樣品制作

從2 個部位的煙葉樣品中各選取10 片置于（20±1）℃、相對濕度為65%±2%的恒溫恒濕箱中平衡48 h。先切除無葉片的葉柄部分，再利用刻度尺測量每片煙葉的長度，并根據葉長將其平均分成10 個區段（圖1），然后沿主脈測量并記錄每個區段中心點到葉基端的距離，最后再利用裁紙刀將其分切成10 段，B2F 和C3F 煙葉從葉基到葉尖的10 個區段依次標記為B1～B10、C1～C10。

圖1 葉片分切方法示意圖Fig.1 Schematic diagram of 10 segmented leaf areas

1.2.2 煙葉表面掃描電鏡圖像采集

按照文獻［11］的方法和要求采集2 個部位煙葉不同區段葉片正面的掃描電鏡圖像。

1.2.3 煙葉表面掃描電鏡圖像處理

參照文獻［8］的方法利用PHOTOSHOP 16.0對掃描電鏡圖像中的細胞面積和周長進行量化處理，并計算細胞形態因子。

細胞形態因子是反映細胞形狀與圓形相差的程度及不規則程度，其數值越大，表示形狀偏離圓形越遠，形狀越不規則［29］。

按照文獻［30］中的方法計算氣孔密度和氣孔指數。

1.2.4 分切煙葉感官品質評價

2 個部位的煙葉經Fisher 最優分割法分析后，再各自選取若干片，根據最優分割比例對煙葉進行分切、去梗和切絲。按照文獻［31］中的方法制作感官評吸樣品，并采用三點檢驗法［32］評價分切葉片間的感官品質。

1.2.5 數據分析

利用Microsoft Excel 2010 對煙葉表面微觀結構特征指標隨區段位置的變化進行回歸分析。利用R 語言中的scale 函數對原始數據進行標準化處理。利用Fisher 最優分割法對煙葉區段進行劃分。

2 結果與討論

2.1 煙葉不同區段表面微觀結構特征指標的變化

云煙87 B2F 和C3F 煙葉10 個區段表面微觀結構特征指標的變化趨勢如圖2 所示，其中C3F煙葉不同區段表面細胞形態的部分掃描電鏡圖片見圖3。由圖2 可以看出，從葉基到葉尖，細胞面積、細胞周長和細胞形態因子呈先增大后減小的拋物線形變化趨勢，細胞密度和氣孔密度呈先降低后升高的拋物線形變化趨勢，氣孔指數總體呈線性增加的趨勢。回歸方程的擬合度均較高（R2≥0.878 0），且回歸方程經方差分析檢驗均達到極顯著水平（P<0.01）。葉基部和葉尖部的細胞面積、周長相對較小，形狀相對較規則，細胞密度和氣孔密度較高；葉中部的細胞面積、周長較大，形狀較不規則，細胞密度和氣孔密度相對較低。煙葉不同區段表面微觀結構特征存在差異的主要原因可能是由于不同區段的生理特性以及在生長過程中所受的光照條件等生態因子不同，致使其內含物質積累量不同［20-21］，最終導致煙葉不同區段的品質、物理特性和表面微觀結構特征也存在差異。

圖2 云煙87 B2F 和C3F 煙葉不同區段表面微觀結構指標的變化Fig.2 Variation trends of surface microstructure indexes for different segments of B2F and C3F tobacco leaves of Yunyan 87

圖3 云煙87 C3F 煙葉10 個區段葉片表面的掃描電鏡圖Fig.3 Scanning electron microscopy pictures of 10 segments of C3F tobacco leaves of Yunyan 87

成熟度好的煙葉細胞形狀不規則程度較高，葉片結構相對疏松的煙葉細胞密度較大，身份相對適中的煙葉氣孔密度較小［6-8］。本試驗結果表明，葉片中部的成熟度較好，身份適中，葉片結構的疏松度相對較差；葉基部和葉尖部的成熟度相對較差，身份偏薄，而葉片結構的疏松度較好。

此外，從云煙87 的B2F 和C3F 初烤煙葉相同區段表面微觀結構指標均值可以看出，細胞面積、細胞周長、氣孔密度、氣孔指數總體存在B2F >C3F的趨勢，細胞形態因子、細胞密度總體存在C3F >B2F 的趨勢。由于不同部位煙葉自身生理特性、生長狀況及光照條件的差異，導致部位間葉片的物理特性存在較大差異。中部葉的成熟度及疏松度高于上部葉，且身份適中，油潤感較強，因此在表面微觀結構上，中部葉的細胞面積、細胞周長小于上部葉，而細胞密度、細胞形態因子則大于上部葉，部位間葉片表面微觀結構的變化趨勢與過偉民等［10］的研究結果一致。

2.2 基于表面微觀結構特征和Fisher 最優分割法的煙葉區段劃分

2.2.1 表面微觀結構指標數據標準化處理

云煙87 B2F 和C3F 煙葉不同區段表面微觀結構指標的標準化結果見表1。

2.2.2 煙葉區段直徑計算

Fisher 最優分割法用“直徑”來表示段內的差異程度，段內差異越小，“直徑”就越小，一般采用離差平方和作為“直徑”［33］。根據表1 中的標準化指標矩陣分別得到云煙87 B2F 和C3F 煙葉不同區段的“直徑”，結果見表2。

表1 云煙87 B2F 和C3F 煙葉不同區段表面微觀結構指標的標準化值Tab.1 Standardized values of surface microstructure indexes of different segments of B2F and C3F tobacco leaves of Yunyan 87

表2 云煙87 B2F 和C3F 煙葉不同區段“直徑”計算結果Tab.2 Diameters of different segments of B2F and C3F tobacco leaves of Yunyan 87

2.2.3 煙葉不同分類數最小目標函數計算和分類

根據不同區段“直徑”的計算結果（表2），按照文獻［34］中的方法得到云煙87 B2F 和C3F 煙葉10 個區段不同分類數k的最小目標函數值e［p（n，k）］和具體分類情況，結果見表3。

表3 云煙87 B2F 和C3F 煙葉不同分類數的最小目標函數值及分類Tab.3 Minimum objective function and classification of different k values of B2F and C3F tobacco leaves of Yunyan 87

2.2.4 煙葉最優分類數確定

根據表3 繪制出云煙87 B2F 和C3F 煙葉最小目標函數值e［p（n，k）］與分類數k值的關系圖（圖4）。由圖4 可見，最小目標函數值e［p（n，k）］隨k值單調遞減。

圖4 云煙87 B2F 和C3F 煙葉最小目標函數e［p（n，k）］與k 值的關系Fig.4 Relationship between the minimum objective function e［p（n，k）］and k value of B2F and C3F tobacco leaves of Yunyan 87

B2F 煙葉在k值為3 和4 處出現明顯拐點，所以分3 類或4 類較好。根據文獻［33］通過計算最小目標函數比值β（k）=e［p（n，k-1）］/e［p（n，k）］可知，β（3）=2.970，β（4）=2.461，β（3）>β（4）。因此，k=3時為最優分類數，即B1～B2、B3～B7、B8～B10。此外，按照文獻［34］中的方法計算并比較Fα與F的大小，云煙87 B2F 煙葉分3 段時的F值為24.977，則F>F0.05（F0.05=4.737）。因此，云煙87 B2F 煙葉的最優分割比例（葉基∶葉中∶葉尖）為20%∶50%∶30%。

C3F 煙葉在k值為3 時出現明顯拐點，因此分3 類較好，即C1～C3、C4～C8、C9～C10。經計算云煙87 C3F 煙葉分3 段時的F值為22.717，則F>F0.05。因此，云煙87 C3F 煙葉的最優分割比例（葉基∶葉中∶葉尖）為30%∶50%∶20%。

2.3 分割煙葉感官品質的檢驗

根據上述分析結果，按照分割比例要求對云煙87 B2F 和C3F 煙葉進行分切，不同分切樣品間的感官品質差異性檢驗結果見表4。可以看出，對于云煙87 B2F 和C3F 初烤煙葉，分切后各區段煙葉間的感官品質特征均存在顯著差異，說明葉片表面微觀結構特征結合Fisher 最優分割法能將一片煙葉中品質差異較大的區段有效分開。

表4 云煙87 B2F 和C3F 分割煙葉的感官品質差異性檢驗Tab.4 Difference examination of sensory quality of segmented B2F and C3F tobacco leaves of Yunyan 87

3 結論

①煙葉不同區段的表面微觀結構特征總體存在一定差異，從葉基到葉尖，細胞面積、細胞周長和細胞形態因子量化值呈先增大后減小的拋物線形變化趨勢，細胞密度和氣孔密度呈先降低后升高的拋物線形變化趨勢，氣孔指數總體呈線性增加趨勢。②基于標準化的微觀結構指標數據，利用Fisher 最優分割法確定了云煙87 的B2F、C3F 煙葉的最佳分割比例（葉基∶葉中∶葉尖），B2F 為20%∶50%∶30%，C3F為30%∶50%∶20%。③2個部位煙葉分切后各區段間的整體感官品質特征均存在顯著差異，葉片表面微觀結構特征結合Fisher 最優分割法能將同一片煙葉品質差異較大的區段有效分開。