基于CIE-Lab及RGB顏色空間的馬鈴薯塊莖酶促褐變程度評價

羅有中，劉全亮，李珍妮，羅 磊，姚晏紅，王 娟，滿正行，2

（1.定西市農業科學研究院，甘肅 定西 743000；2.西北民族大學，甘肅 蘭州 730000）

馬鈴薯（Solanumtuberosum）栽培歷史悠久，是世界四大糧食作物之一，產量僅次于小麥、水稻和玉米[1]。馬鈴薯產量高、營養價值豐富，其塊莖富含碳水化合物、蛋白質、維生素C、礦物質元素等多種營養物質，是谷類作物的優良替代品[2]。隨著消費者生活方式的轉變及對便利性需求的提升，市場對微加工馬鈴薯的需求越來越大。然而，微加工的馬鈴薯極易發生酶促褐變[3]，對馬鈴薯加工業的發展產生了嚴重影響。馬鈴薯中的酶促褐變只有在細胞破壞之后才能發生，有氧條件下，是由氧化還原酶多酚氧化酶（Polyphenol oxidase，PPO）和過氧化物酶（Peroxidase，POD）共同參與的酚類化合物的氧化過程[4]。該過程會產生大量的黑色物質，不但降低了馬鈴薯的風味和營養價值，而且嚴重影響了消費者的接受度。

目前，利用數字圖像比色法研究酶促褐變反應已在馬鈴薯、蘋果、梨、香蕉等農產品上得到了廣泛的應用[5-7]。馬鈴薯發生酶促褐變后，有色物質會沉積在組織中，顏色顯得暗淡。物體的顏色可以被分為RGB（紅、綠、藍）、CIE-Lab（明度、綠度、黃度）、CIE-LCH（明度、色度、色調）等多個色彩空間[8]。在這些色彩空間中，RGB 和CIE-Lab 顏色空間易于使用[9]。因此，本研究結合RGB 和CIE-Lab 色彩空間之間的差異，對77個性狀優良的馬鈴薯品種（系）進行研究，以揭示不同馬鈴薯品種（系）的酶促褐變情況并對其進行評價、分類。建立的馬鈴薯品種間酶促褐變差異快速評估方法，可為馬鈴薯抗酶促褐變育種及加工業發展提供可靠依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

選用77個馬鈴薯主栽品種（系）為試驗材料，具體情況見表1。于2021年4月下旬種植在甘肅省定西市農業科學研究院科研創新基地，于9月中旬收獲。

表1 77個供試馬鈴薯品種（系）Tab.1 77 tested potato varieties(lines)

1.2 試驗方法

1.2.1 樣品預處理

選擇同一品種質量較好、外觀特征（大小、顏色和形狀）接近的樣品，用不銹鋼刀對半橫切馬鈴薯塊莖進行試驗預處理。試驗于普通實驗室進行，所有品種均在同一條件下處理及取樣，以避免環境因素對研究結果的影響[10]。

1.2.2 圖像采集

將預處理的馬鈴薯塊莖放在黑色背景布上，用相機對馬鈴薯塊莖有效區域進行圖像采集。為確保圖片命名準確，按拍攝時間讀取和馬鈴薯品種一致，使用了Excel、記事本及命令行模式下Bat 批處理更名等辦法，保證照片相機自動命名和馬鈴薯品種名稱的高度一致性轉換。

1.2.3 圖像信息分析

使用相機拍照，將更名后獲得的原始圖像傳輸到計算機不同時間段文件夾，利用python 編寫的程序提取實時拍照時間，并對每個樣品的有效色彩空間值用numpy 子模塊計算平均值，獲得的平均值作為樣品顏色RGB 和CIE-Lab 的參數。分析步驟：第一步，用labelimg主模塊對圖像最具代表性的區域手工進行數字化標注；第二步，利用pillow 主模塊和numpy子模塊把原始圖像exif時間信息以及標注后所有像素點的相關指標統計結果寫入Excel 文件；第三步，以統計結果作為獲得的基礎數據。

1.2.4 褐變程度的測定

測量置于室溫下不同時間（0 h、7 h 和21 h）的馬鈴薯橫切面顏色，取平均值作為測定值用于測定R、G、B和L*、a*、b*值。基于明度值L*（L*=-100～100；顏色越深L*越小）計算塊莖的酶促褐變程度。為了消除不同品種（系）間馬鈴薯組織的顏色對計算結果的干擾，酶促褐變程度以0 h 為對照，取其相對值，不同時間相對酶促褐變程度計算公式為：

式中：n＝0 h、7 h、21 h。

1.2.5 數據處理

利用Excel 2016 對數據整理及計算，SPSS 26.0 進行聚類分析。

隸屬函數U(Xij）＝(Xij-Xmin)/(Xmax-Xmin)。式中U(Xij）表示第i個品種第j個指標的隸屬函數值，Xij為指標測定值，Xmax、Xmin分別為所有參試品種中第j 個指標測定值的最大值和最小值。

相應R、G、B比率的測定：

2 結果與分析

2.1 馬鈴薯品種(系)塊莖切面在不同時間的酶促褐變程度

對77個馬鈴薯品種（系）塊莖橫切后，發生的酶促褐變表型見圖1。

圖1 77個馬鈴薯品種（系）塊莖橫切后不同時間酶促褐變表型Fig.1 The enzymatic browning phenotypes of 77 potato varieties(lines)after cutting

圖1 顯示，不同馬鈴薯品種（系）表現出不同程度的酶促褐變，在切片后放置的過程中馬鈴薯切片的色澤會隨時間變化呈現不同的褐變。品種間的色澤差異可能是不同馬鈴薯中綠原酸的含量不同，而放置過程中色澤的黑化主要是塊莖中的綠原酸與金屬離子反應生成穩定的化合物所致。馬鈴薯切片的褐變主要是因為切片過程中產生機械傷，會打破馬鈴薯的氧化還原平衡，從而導致活性氧的大量產生，引起褐變發生。馬鈴薯切片暴露于空氣中的時間越長，細胞內部降解的蛋白質越多，褐變越明顯。

2.2 馬鈴薯品種(系)酶促褐變性狀的聚類分析

利用馬鈴薯切面組織酶促褐變程度數據進行聚類分析，分析時在歐氏距離為10 處將77 個馬鈴薯品種劃分為4 個類別（I～IV），分析結果見圖2。

圖2 77個馬鈴薯品種（系）酶促褐變聚類分析Fig.2 Dendrogram of 77 potato varieties(lines)for enzymatic browning

由圖2 可以看出：第I 類酶促褐變程度最嚴重，第II 類次之，然后是第III 類，第IV 類的酶促褐變程度最小。第I 類為極易酶促褐變的品種，有2 個品種，分別為閩中101 和青薯9號；第II類為易酶促褐變的品種，有33個品種，分別為華頌34號、隴薯7號、東農321、華頌7號、凱薯2號、青薯10號、京張2號、隴薯16 號、龍薯4 號、中薯41 號、甘農薯9 號、中薯28 號、京張1 號、LK99、大豐8 號、麗薯6 號、黔渝8 號、莊薯4 號、愛蘭1 號、隴薯6 號、大豐11 號、華薯1 號、寧薯16 號、冀12、凱薯1 號、隴薯9 號、隴薯10 號、龍薯12 號、天薯14 號、中薯45號、隴薯11號、大豐9號、甘引2號；第Ⅲ類屬于中度易酶促褐變，有23 個品種，分別為中薯21 號、定薯3 號、中薯31 號、東農310、隴薯5號、冀14、中薯20號、莊薯3號、隴薯20號、希森1 號、冀20、定薯5 號、天薯15 號、榆薯5 號、中薯35 號、東農322、并薯26 號、隴薯22 號、麗薯15 號、天薯13 號、宣薯4 號、冀22、宣薯05-320；第Ⅳ類屬于不易酶促褐變，有19 個品種，分別為黔渝7 號、愛蘭6 號、中薯19 號、中薯18 號、云薯901、大豐6號、天薯12號、麗薯3號、榆薯3號、寧薯18號、新大坪、壩薯10 號、寧薯17 號、里外黃、隴薯15 號、隴薯14 號、定薯4號、甘農薯7號、隴薯19號。分類基本與表型一致。

2.3 酶促褐變過程中CIE-Lab值變化和隸屬函數排名

馬鈴薯塊莖在空氣中暴露的時間越長，酶促褐變程度越高，酶促褐變程度值越大，顏色越深。數據顯示，0～21 h 馬鈴薯切面L*值和b*值有明顯的下降，相反a*值呈現先降低后上升趨勢；0～7 h 馬鈴薯的酶促褐變速率明顯高于7～21 h，77個馬鈴薯品種（系）酶促褐變過程中CIE-Lab 值變化和隸屬函數排名見表2。由表2 可以看出，第I類極易酶促褐變品種的隸屬函數值排名為1 和2；第II 類易酶促褐變品種排名在3～35；第III 類中度易酶促褐變品種排名在36～58；第IV 類不易酶促褐變品種排在59～77。另外，部分酶促褐變程度為負值，這可能是馬鈴薯淀粉附著于橫切面導致，但沒有影響到酶促褐變程度總體的變化趨勢。

2.4 酶促褐變過程中RGB值變化

隨著酶促褐變程度的加深，R、G、B值也發生不同程度變化。R和G值均呈現下降趨勢，其下降速率與聚類分析基本保持一致，為第I類＞第II類＞第III類＞第IV 類，但是B值變化趨勢沒有顯著的規律性，具體情況見表3。由上述結果可知，相較于B值，R值和G值在預測馬鈴薯的酶促褐變程度時可能更加有效。

在酶促褐變過程中，2 個紅色比率（RR）、2 個綠色比率（GR）和2 個藍色比率（BR）均受到影響。在綠色比率中G/R變化不明顯，而G/B呈下降趨勢，與酶促褐變趨勢保持一致；紅色比率中，R/B的線性關系更好地說明了酶促褐變情況。在藍色比率中，B/G與B/R值的區別不大，對反應酶促褐變情況不是很明顯。

3 結論

酶促褐變會嚴重影響果蔬色澤。研究表明，果蔬酶促褐變一般是由PPO 和POD 為主的酶引起的酶促褐變[11，12]。目前，酶促褐變的測定方法主要有人工觀察法[13]、分光光度計測量法[14]和測色儀法[15]。圖像分析系統在果蔬顏色中得到廣泛的應用，顏色變化與質量變化高度一致，可用于量化果蔬的顏色[16]。馬鈴薯不同于其他果蔬，它含有大量的淀粉，隨著酶促褐變時間越久，淀粉在馬鈴薯橫切面的沉積越多，對切面明度值L*的影響越大。本實驗中選取0～7 h 作為酶促褐變程度的時間點，明度值L*范圍是-100～100，馬鈴薯切面顏色越深，L*值越小，顏色越淺，L*值越大，因此馬鈴薯的酶促褐變程度值可以用L*值的變化來表達。由于大量淀粉附著于馬鈴薯切面，導致酶促褐變程度值出現負值，該現象可以從數據表2中看出。盡管淀粉的存在導致測定的L*值存在一定的誤差，但是結合圖1 中酶促褐變圖片不難看出馬鈴薯的酶促褐變趨勢與L*值保持一致。有研究表明，在芒果成熟過程中，通過使用RGB和CIE-Lab 兩色彩空間，證實了果實成熟過程的色彩變化[17]。而在馬鈴薯發生酶促褐變時，R、G、B值都能隨酶促褐變加深，逐漸降低，而且綠色比率G/B呈下降趨勢，在紅色比率中，R/B具有更好的線性關系，都可以作為酶促褐變的程度的依據。但是藍色比率中，B/G與B/R值的酶促褐變情況關系并不明顯。本研究表明，馬鈴薯的酶促褐變用普通數碼照相個人電腦數據提取法中RGB 和CLE-Lab的值相結合，更能夠準確反映馬鈴薯塊莖橫切面酶促褐變情況，具有比測色儀更加豐富的參考依據。

本研究將77 個馬鈴薯品種（系）分為4 種類型，分別為極易酶促褐變品種（I）、易酶促褐變品種（II）、中度易酶促褐變品種（III）和不易酶促褐變品種（IV），應用隸屬函數排名，得到了閩中101 和青薯9 號兩個極易酶促褐變的品種。該結果與陳明俊等[18]對27 份馬鈴薯種質材料褐變規律青薯9 號酶促褐變程度高于隴薯12 號和麗薯6 號的研究結果相一致，本研究結果LK99 的酶促褐變隸屬函數值16 優先隴薯6 號的隸屬函數值22，也與趙萍等[19]對8 個馬鈴薯品種不同時期的褐變程度研究結果LK99 褐變強度＞隴薯6 號相一致，通過RGB和CIE-Lab 色彩空間之間的結合，該研究把大批量國內主栽的77個馬鈴薯品種進行了分類，為馬鈴薯育種材料的篩選和馬鈴薯加工原料的篩選提供了依據，也為馬鈴薯的酶促褐變研究提供了更新的理論支撐和便捷的測定技術手段。