基于色差計(jì)技術(shù)區(qū)分不同原藻產(chǎn)地干紫菜(條斑紫菜)*

尚浩江，胡傳明**，周 偉,2

(1.江蘇省海洋水產(chǎn)研究所，江蘇南通 226007；2.江蘇省農(nóng)業(yè)種質(zhì)資源保護(hù)與利用平臺(tái)，江蘇南京 210014)

0 引言

條斑紫菜(Pyropiayezoensis)隸屬于紅藻門(Rhodophyta)紅毛菜科(Bangiaceae)，葉狀藻體呈紫黑或紫褐色?；繛閳A形或心臟形，邊緣有皺褶，細(xì)胞排列整齊，雌雄同株[1]。條斑紫菜作為東亞和東南亞重要的海產(chǎn)品已經(jīng)有幾千年的歷史[2]，它富含蛋白質(zhì)、不飽和脂肪酸、呈味氨基酸與膳食纖維，營(yíng)養(yǎng)豐富，是世界上最具經(jīng)濟(jì)價(jià)值的栽培海藻之一[3]。干紫菜(條斑紫菜)是由條斑紫菜原藻加工而成，是調(diào)味紫菜、烤紫菜等食品的初加工品，也是紫菜專業(yè)交易市場(chǎng)唯一的交易品。

目前受全球氣候變暖的影響，我國(guó)條斑紫菜栽培區(qū)向北擴(kuò)展，栽培主產(chǎn)區(qū)由江蘇南通沿岸海域北移至江蘇北部、山東和渤海灣沿岸海域。紫菜栽培區(qū)的北移使得紫菜栽培面積增大，紫菜產(chǎn)量增加，但同時(shí)也帶來了一些問題，如部分干紫菜加工企業(yè)不按實(shí)際原藻栽培海域填寫“原藻產(chǎn)地”這一重要信息。不但如此，隨著近年來中國(guó)進(jìn)口韓國(guó)紫菜原藻數(shù)量和比例的逐年增加[4]，甚至有的紫菜加工企業(yè)將韓國(guó)產(chǎn)地的紫菜與江蘇產(chǎn)出的紫菜混淆。運(yùn)用現(xiàn)行的干紫菜質(zhì)量評(píng)價(jià)方法[5]，很難通過肉眼鑒別出干紫菜的原藻產(chǎn)地，這嚴(yán)重影響了專業(yè)紫菜交易市場(chǎng)的秩序。

干紫菜是由紫菜原藻加工而來的。由于紫菜的加工工藝屬標(biāo)準(zhǔn)化加工[6]，加工過程沒有發(fā)生熟化，從紫菜原藻加工為干紫菜的過程中顏色變化較小，因此干紫菜的顏色主要由紫菜原藻決定。紫菜原藻顏色是由藻體內(nèi)葉綠素、藻紅蛋白、藻藍(lán)蛋白、類胡蘿卜素等物質(zhì)決定的[7]，這些物質(zhì)在藻體內(nèi)含量與環(huán)境因素有很大關(guān)系，如貧瘠海域條斑紫菜的色素含量低，大部分呈淡黃棕色，與肥沃海區(qū)的藻體顏色有顯著差別[8]。因此，原藻產(chǎn)地是影響干紫菜品質(zhì)的重要因素。

干紫菜顏色差異的分析可以通過色差計(jì)技術(shù)實(shí)現(xiàn)。色差計(jì)是通過標(biāo)準(zhǔn)光源與觀察角度，對(duì)反射光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，從而計(jì)算出相應(yīng)的色度與色差值，相對(duì)全面地反映物體表面的色彩與光澤。色差計(jì)技術(shù)主要是通過International Commission on Illumination (CIE)制定的L*a*b*色空間原理來反映物體的顏色及色差。目前色差計(jì)技術(shù)和L*a*b*原理在農(nóng)業(yè)和食品領(lǐng)域中已有較多的研究及應(yīng)用，如用于確定肉類顏色對(duì)消費(fèi)者購(gòu)物趨向的影響[9]；分析生產(chǎn)因素和肌肉性狀對(duì)羊肉L*a*b*值的影響[10]；測(cè)定蘋果受損部位和氧化部位的顏色與果肉硬度、沖擊高度以及蘋果品種的相關(guān)性[11]；預(yù)測(cè)烏姆桑椹果實(shí)在加工過程中花青素的降解情況[12];對(duì)庫(kù)爾勒香梨果實(shí)進(jìn)行分級(jí)并確定適宜采摘時(shí)間[13]；確定蠶豆外皮、子葉顏色與總游離酚類物質(zhì)、總單寧和原花青素含量的關(guān)系[14]；測(cè)定小麥面粉的色澤[15]等。但是目前未見運(yùn)用色差計(jì)技術(shù)進(jìn)行干紫菜色差研究的相關(guān)報(bào)道。

本研究運(yùn)用色差計(jì)技術(shù)結(jié)合多元變量分析對(duì)不同原藻產(chǎn)地干紫菜進(jìn)行分析，探索不同原藻產(chǎn)地干紫菜的顏色差異，探討光譜反射率的特征差異，擬為不同原藻產(chǎn)地干紫菜的科學(xué)鑒定提供技術(shù)支撐，為干紫菜的顏色分類奠定科學(xué)基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材料

干紫菜(條斑紫菜)分別于2018年2月1日購(gòu)自江蘇省如東縣天一紫菜交易市場(chǎng)，2018年2月2日購(gòu)自江蘇省海安縣紫菜交易市場(chǎng)，干紫菜尺寸為210 mm×190 mm。干紫菜的原藻產(chǎn)地分別為江蘇南部的竹根沙(zgs)、蔣家沙(jjs)、高泥(gn)、東沙海區(qū)(ds)和山東威海海區(qū)(wh)。干紫菜樣品共62份，每份樣品20張，樣品密封后放入-20℃冰箱保存?zhèn)溆谩?/p>

1.2 方法

1.2.1 L*、a*、b*色度值測(cè)量

采用柯尼卡CM-700D色差計(jì)對(duì)62份干紫菜樣品進(jìn)行測(cè)量，采用Spectra Magic NX軟件計(jì)算L*、a*、b*色度值。測(cè)量前先對(duì)色差計(jì)進(jìn)行校零和白板校正，且測(cè)量過程中保持周圍光強(qiáng)、溫度和濕度一致，確保測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性[16]。測(cè)量方式為每份干紫菜隨機(jī)抽取6張，相互重疊防止漏光，每張干紫菜隨機(jī)抽取6個(gè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量采用?3 mm的目標(biāo)罩，選擇10°角標(biāo)準(zhǔn)觀察者(CIE1964)，光源為D65標(biāo)準(zhǔn)光源，采用SCI模式(包含鏡面反射光)，采集得到反射光譜360—740 nm波長(zhǎng)處的吸收值(即在360-740 nm的光譜反射率)，

L*=116(Y/Y0)1/3-16，

a*=500[(X/X0)1/3-(Y/Y0)1/3],Y/Y0>0.01，

b*=200[(Y/Y0)1/3-(Z/Z0)1/3] 。

1.2.2 數(shù)據(jù)處理

將L*、a*、b*色度值按樣品進(jìn)行算術(shù)平均數(shù)處理，用t檢驗(yàn)對(duì)江蘇南部產(chǎn)區(qū)和威海產(chǎn)區(qū)樣品的L*、a*、b*平均色度值進(jìn)行分析。提取干紫菜360—740 nm的光譜反射率，用SIMCA 14.1軟件進(jìn)行主成分分析(Principal Components Analysis，PCA)，繪制得分圖與荷載圖，分析得分圖中數(shù)據(jù)的集散程度；對(duì)光譜反射率進(jìn)行par數(shù)據(jù)縮放處理，并進(jìn)行正交偏最小二乘法-判別分析(Orthogonal Partial Least Squares Discrimination Analysis,OPLS-DA)，生成S-plot圖(S-plot圖提供了OPLS和OPLS-DA預(yù)測(cè)組件加載的可視化，用于可視化X變量與預(yù)測(cè)得分t[1]之間的協(xié)方差和相關(guān)結(jié)構(gòu)，其可以通過SIMCA直接生成)。其中P1與P(ccor)1軸分別代表強(qiáng)度(模型化協(xié)方差)和可靠性(模型化相關(guān)性)，離散較大的變量視為標(biāo)志性變量[17]，建立預(yù)測(cè)模型并進(jìn)行200次模型驗(yàn)證，進(jìn)而得到Variable Importance for the Projection (VIP)預(yù)測(cè)值(一般認(rèn)為VIP值在1以上為標(biāo)志性差異)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同原藻產(chǎn)區(qū)干紫菜的顏色差異

在色差數(shù)據(jù)表達(dá)中，總色差值ΔE數(shù)值越大說明色差越大，一般情況下ΔE在1.5時(shí)目視可以分辨。而通過計(jì)算得出原藻產(chǎn)于江蘇南部海區(qū)與威海海區(qū)的干紫菜總色差值ΔE為1.39，說明2個(gè)海區(qū)之間的干紫菜用肉眼難以分辨出差別。

如圖1所示，江蘇南部蔣家沙、東沙、竹根沙和高泥4個(gè)產(chǎn)區(qū)的a*值和b*值均高于威海產(chǎn)區(qū)。t檢驗(yàn)結(jié)果顯示江蘇南部產(chǎn)區(qū)和威海產(chǎn)區(qū)紫菜樣品中L*、a*、b*的P值分別為0.17,0.01,0.01 (若P<0.05存在顯著性差異，若P<0.01則存在極顯著性差異)，即江蘇南部產(chǎn)區(qū)的干紫菜在a*、b*值上與威海產(chǎn)區(qū)的干紫菜存在顯著性差異,說明威海產(chǎn)區(qū)的干紫菜顏色相較于江蘇南部產(chǎn)區(qū)的干紫菜顏色更深，更偏向于藍(lán)色和綠色。

圖1 不同原藻產(chǎn)區(qū)的干紫菜L*、a*、b*平均值Fig.1 Average L*,a*,b* value of dried laver in algae production area

2.2 不同原藻產(chǎn)區(qū)干紫菜的光譜反射率差異性

如圖2所示，各產(chǎn)區(qū)的樣品在360—500 nm的差別較小，在500—670 nm有較大差別，其中高泥產(chǎn)區(qū)的樣品反射率較大，威海產(chǎn)區(qū)的樣品反射率較小。而所有樣品在700—740 nm處反射率變化趨勢(shì)保持一致，且威海樣品的值最小，高泥樣品的值最高。

圖2 不同原藻產(chǎn)區(qū)的干紫菜平均光譜反射率Fig. 2 Average spectral reflectance of dried laver in different origins

將62份樣品按原藻產(chǎn)地分為江蘇南部產(chǎn)區(qū)和威海產(chǎn)區(qū)，對(duì)這些樣品在360—740 nm波長(zhǎng)下的光譜反射率進(jìn)行PCA分析，選取主成分貢獻(xiàn)率最大的2個(gè)主成分，荷載圖中每一個(gè)載荷量表示主成分與對(duì)應(yīng)變量的相關(guān)系數(shù)，如果是負(fù)值，說明是負(fù)相關(guān)。如圖3所示，其第1主成分貢獻(xiàn)率為63.3%，第2主成分貢獻(xiàn)率為27%，這2個(gè)主成分的累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)到95%。威海產(chǎn)區(qū)樣品的光譜反射率大多位于在第1主成分的負(fù)半軸和第2主成分的正半軸，有1份樣品位于第1主成分正半軸和第2主成分正半軸；而江蘇南部產(chǎn)區(qū)僅有4份樣品位于第1主成分的負(fù)半軸和第2主成分的正半軸。2個(gè)產(chǎn)區(qū)的樣品能夠相對(duì)地區(qū)分開。

圖3 不同原藻產(chǎn)區(qū)干紫菜光譜反射率的主成分得分圖與荷載圖Fig.3 Principal components score diagram and load diagram of the reflectance of dried laver from different algae production area

荷載圖中顯示360—500 nm和660 nm位于第2主成分的正半軸，對(duì)第2主成分有正影響；510—650 nm和680—740 nm位于第2主成分的負(fù)半軸，對(duì)第2主成分有負(fù)影響，即在這個(gè)區(qū)間存在較大差異。而360—740 nm都在第1主成分的正半軸上，無(wú)法得出在第1主成分上的差異性。通過OPLS-DA分析，數(shù)據(jù)經(jīng)過par縮放后得到S-plot圖(圖4)，可以發(fā)現(xiàn)，700—740 nm波長(zhǎng)落于坐標(biāo)軸左下方，與其他波長(zhǎng)有較大分離，為區(qū)分干紫菜光譜反射率的標(biāo)志性變量。通過建立預(yù)測(cè)模型，經(jīng)過200次驗(yàn)證，R2(X)與Q2分別為0.62，0.60，表示預(yù)測(cè)效果較好。如圖5所示，700—740 nm波長(zhǎng)的VIP值大于2，580—610 nm、640 nm和690 nm波長(zhǎng)的VIP值大于1，即江蘇南部產(chǎn)區(qū)與威海產(chǎn)區(qū)干紫菜的光譜反射率在波長(zhǎng)700—740 nm存在顯著差異，在580—610 nm、640 nm和690 nm波長(zhǎng)下有較大差異。因此可認(rèn)為700—740 nm、580—610 nm、640 nm和690 nm波長(zhǎng)為區(qū)分2個(gè)原藻產(chǎn)區(qū)干紫菜的特征差異波長(zhǎng)。

圖4 不同原藻產(chǎn)區(qū)干紫菜光譜反射率OPLA-DA分析S-plot圖Fig.4 OPLA-DA analysis S-plot of reflectance of dried laver in different algae production area

圖5 不同原藻產(chǎn)區(qū)干紫菜反射光譜率VIP預(yù)測(cè)分析圖Fig.5 VIP predictive analysis chart of reflectance of dried laver in different original Pyropia production areas

3 討論

隨著全球氣候變暖，我國(guó)農(nóng)產(chǎn)品種植北界發(fā)生了不同程度的北移[18]，條斑紫菜栽培區(qū)由江蘇沿岸逐漸向北擴(kuò)展。江蘇連云港海區(qū)的條斑紫菜栽培面積逐年增加，截至2019年已達(dá)2.3萬(wàn)hm2；山東威海海區(qū)也開始大面積栽培條斑紫菜；渤海灣海區(qū)條斑紫菜的栽培試驗(yàn)也取得了成功[19]。隨著條斑紫菜栽培區(qū)北移的發(fā)展，利用色差計(jì)技術(shù)將不同原藻產(chǎn)地的干紫菜進(jìn)行區(qū)分，對(duì)保護(hù)特定栽培區(qū)的紫菜產(chǎn)品較為重要和必要。

顏色是干紫菜品質(zhì)評(píng)價(jià)中重要的參考指標(biāo)之一[5]，紫菜的顏色是紫菜細(xì)胞中含有的各種色素表現(xiàn)出來的結(jié)果，所含色素比例不同，其外觀顏色也有所不同，而干紫菜的顏色是由各種色素的反射光形成的[1]。紫菜藻體所含色素比例會(huì)受其栽培海區(qū)的光照強(qiáng)度、溫度、海水營(yíng)養(yǎng)豐度、鹽度、pH值和海水濁度等因素的影響[19-21]。通過比較2個(gè)海域的環(huán)境因素，發(fā)現(xiàn)冬季江蘇南部海區(qū)秋季海水表層溫度為(8.62±2.30)℃，高于威海海區(qū)的(7.15±0.27)℃(2015年)[22]；江蘇南部海區(qū)秋季海水表層的NO3-N濃度均值為306 μg/L，NH4-N為62.2 μg/L，PO4-P為17.1 μg/L(2014年)，而威海海區(qū)秋季海水NO3-N濃度達(dá)171 μg/L、NH4-N為50.5 μg/L、PO4-P為9.2 μg/L (2014年)[23-24]，江蘇南部海區(qū)的海水營(yíng)養(yǎng)豐度高于威海海區(qū)。因此，推測(cè)溫度和營(yíng)養(yǎng)鹽造成2個(gè)海區(qū)的干紫菜顏色差異。

為探究不同原藻產(chǎn)區(qū)干紫菜的光譜反射率所表示的含義，我們將圖2與文獻(xiàn)[25-26]的條斑紫菜吸收光譜圖以及高洪峰[27]研究的紫菜藻膽蛋白吸收光譜圖進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)圖2中a、b、c、d這4個(gè)峰值的波長(zhǎng)與條斑紫菜吸收光譜的谷值波長(zhǎng)基本吻合。圖2中1，2，3，4，5處谷值的波長(zhǎng)與條斑紫菜吸收光譜的5個(gè)峰值波長(zhǎng)相對(duì)應(yīng)，而這5個(gè)峰值主要由葉綠素α和β-胡蘿卜素，藻紅蛋白和β-胡蘿卜素，藻紅蛋白，藻藍(lán)蛋白，葉綠素α吸收所致[27-28]，這進(jìn)一步驗(yàn)證了不同海區(qū)條斑紫菜所含色素比例的差異性。

與吸收光譜測(cè)量技術(shù)相比，反射光譜測(cè)量技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于數(shù)據(jù)采集速度快，通過采集到的反射光譜率可以立即計(jì)算出所測(cè)物的色度值與色差值，相對(duì)全面地反映物體表面的色彩與光澤。相較于分光光度計(jì)，色差計(jì)有手持式和便攜式，更便于攜帶和戶外操作；其缺點(diǎn)是測(cè)量精度低(目前主流色差計(jì)以10 nm為刻度單位，而分光光度計(jì)可以精確到1 nm以下)，將色差計(jì)技術(shù)與多元變量分析結(jié)合可以彌補(bǔ)這一不足。

對(duì)于反射光譜率主成分得分圖中有2個(gè)置信區(qū)外的數(shù)據(jù)，通過尋找原樣品后發(fā)現(xiàn)這2份樣品雜質(zhì)較多，雜質(zhì)的影響造成了測(cè)量的誤差，導(dǎo)致數(shù)據(jù)點(diǎn)落于置信區(qū)外，說明通過色差計(jì)技術(shù)還可以檢測(cè)出含有雜質(zhì)的干紫菜。

4 結(jié)論

本研究采用色差計(jì)技術(shù)結(jié)合多元變量分析的方法分析了不同原藻產(chǎn)地干紫菜在色差上的差別，發(fā)現(xiàn)在相同光源照射條件下，原藻產(chǎn)地為江蘇南部海區(qū)的干紫菜樣品的a*值和b*值均高于威海海區(qū)的樣品，且存在顯著性差異，即威海海區(qū)的干紫菜相較于江蘇南部海區(qū)的干紫菜顏色更顯藍(lán)綠色。同時(shí)，原藻產(chǎn)地為江蘇南部產(chǎn)區(qū)的干紫菜光譜反射率在500—740 nm波長(zhǎng)下均大于威海海區(qū)樣品，且在700—740 nm的反射波長(zhǎng)下存在標(biāo)志性差異。