光譜反射率與鮮煙葉成熟度及烤后煙葉質(zhì)量的關(guān)系

何孝兵,楊少峰,胡麗濤,王少飛,周顯波,張夢旭,孟相開,張重義*

(1.重慶中煙工業(yè)有限責(zé)任公司，重慶 400000；2.福建農(nóng)林大學(xué) 煙草研究所，福建 福州 350002；3.重慶市煙草公司 豐都分公司，重慶 408200)

成熟采收是生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)煙葉的重要環(huán)節(jié)，煙葉成熟度在很大程度上代表了煙葉質(zhì)量的優(yōu)劣，成熟采收是生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)煙葉的重要環(huán)節(jié)。相關(guān)研究指出煙葉品質(zhì)形成與田間成熟度密切相關(guān)，提高鮮煙葉的成熟度可以明顯改善烤后煙葉內(nèi)在化學(xué)成分的協(xié)調(diào)性、感官質(zhì)量和經(jīng)濟性狀[1-4]。

目前，有許多國家對鮮煙葉成熟度的判定方法已有深入的研究，如津巴布韋采用煙葉成熟彩色圖片顏色、烤房試驗和抽屜試驗的量化指標(biāo)、美國通過對采收前的煙葉樣品進行化學(xué)成分分析來判斷煙葉成熟情況，日本采用比色卡比色的方法對煙葉成熟度進行輔助判斷[5-8]。但這些方法步驟繁瑣，不能及時反映煙葉的成熟度。近紅外光譜測定具有測量速度快、操作簡單、環(huán)保經(jīng)濟等特點，且樣品不需要進行預(yù)處理，已經(jīng)應(yīng)用于很多行業(yè)的分析檢測[9-11]。目前，雖然在煙草生產(chǎn)過程中，利用近紅外光譜作為一種新興的分析方法在煙葉成熟度上已得到廣泛的應(yīng)用[12-15]。關(guān)于光譜反射率與煙葉采收成熟度的判斷指標(biāo)的相關(guān)性已開展了大量的研究，但依據(jù)烤后煙葉質(zhì)量確定適宜的光譜反射率的研究卻少有報道[16-20]。本試驗測定不同成熟度煙葉的光譜反射率，研究光譜反射率與不同成熟度烤后煙葉質(zhì)量的關(guān)系，以確定適宜采收成熟度對應(yīng)的光譜反射率，為量化煙葉適宜采收成熟度提供快速、無損檢測技術(shù)提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗儀器

本試驗采用美國海洋光學(xué)公司(Ocean optics corporation)的USB4000微型光纖光譜儀，該儀器內(nèi)置東芝公司的高性能3648像素的線陣CCD探測器，同時使用了海洋光學(xué)公司的HL-2000型鹵素光源、R400-7-VIS-NIR型直徑400 μm的“Y”形光纖、RPH-1型反射探頭支架和STAN-SSH型漫反射標(biāo)準(zhǔn)參考板。光譜測定范圍為345～1039 nm，光譜采樣間隔為0.2 nm。設(shè)置10次掃描，以取平均值，并設(shè)矩形波串寬度為5，這將增加信噪比并校平光譜[15]。

1.2 試驗地概況

試驗于2016年3月～9月在重慶市豐都縣太平壩鄉(xiāng)進行，海拔1100 m，選取地勢平坦，排灌方便的地塊。供試品種為云煙97，試驗田土壤肥力中等，pH值6.5、有機質(zhì)15.6 g/kg、堿解氮48.5 mg/kg、速效鉀66.1 mg/kg、速效磷17.8 mg/kg。于2016年5月8日移栽，行株距1.20 m×0.55 m，其他大田管理措施按當(dāng)?shù)貎?yōu)質(zhì)烤煙栽培生產(chǎn)技術(shù)規(guī)范進行。

1.3 試驗設(shè)計

各部位煙葉按照煙葉黃綠色面積百分?jǐn)?shù)以10%為梯度從低到高劃分11個成熟度，且各部位每個成熟度分別取5片鮮煙葉并測定其光譜值。

按下、中、上3個部位，從低到高分別設(shè)置3個成熟度處理，即M1、M2、M3，共計9個處理(表1)。每個處理選300片按照當(dāng)?shù)孛芗婵竟に囘M行烘烤，烤后煙葉用于經(jīng)濟性狀調(diào)查、化學(xué)成分分析、感官評吸鑒定等。

表1 各部位煙葉不同成熟度處理與主要外觀特征

注：X、C、B分別代表下、中、上部煙葉。下同。

1.4 測定項目與方法

1.4.1 光譜數(shù)據(jù)采集 USB4000光譜儀經(jīng)反射標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)后進行測試，光譜儀置于煙葉的上方，探頭視場角為90°，對不同部位不同成熟度等級的煙葉依次進行測試，使用此光譜儀測得的光譜為去除外界環(huán)境干擾后的凈光譜，且為連續(xù)光譜，每個光譜都是10次掃描所獲得的平均光譜，此時的光譜為原始的漫反射光譜。采用光譜儀配套的Spectra Suite軟件對樣品的光譜數(shù)據(jù)進行采集和存儲[15]。

1.4.2 經(jīng)濟性狀調(diào)查 根據(jù)國家42級煙葉分級標(biāo)準(zhǔn)GB 2635─1992測定各等級煙葉重量、比例；計算各處理烤后煙葉的產(chǎn)量、均價、產(chǎn)值、上等煙比例、中等煙比例等。

1.4.3 化學(xué)成分鑒定 經(jīng)高速粉碎機粉碎后，過60目篩，采用煙草行業(yè)推薦標(biāo)準(zhǔn)YC/T 159─2002、YC/T 160─2002、YC/T 161─2002、YC/T 162─2002、YC/T 173─2002規(guī)定的方法，測定煙葉樣品的還原糖、總糖、煙堿、總氮、氯和鉀含量，并計算糖堿比、兩糖比、鉀氯比等煙葉化學(xué)成分協(xié)調(diào)性指標(biāo)[20]。

1.4.4 感官評吸鑒定 按照YC/T 138─1998的規(guī)定進行評吸，包括香氣質(zhì)、香氣量、雜氣、濃度、勁頭、刺激性、回甜、余味。

1.4.5 外觀鑒定 專家根據(jù)烤煙國標(biāo)GB 2635─1992，以顏色、成熟度、結(jié)構(gòu)、身份、油分、色度6項指標(biāo)作為烤后煙外觀質(zhì)量評價指標(biāo)。

1.5 數(shù)據(jù)分析

試驗數(shù)據(jù)運用Excel 2010、SPSS 17.0軟件進行數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 光譜反射率與不同鮮煙葉成熟度的關(guān)系

煙葉葉面黃綠色面積百分比代表了煙葉的成熟度。利用Excel 2003軟件對每個成熟度等級煙葉所采集的光譜數(shù)據(jù)求平均值，且每個成熟度等級按上、中、下不同部位分別采集5個樣本，取其平均值，然后利用DPS軟件進行方差分析，處理結(jié)果見表2。由表2可知，不同部位鮮煙葉光譜反射率隨著煙葉成熟度的增加而增加。各成熟度檔次間均差異顯著。由此可見，光譜反射率能夠較靈敏地區(qū)分葉片10%梯度黃綠色面積差異。

不同部位煙葉黃綠色面積相同時光譜反射率不同，表現(xiàn)為中部葉>上部葉>下部葉(表2)。說明不同部位鮮煙葉代謝水平不一樣，不同部位鮮煙葉光譜反射率不能相互比較。

相關(guān)性分析結(jié)果表明：同一部位鮮煙葉成熟度與光譜反射率存在極顯著正相關(guān)關(guān)系，由此可知，光譜反射率可用于煙葉成熟度的判斷(表3)。

表2 鮮煙葉不同成熟度光譜反射率

注：同列數(shù)據(jù)后的小、大寫字母分別表示在0.05、0.01水平上的差異顯著性，字母相同則差異不顯著，不同則顯著。

表3 煙葉成熟度與光譜反射率的相關(guān)性

2.2 光譜反射率與不同成熟度烤后煙經(jīng)濟性狀的關(guān)系

經(jīng)濟性狀是烤后煙葉價值和等級結(jié)構(gòu)的最終體現(xiàn)。從表4可以看出，隨著煙葉成熟度的提高，3個部位的產(chǎn)量、均價、產(chǎn)值、上等煙比例都有所提高。下部煙葉不同處理中以處理XM3(光譜反射率33.50～45.00)的經(jīng)濟性狀表現(xiàn)最好，烤后煙葉上等煙葉比例14.17%、中等煙葉比例59.35%、產(chǎn)量120.86 kg/667 m2、均價17.6元/kg，其中上等煙葉比例分別比XM1、XM2高4.99、4.52個百分點。中部煙葉不同處理中以處理CM3(光譜反射率59.21～71.21)的效果最佳，產(chǎn)量134.46 kg/667 m2、均價25.8元/kg、上中等煙葉比例93.51%，其中均價分別比CM1、CM2高4.4、2.3元/kg。上部煙葉BM3(光譜反射率61.65～76.71)的產(chǎn)量、均價、產(chǎn)值最高，經(jīng)濟效益最好，其次是BM2，BM1最低，其中上等煙葉比例分別比BM1、BM2高29.81、22.29個百分點。

表4 不同采收成熟度烤后煙葉經(jīng)濟性狀

2.3 光譜反射率與不同成熟度烤后煙化學(xué)成分的關(guān)系

煙葉主要化學(xué)成分是反映煙葉品質(zhì)的重要指標(biāo)，不同成熟度處理對烤后煙葉化學(xué)成分有一定影響。由表5可知，下部煙葉隨著采收成熟度的提高，煙堿、總氮含量逐漸下降，其中XM1煙堿含量分別比XM2、XM3高0.31、0.66個百分點；總糖、還原糖含量逐漸上升，其中XM3總糖含量分別比XM1、XM2高3.05、2.07個百分點；鉀含量以XM2最高，XM1次之，XM3最低；氯含量以XM1最高，分別比XM2、XM3高0.27、0.22個百分點；糖堿比XM3更接近合理范圍；鉀氯比XM2最優(yōu)，其次是XM3，XM1最差。中部煙葉隨著采收成熟度的提高，煙堿、總氮含量逐漸下降，其中CM1總氮含量分別比CM2、CM3高0.37、0.40個百分點；總糖、還原糖含量逐漸上升，其中CM3還原糖含量分別比CM1、CM2高6.48、3.18個百分點；鉀含量以CM2最高，CM1次之，CM3最低；氯含量CM1最高，依次為CM2、CM3；糖堿比CM3更接近合理范圍；鉀氯比CM2最優(yōu)，其次是CM3，CM1最差。上部煙葉隨著采收成熟度的提高，煙堿、總氮及鉀含量逐漸下降，其中BM1煙堿含量分別比BM2、BM3高0.23、0.36個百分點，鉀含量以BM3最高，BM2次之，BM1最低；總糖、還原糖含量逐漸上升，其中BM3總糖含量分別比BM1、BM2高2.34、0.65個百分點；氯含量BM1最高，依次為BM3、BM2；糖堿比BM3更接近合理范圍；鉀氯比BM2最優(yōu)，其次是BM3，BM1最差。

2.4 光譜反射率與不同成熟度烤后煙葉感官評吸質(zhì)量的關(guān)系

由表6可以看出，各部位評吸總得分均隨著煙葉成熟度的推進而升高。下部葉：綜合評吸質(zhì)量以處理XM3(光譜反射率33.50～45.00)較理想，其中香氣量、香氣質(zhì)、雜氣、勁頭及回甜得分均最高。中部葉：處理CM3(光譜反射率59.21～71.21)的評吸質(zhì)量最優(yōu)，與其他2個處理相比，香氣量、刺激性得分最高。上部葉：處理BM3(光譜反射率61.65～76.71)的評吸質(zhì)量最高，表現(xiàn)為香氣質(zhì)、香氣量、濃度、刺激性和回甜得分最高。

表5 不同采收成熟度烤后煙葉化學(xué)成分

表6 不同采收成熟度烤后煙葉感官評吸質(zhì)量 分

2.5 光譜反射率與不同成熟度烤后煙外觀質(zhì)量的關(guān)系

煙葉的外觀質(zhì)量反映了煙葉內(nèi)在質(zhì)量，是煙葉收購過程中分級的主要依據(jù)。成熟度對烤后煙葉外觀有一定影響(表7)。下部葉：成熟度對顏色、成熟度、結(jié)構(gòu)、身份等因素影響不明顯，隨著煙葉成熟度的提高，色度有所加強，以處理XM3最佳。中部葉：隨著煙葉成熟度的提高，成熟度、結(jié)構(gòu)、油分、色度均有所改善，綜合各項指標(biāo)，處理CM3的外觀較理想。上部葉：不同成熟度處理間各項指標(biāo)基本一致，只有色度隨煙葉成熟度的推進而逐漸加強。

表7 不同采收成熟度烤后煙外觀質(zhì)量

3 結(jié)論與討論

采用光譜技術(shù)進行烤煙葉片的成熟度及其烤后煙葉質(zhì)量的相關(guān)研究還未見有報道，本試驗利用光譜反射率與煙葉不同成熟度顏色變化進行定量分析。光譜儀具有操作簡單、測量速度快、反應(yīng)靈敏等特點，應(yīng)用于煙葉采收成熟度的檢測可以降低勞動，提供更精確的判定結(jié)果，為指導(dǎo)重慶山地烤煙成熟采收提供客觀評判標(biāo)準(zhǔn)。研究表明：不同部位鮮煙葉光譜反射率隨著煙葉成熟度的增加而增加，且各成熟度檔次間均差異顯著；同一部位鮮煙葉成熟度與光譜反射率存在極顯著正相關(guān)關(guān)系，由此可知，光譜反射率可用于煙葉成熟度的判斷。由此，可以通過建立煙葉成熟度量化體系和行之有效的評價方法，實現(xiàn)快速判定煙葉的成熟度。

光譜技術(shù)是根據(jù)化學(xué)物質(zhì)對光能的吸收特征進行測量的技術(shù)[21]。煙草體內(nèi)含有大量對光能敏感的官能基團，因此應(yīng)用光譜技術(shù)對煙草體內(nèi)各種化學(xué)物質(zhì)進行檢測具有廣泛的前景[22-23]。其中，煙葉中煙堿、氮、糖等物質(zhì)都含有光能敏感基團，利用光譜技術(shù)進行定量分析提供了有效途徑[24]。

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