基于CIE-Lab及RGB顏色空間的馬鈴薯塊莖酶促褐變程度評(píng)價(jià)

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(nóng)業(yè)科學(xué)研究院，甘肅 定西 743000；2.西北民族大學(xué)，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(chǎn)量?jī)H次于小麥、水稻和玉米[1]。馬鈴薯產(chǎn)量高、營(yíng)養(yǎng)價(jià)值豐富，其塊莖富含碳水化合物、蛋白質(zhì)、維生素C、礦物質(zhì)元素等多種營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，是谷類作物的優(yōu)良替代品[2]。隨著消費(fèi)者生活方式的轉(zhuǎn)變及對(duì)便利性需求的提升，市場(chǎng)對(duì)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(fā)生酶促褐變[3]，對(duì)馬鈴薯加工業(yè)的發(fā)展產(chǎn)生了嚴(yán)重影響。馬鈴薯中的酶促褐變只有在細(xì)胞破壞之后才能發(fā)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(huì)產(chǎn)生大量的黑色物質(zhì)，不但降低了馬鈴薯的風(fēng)味和營(yíng)養(yǎng)價(jià)值，而且嚴(yán)重影響了消費(fèi)者的接受度。

目前，利用數(shù)字圖像比色法研究酶促褐變反應(yīng)已在馬鈴薯、蘋果、梨、香蕉等農(nóng)產(chǎn)品上得到了廣泛的應(yīng)用[5-7]。馬鈴薯發(fā)生酶促褐變后，有色物質(zhì)會(huì)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(lán)）、CIE-Lab（明度、綠度、黃度）、CIE-LCH（明度、色度、色調(diào)）等多個(gè)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(jié)合RGB 和CIE-Lab 色彩空間之間的差異，對(duì)77個(gè)性狀優(yōu)良的馬鈴薯品種（系）進(jìn)行研究，以揭示不同馬鈴薯品種（系）的酶促褐變情況并對(duì)其進(jìn)行評(píng)價(jià)、分類。建立的馬鈴薯品種間酶促褐變差異快速評(píng)估方法，可為馬鈴薯抗酶促褐變育種及加工業(yè)發(fā)展提供可靠依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

選用77個(gè)馬鈴薯主栽品種（系）為試驗(yàn)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(nóng)業(yè)科學(xué)研究院科研創(chuàng)新基地，于9月中旬收獲。

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

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 樣品預(yù)處理

選擇同一品種質(zhì)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(duì)半橫切馬鈴薯塊莖進(jìn)行試驗(yàn)預(yù)處理。試驗(yàn)于普通實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，所有品種均在同一條件下處理及取樣，以避免環(huán)境因素對(duì)研究結(jié)果的影響[10]。

1.2.2 圖像采集

將預(yù)處理的馬鈴薯塊莖放在黑色背景布上，用相機(jī)對(duì)馬鈴薯塊莖有效區(qū)域進(jìn)行圖像采集。為確保圖片命名準(zhǔn)確，按拍攝時(shí)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(jī)自動(dòng)命名和馬鈴薯品種名稱的高度一致性轉(zhuǎn)換。

1.2.3 圖像信息分析

使用相機(jī)拍照，將更名后獲得的原始圖像傳輸?shù)接?jì)算機(jī)不同時(shí)間段文件夾，利用python 編寫的程序提取實(shí)時(shí)拍照時(shí)間，并對(duì)每個(gè)樣品的有效色彩空間值用numpy 子模塊計(jì)算平均值，獲得的平均值作為樣品顏色RGB 和CIE-Lab 的參數(shù)。分析步驟：第一步，用labelimg主模塊對(duì)圖像最具代表性的區(qū)域手工進(jìn)行數(shù)字化標(biāo)注；第二步，利用pillow 主模塊和numpy子模塊把原始圖像exif時(shí)間信息以及標(biāo)注后所有像素點(diǎn)的相關(guān)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)結(jié)果寫入Excel 文件；第三步，以統(tǒng)計(jì)結(jié)果作為獲得的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1.2.4 褐變程度的測(cè)定

測(cè)量置于室溫下不同時(shí)間（0 h、7 h 和21 h）的馬鈴薯橫切面顏色，取平均值作為測(cè)定值用于測(cè)定R、G、B和L*、a*、b*值?；诿鞫戎礚*（L*=-100～100；顏色越深L*越?。┯?jì)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(duì)計(jì)算結(jié)果的干擾，酶促褐變程度以0 h 為對(duì)照，取其相對(duì)值，不同時(shí)間相對(duì)酶促褐變程度計(jì)算公式為：

式中：n＝0 h、7 h、21 h。

1.2.5 數(shù)據(jù)處理

利用Excel 2016 對(duì)數(shù)據(jù)整理及計(jì)算，SPSS 26.0 進(jìn)行聚類分析。

隸屬函數(shù)U(Xij）＝(Xij-Xmin)/(Xmax-Xmin)。式中U(Xij）表示第i個(gè)品種第j個(gè)指標(biāo)的隸屬函數(shù)值，Xij為指標(biāo)測(cè)定值，Xmax、Xmin分別為所有參試品種中第j 個(gè)指標(biāo)測(cè)定值的最大值和最小值。

相應(yīng)R、G、B比率的測(cè)定：

2 結(jié)果與分析

2.1 馬鈴薯品種(系)塊莖切面在不同時(shí)間的酶促褐變程度

對(duì)77個(gè)馬鈴薯品種（系）塊莖橫切后，發(fā)生的酶促褐變表型見圖1。

圖1 77個(gè)馬鈴薯品種（系）塊莖橫切后不同時(shí)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(xiàn)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(huì)隨時(shí)間變化呈現(xiàn)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(yīng)生成穩(wěn)定的化合物所致。馬鈴薯切片的褐變主要是因?yàn)榍衅^程中產(chǎn)生機(jī)械傷，會(huì)打破馬鈴薯的氧化還原平衡，從而導(dǎo)致活性氧的大量產(chǎn)生，引起褐變發(fā)生。馬鈴薯切片暴露于空氣中的時(shí)間越長(zhǎng)，細(xì)胞內(nèi)部降解的蛋白質(zhì)越多，褐變?cè)矫黠@。

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(shù)據(jù)進(jìn)行聚類分析，分析時(shí)在歐氏距離為10 處將77 個(gè)馬鈴薯品種劃分為4 個(gè)類別（I～I(xiàn)V），分析結(jié)果見圖2。

圖2 77個(gè)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(yán)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(gè)品種，分別為閩中101 和青薯9號(hào)；第II類為易酶促褐變的品種，有33個(gè)品種，分別為華頌34號(hào)、隴薯7號(hào)、東農(nóng)321、華頌7號(hào)、凱薯2號(hào)、青薯10號(hào)、京張2號(hào)、隴薯16 號(hào)、龍薯4 號(hào)、中薯41 號(hào)、甘農(nóng)薯9 號(hào)、中薯28 號(hào)、京張1 號(hào)、LK99、大豐8 號(hào)、麗薯6 號(hào)、黔渝8 號(hào)、莊薯4 號(hào)、愛蘭1 號(hào)、隴薯6 號(hào)、大豐11 號(hào)、華薯1 號(hào)、寧薯16 號(hào)、冀12、凱薯1 號(hào)、隴薯9 號(hào)、隴薯10 號(hào)、龍薯12 號(hào)、天薯14 號(hào)、中薯45號(hào)、隴薯11號(hào)、大豐9號(hào)、甘引2號(hào)；第Ⅲ類屬于中度易酶促褐變，有23 個(gè)品種，分別為中薯21 號(hào)、定薯3 號(hào)、中薯31 號(hào)、東農(nóng)310、隴薯5號(hào)、冀14、中薯20號(hào)、莊薯3號(hào)、隴薯20號(hào)、希森1 號(hào)、冀20、定薯5 號(hào)、天薯15 號(hào)、榆薯5 號(hào)、中薯35 號(hào)、東農(nóng)322、并薯26 號(hào)、隴薯22 號(hào)、麗薯15 號(hào)、天薯13 號(hào)、宣薯4 號(hào)、冀22、宣薯05-320；第Ⅳ類屬于不易酶促褐變，有19 個(gè)品種，分別為黔渝7 號(hào)、愛蘭6 號(hào)、中薯19 號(hào)、中薯18 號(hào)、云薯901、大豐6號(hào)、天薯12號(hào)、麗薯3號(hào)、榆薯3號(hào)、寧薯18號(hào)、新大坪、壩薯10 號(hào)、寧薯17 號(hào)、里外黃、隴薯15 號(hào)、隴薯14 號(hào)、定薯4號(hào)、甘農(nóng)薯7號(hào)、隴薯19號(hào)。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(shù)排名

馬鈴薯塊莖在空氣中暴露的時(shí)間越長(zhǎng)，酶促褐變程度越高，酶促褐變程度值越大，顏色越深。數(shù)據(jù)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(xiàn)先降低后上升趨勢(shì)；0～7 h 馬鈴薯的酶促褐變速率明顯高于7～21 h，77個(gè)馬鈴薯品種（系）酶促褐變過程中CIE-Lab 值變化和隸屬函數(shù)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(shù)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(fù)值，這可能是馬鈴薯淀粉附著于橫切面導(dǎo)致，但沒有影響到酶促褐變程度總體的變化趨勢(shì)。

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(fā)生不同程度變化。R和G值均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，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(shì)沒有顯著的規(guī)律性，具體情況見表3。由上述結(jié)果可知，相較于B值，R值和G值在預(yù)測(cè)馬鈴薯的酶促褐變程度時(shí)可能更加有效。

在酶促褐變過程中，2 個(gè)紅色比率（RR）、2 個(gè)綠色比率（GR）和2 個(gè)藍(lán)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(shì)，與酶促褐變趨勢(shì)保持一致；紅色比率中，R/B的線性關(guān)系更好地說明了酶促褐變情況。在藍(lán)色比率中，B/G與B/R值的區(qū)別不大，對(duì)反應(yīng)酶促褐變情況不是很明顯。

3 結(jié)論

酶促褐變會(huì)嚴(yán)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(cè)定方法主要有人工觀察法[13]、分光光度計(jì)測(cè)量法[14]和測(cè)色儀法[15]。圖像分析系統(tǒng)在果蔬顏色中得到廣泛的應(yīng)用，顏色變化與質(zhì)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(shí)間越久，淀粉在馬鈴薯橫切面的沉積越多，對(duì)切面明度值L*的影響越大。本實(shí)驗(yàn)中選取0～7 h 作為酶促褐變程度的時(shí)間點(diǎn)，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(dá)。由于大量淀粉附著于馬鈴薯切面，導(dǎo)致酶促褐變程度值出現(xiàn)負(fù)值，該現(xiàn)象可以從數(shù)據(jù)表2中看出。盡管淀粉的存在導(dǎo)致測(cè)定的L*值存在一定的誤差，但是結(jié)合圖1 中酶促褐變圖片不難看出馬鈴薯的酶促褐變趨勢(shì)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(shí)了果實(shí)成熟過程的色彩變化[17]。而在馬鈴薯發(fā)生酶促褐變時(shí)，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(shì)，在紅色比率中，R/B具有更好的線性關(guān)系，都可以作為酶促褐變的程度的依據(jù)。但是藍(lán)色比率中，B/G與B/R值的酶促褐變情況關(guān)系并不明顯。本研究表明，馬鈴薯的酶促褐變用普通數(shù)碼照相個(gè)人電腦數(shù)據(jù)提取法中RGB 和CLE-Lab的值相結(jié)合，更能夠準(zhǔn)確反映馬鈴薯塊莖橫切面酶促褐變情況，具有比測(cè)色儀更加豐富的參考依據(jù)。

本研究將77 個(gè)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(yīng)用隸屬函數(shù)排名，得到了閩中101 和青薯9 號(hào)兩個(gè)極易酶促褐變的品種。該結(jié)果與陳明俊等[18]對(duì)27 份馬鈴薯種質(zhì)材料褐變規(guī)律青薯9 號(hào)酶促褐變程度高于隴薯12 號(hào)和麗薯6 號(hào)的研究結(jié)果相一致，本研究結(jié)果LK99 的酶促褐變隸屬函數(shù)值16 優(yōu)先隴薯6 號(hào)的隸屬函數(shù)值22，也與趙萍等[19]對(duì)8 個(gè)馬鈴薯品種不同時(shí)期的褐變程度研究結(jié)果LK99 褐變強(qiáng)度＞隴薯6 號(hào)相一致，通過RGB和CIE-Lab 色彩空間之間的結(jié)合，該研究把大批量國(guó)內(nèi)主栽的77個(gè)馬鈴薯品種進(jìn)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(jù)，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(cè)定技術(shù)手段。