王 超，劉藝琳，楊 凱，徐瑋杰，湯朝起，陳 斌，李軍會

(1.上海煙草集團(tuán)有限責(zé)任公司，上海 200082; 2.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院，北京 100083)

0 引 言

煙葉質(zhì)量一般從外觀、感官、物理特性、化學(xué)成分等方面進(jìn)行描述，各因素之間的特性和化學(xué)成分之間密切相關(guān)[1]。外觀質(zhì)量包括煙葉的部位、顏色、成熟度、油分、色度等，主要應(yīng)用于烤煙加工的收購階段和工業(yè)分級中。煙葉內(nèi)在的化學(xué)成分是煙葉質(zhì)量的基礎(chǔ)，但由于指標(biāo)較多，數(shù)據(jù)繁瑣，目前在烤煙的加工生產(chǎn)中，基于化學(xué)成分的烤煙等級質(zhì)量分析并未受到重視。

通過探究烤煙外觀等級質(zhì)量與糖氮比等關(guān)鍵化學(xué)指標(biāo)的關(guān)系，可以對烤煙進(jìn)行穩(wěn)定、準(zhǔn)確的質(zhì)量等級劃分，不僅有利于烤煙的配方設(shè)計和工業(yè)生產(chǎn)的穩(wěn)定性，而且有利于實現(xiàn)成品烤煙的科學(xué)分級。與感官質(zhì)量和外觀質(zhì)量相比，通過近紅外定量分析技術(shù)獲得的化學(xué)成分?jǐn)?shù)據(jù)具有客觀、穩(wěn)定、測量簡單的優(yōu)點(diǎn)。陳慶園等[2-5]研究認(rèn)為，煙葉的化學(xué)成分，如總糖、煙堿、還原糖、總氮等與外觀質(zhì)量存在極顯著或顯著的相關(guān)性；李東亮等人[6-9]說明了煙葉的總糖、總氮、煙堿、氮堿比、糖堿比、還原糖等指標(biāo)對煙葉質(zhì)量存在較顯著的影響。然而，煙葉主要化學(xué)成分與煙葉質(zhì)量之間的關(guān)系尚不能準(zhǔn)確量化，國內(nèi)對煙葉等級質(zhì)量的評價仍以感官質(zhì)量或外觀質(zhì)量為主，以物理特性或化學(xué)成分為輔進(jìn)行分析[10-12]。目前國內(nèi)并未形成客觀、穩(wěn)定的基于化學(xué)成分的煙葉質(zhì)量評價標(biāo)準(zhǔn)，且只對特定地區(qū)的煙葉進(jìn)行了分析研究。

綜合國內(nèi)外文獻(xiàn)和部分項目研究成果分析，目前可以得出，主要化學(xué)成分或指標(biāo)中施木克值、非煙堿氮和煙堿氮的比例以及煙堿值與煙葉質(zhì)量關(guān)系密切；由于施木克值、非煙堿氮和煙堿氮比例的分析檢測在實際中很難準(zhǔn)確測定或測定方法異常繁瑣，本文通過理論分析得出，在一定條件或范圍內(nèi)可應(yīng)用糖氮比近似替代施木克值，應(yīng)用氮堿比近似替代非煙堿氮和煙堿氮比例。同時，煙堿含量與色澤、香味、口味等外觀和感官質(zhì)量密切相關(guān)，對煙葉質(zhì)量影響較大，且煙堿含量與成品卷煙減害的質(zhì)控指標(biāo)密切相關(guān)，本文將煙堿絕對值作為評價煙葉質(zhì)量的指標(biāo)之一。因此，本文應(yīng)用近紅外光譜定量分析技術(shù)快速獲得糖氮比、氮堿比、煙堿三項關(guān)鍵化學(xué)指標(biāo)數(shù)據(jù)，研究其與烤煙外觀等級質(zhì)量的關(guān)系，并應(yīng)用對勾、二次型等非線性分段擬合函數(shù)和加權(quán)求和的方法進(jìn)行烤煙等級質(zhì)量的量化分析評價。

1 材料與儀器

1.1 實驗材料

本實驗所用樣品為從2017至2018年收集的來自全國14個省市煙葉樣品，即來自安徽（26份），福建（167份），貴州（216份），河南（258份），湖北（56份），湖南（166份），山東（85份），江西（169份），吉林（37份），遼寧（52份），陜西（161份），四川（94 份），重慶（73 份），云南（439份）的2017 年（1 119份）及2018年（880份）共計1 999份樣品。

1.2 實驗儀器

Antaris型傅里葉變換近紅外光譜檢測儀（美國賽默飛公司）。工作參數(shù)：光譜采集范圍12 000～4 000 cm-1；光譜分辨率：8 cm-1；掃描次數(shù)：64 次。

2 實驗方法

通過近紅外檢測，得到煙葉的各項主要常規(guī)化學(xué)成分（總糖、還原糖、煙堿、總氮、鉀、氯）和衍生指標(biāo)數(shù)據(jù)（糖氮比、糖堿比、氮堿比、鉀氯比等）。根據(jù)外觀工業(yè)分級后樣品等級分別劃分為上部下等、下部下等、中部下等、上部上等、中部中等、下部上等、中部上等7個等級，上部下等質(zhì)量最差，中部上等，質(zhì)量最優(yōu)。

通過探究煙葉總糖與總氮含量的負(fù)相關(guān)性，驗證樣品近紅外檢測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。通過糖氮比探究主要化學(xué)成分與煙葉質(zhì)量的關(guān)系，糖氮比與施木克值的關(guān)系為：

式中：TS%——總糖量；

TN%——總氮量；

NIC%——尼古丁含量。

由式（1）施木克值的定義可知，糖氮比值近似等于施木克值的6.25倍。根據(jù)煙堿的分子式C10H14N2，計算氮元素占煙堿分子量的比重為0.173?？偟吭谝欢ǚ秶鷥?nèi)時，由式（2）所示，氮堿比可近似等效于煙葉非煙堿氮和煙堿氮的比例得出：

應(yīng)用對勾、二次型等非線性擬合函數(shù)結(jié)合糖氮比、煙堿、氮堿比等化學(xué)指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行煙葉等級質(zhì)量的分析評價，其中對勾和二次型函數(shù)的通用表達(dá)式分別以下兩個公式：

3 結(jié)果與討論

3.1 煙葉樣品近紅外檢測值的準(zhǔn)確度評價

在一定生態(tài)條件下，植物生長發(fā)育過程中碳源代謝和氮源代謝是競爭關(guān)系，對于測量較準(zhǔn)確且等級純度較高的樣品，總糖（碳源代謝產(chǎn)物）與總氮（氮源代謝產(chǎn)物）應(yīng)呈高度負(fù)相關(guān)關(guān)系。因此可應(yīng)用這一規(guī)律對近紅外檢測值的準(zhǔn)確度進(jìn)行分析評價。如圖1所示，分別為隨機(jī)選擇的產(chǎn)地A、產(chǎn)地B和產(chǎn)地C樣品以及2017年全部樣品的總糖與總氮的相關(guān)系數(shù)圖。

圖 1 總糖和總氮散點(diǎn)圖

由圖1可知，各產(chǎn)地總糖和總氮的相關(guān)系數(shù)均達(dá)到-0.9左右，總糖與總氮具有高負(fù)相關(guān)性。由于不同產(chǎn)地?zé)熑~的化學(xué)成分絕對值含量水平存在差異，且總糖與總氮競爭關(guān)系的速率不同，全部樣品的總糖與總氮的相關(guān)系數(shù)為-0.75，與各產(chǎn)地樣品相比相關(guān)系數(shù)降低，但仍表明近紅外測量值具有較高的準(zhǔn)確度，具備外觀等級質(zhì)量與主要化學(xué)指標(biāo)的關(guān)系研究的數(shù)據(jù)可靠性保障。

3.2 質(zhì)量梯度較高烤煙樣品的化學(xué)成分特征分析

3.2.1 糖氮比與烤煙樣品的質(zhì)量梯度

糖氮比是煙葉碳源與氮源代謝產(chǎn)物的比例，且與煙葉施木克值成正相關(guān)關(guān)系，對煙葉質(zhì)量有較大的影響。以五大煙區(qū)（北方煙區(qū)、東南煙區(qū)、西南煙區(qū)、長江中上游煙區(qū)、黃淮煙區(qū)）對樣品進(jìn)行分類后，不同等級質(zhì)量煙葉的糖氮比含量均值如表1所示。在北方煙區(qū)內(nèi)，由于生態(tài)環(huán)境等因素，上部煙葉的總氮含量較低，導(dǎo)致糖氮比值較高，與煙葉的質(zhì)量等級關(guān)系存在特殊性。排除北方煙區(qū)后，各等級煙葉的糖氮比均值如圖2所示。

圖 2 不同質(zhì)量等級煙葉的糖氮比均值

表 1 五大煙區(qū)不同質(zhì)量等級煙葉的糖氮比均值

由表1和圖2可知，在五大煙區(qū)內(nèi)，中部上等、下部上等和中部中等煙葉均具有高糖氮比的特點(diǎn)，上部上等和中部下等煙葉均具有糖氮比適中的特點(diǎn)，上部下等和下部下等煙葉均具有低糖氮比的特點(diǎn)。根據(jù)外觀質(zhì)量評價結(jié)果，中部上等煙葉質(zhì)量最好，上部和下部的下等煙葉質(zhì)量較差。因此，存在一定范圍內(nèi)，糖氮比越高，煙葉等級質(zhì)量越高的趨勢規(guī)律。

對各煙區(qū)的質(zhì)量梯度及對應(yīng)的糖氮比值進(jìn)行顯著性t檢驗，以中部上等為參照，分別計算其與上部下等、下部下等、中部下等、上部上等、中部中等、下部上等的顯著性，結(jié)果如表2所示。

表 2 不同質(zhì)量等級煙葉的顯著性t檢驗結(jié)果

當(dāng)P＜0.05時，兩組數(shù)據(jù)的均數(shù)差異具有統(tǒng)計學(xué)意義，即具有顯著差異。由表2可以看出，中部上等煙葉與上部下等、下部下等、中部下等、上部上等、中部中等煙葉均具有顯著差異；中部上等與下部上等煙葉的質(zhì)量較為相近，此時糖氮比值差異顯著性水平稍低。此結(jié)果與煙葉外觀等級質(zhì)量的趨勢規(guī)律基本一致。

3.2.2 氮堿比與烤煙樣品的質(zhì)量梯度

氮堿比值與煙葉質(zhì)量密切相關(guān)，氮堿比值過大時煙葉的雜氣大，過小時煙葉的刺激性大。以五大煙區(qū)對樣品進(jìn)行分類后，不同等級質(zhì)量煙葉的氮堿比均值如表3所示，各等級煙葉的氮堿比均值如圖3所示。

表 3 五大煙區(qū)不同工業(yè)等級煙葉的氮堿比均值

圖 3 不同質(zhì)量等級煙葉的氮堿比均值

由表3和圖3可知，在五大煙區(qū)內(nèi)，等級質(zhì)量較高的煙葉，氮堿比值均為適中偏低；等級質(zhì)量較低的煙葉，氮堿比值一般較高或較低。因此，烤煙的等級質(zhì)量較高的煙葉，具有氮堿比值適中偏低的特點(diǎn)。

3.2.3 煙堿與烤煙樣品的質(zhì)量梯度

煙堿與煙葉的色澤，香味，口味等外觀和感官質(zhì)量密切相關(guān)，對煙葉質(zhì)量影響較大。同樣以五大煙區(qū)對樣品進(jìn)行分類后，不同等級質(zhì)量煙葉的煙堿含量均值如表4所示，各等級煙葉的煙堿均值如圖4所示。

表 4 五大煙區(qū)不同工業(yè)等級煙葉的煙堿均值 %

圖 4 不同質(zhì)量等級煙葉的煙堿均值

由表4和圖4可知，在五大煙區(qū)內(nèi)，等級質(zhì)量較高的煙葉，煙堿值均為適中偏低；等級質(zhì)量較低的煙葉，煙堿值一般較高或較低。因此，烤煙的等級質(zhì)量較高的煙葉，具有煙堿值適中的特點(diǎn)。

綜合以上結(jié)果可以得出，等級質(zhì)量較高的煙葉具有高糖氮比以及煙堿、氮堿比適中偏低的特點(diǎn)；即當(dāng)煙堿值（或氮堿比）在一定范圍內(nèi)時，糖氮比值越高煙葉質(zhì)量越好。

3.3 糖氮比、氮堿比和煙堿值的評價函數(shù)

根據(jù)表1、表3、表4，分析2017年全部烤煙樣品的糖氮比、煙堿、氮堿比值與等級質(zhì)量的數(shù)據(jù)規(guī)律；根據(jù)數(shù)據(jù)趨勢，分別擬合出兩者對勾函數(shù)或二次函數(shù)為主的分段函數(shù)為

圖5為評價函數(shù)圖，可以看出，各項化學(xué)指標(biāo)的評價函數(shù)與3.2中數(shù)據(jù)表明的：此函數(shù)與等級質(zhì)量較高的煙葉具有高糖氮比以及煙堿、氮堿比適中偏低的規(guī)律一致。

圖 5 評價函數(shù)

3.4 基于化學(xué)成分的烤煙質(zhì)量等級評價結(jié)果

綜合糖氮比、氮堿比、煙堿的質(zhì)量評價函數(shù)，得到基于化學(xué)成分的烤煙質(zhì)量等級評價方法。將糖氮比、煙堿、氮堿比的質(zhì)量評價結(jié)果權(quán)重分別設(shè)為0.4、0.3、0.3后進(jìn)行求和，結(jié)果與烤煙質(zhì)量等級的線性相關(guān)關(guān)系如圖6所示。為減小樣品不均勻等因素產(chǎn)生的誤差，將各質(zhì)量等級內(nèi)的評價結(jié)果取平均值后，平均評價結(jié)果與烤煙質(zhì)量等級的線性相關(guān)關(guān)系如圖7所示。

圖 6 評價結(jié)果與質(zhì)量等級

圖 7 平均評價結(jié)果與質(zhì)量等級

由圖6和圖7可知：基于化學(xué)成分的烤煙質(zhì)量等級評價結(jié)果與烤煙質(zhì)量等級的相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.67；將相同質(zhì)量類型的評價結(jié)果取平均值后，其相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.90。因此，通過主要化學(xué)成分的量化評價結(jié)果來對烤煙等級質(zhì)量是可行的。

3.5 不同年度樣品的評價驗證結(jié)果

應(yīng)用3.4部分采用的評價方法和函數(shù)模型，得到的2018年度樣品評價結(jié)果與烤煙質(zhì)量等級的相關(guān)散點(diǎn)圖如圖8所示；平均評價結(jié)果與烤煙質(zhì)量等級的相關(guān)關(guān)系散點(diǎn)圖如圖9所示。

圖 8 2018年評價結(jié)果與質(zhì)量等級

圖 9 2018年平均評價結(jié)果與質(zhì)量等級

由圖8和圖9可知：應(yīng)用本文提出的評價方法和相同函數(shù)模型得到的2018年度樣品評價結(jié)果的相關(guān)性為0.69，將相同質(zhì)量類型的評價結(jié)果取平均值后的相關(guān)性為0.86，結(jié)果與2017年基本一致，表明本文提出的方法模型具有較好穩(wěn)定性。因此，通過對主要化學(xué)成分可以實現(xiàn)烤煙等級質(zhì)量客觀、穩(wěn)定的分析評價。

4 結(jié)束語

本文通過數(shù)據(jù)分析，以總糖、總氮、糖氮比、氮堿比、煙堿為主，探究了煙葉的化學(xué)成分與質(zhì)量等級的關(guān)系。通過總糖和總氮關(guān)系研究，驗證了煙葉樣品近紅外測量值的準(zhǔn)確度。在此基礎(chǔ)上，分別研究了糖氮比、氮堿比、煙堿和煙葉質(zhì)量等級的關(guān)系。在一定范圍內(nèi)，氮堿比和煙堿適中時，糖氮比越高，煙葉的質(zhì)量等級越好。糖氮比與煙葉質(zhì)量等級具有較高的正相關(guān)關(guān)系；氮堿比和煙堿值與質(zhì)量等級存在近似二次型函數(shù)的非線性相關(guān)；糖氮比、氮堿比和煙堿與質(zhì)量等級之間可近似用對勾型或二次型函數(shù)進(jìn)行數(shù)學(xué)表達(dá)建模評價。

綜合分析糖氮比、氮堿比、煙堿三項指標(biāo)與煙葉等級質(zhì)量的關(guān)系，將質(zhì)量評價結(jié)果進(jìn)行綜合，得到的質(zhì)量評價結(jié)果與烤煙質(zhì)量等級的線性相關(guān)系數(shù)可達(dá)到0.67；將相同質(zhì)量類型的評價結(jié)果取平均值后，相關(guān)系數(shù)可達(dá)到0.90；進(jìn)一步使用不同年度數(shù)據(jù)的驗證結(jié)果，2018年度樣品評價結(jié)果的相關(guān)性為0.69，將相同質(zhì)量類型的評價結(jié)果取平均值后的相關(guān)性為0.86，結(jié)果表明本文提出的方法模型具有較好的穩(wěn)定性。本研究試驗樣品來自全國不同煙葉產(chǎn)區(qū)，得出的規(guī)律和結(jié)論具有一定普遍性，對煙草加工企業(yè)基于常規(guī)化學(xué)成分判定煙葉等級質(zhì)量，提高收購、工業(yè)分級、配方設(shè)計、加工生產(chǎn)等過程中的質(zhì)量把控水平，具有重要作用和意義，并且隨著近紅外快速檢測技術(shù)的普及應(yīng)用，為通過關(guān)鍵化學(xué)指標(biāo)快速、客觀地確定烤煙質(zhì)量等級以及質(zhì)量檢控提供了可能。