初烤烟叶25种化学成分与焦油的相关、逐步回归及通径分析

张 涛，段沅杏，陈进雄，张 霞，许 永，杨 帅，马 燕，王 岚，孙桂芬，胡守毅

云南烟草科学研究院，烟草化学重点实验室，昆明市高新开发区科医路41号 650106

烟叶原料是决定卷烟焦油释放量的重要因素之一，焦油的产生与烟叶理化特性密切相关。近年来对烤烟烟叶物理、化学指标与焦油释放量的关系也进行了相应的研究［1-8］。但是存在以下问题：①研究烟草化学成分与焦油释放量的关系大部分是以卷烟成品和复烤烤烟为主，对于初烤烟叶中化学成分与焦油释放量的关系研究较少；②在大多数研究中，烟草化学指标的选择上主要以常规化学成分为主，没有反映出烟草中有机酸、酚类等化合物与焦油释放量的关系；③选取样品的代表范围小，有的样品仅代表某个品种或某个部位，没有综合考虑不同因素存在情况下化学成分与焦油释放量的关系特点。鉴于此，如果对不同品种、部位、土壤类型、烤房类型及综合不同因素的样品进行相关分析，预期可说明综合不同因素的样品在烟草化学成分与焦油释放量的相关性上具有一定的代表性。为此，以全国不同产地、品种、烟叶部位、土壤类型及烤制方式的初烤烟叶样本为材料，采用简单相关分析、逐步回归分析和通径分析等统计方法，对综合不同因素下初烤烟叶化学成分和焦油释放量的关系进行分析，旨在进一步补充和探索初烤烟叶中大多数化学成分与焦油释放量的关系，为提高烟叶安全性和减少吸烟危害提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 材料来源

于2009年收集到全国47个产地，9个品种，上、中、下3个烟叶部位，普通土壤、红壤2种土壤类型，密集烤房、普通烤房2种烘烤方式的182个初烤烟叶样品。所收集的初烤烟叶原料统一加工，统一编码，单一原料分别切丝并卷制成单料烟支，不加香加料。

1.2 焦油和初烤烟叶化学成分测定方法

选取25种初烤烟叶化学成分（总糖、还原糖、氯、钾、总氮、烟碱、挥发碱、水分、蛋白质、挥发酸、纤维素、绿原酸、莨菪亭、芸香苷、总多酚、草酸、丙二酸、丁二酸、苹果酸、柠檬酸、棕榈酸、亚油酸、油酸、亚麻酸、硬脂酸）作为研究指标。其依据是：①由于一部分烟草化学成分是生成烟气成分的前体化合物（如碳水化合物、含氮化合物、有机酸、酚类等）［9］，其含量对烟气焦油的释放量影响较大，因此选取生成烟气成分的前体化合物作为所要研究的烟草化学成分；②这25种成分的定量检测分析方法是经过云南省计量测试技术研究院实验室认证的，其分析检测结果可靠。

采用常规分析用吸烟机测定烟气焦油量［10］；光度法测定烟碱［11］；返滴定法测定挥发碱［12］；烘箱法测定水分［13］；克达尔法测定蛋白质［14］；高效液相色谱法测定多酚化合物（绿原酸、莨菪亭、芸香苷、总多酚）［15］；采用文献［16］的方法测定挥发酸，文献［17-18］的方法测定纤维素，文献［19］的方法测定非挥发性有机酸（草酸、丙二酸、丁二酸、苹果酸、柠檬酸、棕榈酸、亚油酸、油酸、亚麻酸、硬脂酸）。

1.3 数据处理方法

利用SPSS16.0软件对试验数据进行描述统计分析、相关分析、逐步回归分析和通径分析［20-21］。

2 结果与分析

2.1 基本统计量分析

对初烤烟叶各化学成分和烟气焦油释放量进行描述统计分析，结果见表1。由表1可知，烟叶各化学成分和烟气焦油存在广泛的变异，化学成分中氯、莨菪亭的变异系数较大；蛋白质、棕榈酸、油酸、硬脂酸的变异系数较小。按照变异系数的划分等级：变异系数<10%为弱变异性，变异系数为10%～100%为中等变异性，变异系数>100%为强变异性［22］，总体来看，大部分初烤烟叶化学成分与焦油均属中等变异强度，说明大部分初烤烟叶化学成分与焦油具有一定程度的可调控性。

表1 初烤烟叶化学成分与烟气焦油的基本统计

（续表1）

由峰度系数可以看出，除总糖、还原糖、钾、烟碱、挥发碱、水分、芸香苷的峰度系数为负外，其余指标均为正数；其中氯、绿原酸、莨菪亭、丁二酸、苹果酸、柠檬酸、亚油酸、油酸为尖峭峰；其余指标为平阔峰，且纤维素、草酸更接近于正态峰。各指标偏度系数均为正数，因此为正向偏态峰。由偏度系数可以看出，除总糖、还原糖、棕榈酸的偏度系数<0外，其余各化学成分均>0，说明大部分化学成分存在正偏差。

2.2 相关性分析

通过对总群体（包含不同部位、不同品种、不同土壤及不同烤房）、上部烟叶群体、中部烟叶群体、下部烟叶群体、K326品种群体、红大品种群体、普通土壤群体和普通烤房群体共8个群体样品中各烟叶化学特性与烟气焦油进行简单相关分析，结果见表2。将表2中所有化学成分与烟气焦油的相关系数，按照线性相关程度分3个等级，见表3。简单相关系数|r|≥0.3为中度相关，0.15≤|r|＜0.3为弱相关，|r|＜0.15为不相关。对3组相关系数分别进行r=0.3，r=0.15的总体假设t检验，关于相关系数程度分类的总体假设t检验结果（表3）显示，4次总体假设t检验结果都是P<0.05，说明划分的3个相关程度等级是有效的。

由表2可知，在总群体（包含不同部位、不同品种、不同土壤及不同烤房）样品中，与烟气焦油具有显著相关性的烟叶化学指标，包含了上部烟叶、中部烟叶、下部烟叶、K326品种、红大品种、普通土壤和普通烤房各自群体中与烟气焦油具有显著相关性的烟丝化学指标。说明选用总群体样品中焦油与烟丝化学指标之间的显著相关性可代表各群体样品中焦油与烟丝化学指标之间的显著相关性情况。总群体样品中，总糖、钾、水分、纤维素、丁二酸、苹果酸、棕榈酸、油酸、亚麻酸、硬脂酸与烟气焦油呈极显著的负相关，总氮、烟碱、挥发碱、蛋白质、芸香苷、丙二酸与烟气焦油呈极显著的正相关，还原糖、氯、挥发酸、绿原酸、莨菪亭、总多酚、草酸、柠檬酸、亚油酸与烟气焦油的相关不显著。从相关系数的大小看，钾、烟碱、挥发碱、丙二酸、亚麻酸与烟气焦油是中等程度相关；总糖、总氮、水分、蛋白质、纤维素、芸香苷、丁二酸、苹果酸、棕榈酸、油酸、硬脂酸与烟气焦油是弱相关；其中，烟碱与烟气焦油的相关系数最大，其次是丙二酸。

表2 初烤烟叶化学成分与烟气焦油的相关系数①

表3 关于相关系数程度分类的总体假设t检验

2.3 回归模型的建立

通过对总群体样品中各烟叶化学特性与烟气焦油量建立的逐步回归方程为：

回归方程的方差分析结果（表4）表明，回归方程是极显著的，各自变量的回归系数均达到了显著或极显著水平（见表5）；该模型的决定系数R2为0.986，说明该模型可解释总体方差的98.6%。由此可见，拟合的方程具有较大的参考价值。

表4 回归方程的方差分析

表5 回归系数的显著性检验①

2.4 通径分析

通过对逐步回归分析中筛选留下的6项烟叶化学成分（丙二酸、硬脂酸、烟碱、钾、总糖、苹果酸）与烟气焦油进行通径分析，结果见表6。由表6可知，6项烟叶化学成分对烟气焦油的直接作用是不均等的，按绝对值大小顺序为：丙二酸>硬脂酸>总糖>烟碱>钾>苹果酸；其中，丙二酸、硬脂酸、总糖、烟碱对烟气焦油为正直接作用，钾、苹果酸对烟气焦油为负直接作用。

从间接作用的总和看，筛选后的各化学成分对焦油的间接作用也存在较大差异，硬脂酸对焦油的间接作用最大，随后依次为总糖、丙二酸、苹果酸、钾、烟碱。其中，硬脂酸、总糖、丙二酸对焦油的间接作用较大，苹果酸、钾、烟碱对焦油的间接作用较小；烟碱对焦油是正间接作用，其余指标均为负间接作用。从间接作用的途径看，硬脂酸主要通过烟碱、丙二酸对焦油量起间接作用，总糖主要通过丙二酸、苹果酸对焦油量起间接作用，丙二酸主要通过总糖、烟碱、硬脂酸对焦油量起间接作用。

表6 逐步回归筛选后的初烤烟叶化学成分与烟气焦油的通径分析

综合各化学成分对焦油的直接作用和间接作用的分析结果，丙二酸、硬脂酸、总糖各自对焦油不但有很强的直接影响，而且还通过其他性状对焦油产生很大的间接作用。烟碱、苹果酸、钾对焦油的影响主要取决于直接作用，但其直接作用强度弱于丙二酸、硬脂酸和总糖。

3 讨论

根据综合相关分析、逐步回归分析及通径分析结果，可总结出：总群体样品中焦油与烟丝化学指标之间的显著相关性可代表各群体（不同部位、不同品种、不同土壤及不同烤房）样品中焦油与烟丝化学指标之间的显著相关性情况。丙二酸、硬脂酸、总糖、烟碱、钾、苹果酸是影响焦油的6个主要化学成分指标。降低初烤烟叶的硬脂酸、烟碱含量，提高钾、苹果酸含量，保持适当的丙二酸、总糖含量，有利于降低初烤烟叶烟气中焦油的释放量。

汪修奇等［1］以云烟87为材料，测定了3个等级（B2F，C3F和X2F）的焦油含量，并研究焦油与主要化学成分烟碱、总糖、钾、总氮、氯和还原糖的关系。其研究结果与本研究在主要化学成分的关系上结果较为一致，表现为：烟碱、钾对焦油的影响主要取决于直接作用，总糖与焦油的相关是由直接作用和间接作用共同影响的。但是，由于烟草中碳水化合物、含氮化合物、有机酸、酚类与烟气成分也存在相关性［9］；因而，本研究从含氮化合物、多酚化合物、非挥发性有机酸的角度上进一步发现丙二酸、硬脂酸与焦油的相关是由直接作用和间接作用共同影响的，苹果酸对焦油的影响主要取决于直接作用，为研究烟草化学成分与烟气焦油的关系提供了参考。

烟叶化学成分种类繁多、结构复杂，受气候、栽培、加工等多种因素影响，各种化学成分含量和相互间比例的变化较大。注重各化学成分含量和相互间比例的协调性，是增加烟叶工业可用性的关键［23］。本研究结果显示，25种化学成分含量与焦油均属中等变异强度，其中变异系数较大及适中的有氯、莨菪亭等大部分指标；相比之下变异系数较小的有蛋白质、棕榈酸、油酸、硬脂酸，说明大部分初烤烟叶化学成分与焦油具有一定程度的可调控性。可以进一步通过选择特定的烟叶品种、栽培环境和烘烤方式来调节初烤烟叶的化学成分，从而降低初烤烟叶烟气中的焦油释放量。

对初烤烟叶中各化学成分和焦油通过逐步回归分析建立多元回归模型，经显著性检验，回归方程及回归系数都达显著或极显著水平，表明筛选出的丙二酸、硬脂酸、总糖、烟碱、钾、苹果酸6个初烤烟叶化学成分与烟气焦油之间存在着真实的多元回归关系，且回归模型的拟合度较好，对进一步理解初烤烟叶化学成分与焦油的关系具有一定的参考价值。

文献［9］中提到烟叶中糖含量与烟气焦油量间有显著相关性，含糖量低是晾晒烟焦油量低于烤烟的主要原因之一。而烟碱、苹果酸是在高温下影响烟气化学成分变化的2种代表性化学成分［24］。钾离子对烟叶燃烧性影响最大，外加各种钾盐均可明显降低卷烟焦油量，但外加钾盐有一极限值，当外加钾盐量大于该极限值时，反而会增加卷烟焦油释放量［25］。本研究的通径分析表明，丙二酸、硬脂酸、总糖与焦油的相关是由直接作用和间接作用共同影响的，但直接作用的影响要大于间接作用；烟碱、苹果酸、钾与焦油的相关主要是由两者直接作用而形成的，间接作用影响不大。这说明初烤烟叶化学成分对焦油的影响是综合作用的结果，在生产上应采取多种技术措施改善初烤烟叶化学成分，降低焦油，提高其可用性。如适当降低初烤烟叶硬脂酸、烟碱含量，提高其可用性；提高初烤烟叶钾、苹果酸含量，改善初烤烟叶燃烧性，这些变化都有利于降低初烤烟叶烟气焦油的释放量。

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