浓香型烤烟烟叶化学成分与烟气化学成分的关联度

程昌合，王唯唯，赵铭钦，岳 恒，孙翠红

（1.浙江中烟工业有限责任公司,浙江 杭州 310009；2.河南农业大学烟草学院,河南 郑州 450002）

浓香型烤烟烟叶化学成分与烟气化学成分的关联度

程昌合1，王唯唯2，赵铭钦2，岳 恒2，孙翠红2

（1.浙江中烟工业有限责任公司,浙江 杭州 310009；2.河南农业大学烟草学院,河南 郑州 450002）

以浓香型主产烟区烤烟样本为材料,采用因子分析和灰色关联分析法,研究烤烟烟叶化学成分与烟气化学成分的关系。结果表明,总糖、还原糖、烟碱、总氮、钾、氯6种烟叶化学成分划分为碳氮因子、钾因子和氯因子,对烟气化学成分影响较大的2个潜在因子是碳氮因子和钾因子,3个因子模型解释了试验数据总方差的89.774%；灰色关联分析表明,氯因子对烟气总粒相物、焦油和一氧化碳影响最大,其次是碳氮因子,而钾因子与烟气烟碱的关联度最大,其次为碳氮因子。

浓香型；烤烟；烟叶化学成分；烟气化学成分；因子分析；灰色关联分析

浓香型烤烟烟叶的各种化学成分含量异于其他香型烤烟烟叶,进而对烟叶的外观质量以及物理特性产生影响,导致不同香型烤烟烟气的化学成分的含量及组成产生差异,最终影响卷烟的吸食口感。烤烟烟气常规化学成分包括总粒相物、焦油量、烟气烟碱、烟气水分以及一氧化碳,前三者属于主流烟气的粒相成分,而一氧化碳则为气相成分。关于主流烟气化学成分的研究,多数集中在成品卷烟主流烟气成分的研究,且研究侧重于有害成分的测定及其降低措施上［1-11］,而烤烟单料烟主流烟气成分的研究甚少报道。作者以8个浓香型烟产区58个点的烤烟C3F等级单料烟化学成分为研究对象,采用因子分析和灰色关联分析等分析方法尝试揭示浓香型单料烤烟各指标间相互关系及彼此间的影响程度,为卷烟工业烟叶原料使用及卷烟安全性评价提供依据。

l 材料与方法

1.1 材料

2012年,采集河南、安徽、山东、湖南、江西、广东、广西、陕西8个浓香型烟叶主产区具有代表性的中橘三 （C3F）等级的初烤烟叶样品132个,品种为当地烤烟主栽品种 （K326、NC89等）,同时采集的烟叶原料统一加工,统一编码,单一原料卷制,不加香加料。烟支卷制规格为：长度70 mm,圆周长24.5 mm。

1.2 检测方法

烤烟烟叶中总糖 （X1）、还原糖 （X2）、总氮（X3）、烟碱 （X4）、氯 （X5）和钾 （X6）等含量测定分别参见YC/T 159-2002,YC/T 161-2002,YC/T 160-2002,YC/T 162-2002和YC/T 173-2003。

在温度 （22±1）℃和相对湿度为60%±2%的恒温恒湿箱中平衡含水率72 h,挑选在平均重量± 0.15 g,平均吸阻±49 Pa范围内的烟支用作烟气分析样品。按照GB/T 9069-2004的方法测定总粒相物、焦油、抽吸口数。按照GB/T 23355-2009卷烟总粒相物中烟碱的测定气相色谱法、GB/T 23203.1-2008卷烟总粒相物中水分的测定第 l部分气相色谱法和GB/T 23356-2009卷烟烟气气相中一氧化碳的测定散射红外法中规定的方法分别测定烟气烟碱量、烟气水分和一氧化碳释放量。烟气成分按照GB/T 19609-2004进行检测。

1.3 数据处理

所有数据采用SPSS 19.0统计软件和Excel 2003进行处理。

2 结果与分析

2.1 烤烟常规化学成分与单料卷烟主流烟气成分

表1表明,烟叶常规化学成分样本间存在较为广泛的变异,其中氯变异系数52.39%最大,还原糖的变异系数16.91%最小,其余各指标的变异系数介于两者之间。总氮、氯和钾含量的数据分布表现为右偏态尖顶峰,还原糖和烟碱的数据分布表现为左偏态平阔峰。4种主流烟气成分中烟碱变异系数36.94%最大,高于其他3种成分的变异系数。

表1 浓香型烟产区烤烟常规化学成分与单料卷烟主流烟气成分

2.2 烤烟常规化学成分的公因子

利用SPSS软件对浓香型烤烟样品的原始数据进行因子分析,采用主成分分析法提取特征值＞0.7的因子,并进行方差最大正交旋转（Varrimax）。共提取3个因子,累积贡献率为89.774% （表2）,且KMO的统计量为0.795,＞0.5,说明进行因子分析的适用性较好,因此可以对原始数据进行因子分析。

表2 浓香型烤烟常规化学成分的3个公因子

因子载荷 （表3）表明了烤烟的化学成分与因子间的关联程度,第1个因子占有变量总方差的51.348%,总糖、还原糖在第1个因子上具有较高的正荷载,而总氮和烟碱在第1个因子 （因子1）上则具有较高的负荷载,说明了总糖和还原糖与第1个因子呈正相关,而总氮和烟碱呈负相关,因此,第1个因子可以被称为碳氮因子。第2个因子（因子2）占有变量总方差的20.640%,该因子主要由钾决定,称为钾因子。第3个因子 （因子3）占有变量总方差的17.790%,氯有较高的正荷载,可称为氯因子。烤烟6种化学成分根据因子荷载可以划分为3个有确切意义的营养因子。公因子方差给出该模型对各变量所能解释的方差比例,还原糖、钾和氯在90%以上,其余均大于70%,说明该模型在阐明以因子形式表现的变量间的关联时,可信度高。

表3 浓香型烤烟常规化学成分因子载荷矩阵与公因子方差

2.3 烤烟常规化学成分公因子与烟气成分的关联性

分析研究烟叶化学成分与烟气化学成分之间的关系,灰色关联分析法分析结果准确且效果良好［12-14］。由于烟叶化学成分和烟气化学成分2个系统之间的关系以及系统中不同成分之间的关系都是灰的［15］,因此采用灰色关联法分析烟叶化学成分与烟气化学成分。

将所有烤烟样品视为一个灰色系统,根据因素数列的几何形状发展态势的接近程度来衡量因素间关联程度的大小。每项化学指标看作系统中的一个因素,借助回归模型计算3个主因子的得分 （F1, F2,F3）：

F1=-0.301X1-0.275X2+0.369X3+0.295X4+ 0.184X5-0.206X6；

F2=-0.006X1+0.205X2+0.351X3+0.016X4+ 0.887X5-0.047X6；

F3=0.043X1+0.184X2-0.029X3-0.032X4-0.060X5+1.056X6。

式中,X1,X2,X3,X4,X5,X6为原始变量的标准化值。

将求得的因子得分作为比较数列 （子序列）,以烟气各项指标作为参考数列 （母序列）数据做标准化处理,按照下式计算焦油量与烤烟质量评价指标间的灰色关联系数 （Loi（k））：

式中：Loi（k）为在时刻t=k时母序列X0与子序列Xj的关联系数；Δoi（k）表示k时刻两比较 序 列 的 绝 对 差,即 Δoi（k） = χ0（k）-χi（k） ( 1≤i≤m)绝对差,Δmaχ与 Δmin分别表示所有比较序列各个时刻绝对差中的最大值和最小值；ρ为分辨系数,一般取值0.1～0.5,综合各点的关联系数,由下式求出子序列与母序列的关联度 （r0i）：

按照灰色关联分析原则,灰色关联系数 （或关联度）大的数列与参考数列的关系最为密切,灰色关联系数 （或关联度）小的数列与参考数列的关系较为疏远,以此建立关联序列［16］,分别对总粒相物、烟气烟碱、焦油和一氧化碳做灰色关联度分析,结果见表4。

表4 浓香型烟产区烤烟常规化学成分因子得分与烟气成分的灰色关联分析

在各因子对烟气成分的关联排序中,碳氮因子、氯因子和钾因子对总粒相物、一氧化碳和焦油量的关联排序一致,都是氯因子最优,碳氮因子次之,二者均优于钾因子,而对烟气烟碱则表现为钾因子最优、碳氮因子次之。综上可知烟叶中潜在因子氯因子和碳氮因子的变化对烟气化学成分中总粒相物、焦油和一氧化碳的形成具有较大的影响,而钾因子和氯因子对烟气烟碱的形成影响较大。

3 小结与讨论

采用因子分析法对浓香型烤烟烟叶6种常规化学成分进行分析研究,共提取3个主因子,分别为碳氮因子、钾因子和氯因子。碳氮因子占变量总方差的51.350%,高于其他2因子的占有比例。分别对多种烤烟成分进行因子分析,提取的主因子中碳氮因子所占的变量总方差最高,高于其他因子［17-20］。

通过因子分析法提取的3个主因子的因子得分与烟气化学成分的灰色关联分析结果表明,对烟气总粒相物、焦油和一氧化碳影响最大的因子是氯因子,其次为碳氮因子,钾因子的影响最小；对烟气烟碱影响最大的是钾因子,其次为碳氮因子,氯因子的影响最小。钾含量的增加不仅可以提高烟叶的燃烧性,同时能降低烟叶燃烧时的温度,起到降低烟气有害成分含量的作用［21］；氯含量与燃烧性呈负相关,会降低烟叶的燃烧速度,进而使其有害成分增加［22］。依据各因子对烟气化学成分的影响程度按大小顺序进行排列,有目的性地减少卷烟烟气有害成分的释放。由于氯因子和碳氮因子对卷烟烟气有害成分的影响较大,在卷烟配方调整和质量控制时应优先考虑这2个因子。

烟气化学成分的释放量及比例组成与烟叶化学成分之间存在着较强的相关性,但是常规化学成分只是影响烟气成分的众多重要因素中的1个因素,辅材、环境条件、烟丝物理特性等因素也都会影响烟气成分的形成,对于烟气成分的形成以及与化学成分间的相互关系有待进一步的研究。

［1］ 郭磊,索卫国,田耀伟,等.LC-MS/MS法对卷烟主流烟气中8种羰基化合物的测定 ［J］.分析化学,2008,27（增刊）：99-102.

［2］ 李梅,董俊国,黄正旭,等.单颗粒气溶胶飞行时间质谱仪分析香烟烟气气溶胶 ［J］.分析化学,2012,40（6）：936-939.

［3］ 李海锋,钟科军,路鑫,等.全二维气相色谱/飞行时间质谱（GC×GC/TOFMS）用于烟叶中挥发、半挥发性碱性化合物的组成研究 ［J］.化学学报,2006,64（18）：1897-1903.

［4］ 朱晓兰,刘百战,朱青林,等.卷烟烟气中挥发性组分的毛细管气相色谱分析 ［J］.分析测试学报,2001,20（5）：38-42.

［5］ 王建民,马晓伟,舒云波,等.填充料类型及组合方式对卷烟烟气的影响 ［J］.中国农学通报,2010（4）：66-69.

［6］ 牛路路,陈雪,翟欣,等.毕节不同海拔条件下烤烟化学成分分析 ［J］.山西农业科学,2013,41 （5）：446-448.

［7］ 郑琴,程占刚,李会荣,等.卷烟纸对卷烟主流烟气中7种有害成分释放量的影响 ［J］.烟草科技,2010（12）：49-51.

［8］ 胡群,马静,彭丽娟,等.卷烟纸自然透气度对卷烟物理性能及烟气量影响的研究 ［J］.烟草科学研究,2003（4）：163-167.

［9］ 杨叶昆,徐兰兰,王保兴,等.功能添加剂降低烟气中CO和其他有害物质的研究 ［R］.海口：中国烟草学会工业专业委员会烟草化学学术研讨会,2005：401-405.

［10］ 于建军,李国栋.烤烟矿质元素含量、静燃速率与烟气成分的相关分析 ［J］.河南农业大学学报,2000（4）：355-357.

［11］ 于建军,章新军,毕庆文,等.烤烟烟叶理化特性对烟气烟碱、CO、焦油量的影响 ［J］.中国烟草科学,2003（3）：5-8.

［12］ 陈元生.应用灰色关联分析法综合评估烤烟新品种 ［J］.广东农业科学,2001（2）：9-11.

［13］ 谢小丹,陈顺辉,巫升鑫.烤烟新引品种的模糊综合评判和灰色关联度分析 ［J］.福建农林大学学报：自然科学版, 2002（6）：160-163.

［14］ 胡建军,马明,孛耀光,等.烟叶主要化学指标与其感官质量曲灰色关联分析 ［J］.烟草科技,2001（1）：3.

［15］ 彭玉富,朱智志,张保华,等.卷烟烟支化学成分的因子分析 ［J］.郑州轻工业学院学报：自然科学版,2006,21（3）：29-31.

［16］ 彭玉富,李光照,朱智志,等.灰色关联分析及其在烟叶成分与烟气成分关系研究中的应用 ［J］.郑州轻工业学院学报：自然科学版,2007,21（3）：20-22.

［17］ 杨再波,彭黔荣,叶冲,等.主因子法在分析烟叶化学成分中的应用 ［J］.贵州化工,2006,31（3）：30-32.

［18］ 于建军,郭玮,毕庆文,等.烤烟主要化学成分因子分析和综合评价 ［J］.浙江农业学报,2010,22（2）：244-248.

［19］ 许淑红,张梦楚,朱波,等.攀西烤烟化学成分状况及相似性分析 ［J］.山西农业科学,2013,41（4）：330-332,338.

［20］ 宁扬,刘好宝,史万华,等.凉山烤烟主要化学成分的因子分析及综合评价 ［J］.中国农学通报,2013,29（1）：85-88.

［21］ 阳苇丽,王龙宪,许自成,等.烤烟钾、氯含量及钾氯比与烟气指标的关系分析 ［J］.江西农业学报,2011,23（12）：109-112.

［22］ 李国栋,于建军,董顺德,等.河南烤烟化学成分与烟气成分的相关性分析 ［J］.烟草科技,2001（8）：27-30.

（责任编辑：张才德）

S 572

：A

：0528-9017（2014）04-0555-03

文献著录格式：程昌合,王唯唯,赵铭钦,等.浓香型烤烟烟叶化学成分与烟气化学成分的关联度 ［J］.浙江农业科学,2014（4）：555-558.

2014-02-09

国家烟草专卖局浓香型特色优质烟叶开发重大项目 （110201101001）

程昌合 （1981-）,男,工程师,从事烟叶原料和叶组配方研究工作。通信作者：赵铭钦。