近红外快速检测烤烟等级质量与关键化学指标的关系

王 超，刘艺琳，杨 凯，徐玮杰，汤朝起，陈 斌，李军会

(1.上海烟草集团有限责任公司，上海 200082; 2.中国农业大学信息与电气工程学院，北京 100083)

0 引 言

烟叶质量一般从外观、感官、物理特性、化学成分等方面进行描述，各因素之间的特性和化学成分之间密切相关[1]。外观质量包括烟叶的部位、颜色、成熟度、油分、色度等，主要应用于烤烟加工的收购阶段和工业分级中。烟叶内在的化学成分是烟叶质量的基础，但由于指标较多，数据繁琐，目前在烤烟的加工生产中，基于化学成分的烤烟等级质量分析并未受到重视。

通过探究烤烟外观等级质量与糖氮比等关键化学指标的关系，可以对烤烟进行稳定、准确的质量等级划分，不仅有利于烤烟的配方设计和工业生产的稳定性，而且有利于实现成品烤烟的科学分级。与感官质量和外观质量相比，通过近红外定量分析技术获得的化学成分数据具有客观、稳定、测量简单的优点。陈庆园等[2-5]研究认为，烟叶的化学成分，如总糖、烟碱、还原糖、总氮等与外观质量存在极显著或显著的相关性；李东亮等人[6-9]说明了烟叶的总糖、总氮、烟碱、氮碱比、糖碱比、还原糖等指标对烟叶质量存在较显著的影响。然而，烟叶主要化学成分与烟叶质量之间的关系尚不能准确量化，国内对烟叶等级质量的评价仍以感官质量或外观质量为主，以物理特性或化学成分为辅进行分析[10-12]。目前国内并未形成客观、稳定的基于化学成分的烟叶质量评价标准，且只对特定地区的烟叶进行了分析研究。

综合国内外文献和部分项目研究成果分析，目前可以得出，主要化学成分或指标中施木克值、非烟碱氮和烟碱氮的比例以及烟碱值与烟叶质量关系密切；由于施木克值、非烟碱氮和烟碱氮比例的分析检测在实际中很难准确测定或测定方法异常繁琐，本文通过理论分析得出，在一定条件或范围内可应用糖氮比近似替代施木克值，应用氮碱比近似替代非烟碱氮和烟碱氮比例。同时，烟碱含量与色泽、香味、口味等外观和感官质量密切相关，对烟叶质量影响较大，且烟碱含量与成品卷烟减害的质控指标密切相关，本文将烟碱绝对值作为评价烟叶质量的指标之一。因此，本文应用近红外光谱定量分析技术快速获得糖氮比、氮碱比、烟碱三项关键化学指标数据，研究其与烤烟外观等级质量的关系，并应用对勾、二次型等非线性分段拟合函数和加权求和的方法进行烤烟等级质量的量化分析评价。

1 材料与仪器

1.1 实验材料

本实验所用样品为从2017至2018年收集的来自全国14个省市烟叶样品，即来自安徽（26份），福建（167份），贵州（216份），河南（258份），湖北（56份），湖南（166份），山东（85份），江西（169份），吉林（37份），辽宁（52份），陕西（161份），四川（94 份），重庆（73 份），云南（439份）的2017 年（1 119份）及2018年（880份）共计1 999份样品。

1.2 实验仪器

Antaris型傅里叶变换近红外光谱检测仪（美国赛默飞公司）。工作参数：光谱采集范围12 000～4 000 cm-1；光谱分辨率：8 cm-1；扫描次数：64 次。

2 实验方法

通过近红外检测，得到烟叶的各项主要常规化学成分（总糖、还原糖、烟碱、总氮、钾、氯）和衍生指标数据（糖氮比、糖碱比、氮碱比、钾氯比等）。根据外观工业分级后样品等级分别划分为上部下等、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个等级，上部下等质量最差，中部上等，质量最优。

通过探究烟叶总糖与总氮含量的负相关性，验证样品近红外检测数据的准确性。通过糖氮比探究主要化学成分与烟叶质量的关系，糖氮比与施木克值的关系为：

式中：TS%——总糖量；

TN%——总氮量；

NIC%——尼古丁含量。

由式（1）施木克值的定义可知，糖氮比值近似等于施木克值的6.25倍。根据烟碱的分子式C10H14N2，计算氮元素占烟碱分子量的比重为0.173。总氮含量在一定范围内时，由式（2）所示，氮碱比可近似等效于烟叶非烟碱氮和烟碱氮的比例得出：

应用对勾、二次型等非线性拟合函数结合糖氮比、烟碱、氮碱比等化学指标数据进行烟叶等级质量的分析评价，其中对勾和二次型函数的通用表达式分别以下两个公式：

3 结果与讨论

3.1 烟叶样品近红外检测值的准确度评价

在一定生态条件下，植物生长发育过程中碳源代谢和氮源代谢是竞争关系，对于测量较准确且等级纯度较高的样品，总糖（碳源代谢产物）与总氮（氮源代谢产物）应呈高度负相关关系。因此可应用这一规律对近红外检测值的准确度进行分析评价。如图1所示，分别为随机选择的产地A、产地B和产地C样品以及2017年全部样品的总糖与总氮的相关系数图。

图 1 总糖和总氮散点图

由图1可知，各产地总糖和总氮的相关系数均达到-0.9左右，总糖与总氮具有高负相关性。由于不同产地烟叶的化学成分绝对值含量水平存在差异，且总糖与总氮竞争关系的速率不同，全部样品的总糖与总氮的相关系数为-0.75，与各产地样品相比相关系数降低，但仍表明近红外测量值具有较高的准确度，具备外观等级质量与主要化学指标的关系研究的数据可靠性保障。

3.2 质量梯度较高烤烟样品的化学成分特征分析

3.2.1 糖氮比与烤烟样品的质量梯度

糖氮比是烟叶碳源与氮源代谢产物的比例，且与烟叶施木克值成正相关关系，对烟叶质量有较大的影响。以五大烟区（北方烟区、东南烟区、西南烟区、长江中上游烟区、黄淮烟区）对样品进行分类后，不同等级质量烟叶的糖氮比含量均值如表1所示。在北方烟区内，由于生态环境等因素，上部烟叶的总氮含量较低，导致糖氮比值较高，与烟叶的质量等级关系存在特殊性。排除北方烟区后，各等级烟叶的糖氮比均值如图2所示。

图 2 不同质量等级烟叶的糖氮比均值

表 1 五大烟区不同质量等级烟叶的糖氮比均值

由表1和图2可知，在五大烟区内，中部上等、下部上等和中部中等烟叶均具有高糖氮比的特点，上部上等和中部下等烟叶均具有糖氮比适中的特点，上部下等和下部下等烟叶均具有低糖氮比的特点。根据外观质量评价结果，中部上等烟叶质量最好，上部和下部的下等烟叶质量较差。因此，存在一定范围内，糖氮比越高，烟叶等级质量越高的趋势规律。

对各烟区的质量梯度及对应的糖氮比值进行显著性t检验，以中部上等为参照，分别计算其与上部下等、下部下等、中部下等、上部上等、中部中等、下部上等的显著性，结果如表2所示。

表 2 不同质量等级烟叶的显著性t检验结果

当P＜0.05时，两组数据的均数差异具有统计学意义，即具有显著差异。由表2可以看出，中部上等烟叶与上部下等、下部下等、中部下等、上部上等、中部中等烟叶均具有显著差异；中部上等与下部上等烟叶的质量较为相近，此时糖氮比值差异显著性水平稍低。此结果与烟叶外观等级质量的趋势规律基本一致。

3.2.2 氮碱比与烤烟样品的质量梯度

氮碱比值与烟叶质量密切相关，氮碱比值过大时烟叶的杂气大，过小时烟叶的刺激性大。以五大烟区对样品进行分类后，不同等级质量烟叶的氮碱比均值如表3所示，各等级烟叶的氮碱比均值如图3所示。

表 3 五大烟区不同工业等级烟叶的氮碱比均值

图 3 不同质量等级烟叶的氮碱比均值

由表3和图3可知，在五大烟区内，等级质量较高的烟叶，氮碱比值均为适中偏低；等级质量较低的烟叶，氮碱比值一般较高或较低。因此，烤烟的等级质量较高的烟叶，具有氮碱比值适中偏低的特点。

3.2.3 烟碱与烤烟样品的质量梯度

烟碱与烟叶的色泽，香味，口味等外观和感官质量密切相关，对烟叶质量影响较大。同样以五大烟区对样品进行分类后，不同等级质量烟叶的烟碱含量均值如表4所示，各等级烟叶的烟碱均值如图4所示。

表 4 五大烟区不同工业等级烟叶的烟碱均值 %

图 4 不同质量等级烟叶的烟碱均值

由表4和图4可知，在五大烟区内，等级质量较高的烟叶，烟碱值均为适中偏低；等级质量较低的烟叶，烟碱值一般较高或较低。因此，烤烟的等级质量较高的烟叶，具有烟碱值适中的特点。

综合以上结果可以得出，等级质量较高的烟叶具有高糖氮比以及烟碱、氮碱比适中偏低的特点；即当烟碱值（或氮碱比）在一定范围内时，糖氮比值越高烟叶质量越好。

3.3 糖氮比、氮碱比和烟碱值的评价函数

根据表1、表3、表4，分析2017年全部烤烟样品的糖氮比、烟碱、氮碱比值与等级质量的数据规律；根据数据趋势，分别拟合出两者对勾函数或二次函数为主的分段函数为

图5为评价函数图，可以看出，各项化学指标的评价函数与3.2中数据表明的：此函数与等级质量较高的烟叶具有高糖氮比以及烟碱、氮碱比适中偏低的规律一致。

图 5 评价函数

3.4 基于化学成分的烤烟质量等级评价结果

综合糖氮比、氮碱比、烟碱的质量评价函数，得到基于化学成分的烤烟质量等级评价方法。将糖氮比、烟碱、氮碱比的质量评价结果权重分别设为0.4、0.3、0.3后进行求和，结果与烤烟质量等级的线性相关关系如图6所示。为减小样品不均匀等因素产生的误差，将各质量等级内的评价结果取平均值后，平均评价结果与烤烟质量等级的线性相关关系如图7所示。

图 6 评价结果与质量等级

图 7 平均评价结果与质量等级

由图6和图7可知：基于化学成分的烤烟质量等级评价结果与烤烟质量等级的相关系数达到0.67；将相同质量类型的评价结果取平均值后，其相关系数达到0.90。因此，通过主要化学成分的量化评价结果来对烤烟等级质量是可行的。

3.5 不同年度样品的评价验证结果

应用3.4部分采用的评价方法和函数模型，得到的2018年度样品评价结果与烤烟质量等级的相关散点图如图8所示；平均评价结果与烤烟质量等级的相关关系散点图如图9所示。

图 8 2018年评价结果与质量等级

图 9 2018年平均评价结果与质量等级

由图8和图9可知：应用本文提出的评价方法和相同函数模型得到的2018年度样品评价结果的相关性为0.69，将相同质量类型的评价结果取平均值后的相关性为0.86，结果与2017年基本一致，表明本文提出的方法模型具有较好稳定性。因此，通过对主要化学成分可以实现烤烟等级质量客观、稳定的分析评价。

4 结束语

本文通过数据分析，以总糖、总氮、糖氮比、氮碱比、烟碱为主，探究了烟叶的化学成分与质量等级的关系。通过总糖和总氮关系研究，验证了烟叶样品近红外测量值的准确度。在此基础上，分别研究了糖氮比、氮碱比、烟碱和烟叶质量等级的关系。在一定范围内，氮碱比和烟碱适中时，糖氮比越高，烟叶的质量等级越好。糖氮比与烟叶质量等级具有较高的正相关关系；氮碱比和烟碱值与质量等级存在近似二次型函数的非线性相关；糖氮比、氮碱比和烟碱与质量等级之间可近似用对勾型或二次型函数进行数学表达建模评价。

综合分析糖氮比、氮碱比、烟碱三项指标与烟叶等级质量的关系，将质量评价结果进行综合，得到的质量评价结果与烤烟质量等级的线性相关系数可达到0.67；将相同质量类型的评价结果取平均值后，相关系数可达到0.90；进一步使用不同年度数据的验证结果，2018年度样品评价结果的相关性为0.69，将相同质量类型的评价结果取平均值后的相关性为0.86，结果表明本文提出的方法模型具有较好的稳定性。本研究试验样品来自全国不同烟叶产区，得出的规律和结论具有一定普遍性，对烟草加工企业基于常规化学成分判定烟叶等级质量，提高收购、工业分级、配方设计、加工生产等过程中的质量把控水平，具有重要作用和意义，并且随着近红外快速检测技术的普及应用，为通过关键化学指标快速、客观地确定烤烟质量等级以及质量检控提供了可能。