玉溪烟区烤烟化学成分特征分析

许志文，谢新乔，王梦雅，李湘伟，杨继周，田育天

（红塔烟草（集团）有限责任公司，云南 玉溪 653100）

烟草（Nicotiana tabacum）作为世界上最广泛种植的商业性非食物叶用经济作物，其经济价值取决于自身品质[1]。多年来，烟叶的品质都是从外观性状、感官评级与化学成分3个维度来进行判定，但前两者易受人的主观因素影响，而化学成分既是对前两者判定结果的客观量化，又是烟叶内在质量的真实反映，因此显得尤为重要。研究表明，优质烤烟的化学成分含量为总糖18%～22%，还原糖14%～18%，烟碱1.5%～3.5%，总氮1.4%～2.7%，氯0.3%～0.8%，钾2%以上，钾氯比（钾/氯）为4以上，糖碱比（总糖/烟碱）6～10，氮碱比（总氮/烟碱）0.8～0.9，两糖比（还原糖/总糖）0.9以上[2-3]。由于我国烤烟生产具有地域和质量风格差异较大的特点，研究各烤烟产区化学成分并对当地烟叶质量特点做出评价是十分必要的[4]。王晓宾[5]等分析了广东8个主产烟区烟叶的6种常规化学成分指标和2种衍生指标的区域特征，发现广东烟叶质量表现出总糖、还原糖以及氯离子含量低，总植物碱、总氮含量高的特点，并对不同产区做出了针对性的栽培措施建议。张强[6]等利用一元线性回归、集成相关以及典型相关分析等方法对20个化学指标进行分析，筛选出总糖、总氮、挥发碱、钾、氯等11个指标建立云南烤烟主产区烟叶质量评价指标体系。刘政钦等[7]对百色烤烟的化学成分特征进行研究并对各县区烟叶进行了可用性分析，得出了百色市烤烟化学成分可用性指数呈从中部向北向南递减的结论。李晓霞等[8]对重庆12个烤烟种植县区的烟叶化学品质进行了比较分析，根据化学成分特征将其划分为5类地区，并提出了针对性的栽培及调制建议。

玉溪位于云南省中部，平均海拔1 800 m左右，年平均气温16.4～24.6℃，年平均降水674～1 023 mm，是中国优质烤烟主产区和中式高档卷烟的主要原料基地[9]，罗登山等[10]的研究表明，玉溪市生态资源优良，生产规模大，产业化基础条件较好，属于烟叶种植的适宜区和优势区，其下属各地烟叶香型风格整体突出，且不同年份间相对保持稳定。当前，对玉溪烤烟的研究主要集中在海拔[11]、气候[12]、品种等[13]方面，关于各县区烟叶化学成分特征的研究较少。本研究对玉溪市2019—2021年所有植烟面积在53 hm2以上的202个村委会连续3年进行取样，测定并计算了6个常规化学指标（烟碱、总糖、还原糖、总氮、氯、钾）和4个衍生指标（氮碱比、糖碱比、钾氯比、两糖比），综合分析各县区的化学成分特征，并提出针对性的栽培措施建议，以期为玉溪优质烤烟的生产提供参考。

1 材料和方法

1.1 样品来源

对玉溪市所有县区植烟面积在53 hm2以上的202个村委会登记列表（表1），每年在收购站点以在表村委会为单位，随机选取10户烟农的烤烟，由专业评级人员每户选取10片C3F烟叶组成一个样品待用，连续取样3年（2019—2021），共计606个样品。

表1 取样地点列表

1.2 化学成分的测定

烟叶的烟碱、总氮、总糖、还原糖、钾、氯含量的测定采用连续流动分析法(YC/T 468—2013、YC/T 161—2002、YC/T 159—2019、YC/T 159—2019、YC/T 217—2007、YC/T162—2011)。钾氯比为钾/氯，氮碱比为总氮/烟碱，糖碱比为总糖/烟碱，两糖比为还原糖/总糖。

1.3 统计分析方法

采用Minitab16、SPSS 25.0以及Excel 2016等数据分析软件进行方差比较、基本统计量、多重比较、聚类分析和主成分分析。其中主成分分析特征向量的计算公式如下：

式中，aij为第i个指标对应第j个主成分的特征向量；Ai为载荷矩阵中第i个指标在第j个主成分上的载荷Aij，Qj为第j个主成分的特征根。

2 结果与分析

2.1 玉溪各县区不同年度烤烟化学成分差异性分析

从表2可知，玉溪市烤烟总氮含量和氮碱比表现为2020、2021年显著高于2019年，两糖比表现为2020年显著高于2021年。而玉溪市烤烟的烟碱含量、总糖含量、还原糖含量、氯含量、钾含量、钾氯比和糖碱比等指标在年份间均无显著差异；总体上看，3年间各县区烤烟化学成分差异指标较少，说明玉溪烟区生态气候条件及栽培措施较为稳定，这与罗登山等[10]的研究相符。

表2 不同年度烤烟化学成分的差异性

2.2 玉溪各县区烤烟化学成分的差异性分析

从表3可知，玉溪烟区烟碱含量在2.4%～3.13%之间，全市中位数为2.57%，华宁的烟碱含量显著高于江川、通海、易门、峨山、新平、元江。总氮含量在1.78%～2.16%之间，全市中位数为2.03%，各县区之间差异不显著。总糖含量在31.57%～35.94%之间，全市中位数为34.29%，各县区之间差异不显著。还原糖含量在24.52%～29.5%之间，全市中位数为26.92，其中通海烤烟含量显著高于易门。氯含量在0.1%～0.74%之间，全市中位数为0.26%，各县区之间差异较大，其中通海烟区显著高于其他烟区，江川烟区显著高于华宁、易门、新平、元江烟区。钾含量在1.48%～2.1%之间，全市中位数为1.76%，各县区间差异较大，其中新平烟区显著高于澄江、华宁、江川、通海、易门、峨山等烟区，除新平、元江外，其余各县烤烟钾含量均未达到2%，说明玉溪烤烟钾含量偏低。全市钾氯比在2.61～19.01之间，中位数为8.92，各县区间差异较大。其中元江烟区最高，显著高于其他烟区。全市氮碱比在0.66～0.85之间，中位数为0.76，各县区之间差异不显著。全市糖碱比在10.63～15.35之间，中位数为13.57，其中江川烟区显著高于华宁和红塔烟区。全市两糖比在0.74～0.84之间，中位数为0.80，各县区之间差异不显著。

表3 不同产区烤烟化学成分差异性

2.3 玉溪烟区烤烟化学成分的基本统计特征分析

由表4可知，从均值来看，玉溪烟区呈现出总糖、还原糖含量较高，糖碱比高，两糖比略低的特点，其他指标均在优质烟叶范围之内。从峰度系数来看，总氮、总糖、还原糖、糖碱比、两糖比为负值，说明其正态分布为平顶峰，其他指标为尖顶峰。从偏度系数来看，总氮、总糖、还原糖、氮碱比、两糖比为负值，说明其数据分布形态右偏，其余指标为左偏，其中最接近于0的是糖碱比，说明其数据相对均匀的分布在均值两侧。从变异系数来看，从高到低依次是氯、钾氯比、糖碱比、钾、氮碱比、烟碱、总氮、还原糖、两糖比、总糖，说明玉溪市各县区烤烟糖类含量波动较小，相对稳定，氯含量波动较大，需重点关注。

表4 玉溪烟叶的化学成分的基本统计特征

2.4 玉溪烟区烤烟化学成分评价指标间的相关关系

从各指标间的相关关系（表5）看，玉溪烟区烟叶的烟碱含量与糖碱比呈极显著负相关；总糖含量与还原糖、糖碱比呈极显著正相关，与总氮含量呈显著负相关；还原糖含量与两糖比呈显著正相关；钾含量与钾氯比、氮碱比呈极显著正相关，与氯含量显著负相关；氯含量与钾氯比呈极显著负相关。以上结果说明，玉溪烤烟内部化学成分之间存在较多的相关关系，适合做主成分分析。

表5 玉溪烟叶化学成分评价指标间的相关关系

2.5 玉溪烟区烤烟化学成分主成分分析

将烟碱、总氮两个指标正向化[14]后进行主成分分析，提取特征根大于1的3个主成分，累计方差贡献率可达到93.903%，说明前3个主成分可基本反映原始数据的全部信息。由图1及表6可知，第一主成分的方差贡献率为46.345%，其中总氮、氯、总糖占据了较高的载荷；第二主成分方差贡献率为30.926%，其中烟碱、糖碱比、氮碱比、钾占据了较高的载荷；第三主成分的方差贡献率为16.632%，其中还原糖、钾氯比、两糖比占据了较高的载荷。3个主成分得分分别以PC1、PC2、PC3表示，根据特征向量公式计算后可得各主成分得分函数为：

表6 主成分因子载荷矩阵

图1 各化学成分的主成分载荷图

式中，X1-X10分别代表烟碱、总氮、还原糖、钾、氯、总糖、氮碱比、糖碱比、钾氯比、两糖比。

根据3个主成分贡献率可知玉溪各县区烤烟化学成分综合得分：

计算结果见表7，各县区烤烟化学成分的主成分综合得分从高到低依次为元江、江川、通海、澄江、易门、峨山、新平、红塔、华宁。

表7 各产区烤烟化学成分主成分得分

2.6 玉溪烟区烤烟化学成分聚类分析

根据主要化学成分含量将玉溪9个县区的烤烟按照组间联接方法进行系统聚类（图2），结果表明，在相似度为90.04处，可将玉溪分为三类烟区，第一类为澄江、通海、江川；第二类为华宁、红塔、易门、峨山、新平；第三类为元江。三类烟区分别地处玉溪东北部、中部、西南部，说明玉溪烤烟化学成分特征呈现出明显的地域性。从三类烟区烤烟的化学成分特征（图3）来看，不同类别烟区烤烟烟碱含量无显著差异，且均在优质烟叶范围之内，说明玉溪烟区烤烟烟碱含量适中，且较为稳定；总氮含量第一类烟区显著低于第二类和第三类烟区，但均在优质烟叶范围之内；氮碱比第三类烟区显著高于第一类，但三类地区均属优质烟叶范畴；还原糖、总糖、糖碱比第二类烟区显著低于第一类烟区，但三类烟区均处在相对较高水平，说明玉溪烟区烤烟糖类含量值得重点关注；从第一类到第三类烟区氯含量显著降低，钾含量和钾氯比逐渐增加且不同地区间差异显著，说明玉溪自东北至西南，表现出氯含量显著降低，钾含量和钾氯比显著增加的趋势。

图2 玉溪烟区烤烟主要化学成分聚类图

图3 三类烟区的烤烟化学成分特征

3 结论与讨论

本研究表明，玉溪烤烟各化学指标含量均值为烟碱2.65%，总氮1.98%，总糖33.9%，还原糖27.07%，氯0.32%，钾1.75%，钾氯比8.82，氮碱比0.76，糖碱比13.22，两糖比0.8，表现出总糖、还原糖、糖碱比高，钾含量、两糖比略低的特点。各县区化学成分主成分得分依次为元江、江川、通海、澄江、易门、峨山、新平、红塔、华宁；聚类分析可将玉溪划分为三类烟区，第一类澄江、通海、江川，应重点关注的指标为糖含量高、糖碱比高、两糖比低、钾含量低、钾氯比低；第二类华宁、红塔、易门、峨山、新平，应重点关注的指标为糖含量高、糖碱比高、两糖比低、钾含量低；第三类元江，应重点关注的指标为糖含量高、糖碱比高、两糖比低。

本研究中化学成分聚类分析将玉溪各县区分为三类，从玉溪市地理区划来看，第一类澄江、通海、江川地处玉溪市东北部，第二类华宁、红塔、易门、峨山、新平地处玉溪市中间，第三类元江地处玉溪市西南部，可见玉溪市烤烟化学成分表现出明显的地域性，可对三类地区的土壤养分状况进一步研究。主成分得分表现依次为元江、江川、通海、澄江、易门、峨山、新平、红塔、华宁，按顺序分别隶属于第三类烟区、第一类烟区、第二类烟区，说明同类烟区内部化学成分主成分得分较为接近。此外元江作为第三类烟区，除糖类指标外各项化学成分均较适宜，这可能是其主成分得分较高的原因。

糖类在烟草植株中的含量可达自身干重的25%～50%，是烟草光合作用的主要产物[1]。作为烟叶内在品质评价的重要指标，糖类参与形成烟叶的香气物质，并在烟叶燃吸过程中进行酸性反应，调节烟气的酸碱平衡，使吃味醇和[15-16]。本研究中玉溪烤烟总糖含量在31.57%～35.94%之间，还原糖含量在24.52%～29.50%之间，均处于较高水平，这与吴兴富等[17]、张佳佳等[18]研究相符，推测原因为玉溪昼夜温差较大，白天光照充足，十分有利于干物质积累。此外，李志刚[19]对我国不同香型产区的烤烟化学成分进行分析，得出了总糖与还原糖含量表现为清香型＞中间香型＞浓香型；张佳佳等[18]的研究表明，以云南为代表的清甜香型烤烟总糖与还原糖含量极显著高于以河南为代表的浓香型烤烟；而黄中艳等[20]研究发现，云南烤烟大田前期“多光少雨气温较高”有利于糖分快速积累，大田中后期“寡照多雨气温典型偏低”主导云产烟“清香型”风格的形成，同时有效降低糖分的耗失和转化，云南烟叶糖含量和糖碱比高、烟碱和总氮含量适中，气味清香高雅的风格特点是云南独特的气候造就的。可见，糖类含量高是玉溪作为典型清香型烤烟产地的生理基础。

本研究中玉溪烤烟糖碱比在10.63～15.35之间，全市均处在稍高水平，而烟碱含量在2.40%～3.13%之间，处于优质烟叶范围之内，说明玉溪烤烟糖碱比高是由于糖含量高的缘故。关于降低烟叶糖含量的研究早有报道，李小勇等[21]的研究表明，团颗期轻度断根处理的烟株生长后期根系活力显著高于其他处理，可以显著提高烟叶烟碱和钾含量，适度降低了烟叶的糖含量，使糖碱比更加协调。王韦燕等[16]、李海平等[22]的研究表明,土壤速效钾含量与烟叶总糖与还原糖含量呈负相关，因此在生产过程中可通过调节土壤钾素的供应，以适当调控烟叶的糖含量。此外，在调制过程中适当增加变黄期温度也可降低烤后烟叶的糖含量[23]。但由于糖含量高是玉溪烤烟呈现清香型的生理基础，因此降低糖含量对玉溪烤烟品质及香型是否会造成其他不利影响有待于进一步研究。

两糖比是衡量烟叶内碳水化合物转化程度的重要指标。通常认为，烤烟两糖比在0.9以上时，烟叶的成熟度好，协调性好[2]。王建波等[24]研究表明，烤烟总糖、糖碱比和两糖差呈现随海拔的升高而升高的态势。刘辉等[25]研究表明，随着成熟度的增加，淀粉分解加快，两糖差会显著改善。本研究中玉溪烤烟两糖比在0.74～0.84之间，处在稍低水平,推测与玉溪市海拔较高，或采收成熟度不够有关。冯圭如等[26]研究表明，适当增施锌肥、硼肥、镁肥可以有效降低中下部叶的两糖差；杨趁义[27]的研究表明，与过熟、欠熟相比，适熟采收烟叶的两糖比更加适宜，且延长变黄时间能够显著促进烟叶内含物质的转化，在变黄36 h取样与鲜烟叶相比两糖差显著降低了60.51%。因此，可通过栽培过程中适当增施硼肥、锌肥等微量元素肥料，采收过程中调整采收成熟度，调制过程中适当延长变黄时间等方式来提高玉溪烤烟两糖比。

烤烟钾含量和烟叶的燃烧性、阴燃保火力和色泽呈正相关，含钾多的叶片柔软，组织细致，外观质量好，一般认为，烤烟钾含量在2%以上为宜[1]。李强等[28]研究发现，云南烤烟钾含量偏低，变幅较大，并得出了钾含量与海拔、土壤pH值呈显著负相关的结论。本研究中玉溪第一类和第二类烟区表现出钾含量偏低，推测与玉溪市海拔较高有关或土壤速效钾含量不足有关。代晓燕等[29]的研究表明，增加钾肥追施比例可显著提高中上部烟叶中钾素含量；邹焱等[30]的研究表明，烟株打顶后喷施生长素和赤霉素能显著提高烟叶钾含量。因此针对第一类第二类烟区，可以通过增施钾肥，或者打顶后喷施生长素、赤霉素来提高叶片钾含量，但其具体效果有待于进一步研究。