赣州烟叶主要化学成分最优适宜范围研究

许 威,宋纪真,谌 剑,杨庆根,陈 艳,丁德胜,张仕祥,薛超群,肖先仪,廖 敏*

(1.赣州市烟草公司,江西赣州 341000；2.中国烟草总公司郑州烟草研究院,河南郑州 450000)

目前,感官评吸仍然是评价烟叶及卷烟产品品质的主要方法,烟叶的评吸评价指标主要有香气质、香气量、杂气、余味、刺激性、劲头和烟气浓度等[1]。化学特性是指烟叶化学成分的适宜性和协调性,即化学品质[1],而烟叶的化学成分是鉴定烟叶品质的重要指标[2],其含量决定烟叶的工业可用性[3-4]。因此,烟叶化学成分是工业企业在选用烟叶原料时必须考虑的一项品质因素。近年来,有许多关于我国一些产烟省区烤烟化学特性的研究报道[2-11],这些研究主要针对化学成分可用性评价指标,对于烟叶主要化学成分与评吸质量评价指标研究报道较少,且这些研究中化学成分可用性评价指标大多数是根据国际型烟叶化学成分质量指标确定，与中式卷烟可用性评价相关性不强,难以用烟叶化学成分来衡量中式卷烟烟叶工业可用性。为此,该研究利用2020 年赣州烤烟主要化学成分各项指标、初烤烟叶各项感官质量评吸结果相关分析,构建赣州烟叶主要化学成分感官质量评价指标,寻求赣州烤烟主要化学成分适宜指标。

1 材料与方法

1.1 资料来源该研究所用的烟叶样品为赣州8个产烟县2020年样品,其品种为云烟87和K326,C3F烟叶样品有39个,B2F样品有40个,初烤烟感官评吸结果是郑州烟草研究院组织人员评吸,其评吸人员主要从调拨赣州烟叶的工业企业评吸专家组成。

1.2 研究方法该研究牵涉的烟叶主要化学成分最优适宜范围、感官质量评价指标、权重等的确定,都在建立各感官评吸指标与主要化学成分采用数据归一化处理的基础上,利用Excel对各烟叶主要化学成分隶属度与各感官质量评吸结果构建相关系数计算公式,采用逐步回归的方法添加各主要化学成分指标隶属度,看相关系数是否增大,若增大则保留,若减小则删除某一项,最终留下的则是烟叶主要化学成分感官质量评吸评价指标[12-14]。

1.2.1数据转换。在评吸结果中,有各烟叶样品可用于卷烟类型的描述性文字,为了与各主要化学成分间建立相关性分析,把描述性文字转化为数据,各烟叶样品可用于卷烟类型转换前为一类，介于一、二类，二类，介于二、三类，三类，转换后分别为5、4、3、2、1。

1.2.2各评吸指标数据归一化。把香气质、香气量、刺激性、杂气、余味除以最高分值7.5分(10分制),转换成≤1的隶属度,由于浓度与劲头并不是越大越好,采用类似均值最优法,即大于某一数值或小于某一数值其得分都会减小,该研究采用调整均值使化学成分与卷烟可用性之间的相关系数达到最大时作为浓度和劲头的最优值,例如,劲头或浓度得分为5时,劲头或浓度与烟叶可用性之间相关系数达到最大,则5为劲头或浓度最优值。

1.2.2.1浓度与劲头得分最优值转化隶属度。其转化公式为：

μij=5/[5+ABS(5-Xi)]

(1)

式中，μij为浓度或劲头的隶属度,Xi为对应样品浓度或劲头的得分,ABS为绝对值,5则代表浓度或劲头的最优值。

1.2.2.2各烟叶样品的主要化学成分与各感官质量评价指标和可用于烟叶卷烟类型的相关性分析。在各主要化学成分采用隶属函数归一化处理数据基础上,利用相关系数计算公式,建立各样品烟叶化学成分隶属度与感官评吸指标和可用于烟叶卷烟类型的相关系数计算公式,例如,CORREL($A$2:$A$41,B2:B41),A列表示香气量,B列表示植物碱隶属度,其余按照此方法建立相关性。

1.2.2.3各主要化学成分指标、隶属度函数、权重等的优化及筛选。

(1)隶属度函数及拐点值的确定方法。根据相关参考文献[9,15]确定主要化学成分隶属度函数的选择及函数拐点值的初步确定,根据隶属度函数及函数拐点计算各样品主要化学成分的隶属度,在此基础上,根据所建立的各主要化学成分指标隶属度与感官质量评吸评价指标和可用于卷烟类型的相关系数计算公式,首先优化主要化学成分评价函数，改变评价函数,看相关系数是否会增大,若增大,则表明原来评价函数有问题,选择能够增大相关系数的函数作为评价函数；其次对各函数拐点值的优化,先确定最优上限、下限值,通过对最优上限、下限值的增大或减小,看感官质量评价指标及可用于卷烟类型的相关系数是否会增大或减小,直到继续增大或减小其相关系数都会降低时,其值则为最优上限、下限值,再用同样的办法获得上限、下限拐点值。

(2)主要化学成分评价指标的选择方法。一般烟叶化学成分综合评价选择总糖、还原糖、总氮、烟碱、钾、氯、糖碱比、氮碱比和钾氯比9个指标,也有的选择植物碱、糖碱比、氮碱比、两糖差、氯、钾氯比6个指标[5,15]。该研究采取隶属度归一化数据后,从烟碱(X1)、总氮(X2)、还原糖(X3)、总糖(X4)、钾(X5)、氯(X6)、淀粉(X7)、糖碱比(X8)、钾氯比(X9)、氮碱比(X10)和二糖比(X11)11个指标中选取,采用逐步回归的方法填加各指标隶属度,看与感官质量和可用于卷烟类型评价指标相关系数是否增大,若增大则保留,若减小则删除某一项,最终留下的则是化学成分各感官质量及可用性评价指标。

(3)各指标权重系数的确定方法。不同化学成分评价指标各自具有相对重要性,应对其赋予不同的权重,一般采取主成分分析法的较多,也有采用专家咨询方法或层次分析法[16]。该研究应用标准差法初步确定各指标权重系数,再调整各指标权重系数,看各感官质量及可用于卷烟类型的综合评价指数(CUI)相关系数是否会增大或减小,直到继续增大或减小其相关系数都会降低,则其权重基本确定,再使权重满足∑Wij=1,重新调整各指标权重,再使权重满足∑Wij=1为止,使化学成分的综合评价指数(CUI)达到最大,则各指标权重确定。

(4)品种间的调整系数确定方法。该研究中包含K326和云烟87共2个品种,由于品种间的不同,亦会影响化学成分综合评价指数(CUI)的大小,在建立化学成分综合评价指数的基础上,在不同品种上乘以1个系数,看综合评价指数(CUI)是否会增大或减小,直到继续增大或减小其相关系数都会降低时为止,其系数即为品种调整系数B值,例如，C3F样品采用LOOKUP(FIND(E2,"K326;云烟87"),{1,1.26;3,1})公式,E2列代表各样品品种种类,1.26代表K326品种与云烟87品种间的调整系数。

1.2.3隶属度函数的建立和隶属度计算。为使数据在相同条件下进行,运用模糊数学理论中的隶属度函数计算各化学成分指标的隶属度并进行量纲归一化处理,使各指标的原始数据转换为0.1～1.0的数据。采用的函数模型包括中间型梯形或抛物线隶属函数(公式2)、升梯形隶属函数(公式3)、降梯形隶属函数(公式4)。

(2)

(3)

(4)

式中(2)、(3)、(4)中a、b、c、d分别代表各化学指标的下限、最优下限、最优上限、上限,x代表实际值。

1.2.4综合评价方法。利用加权和法即可求得综合评价值,根据综合评价值的排序,即可评价出各待评对象的优劣。设有N个化学成分指标,每个感官质量中包含M个评价因子,则第i个感官质量的评价指数可表示为[4]：

(5)

式中,μ(x)ij、Wij、B分别表示第i个样本第j个指标的隶属度、权重系数和品种调整系数。其中0.1≤μ(x)ij≤1.0；0

2 结果与分析

2.1 赣州产区烟叶评吸质量指标得分与主要化学成分

2.1.1赣州产区烟叶评吸质量指标得分及烟叶可用性。由表1～2可知,按10分制评分法,2020年C3F烟叶感官质量得分6.0～6.5,属于中等偏上水平。可用性按大于4.5为一类烟，3.5～4.5为介于一、二类烟，2.5～<3.5为二类烟,1.5～<2.5为介于二、三类烟，低于1.5为三类烟。则C3F烟叶石城可用于一类烟；安远、瑞金、会昌、宁都为介于一、二类烟,兴国、赣县、信丰为二类烟,C3F烟叶可用性总体为介于一、二类烟。B2F烟叶会昌、兴国、信丰、石城、瑞金为二类烟,宁都、赣县、安远为介于二、三类烟,B2F烟叶可用性总体为介于二、三类烟。

表1 赣州产区C3F评吸质量得分及烟叶可用性Table 1 Cigarette smoking quality score and tobacco leaf availability of C3F in Ganzhou production area

2.1.2赣州产区烟叶主要化学成分状况。由表3～4可知,赣州产烟区植物碱、总氮、还原糖、总糖、钾、氯、淀粉、糖碱比、钾氯比、氮碱比和二糖比共11个主要化学成分指标中,除赣县、兴国烟叶植物碱偏高外,其他指标总体符合优质烟叶的要求指标[15],化学成分总体较为协调。

表2 赣州产区B2F评吸质量得分及烟叶可用性Table 2 Cigarette smoking quality score and tobacco leaf availability of B2F in Ganzhou production area

表3 赣州产区C3F主要化学成分状况Table 3 Main chemical composition of C3F in Ganzhou production area

表4 赣州产区B2F主要化学成分状况Table 4 Main chemical composition of B2F in Ganzhou production area

2.2 赣州烟叶产区主要化学成分对感官评吸质量的影响及品种调整系数的确定综合表5～6，C3F、B2F主要化学成分评吸质量评价指标权重大于0.5为感官质量评价指标影响因素,其各个主要化学成分对评吸质量影响因子有：①植物碱，余味(0.103)、可用性(0.069)、刺激性(0.064)3个评吸质量；②总氮,香气质(0.335)、杂气(0.326)、浓度(0.315)、劲头(0.140)、可用性(0.112)、刺激性(0.081)、余味(0.052)7个评吸质量；③还原糖，香气量(0.312)、劲头(0.295)、浓度(0.257)、刺激性(0.150)、余味(0.122)、可用性(0.076)6个评吸质量；④总糖，杂气(0.544)、余味(0.376)、香气量(0.322)、香气质(0.271)、可用性(0.252)、刺激性(0.208)6个评吸质量；⑤钾，香气量(0.378)、余味(0.334)、浓度(0.308)、杂气(0.272)、刺激性(0.219)、可用性(0.187)、劲头(0.116)、香气质(0.057)8个评吸质量；⑥氯，浓度(0.155)、可用性(0.118)、劲头(0.104)、刺激性(0.064)、余味(0.050)5个评吸质量；⑦淀粉，香气质(0.364)、香气量(0.212)、浓度(0.135)、劲头(0.127)、杂气(0.093)、可用性(0.087)、余味(0.054)7个评吸质量；⑧糖碱比，劲头(0.227)、香气质(0.144)、香气量(0.138)、可用性(0.117)、杂气(0.114)、余味(0.095)、浓度(0.070)7个评吸质量；⑨钾氯比，余味(0.296)、刺激性(0.229)、杂气(0.213)、浓度(0.086)4个评吸质量；⑩氮碱比，劲头(0.237)、可用性(0.187)、浓度(0.165)、香气量(0.146)、香气质(0.115)、刺激性(0.092)6个评吸质量；二糖比，浓度(0.183)、可用性(0.126)、劲头(0.121)、余味(0.064)4个评吸质量；烟叶可用性，总糖(0.252)、钾(0.197)、氮碱比(0.187)、二糖比(0.126)、氯(0.118)、糖碱比(0.117)、总氮(0.112)、淀粉(0.087)、还原糖(0.076)、植物碱(0.069)10个评吸质量。

从各感官质量评价指标与主要化学成分间的相关系数来看,相关系数在0.581～0.856,达到中度相关到高度相关。

从影响评吸质量指标数量来看,影响因素越多的主要化学成分其重要性越大,排序为钾含量(8)、总氮(7)、淀粉(7)、糖碱比(7)、总糖(6)、还原糖(6)、氮碱比(6)、氯(5)、钾氯比(4)、二糖比(4)、植物碱(3)。

从品种间调整系数B值大小(表5～6)来看,K326品种C3F烟叶明显优于云烟87品种,尤其是对改善余味、提高烟叶可用上作用较大,B2F烟叶除可用性有所下降外,其他指标都有所上升,但劲头明显偏大。

表5 赣州烟区C3F烟叶主要化学成分与评吸质量评价指标的权重、相关系数(r)及品种调整系数(B)Table 5 Weight, correlation coefficient (r) and variety adjustment coefficient (B) of main chemical components of C3F tobacco leaves in Ganzhou tobacco area and smoking quality evaluation indexes

表6 赣州烟区B2F烟叶主要化学成分与评吸质量评价指标的权重、相关系数(r)及品种调整系数(B)Table 6 Weight, correlation coefficient (r) and variety adjustment coefficient (B) of main chemical components of B2F tobacco leaves in Ganzhou tobacco area and smoking quality evaluation indexes

2.3 赣州烟区各化学成分指标均值与最优值比较表7～8中各指标的化学成分最优值是根据化学成分隶属度与各质量指标得分建立相关性分析,使二者之间达到相关系数最大时确定最优值,综合最优值按照各主要化学成分最优值范围表示。

由表7可知C3F烟叶各项质量指标的主要化学成分最优值,由于浓度、劲头与烟叶可用性存在负相关性,分析最优值时把浓度、劲头最优值剔除在外,同时,把各化学成分与评吸质量相关指标的最低与最高值作为最优值范围,则植物碱最优值在2.23%～2.80%,均值在最优值区间内，属适宜；总氮最优值在1.74%～1.81%,均值为1.81%,属适宜；还原糖最优值在24.00%～27.50%,均值为26.11%,在最优值范围内,属适宜；总糖最优值在26.00%～30.00%,均值为28.65%,属适宜状态；钾含量最优值在≥2.60%,均值为2.70%,属于略偏高水平；氯含量最优值在0.16%～0.40%,均值为0.41%,属于偏高状态；淀粉最优值在2.50%～5.63%,均值为4.77%,属于适宜状态；糖碱比在9.04～14.00,均值在11.12,在适宜范围内；钾氯比最优值在≥13.50,均值为8.14,属于偏低状态；氮碱比在0.60～0.82,均值为0.77,属于适宜状态；二糖比最优值为≥0.88,均值为0.91,属于适宜状态。从以上分析可知,氯略偏高,钾氯比偏低外,其余在适宜范围内。

表7 赣州烟区C3F各化学成分指标均值与最优值比较 Table 7 Comparison between mean value and optimal value of C3F chemical composition indexes in Ganzhou tobacco area

由表8可知，B2F烟叶植物碱最优值在2.90%～3.20%,均值为3.26%,属于偏高状态；总氮最优值在1.70%～2.30%,均值为2.08%,属于适宜状态；还原糖最优值在19.20%～25.30%,均值为21.30%,属适宜状态；总糖最优值在20.00%～25.50%,均值为23.08%,属适宜状态；钾含量最优值在2.40%～2.63%,均值为2.42%,属于适宜状态；氯含量最优值在0.29%～0.60%,均值为0.44%,属于适宜状态；淀粉最优值在2.50%～5.50%,均值为4.04%,属于适宜状态；糖碱比最优值在4.30～7.63,均值在6.84,属于适宜状态；钾氯比最优值在≥12.00,均值在6.23,属于偏低状态；氮碱比最优值在0.48～0.66,均值0.66,在最优值上限内；二糖比最优值在0.88～0.96,均值0.92,在最优值范围内。从以上分析可知,植物碱偏高、钾氯比偏低外,其余化学成分及比值都在适宜范围内。

综合表7、表8分析可知,C3F和B2F最优值植物碱2.23%～3.20%、总氮1.70%～2.30%、还原糖19.20%～27.50%、总糖20.00%～30.00%、钾≥2.40%、氯0.16%～0.60%、淀粉2.50%～5.63%、糖碱比4.30～14.00、钾氯比≥12.00,氮碱比0.48～0.82、二糖比0.88～0.96。总氮、氯、钾、钾氯比、还原糖、总糖等指标要求与国际型优质烟叶的要求有较大的差别,国际型优质烟叶要求还原糖16%～24%、总糖18%～26%、总氮1.8%～3.5%、氯0.3%～0.6%、钾≥2%、钾氯比≥4[1-2],但与云南优质烟叶指标较为接近[9],这可能是因为中式卷烟与国外卷烟风格特色和吸味不同的差异。

表8 赣州烟区B2F各化学成分指标均值与最优值比较Table 8 Comparison between mean value and optimal value of B2F chemical composition indexes in Ganzhou tobacco area

2.4 赣州烟区各化学成分指标隶属度比较隶属度大小代表了各主要化学成分接近最优值的远近,隶属度越大,说明该化学成分越接近最优值,反之,则越远离最优值,为此,可利用最优值大小来判断某一化学成分是否符合优质烟叶生产需要。由表9可知,C3F烟叶隶属度平均值排序为还原糖(0.94)、二糖比(0.94)、植物碱(0.86)、总氮(0.84)、总糖(0.80)、糖碱比(0.77)、淀粉(0.66)、氯(0.46)、氮碱比(0.41)、钾(0.39)、钾氯比(0.20)。要提高烟叶质量关键在于提高钾氯比、氮碱比、钾、氯、淀粉、糖碱比等的隶属度值,即提高钾含量、钾氯比,降低氯、淀粉、氮碱比、糖碱比。要通过增施钾肥,减少氯肥,提高烟叶成熟度,以及科学打顶和烘烤等手段,达到使烟叶钾、氯含量、淀粉含量、钾氯比、氮碱比以及糖碱比在适宜范围内。

表9 赣州C3F烟叶主要化学成分与各质量指标的隶属度比较Table 9 Comparison of subordination between main chemical components and quality indexes of C3F tobacco leaves in Ganzhou

由表10可知,B2F烟叶隶属度平均值排序为钾氯比(0.97)、总糖(0.96)、总氮(0.95)、淀粉(0.95)、还原糖(0.89)、氮碱比(0.84)、钾(0.77)、氯(0.77)、糖碱比(0.54)、二糖比(0.48)、植物碱(0.27)。在烟叶生产上要重点增钾、减氯、控碱,防止烤后烟叶成熟度不够或过熟,通过栽培和采收烘烤调控好烟叶总糖、还原糖含量。

表10 赣州B2F烟叶主要化学成分与各质量指标的隶属度比较Table 10 Comparison of subordination between main chemical components and quality indexes of B2F tobacco leaves in Ganzhou

3 结论与讨论

根据赣州8个产烟县2020年79个样品的主要化学成分数据与烟叶评吸质量指标数据,通过采用隶属函数归一化主要化学成分指标隶属度对应感官评吸质量指标建立相关系数公式,通过调整隶属函数和拐点值,使二者相关系数达到最大,建立了赣州烟区主要化学成分评吸质量评价指标、各指标的最优值、品种间各部位调整系数,得出以下结论：

(1)赣州C3F烟叶可用性总体可用于一、二类卷烟配方, B2F烟叶可用性总体可用于二、三类卷烟配方。

(2)赣州烟叶主要化学成分最优值分别为C3F烟叶植物碱2.23%～2.80%、总氮1.74%～1.81%、还原糖24.00%～27.50%、总糖26.00%～30.00%、钾≥2.60%、氯0.16%～0.40%、淀粉2.50%～5.63%、糖碱比9.04～14.00、钾氯比≥13.50、氮碱比0.60～0.82、二糖比≥0.88；B2F烟叶植物碱2.90%～3.20%、总氮1.70%～2.30%、还原糖19.20%～25.30%、总糖20.00%～25.50%、钾2.40%～2.63%、氯0.29%～0.60%、淀粉2.50%～5.50%、糖碱比4.30～7.63、钾氯比≥12.00、氮碱比0.48～0.66、二糖比0.88～0.92。C3F、B2F烟叶主要化学成分最优值大多都在云南优质烟叶主要化学成分最优值范围内[14],但最优值范围比云南优质烟叶最优值范围要求较高。总氮、氯含量、钾、钾氯比、还原糖、总糖等指标要求与国际型优质烟叶的要求有较大的差别,国际型优质烟叶要求还原糖16%～24%、总糖18%～26%、钾≥2%、钾氯比≥4[1-2]要求较低,而总氮1.8%～2.5%、氯0.3%～0.8%要求较高,这可能中式卷烟与国外卷烟风格特色和吸味不同的差异。

按照C3F、B2F评吸质量评价指标权重最大值大于0.5为主要化学成分对感官质量评价指标影响因素,其各个主要化学成分对评吸质量影响因子有：植物碱主要影响余味、可用性、刺激性3个评吸质量；总氮主要影响香气质、杂气、浓度、劲头、可用性、刺激性、余味7个评吸质量；还原糖主要影响香气量、劲头、浓度、刺激性、余味、可用性6个评吸质量；总糖主要影响杂气、余味、香气量、香气质、可用性、刺激性6个评吸质量；钾主要影响香气量、余味、浓度、杂气、刺激性、可用性、劲头、香气质8个评吸质量；氯主要影响浓度、可用性、劲头、刺激性、余味5个评吸质量；淀粉主要影响香气质、香气量、浓度、劲头、杂气、可用性、余味7个评吸质量；糖碱比主要影响劲头、香气质、香气量、可用性、杂气、余味、浓度7个评吸质量；钾氯比主要影响余味、刺激性、杂气、浓度4个评吸质量；氮碱比主要影响浓度、可用性、劲头、香气量、香气质、刺激性6个评吸质量；二糖比主要影响浓度、可用性、劲头、余味4个评吸质量,这与前人的研究[17-18]基本相吻合。

烟叶可用性主要由总糖、钾、氮碱比、二糖比、氯、糖碱比、总氮、淀粉、还原糖、植物碱10个主要化学成分决定。各感官质量评价指标与主要化学成分间的相关系数在0.581～0.856,达到中度相关到高度相关。K326品种C3F烟叶明显优于云烟87品种,尤其是对改善余味、提高烟叶可用性作用较大；B2F烟叶除可用性有所下降外,其他指标都有所上升,主要原因是劲头明显偏大。

(3)赣州烟叶主要化学成分存在的问题：C3F烟叶存在淀粉、糖碱比、氯、氮碱比偏高,钾、钾氯比偏低；B2F烟叶存在植物碱、氮碱比、二糖比偏高,钾、钾氯比偏低。在烟叶生产上要重点增钾、减氯、控碱,防止烤后烟叶成熟度不够或过熟,通过栽培和采收烘烤调控好烟叶总糖、氮碱比、糖碱比、二糖比等在最优适宜范围内,提倡栽种K326品种。