我国云南和尼加拉瓜雪茄烟叶矿质元素含量和感官质量差异及其相关分析

王硕立 丁松爽 王荣浩 李林林 吴创 王剑 时向东

（1 河南农业大学烟草行业烟草栽培重点实验室，450002，河南郑州；2 湖北中烟工业有限责任公司三峡卷烟厂，443100，湖北宜昌）

近年来，国产雪茄市场发展迅速[1]，其影响力不断提升，成为中国烟草行业新的增长点[2]。国产雪茄烟叶的生产起步较晚，原料基础研究较为薄弱[3]，烟叶品质与国外优质雪茄烟叶相比存在较大差距，多表现为香气量不足，杂气较多[4]，且存在燃烧性较差和灰色偏黑的问题[5]。矿质元素作为烟草生长的必需元素，是维持烟草正常新陈代谢和生命活动的生理调节物质，对烟草的品质影响显著[6-7]。有研究[8-9]表明，在烤烟生长、调制过程中，部分矿质元素通过参与烟叶代谢产物或中间产物的合成，进而对调制后烟叶的香吃味、燃烧性等感官质量指标产生影响。云南近30 年气象数据分析显示，云南具备良好的雪茄烟叶种植的自然生态条件[10]。尼加拉瓜生产的雪茄烟叶质量上乘[11]，探究我国云南雪茄烟叶与其在矿质元素、感官质量上的差异性，分析雪茄烟叶矿质元素含量和感官质量的关系，对云南雪茄烟叶开发及促进国产雪茄原料发展具有重要意义。矿质元素含量过高或过低均会导致烟叶主要化学成分不协调，进而影响烟叶中香味成分含量，造成烟叶产量和感官质量降低[12]。大理烟区烤烟矿质元素与感官质量间的灰色关联分析结果[13]表明，Zn 含量与劲头灰色关联度达最大值，B 含量对多项感官质量指标均有较大程度的影响。烤烟中Ca、Ni 和Cu 含量与评吸质量存在负相关关系[14]。

前人关于矿质元素含量和感官质量间关系的研究多集中在烤烟方面，而对雪茄烟的研究较少，掌握雪茄烟叶矿质元素含量与感官质量间的关系有助于通过调控矿质营养平衡来提升雪茄烟叶品质。本研究基于正交偏最小二乘判别分析（OPLSDA）筛选我国云南德宏、临沧、普洱产区雪茄和尼加拉瓜雪茄烟叶间的差异性矿质元素和感官质量指标，并通过因子分析和典型相关分析探究雪茄烟叶矿质元素含量和感官质量间的关系，从矿质营养角度为促进烟株平衡施肥、提高国产雪茄烟叶质量提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试雪茄烟叶样品132 份，包括2021 年我国云南雪茄烟叶中部叶84 份（湖北中烟工业有限责任公司三峡卷烟厂提供，其中德宏18 份、临沧39份、普洱27 份）和2020 年尼加拉瓜雪茄烟叶中部叶48 份（CAC 国际烟草贸易有限公司提供）。采用半叶法处理试验材料，即从烟叶主脉处分开，一半烟叶用于测定矿质元素含量，样品在45℃下烘2h，粉碎并过孔径0.25mm 筛网（60 目），密封后低温保存；另一半烟叶用于人工卷制评吸。

1.2 测定项目与方法

1.2.1 矿质元素含量 称取0.4000g 样品置于瓷坩埚内，在马福炉内干灰化，升温至100℃，稳定0.5h；升温至250℃，稳定1h；继续升温至500℃，稳定3h，冷却后用φ=5%硝酸溶解，用胶头滴管小心洗涤，过滤至50mL 容量瓶，使用VISTA-MPX 电感耦合等离子体发射仪测定滤液矿质元素含量。

1.2.2 感官质量 将烟叶样品卷制成长90mm、直径15mm 的雪茄烟，然后按照GB 15269-2011 要求平衡样品水分至13.5%～14.5%。平衡好水分的样品由国家烟草栽培生理生化基地组织专家进行评吸，采用湖北中烟工业有限责任公司三峡卷烟厂雪茄烟叶9 分制评吸标准（表1）对烟叶感官质量进行评价，用下式计算总分，式中，T为感官质量评价总分；Pi为某单项指标权重（香气质18%、香气量16%、余味16%、杂气10%、甜感10%、刺激性12%、燃烧性10%、灰色8%）；为某单项指标平均得分，结果保留1 位小数。总分越高代表烟叶的感官质量越好。

表1 雪茄烟叶感官质量评价标准Table 1 Evaluation criteria for the sensory qualities of cigar tobacco leaves

1.3 数据处理

采用Microsoft Excel 2019 和DPS 9.01 软件进行数据处理与显著性分析；采用SPSS 25.0 进行因子分析和典型相关分析；采用SIMCA 14.1 进行OPLS-DA 分析。

2 结果与分析

2.1 我国云南和尼加拉瓜雪茄烟叶矿质元素含量分析

变异系数是反映离散趋势的参数，变异系数越大，表示以均数为准的变异程度越大。由表2 可知，除我国德宏产区雪茄烟叶总氮、K、P 和尼加拉瓜烟叶的P 属于弱变异外，其余各产区烟叶矿质元素含量均属于中等变异（变异系数10%～100%[15]）。尼加拉瓜烟叶Cl、B、Fe、Mn，我国德宏烟叶Mg、普洱烟叶Cu 及临沧烟叶Fe 的偏度稍大，其余各产区矿质元素偏度的绝对值均小于1.00，基本符合正态分布。

表2 我国云南和尼加拉瓜雪茄烟叶矿质元素含量的基本统计特征Table 2 Basic statistical characteristics of mineral element contents of cigar tobacco leaves in Yunnan,China and Nicaragua

2.2 我国云南和尼加拉瓜雪茄烟叶感官质量得分分析

由表3 可知，我国云南和尼加拉瓜雪茄烟叶各项感官质量指标得分的变异系数均在20%以下，其中德宏产区烟叶的杂气、刺激性、余味、甜润感和燃烧性的变异系数均在10%以下。除德宏产区烟叶甜润感得分偏度绝对值稍大于1.00 外，其余各产区烟叶感官质量得分偏度均小于1.00，基本符合正态分布。

表3 尼加拉瓜和云南雪茄烟叶感官质量得分的基本统计特征Table 3 Basic statistical characteristics of sensory quality scores of cigar tobacco leaves in Yunnan,China and Nicaragua

2.3 矿质元素和感官质量的OPLS-DA 分析

OPLS-DA 属于有监督的统计分析方法，通过设置预设分类变量来剔除未控制变量对数据造成的影响，能进一步挖掘数据信息和量化各处理组间的差异程度[16]。将雪茄烟叶矿质元素含量和感官质量得分作为Y变量进行OPLS-DA 分析，模型拟合参数为R2Y=0.831，Q2=0.792。如图1 和图2 所示，OPLS-DA 模型可成功区分我国云南3 个产区和尼加拉瓜的雪茄烟叶，并从12 种矿质元素和8 项感官质量指标分析出二者间的10 个差异性指标（VIP＞1.0），分别是B、Na、Cu、杂气、Fe、Cl、香气量、Ca、香气质和燃烧性。

图1 矿质元素含量和感官质量得分的OPLS-DA 模型得分分布Fig.1 Distribution of OPLS-DA model scores of mineral element contents and sensory quality scores

图2 矿质元素和感官质量指标的OPLS-DA 模型VIP 图Fig.2 OPLS-DA model VIP diagram of mineral elements and sensory quality indexes

通过置换检验（n=200）评估此模型是否存在过度拟合。如图3 所示，Q2回归直线与Y轴的截距小于0，表明该OPLS-DA 判别模型不存在过拟合现象[17]，模型较为可靠（R2=0.076，Q2=-0.232）。

图3 OPLS-DA 验证模型Fig.3 OPLS-DA verification model

为进一步分析10 个差异指标在我国云南3 个产区和尼加拉瓜间的分布规律，对其进行统计分析，结果如表4 所示，与我国云南3 个产区相比，尼加拉瓜产区雪茄烟叶Cl、Ca、Na、B、Fe 和Cu含量整体处于相对较低水平，而香气量、香气质、杂气和燃烧性得分均显著高于其他产区。我国云南德宏产区雪茄烟叶Cl、Ca、Fe 和Cu 含量显著高于其他产区，普洱产区Na 和B 含量较高。

表4 差异指标统计分析Table 4 Statistical analysis of difference indexes

2.4 雪茄烟叶矿质元素与感官质量因子分析

2.4.1 矿质元素含量的因子分析 对所有烟叶样品中12 种矿质元素含量进行因子分析，利用主成分分析法提取特征值大于1.000 的特征因子。提取的前5个因子包含了感官质量总方差的80.043%（表5）。

表5 雪茄烟叶矿质元素含量提取因子特征值、方差贡献率和累计贡献率Table 5 Eigenvalue,variance contribution rate and cumulative contribution rate of extraction factors of mineral element contents in cigar tobacco leaves

由表6 可知，第1 因子中Cu、B、Na 和Mn特征因子载荷较大，表达式为F1=0.072Ca+0.085K-0.132P+0.110Cl+0.069Mg+0.175Mn-0.204Na-0.227B-0.067Fe+0.228Cu+0.157Zn+0.163 总氮；第2 因子中Fe 和Ca 特征因子载荷较大，表达式为F2=0.356Ca+0.216K+0.117P+0.174Cl-0.099Mg-0.049Mn+0.191Na-0.014B+0.327Fe+0.123Cu+0.146Zn-0.157 总氮；第3 因子中K 和Cl 特征因子载荷较大，表达式为F3=-0.215Ca-0.498K-0.191P+0.397Cl+0.004Mg+0.176Mn+0.190Na+0.113B+0.216Fe+0.126Cu+0.113Zn-0.059 总氮；第4 因子中Mn 特征因子载荷较大，表达式为F4=0.007Ca-0.074K+0.179P-0.381Cl-0.383Mg+0.538Mn+0.015Na+0.200B-0.133Fe+0.013Cu+0.431Zn-0.169总氮；第5 因子中Mg 特征因子载荷较大，表达式为F5=-0.084Ca-0.095K+0.436P-0.072Cl+0.737Mg-0.005Mn+0.095Na-0.107B-0.099Fe+0.069Cu+0.307Zn-0.280 总氮。

表6 雪茄烟叶矿质元素含量公因子载荷矩阵和得分系数矩阵Table 6 Common factor load matrix and score coefficient matrix of mineral element contents in cigar tobacco leaves

2.4.2 雪茄烟叶感官质量得分的因子分析 对雪茄烟叶样品中8 项感官质量指标得分进行因子分析，利用主成分分析法提取特征值大于1.000 的特征因子。由表7 可知，提取的前3 个因子包含了感官质量总方差的81.238%，对8 项感官质量指标的方差贡献率分别为48.732%、18.601%和13.904%。

表7 雪茄烟叶感官质量得分提取因子特征值、方差贡献率和累计贡献率Table 7 Eigenvalue,variance contribution rate and cumulative contribution rate of extracting factors for sensory quality score of cigar tobacco leaves

由表8 可知，第1 因子中香气质、香气量和杂气特征因子载荷较大，可称为香气类因子，表达式为G1=0.244 香气质+0.222 香气量+0.209 杂气+0.183 余味+0.181 甜润感+0.095 刺激性+0.144 燃烧性+0.131 灰色；第2 因子中燃烧性和灰色载荷较大，可称为燃烧类因子，表达式为G2=-0.091 香气质-0.077 香气量+0.141 杂气-0.318 余味-0.335 甜润感-0.002 刺激性+0.487 燃烧性+0.433 灰色；第3 因子中刺激性载荷较大，可称为刺激性类因子，表达式为G3=-0.311 香气质-0.298 香气量+0.061 杂气+0.255 余味-0.023 甜润感+0.802 刺激性+0.007 燃烧性+0.026 灰色。

表8 雪茄烟叶感官质量得分公因子载荷矩阵和得分系数矩阵Table 8 Common factor load matrix and score coefficient matrix of sensory quality scores of cigar tobacco leaves

2.5 雪茄烟叶矿质元素含量和感官质量得分公因子的典型相关分析

以雪茄烟叶矿质元素提取的公因子F1、F2、F3、F4和F5为自变量，感官质量提取的公因子G1、G2和G3为因变量进行典型相关分析。由表9 可知，典型相关分析共提取到3 组典型变量，其中Ⅰ组典型变量相关系数为0.623，达极显著水平（P＜0.01）。Ⅱ组典型变量相关系数为0.324，达显著水平（P＜0.05）。

表9 典型相关系数检验Table 9 Test of canonical correlation model coefficients

由表10 可得，Ⅰ典型变量为U1=0.789F1+0.408F2+0.612F3+0.247F4-0.187F5，V1=-0.383G1-0.807G2+0.144G3。Ⅱ典型变量为U2=0.022F1-0.961F2+0.554F3-0.055F4-0.327F5，V2=0.963G1-0.707G2+0.347G3。

表10 矿质元素和感官质量公因子典型变量构成Table 10 Typical variable composition of common factors of mineral elements and sensory qualities

在Ⅰ组典型变量中，U1代表雪茄烟叶矿质元素提取的公因子，其中F1和F3的载荷相对较大，分别为0.527 和0.504；V1代表雪茄烟叶感官质量提取的公因子，其中G1和G2的载荷相对较大，分别为-0.672 和-0.923。因此认为，F1和F3因子对G1和G2因子贡献较大，且随着F1因子中Cu、Mn 和F3中Cl 含量的增加，G1（香气质、香气量和杂气）和G2因子（燃烧性和灰色）呈下降趋势，随着F1中B、Na 和F3中K 含量的增加，G1（香气质、香气量和杂气）和G2因子（燃烧性和灰色）得分呈上升趋势。

在Ⅱ组典型变量中，矿质元素中F2因子的载荷相对较大，为-0.805，感官质量中G1因子载荷相对较大，为0.722。因此认为，F2因子对G1因子贡献较大，且随着F2因子Ca 和Fe 含量的增加，G1因子（香气质、香气量和杂气）得分呈下降趋势。

3 讨论

矿质元素是烟草的生理调节物质，对烟叶的生理代谢活动及调制后烟叶的香吃味等感官质量影响较大[7]。本研究结果表明，Cl、Ca、Na、B、Fe和Cu 为区别我国云南德宏、临沧、普洱产区和尼加拉瓜雪茄烟叶的差异矿质元素，其中Cl、Ca、Fe 和Cu 含量均在德宏产区烟叶中最高，而B 和Na 含量在普洱产区最高。除自身遗传因素外，这些差异还可能与烟叶生长期间的土壤状况、气候条件和栽培措施等有关[18]。本研究中各产区间的感官质量差异指标中以杂气的VIP值最大，说明与尼加拉瓜产区烟叶相比，我国云南突出问题就是杂气稍多，这可能是影响云南雪茄烟叶品质的重要因素。

雪茄烟叶矿质元素种类和感官质量指标较多，本文通过因子分析提取变量群中共性因子，找出具有代表性的因子[19]，并通过典型相关分析探究二者间的关系，结果表明，矿质元素F1（Mn、Na、B、Cu）、F2（Ca、Fe）和F3（K、Cl）对感官质量指标的G1（香气质、香气量、杂气）和G2（燃烧性和灰色）贡献较大。烟株在吸收土壤养分过程中，土壤中各营养元素间存在着广泛的拮抗、协同作用[20]。通过对不同产区雪茄烟叶矿质元素的综合分析，实际生产中可以通过平衡施肥措施来协调土壤中矿质元素间的含量和比例，尽可能地减小它们之间的拮抗作用[21]。本研究结果表明，雪茄烟叶中Mn 含量与感官质量存在负效应，在烟叶生长过程中，锰肥过多会提高烟叶的总糖含量[22]，但雪茄烟叶糖含量过高会影响其香吃味，因此雪茄烟叶对Mn 的需求可能相对较小。我国德宏和临沧产区烟叶平均Mn 含量分别为239.52 和258.80mg/kg，远超过优质烤烟Mn 含量（40～150mg/kg）的适宜范围[23]，而这2 个产区雪茄烟叶感官质量得分相对于我国普洱和尼加拉瓜较低，因此德宏和临沧产区在雪茄烟叶种植过程中应控制锰肥的施用。B 对雪茄烟叶感官质量具有正效应，可能是由于B 能影响碳水化合物的代谢，对叶绿体结构有稳定作用，可间接提高叶绿素含量，进而增强光合作用，对烟叶的品质起到一定的改善作用[24]。随着雪茄烟叶Cu 和Ca 的增加，香气质、香气量和杂气得分呈下降趋势，这与戴华鑫等[14]在烤烟上的研究结果相似。因此，在雪茄烟叶生产过程中，应注意含Cu 和Ca肥料的合理施用，以防止过量施用后降低烟叶品质。Na 是维持烟叶离子平衡的重要元素，对矿质元素具有拮抗作用，本研究结果显示，Na 对雪茄烟叶感官质量具有一定的促进作用，可能是由于高浓度的Na 会通过非选择性阳离子通道大量内流影响Ca 信号系统的正常发生和传递，直接降低Ca2+活度[25]。孙燕鑫等[26]研究表明，烟叶Fe 含量大于400mg/kg 时，烟叶香气质、香气量、余味和燃烧性分值随Fe 含量的升高而降低，这与本研究结果一致。许自成等[27]通过对烤烟K 含量与感官质量的关系进行分析，发现烟叶K 含量增加对感官质量具有促进作用，与本试验的研究结果基本一致，这可能与K 可以提高烟叶中的酸性和中性致香成分有关[28]。烟叶Cl 含量过高常导致燃烧性变差、烟灰发黑[7]，而德宏产区雪茄烟叶Cl 含量显著高于其他产区，这可能是德宏产区烟叶燃烧性较差、灰色较黑的直接原因，因此德宏产区应当注意控制含Cl肥料的施用。目前，优质雪茄烟叶中矿质元素含量的适宜值尚无明确结论。本试验对我国云南产区和尼加拉瓜雪茄烟叶的矿质元素含量、对应的感官质量特征以及两者之间的关系作了探讨，今后仍需根据雪茄烟叶感官组学特征对其所含矿质元素的适宜范围进行定量研究。

4 结论

通过OPLS-DA 筛选出我国云南德宏、临沧、普洱产区和尼加拉瓜产区间的差异矿质元素（Cl、Ca、Na、B、Fe 和Cu）和差异感官质量指标（香气量、香气质、杂气和燃烧性）。基于因子分析和典型相关分析探究雪茄烟叶矿质元素和感官质量的关系，结果表明，随B、Na 和K 含量的增加，香气质、香气量和杂气得分呈上升趋势，Cl、Cu、Mn、Ca 和Fe 含量与之相反；随K 含量的增加，燃烧性和灰色得分呈上升趋势，Cl 与之相反。