初烤硃砂烟叶面不同区位的理化特性及聚类分析

王玉真，卞俊萍，华一崑，杨晶津，陈剑明，王发勇*，资文华*

1.红云红河烟草（集团）有限责任公司，昆明市五华区红锦路367号 650231

2.云南师范大学能源与环境科学学院，昆明市呈贡区雨花片区1号 650500

3.云南中烟工业有限责任公司，昆明市世博路6号 650011

硃砂烟最早报道于20世纪50年代，主要是在田间种植过程中由普通烟草自然突变形成，因成熟烟叶经初烤后呈硃砂斑纹且风味独特，颜色呈樱桃红，国外学者也称其为“樱桃红烟”［1］。硃砂烟因具有“烟劲中等、味厚实饱满、醇香无辛辣感、喉部回甘明显”等感官特征和特殊的“糯米香”风味而受到研究人员的关注［2］。刘哲等［3］、李勇等［4］研究表明，硃砂烟叶香气成分较普通烟叶高，并具有香茅醇、异戊酸叶醇酯、马索亚内酯、甲基环戊烯醇酮、R-柠檬烯等11种特有香气成分，因而在增香去杂、提高香味品质等方面表现出良好的应用效果。

为提高烟叶的使用价值，优质初烤烟叶分切打叶复烤已成为烟草行业发展趋势，但针对不同烟叶原料如何进行合理分切备受关注。龙明海等［5］基于红花大金元C3F烟叶分段叶面近红外光谱，运用主成分分析和Fisher最优分割法确定烟叶分切比例；高辉等［6］研究云烟87烟叶表面微观结构特征差异，利用Fisher最优分割法进行烟叶划分；马一琼等［7］以河南浓香型中烟100 C3F烟叶化学成分和感官品质为分类指标，采用主成分和聚类分析划分烟叶；刘超等［8］利用单因素方差和相关回归分析法研究河南浓香型中烟100、豫烟10号等初烤烟叶不同区位挥发性有机酸质量分数差异，并基于挥发性有机酸质量分数聚类分析进行划分。目前，有关红花大金元、云烟87、中烟100等品种初烤烟叶面品质变化的研究为其分切提供了合理参考［5-9］。然而，硃砂烟分段叶面理化特性变化规律研究鲜见报道，因此，对初烤硃砂烟叶面不同区位的常规化学成分、叶面密度、色泽、抗张力等理化特性指标进行分析，探索硃砂烟叶面各区位理化特性分布规律和适宜的分切方法，旨在为硃砂烟叶的分切处理和合理使用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

材料：云产硃砂烟叶（产地：曲靖陆良，部位：中部，年份：2021年）。

仪器：LD0-9240A电热恒温鼓风干燥箱（上海龙跃仪器设备有限公司）；KW-TH225Z可程式恒温恒湿试验箱（东莞市科文试验设备有限公司）；FW80粉碎机（天津市泰斯特仪器有限公司）；LE2002E电子天平（精确度：0.001 g，梅特勒-托利多仪器（上海）有限公司）；AA3连续流动分析仪（德国Seal公司）；YT-H4E厚度测定仪、YT-CM3000光谱分光测色仪、YT-WL30卧式拉力仪（杭州研特科技有限公司）；6890N/5975气相色谱-质谱联用仪（美国Agilent公司）；SPD-M20A超高效液相色谱仪（日本Shimadzu公司）。

1.2 试验方法

1.2.1 样品制备

随机选取3份试验样品，每份4 kg，叶长约65 cm，从中随机选取30片完整无损烟叶，切除约15 cm叶柄后，将其余部分按2.0 cm宽纵向平均分成25个区位，分切后从叶基到叶尖依次标注1～25，按相同区位混合后置于温度22℃、相对湿度70%的恒温恒湿中平衡48 h，然后随机从每个区位中选取20段，用于抗张力、厚度、色泽等物理特性测试，再将选取30片剩余的试验样品按相同方法分切为25段，去梗备用。

重新随机选取3份烟叶样品以评价分切效果（每份1.5 kg），按确定分段比例进行分切，去梗后取一部分切丝用于感官质量评价，剩余样品备用。备用样品分别置于45℃烘箱干燥2 h，然后粉碎过60目筛（孔径：0.25 mm）用于化学成分检测。

1.2.2 测定方法

厚度：参照GB 451.3—2002［10］，采用厚度测定仪，调零后随机从平衡好的样品中选取各区位试样平铺于仪器测量处测试。

色差：参照文献［10-12］采用光谱分光测色仪，经标准白板校准后将平衡好的各区位样品正面朝上铺平于仪器测量处测试，直至稳定记录每段烟叶样品的L*、a*、b*值，并按照式（1）计算总色差值ΔE。

式中：L0*、a0*、b0*为标准白板的颜色参数，L0*=97.58、a0*=-0.36、b0*=1.87。

抗张力：参照GB/T 12914—2008［13］，设置卧式拉力仪试样长度100 mm，从各区位平衡好的样品中随机挑选完整无破损叶片，用拉力仪测试夹夹住每段叶片两端（避开叶脉），测量每段样品的抗张力。

平衡含水率：参照YC/T 31—1996［14］，从各区位的样品中随机抽取60片烟叶，用打孔器在每片烟叶（避开主脉）均匀打取60个圆片，平均分装于3个干燥皿中放于温度20℃、相对湿度60%的恒温恒湿箱中平衡48 h后，采用烘箱法测烟叶平衡含水率。

叶面密度：参照YC/T 142—2010［15］，采用打孔称重法测定叶面密度，在每段样品中随机抽取60片烟叶，用打孔器在每片烟叶（避开主脉）均匀打取60个圆片，平均分装于3个干燥皿中放于电热恒温鼓风干燥箱烘至恒重，称取质量并计算叶面密度。

常规化学成分：参照YC/T 159—2019［16］、YC/T 468—2013［17］、YC/T 162—2011［18］、YC/T 161—2002［19］、YC/T 217—2007［20］、YC/T 249—2008［21］、YC/T 216—2013［22］，采用连续流动分析仪测定样品的总糖、还原糖、烟碱、总氮、钾离子、氯离子、蛋白质和淀粉的质量分数。

香味前体物及挥发性香味成分：参照GB/T 8313—2018［23］、YC/T 382—2010［24］，采用高效液相色谱仪测定总多酚、叶黄素、β-胡萝卜素含量，采用气相色谱-质谱联用仪测定挥发性香味成分［25］。

1.2.3 感官质量评价

参照文献［26］，由具有省级烟草机构评吸资质的专业评委从风格特征、品质特征两方面进行样品感官质量评价。品质特征包括香气特性（香气质、香气量、透发性、杂气）、烟气特性（浓度、细腻程度、柔和程度、圆润感、劲头）和口感特性（刺激性、干燥感、余味），每个单项指标5分，将各指标相加取均值作为每个样品感官品质特征总分。

1.2.4 数据分析

以总糖、还原糖、总植物碱、总氮、氯离子和钾离子质量分数及其派生因子糖碱比、氮碱比和钾氯比作为基础，计算硃砂烟各分段叶面的化学成分可用性指数（Chemical Components Usability Index，CCUI）［27］，并利用Excel 2010和Origin 2021对初烤硃砂烟分段叶面理化特性进行数据统计、回归性分析和绘图，利用SPSS 26.0进行主成分和系统聚类分析，并采用邓肯法进行分切验证多重比较。

2 结果与分析

2.1 初烤硃砂烟叶面不同区位物理特性变化

通过对云产硃砂中部初烤烟叶25个区位的厚度、叶面密度、平衡含水率、抗张力、色差等物理特性指标进行回归方程拟合，结果如图1所示。由图1可知，初烤硃砂烟叶面不同区位各项物理特性指标几乎均呈规律性变化趋势，并具有良好的线性关系（R2>0.822 2）。从叶基到叶尖，分切烟叶的抗张力、厚度、色差值a*、叶面密度整体上呈先增大后平缓下降的抛物线形变化趋势，色差值L*呈先逐渐下降后缓慢上升的变化趋势，色差值b*和总色差值ΔE呈逐渐上升后缓慢下降的变化趋势，而平衡含水率总体呈下降趋势。这表明受不同部位烟叶自身生理特性、生长状况、物质代谢及光照条件差异的影响，烟叶不同区位间的物理特性存在差异，与柳均等［28］、高辉等［29］的研究结果比较吻合。究其原因，主要是烟叶叶基部分接受阳光照射时间较短，生长缓慢，因而厚度较薄、叶面密度较小；叶中和叶尖部分所处空间位置较高，其阳光照射、通风等生长条件较好，因而厚度相对较厚、叶面密度较大。研究表明，在一定范围内烟叶抗张力与含水率呈正比，但含水率过大抗张力反而降低［30-31］，硃砂烟的抗张力变化趋势与叶片厚度和叶面密度相同，与李瑞丽等［32］研究结果相反，且变化规律与平衡含水率相反，这说明烟叶抗张力可能还与烟叶的品种和烟叶化学成分有关。硃砂烟色差值变化趋势与王峥嵘等［33］研究的K326品种基本一致，说明初烤烟叶叶面色差变化规律受烤烟品种的影响较小。

图1 初烤硃砂烟分段叶面物理特性变化趋势Fig.1 Physical characteristic variations of different segments of cinnabar flue-cured tobacco leaf

2.2 初烤硃砂烟叶面不同区位常规化学成分变化

图2为云产硃砂中部初烤烟叶25个区位各项化学指标回归分析结果。由图2可知，初烤硃砂烟不同区位各常规化学成分及其派生因子也均具有良好的线性变化关系（R2>0.818 2）。从叶基到叶尖，总糖、还原糖质量分数和氮碱比、糖碱比、CCUI值呈先升高后降低的抛物线形变化趋势，总氮和总植物碱质量分数呈先降低后升高的反抛物线形变化趋势，氯离子质量分数总体呈缓慢降低趋势，钾离子质量分数呈先降低后平稳上升的变化趋势，而钾氯比则先缓慢下降后持续升高。究其原因，这主要是烟草属于喜光植物，烟叶内在化学成分和风格特色的形成受光照强度和日照时长影响较大，随光照强度的增强，烟叶总糖、还原糖含量增加，总氮、烟碱、钾和氯含量减少［33-34］。由于烟株叶片与茎秆夹角的存在，烟株和烟叶之间相互遮挡使叶基、叶尖位置受到太阳照射时间短于叶中位置，因此硃砂烟叶叶中位置总糖、还原糖质量分数以及糖碱比、氮碱比、CCUI值较高，叶基和叶尖部位总植物碱和总氮质量分数较高，而叶尖位置钾氯比较高，硃砂烟各部位化学成分含量分布情况与符再德等［35］研究的浓香型烤烟基本一致。此外，除了光照条件，烤烟叶面不同区位的生理特征、生长周期、通风等条件也会促使不同部位内含物质代谢、转化和积累产生差异，进而表现出烤烟叶面常规化学成分呈差异性分布和规律变化趋势［36］。

图2 初烤硃砂烟分段叶面化学成分变化趋势Fig.2 Variations in chemical components from different segments of cinnabar flue-cured tobacco leaf

研究表明，总糖、还原糖、总氮、烟碱含量与烟草清甜香韵味、刺激性等有关，糖含量过高会使卷烟燃烧不完全，而且会增加烟气中产生的焦油量，一般认为优质中部烟叶化学成分还原糖质量分数18%~24%的烤烟品质好［37］。总氮和烟碱含量增加可以提高烟草特有香气，适当的氮碱比会丰富烟草香气和口感特性，糖碱比例协调能使烟气具有香气、良好口感以及适宜的浓度和劲头，但是总氮和烟碱含量过高会产生刺激性和辛辣味，总氮含量1.6%~2.5%、烟碱含量2.2%~2.8%较合适［38］，且高质量烤烟要求糖碱比为8~12、氮碱比小于1。钾离子和氯离子与烟草原料的燃烧特性有关，钾氯比越高燃烧性能越好，优质烤烟钾氯比>4［39］。此外，烟叶原料化学成分可用性指数CCUI值范围为0~1，该值越高，烟叶化学成分协调性越好［40］。由图2也可以看出，硃砂烟的叶中总糖、还原糖质量分数和糖碱比、氮碱比、CCUI值高于叶基、叶尖，而叶尖的钾氯比高于叶中和叶基，表明叶中的品质协同性明显优于叶基和叶尖，而叶尖的燃烧性明显优于叶中和叶基，这也较好地反映了卷烟品质与烟叶化学成分的协调性密切相关，各化学成分比例协调才能体现出良好的抽吸品质［41］。由此说明，传统的整片烟叶打叶复烤便于工业上规模化生产，但对优质特色烟叶进行分切和差异化加工，对提升烟叶原料的利用价值及其在卷烟产品中的贡献度具有重要意义。

2.3 初烤硃砂烟叶面不同区位理化特性主成分分析和聚类分析

2.3.1 主成分分析

以硃砂烟各理化特性指标为基础，通过KMO检验法和Bartlett球体检验法进行因子分析的适用性检验，KMO=0.693（>0.5），Bartlett球体检验的相伴概率Sig.=0.000（<0.05），表明主成分分析法适用于硃砂烟的各理化指标特征分析，且效果较好。通过提取特征值为1.0以上的前2个主成分，其累计贡献率达85.673%，各主成分的载荷矩阵和特征值分析结果如表1所示，其因子载荷反映各指标对主成分的贡献大小［42］，硃砂烟的钾离子、氯离子、抗张力、厚度、色差、平衡含水率、叶面密度在第1主成分中起主要作用，总糖、还原糖、总植物碱、总氮、糖碱比、氮碱比、CCUI值在第2主成分起主要作用，2个主成分构成的信息基本能够反映全部数据的绝大部分信息，可以作为硃砂烟理化特性评价的主要指标。

表1 各主成分的载荷矩阵和特征值Tab.1 Loading matrix and characteristic value of each principal component

根据因子载荷矩阵和特征值计算主成分中不同指标的相关系数，得主成分表达式（2）和（3）：

式中：x1~x15分别为总糖、还原糖、总植物碱、总氮，钾离子、氯离子、糖碱比、氯碱比、钾氯比、CCUI值、抗张力、厚度、总色差ΔE、平衡含水率、叶面密度等指标的标准化数值。根据主成分表达式计算的各主成分得分（F1、F2），以及以2个主成分所对应的特征值（λ1、λ2）占所提取主成分总的特征值之和的比例作为权重，得出主成分综合模型（式4），根据主成分综合模型即可算出综合主成分值F。

进一步通过主成分分析图（Principal Component Analysis，PCA）评价各指标在烟叶叶面不同区位之间的相似性，结果如图3所示。由图3可知，硃砂烟总氮质量分数和钾离子质量分数在区位1~4相似；氯离子质量分数、总糖质量分数以及氮碱比、糖碱比、平衡含水率在区位5~10相似；总还原糖质量分数、总色差ΔE、厚度、叶面密度以及CCUI值在区位11~19相似；总植物碱质量分数、抗张力、钾氯比在区位20~25相似，这表明初烤硃砂烟不同分段叶面理化特性存在一定的差异性和相似性。

图3 硃砂烟叶面不同区位理化特性PCA图Fig.3 PCA diagram of physicochemical characteristics of different segments of cinnabar tobacco leaf

2.3.2 聚类分析

根据主成分综合模型计算的综合得分F值，采用组间均连法和欧式距离对初烤硃砂烟叶的理化特性进行聚类分析，结果如图4所示。由图4可知，在欧氏距离为5处，可以把硃砂烟叶面所有区位分成3段，第一段区位1至区位3，第二段区位4至区位21，第三段区位22至区位25，这表明初烤硃砂烟叶面适宜分切为3段，与龙明海等［5］研究红大C3F初烤烟叶和祁林等［9］研究浓香型烟叶分切的段位数相同，由此说明，依据初烤烟叶面理化特性差异和变化趋势分析，可为不同区位的烟叶分切加工和分类使用提供理论支撑，对提升优质特色烟叶的精细化加工和原料利用价值具有指导意义。

图4 基于主成分得分和综合得分的不同区位系统聚类分析图Fig.4 Clustering diagram from different segments based on principal component score and comprehensive score

2.4 分切与验证

为了验证分切结果的合理性，将15 cm叶柄与区位1至区位3合为一段，依据每个区位宽度2.0 cm，则分切后叶基段、叶中段和叶尖段长度依次为21.0、36.0、8.0 cm，进而计算得出初烤硃砂烟叶适宜分切比例为32.31%∶55.38%∶12.31%，依此将初烤硃砂烟叶分切为三段，并对各段的常规化学成分、香味前提物、挥发性香味成分进行分析和感官质量评价，结果如表2和图5所示。

表2 硃砂烟三段分切样品化学成分及派生因子差异性①Tab.2 Differences in chemical compositions and derivative factors of three segments of cinnabar tobacco leaf

图5 三段分切样品感官质量评价Fig.5 Sensory quality evaluation of three segments of cinnabar tobacco leaf

由表2可知，初烤硃砂烟分三段后叶尖、叶中、叶基的总糖、总氮、钾离子、蛋白质、淀粉、总多酚、叶黄素、β-胡萝卜素、新植二烯、挥发性香味成分总量等质量分数及派生因子糖碱比、CCUI值均达到显著性差异水平（P<0.05），其中叶中的总糖、还原糖、烟碱的质量分数分别为21.16%、17.46%、2.73%，糖碱比7.79，比较符合和接近优质烟叶的适宜范围［38-39］，进一步说明硃砂烟采用分切打叶复烤更有利于提升叶中烟叶的使用价值。叶基、叶中、叶尖的总糖、还原糖质量分数以及CCUI值表现为叶中>叶基>叶尖，总植物碱、氯离子、钾离子、总氮、蛋白质、淀粉、叶黄素、β-胡萝卜素、香味成分总和表现为叶基>叶中>叶尖，糖碱比、氮碱比和总多酚质量分数均表现为叶尖>叶中>叶基，与颜克亮等［43］研究红花大金元烟叶三段式分切烟叶化学成分的差异性有所不同，说明从叶基到叶尖不同品种烟叶的主要化学成分变化存在一定差异，针对不同品种的优质特色烟叶进行适宜的分切研究对指导烟叶原料的分类加工具有参考价值。

由图5a可知，云产硃砂烟的香韵特征主要以糯米香、清甜香、焦香、焦甜香、干草香为主，分切后叶中糯米香、干草香和焦甜香明显优于叶基和叶尖，并辅以良好的清甜香风格特征，叶基的糯米香和清甜香明显优于叶尖，而焦甜香、焦香和干草香叶基和叶尖相当。感官质量评价（图5b）显示，叶中香气质和香气量突出，烟气柔和细腻，杂气、刺激性和干燥感较小；叶基香气质和香气量适中、刺激性较大，枯焦气和杂气略明显、劲头略小；叶尖香气质和香气量较差，杂气较大，热辣感明显。整体上，叶基、叶中和叶尖的感官质量特征分值依次为30.875分、38.625分、29.125分，进一步说明云产硃砂烟分切后叶中的香韵特征凸显、感官质量表现较好，采用分切打叶复烤更有利于提升云产硃砂烟叶的使用价值。

3 结论

（1）初烤硃砂烟叶面不同区位理化特性指标呈现差异性分布和规律性变化趋势，并几乎具有良好的线性关系（R2＞0.818 2），其抗张力、厚度、叶面密度、色差值a*、总色差ΔE表现为叶中>叶尖>叶基，而色差值L*、平衡含水率表现为叶基>叶中>叶尖；总糖、还原糖、糖碱比、氮碱比、CCUI值表现为叶中>叶尖>叶基，总植物碱、总氮表现为叶尖>叶基>叶中，钾离子、氯离子表现为叶基>叶中>叶尖。

（2）基于硃砂烟叶面不同区位理化特性，通过主成分分析提取了2个主成分（累积贡献率85.673%），确定总糖、还原糖、总植物碱、总氮、钾离子、氯离子、抗张力、厚度、色差、平衡含水率、叶面密度、CCUI值等指标可作为评价其分段叶面理化特性的主要指标，PCA图分析发现硃砂烟不同区位叶面理化特性存在一定的差异性和相似性，为硃砂烟不同区位的烟叶分切加工和分类使用提供了理论支撑。

（3）聚类分析显示，云产初烤硃砂烟叶适宜分3段，其叶基、叶中和叶尖的分切比例为32.31%∶55.38%∶12.31%；分切后各段的总糖、还原糖、质体色素、总多酚、新植二烯、挥发性香味成分等化学成分差异显著（P<0.05），且叶中糯米香、干草香、焦甜香的香韵特征凸显，香气量和烟气量足，烟气柔和细腻，杂气、刺激性和干燥感较小，整体感官质量表现较好，进一步说明硃砂烟采用分切打叶复烤更有利于提升烟叶原料的利用价值及其在卷烟产品中的贡献度。