基于主成分分析法的清香型烤烟上部叶烘烤工艺研究

农晚意，蒋凤雪，王继明，郑元仙，何元胜，高玲玲，陈小龙，苗晓辉，羊绍武，余磊，赵文龙*，黄飞燕*

(1 昆明学院农学与生命科学学院/云南省都市特色农业工程技术研究中心，云南 昆明 650214；2 云南省烟草公司临沧市公司，云南 临沧 677000； 3 河南省农业科学院农副产品加工研究所，河南 郑州 450002； 4 河南中烟工业有限责任公司，河南 郑州 450000)

烘烤在烟草生产过程中至关重要[1]，也是决定烟叶产质量的关键[2]。 合理的烘烤工艺起到协调烟叶化学成分、稳定致香物质、调节烤后烟叶物理特性、外观质量等作用，同时能提高烟叶的工业可用性[3]，从而影响烟叶原料的感官质量和风格特色[4]。 烟草上部叶占烟株可用烟叶的40%，是初烤烟叶的重要组成部分[5]。 段玉琪等[6]研究认为，调节烘烤工艺后不同部位的烤后烟叶化学成分协调性总体较好，各项指标大都符合优质烟叶的要求。 孙谋[7]对红花大金元烘烤期间进行变温变湿研究发现，38 ℃时延长稳温时间有助于中部叶叶绿素降解，上部叶烤后烟叶总糖含量均高于常规烘烤。 鲁柯佚[8]研究发现，采用中温中湿烘烤工艺的一次性采烤方式比采用当地常规采烤方式的烤后烟叶上中等烟叶比例提高14.45%，上部叶的品质和工业可用性也比对照组高。 杨晓亮[9]通过研究烘烤过程中不同关键温度点时间延长对云烟97 的影响发现，烘烤过程中延长42 ℃处理能显著提高上部叶的评吸总分。 刘钻福等[10]认为，在8 点式精准烘烤工艺基础上适当提高变黄温度，降低干筋期温度，有利于加热卷烟烤烟原料的致香成分及感官品质提升。 袁芳等[11]则认为，上部烟叶在35～38 ℃以每3 h 升温1 ℃，38～42 ℃以每2 h 升温1 ℃，42～47 ℃以每3 h升温1 ℃，47～54 ℃以每2 h 升温1 ℃，54～68 ℃以每2 h 升温1 ℃的升温速度组合有利于提高烟叶化学成分协调性、上等烟比例和均价，降低能耗成本。因此，优化烘烤工艺是提高烤后上部烟叶质量最直接有效的措施。 本研究拟通过对云南临沧植烟区主栽品种云烟99 成熟烟叶开展烘烤工艺技术研究，即优化变黄阶段和定色阶段稳温时间，以提高初烤烟叶上部叶原料的品质、烟叶经济效益和工业可用性，为当地的烟叶原料高质量生产提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料来源

试验于2022 年在临沧市永德县德党镇大坝村(99°E，24°N)进行。 此地为南亚热带与北热带交汇的河谷季风气候，海拔1 500 m，年均温17.4 ℃，冬无严寒，夏无酷暑，年降水量1 283 mm，年平均日照时数2 196.1 h；土壤类型为壤土，土壤pH 在6.5 左右。 试验品种为云烟99，样品为烟株上部6 片叶。除烘烤工艺外其他生产管理技术措施均按照当地优质烤烟生产技术规范执行。

1.2 试验设置

试验以三段式烘烤工艺为基础，对变黄阶段、定色阶段稳温时间进行调整，共设置4 个烘烤工艺处理，除变黄阶段稳温时间外，其他设置均一致。 具体试验设置为CK:12～30 h；A1:12～18 h；A2:12～24 h；A3:18～24 h(表1、图1)。

图1 不同烘烤工艺处理烘烤曲线Fig.1 Baking curve of different baking processes

表1 试验设置Table 1 Test setup

1.3 初烤烟叶化学成分测定

总糖、植物碱、总氮、氧化钾、氯离子分别采用YC/T 159-2002、YC/T 160-2002、YC/T 161-2002、YC/T 217-2007、YC/T 162-2011 方法检测[12]。

1.4 初烤烟叶致香成分检测

参考陈小龙等[13]的方法对样品致香成分进行检测。 将样品置于45 ℃烘箱中烘干30 min，用粉碎机打碎过40 目筛，称取100 g 样品装于信封袋中置于恒温恒湿箱(温度22 ℃，湿度60%)平衡24 h。采用二氯甲烷萃取法，准确称取25.00 g 置于1 000 mL 圆底烧瓶中，加入2 mL 乙酸苯乙酯内标溶液，混匀后置于电热套上加热；仪器另一端为装有50 mL 二氯甲烷的圆底小烧瓶，在60 ℃水浴条件下加热萃取3 h。 提取液用无水硫酸钠干燥后置于40 ℃水浴锅的旋转蒸发仪上浓缩至1 mL，过0.45 μm 滤膜后保存到-20 ℃冰箱中冷藏，用于GC-MS 分析(美国安捷伦Agilent 7890 B-5977A，GC/MSD 气质联用仪)。

1.5 初烤烟叶感官质量、外观质量检测

由河南中烟工业有限责任公司专家组按GB 2635-1992《烤烟》标准对各品种样品进行外观质量评价赋分；按YC/T 138-1998《烟草及烟草制品感官评价方法》对各样品进行内在感官质量评吸赋分。

1.6 初烤烟叶物理特性检测

采用王彦亭等[14]的方法对各处理样品进行叶长、叶宽、单叶质量、拉力、平衡含水率、单位叶面积质量、填充值、厚度、含梗率等物理特性指标测定。

1.7 初烤烟叶经济性状、能耗对比

按照国家标准GB 2635—1992《烤烟》记录烟叶的经济性状；烤房电表、生物质燃料为每间烤房单独安装、使用。

1.8 综合指数对比

参照徐秀红等[15]的方法采用DPS (2006)系统计算各处理的化学成分、致香成分、感官质量、外观质量、物理特性及经济性状的综合指数。 综合指数越大表明烟叶品质越好。

1.9 数据分析

各项数据利用IBM SPSS statistic(2016)进行主成分分析和差异性分析；利用Excel 进行数据分析；利用SPSS 进行方差分析；使用Origin 作图。

2 结果与分析

2.1 不同烘烤工艺处理的烟叶化学成分差异

利用主成分分析法求出4 个处理上部叶化学成分累积贡献率达93.18%的3 个主成分，其中贡献率最大的为成分1(表2)。

表2 化学成分主成分的载荷矩阵及贡献率Table 2 Load matrix，contribution rate and weight of variable of chemical component principal components

化学成分描述统计分析表明，各指标均表现出不同程度的变异，变异系数表现为钾氯比(25.00%)＞氯离子(18.41%) ＞糖碱比(16.07%) ＞总氮(15.53%)＞总植物碱(13.61%)＞氮碱比(11.66%)＞氧化钾(10.37%) ＞两糖比(3.87%) ＞还原糖(2.41%)＞总糖(1.84%)。 根据《中国烟草种植区划》中优质烟叶化学成分适宜含量范围:总糖18%～30%，还原糖14%～26%，总氮1.8%～2.7%，总植物碱1.8% ～3.0%，钾离子≥2.0%，氯离子0.3% ～0.8%，糖碱比6 ～13，氮碱比0.7 ～1.3，钾氯比≥8，淀粉含量≤3.5%，可知各处理总糖、还原糖含量偏高，氮碱比适宜，钾氯比偏低。 单因素ANOVA 差异性分析表明，各处理间化学成分指标均存在显著差异(P＜0.05)，总糖、总氮、总植物碱、氧化钾、氯离子、两糖比均以A2 处理最高，分别为36.12%、2.37%、2.33%、2.04%、0.56%、1.32%；相较CK 分别 提 高 了 2.76%、 46.30%、 37.06%、 25.93%、0.00%、4.76%；钾氯比以A1 处理最高，相较CK 提高了81.79%；还原糖、氮碱比以A3 处理最高，较CK 分别提高了3.87%、28.42%；糖碱比以CK 处理最高，为19.21。 综合指数以A2 最高，相较A1、A3、CK 分别提高了8.20%、29.41%、32.00%(表3)。

表3 不同处理烟叶化学成分描述性统计、差异分析及综合指数Table 3 Descriptive statistics，difference analysis and comprehensive index of chemical components in tobacco leaves under different treatments

2.2 不同烘烤工艺处理的烟叶致香成分差异

由表4 可知，不同烘烤工艺处理间的致香成分除美拉德反应物外其他均存在显著差异(P＜0.05)；类胡萝卜素降解产物类、类西柏烷类以及其他致香物质均为A2 处理含量最高，分别为27.74、22.58、310.02 μg/g，比CK 分别提高了18.04%、20.36%、11.96%；苯丙氨酸类以CK 最高，比A1、A2、A3 处理分别提高了0.69%、55.71%、13.41%。

表4 不同处理烟叶致香成分含量Table 4 Fragrance components under different treatments μg·g-1

2.3 不同烘烤工艺处理的烟叶感官质量差异

由表5 可知，不同烘烤工艺处理感官质量指标分值差异显著(P＜0.05)。 A2 处理的香气质、香气量、刺激性、余味分值较其他处理高，分别为7.23分、7.73 分、6.73 分、6.60 分，比CK 分别提高了12.97%、8.87%、5.16%、2.64%，杂气较CK 降低了7.54%，4 个处理的香型均为清香偏中间香。

表5 不同处理的烟叶感官质量分值Table 5 Sensory quality scores under different treatments

2.4 不同烘烤工艺处理的烟叶外观质量差异

由表6 可知，不同烘烤工艺处理外观质量均存在显著差异(P＜0.05)。 各项指标中的颜色、成熟度、身份、色度均以A2 处理分值最高，分别为9.20分、9.33 分、6.50 分、6.50 分，比CK 分别提高了10.44%、12.00%、8.33%、25.73%；油分、叶片结构以CK 分值最高，比A1、A2、A3 处理分别提高了19.00%、 11.07%、 24.89%， 30.50%、 20.46%、30.50%；综合得分以A2 处理最高，为7.59 分，比A1、A3、 CK 处 理 分 别 提 高 了7.97%、10.80%、3.55%；综合排名以A2 处理最高。

表6 不同处理烟叶外观质量分值Table 6 Differences in appearance quality scores under different treatments

2.5 不同烘烤工艺处理的烟叶物理特性差异

由表7 可知，不同烘烤工艺处理烟叶物理特性中除叶片厚度外其他指标均存在显著差异(P＜0.05)。 单叶质量、拉力以A3 处理最高，为11.48 g/片 和 2.47 N， 比 CK 分 别 提 高 了 18.72%、17.06%；含梗率以A2 处理最低，为25.60%，比A1、A3、CK 处理分别降低了3.16%、7.70%、20.04%；叶面密度以A1 处理最高，为96.62 g/m2，比A2、A3、CK 处理分别提高了11.13%、2.45%、21.60%；平衡含水率以CK 最高，比A1、A2、A3 处理分别提高了2.06%、10.32%、12.15%。 综合得分以A1 最高，为25.12 分，比A2、A3、CK 分别提高了8.98%、1.01%、10.03%；综合排名为A1 最高。

表7 不同处理的烟叶物理特性Table 7 Physical characteristics under different treatments

2.6 不同烘烤工艺处理烟叶等级结构、经济性状差异

由表8 可知，不同烘烤工艺处理初烤烟叶等级结构、经济性状均存在显著差异(P＜0.05)。 上等烟叶、中上等烟叶比例、产量、均价、产值均以A2 处理最高，分别为57.09%、81.45%、2 140.20 kg/hm2、27.51 元/kg、58 876.95 元/hm2，较CK 分别提高了30.70%、1.63%、2.07%、14.34%、16.70%。 综合得分以A2 处理最高，为21.10 分，比A1、A3、CK 处理分别提高了51.04%、51.36%、52.46%；综合排名以A2 最高。

表8 不同处理烟叶等级结构及经济性状比较Table 8 Comparison of tobacco grade structure and economic characters under different treatments

2.7 不同烘烤工艺处理能耗对比

云南临沧植烟区通用烤烟方式为密集大烤房，电费为0.44 元/kW·h，每房平均烘烤时长在192 ～216 h，每房平均用电量在85 kW·h 左右；生物质燃料单价为98 元/kg，每房使用燃料7.65 kg 左右。由表9 可知，各处理电耗排名为CK＞A3 ＝A2＞A1，总能耗排名为CK＞A3＞A2＞A1。

表9 不同处理每房烤烟能耗比较Table 9 Comparison of energy consumption under different treatments 元

2.8 不同烘烤工艺处理的综合指数比较

由表10 可知，不同烘烤工艺处理烟叶化学成分、外观质量、感官质量、物理特性和经济性状综合指数均以A2 处理最高，分别为15.91、16.41、16.70、5.48、17.91，较CK 分别提高了27.79%、5.73%、19.62%、3.20%、9.61%，致香成分综合指数以A1最高。

表10 不同处理烟叶品质综合指数Table 10 Composite index of tobacco leaf quality under different treatments

3 讨论

烤烟上部叶与中部叶相比存在叶片偏厚、叶面密度较高、化学成分不协调等问题。 优质烤烟原料不仅受品种影响，烘烤工艺也是至关重要的一环[15]。云南临沧植烟区烟叶烘烤方法主要采取传统的三段式烘烤工艺，为了提高上部初烤烟叶的质量，本研究在三段式烘烤的基础上对变黄阶段和定色阶段的稳温时间、干湿球温度进行调整，结果表明变黄阶段降低干湿球温度、定色阶段提高干湿球温度、稳温时间为16 h 处理上部烟叶的产质量较CK 高。

化学成分的协调性与烟叶外观质量、感官评吸质量有显著正相关关系[16]。 差异性分析表明各处理间化学成分指标均存在显著差异(P＜0.05)，总糖、总氮、总植物碱、氧化钾、氯离子、两糖比均以变黄阶段降低干湿球温度、定色阶段提高干湿球温度、稳温时间为16 h 最高，这与张恒等[17]结果不一致，可能与供试品种不同亦或与采收成熟度不同有关[18]。 过于成熟的叶片较薄，含水率也不相同是否会导致烤后烟叶化学成分差异还待进一步研究。 本研究与闫鼎等[19]的结果基本一致。

致香成分与烤烟风格和香气质息息相关。 史宏志等[20]认为，烘烤过程是烟叶香气物质转化和形成的关键时期，不同烘烤工艺处理致香成分差异分析表明，类胡萝卜素降解产物类、类西柏烷类以及其他致香物质均为变黄阶段降低干湿球温度、定色阶段提高干湿球温度、稳温时间为16 h 含量最高，这与代丽等[21]的研究结果基本一致。

初烤烟叶的外观质量、感官评吸质量是烟叶分级的重要依据[22]，也是确定烟叶总体质量的最终评价指标，同时还是烟叶香型的区分依据[23]。 本研究结果表明，各烘烤工艺处理中的外观质量、感官评吸质量综合分值均以变黄阶段降低干湿球温度、定色阶段提高干湿球温度、稳温时间为16 h 处理最高，说明该烘烤工艺处理初烤烟叶品质较高，这与宗胜杰等[24]的研究结果基本一致。

4 结论

变黄阶段降低干湿球温度、定色阶段提高干湿球温度、稳温时间为16 h 能提高云南临沧植烟区的上部烟叶品质，可协调化学成分比例，提高经济效益和工业可用性。 该处理的化学成分比例、致香成分含量、外观质量、感官评吸质量和经济性状均为最优，综合得分也最高，说明临沧植烟区变黄阶段降低干湿球温度、定色阶段提高干湿球温度、稳温时间为16 h 烘烤处理综合品质较高，可用性更高，能更好地满足工业需求。