清香型烟叶产区基因型选择

2019-05-20吴兴富焦芳婵陈学军张谊寒肖炳光李永平

中国烟草学报 2019年2期

吴兴富，焦芳婵，陈学军，张谊寒，肖炳光，李永平

云南省烟草农业科学研究院，云南昆明，650021

基因型是烟叶品质形成和风格彰显的载体。化学成分是烟叶品质的物质基础，烟叶中化学成分种类繁多（烟草中已鉴定出的成分约有5700种）[1]，各种成分含量的相互关系复杂[2]。聚类分析是数理统计中研究“物以类聚”的一种方法，聚在同一类的个体有较大的相似性，聚在不同类的个体差异较大[3]。聚类分析已广泛用于通过多性状（多指标）评价作物[4-6]、水果[7-9]的综合品质，对于科学评价基因型好坏的真实性收到了较好的效果。

我国烤烟所产烟叶按传统香型分为清香、中间香、浓香三大类[10]。从产量规模看，清香型烟叶占全国烟叶的55%[11]，主要产自云南、福建烟区以及四川和贵州烟区的部分区域，其中云南和福建是主产区。近年来，卷烟工业对清香型优质烟叶的需求呈增加趋势，2011年全国卷烟消耗云南烟叶占消耗总量的39.48%，同比增加1.19%[12]。聚类分析在烟草资源分类[13-15]、烟叶常规化学成分[16-18]和挥发性香气成分[19-20]、烟叶配打[21]、香型风格[22]、卷烟质量稳定性[23]等方面已有报道，但有关清香型产区烤烟基因型主要化学成分含量及感官评价的聚类分析未见报道。为此，本研究对清香型烟叶主产区云南和福建种植的11个烤烟基因型的常规化学成分、多酚物质、挥发性香气物质含量及感官评价得分进行聚类分析，以期了解清香型产区不同基因型烟叶主要化学成分及感官质量的相似性和差异，为清香型产区基因型选择供依据。

1 材料与方法

1.1 试验地点及品种

2014年，在清香型烟叶主产区云南和福建8个试点种植11个烤烟基因型。8个试点分别为云南华宁大兴寨和大村、宁洱勐先和平村曼片组和旱滩组、宣威热水，福建永定湖雷、陈东和建阳莒口，11个参试基因型为K326（G1）、云烟87（G2）、云烟97（G3）、云烟105（G4）、云烟110（G5）、云烟116（G6）、云烟117（G7）、云烟119（G8）、云烟207（G9）、NC71（G10）、PVH1452（G11）。

1.2 试验设计与方法

各试点采用随机区组设计，每个基因型1个处理，3次重复共33个小区，小区栽烟70株。各试点参试基因型施氮量及氮磷钾配比相同，种植密度、栽培调制技术及田间管理措施按当地优质烟叶生产技术操作。各小区烟株现蕾打顶，挂牌标记烟株从下往上8～12叶位烟叶。采烤结束后，每个小区取8～12叶位初烤烟C3F样品1.0 kg。

1.3 样品检测与感官质量评价

各试点小区烟叶样品按基因型混合后为两部分，一部分由云南省烟草农业科学研究院分析测试中心按照YC/T159—2002检测总糖和还原糖含量，按照YC/T161—2002、YC/T160—2002、YC/T217—2007、YC/T162—2011分别检测总氮、烟碱、钾、氯含量，按照YC/T202—2006检测多酚类化合物，采用水蒸汽-二氯甲烷同时蒸馏萃取、GC/MS—内标定量方法[24]检测47种挥发香气物质含量，并按官能团分类统计各类物质含量。另一部分由云南中烟工业有限责任公司按照Q/YNZY.J07.030—2015[25]进行感官评吸鉴定，评价指标包括清香型风格（5分）（4.5～5.0典型，4.0～4.5较典型，3.0～4.0明显，2.0～3.0较明显，1.0～2.0尚明显，0～1.0不明显）和感官质量指标烟草香韵（10分）、香气量（15分）、香气质（15分）、烟气浓度（10分）、刺激性（15分）、劲头（5分）、杂气（10分）和口腔干净度（10分）、湿润感（5分）、回味（5分），并统计各指标评吸得分及感官质量总分（100分）。

1.4 数据统计和分析

采用Excel统计各参试基因型在8个试点的常规化学成分、多酚物质、挥发性香气物质含量及感官评价指标得分平均值，利用DPS数据处理系统（v10.15）[26]进行聚类分析。先分别对上述单类别指标进行聚类，然后对所有指标进行综合聚类。聚类时，先将原始数据进行标准化转换，然后在卡方距离水平上采用离差平方和法进行系统聚类。同时，根据聚类结果，采用单因素完全随机统计分析方法对不同类群间或类群内基因型间的聚类指标及二级统计指标均值（糖碱比、氮碱比、钾氯比、多酚总量、各类挥发性香气物质合计量及总量、感官质量总分）进行方差分析和多重比较。

2 结果

2.1 常规化学成分含量聚类

6常规化学成分含量聚类表明，在类间距离（D2）=1.44处，11个基因型可聚为3个类群（见图1A），K326、PVH1452、NC71为Ⅰ类，云烟87、云烟105、云烟116、云烟117为Ⅱ类，云烟97、云烟119、云烟207、云烟110为Ⅲ类。类群间钾含量和氮碱比差异不具有统计学意义，其他5种常规成分含量及糖碱比、钾氯比的差异具有统计学意义（表1）。由表1可见，Ⅰ类群糖（总糖、还原糖）含量低，氯含量居中，总氮和烟碱含量高，糖碱比和钾氯比小。Ⅱ类群糖含量高，总氮、烟碱、氯含量低，糖碱比和钾氯比大。Ⅲ类群糖和氯含量高，总氮、烟碱含量低，糖碱比和钾氯比居中。从基因型来源看，聚为Ⅰ类群的3个基因型为国外引进，聚为Ⅱ类群和Ⅲ类群的基因型均为国内选育。

表1 不同类群常规化学成分含量Tab.1 The contents of routine chemical components of different groups

2.2 多酚类物质含量聚类

6种多酚物质含量聚类表明，在类间距离（D2）=1.24处，11个基因型可聚为3个类群（见图1B），云烟116、云烟87、K326为Ⅰ类，云烟97、云烟117、云烟207为Ⅱ类，云烟105、NC71、云烟110、云烟119、PVH1452为Ⅲ类。类群间芸香苷和莨菪亭含量差异不具有统计学意义，其他4种多酚物质含量及多酚总量的差异具有统计学意义（表2）。由表2可见，Ⅰ类群多酚含量低，Ⅱ类群居中，Ⅲ类群多酚含量高。6种多酚物质中，芸香苷和绿原酸含量明显高于其他4种，其中绿原酸含量在3个类群间差异显著，对不同类群基因型多酚含量差异的影响较大。

表2 不同类群多酚质含量Tab.2 Polyphenol content of different groups mg/g

2.3 挥发性香气物质含量聚类

47种挥发性香气物质含量聚类表明，在类间距离（D2）=3.60处，11个基因型可聚为3个类群（见图1C），K326、NC71、PVH1452、云烟207、云烟97、云烟117为Ⅰ类，云烟87、云烟116为Ⅱ类，云烟105、云烟110、云烟119为Ⅲ类。类群间2-环戊烯-1,4-二酮等21种挥发性香气物质含量及酮类、醇类物质含量和香气物质总量的差异具有统计学意义，其他挥发性香气物质含量的差异不具有统计学意义（表3）。从官能团分类统计的各类物质含量看，醇类物质和新植二烯含量明显高于酮类、醛类、酯类和杂环类物质，Ⅰ类群酮类物质含量高，醇类物质含量和挥发性香气物质总量居中，Ⅱ类群醇类和酮类物质含量高，挥发性香气物质总量高，Ⅲ类群醇类、酮类物质含量及挥发性香气物质总量低。醇类物质寸拜醇、西柏三烯二醇a、西柏三烯二醇b含量在3个类群间差异显著，对不同类群基因型挥发性香气物质含量差异的影响较大。

表3 不同类群47种挥发性香气物质含量Tab.3 Contents of 47 kinds of volatile aroma components among different groups µg/g

2.4 感官评价得分聚类

清香型风格及10个感官质量指标评价得分聚类表明，在类间距离（D2）=1.82处，11个基因型可聚为3个类群（见图1D），K326、云烟87、云烟116为Ⅰ类，云烟105、云烟207、NC71、PVH1452为Ⅱ类，云烟97、云烟110、云烟119、云烟117为Ⅲ类。类群间劲头得分差异不具有统计学意义，其他10个指标及评吸总分的差异具有统计学意义（表4）。由表4可见，Ⅰ类群清香型风格得分及评吸总分高于Ⅱ类群、Ⅲ类群，清香型风格较典型，感官质量好。Ⅱ类群评吸总分高于Ⅲ类群，清香型风格得分有高于Ⅲ类群的倾向，清香型风格明显，感官质量中等。Ⅲ类群清香型风格明显，感官质量较差。同时，香气量、香气质以及口腔干净度和湿润感得分在3个类群间差异显著，对不同类群基因型感官质量差异的影响较大。

表4 不同类群及Ⅰ类群内基因型间感官评价指标得分Tab.4 Scores of sensory evaluation indexes of genotypes among different groups and within group I

2.5 所有指标综合聚类

6种常规化学成分、6种多酚物质、47种挥发性香气物质含量及11个感官评价指标得分综合聚类表明，在类间距离（D2）=4.75处，11个基因型可聚为3个类群（见图1E），K326、NC71、PVH1452为Ⅰ类，云烟97、云烟207、云烟117、云烟105、云烟110、云烟119为Ⅱ类，云烟87、云烟116为Ⅲ类。在70个聚类指标中，34个指标类群间差异具有统计学意义，36个指标差异不具有统计学意义（表5）。综合表5各类别化学成分含量及感官评价得分看，Ⅰ类群清香型风格明显，感官质量中等，烟碱和总氮含量高，糖含量低，糖碱比小，多酚和挥发性香气物质含量较高。Ⅱ类群清香型风格明显，感官质量较差，糖含量高，烟碱和总氮含量低，糖碱比大，多酚含量高，挥发性香气物质含量低。Ⅲ类群清香型风格较典型，感官质量好，糖含量高，烟碱和总氮含量低，糖碱比大，多酚含量低，挥发性香气物质含量高（尤其是醇类物质）。醇类物质含量和口腔干净度得分在3个类群间差异显著，对不同类群基因型挥发性香气物质含量及感官质量差异的影响较大。

表5 不同类群化学成分含量及感官质量指标评吸得分差异Tab.5 Differences in chemical component content and sensory quality evaluation score among groups

图1 11个基因型不同类别指标系统聚类图Fig.1 Cluster diagram of 11 genotypes with different category index system

2.6 基于感官评价聚类的化学成分含量差异及其与感官质量的相关性分析

化学成分是烟叶品质的物质基础，基于感官评价聚类的类群间化学成分含量差异分析表明（表6），在59种化学成分及10个二级指标中，绿原酸含量等11种成分及3个二级指标多酚总量、醇类物质含量、挥发性香气物质总量的在基于感官评价的类群间差异具有统计学意义，其他成分及二级指标的差异不具有统计学意义。从表4和表6结果看，Ⅰ类群感官质量好，绿原酸含量和多酚总量低，茄酮、降茄二酮、正己醛、2-异丙基-5氧-己醛、5-甲基糠醇、寸拜醇、西柏三烯二醇（a、b、c、d）含量及醇类物质含量和挥发性香气物质总量高。Ⅲ类群感官质量较差，绿原酸含量和多酚总量高，5-甲基糠醇含量居中，其他9种成分的含量及醇类物质含量和挥发性香气物质总量低。Ⅱ类群感官质量中等，5-甲基糠醇含量低，其他10种成分的含量及多酚总量、醇类物质含量、挥发性香气物质总量均介于Ⅰ类群和Ⅲ类群之间。

表6 基于感官评价聚类的类群间化学成分含量差异Tab.6 Difference in chemical component content among groups based on sensory evaluation clustering

表7 化学成分含量与感官质量总分的相关系数Tab.7 Correlation coefficient between chemical component content and sensory quality score

为进一步了解化学成分与感官质量的关系，对11个基因型49种化学成分含量及10个二级指标与感官质量总分进行相关性分析（表7），结果表明，绿原酸含量等11种成分及3个二级指标多酚总量、醇类物质含量、挥发性香气物质总量与感官质量总分的相关性具有统计学意义，其他成分及二级指标的相关性不具有统计学意义。即莨菪亭、茄酮、降茄二酮、正己醛、2-异丙基-5氧-己醛、寸拜醇、西柏三烯二醇（a、b、c、d）含量及醇类物质含量、挥发性香气物质总量与感官质量显著或极显著正相关，绿原酸含量、多酚总量与感官质量显著负相关。可见，绿原酸、茄酮、降茄二酮、正己醛、2-异丙基-5氧-己醛、寸拜醇、西柏三烯二醇（a、b）含量对清香型烟叶感官质量影响较大。

3 讨论

本研究利用系统聚类法，对清香型烟叶主产区云南和福建种植的11烤烟基因型6种常规化学成分、6种多酚物质、47种挥发性香气物质含量及11个感官评价指标得分先进行单类别指标聚类，在此基础上，对上述4类共70个指标进行综合聚类。从单类别指标聚类和所有指标综合聚类结果看（表8），云烟116与云烟87常规化学成分、多酚物质、挥发性香气物质、感官评价得分、所有指标综合均分别聚在相同类群，NC71与PVH1452、云烟110与云烟119的上述指标亦分别聚在相同类群，其他基因型间单类别指标聚类和所有指标综合聚类的差异较大，如K326、NC71、PVH1452常规化学成分、挥发性香气物质、所有指标综合均聚为Ⅰ类，K326多酚物质含量聚为Ⅰ类、PVH1452和NC71聚为Ⅲ类，K326感官评价得分聚为Ⅰ类、PVH1452和NC71聚为Ⅱ类。同理，其他基因型间单类别指标聚类和所有指标综合聚类的差异性分析依此类推。导致单类别指标聚类和所有指标综合聚类结果差异的原因主要有两方面，一是参试基因型本身不同类别指标间存在差异，二是所有指标综合聚类时，有些指标的差异会被另一些指标的差异所掩盖，造成类群间差别模糊[27]。但对基因型性状特点而言，任何性状指标的聚类结果都反映了基因型间该性状的相似性和差异[28]。因此，本研究11个基因型单类别指标常规化学成分、多酚物质、挥发性香气物质、感官评价以及所有指标综合聚类的相似性或差异，可为基因型性状特点或育种利用研究提供参考。

表8 单类别指标和所有指标综合聚类差异Tab.8 Differences in single index and full-indexes comprehensive clustering

化学成分是烟叶品质的物质基础，而感官评价仍是目前判断烟叶品质好环的最终手段[22]。本研究11个基因型感官评价可聚为3个类群，Ⅰ类群感官质量好、Ⅱ类群中等、Ⅲ类群较差，基于感官评价聚类的化学成分含量差异及其与感官质量相关性的分析表明，茄酮、降茄二酮、正己醛、2-异丙基-5氧-己醛、寸拜醇、西柏三烯二醇（a、b、c、d）含量及醇类物质含量、挥发性香气物质总量与感官质量显著或极显著正相关，绿原酸含量和多酚总量与感官质量显著负相关，且这些指标在基于感官评价聚类的类群间差异具有统计学意义。因此，在一定范围内，调控绿原酸含量，提高茄酮、降茄二酮、正己醛、2-异丙基-5氧-己醛、寸拜醇、西柏三烯二醇（a、b、c、d）含量有利于彰显清香型烟叶的感官质量。同时，莨菪亭含量与感官质量显著正相关，但在基于感官评价的类群间差异不显著，其原因与多指标综合聚类时，一些指标的差异会被另一些指标的差异所掩盖有关，造成类群间差别模糊[27]。5-甲基糠醇含量与感官质量的相关性不具有统计学意义，但在基于感官评价的类群间差异显著，其原因可能与烟叶中各种成分含量的相互关系复杂[2]有关，这种关系不仅是含量或占比关系，可能包括更为复杂的多成分含量占比组合关系等，这亦是目前烟叶化学物质含量对感官质量影响尚未取得一致认识的原因所在[29]。

本研究云烟116是2016年通过全国审定的烤烟基因型，该基因型感官评价得分与主栽基因型云烟87和K326[30]聚为同一类（图1D），这3个基因型清香型风格较典型，感官质量好，相似性较高，可为清香型产区彰显烟叶品质和风格的基因型选择提供参考。同时，近年来，主栽基因型云烟87种植比例过高的现象突出，2016年种植比例44.93%，2017年49.56%[30]，本研究云烟116与云烟87常规化学成分、多酚类物质、挥发性香气物质、感官质量等单类别指标及所有指标综合的相似性均较高，这为云烟87种植比例偏高区域搭配种植云烟116提供了依据。但从感官评价得分聚为Ⅰ类群的3个基因型（表4）看，云烟116香气量和烟气浓度得分低于K326，有低于云烟87的倾向。因此，在选择种植云烟116时，需结合当地生产实际，开展提高该基因型香气量和烟气浓度的配套技术研究，通过良种良法配套，充分挖掘云烟116彰显烟叶品质和风格的潜力。

目前，国内烟叶香型风格在传统香型[10]基础上划分为8种类型[31]，其中，本研究试点所涉及的云南产区烟叶为清甜香型，其主要特征为清甜香突出、青香明显，福建产区烟叶为清甜蜜甜香型，其主要特征为清甜香突出、蜜甜香明显、花香微显，新分类法中云南和福建烟叶清甜香突出的主体特征，与传统清香型烟叶清甜香韵突出的特征[32]一致，但新分类法对明确这2种香型烟叶主要风格特征差异的描述更清晰。同时，本文研究重点是分析传统清香型产区11个烤烟基因型主要化学成分含量及感官质量的相似性和差异，未涉及云南和福建烟叶风格特征差异的分析。因此，本文研究结果在新分类法中仍具有参考借鉴价值，但有关清香型风格的描述在新分类法中存在一定局限性。