广东烟区烤烟主要化学成分可用性评价

王晓宾 王军 刘兰 田俊岭

摘  要：为客观分析和评价广东烟区烤烟化学成分可用性，以2013—2017年度广东烟区8个主产县的C3F烟叶为材料，应用模糊数学方法、多元统计方法等构建烤烟化学成分评价体系，分析了广东烟区烤烟中部叶化学成分的年度、区域特征并进行了可用性评价。结果表明，近5年来，广东烟区烤烟中部叶总糖（25.09%）、还原糖（21.83%）、氯离子（0.25%）含量相对较低，糖碱比（8.52）和氮碱比（0.69）相对较小，烟叶化学成分可用性在“中等”及以上占85.00%;部分年度间、产区间烟叶的总植物碱、总氮、钾离子含量以及糖碱比、氮碱比存在显著性差异，但产区之间烟叶化学成分可用性无显著差异;广东烟区中部烟叶依化学成分可分为3类，分别相对集中于同一生态区域。

关键词：广东烟区;烤烟;化学成分;可用性评价

中图分类号：TS41+1          文章编号：1007-5119（2019）02-0064-09      DOI：10.13496/j.issn.1007-5119.2019.02.010

Abstract： In order to objectively analyze and evaluate the usability of flue-cured tobacco chemical constituents in the Guangdong tobacco-growing area， an evaluation system of chemical composition of flue-cured tobacco was constructed by adopting fuzzy mathematics， multiple statistics and others with C3F flue-cured tobacco samples collected from 8 major producing counties in the Guangdong tobacco-growing area from 2013 to 2017. The time and regional characteristics of chemical components in the leaves of flue-cured tobacco were analyzed， and the usability of tobacco chemical components was evaluated. The results showed that in the recent 5 years， the contents of total sugar （25.09%）， reducing sugar （21.83%）， chloride ion （0.25%）， the sugar nicotine ratio （8.52） and nitrogen nicotine ratio （0.69） in middle leaves were relatively low. The chemical composition usability of tobacco leaves of “moderate” and above accounted for 85.00%. There were significant differences in total nicotine， total nitrogen， potassium ion content， sugar nicotine ratio and nitrogen nicotine ratio in tobacco leaves between years and the regions， but there was no significant difference in the usability of chemical components in tobacco leaves between producing areas. According to chemical composition， there are three types of flue-cured tobacco in the Guangdong tobacco-growing area， each of which is relatively concentrated in the same ecological area respectively.

外觀质量评价，通过聚类分析将河南烟叶外观质量分为3类。马京民等[6]采用主成分分析和聚类分析方法，结合外观质量和化学成分指标，将河南省信阳烟区45个烤烟样品分为3个类别。张强等[7]通过集成简单相关、一元线性回归、典型相关分析3种数理统计方法，对5个烟叶常规烟气和20个主要化学成分的数据进行分析，筛选出总糖、总氮、氯、挥发碱、钾等11项指标建立云南烤烟主产区烟叶质量评价的指标体系。江春等[8]对2014年皖南地区6个种植区域所取的70个中上部烟叶样品进行了化学成分分析与感官质量评吸后得出皖南烟叶大部分化学成分含量适宜，浓香型风格突出的结论，提出生产中可通过适当降低糖含量、提高钾离子含量，控制杂气和刺激性来优化烟叶质量的建议。朱梅华等[9]研究了2012—2013年广西主要烟区的95个样品的主要化学成分和感官质量，指出生产中可通过控制糖含量、氮碱比及适当降低糖碱比来优化烟叶质量。齐永杰等[10]以桂阳县2012年、2013年和2014年烟叶样品为材料，应用模糊数学方法对其化学成分可用性进行了综合评价，得出烟叶化学成分可用性指数可以用于卷烟品牌对产区烟叶化学成分的适配度评价的结论。

目前，广东烟区年种植烤烟10 667 hm2、收购22 600 t左右。其中韶关、清远（连州）产区为湘南粤北桂东丘陵山地烤烟区，属南岭丘陵生态区，烟叶为焦甜醇甜香型;梅州产区为闽西赣南粤东丘陵山地烤烟区，属武夷丘陵生态区，烟叶为清甜蜜甜香型[4，11]。烟叶化学成分是烟叶质量的物质基础，外观质量、感官质量和风格特征是化学成分内在性质的表现[12]，而烟叶的化学成分与大田生育不同时期气候条件密切相关[13]。常用的烟叶质量评价方法中，外观质量评价法和感官评吸评价法受评价人员的主观影响较大，而常规化学成分评价法相对较为客观，也含有较丰富的烟叶品质信息[14]。關于广东烟区烟叶化学成分系统、综合的分析评价至今尚未见报道。本文以2013—2017年广东烟区烤烟中部叶化学成分为研究对象，分析烟叶化学成分特征，构建烟叶化学成分可用性评价体系，并进行化学成

分可用性综合评价，明确近5年来广东烟区烟叶化学可用性基本情况和化学成分区域特征，以期为烟叶生产中生产技术方案的制定和烟叶原料采购过程中资源配置提供参考。

1  材料与方法

1.1  取样方法

根据广东烟区各主产县的烤烟种植面积、土壤类型等实际情况，选择在韶关产区的南雄（NX）、始兴（SX）、乳源（RY）和乐昌（LC），梅州产区的蕉岭（JL）、五华（WH）和大埔（DP），清远产区的连州（LZ）共8个县/市设置取样点。全省共设置18个取样点，其中南雄、始兴分别设置9和3个取样点，其他县各设置1个取样点。取样点为能代表当地生态条件和生产水平的区域，连续设置5年（2013—2017）。每年由专业评级人员按照GB 2635—1992从当年各取样点烤烟中选取C3F烟叶样品，每份样品2.5 kg。

1.2  分析检测

烟叶的总糖和还原糖、总氮、钾、氯采用流动分析法检测（YC/T 159—2002，YC/T 161—2002，YC/T 217—2007，YC/T 162—2011），总植物碱采用光度法检测（GB/T 23225—2008）。糖碱比为总糖/总植物碱，氮碱比为总氮/总植物碱。

1.3  评价方法

1.3.1  确定各参评指标的隶属度值  选定烟叶化学成分中的总糖、还原糖、总植物碱、总氮、氯离子、钾离子、糖碱比、氮碱比这8个指标为参评指标[4，7-9，14]。由于各参评指标的最适宜值范围不尽相同，应用模糊数学理论计算各参评指标的隶属度，使各参评指标的原始数据转换为0.1～1.0的数值，以消除参评指标量纲的影响。常用于综合评价的隶属度函数类型主要有反S型、S型和抛物线型，其中烤烟的总糖、还原糖、总氮、总植物碱、氯离子含量和氮碱比、糖碱比的隶属度函数为抛物线型，其函数表达式为：

1.3.2  确定各参评指标的权重系数  将总植物碱、总氮含量指标正向化后[17]，采用主成分分析法计算各评价指标权重[18]。提取的3个主成分方差累积贡献率为83.457%，基本上能反映全部原始数据信息。按照aij=Aij/计算特征向量（aij为第i个指标对应第j个主成分的特征向量;Aij为成分矩阵，表示第i个指标在第j个主成分上的载荷;Qj 为第j个主成分对应的初始特征值）。按照βi=×Cj计算权系数（βi为第i个指标的权系数;Cj为提取主成分之后，第j个主成分在所提取主成分中的方差相对贡献率，k为提取主成分个数）。按照βi*=βi/进行各指标权系数归一得各指标权重系数（βi*为第i个指标权重系数，l为参评指标个数）。

1.3.3  确定烟叶化学成分可用性  用烟叶化学成

分可用性指数（Chemical Components Usability Index，CCUI）来表示烟叶化学成分可用性[15-16]，CCUI越大表示烟叶化学成分可用性越强。CCUI采用隶属度函数模型与指数和函数模型来确定：CCUI=×Wmi，式中Nmi表示第m个样本、第i个指标隶属度值，Wmi表示第m个样本、第i个指标的权重系数，其中0<Nmi≤1，0<Wmij≤1，且满足=1，l为参评指标的个数。

1.3.4  统计分析方法  利用SPSS 22.0 统计软件包进行基本统计分析、相关性分析、方差分析和多重比较、主成分分析和聚类分析。

2  结  果

2.1  广东烟区烤烟主要化学成分基本统计特征

从表2可以看出，样本总植物碱和总氮含量数据偏度和峰度为负值，表明样本总植物碱和总氮含量数据左拖尾，正态分布为平顶峰;样本其他指标数据偏度和峰度都为正值，反映了这些数据右拖尾，正态分布为尖顶峰。与国内其他产区[15-16]相比，广东烤烟中部叶具有总糖、还原糖、氯离子含量以及糖碱比相对较低，总植物碱和总氮含量相对较高的特点，这可能也是广东烟叶浓香型风格特色的化学成分基础。从各指标的变异程度来看，氯离子含量、糖碱比变异较大，说明了这两个指标产区之间或年度之间变化较大，而总糖、还原糖及钾离子含量变异较小，相对较为稳定。

从各参评指标间相关关系来看（表3），烟叶的总糖含量与还原糖含量、糖碱比极显著正相关，与总氮含量极显著负相关;还原糖含量与糖碱比极显著正相关，与总氮含量极显著负相关;总植物碱含量与总氮含量极显著正相关，与糖碱比、氮碱比极显著负相关;总氮含量与糖碱比极显著负相关;糖碱比与氮碱比极显著正相关。以上多数参评指标间的极显著相关关系也说明了参评指标信息间存在重叠，适合采用主成分分析[18]。

（图1）。从图1可以看出，象限一属于隶属度高、重要性也高的象限（高度关注区）;象限二属于得分低、重要性高的象限（优先改进区）;象限三属于得分低、重要性也低的象限（无关紧要区）;象限四属于得分高、重要性低的象限（维持优势区）。各参评指标中，总糖、还原糖、总氮落入第一象限，对这3个指标应高度关注;钾离子属于中等重要，隶属度中等偏下，在实践中也应该优先改进;由于总植物碱含量与总氮含量，糖碱比与总糖、还原糖以及总氮含量极显著相关，而氮碱比又与糖碱比极显著相关（表3），因此，总植物碱含量、糖碱比、氮碱比的信息可由高度关注的总糖、还原糖及总氮含量反映，而它们自身落入了第三象限无关紧要区;氯离子含量与其他参评指标无显著相关关系（表3），且总体含量较低（表4），因此，氯离子也落入了无关紧要区。参评指标中未有维持优势区指标，说明参评指标中没有优势特别明显的指标。

2.2  广东烟区烤烟主要化学成分差异性分析

表4结果显示，2013—2016年度间烤烟总糖和还原糖含量无显著差异，而2017年度总糖和还原糖含量则显著高于前4年，其中总糖含量平均较2013—2016年度分别增加4.17、7.00、7.45和5.96个百分点，还原糖分别增加3.63、5.73、6.34和5.13个百分点。从表4还可以看出，2013—2017的5年间烤烟植物碱和钾离子含量无显著变化，说明近5年来广东烟区烤烟总植物碱和钾离子含量总体上较为稳定;2013—2015年度間烤烟总氮含量无显著差异，但2017年度较2015—2016年度极显著下降，分别下降0.38和0.43个百分点;从烤烟糖碱比年度间变化来看，2013—2016年度间无显著变化，2017年度极显著大于2014和2015年度，分别增加3.45和3.43个单位。

从表5可以看出，近5年，广东烟区各产区间烤烟总糖含量总体上无显著差异，但大埔产区烤烟还原糖含量极显著高于乐昌产区，而其他各产区还原糖含量无显著差异。从总植物碱含量来看，乳源、蕉岭、五华、大埔产区间总体上无显著差异，但显著高于南雄、始兴、乐昌产区;连州产区烤烟总植物碱含量显著高于南雄、始兴产区，但与其他产区无显著差异。除南雄、始兴产区烤烟总氮含量小于2.00%外，其他各产区皆大于2.00%，其中南雄和始兴产区显著低于乳源、五华和蕉岭产区。各产区烤烟氯离子含量皆小于0.50%，总体上含量较低。从各烤烟钾离子含量来看，连州产区最低，显著低于南雄、始兴、乐昌、蕉岭和大埔产区。南雄和始兴产区烤烟糖碱比较大，极显著大于其他各产区;而氮碱比更接近于1，极显著大于乳源、蕉岭、五华、大埔和连州产区。

2.3  广东烟区烤烟化学成分可用性分析

按照可用性指数≥0.90、[0.75，0.90）、[0.60，0.75）、<0.60将广东烟区烤烟化学成分可用性分别划分为“好”、“较好”、“中等”和“较差”4个档次。由图2可以看出，近5年来（2013—2017），广东烟区烤烟85.00%中部叶化学成分可用性在“中等”及以上，其中5.00%达到了“好”的档次，但仍然有15.00%的中部叶化学成分可用性在“较差”的档次。

从不同年度烤烟化学成分可用性来看（图3），近5年来（2013—2017），广东烟区烤烟每年中部叶平均化学成分可用性指数皆大于0.60，说明烟叶的化学成分可用性总体上在“中等”以上。其中，2013—2016年度广东烟区烤烟化学成分可用性相对稳定，年度间无显著变化，但是2017年度化学成分可用性显著差于2014年度。

2.4  广东烟区烤烟化学成分聚类分析

对2013—2017年烤烟中部叶化学成分评价指标采用组间联结（Between-group linkage）方法进行系统聚类（图5）。从图5可以看出，在距离（平方Euclidean距离）为5处，可以分为3类;在距离为10处，可以分为2类。其中，分为3类与实际情况相符，且各类相对集中于统一生态区域：第一类是蕉岭、五华、大埔，此类烤烟总植物碱、总氮含量较高，糖碱比和氮碱比较小;第二类是乐昌、连州、乳源，此类烤烟总糖、还原糖及钾离子含量较低;第三类是南雄、始兴，此类烤烟总糖、钾离子含量较高，总氮、总植物碱含量较低，糖碱比和氮碱比较大。

3  讨  论

3.1  关于评价指标选择及其适宜值确定

烟叶化学成分是影响烟叶内在质量的物质基础，其中，烟叶总糖、还原糖、总氮、总植物碱、钾离子、氯离子等化学成分对烟叶质量有着重要影响[14，19]，因而成为烟草行业日常的检测指标，一般称作为“烟叶常规化学成分”。糖碱比和氮碱比作为评定烟叶化学成分协调的关键指标[20]也常常被应用于烟叶的质量评价中[8-10，15-16]。由于上述评价指标的适宜值及量纲不一致，因而模糊数学法成为解决这一问题的常用方法[9-10，15]。本文选择中部叶的总糖、还原糖、总植物碱、总氮、钾离子、氯离子含量以及糖碱比和氮碱比共8个指标进行评价。在前人[15-16]对上述指标适宜值规定的基础上，根据广东烟叶化学成分含量实际情况，适当调低总糖、还原糖以及总氮的上限最优值进行隶属函数赋值。经过对化学成分指标进行相关分析、主成分分析、聚类分析，所得出的定量分析结果与已有的定性结论相一致，对广东烟叶化学成分的分析评价结果与实际相符，说明化学成分指标的选择和适宜值范围规定具有合理性。

3.2  关于评价指标权重及化学成分可用性指数

烟叶化学成分可用性指数（CCUI）是烟叶化学成分各参评指标进行量化处理后加权平均得到的数值，可综合反映烟叶的化学成分可用性，使烟叶的化学成分可用性可量化比较，克服了单项量化不能全面比较烟叶化学成分的缺陷。各参评指标的权重反映了指标的重要程度，一般在多目标综合评价中权重的确定主要有专家打分法、主成分分析法、层次分析法和模糊综合评价法等方法[21]，而在计算权重的过程中，对出现负权系数现象，一般可采用线性平移[22]、取绝对值[23]、正向化[17]等方法，本文对总植物碱和总氮指标数据进行了正向化处理后采用主成分分析的方法确定各参评指标的权重，采用指数和法计算各样本的化学成分可用性指数，所得结果较客观地反映了烟叶化学成分可用性。

3.3  基于化学成分的分类

基于烟叶化学成分的分类，一方面可以了解烟叶化学成分各指标的优、劣势，便于生产和科研人员针对性采取措施扬长促短;另一方面可为工业企业的区域性采购提供参考。本文以象限图的形式指出广东烟区烟叶化学成分中分别需要高度关注、优先改进、无关紧要以及维持优势的指标，同时以聚类图的形式将广东烟区烟叶分为3类，结果显示同类都在相对同一的生态区域，这很可能是烟叶化学成分与生态条件密切相关所致[13]。

4  结  论

分析了2013—2017年度广东省8个主要烟区烟叶6种常规化学成分指标及2种衍生指标的区域性特征，发现广东省烟叶质量表现出总糖、还原糖、氯离子含量以及糖碱比相对较低，总植物碱和总氮含量相对较高，烟叶氯离子含量、糖碱比值变异较大，而总糖、还原糖及钾离子含量变异较小。南雄、始兴产区总植物碱和总氮含量相对偏低，其中总植物碱含量显著低于其他各产区，糖碱比和氮碱比相对较大，极显著大于其他各产区;连州产区钾离子含量最低，显著低于南雄、始兴、乐昌、蕉岭和大埔产区。同时，通过对8种参评指标采用适当的隶属度函数转换分析，现阶段需要高度关注烟叶总糖、还原糖和总氮含量，优先提升钾离子含量。按聚类分析结果显示，广东烟区烤烟中部叶可分为三类，第一类为蕉岭、五华、大埔产区，第二类为乐昌、连州、乳源产区，第三类为南雄、始兴产区。广东烟区烤烟85.00%中部叶化学成分可用性在中等及以上，产区之间无显著差异。

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