烟叶中微量元素差异及其与外观品质关联分析

2021-03-24周红审李少鹏陈海清王爱国郭建华宋纪真

烟草科技 2021年3期

王林，周红审，王昊，周平，李少鹏，陈海清，王爱国，郭建华*，宋纪真

1. 湖北中烟工业有限责任公司，武汉市东西湖区金山大道1355 号黄鹤楼科技园 430000 2. 江苏中烟工业有限责任公司，南京市建邺区兴隆大街29 号 210000 3. 中国烟草总公司郑州烟草研究院，郑州高新技术产业开发区枫杨街2 号 450001

外观质量是烟叶质量的重要组成部分，是烟叶生产、收购以及调拨的主要参考依据［1］。烟叶外观质量与内在成分密切相关，是烟叶化学成分的综合表现［2］。探究烟叶外观质量与化学成分间的关联有助于剖析外观质量形成的物质基础，为调节生产措施、改善烟叶质量提供依据。

中微量元素是植物必不可少的营养元素，在植物的光合作用、能量代谢和蛋白质合成等方面起着重要作用［3-6］。它们的缺失不仅会造成烟叶内在化学成分失调、可用性降低，还会影响烤烟品质。戴彬等［7］研究发现烟叶中微量元素含量与化学成分存在显著相关关系，可以通过调节烟叶中的Mn、Cu、Zn 和Ca 含量以缓解湖南烟区烟叶糖碱比偏低的状况，从而提高烟叶可用性。郭建华等［8］分析了烟叶中微量元素含量与物理特性指标的相关关系，发现烟叶中Fe、Ca 和Mg 含量越高，则烟叶越厚，叶片越紧密，并且过高的Ca 含量会降低烟叶的吸湿性能。戴华鑫等［9］探讨了烟叶部分中微量元素含量和评吸指标的相关性，发现Ca、Mg、Fe 含量对评吸质量影响较大。目前，中微量元素与烟叶质量关系的研究主要集中在烟叶化学指标、物理特性和吸食品质等方面，而对中微量元素与外观质量关系的研究较少。为此，对比分析了我国主要植烟区烟叶中微量元素含量，并探讨其与外观质量的相关性，以期为提高烟叶外观品质提供参考。

1 材料与方法

1.1 样品采集

采集福建、贵州、河南、湖南、四川、云南6 个主要植烟省份C3F 等级烤烟烟叶样品，每个省份选择收购量大于5 万担的植烟县进行取样，2017及2018 年连续采集2 年，共采集264 个样品，其中福建24 个，贵州44 个，河南24 个，湖南40 个，四川40 个，云南92 个。各省份采样比例大致与烟叶种植面积相匹配。

1.2 样品分析

1.2.1 中微量元素测定

烤烟中Mn、Fe、Cu、Zn、Ca 和Mg 6 种元素含量采用微波消解-原子吸收火焰分光光度法测定［10］。

1.2.2 烟叶外观质量鉴定

由烟叶分级高级技师组成的专家组对烟叶颜色、成熟度、叶片结构、身份、油分和色度6 项指标进行定性和定量分析［11］，并采用中国烟草种植区划［12］确定的指标权重计算烟叶外观质量总分。

1.3 数据分析

采用SPSS 19.0 软件对数据进行统计分析，用单因素法方差分析和Duncan’s 新复极差法比较检验显著性差异，用Pearson 相关系数双侧检验相关性。采用DPS 9.50 软件将烟叶外观质量总分与中微量元素进行灰色关联度分析。

表1 烟叶中6 种中微量元素含量描述性统计Tab.1 Descriptive statistics of contents of six medium to trace elements in tobacco leaves

2 结果与分析

2.1 主产地烟叶中微量元素含量及外观质量

主要植烟区域烟叶中微量元素含量描述性统计分析见表1。各元素含量范围Mn 为14.24～452.10 mg/kg，Fe 为46.62～613.98 mg/kg，Cu 为1.13～72.79 mg/kg，Zn 为6.32～123.09 mg/kg，Ca 为6.14～48.44 g/kg，Mg 为0.88～7.27 g/kg。6 种元素变异系数在31.03%～85.05%之间，Cu变异系数最大，表明样本间差异较大，有必要进一步分析不同产地烟叶中微量元素差异。各元素偏度系数和峰度系数均为正，表明数据多在均值左侧，数据较为集中。

主要植烟区域烟叶外观指标分值描述性统计分析结果见表2。由表2 可见，颜色、成熟度、叶片结构、身份、油分和色度得分均值分别为8.14、8.07、7.95、7.53、6.06 和5.63 分。各外观指标变异系数在3.63%～11.78%之间，多数指标变幅较小，油分变幅略大于其余指标。除色度之外，其余外观指标偏度系数均为负，峰度系数均为正，表明数据多在均值右侧，数据较为集中。

表2 烟叶外观质量指标分值描述性统计Tab.2 Descriptive statistics of leaf appearance quality indexes

图1 烟叶中6 种中微量元素含量分布Fig.1 Content distributions of six medium to trace elements in tobacco leaves

2.2 不同产地烟叶中微量元素含量分布

参照打顶时第10 片的烟叶营养元素含量丰缺评价标准［13］，对烤烟C3F 等级烟叶中微量元素进行划分，以明确主产地烟叶中微量元素含量的分布状况。由图1 可见，仅有6.88%的主产地烟叶Mn 含量低于40 mg/kg，Mn 含量在40～150 mg/kg之间和大于150 mg/kg 的样品分别占52.24%和40.58%，多数样品Mn 含量处于适宜范围。主产地烟叶Fe 含量均低于800 mg/kg，67.75%的样品Fe含量在50～200 mg/kg 之间。Cu 含量小于3 mg/kg和大于20 mg/kg 的样品比例仅为10.87% 和5.43%，63.77%的烟叶Cu 含量在5～20 mg/kg 之间。烟叶Zn 含量在20～30 mg/kg 和30～60 mg/kg的样品分别占32.61%和40.94%。65.94%的烟叶Ca 含量在15～25 g/kg 之间，Ca 含量小于12 g/kg、12～15 g/kg 和高于25 g/kg 的样品比例相当。92.75%的烟叶Mg 含量小于5 g/kg，Mg 含量在2～3 g/kg和3～5 g/kg之间的样品占比接近，均约为35%。

2.3 不同产地烟叶中微量元素含量差异

由表3 可见，6 个主要产地烟叶中微量元素间存在显著差异。福建、贵州产地烟叶Mn 含量较高，显著高于云南、湖南和河南产地烟叶，河南产地烟叶Mn 含量不足福建或贵州烟叶的60%。Fe含量以河南产地烟叶最高，平均达265.52 mg/kg，极显著高于其余产地烟叶；云南产地烟叶Fe 含量次之，显著高于福建与贵州烟叶，但与湖南和四川产地的烟叶无显著差异。烟叶Cu 含量以河南相对较高，显著高于福建、湖南和四川产地烟叶，但与贵州和云南产地烟叶无显著差异。烟叶Zn 含量呈福建＞湖南、贵州、四川、云南＞河南的趋势，福建产地烟叶Zn 含量约为河南产地的3.8 倍，差异显著。戴华鑫等［9］从烟草种植区尺度分析认为东南烟区烟叶Ca 含量显著低于其余烟区，本研究中发现烟叶Ca 含量呈河南＞贵州、云南、湖南＞四川＞福建的趋势，福建烟叶Ca 含量仅为河南烟叶的35%，显著偏低，但同处于东南烟区的湖南烟叶Ca 含量则显著高于福建，与云南和贵州烟叶接近，表明同一烟草种植区烟叶中微量元素含量也可能存在较大差异。烟叶Mg 含量呈河南＞四川、云南、贵州＞福建、湖南的趋势，河南产地烟叶Mg含量约为四川、云南或贵州三地烟叶的1.2 倍，为福建或湖南烟叶的1.7 倍左右。整体看来，烟叶中微量元素含量存在一定地域差异，河南、福建烟叶中微量元素含量与其余产地差异较大。

表3 不同产地烟叶6 种中微量元素含量差异Tab.3 Contents of six medium to trace elements in tobacco leaves from different producing areas

2.4 不同产地烟叶外观质量差异

由表4 可见，四川和贵州烟叶颜色分值显著高于其余产地，福建烟叶颜色分值显著偏低，其原因为福建产区烟叶类胡萝卜素含量显著偏低，导致烟叶颜色普遍偏深，叶面隐含暗红色［14］。河南产地烟叶成熟度分值显著低于四川和贵州产地烟叶。云南、四川、湖南和河南4 地烟叶身份分值平均在7.6～7.8 分之间，福建烟叶身份分值显著偏低与该产地烟叶叶面密度较低有关［15］。四川烟叶油分较足，油分分值显著高于其余产地烟叶。整体而言，福建和四川两地烟叶外观质量与其余产地烟叶差异略大，四川产地烟叶颜色、成熟度、身份、油分和色度分值均较高，外观质量显著高于其余产地，福建烟叶大多数外观指标分值偏低。

表4 不同产地烟叶外观质量差异Tab.4 Appearance qualities of tobacco leaves from different producing areas (分)

2.5 烟叶中微量元素含量与外观指标间的相关性

烟叶外观质量与内在化学成分之间关系密切，外观质量是其物质基础即烟叶化学成分在外观特征上的表现［2，16］，如表5 所示，Mn 含量与烟叶身份分值呈显著负相关关系，与叶片结构呈极显著正相关关系。Fe 含量与各外观指标间均存在负相关关系，仅与油分间呈显著负相关关系。Cu 含量与烟叶外观质量关系密切，与颜色、成熟度、叶片结构和色度间均存在显著或极显著的负相关关系。Zn 含量与颜色呈显著负相关关系。Ca 和Mg含量与油分间均呈极显著负相关关系。6 种中微量元素含量与外观质量总分间均无明显相关性。

表5 6 种中微量元素与烟叶外观质量相关性①Tab.5 Correlations between six medium to trace elements and appearance quality of tobacco leaves

2.6 烟叶中微量元素含量与外观指标间的灰色关联分析

将6 种元素含量和烟叶外观质量总分进行关联分析，计算序列间的关联系数。灰色关联分析的基本思想是根据曲线几何形状的相似程度来判别其联系是否紧密，曲线越接近，相应序列之间关联度就越大；反之关联度则越小［17］。Cu 与外观质量的关联系数大于0.9，Fe、Zn、Ca 的关联系数在0.80～0.85 之间。根据关联系数（表6）排序，各元素对外观质量的关联程度依次为Cu＞Zn＞Fe＞Ca＞Mn＞Mg。可见，Cu 含量对外观质量影响最大，其次是Zn、Fe、Ca，Mg 对外观质量影响相对较小。

综合看来，Cu、Zn 与多数外观指标间存在一定的负相关，与颜色的相关关系达到显著水平，且这两种元素与外观质量之间的灰色关联度更高，因此，烟叶生产过程中应注意Cu、Zn 的合理施用，以提升烟叶品质。

表6 6 种中微量元素与外观质量的灰色关联分析Tab.6 Grey correlation analysis between six medium totrace elements and leaf appearance quality

3 讨论

我国6 个主要烤烟产地烟叶Mn、Fe、Cu、Zn、Ca 和Mg 含量分别集中在40～150 mg/kg、50～200 mg/kg、5～20 mg/kg、20～60 mg/kg、15～25 g/kg 和2～5 g/kg 之间。烟叶中微量元素含量存在一定的区域差异，河南产地烟叶Mn、Zn 含量偏低，Fe、Cu、Ca 含量较高；福建产地烟叶Mn、Zn 含量偏高，Fe、Cu、Ca 含量偏低；云南、贵州、四川3 地烟叶中微量元素含量接近。

现有研究对于烟叶中微量元素的适宜含量报道不一，有研究［18-19］认为烟叶Mn 的含量在140～700 mg/kg 之间、Zn 的含量在51～84 mg/kg 之间较为适宜，对比该范围，河南烟叶Mn、Zn 整体偏低。烟叶的成熟度体现为内含物质的转化及协调程度，叶片结构体现为烟叶细胞排列的疏密程度［15，20］。有研究认为以河南为典型产地的黄淮烟草种植区烟叶成熟度一般，叶片结构趋紧，本研究中也发现河南产地烟叶成熟度和叶片结构分值偏低。Zn 具有多种植物生理功能，但主要功能是对蛋白质和碳水化合物的合成起主要作用［21］。已有研究证实，在缺Zn 条件下植物发育不良，即使恢复Zn 的供给也会延迟成熟，并导致产量下降［22］，这可能是导致河南产地初烤烟叶成熟度欠佳的原因之一。

Cu 和Ca 是烟株生长发育和品质形成必需的元素，Cu 在植物光合、呼吸、抗氧化、细胞壁代谢以及激素反应中起着重要作用［23］。Cu 含量与烟叶香气质、杂气和余味等吸食品质呈显著负相关关系［9，24］，与烟叶叶片厚度和含梗率呈显著负相关关系，与烟叶拉力呈显著正相关关系［8］。Ca 是细胞壁结构的基本成分，以往研究［8，25］表明Ca 含量高的烟叶偏厚且填充性能和吸湿性能差。本研究中发现，相比其他5 种中微量元素，Cu 含量对烟叶外观质量影响最大，与颜色、成熟度、叶片结构和色度间均存在显著或极显著的负相关关系。本研究中还发现Zn 含量与颜色分值间存在显著的负相关关系。福建产地烟叶Cu、Ca 含量显著低于其余产区，而Zn 含量显著高于其余产区，这也许是该产地烟叶外观质量提升的限制因素，烟叶生产过程中应重点关注Cu、Ca、Zn 的合理配施。

烟叶外观质量是烟叶分级和收购的重要依据，在烟叶生产和质量评价中具有重要作用。颜色是烟叶分级的重要因素，也是烟叶外观质量评价的主要指标，对外观质量的贡献高于其余指标［12］。本研究中发现，6 种中微量元素与外观质量灰色关联度排序为Cu＞Zn＞Fe＞Ca＞Mn＞Mg，Cu、Zn 含量对烟叶外观质量的影响最大，这主要是因为Cu、Zn 与烟叶的颜色密切相关。多酚氧化酶（PPO）是烟叶中非常重要的一种酶，它是一种含铜的金属酶，Cu2+在PPO 发挥作用的活性中心，该类酶在组织发育过程中形成，并贮存于叶绿体中，烟草中的PPO 在调制过程中能催化氧化多酚类化合物，形成深棕色醌类聚合物，影响烟叶的外观质量［26］。已有研究认为金属离子对PPO 的活性会产生一定影响，肖厚荣等［27］、姬懿珊等［28］研究均发现Cu2+对PPO 活性具有双向作用，低浓度的Cu2+对PPO 酶活性有提高作用，高浓度的Cu2+则对PPO具有抑制作用。林庆同等［29］研究认为Zn2+对PPO酶活力的影响大于Fe3+、Mn2+等离子。此外，铜对叶绿素的形成也有直接关系。植物中高达70%的铜集中在叶绿素中，铜可以保持叶绿素的稳定［30］。现有研究还认为一定浓度范围的硫酸铜可使烟叶成熟均匀，增加烟叶身份［25］。本文中的中微量元素与烟叶外观指标的相关分析结果也表明，Cu、Zn 两种元素含量与颜色指标分值间存在显著的负相关关系，而其他元素与颜色指标间则不存在显著相关关系。同时，Cu 含量与成熟度指标分值间也存在极显著的相关关系，而成熟度指标也是烟叶分级的重要参考因子之一，对外观质量的贡献度仅次于颜色指标［12］，这些结论均证实了Cu、Zn 两种元素对烟叶外观质量的重要作用。