宣威高端原料区烟叶品质特征聚类分析

袁国庆，邓 涛，蔡宪杰，吴淑俊，陈 彪，刘云芳，王全贞，潘义宏

（1. 云南省烟草公司曲靖市公司，云南 曲靖 655000；2. 上海烟草集团有限责任公司，上海 200082；3. 西南林业大学化学工程学院，云南 昆明 650224；4. 云南五佳生物科技有限公司，云南 昆明 650106）

烟草是一种以收获叶片为主的经济作物，烟叶品质的好坏决定了卷烟制品的优劣[1]。烟叶品质受烟叶的外观质量、物理特性、化学成分协调性等多项因素综合作用的影响，各项质量指标的平衡协调程度决定了烟叶的工业使用价值[2]。同时烟叶原料也是支撑中式卷烟发展的基础，科学准确地评价烟叶原料有助于指导其合理生产和工业应用[3-4]。随着中式卷烟的发展，对烟叶原料的品质提出了更高的要求。宣威作为全国最大的县级烟区，每年为上海烟草集团、红云红河集团等主要卷烟企业提供约3万t的优质烟叶。近年来，宣威烟区致力于打造全国需求最旺烟区，以多年的烟叶收购经验，从全市22个烟叶站中初步确定了10个烟叶站的25个收购点所在烟区为高端烟叶原料产出区域，但该区域范围仍较大，每年为挑选高端烟叶原料投入大量的人力、物力。因此，在现有高端烟叶原料区域，通过对25个烟叶收购点海拔、地貌、土壤质地以及对应烟区的烟叶原料外观质量、物理特性和常规化学成分进行聚类分析，明确高端烟叶原料区域特色，并进一步聚焦或缩小高端烟叶产区的范围，为实现高端烟叶的定向生产和精准挑选提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

2020年在宣威市高端烟叶原料区（即初步确定的10个乡镇的25个烟叶收购点，详见表1）采集样品。每个收购点选取土壤肥力适中的2块地块，按C2F的标准分别采集1份烟叶样品，每份样品2 kg，合计50份烟叶样品，并在相对应的取样点采集植烟土壤样品，每个点的土样采集位置和海拔均用GPS定位，并调查地形地貌。

表1 各取样点所属乡镇

1.2 测定内容及方法

对50份烟叶原料的外观质量、物理特性、常规化学成分以及50个土壤样品进行检测分析。

1.2.1 烟叶常规化学成分的测定烟叶样品采用烘箱法（YC/T 31—1996）制备；检测项目包括烟叶总糖、氯离子、钾离子、还原糖、总氮和总植物碱6项指标，依据行业标准采用连续流动法进行检测。

1.2.2 烟叶外观质量评价包括烟叶的身份、颜色、色度、成熟度、油分和组织结构6项指标，依据GB2635—1992标准进行打分评价。

1.2.3 烟叶物理特性包括烟叶抗张力、厚度、平衡含水率、叶面密度和含梗率5项指标，依据GB/T12914—2008、GB/T451.3—2002和YC/T142—2010标准进行测定。

1.2.4 土壤质地分析土壤机械组成采用比重计法测定，并应用卡庆斯基土壤质地标准分类。

1.3 数据处理

采用Microsoft Excel 2010软件进行数据处理，采用SPSS 21.0软件Hierarchical cluster法进行聚类及统计分析。其中烟叶外观质量和物理特性的评价均参照《中国烟草种植区划》[5]，分别将烤烟外观质量和物理特性的各个指标赋以权重并采用指数和法计算，获得烟叶外观和物理特性的综合质量分类。烟叶常规化学成分含量采用模糊数学隶属函数建立数学模型进行评价，烟叶常规化学成分的综合指数（I）划分为5个等级，即：高（I≥0.75）、较高（0.65≤I＜0.75）、中（0.55≤ I＜0.65）、较低（0.45≤I＜0.55）和低（I＜0.45）[6]。

2 结果与分析

2.1 宣威高端烟叶产区海拔、地形及土壤质地分析

从表2可看出，烟叶原料产区地形地貌主要以山地和丘陵地为主，占比78%，也有部分坝区、河谷地、坡地，但分布较少，仅为22%；海拔高度在1771~ 2255 m范围，但主要集中在1979~2133 m范围；可见宣威高端烟叶产地以高海拔山地烟为主。在50个植烟土壤样品中，主要有黏土和壤土2种类型。黏土有12个，占比24%，其中轻黏土10个，中黏土2个；壤土38个，占比76%，其中轻壤土4个，中壤土10个，重壤土24个。

2.2 宣威高端烟叶原料品质特征分析

2.2.1 烟叶外观质量分析由图1可知，25个取样点烟叶外观质量被聚为3类。Ⅰ类为茨嘎一库点、迤毕点、阿浪点、新乐点、松林点、秧草点、务德二库点、马图点、龙潭点、石缸点、东屯点、宝山点和务德一库点，主要分布于宣威西南部，少量分布于东部和北部，涉及务德、西泽、热水、倘塘、落水、龙潭、宝山和板桥8个乡镇，平均海拔为2068.38 m。Ⅱ类为二九七点、新启点和虎场点，分布于宣威西北部及东部地区，涉及龙潭和宝山2个乡镇，平均海拔为2004.67 m。Ⅲ类为永安点、发宏点、中和点、西泽点、小箐点、三道点、马戛点、花山四线点和窑上点，主要分布于宣威南部和西南部地区，少量交叉分布在宣威东部和东北部地区，涉及板桥、倘塘、田坝、西泽、羊场、落水和热水7个乡镇，平均海拔为2031.50 m。3类取样点平均海拔高度在2004.67~2068.38 m之间，海拔差距较小，由高到低为Ⅰ类＞Ⅲ类＞Ⅱ类。

烟叶样品外观质量描述性统计结果如表3所示，3类取样点烟叶外观质量综合得分由高到低为Ⅰ类（0.74）＞Ⅲ类（0.72）＞Ⅱ类（0.70），彼此之间差距较小。各项质量指标的变异系数均小于10%，属弱变异，离散程度小，说明被聚类的3类烟区烟叶外观质量较稳定，表现为烟叶颜色橘黄、成熟度完熟、结构尚疏松、身份中等、油分足、色度强。从地域分布来看，以务德镇、板桥镇为代表的宣威西至南部烟区高端烟叶外观质量表现较好。

表3 宣威高端烟叶产区烟叶外观质量描述性统计

2.2.2 烟叶物理特性分析将同一烟叶收购点2个烟叶样品物理特性综合得分平均后进行聚类，结果如图2所示，25个取样点烟叶物理特性被聚为3类。第Ⅰ类为马图点、小箐点、虎场点、中和点、二九七点、永安点、新启点、窑上点、宝山点、迤烟点、秧草点、马戛点、东屯点、务德二库点、西泽点、三道点、新乐点、务德一库点、发宏点、石缸点和松林点，该类烟区广泛分布在10个乡镇，主要集中于宣威西南部，平均海拔为2049.19 m。第Ⅱ类为花山四线点、龙潭点和阿浪点，零星分布于宣威西北部和西南部地区，涉及板桥、龙潭和热水3个乡镇，平均海拔为 1989.50 m。茨嘎一库点单独聚为第Ⅲ类，位于宣威西部高海拔山地烟区，属于务德镇，海拔为2185.00 m。3类取样点平均海拔高度在1989.50~2185.00 m之间，由高到低排序为Ⅲ类＞Ⅰ类＞Ⅱ类，海拔差距较小。

图2 宣威高端烟叶产区烟叶物理特性聚类分析

烟叶样品物理特性描述性统计结果如表4所示，3类取样点烟叶物理特性综合得分由高到低为Ⅱ类（0.81）＞Ⅲ类（0.80）＞Ⅰ类（0.75），综合得分变异系数均小于10%，属弱变异。《中国烟草种植区划》[5]规定含梗率以小于22%最优，叶面密度以75~80 g/cm2最优，抗张力以1.8~2.0 N最优，平衡含水率以大于13.5%最优。从各项指标来看，3类烟叶含梗率在31.48%~34.74%之间，均偏高；抗张力在1.11~1.51 N之间，均低于最优标准，Ⅱ类烟叶较适宜；平衡含水率在12.84%~14.49%之间，较适宜。Ⅰ类烟叶主要特征表现为叶面密度偏低，Ⅱ类烟叶主要特征表现为各项指标与优质烟叶标准差距较小，综合得分最高，Ⅲ类烟叶主要特征表现为叶面密度及平衡含水率较优，但抗张力较小。总体上，各产区烟叶含梗率、叶面密度、抗张力及抗张强度存在一定程度的波动，烟叶物理特性综合得分与其变异系数呈一定的正相关。从地域分布来看，以热水镇、务德镇和板桥镇为代表的宣威西部至南部烟区以及以龙潭镇为代表的西北部烟区高端烟叶物理特性表现较好。

表4 宣威高端烟叶产区烟叶物理特性描述性统计

2.2.3 烟叶常规化学成分分析将同一烟叶收购点2个烟叶样品化学成分综合得分平均后进行聚类，结果如图3所示，25个取样点烟叶常规化学成分被聚为3类。第Ⅰ类为松林点、西泽点、东屯点、新乐点、花山四线点、马戛点、三道点、永安点、中和点、龙潭点、新启点、二九七点、发宏点和虎场点，主要分布于宣威北至西北部一线以及西南部地区，涉及倘塘、西泽、板桥、落水、田坝、龙潭和宝山7个乡镇，平均海拔为2016.93 m。马图烟点单独聚为第Ⅱ类，位于宣威西南部，属于落水镇，海拔为2135 m。第Ⅲ类为小箐点、务德一库点、茨嘎一库点、阿浪点、宝山点、务德二库点、秧草点、石缸点、窑上点和迤毕点，主要分布于宣威西南部，少量分布于东至东南部一线，涉及羊场、务德、热水、宝山、板桥和西泽6个乡镇，平均海拔为2081.45 m。3类取样点平均海拔高度在 2016.93-~2135 m之间，由高到低排序为Ⅱ类＞Ⅲ类＞ Ⅰ类，海拔差距较小。

图3 宣威高端烟叶产区烟叶常规化学成分聚类分析

烟叶常规化学成分描述性统计结果（表5）显示，3类取样点烟叶常规化学成分综合得分由高到低为Ⅱ类（0.73）＞Ⅰ类（0.64）＞Ⅲ类（0.54）。一般认为优质烤烟总糖含量为19%~28%，还原糖含量16%~25%，总氮含量在1.5%~2.5%之间，钾含量在1.5%以上，氯含量小于0.6%，上部烟叶烟碱含量在2.7%~3.7%之间，中部烟叶烟碱在2.1%~2.9%之间，下部烟叶烟碱 1.5%~2.2%之间，糖碱比在8~10，氮碱比在1附近，钾氯比应大于4[7]。从各项化学指标来看，3类烟叶总氮、氮碱比、钾氯比均符合优质烟叶需求，Ⅰ类烟叶化学成分特征主要表现为总糖含量适宜、还原糖含量及糖碱比偏低；Ⅱ类烟叶总糖含量略高，还原糖含量及糖碱比偏低；Ⅲ类烟叶总糖含量偏高，还原糖含量适宜，总植物碱含量较低，糖碱比偏高。可见3类烟叶的差异主要表现在糖类、碱类含量的差异。总体来说，Ⅱ类烟叶表现相对较好且变异系数极小，Ⅰ类、Ⅲ类烟叶的各项化学成分指标及综合得分变异系数均大于10%，属中等变异。Ⅰ类烟叶尤以氯离子含量、糖碱比、氮碱比、钾氯比波动程度较大，其中，氯离子含量变异系数达83.71%。Ⅲ类烟叶以总植物碱含量、氯离子含量、糖碱比、钾氯比波动较大，其中，氯离子含量变异系数达42.66%。从变异系数和综合得分来看，两者间存在一定的正相关。从地域分布来看，以落水镇为代表的烟区高端烟叶化学成分表现最优。

表5 宣威高端烟叶产区烟叶常规化学成分描述性统计

3 讨论

卷烟产品质量是否稳定在很大程度上是由烟叶质量的稳定性决定的，而对于产区来说，烟叶市场竞争力取决于产区烟叶供应能力的持续性以及烟叶品质及其稳定性[8-9]。通常以烟叶外观质量、物理特性、常规化学成分协调性等指标来定性或定量描述烟叶品质，品质指标的稳定性与气候、环境的变化以及种植技术、操作规范化程度都密切相关。烟叶烘烤外观质量即烟叶外在的特征特性，是指人们感官可以做出判断的质量方面[10-11]。烟叶外观质量是烟叶最终分级的重要依据，是产区收购烟叶过程中判断烟叶质量的重要参数。依据这一参数划定的高端烟区，故要求烟区烟叶外观质量表现稳定。宣威高端烟区烟叶外观质量分析结果显示，产区烟叶颜色橘黄、成熟度完熟、结构尚疏松、身份中等、油分足、色度强，整体质量较好，且不同区域间烟叶外观质量波动小，较为稳定。潘义宏等[12]研究表明，烟叶外观质量中的叶片结构、身份、颜色和成熟度等指标对烟叶感官质量有较大影响。沈利臣等[13]认为可在一定程度上通过烟叶外观质量来预判其感官质量。因此外观质量的稳定性保证了卷烟风格的稳定性。

烟叶的物理特性与加工性能、可用性和烟气组分密切相关[14]。吴祚友等[15]认为烟叶物理指标与打叶复烤时烟叶的大片率、中片率、粗梗率显著相关。宣威高端原料区烟叶物理特性分析结果显示，产区烟叶物理特性整体质量尚属稳定，但叶面密度、抗张力等指标变异较大。叶面密度反映了烟叶的发育状况，与烟叶填充值直接相关[16]，原料区3类烟叶叶面密度存在明显区别，仅Ⅲ类烟叶达到优质烟叶需求，Ⅰ类烟叶最低，叶面密度偏低也是导致Ⅰ类烟叶综合得分最低的直接原因。抗张力反映了烟叶弹性，同含梗率一起影响其加工性能，但原料区烟叶含梗率普遍偏高，制约了高端烟叶原料的发展。据《中国烟草种植区划》中物理特性指标赋值方法规定：烟叶平衡含水率以高于13.5%为最好，产区烟叶含水率在12.84%~14.49%之间，得分在8.0以上，表明烟叶吸湿性较好，利于提高烟叶加工品质。

化学成分是形成烟叶风格及品质的物质基础，同时与外观质量、物理特性及感官评吸质量均密切相 关[17-20]。宣威高端原料区烟叶化学成分分析结果显示，不同产区间烟叶化学成分差异较大，通过聚类分析将原料区分为3类烟叶，Ⅰ类、Ⅱ类烟叶质量处于“中”至“较高”水平，Ⅲ类烟叶质量处于“较低”水平，主要表现在糖类、碱类物质含量上的差异，原料区烟叶的氯离子含量、糖碱比、氮碱比、钾氯比等指标变异较大，烟叶质量欠稳定。此外，烟叶物理特性、化学成分综合得分与其变异系数呈现一定的正相关，说明质量的稳定性是评价烟区烟叶品质的重要特征。由于生态环境及烟农耕作水平的差异导致烟叶质量存在波动，因此，有必要在高端原料区开展针对性定向技术研究，将粗放化的生产管理转向标准化的生产管理，使烟区烟叶质量进一步提高。

4 结论

研究结果表明，宣威高端烟叶原料区地形以高海拔（1771~2255 m）山地、丘陵为主，土壤质地以壤土为主；所产烟叶外观质量、物理特性整体较优且相对稳定，但烟叶叶面密度、抗张力及抗张强度存在一定波动，部分产区烟叶叶面密度较低、含梗率偏高；原料区烟叶化学成分整体质量波动较大，不同区域间烟叶质量欠均衡，尤以氯离子含量、糖碱比、氮碱比、钾氯比等指标变异较大。综合外观质量、物理特性及常规化学成分，从10个乡镇中筛选出务德镇、板桥镇、热水镇、龙潭镇、落水镇作为宣威高端烟叶原料基地。可将5个乡镇作为示范区，为同类生态条件下烟区的生产管理提供借鉴。同时对该区域生态条件、栽培措施、烘烤工艺等进行定向研究，为高端烟叶定向生产打下基础。