国内外部分雪茄烟叶主要化学成分比较及聚类分析

耿召良　高华军　李方友　林北森　颜统晶　顾金刚　蔡斌

关键词：雪茄烟叶；化学成分；质量差异；聚类分析

中图分类号：S572 文献标识码：A

雪茄烟的传统概念是指全部用雪茄烟叶卷制而成的烟制品，具有香气浓郁、吸味丰满、烟气碱性、焦油与烟碱比值小等特点，具有独特的风格特征[1]。雪茄的使用最早可以追朔到美洲的土著人，在哥伦布发现新大陆后，经欧洲传播到世界各地[2]。典型的手卷雪茄是由位于雪茄中心的茄芯（filler）、中层的茄套（binder）和最外层茄衣（wrapper）组成[3]，因其具有特殊的雪茄烟吸味和香气，兼具高烟碱和低焦油等特点，近年来被越来越多的消费者所接受[4]。随着消费水平的提高，我国已慢慢形成了日益庞大的雪茄消费市场，中高端雪茄的销量增速则更为迅猛。目前国外雪茄烟原料主要生产区域集中在加勒比海地区、巴西、美国、印尼等[5-6]。雪茄是全部用烟叶构成的吸用烟卷，与传统卷烟相比，雪茄烟对原料的依赖性更强。由于种植历史较短、研究程度尚浅，国产雪茄烟叶的质量离国外优质产区还有一定差距，在很大程度上限制了我国雪茄产业的发展[7]。

雪茄烟叶的生长对温度、降雨量、土壤和栽培技术的要求较高，世界上可以种植优质烟叶的地区非常有限，古巴、多米尼加、厄瓜多尔等国外优质雪茄烟叶产区基本均为热带雨林或热带季风气候。目前，中国的雪茄主产区主要集中在海南、云南、四川、湖北等地，其中海南是拥有国内唯一热带季风性气候的海岛，海南产雪茄烟叶的风味浓度为国内最高，是具有较大潜力的优质雪茄烟叶产区[6-7]。因多种因素，国产雪茄茄衣和茄芯原料在组织结构、油分、燃烧性和香气等方面尚存在一定问题。国产优质雪茄原料的不足已经成为中式雪茄发展的“卡脖子”问题，生产优质、好用的雪茄烟原料，是中式雪茄发展的重要方向和内容[8]。烟叶原料的化学物质基础与产品风格、香气质量之间关系密切，雪茄烟所表现出的特殊风格和香味也是雪茄烟叶中多种化学物质相互作用的结果[9-11]。现阶段国内对雪茄的研究主要集中在雪茄烟叶的品种、栽培、采收、晾制、发酵等领域，鲜见不同产区烟叶化学成分比较的研究。为探究国内外雪茄烟叶的内在质量差异，对来自国内外代表性产区部分雪茄烟叶的主要化学成分、香气成分等进行了检测对比和聚类分析，以期为国产优质雪茄烟叶的发展和研究方向提供技术支撑。

1 材料与方法

1.1 材料

雪茄烟叶样品来自美洲（多米尼加、巴西）、东南亚（印尼）、中国（海南、四川、湖北、云南）等产区，为各个产区主栽品种2017—2019 年发酵后的芯叶烟中部叶样品共30 个，其中中国海南产区10 个，中国四川、湖北、云南产区各3 个，印尼产区3 个，巴西产区3 个，多米尼加产区5 个。

1.2 方法

烟叶总糖和还原糖、总氮、总生物碱、钾和氯分别采用YC/T 159—2002、YC/T 161—2002、YC/T 468—2021、YCT 217—2007、YC/T 162—2002 的方法测定；游离氨基酸采用YC/T 282—2009 的方法测定；5 种主要生物碱、果胶、香气成分含量检测参照文献[12-14]测定。

1.3 数据处理

利用Excel 2003 软件整理原始数据，利用SPSS 22 软件进行一般统计分析、方差分析和聚类分析，其中聚类分析采用系统聚类方法。

2 结果与分析

2.1 国内外部分雪茄烟叶常规化学成分分析

烟草品质的优劣，主要取决于烟叶中各种化学成分的含量和比例。其中，糖类作为烟草光合作用的主要產物，是烟草生长发育及合成蛋白质、核酸和脂类等物质的基础，对烟叶外观品质和感官质量有显著影响[15]。由表1 可知，不同烟叶样品的总生物碱、还原糖、总糖、氯、钾、淀粉和果胶含量均存在广泛变异，总氮和蛋白质变异系数较小。检测数据表明，国内外不同产区雪茄烟叶样品中的常规化学成分含量总体较协调，总糖和还原糖在所有样品中的含量均较低，还原糖为0.03%～0.42%，总糖为0.24%～0.86%，体现了雪茄烟叶的显著特点。但不同产区雪茄烟叶的还原糖、总糖、果胶等指标有显著性差异，其中海南产区和国外产区烟叶果胶含量均值分别极显著和显著高于国内其他产区，而海南与国外产区无显著性差异。国内其他产区烟叶还原糖、总糖含量均值分别为0.21%、0.56%，均显著高于国外产区雪茄烟叶的0.09%、0.38%，但中国海南产区与国外产区、国内其他产区不存在显著性差异。烟草中钾、氯含量影响燃烧性，但所有样品的钾氯比适宜，说明烟叶均具有较好的燃烧性。

2.2 国内外雪茄烟叶主要生物碱含量分析

生物碱是烟草中最重要的含氮化合物，除少量以游离态存在外，多数是与无机酸或有机酸结合成盐，少数以糖苷、酯或酰胺的状态存在，对烟草内在品质有十分重要的影响[16-17]。烟碱及组成同样会影响雪茄烟叶的生理强度、香气吃味及产品安全性[18]。在烟碱组成中，麦斯明和酰化降烟碱的产生可直接改变烟叶和烟气化学成分的组成和含量，对烟叶的香味品质产生不利影响[19-20]。由表2 可知，不同烟叶样品的烟碱含量普遍偏高，为3.65～40.02 mg/g，烟碱和微量生物碱含量均存在广泛变异。对比烟叶中的生物碱含量，除烟碱外的生物碱含量均值排序为国内其他产区>海南产区>国外产区。5 种生物碱中，麦斯明和新烟草碱含量在不同烟叶中有显著性差异，其中海南产区雪茄烟叶的麦斯明含量均值为87.38 μg/g，显著高于国外产区的55.99 μg/g；海南产区和国外产区雪茄烟叶的新烟草碱含量均值分别达583.21 μg/g和535.63 μg/g，与国内其他产区对比分别达到显著和极显著水平。

2.3 国内外雪茄烟叶氨基酸含量分析

氨基酸是构成蛋白质的基本单位，与植物的氮代谢、衰老过程以及抵御外界不良环境的影响密切相关[21]。烟草中游离态氨基酸的数量和种类随品种、生长发育以及调制方式的不同而不同[22]。同时，氨基酸与烟草的香气吃味关系密切，适量的氨基酸有助于提高烟气的劲头和丰满度，过量则会增加刺激性和苦味[23]。在烟草的调制、醇化和加热、燃烧过程中，氨基酸可与还原糖发生美拉德反应而产生多种香味成分，在去除烟草杂气的同时，赋予特有香气，对烟叶香味品质有重要影响[24]。由表3 可知，不同雪茄烟叶样品的游离氨基酸含量和总量均存在广泛变异。对比国内外雪茄烟叶中常见游离氨基酸含量，除谷氨酸外，其他游离氨基酸含量无显著性差异。海南产区、国外产区和国内其他产区烟叶的谷氨酸含量均值分别为0.021%、0.044%和0.098%，国内其他产区雪茄烟叶的谷氨酸含量极显著高于海南和国外产区烟叶。

2.4 国内外雪茄烟叶非挥发性有机酸含量分析

有机酸广泛存在于烟草中， 含量约为10%～16%，其中二元和三元羧酸约占烤烟总羧酸含量的70%～90%；特别是苹果酸在烤烟和香料烟中含量较多，其次是草酸，而柠檬酸在白肋烟中含量较多[9， 25]。虽然这些多元有机酸没有明显的香气，但它们具有减轻烟气刺激性、使烟草吸味醇和、增加烟气浓度的作用[26]。由表4 可知，不同烟叶样品的非挥发性有机酸的含量存在广泛变异。海南产区雪茄烟叶非挥发性有机酸的总含量均值为96.99 mg/g，低于国内其他产区和国外产区的124.67 mg/g 和128.23 mg/g；丙二酸、亚油酸和亚麻酸含量在不同烟叶中有显著性差异。其中，海南和国内其他产区雪茄烟叶丙二酸含量均值分别为2.76 mg/g 和2.72 mg/g，均显著高于国外产区的均值2.02 mg/g。海南产区和国外产区雪茄烟叶亚油酸含量均值分别为0.28 mg/g 和0.30 mg/g，极显著低于国内其他产区的均值0.63 mg/g；海南产区和国外产区雪茄烟叶亚麻酸含量均值分别为0.28 mg/g 和0.39 mg/g，极显著低于国内其他产区的均值0.75 mg/g；海南产区和国外产区雪茄烟叶的亚油酸、亚麻酸含量均值无显著性差异。

2.5 国内外雪茄烟叶致香物质含量分析

2.5.1 叶绿素降解产物含量统计分析 叶绿素是植物进行碳氮代谢的基础，对植物的生长发育和品质形成具有重要作用。在烟叶的成熟和调制过程中，叶绿素降解形成叶绿醇，叶绿醇进一步脱水形成新植二烯和植物呋喃等产物，这是烟叶颜色和香气物质形成的基础[27]。新植二烯是决定烟草中挥发性香气成分总量的关键致香物质，可占烟叶挥发性香味物质总量的85%以上，在烟草燃烧时可直接进入烟气，具有减少刺激性、醇和烟气的作用[28-29]。茄酮是烟叶致香物质中西柏烷类降解产物的代表指标[30，36]。由表5 可知，不同烟叶样品的2 种叶绿素降解产物新植二烯和叶绿醇含量均存在广泛变异。海南、国内其他产区和国外产区雪茄烟叶叶绿素降解产物总量均值分别为508.27、419.21、379.92 μg/kg，海南产区的总含量最高，显著高于国外产区。海南、国内其他产区和国外产区雪茄烟叶新植二烯含量均值分别为407.35、310.37、269.48 μg/kg，海南产区含量均值极显著高于国外产区。

2.5.2 类胡萝卜素降解产物含量统计分析 类胡萝卜素是植物进行光合作用时吸收光能和防止光氧化的主要质体色素，具有提高光合效率、抑制和清除自由基的作用。在烟叶的调制和醇化等过程中，类胡萝卜素类物质因双键断裂的部位不同，可产生如大马酮、紫罗兰酮、二氢猕猴桃内酯等致香物质，对烟叶香气贡献率较大[27-28]。由表6 可知，不同烟叶样品的类胡萝卜素降解产物含量均存在广泛变异。其中，异佛尔酮、β-环柠檬醛、β-紫罗兰酮、二氢猕猴桃内酯和5，6-环氧紫罗兰酮含量均值无显著性差异。海南产区雪茄烟叶巨豆三烯酮系列产物、β-二氢大马酮、β-大马酮的含量均值均极显著低于国内其他产区，但与国外产区则无显著性差异。中国海南产区雪茄烟叶的香叶基丙酮、法尼基丙酮含量均值显著或极显著高于国外产区和国内其他产区，但国内其他产区和国外产区则无显著性差异。国内产区雪茄烟叶异戊醇含量均值均显著或极显著高于国外产区。中国海南产区和国外产区雪茄烟叶芳樟醇含量均值均显著低于国内其他3 个产区，但中国海南和国外产区无显著性差异。

2.5.3 非酶棕色化反应产物含量统计分析 非酶棕色化反应也称美拉德反应，是烟叶在不需要酶的参与条件下，氨基酸与糖类之间的缩合反应，其在烟叶调制、醇化和燃吸过程中均可发生。非酶棕色化反應能裂解成与烟香协调的香味物质，增加烟草的烘烤香、甜香，减少烟草的涩度和苦味、掩盖杂气和降低刺激性，是烟草特征香味形成的主要来源之一[9]。在前人的研究中，通常以糠醛、糠醇、2-乙酰基呋喃、5-甲基糠醛、2-乙酰基吡咯作为雪茄烟叶致香物质中非酶棕色化反应产物的代表指标[31-32]。由表7 可知，不同烟叶样品的非酶棕色化反应产物含量均存在广泛变异。中国海南产区、国内其他产区和国外产区雪茄烟叶非酶棕色化反应产物总含量均值分别为3.49、6.09、3.02 μg/kg，中国海南产区与国外产区总量接近，但均显著低于国内其他产区。不同非酶棕色化反应产物含量检测对比分析表明，不同雪茄烟叶中的2-乙基吡啶、吡咯、2-乙酰吡啶、喹啉、2-乙酰基吡咯和糖醇含量均值无显著性差异。国内产区雪茄烟叶的吡啶、2-乙酰基-5-甲基呋喃含量均值均极显著高于国外产区雪茄烟叶。中国海南产区与国外产区雪茄烟叶的吡嗪、糠醛、2-乙酰基呋喃、5-甲基糠醛含量均值无显著性差异，但均显著或极显著低于国内其他3 个产区。噻唑含量均值在国内其他产区、中国海南和国外产区样品中均达到极显著差异，含量依次减小。

2.5.4 芳香族氨基酸降解产物含量统计分析 烟叶中的某些氨基酸（如苯丙氨酸等）自身可直接分解为香味化合物（如苯甲醇、苯乙醇等），它们也是烟草中含量较丰富的香味成分[33]。这类降解产物在烟草调制前含量很少，经调制和醇化后，苯甲醛、苯甲醇、苯甲酸和苯丙酸等含量显著增加[9]。由表8 可知，不同烟叶样品的芳香族氨基酸降解产物含量均存在广泛变异。海南产区、国内其他产区和国外产区雪茄烟叶芳香族氨基酸降解产物总含量均值分别为25.76、32.35、27.78 μg/kg，海南产区低于国内其他产区和国外产区。苯甲醛、苯乙醛和苯乙酮的含量均值在不同雪茄烟叶中没有显著性差异。国外产区雪茄烟叶苯甲醇含量均值为3.44 μg/kg，极显著低于国内其他产区均值7.06 μg/kg，但与中国海南产区均值4.41 μg/kg 无显著性差异。国外产区雪茄烟叶苯乙醇含量均值为6.10 μg/kg，显著低于国内产区均值。

2.5.5 西柏烷类降解产物含量统计分析 西柏烷类化合物主要存在于烟叶的角质层中，是烟叶腺毛分泌物的主要成分，主要为α-4，8，13-西柏三烯二醇和β-4，8，13-西柏三烯二醇。烟草中西柏烷类化合主要生成茄酮及其衍生物，其积累受多种因素交互影响，其中基因型影响最大，同时与产地环境交互作用[34-35]。烟草中西柏烷类的降解主要在调制和陈化阶段发生，调制的方式、条件和陈化时间，都会影响降解产物的积累。茄酮是烟叶致香物质中西柏烷类降解产物的代表指标[30， 36]。由表9 可知，不同烟叶样品的西柏烷类降解产物含量存在广泛变异。中国海南产区、国内其他产区和国外产区雪茄烟叶主要西柏烷类降解产物总含量均值分别为6.38、16.03、3.69 μg/kg，国内产区的均值显著高于国外产区。在西柏烷类降解产物中，占比较小的降茄二酮含量无显著性差异；而中国海南产区和国外产区雪茄烟叶的茄酮含量均值分别为5.85、3.43 μg/kg，均极显著低于国内其他产区的均值15.49 μg/kg。

2.5.6 其它致香产物统计分析 由表10 可知，不同烟叶样品的其它致香产物含量均存在广泛变异。分析结果显示，中国海南产区、国内其他产区和国外产区雪茄烟叶其它致香产物总含量均值分别为33.66、19.77、20.16 μg/kg，中国海南产区显著高于国内其他产区。在检测的其他致香成分含量中，国内产区雪茄烟叶的3-甲基巴豆醛、氧化沉香醇-1 含量均值均显著或极显著高于国外产区。国内其他产区雪茄烟叶戊醇、2，4-庚二烯醛、α-松油醇、亚麻酸甲酯和藏红花醛含量均值均显著或极显著高于国外产区和海南产区。此外，中国海南雪茄烟叶的氧化沉香醇-2 含量均值极显著高于国外产区；邻苯二甲酸二丁酯含量均值极显著高于国外产区，显著高于国内其他产区。

2.6 基于烟叶内在化学成分的聚类分析

对不同雪茄烟叶样品的化学成分、香气成分作为聚类指标，采用系统聚类法进行聚类分析，结果如图1。由图1 可知，不同产区的雪茄烟叶样品被分为四大类，巴西、多米尼加和中国海南产区为第1 类，印尼产区为2 类，中国湖北和云南产区为第3 类，中国四川产区为第4 類。其中，国内四川地区雪茄烟叶成分与其他地区差异最大，中国海南烟叶总体内在成分更加接近巴西、多米尼加等国外美洲产区。

对不同雪茄烟叶样品内在化学成分的统计分析结果发现，对聚类分组有显著贡献的有34 个指标，分别为总糖、还原糖、总生物碱、烟碱，Val、Phe、His、Arg、Try、Asp、Ala、Pro、Ser、氨基酸含量总和，油酸、亚麻酸，5-甲基糠醛、亚油酸、2-甲基四氢呋喃-3-酮、茄酮、糠醇、肉豆蔻酸、亚麻酸甲酯、糠醛、2-乙酰基呋喃、巨豆三烯酮-1、巨豆三烯酮-2、β-大马酮、巨豆三烯酮-4、戊醇、β-二氢大马酮、γ-壬内酯、噻唑、硬脂酸等。

3 讨论

烟叶品质通常包括外观质量、物理特性和内在质量，其中内在质量主要指烟叶内各种化学成分含量和比例的协调性[1-2]。同时，与烤烟烟叶烘烤的调制方式不同，雪茄烟叶要经过漫长的晾制、发酵和醇化过程，因而其分类和属性特征与烤烟明显不同[37]。本研究结果中，国内外不同产区的雪茄烟叶样品中的常规化学成分含量均值基本都在各成分的适宜范围之内，说明各烟区的烟叶化学成分总体比较协调。但不同雪茄烟叶的部分化学成分、香气成分含量表现出不同的差异性，体现了不同区域雪茄烟叶内在物质基础的不同。研究国外优质产区雪茄烟叶化学成分与国内产区的差距，可为后期采取针对性改进措施提供参考。

氮化合物和糖类物质是烟叶中最重要的常规化学成分，其含量对烟叶的综合品质具有十分重要的意义。一般来说，糖类物质和氮化合物在烟叶燃烧时的热解产物对吸味的反应是相反的，糖类物质的热解产物呈酸性反应，氮化合物（尤其是生物碱类）的热解产物呈碱性反应，二者协调的比例关系才能产生良好的吸味[15， 17]。本研究结果表明，不同雪茄烟叶样品的糖类物质含量均小于1%，体现了雪茄烟叶低糖的显著特点。雪茄烟叶因经过漫长的晾制、发酵过程，致使调制后期脯氨酸等氨基酸含量降低到不明显的水平，在氨基酸种类分布上与烤烟烟叶有较大的差异[38]。从各检测成分含量的均值看，中国海南产区和国外产区雪茄烟叶样品的总糖、还原糖、新烟草碱、谷氨酸、亚麻酸和亚油酸的含量均值明显低于国内其他3 个产区，但果胶含量均值则呈现相反规律。烟叶的品质与其内含的化学成分含量及比例具有直接相关性，但不能仅通过化学成分含量的多少来确定烟叶品质的优劣。尽管如此，国内产区烟叶糖类、微量生物碱、谷氨酸等成分含量与国外优质产区样品有较大的偏差，仍然值得思考和注意。此外，雪茄烟叶的燃烧性对雪茄的感官质量有至关重要的关系，而烟叶的燃烧性除与烟叶含水率、组织结构等有密切关系外[39]，也是烟叶中多种化学成分在高温下综合作用的结果，其中K 元素可促进烟草燃烧，而过量的Cl 元素则对烟草燃烧性产生不利影响[40]。本研究中，虽然中国海南产区雪茄烟叶的K、Cl 元素与国内外产区无显著性差异，但由于砖红壤和赤红壤是海南省主要土壤类型，土壤肥力流失严重、呈酸性至弱酸性，配施土壤调理剂、提钾辅料等改善土壤酸性障碍、提高土壤碳、钾含量是生产中重点考虑的方向[41-43]。

烟草香气是评价烟叶内在质量的重要指标之一，其香气的量、质、型是由多种香气成分的组成、含量、比例及其相互作用所决定，这些物质含量高低使雪茄烟具有不同于其他类型烟草的特殊香气品质[2， 9， 44]。本研究中，国内其他3 个地区雪茄烟叶样品的巨豆三烯酮、芳樟醇、大马酮等类胡萝卜素降解产物，吡嗪、糠醛等非酶棕色化反应产物，茄酮等致香成分含量均值均显著高于中国海南产区和国外产区，而中国海南产区和国外产区烟叶样品的上述成分含量均值无显著性差异。国内所有产区雪茄烟叶样品的新植二烯、异戊醇、吡啶、苯乙醇等香气成分均值均高于国外产区，且基本达显著或极显著差异水平，说明国内产区雪茄烟叶样品在一些重要香气成分含量上具有较好的呈香物质基础。晾制和发酵对雪茄烟叶香气物质的形成具有决定性作用，尤其是雪茄烟叶的发酵，普遍认为是化学作用、微生物作用和酶作用的有机结合[45-46]，微生物对改善雪茄烟叶品质具有十分重要的作用[47]，后期应重点开展对雪茄烟叶调制微生物生态、“组学”技术等的基础和应用研究，掌握调制及发酵过程关键控制条件，确定特色调制及发酵支撑技术，实现人工控制下雪茄烟叶定向调制及发酵，提高我国雪茄烟叶的综合质量。

烟叶的品质和风格与内在化学成分关系密切，而烟草基因型、产地环境、农艺措施和调制加工过程是影响烟草内在化学成分的主要因素，其中产地生态条件对烟叶内在成分的影响较大[48-49]。本研究基于内在成分的聚类分析结果表明，国内海南产区和南北美洲产区被分为第一大类，印尼产区被分为第二大类，国内湖北、云南产区和四川产区分别被分为第三和第四大类。聚类结果说明国内与国外产区雪茄烟叶样品的内在成分差异性较大，这可能是国内外雪茄烟叶香型风格差异较大的重要原因之一。国内海南产区雪茄烟叶样品的总体内在化学成分含量更加接近于美洲地区，进一步印证了生态条件相似的产区，所产烟叶内在质量相似的结论。相比国外优质雪茄烟叶，国内雪茄烟叶样品化学成分总体尚协调，但部分烟叶样品的部分化学物质存在偏高或偏低现象，在产地环境不易改变的条件下，应注意通过改善土壤环境、定向提高生产技术来实现产区特色雪茄烟叶的定位开发。