基于主要化學(xué)成分的醇化片煙感官質(zhì)量預(yù)測(cè)模型

劉曙光，甘學(xué)文，王光耀，李玉娥，惠康進(jìn)，郭建華，宋紀(jì)真

(1.江蘇中煙工業(yè)有限責(zé)任公司,江蘇 南京 210019; 2.吉林煙草工業(yè)有限責(zé)任公司,吉林 延吉 133001; 3.中國(guó)煙草總公司鄭州煙草研究院,河南 鄭州 450001)

【研究意義】煙葉是卷煙工業(yè)的基礎(chǔ)，其質(zhì)量狀況決定著卷煙的品質(zhì)高低。煙葉質(zhì)量主要包括煙葉化學(xué)成分、外觀質(zhì)量、物理特性及感官質(zhì)量四大部分，是一個(gè)包含眾多因素的綜合概念[1]。煙葉化學(xué)成分是影響煙葉內(nèi)在質(zhì)量的物質(zhì)基礎(chǔ)，具有客觀、分析速度快、與感官質(zhì)量關(guān)聯(lián)性強(qiáng)等特點(diǎn)[2-4]。煙葉感官質(zhì)量是煙葉通過燃燒所產(chǎn)生煙氣的特征，是最重要的煙葉品質(zhì)評(píng)價(jià)指標(biāo)，其優(yōu)劣直接應(yīng)用煙葉工業(yè)可用性，但感官質(zhì)量評(píng)價(jià)主觀性較強(qiáng)，多年來，科研人員做了大量研究，試圖尋找煙葉化學(xué)成分與感官質(zhì)量之間的關(guān)系[5-7]。【前人研究進(jìn)展】徐澤桐等人[8]用熵值法和突變級(jí)數(shù)法得到感官質(zhì)量值，再利用灰色關(guān)聯(lián)度分析法分析化學(xué)成分各指標(biāo)對(duì)感官質(zhì)量的影響程度，得到化學(xué)成分各指標(biāo)重要性排序，再基于突變級(jí)數(shù)法得到化學(xué)成分值，將化學(xué)成分和感官質(zhì)量結(jié)合起來綜合評(píng)價(jià)煙葉質(zhì)量。常安然等人[9]通過總氮、煙堿、總糖、淀粉、鉀等12項(xiàng)理化指標(biāo)建立了感官評(píng)價(jià)的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)模型，對(duì)香氣質(zhì)、雜氣、燃燒性的預(yù)測(cè)效果較好。張光輝等人[10]以氯、鉀、蛋白質(zhì)、揮發(fā)堿等化學(xué)成分作為影響因素構(gòu)建了香氣質(zhì)的預(yù)測(cè)模型，對(duì)香氣質(zhì)分值的預(yù)測(cè)精確度較高。李瑞麗[11]建立了感官質(zhì)量單指標(biāo)的近紅外判別模型，預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率分布在48.15 %～70.37 %。張夢(mèng)楚等人[12]利用中性致香成分構(gòu)建了煙葉感官質(zhì)量預(yù)測(cè)模型，對(duì)香氣質(zhì)、香氣量、雜氣、成團(tuán)性等指標(biāo)的預(yù)測(cè)效果較好。目前的研究?jī)H集中在初烤煙葉領(lǐng)域，基于化學(xué)成分對(duì)醇化過程片煙感官質(zhì)量進(jìn)行預(yù)測(cè)卻鮮有報(bào)道。【本研究切入點(diǎn)】因此，本文以密切反應(yīng)醇化片煙感官品質(zhì)的常規(guī)化學(xué)成分及致香前體物為切入點(diǎn)，通過相關(guān)、主成分、回歸等多種分析手段構(gòu)建了醇化片煙感官質(zhì)量預(yù)測(cè)模型，并對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證。【擬解決的關(guān)鍵問題】旨在建立基于醇化片煙主要化學(xué)成分的感官質(zhì)量預(yù)測(cè)模型，為片煙感官質(zhì)量評(píng)價(jià)的精準(zhǔn)化發(fā)展提供一定科學(xué)依據(jù)和理論支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

2014年入庫的湖南郴州C3F、貴州黔西南C3F、福建三明C3F、云南曲靖C4F、河南三門峽C3F、巴西M10/C-C、津巴布韋C10/C以及阿根廷AS-B1F共8個(gè)產(chǎn)地/等級(jí)片煙。片煙入庫后在室溫狀態(tài)下正常醇化，每3個(gè)月取樣1次，共取樣11次。

1.2 醇化片煙品質(zhì)評(píng)價(jià)

1.2.1 醇化片煙感官質(zhì)量評(píng)價(jià) 評(píng)價(jià)由我國(guó)主要卷煙工業(yè)企業(yè)產(chǎn)品配方人員組成的感官質(zhì)量鑒定專家組完成，其指標(biāo)包括香氣質(zhì)、香氣量、透發(fā)性、細(xì)膩程度、雜氣、刺激性、甜度和余味共8個(gè)指標(biāo)，具體評(píng)分標(biāo)度見表1，各指標(biāo)的權(quán)重見表2。對(duì)各指標(biāo)進(jìn)行賦分后，按照指數(shù)和法計(jì)算片煙感官質(zhì)量總分。

表1 片煙感官品質(zhì)量化評(píng)價(jià)方法

表2 片煙感官品質(zhì)量指標(biāo)權(quán)重

1.2.2 醇化片煙主要化學(xué)成分檢測(cè) 常規(guī)化學(xué)成分的測(cè)定：分別按照YC/T 160-2002、YC/T 161-2002、YC/T 159-2002、YC/T 216-2007、YC/T 222-2007規(guī)定方法測(cè)定煙葉煙堿、總氮、還原糖、總糖含量及pH值。

質(zhì)體色素的測(cè)定：按照YC/T 382-2010的方法測(cè)定葉黃素和β-胡蘿卜素。

多酚的測(cè)定：采用YC/T 202-2006的方法測(cè)定綠原酸、蕓香苷、莨菪亭等物質(zhì)。

吸光值的測(cè)定：稱取0.5 g樣品放置于50 mL三角瓶中，加入30 mL純凈水，在80 HZ下超聲30 min，過濾，吸取5 mL上清液于試管中，并加入2 mL 0.6 mol/L的KI溶液和2 mL 0.1 mol/L 的KIO3溶液，避光反應(yīng)1 h后在455 nm波長(zhǎng)進(jìn)行比色測(cè)定。以加入2 mL 0.6 mol/L的KI溶液和2 mL 0.1 mol/L 的KIO3溶液的純凈水作為空白樣品。

1.3 數(shù)據(jù)分析

采用Excel和SPSS19.0對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析、簡(jiǎn)單相關(guān)分析、主成分分析及回歸分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 醇化片煙主要化學(xué)成分及感官質(zhì)量統(tǒng)計(jì)分析

由表3～4可知，醇化過程中除pH之外，其余常規(guī)化學(xué)成分變異系數(shù)在11.35 %～36.82 %，多酚類和類胡蘿卜素類物質(zhì)含量變異系數(shù)相對(duì)較大，均大于感官質(zhì)量變異系數(shù)。偏度是用于統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分布偏斜方向和程度的度量[13]，偏度為負(fù)值表明數(shù)據(jù)分布為左偏態(tài)，偏度為正值則表明數(shù)據(jù)分布為右偏態(tài)，由偏度系數(shù)可以看出，綠原酸、蕓香苷、葉黃素、β-胡蘿卜素、還原糖和總糖含量、類胡蘿卜素總量等7個(gè)化學(xué)成分指標(biāo)以及透發(fā)性和刺激性2個(gè)感官質(zhì)量指標(biāo)的偏度系數(shù)大于0，表現(xiàn)為右偏態(tài)分布，表明數(shù)據(jù)位于均值右邊的比位于左邊的少。峰度反應(yīng)數(shù)據(jù)在中心集聚程度，峰度為正表明該總體數(shù)據(jù)分布與正態(tài)分布相比較為陡峭，為尖頂峰；峰度為負(fù)表明該總體數(shù)據(jù)分布與正態(tài)分布相比較為平坦，為平頂峰[14]。由峰度系數(shù)可以看出，新綠原酸、葉黃素、總氮等3個(gè)化學(xué)成分指標(biāo)以及香氣質(zhì)、香氣量、細(xì)膩程度、甜度等4個(gè)感官質(zhì)量指標(biāo)的峰度系數(shù)均大于0，說明數(shù)據(jù)大多集中在平均數(shù)附近。

表3 醇化過程中片煙主要化學(xué)成分統(tǒng)計(jì)分析

2.2 醇化片煙主要化學(xué)成分與感官質(zhì)量的相關(guān)分析

將醇化過程中片煙主要化學(xué)成分與感官指標(biāo)之間進(jìn)行簡(jiǎn)單相關(guān)分析(表5)，結(jié)果表明，綠原酸、蕓香苷、多酚總量以及類胡蘿卜素總量與感官指標(biāo)間均存在顯著或極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。吸光值與感官指標(biāo)間大多存在正相關(guān)關(guān)系，與刺激性的相關(guān)系數(shù)達(dá)極顯著水平。總氮與感官質(zhì)量各指標(biāo)的相關(guān)性較弱，未達(dá)到顯著水平。綠原酸、蕓香苷、多酚總量、葉黃素、β-胡蘿卜素、類胡蘿卜素、總糖等7個(gè)常規(guī)化學(xué)成分指標(biāo)與感官質(zhì)量總分間均存在極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，pH值與感官質(zhì)量總分呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，表明這些化學(xué)指標(biāo)與感官質(zhì)量總分的關(guān)系較為密切，其余5個(gè)化學(xué)成分指標(biāo)與感官質(zhì)量總分的相關(guān)系數(shù)不顯著。

表4 醇化過程中片煙感官質(zhì)量統(tǒng)計(jì)分析

表5 醇化片煙主要化學(xué)成分與感官指標(biāo)的相關(guān)系數(shù)

2.3 醇化片煙主要化學(xué)成分與感官質(zhì)量總分的主成分分析

從表6可以看出，前4個(gè)主成分的累計(jì)貢獻(xiàn)率已經(jīng)達(dá)到87.84 %，說明對(duì)前4個(gè)主成分進(jìn)行分析已經(jīng)能夠反映全部數(shù)據(jù)的大部分信息。第一主成分的貢獻(xiàn)率為40.637 %，綠原酸、蕓香苷和多酚總量3個(gè)指標(biāo)在第一主成分中起主要作用；第二主成分的貢獻(xiàn)率為22.368 %，總植物堿在第二主成分中起主要作用；第三個(gè)主成分的貢獻(xiàn)率為14.417 %，pH值在其中起主要作用；第四個(gè)主成分的貢獻(xiàn)率為10.422 %，吸光值在其中起主要作用。

表6 各主成分的特征向量和貢獻(xiàn)率

2.4 醇化片煙主要化學(xué)成分與感官質(zhì)量總分的回歸分析

簡(jiǎn)單相關(guān)分析表明，綠原酸、蕓香苷、多酚總量、葉黃素、β-胡蘿卜素、類胡蘿卜素、總糖、pH等8個(gè)常規(guī)化學(xué)成分指標(biāo)與感官質(zhì)量總分間均存在顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。主成分分析結(jié)果表明，綠原酸、蕓香苷、多酚總量、總植物堿、pH、吸光值6個(gè)常規(guī)化學(xué)成分指標(biāo)為主要載荷因子，可以用來替代所有常規(guī)化學(xué)成分指標(biāo)進(jìn)行進(jìn)一步分析。因此，分別以綠原酸、蕓香苷、多酚總量、葉黃素、β-胡蘿卜素、類胡蘿卜素、總糖、pH、總植物堿、吸光值為自變量，感官質(zhì)量總分為因變量，采用逐步回歸分析法，擬合回歸模型(表7)。吸光值、pH、綠原酸、蕓香苷、總植物堿、總糖含量與醇化片煙感官質(zhì)量總分的回歸模型達(dá)極顯著水平，表明模型選出的吸光值(X1)、pH(X2)、綠原酸(X4)、蕓香苷(X5)、總植物堿(X11)、總糖(X13)6個(gè)化學(xué)成分指標(biāo)可以作為與感官質(zhì)量總分相關(guān)的主要指標(biāo)，可以用來估算醇化片煙感官質(zhì)量總分。

表7 醇化片煙感官質(zhì)量總分預(yù)測(cè)模型

2.5 回歸模型的驗(yàn)證

以建模之外的醇化片煙樣本進(jìn)行模型驗(yàn)證，選擇云南普洱B2F、云南曲靖C2F、貴州黔西南C2F、河南三門峽B2F共4個(gè)產(chǎn)地/等級(jí)片煙，片煙入庫后正常醇化，每隔3個(gè)月取樣1次，各片煙樣品進(jìn)行主要化學(xué)成分檢測(cè)及感官質(zhì)量鑒定。從表8可以看出，醇化過程中由6個(gè)化學(xué)成分指標(biāo)估算的感官模擬分值與專家評(píng)吸得到的感官分值之間相差0.04～4.61分，65.9 %的樣本實(shí)測(cè)值與模擬值相差不足2分。驗(yàn)證樣本實(shí)測(cè)值與模擬值之間誤差在0.05 %～6.94 %范圍，平均誤差為2.40 %，其中，75 %的樣本實(shí)測(cè)值與模擬值之間的誤差小于3.2 %。表明經(jīng)上述分析得到的由吸光值、pH、綠原酸、蕓香苷、總植物堿、總糖6個(gè)化學(xué)成分組成的回歸方程對(duì)醇化過程中片煙感官質(zhì)量有較好的預(yù)測(cè)。

表8 預(yù)測(cè)模型校驗(yàn)結(jié)果

3 討 論

煙葉醇化是通過一系列化學(xué)及生物反應(yīng)，使得一些不利于煙葉品質(zhì)的組分向有利于煙葉品質(zhì)的方向轉(zhuǎn)化的過程，是煙草加工過程中改善煙葉品質(zhì)的重要環(huán)節(jié)[15-16]。現(xiàn)有研究表明醇化過程中片煙還原糖、煙堿、揮發(fā)堿等含量及pH呈下降趨勢(shì)，總揮發(fā)酸含量呈增加趨勢(shì)[17]，醇化期間片煙總氮、煙堿、總糖含量、pH等常規(guī)化學(xué)指標(biāo)與感官質(zhì)量關(guān)系密切[18-19]，本文研究也發(fā)現(xiàn)pH、總糖、還原糖含量與絕大多數(shù)感官質(zhì)量指標(biāo)間均存在顯著相關(guān)關(guān)系，而總氮卻與感官指標(biāo)間不存在顯著相關(guān)關(guān)系。

醇化過程中，葉黃素、β-胡蘿卜素會(huì)降解成β-大馬酮、巨豆三烯酮、二氫獼猴桃內(nèi)酯等一系列小分子香味物質(zhì)，能改善煙氣口感[20]。多酚類物質(zhì)則會(huì)發(fā)生氧化降解，轉(zhuǎn)化成其它香氣物質(zhì)及棕色色素，對(duì)醇化片煙品質(zhì)及色澤有重要影響[21]。本研究分析后發(fā)現(xiàn)醇化致香前體物質(zhì)與感官品質(zhì)關(guān)系密切，各指標(biāo)間均呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，其中，綠原酸、蕓香苷、多酚總量以及類胡蘿卜素總量與感官指標(biāo)間的相關(guān)關(guān)系均達(dá)到顯著水平，說明醇化過程中片煙致香前體物含量越少，片煙感官質(zhì)量越佳，這與醇化過程中片煙感官質(zhì)量提升、致香前體物質(zhì)含量下降規(guī)律是相符的。

進(jìn)一步逐步回歸分析后篩選出吸光值、pH、綠原酸、蕓香苷、總植物堿、總糖含量6個(gè)指標(biāo)，既包含常規(guī)化學(xué)成分指標(biāo)也包含致香前體物質(zhì)指標(biāo)，能較全面的解釋醇化片煙內(nèi)在質(zhì)量的物質(zhì)基礎(chǔ)。基于6個(gè)主要化學(xué)成分指標(biāo)建立的醇化片煙感官質(zhì)量總分預(yù)測(cè)模型達(dá)極顯著水平，且對(duì)建模之外醇化樣品感官質(zhì)量有較好的擬合，平均誤差較小，僅為2.40 %，表明預(yù)測(cè)模型較穩(wěn)定。本預(yù)測(cè)模型對(duì)上部醇化片煙感官質(zhì)量總分的預(yù)測(cè)值誤差范圍在0.08～4.06分，平均誤差為1.83 %，對(duì)中部醇化片煙感官質(zhì)量總分的預(yù)測(cè)值誤差范圍在0.04～4.61分，平均誤差為2.72 %，略大于上部樣本誤差，表明本預(yù)測(cè)模型對(duì)上部醇化片煙的感官質(zhì)量預(yù)測(cè)更準(zhǔn)確。本文建模以及驗(yàn)證所選用的樣本多為植煙大省的主等級(jí)片煙，其在下部片煙醇化質(zhì)量預(yù)測(cè)方面的擬合效果尚待進(jìn)一步研究。

4 結(jié) 論

本文利用相關(guān)分析和主成分分析篩選出與醇化片煙感官質(zhì)量總分有較大影響的化學(xué)成分為：醇化片煙的吸光值(X1)、pH值(X2)、綠原酸(X4)、蕓香苷(X5)、多酚總量(X6)、葉黃素(X7)、β-胡蘿卜素(X8)、類胡蘿卜素(X9)、總植物堿(X11)、總糖(X13)；以醇化片煙感官質(zhì)量總分(Y)為因變量，以影響感官質(zhì)量總分的主要化學(xué)成分作為自變量構(gòu)建了回歸模型Y=147.455-2.557X1-10.455X2+0.656X4-0.558X5-3.098X11-0.556X13，并對(duì)醇化過程中的片煙感官質(zhì)量進(jìn)行擬合和預(yù)測(cè)。通過實(shí)例驗(yàn)證可以看出，模擬值與實(shí)際值之間相差0.04～4.61分，65.9 %的樣本實(shí)測(cè)值與模擬值相差不足2分，誤差平均為2.40 %，表明本模型能夠避免人為因素的影響，為醇化片煙的感官質(zhì)量預(yù)測(cè)提供了一種定量化方法，預(yù)測(cè)結(jié)果可信度高，是對(duì)傳統(tǒng)感官評(píng)吸方法的補(bǔ)充和完善，同時(shí)也為片煙管理人員快速掌握庫內(nèi)片煙醇化質(zhì)量的變化提供了重要手段。