近紅外快速檢測烤煙等級質量與關鍵化學指標的關系

王 超，劉藝琳，楊 凱，徐瑋杰，湯朝起，陳 斌，李軍會

(1.上海煙草集團有限責任公司，上海 200082; 2.中國農業大學信息與電氣工程學院，北京 100083)

0 引 言

煙葉質量一般從外觀、感官、物理特性、化學成分等方面進行描述，各因素之間的特性和化學成分之間密切相關[1]。外觀質量包括煙葉的部位、顏色、成熟度、油分、色度等，主要應用于烤煙加工的收購階段和工業分級中。煙葉內在的化學成分是煙葉質量的基礎，但由于指標較多，數據繁瑣，目前在烤煙的加工生產中，基于化學成分的烤煙等級質量分析并未受到重視。

通過探究烤煙外觀等級質量與糖氮比等關鍵化學指標的關系，可以對烤煙進行穩定、準確的質量等級劃分，不僅有利于烤煙的配方設計和工業生產的穩定性，而且有利于實現成品烤煙的科學分級。與感官質量和外觀質量相比，通過近紅外定量分析技術獲得的化學成分數據具有客觀、穩定、測量簡單的優點。陳慶園等[2-5]研究認為，煙葉的化學成分，如總糖、煙堿、還原糖、總氮等與外觀質量存在極顯著或顯著的相關性；李東亮等人[6-9]說明了煙葉的總糖、總氮、煙堿、氮堿比、糖堿比、還原糖等指標對煙葉質量存在較顯著的影響。然而，煙葉主要化學成分與煙葉質量之間的關系尚不能準確量化，國內對煙葉等級質量的評價仍以感官質量或外觀質量為主，以物理特性或化學成分為輔進行分析[10-12]。目前國內并未形成客觀、穩定的基于化學成分的煙葉質量評價標準，且只對特定地區的煙葉進行了分析研究。

綜合國內外文獻和部分項目研究成果分析，目前可以得出，主要化學成分或指標中施木克值、非煙堿氮和煙堿氮的比例以及煙堿值與煙葉質量關系密切；由于施木克值、非煙堿氮和煙堿氮比例的分析檢測在實際中很難準確測定或測定方法異常繁瑣，本文通過理論分析得出，在一定條件或范圍內可應用糖氮比近似替代施木克值，應用氮堿比近似替代非煙堿氮和煙堿氮比例。同時，煙堿含量與色澤、香味、口味等外觀和感官質量密切相關，對煙葉質量影響較大，且煙堿含量與成品卷煙減害的質控指標密切相關，本文將煙堿絕對值作為評價煙葉質量的指標之一。因此，本文應用近紅外光譜定量分析技術快速獲得糖氮比、氮堿比、煙堿三項關鍵化學指標數據，研究其與烤煙外觀等級質量的關系，并應用對勾、二次型等非線性分段擬合函數和加權求和的方法進行烤煙等級質量的量化分析評價。

1 材料與儀器

1.1 實驗材料

本實驗所用樣品為從2017至2018年收集的來自全國14個省市煙葉樣品，即來自安徽（26份），福建（167份），貴州（216份），河南（258份），湖北（56份），湖南（166份），山東（85份），江西（169份），吉林（37份），遼寧（52份），陜西（161份），四川（94 份），重慶（73 份），云南（439份）的2017 年（1 119份）及2018年（880份）共計1 999份樣品。

1.2 實驗儀器

Antaris型傅里葉變換近紅外光譜檢測儀（美國賽默飛公司）。工作參數：光譜采集范圍12 000～4 000 cm-1；光譜分辨率：8 cm-1；掃描次數：64 次。

2 實驗方法

通過近紅外檢測，得到煙葉的各項主要常規化學成分（總糖、還原糖、煙堿、總氮、鉀、氯）和衍生指標數據（糖氮比、糖堿比、氮堿比、鉀氯比等）。根據外觀工業分級后樣品等級分別劃分為上部下等、下部下等、中部下等、上部上等、中部中等、下部上等、中部上等7個等級，上部下等質量最差，中部上等，質量最優。

通過探究煙葉總糖與總氮含量的負相關性，驗證樣品近紅外檢測數據的準確性。通過糖氮比探究主要化學成分與煙葉質量的關系，糖氮比與施木克值的關系為：

式中：TS%——總糖量；

TN%——總氮量；

NIC%——尼古丁含量。

由式（1）施木克值的定義可知，糖氮比值近似等于施木克值的6.25倍。根據煙堿的分子式C10H14N2，計算氮元素占煙堿分子量的比重為0.173。總氮含量在一定范圍內時，由式（2）所示，氮堿比可近似等效于煙葉非煙堿氮和煙堿氮的比例得出：

應用對勾、二次型等非線性擬合函數結合糖氮比、煙堿、氮堿比等化學指標數據進行煙葉等級質量的分析評價，其中對勾和二次型函數的通用表達式分別以下兩個公式：

3 結果與討論

3.1 煙葉樣品近紅外檢測值的準確度評價

在一定生態條件下，植物生長發育過程中碳源代謝和氮源代謝是競爭關系，對于測量較準確且等級純度較高的樣品，總糖（碳源代謝產物）與總氮（氮源代謝產物）應呈高度負相關關系。因此可應用這一規律對近紅外檢測值的準確度進行分析評價。如圖1所示，分別為隨機選擇的產地A、產地B和產地C樣品以及2017年全部樣品的總糖與總氮的相關系數圖。

圖 1 總糖和總氮散點圖

由圖1可知，各產地總糖和總氮的相關系數均達到-0.9左右，總糖與總氮具有高負相關性。由于不同產地煙葉的化學成分絕對值含量水平存在差異，且總糖與總氮競爭關系的速率不同，全部樣品的總糖與總氮的相關系數為-0.75，與各產地樣品相比相關系數降低，但仍表明近紅外測量值具有較高的準確度，具備外觀等級質量與主要化學指標的關系研究的數據可靠性保障。

3.2 質量梯度較高烤煙樣品的化學成分特征分析

3.2.1 糖氮比與烤煙樣品的質量梯度

糖氮比是煙葉碳源與氮源代謝產物的比例，且與煙葉施木克值成正相關關系，對煙葉質量有較大的影響。以五大煙區（北方煙區、東南煙區、西南煙區、長江中上游煙區、黃淮煙區）對樣品進行分類后，不同等級質量煙葉的糖氮比含量均值如表1所示。在北方煙區內，由于生態環境等因素，上部煙葉的總氮含量較低，導致糖氮比值較高，與煙葉的質量等級關系存在特殊性。排除北方煙區后，各等級煙葉的糖氮比均值如圖2所示。

圖 2 不同質量等級煙葉的糖氮比均值

表 1 五大煙區不同質量等級煙葉的糖氮比均值

由表1和圖2可知，在五大煙區內，中部上等、下部上等和中部中等煙葉均具有高糖氮比的特點，上部上等和中部下等煙葉均具有糖氮比適中的特點，上部下等和下部下等煙葉均具有低糖氮比的特點。根據外觀質量評價結果，中部上等煙葉質量最好，上部和下部的下等煙葉質量較差。因此，存在一定范圍內，糖氮比越高，煙葉等級質量越高的趨勢規律。

對各煙區的質量梯度及對應的糖氮比值進行顯著性t檢驗，以中部上等為參照，分別計算其與上部下等、下部下等、中部下等、上部上等、中部中等、下部上等的顯著性，結果如表2所示。

表 2 不同質量等級煙葉的顯著性t檢驗結果

當P＜0.05時，兩組數據的均數差異具有統計學意義，即具有顯著差異。由表2可以看出，中部上等煙葉與上部下等、下部下等、中部下等、上部上等、中部中等煙葉均具有顯著差異；中部上等與下部上等煙葉的質量較為相近，此時糖氮比值差異顯著性水平稍低。此結果與煙葉外觀等級質量的趨勢規律基本一致。

3.2.2 氮堿比與烤煙樣品的質量梯度

氮堿比值與煙葉質量密切相關，氮堿比值過大時煙葉的雜氣大，過小時煙葉的刺激性大。以五大煙區對樣品進行分類后，不同等級質量煙葉的氮堿比均值如表3所示，各等級煙葉的氮堿比均值如圖3所示。

表 3 五大煙區不同工業等級煙葉的氮堿比均值

圖 3 不同質量等級煙葉的氮堿比均值

由表3和圖3可知，在五大煙區內，等級質量較高的煙葉，氮堿比值均為適中偏低；等級質量較低的煙葉，氮堿比值一般較高或較低。因此，烤煙的等級質量較高的煙葉，具有氮堿比值適中偏低的特點。

3.2.3 煙堿與烤煙樣品的質量梯度

煙堿與煙葉的色澤，香味，口味等外觀和感官質量密切相關，對煙葉質量影響較大。同樣以五大煙區對樣品進行分類后，不同等級質量煙葉的煙堿含量均值如表4所示，各等級煙葉的煙堿均值如圖4所示。

表 4 五大煙區不同工業等級煙葉的煙堿均值 %

圖 4 不同質量等級煙葉的煙堿均值

由表4和圖4可知，在五大煙區內，等級質量較高的煙葉，煙堿值均為適中偏低；等級質量較低的煙葉，煙堿值一般較高或較低。因此，烤煙的等級質量較高的煙葉，具有煙堿值適中的特點。

綜合以上結果可以得出，等級質量較高的煙葉具有高糖氮比以及煙堿、氮堿比適中偏低的特點；即當煙堿值（或氮堿比）在一定范圍內時，糖氮比值越高煙葉質量越好。

3.3 糖氮比、氮堿比和煙堿值的評價函數

根據表1、表3、表4，分析2017年全部烤煙樣品的糖氮比、煙堿、氮堿比值與等級質量的數據規律；根據數據趨勢，分別擬合出兩者對勾函數或二次函數為主的分段函數為

圖5為評價函數圖，可以看出，各項化學指標的評價函數與3.2中數據表明的：此函數與等級質量較高的煙葉具有高糖氮比以及煙堿、氮堿比適中偏低的規律一致。

圖 5 評價函數

3.4 基于化學成分的烤煙質量等級評價結果

綜合糖氮比、氮堿比、煙堿的質量評價函數，得到基于化學成分的烤煙質量等級評價方法。將糖氮比、煙堿、氮堿比的質量評價結果權重分別設為0.4、0.3、0.3后進行求和，結果與烤煙質量等級的線性相關關系如圖6所示。為減小樣品不均勻等因素產生的誤差，將各質量等級內的評價結果取平均值后，平均評價結果與烤煙質量等級的線性相關關系如圖7所示。

圖 6 評價結果與質量等級

圖 7 平均評價結果與質量等級

由圖6和圖7可知：基于化學成分的烤煙質量等級評價結果與烤煙質量等級的相關系數達到0.67；將相同質量類型的評價結果取平均值后，其相關系數達到0.90。因此，通過主要化學成分的量化評價結果來對烤煙等級質量是可行的。

3.5 不同年度樣品的評價驗證結果

應用3.4部分采用的評價方法和函數模型，得到的2018年度樣品評價結果與烤煙質量等級的相關散點圖如圖8所示；平均評價結果與烤煙質量等級的相關關系散點圖如圖9所示。

圖 8 2018年評價結果與質量等級

圖 9 2018年平均評價結果與質量等級

由圖8和圖9可知：應用本文提出的評價方法和相同函數模型得到的2018年度樣品評價結果的相關性為0.69，將相同質量類型的評價結果取平均值后的相關性為0.86，結果與2017年基本一致，表明本文提出的方法模型具有較好穩定性。因此，通過對主要化學成分可以實現烤煙等級質量客觀、穩定的分析評價。

4 結束語

本文通過數據分析，以總糖、總氮、糖氮比、氮堿比、煙堿為主，探究了煙葉的化學成分與質量等級的關系。通過總糖和總氮關系研究，驗證了煙葉樣品近紅外測量值的準確度。在此基礎上，分別研究了糖氮比、氮堿比、煙堿和煙葉質量等級的關系。在一定范圍內，氮堿比和煙堿適中時，糖氮比越高，煙葉的質量等級越好。糖氮比與煙葉質量等級具有較高的正相關關系；氮堿比和煙堿值與質量等級存在近似二次型函數的非線性相關；糖氮比、氮堿比和煙堿與質量等級之間可近似用對勾型或二次型函數進行數學表達建模評價。

綜合分析糖氮比、氮堿比、煙堿三項指標與煙葉等級質量的關系，將質量評價結果進行綜合，得到的質量評價結果與烤煙質量等級的線性相關系數可達到0.67；將相同質量類型的評價結果取平均值后，相關系數可達到0.90；進一步使用不同年度數據的驗證結果，2018年度樣品評價結果的相關性為0.69，將相同質量類型的評價結果取平均值后的相關性為0.86，結果表明本文提出的方法模型具有較好的穩定性。本研究試驗樣品來自全國不同煙葉產區，得出的規律和結論具有一定普遍性，對煙草加工企業基于常規化學成分判定煙葉等級質量，提高收購、工業分級、配方設計、加工生產等過程中的質量把控水平，具有重要作用和意義，并且隨著近紅外快速檢測技術的普及應用，為通過關鍵化學指標快速、客觀地確定烤煙質量等級以及質量檢控提供了可能。