不同采收期雪茄煙葉化學成分聚類分析及在分級中的應用

李青常，林北森，劉利平，羅安娜，楊國濤，蔡 斌，高華軍，葉長文，呂洪坤*

1. 中國煙草總公司鄭州煙草研究院，鄭州高新技術產業開發區楓楊街2 號 450001

2. 中國煙草總公司海南省公司，海口市紅城湖路256 號 571199

3. 湖北中煙工業有限責任公司三峽卷煙廠，湖北省宜昌市夷陵區黃金路46 號 443100

4. 國家煙草質量監督檢驗中心，鄭州高新技術產業開發區翠竹街6 號 450001

雪茄煙是煙草制品中重要的產品品類之一，與傳統卷煙相比雪茄煙產品品質更依賴于雪茄煙葉的品質。在煙葉分級過程中對外觀品質的依賴性更大，而外觀品質指標在評價過程中受主觀因素影響較大，且數據標準化程度低，不便于統計分析，因此采用統計學方法分析煙葉化學成分和煙葉品質間的相互關系已成為當前的研究熱點之一［1］。李東亮等［2］通過灰色優勢分析發現了煙草化學成分與感官品質間關系最密切的化學成分指標。張光輝等［3］利用主成分分析方法對煙葉品質的一致性進行評價，評價結果與感官評價結果一致。馬京民等［4］采用主成分分析和聚類分析方法對烤煙煙葉樣品進行分析，提出用于品質評價的主要化學成分指標。禇旭等［5］利用3 種賦權法研究了云南烤煙化學成分與香氣成分的關系，結果表明權重系數最大的是糖堿比，最小的是氯含量。杜文等［6］研究認為，烤煙化學成分如煙堿、糖、鉀含量及糖堿比、氯堿比等的變化可反映煙葉品質的差異。王俊等［7］通過典型相關分析研究了烤煙化學成分與外觀品質、感官品質的關系，認為與煙葉化學成分關系密切的外觀品質指標是部位和葉片結構，對感官品質影響大的外觀品質指標是成熟度和顏色；化學成分中總植物堿和總氮與煙葉部位呈顯著正相關，與葉片結構呈顯著負相關，煙葉感官品質與外觀品質指標中的成熟度和顏色呈顯著正相關。Beljo 等［8］研究發現，烤煙中煙堿含量與葉位和顏色相關性達到顯著水平。楊超等［9］研究了卷煙葉組化學成分與感官品質的關系，并將化學成分指標的變化應用于卷煙配方調整。趙瑞等［10］分析了雪茄煙葉化學成分與感官品質的關系，認為雪茄煙葉中還原糖含量、糖堿比、堿氮比、兩糖比對感官品質影響較大。陳偉等［11］分析了不同部位煙葉化學成分含量，認為南方煙區生產的煙葉化學成分含量的部位特征較明顯，北方煙區則不太明顯。Court等［12］研究發現，烤煙煙葉等級和部位對煙葉化學成分含量的影響最大，?avlek 等［13］對白肋煙的研究也發現相似的結果。Ogilvie 等［14］對雪茄煙葉品種進行評價時，將雪茄煙葉部位和身份特征指標作為煙葉分級的主要依據。

聚類分析是依據某種或某些特性對目標群體進行分類的統計學方法，在社會調查和科學研究中有廣泛的應用。近年來在農產品品質的分等、分級及煙葉品質評價中也被廣泛應用，如朱麟等［15］在水蜜桃分級、房少梅等［16］在葡萄酒分級研究中應用了聚類分析方法。王放等［17］利用煙葉中化學成分指標進行聚類分析，提出了廣西壯族自治區的煙葉生產區劃，并進行了煙葉品質評價。可見，統計分析方法在農產品和烤煙品質評價中應用廣泛且取得了較好效果，但在雪茄煙葉分級、不同等級雪茄煙葉中化學成分含量的差異研究方面則鮮見報道。為此，對不同采收時期雪茄煙葉中的化學成分含量進行測定，并采用時間序列相似性度量及聚類分析方法［18-19］，分析不同采收時期雪茄煙葉的化學成分差異及對煙葉分級的影響，旨在為研究制定雪茄煙葉分級標準提供依據。

1 材料與方法

1.1 試驗設置

試驗設置在海南儋州煙草試驗基地，土壤類型為壤土。供試品種為巴西3 號，種子由海口雪茄研究所提供。煙草移栽期為1月5日—8日。在煙葉進入成熟期后根據葉片成熟狀況逐次采收、調制。調制完成后借鑒國家標準GB2635—1992［20］中對烤煙外觀品質的定義，對雪茄煙葉外觀品質進行分級，包括身份（薄、稍薄、中等、稍厚、厚）、油分（富有、有、稍有、少）和組織結構（疏松、尚疏松、稍密、松），為區別下部煙葉與中上部煙葉的組織結構，用“松”定義雪茄煙下部煙葉干物質積累較少的煙葉葉片結構，共獲得29 個煙葉樣品。雪茄煙葉分級由國家煙草質量監督檢驗中心組織3名專業煙葉分級技術人員進行。煙葉樣品外觀品質見表1。

表1 不同采收時期煙葉外觀品質Tab.1 Appearance quality of tobacco leaves harvested at different time

1.2 分析方法

對分級后的煙葉進行化學成分分析，采用標準方法YC/T 468—2013［21］測定總植物堿含量（質量分數）；采用YC/T 217—2007［22］測定鉀含量；采用YC/T 162—2011［23］測定氯含量；采用YC/T 159—2019［24］測定總糖和還原糖含量。樣品測試兩次，取平均值。

1.3 數據處理

采用MINITAB 軟件進行數據的統計分析，用Euclidean距離平方和平均法進行觀測值的聚類分析。

2 結果與討論

2.1 煙葉化學成分與采收時期的相關性分析

對5 個化學成分指標和采收時期進行相關性分析，結果（表2）顯示，總植物堿和鉀含量與采收時期的相關性達到極顯著水平，相關系數分別為0.872**和-0.915**，而糖含量與采收時期的相關性不顯著。總植物堿與鉀含量之間呈現顯著負相關，相關系數為-0.795**。依據采收時期與煙葉中主要化學成分含量的相關關系，選擇總植物堿和鉀含量作為聚類因子對不同采收時期的雪茄煙葉化學成分進行聚類分析。

表2 采收時期與主要化學成分間的相關性Tab.2 Correlations between harvest time and major chemical components

2.2 不同采收時期雪茄煙葉的聚類分析

用總植物堿與鉀含量作為聚類因子對不同采收時期雪茄煙葉進行聚類分析，得到不同聚類分組的聚類距離和相似性。如圖1所示，隨著聚類點群數量的增加，點群內的樣品相似性不斷增加，上升趨勢先快后慢，在聚類點群數為4個時，上升趨勢出現拐點并逐漸平穩，在聚類點群數為5 個時相似性達95.1%。點群之間距離水平與聚類點群數的趨勢相反，隨著聚類點群數的增加點群之間距離不斷降低，在聚類點數為4個時，下降趨勢出現拐點，曲線變得平緩，結果見圖2。

圖1 聚類點群數與相似性水平散點圖Fig.1 Scatter diagram of number of cluster groups and similarity level

圖2 聚類點群數與距離水平散點圖Fig.2 Scatter diagram of number of cluster groups and distance

由圖1和圖2可見，在趨勢的拐點處聚類點群數為4～6個，以聚類點群數4、5、6分別進行聚類分析，得到不同聚類分組的聚類質心。圖3表明，當聚類點群數為4個時，聚類分組之間的質心距離非常分散，但第1、2組及2、3組之間的距離過大；當聚類點群數為5個時，各組之間質心距離較為平均，質心分布均勻；當聚類點群數為6 個時，聚類分組3、4 之間距離過小，說明這兩組樣品中總植物堿和鉀含量差異較小。綜合聚類分組的距離水平和相似性水平，及聚類后質心的分布情況，以總植物堿和鉀含量作為聚類因子對不同時期煙葉品質進行聚類，當聚類點群數為5 個時，聚類距離、質心分布及相似性均較高。考慮煙葉采收時期與部位的關系，雪茄煙葉以部位分組是合理的。

圖3 聚類點群數為4、5、6的質心距離分布Fig.3 Centroid distance distribution at cluster group number of 4, 5 and 6

用總植物堿、總糖、還原糖、鉀和氯5項化學成分指標對聚類分析結果進行判別檢驗，結果見表3。從表3中可看出，只有第1組中1個樣品出現聚類不準確，表明聚類分組的可靠性較高。

表3 判別分析檢驗結果Tab.3 Results of discriminant analysis inspection

2.3 聚類后煙葉品質分布

以聚類點群數5進行觀測值聚類，聚類分組結果顯示聚類分組與采收時期保持較高的一致性，相近日期進入同一組中，只有部分樣品出現跨組現象，樣品分組情況見表1。其中4月8日的樣品，進入了第2組，4月13日的5個樣品中有2個進入了第1組，另外3個進入了第2組；4月21日有2個樣品和5月1日的1 個樣品共同組成了第5 組，見圖4。根據雪茄煙葉采收時期與葉位的關系，4 月13 日和4 月21 日采收的煙葉樣品可能出現下二棚和上二棚部位的煙葉，說明在煙葉分級中這兩個部位的煙葉容易出現部位分組界限不清的問題。

圖4 聚類點群5的聚類樹狀圖Fig.4 Clustering tree of cluster group 5

圖5顯示了總植物堿、鉀與身份在5個點群中分布均勻，點群之間距離明顯。總植物堿含量呈逐漸上升的趨勢，而鉀含量則相反，這與相關分析的結果一致。圖5還顯示出不同采收時期的雪茄煙葉聚類分組與煙葉身份的關系較為密切，隨著采收時期的推延，雪茄煙葉部位上升，分組中煙葉身份也逐漸增厚。第1分組煙葉基本上以薄和稍薄為主；第2分組只有稍薄；第3分組樣品數量較多，樣品身份以中等為主，只有1 個是稍厚；第4 分組樣品數量也較多，以稍厚為主，只有 1 個中等；第 5 分組有 3 個樣品，2 個身份為厚，1個稍厚。表明雪茄煙葉的身份與煙葉中總植物堿含量和鉀含量關系密切，是雪茄煙葉分級中重要的外觀品質指標，這與Ogilvie等［14］的研究結果一致。

圖5 總植物堿、鉀與身份指標在聚類點群中的分布Fig.5 Distributions of indexes of total alkaloids, potassium and body in cluster groups

總糖、還原糖、兩糖差和氯在聚類群組中的分布見圖6。從圖6中可以看出，糖含量在各個組中的分布離散性較強，且總糖、還原糖和兩糖差都表現出相同的特征；氯含量在各組中的分布則規律不明顯。總糖含量和兩糖差在組內分布有較明顯的差異，說明在部位分組后，糖含量可作為組內分級的依據。烤煙中相關研究表明，煙葉糖含量或糖堿比與烤煙品質尤其是感官品質間存在明顯的相關性［6，9］，而趙瑞等［10］對雪茄煙葉的研究也表明，糖含量與雪茄煙葉香氣、雜氣、刺激性和余味等呈顯著正相關，但本研究中沒有發現雪茄煙葉中糖含量與煙葉的外觀品質指標如身份、葉片結構和油分之間存在的相關關系，還有待進一步的研究。

圖6 總糖、還原糖、兩糖差和氯在聚類點群中的分布Fig.6 Distribution of total sugar, reducing sugar, disaccharide and chlorine in cluster groups

4 結論

巴西3 號雪茄煙葉化學成分中總植物堿和鉀含量與采收時期存在極顯著的相關性，相關系數分別為0.872**和-0.915**。以總植物堿和鉀含量作為聚類因子，對不同采收時期的雪茄煙葉進行聚類分析，當聚類點群數為5個時，聚類點群之間距離、質心分布和聚類相似性水平均較高，用化學成分指標進行判別分析也證實了聚類分組的可靠性。總植物堿和鉀含量可作為表征不同采收時期或不同部位雪茄煙葉品質差異的重要參考指標。

根據采收時期與煙葉部位的關系，巴西3號雪茄煙葉聚類點群數為5個時對應雪茄煙葉部位分組較為合理，聚類后在各組煙葉中總植物堿含量呈明顯逐漸上升的趨勢，而鉀含量則相反，糖含量在各個聚類點群中的分布離散性較強，氯含量在各組中的分布規律不明顯。巴西3號雪茄煙葉聚類分組后總植物堿和鉀含量與煙葉身份的關系密切，表明身份特征可作為雪茄煙葉分級的重要外觀品質指標。