煙葉中微量元素差異及其與外觀品質關聯分析

王 林，周紅審，王 昊，周 平，李少鵬，陳海清，王愛國，郭建華*，宋紀真

1. 湖北中煙工業有限責任公司，武漢市東西湖區金山大道1355 號黃鶴樓科技園 430000 2. 江蘇中煙工業有限責任公司，南京市建鄴區興隆大街29 號 210000 3. 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

外觀質量是煙葉質量的重要組成部分，是煙葉生產、收購以及調撥的主要參考依據［1］。煙葉外觀質量與內在成分密切相關，是煙葉化學成分的綜合表現［2］。探究煙葉外觀質量與化學成分間的關聯有助于剖析外觀質量形成的物質基礎，為調節生產措施、改善煙葉質量提供依據。

中微量元素是植物必不可少的營養元素，在植物的光合作用、能量代謝和蛋白質合成等方面起著重要作用［3-6］。它們的缺失不僅會造成煙葉內在化學成分失調、可用性降低，還會影響烤煙品質。戴彬等［7］研究發現煙葉中微量元素含量與化學成分存在顯著相關關系，可以通過調節煙葉中的Mn、Cu、Zn 和Ca 含量以緩解湖南煙區煙葉糖堿比偏低的狀況，從而提高煙葉可用性。郭建華等［8］分析了煙葉中微量元素含量與物理特性指標的相關關系，發現煙葉中Fe、Ca 和Mg 含量越高，則煙葉越厚，葉片越緊密，并且過高的Ca 含量會降低煙葉的吸濕性能。戴華鑫等［9］探討了煙葉部分中微量元素含量和評吸指標的相關性，發現Ca、Mg、Fe 含量對評吸質量影響較大。目前，中微量元素與煙葉質量關系的研究主要集中在煙葉化學指標、物理特性和吸食品質等方面，而對中微量元素與外觀質量關系的研究較少。為此，對比分析了我國主要植煙區煙葉中微量元素含量，并探討其與外觀質量的相關性，以期為提高煙葉外觀品質提供參考。

1 材料與方法

1.1 樣品采集

采集福建、貴州、河南、湖南、四川、云南6 個主要植煙省份C3F 等級烤煙煙葉樣品，每個省份選擇收購量大于5 萬擔的植煙縣進行取樣，2017及2018 年連續采集2 年，共采集264 個樣品，其中福建24 個，貴州44 個，河南24 個，湖南40 個，四川40 個，云南92 個。各省份采樣比例大致與煙葉種植面積相匹配。

1.2 樣品分析

1.2.1 中微量元素測定

烤煙中Mn、Fe、Cu、Zn、Ca 和Mg 6 種元素含量采用微波消解-原子吸收火焰分光光度法測定［10］。

1.2.2 煙葉外觀質量鑒定

由煙葉分級高級技師組成的專家組對煙葉顏色、成熟度、葉片結構、身份、油分和色度6 項指標進行定性和定量分析［11］，并采用中國煙草種植區劃［12］確定的指標權重計算煙葉外觀質量總分。

1.3 數據分析

采用SPSS 19.0 軟件對數據進行統計分析，用單因素法方差分析和Duncan’s 新復極差法比較檢驗顯著性差異，用Pearson 相關系數雙側檢驗相關性。采用DPS 9.50 軟件將煙葉外觀質量總分與中微量元素進行灰色關聯度分析。

表1 煙葉中6 種中微量元素含量描述性統計Tab.1 Descriptive statistics of contents of six medium to trace elements in tobacco leaves

2 結果與分析

2.1 主產地煙葉中微量元素含量及外觀質量

主要植煙區域煙葉中微量元素含量描述性統計分析見表1。各元素含量范圍Mn 為14.24～452.10 mg/kg，Fe 為46.62～613.98 mg/kg，Cu 為1.13～72.79 mg/kg，Zn 為6.32～123.09 mg/kg，Ca 為6.14～48.44 g/kg，Mg 為0.88～7.27 g/kg。6 種元素變異系數在31.03%～85.05%之間，Cu變異系數最大，表明樣本間差異較大，有必要進一步分析不同產地煙葉中微量元素差異。各元素偏度系數和峰度系數均為正，表明數據多在均值左側，數據較為集中。

主要植煙區域煙葉外觀指標分值描述性統計分析結果見表2。由表2 可見，顏色、成熟度、葉片結構、身份、油分和色度得分均值分別為8.14、8.07、7.95、7.53、6.06 和5.63 分。各外觀指標變異系數在3.63%～11.78%之間，多數指標變幅較小，油分變幅略大于其余指標。除色度之外，其余外觀指標偏度系數均為負，峰度系數均為正，表明數據多在均值右側，數據較為集中。

表2 煙葉外觀質量指標分值描述性統計Tab.2 Descriptive statistics of leaf appearance quality indexes

圖1 煙葉中6 種中微量元素含量分布Fig.1 Content distributions of six medium to trace elements in tobacco leaves

2.2 不同產地煙葉中微量元素含量分布

參照打頂時第10 片的煙葉營養元素含量豐缺評價標準［13］，對烤煙C3F 等級煙葉中微量元素進行劃分，以明確主產地煙葉中微量元素含量的分布狀況。由圖1 可見，僅有6.88%的主產地煙葉Mn 含量低于40 mg/kg，Mn 含量在40～150 mg/kg之間和大于150 mg/kg 的樣品分別占52.24%和40.58%，多數樣品Mn 含量處于適宜范圍。主產地煙葉Fe 含量均低于800 mg/kg，67.75%的樣品Fe含量在50～200 mg/kg 之間。Cu 含量小于3 mg/kg和大于20 mg/kg 的樣品比例僅為10.87% 和5.43%，63.77%的煙葉Cu 含量在5～20 mg/kg 之間。煙葉Zn 含量在20～30 mg/kg 和30～60 mg/kg的樣品分別占32.61%和40.94%。65.94%的煙葉Ca 含量在15～25 g/kg 之間，Ca 含量小于12 g/kg、12～15 g/kg 和 高 于25 g/kg 的 樣 品 比 例 相 當。92.75%的煙葉Mg 含量小于5 g/kg，Mg 含量在2～3 g/kg和3～5 g/kg之間的樣品占比接近，均約為35%。

2.3 不同產地煙葉中微量元素含量差異

由表3 可見，6 個主要產地煙葉中微量元素間存在顯著差異。福建、貴州產地煙葉Mn 含量較高，顯著高于云南、湖南和河南產地煙葉，河南產地煙葉Mn 含量不足福建或貴州煙葉的60%。Fe含量以河南產地煙葉最高，平均達265.52 mg/kg，極顯著高于其余產地煙葉；云南產地煙葉Fe 含量次之，顯著高于福建與貴州煙葉，但與湖南和四川產地的煙葉無顯著差異。煙葉Cu 含量以河南相對較高，顯著高于福建、湖南和四川產地煙葉，但與貴州和云南產地煙葉無顯著差異。煙葉Zn 含量呈福建＞湖南、貴州、四川、云南＞河南的趨勢，福建產地煙葉Zn 含量約為河南產地的3.8 倍，差異顯著。戴華鑫等［9］從煙草種植區尺度分析認為東南煙區煙葉Ca 含量顯著低于其余煙區，本研究中發現煙葉Ca 含量呈河南＞貴州、云南、湖南＞四川＞福建的趨勢，福建煙葉Ca 含量僅為河南煙葉的35%，顯著偏低，但同處于東南煙區的湖南煙葉Ca 含量則顯著高于福建，與云南和貴州煙葉接近，表明同一煙草種植區煙葉中微量元素含量也可能存在較大差異。煙葉Mg 含量呈河南＞四川、云南、貴州＞福建、湖南的趨勢，河南產地煙葉Mg含量約為四川、云南或貴州三地煙葉的1.2 倍，為福建或湖南煙葉的1.7 倍左右。整體看來，煙葉中微量元素含量存在一定地域差異，河南、福建煙葉中微量元素含量與其余產地差異較大。

表3 不同產地煙葉6 種中微量元素含量差異Tab.3 Contents of six medium to trace elements in tobacco leaves from different producing areas

2.4 不同產地煙葉外觀質量差異

由表4 可見，四川和貴州煙葉顏色分值顯著高于其余產地，福建煙葉顏色分值顯著偏低，其原因為福建產區煙葉類胡蘿卜素含量顯著偏低，導致煙葉顏色普遍偏深，葉面隱含暗紅色［14］。河南產地煙葉成熟度分值顯著低于四川和貴州產地煙葉。云南、四川、湖南和河南4 地煙葉身份分值平均在7.6～7.8 分之間，福建煙葉身份分值顯著偏低與該產地煙葉葉面密度較低有關［15］。四川煙葉油分較足，油分分值顯著高于其余產地煙葉。整體而言，福建和四川兩地煙葉外觀質量與其余產地煙葉差異略大，四川產地煙葉顏色、成熟度、身份、油分和色度分值均較高，外觀質量顯著高于其余產地，福建煙葉大多數外觀指標分值偏低。

表4 不同產地煙葉外觀質量差異Tab.4 Appearance qualities of tobacco leaves from different producing areas (分)

2.5 煙葉中微量元素含量與外觀指標間的相關性

煙葉外觀質量與內在化學成分之間關系密切，外觀質量是其物質基礎即煙葉化學成分在外觀特征上的表現［2，16］，如表5 所示，Mn 含量與煙葉身份分值呈顯著負相關關系，與葉片結構呈極顯著正相關關系。Fe 含量與各外觀指標間均存在負相關關系，僅與油分間呈顯著負相關關系。Cu 含量與煙葉外觀質量關系密切，與顏色、成熟度、葉片結構和色度間均存在顯著或極顯著的負相關關系。Zn 含量與顏色呈顯著負相關關系。Ca 和Mg含量與油分間均呈極顯著負相關關系。6 種中微量元素含量與外觀質量總分間均無明顯相關性。

表5 6 種中微量元素與煙葉外觀質量相關性①Tab.5 Correlations between six medium to trace elements and appearance quality of tobacco leaves

2.6 煙葉中微量元素含量與外觀指標間的灰色關聯分析

將6 種元素含量和煙葉外觀質量總分進行關聯分析，計算序列間的關聯系數。灰色關聯分析的基本思想是根據曲線幾何形狀的相似程度來判別其聯系是否緊密，曲線越接近，相應序列之間關聯度就越大；反之關聯度則越小［17］。Cu 與外觀質量的關聯系數大于0.9，Fe、Zn、Ca 的關聯系數在0.80～0.85 之間。根據關聯系數（表6）排序，各元素對外觀質量的關聯程度依次為Cu＞Zn＞Fe＞Ca＞Mn＞Mg。可見，Cu 含量對外觀質量影響最大，其次是Zn、Fe、Ca，Mg 對外觀質量影響相對較小。

綜合看來，Cu、Zn 與多數外觀指標間存在一定的負相關，與顏色的相關關系達到顯著水平，且這兩種元素與外觀質量之間的灰色關聯度更高，因此，煙葉生產過程中應注意Cu、Zn 的合理施用，以提升煙葉品質。

表6 6 種中微量元素與外觀質量的灰色關聯分析Tab.6 Grey correlation analysis between six medium totrace elements and leaf appearance quality

3 討論

我國6 個主要烤煙產地煙葉Mn、Fe、Cu、Zn、Ca 和Mg 含量分別集中 在40～150 mg/kg、50～200 mg/kg、5～20 mg/kg、20～60 mg/kg、15～25 g/kg 和2～5 g/kg 之間。煙葉中微量元素含量存在一定的區域差異，河南產地煙葉Mn、Zn 含量偏低，Fe、Cu、Ca 含量較高；福建產地煙葉Mn、Zn 含量偏高，Fe、Cu、Ca 含量偏低；云南、貴州、四川3 地煙葉中微量元素含量接近。

現有研究對于煙葉中微量元素的適宜含量報道不一，有研究［18-19］認為煙葉Mn 的含量在140～700 mg/kg 之間、Zn 的含量在51～84 mg/kg 之間較為適宜，對比該范圍，河南煙葉Mn、Zn 整體偏低。煙葉的成熟度體現為內含物質的轉化及協調程度，葉片結構體現為煙葉細胞排列的疏密程度［15，20］。有研究認為以河南為典型產地的黃淮煙草種植區煙葉成熟度一般，葉片結構趨緊，本研究中也發現河南產地煙葉成熟度和葉片結構分值偏低。Zn 具有多種植物生理功能，但主要功能是對蛋白質和碳水化合物的合成起主要作用［21］。已有研究證實，在缺Zn 條件下植物發育不良，即使恢復Zn 的供給也會延遲成熟，并導致產量下降［22］，這可能是導致河南產地初烤煙葉成熟度欠佳的原因之一。

Cu 和Ca 是煙株生長發育和品質形成必需的元素，Cu 在植物光合、呼吸、抗氧化、細胞壁代謝以及激素反應中起著重要作用［23］。Cu 含量與煙葉香氣質、雜氣和余味等吸食品質呈顯著負相關關系［9，24］，與煙葉葉片厚度和含梗率呈顯著負相關關系，與煙葉拉力呈顯著正相關關系［8］。Ca 是細胞壁結構的基本成分，以往研究［8，25］表明Ca 含量高的煙葉偏厚且填充性能和吸濕性能差。本研究中發現，相比其他5 種中微量元素，Cu 含量對煙葉外觀質量影響最大，與顏色、成熟度、葉片結構和色度間均存在顯著或極顯著的負相關關系。本研究中還發現Zn 含量與顏色分值間存在顯著的負相關關系。福建產地煙葉Cu、Ca 含量顯著低于其余產區，而Zn 含量顯著高于其余產區，這也許是該產地煙葉外觀質量提升的限制因素，煙葉生產過程中應重點關注Cu、Ca、Zn 的合理配施。

煙葉外觀質量是煙葉分級和收購的重要依據，在煙葉生產和質量評價中具有重要作用。顏色是煙葉分級的重要因素，也是煙葉外觀質量評價的主要指標，對外觀質量的貢獻高于其余指標［12］。本研究中發現，6 種中微量元素與外觀質量灰色關聯度排序為Cu＞Zn＞Fe＞Ca＞Mn＞Mg，Cu、Zn 含量對煙葉外觀質量的影響最大，這主要是因為Cu、Zn 與煙葉的顏色密切相關。多酚氧化酶（PPO）是煙葉中非常重要的一種酶，它是一種含銅的金屬酶，Cu2+在PPO 發揮作用的活性中心，該類酶在組織發育過程中形成，并貯存于葉綠體中，煙草中的PPO 在調制過程中能催化氧化多酚類化合物，形成深棕色醌類聚合物，影響煙葉的外觀質量［26］。已有研究認為金屬離子對PPO 的活性會產生一定影響，肖厚榮等［27］、姬懿珊等［28］研究均發現Cu2+對PPO 活性具有雙向作用，低濃度的Cu2+對PPO 酶活性有提高作用，高濃度的Cu2+則對PPO具有抑制作用。林慶同等［29］研究認為Zn2+對PPO酶活力的影響大于Fe3+、Mn2+等離子。此外，銅對葉綠素的形成也有直接關系。植物中高達70%的銅集中在葉綠素中，銅可以保持葉綠素的穩定［30］。現有研究還認為一定濃度范圍的硫酸銅可使煙葉成熟均勻，增加煙葉身份［25］。本文中的中微量元素與煙葉外觀指標的相關分析結果也表明，Cu、Zn 兩種元素含量與顏色指標分值間存在顯著的負相關關系，而其他元素與顏色指標間則不存在顯著相關關系。同時，Cu 含量與成熟度指標分值間也存在極顯著的相關關系，而成熟度指標也是煙葉分級的重要參考因子之一，對外觀質量的貢獻度僅次于顏色指標［12］，這些結論均證實了Cu、Zn 兩種元素對煙葉外觀質量的重要作用。

4 結論

烤煙煙葉中6 種中微量元素與外觀質量灰色關聯度排序為Cu＞Zn＞Fe＞Ca＞Mn＞Mg，Cu、Zn 含量對煙葉外觀質量的影響較大。煙葉中微量元素含量存在一定地域差異，福建產地煙葉Cu 含量及河南產地煙葉Zn 含量偏低，煙葉生產過程中應適量提高Cu、Zn 的施用量，以提升煙葉外觀品質。