烤煙均質化指標概念及計算模型

張久權,顧毓敏,蔡憲杰,閆鼎,王鑫,沈毅

烤煙均質化指標概念及計算模型

張久權1,顧毓敏2*,蔡憲杰2,閆鼎2,王鑫2,沈毅2

1. 中國農業科學院煙草研究所, 山東 青島 266101 2. 上海煙草集團有限責任公司, 上海 200082

為了對烤煙均質性進行定量度量，利用變異系數和倒型函數模型，提出了均質性指數的概念（Homogeneousness，）。利用SAS軟件建立了分段模型和倒型函數模型，以云南某地煙葉化學成分為例，計算了空間和時間維度的值。結果表明，分段模型3段的決定系數分別為0.9989，0.9990和0.9328，均達到了1%顯著水平；倒型函數模型的決定系數為0.9978。前者計算精度更高，但計算過程略為繁瑣。在時間維度上，某縣某鄉鎮煙葉在2015年～2019年間值（倒曲線法）分別為：煙堿92.00，總糖94.61，還原糖91.59，總氮93.82，鉀92.92，氯67.39，糖堿比81.74，氮堿比94.29，兩糖比94.76，鉀氯比60.76，化學成分總的值為86.70。在空間維度上，煙葉化學成分值某州、某縣和某煙站分別為74.18、72.30和90.88。該模型在國內外屬于首創，簡單、魯棒、實用性強、能夠很好地用來度量煙葉的均質化程度。

煙葉; 質量控制; 評價模型

近年來，卷煙工業對煙葉原料提出了越來越高的要求，主要體現在煙葉質量、均值性和可用性等方面。上世紀70年代，Akehurst B[1]等在CORESTA大會上提出了煙葉“可用性”的概念。后來，左天覺[2]對煙葉的可用性進行了進一步的闡述，強調了煙葉質量合意性或可用性的重要性。上世紀末，Hill D[3]又提出，可用性是煙葉對某種特定配方和加工過程適合程度的量度。本世紀初，朱尊權院士[4]認為，工業上要求的煙葉可用性其實是指該煙葉能制成優質的、受消費者歡迎的卷煙，并能保持香味穩定的性能。這些都強調了煙葉質量的一致性或均質性的重要性。

國內大品牌如中華、利群等擁有一大批長期穩定的煙民，其重要原因之一是其卷煙風格特色比較穩定。為了維持和提高卷煙品牌的地位，需要煙葉原料在風格特色、外觀質量、化學質量、評吸質量等方面保持穩定和均勻，這種質量的均衡性和穩定性，我們稱其為均質性。均質性包括時間和空間兩方面的內涵。在時間維度上，均質性是指煙葉質量在年度間保持一致；在空間維度上，是指不同地點所產煙葉質量保持基本相同。

地形地貌、土壤類型、海拔高度等生態因素[5]、烤煙栽培管理和品種[6]、葉片部位等因素可能造成煙葉質量的變化，年度間氣候差異也可能造成煙葉質量的不同，因此，煙葉質量不管在時間維度還是在空間維度都存在一定的變異，煙葉質量不十分穩定。雖然煙葉質量均質性問題在行業內受到了越來越多的關注，各地紛紛開展煙葉質量均質化方面的研究，但如何對均質化程度進行定量評價，目前在煙草界還沒有公認的指標體系。筆者利用和倒型模型，提出均質性指數的概念，建立計算模型，并用實例說明計算過程和精度。期望能建立一個簡單、實用和通用的均質性指標體系，為提高卷煙工業原料保障提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 材料

2018年烘烤結束后在云南某地收集C2F煙葉樣品222份，每份2.0 kg。粉碎過40目篩后采用Nicolet Antaris傅立葉近紅外光譜儀（美國賽默飛世爾科技有限公司）測定煙葉化學成分[7]。同事收集到該地某鄉鎮5年（2015～2019）煙葉（C2F）化學成分數據，均采用近紅外光譜儀法檢測[7]。

1.2 指標原理

由于受生態條件、生產管理措施、烤煙品種等因素等影響，煙葉質量在時間和空間維度上會出現較大差異。圖1是云南某地中部葉（C2F）還原糖含量頻數分布，平均23.47%，中位數23.66%，最低15.82%，最高33.62%，最低與最高二者相差17.80%，達1.89倍，標準差3.11，變異系數13.25%。經過統計檢驗[8]，發現正態分布擬合的3種檢驗Kolmogorov-Smirnov、Cramer-von Mises、Anderson-Darling所得值分別為0.0371、0.0588、0.4861，值分別為>0.150、>0.250、0.230，說明其完全符合正態分布。從圖1可以看出，不同取樣點間煙葉還原糖含量波動較大，結果落在平均值23.47%附近的最多，離平均值越遠，樣品分布越少。當然，煙葉質量指標也可能呈其他分布，但一定存在變異。為了提高煙葉的配伍性，我們希望所有取樣點的煙葉還原糖含量保持一致，均為23.47%左右，即各地點的煙葉質量具有均質性。

還原糖 Reducing sugar/%

為了對煙葉質量的均質化程度（Homogeneousness，）進行度量，我們可以直接用變異系數來表示，如圖2中的直線所示，即與均質性值呈反比和直線關系。煙葉質量某指標的變異越大，值越高，煙葉質量均質化程度越低，越小。2018～2019年間，經過多次調研后發現該模式并不完全符合卷煙工業對煙葉質量要求的實際情況。在進行卷煙配方時，煙葉質量變異的耐受范圍并不是恒定的。因此，我們設計了更合理的均質性評價曲線，如圖2中曲線實線所示。當值小于拐點c1時，煙葉的可用性較高，因此隨著的增加，均質性下降較緩慢；當值大于拐點c2時，煙葉的可接受程度較低，均質性得分變化也趨緩；當位于c1與c2之間時，曲線較陡，整個曲線呈倒型[9]。因此，就針對不同區段值，對均質性得分進行區別對待。

1.3 指標模型

根據上述原理，首先確定值與值的對應關系（表1，圖2中的實心圓點），將這些實心圓點連接起來，形成倒型曲線。從圖2看出，曲線有拐點c1和c2，值分別24%和51%，各個卷煙企業可以對拐點值進行微調。曲線確定后，需要進一步建立數學模型來表示其函數關系，以便根據計算值。本研究采用2種方案進行模擬。

圖 2 均質性指數H與變異系數（CV）的關系

注：黑色實心圓點表示與值的對應關系；曲線由實心圓點連接而成，為倒型曲線；空心圓點表示倒型模型計算結果（2）；三角形點表示分段模型計算結果（1）。

Note: The curve connected by black solid dots represent a theoretical inverted S-shaped curve (). The hollow dots show the predicted values by the inverted-type model (2), and the triangles by the segmented model (1).

表 1 CV與對應的H值以及2種模型精度

1.3.1 分段模型以表1中的原始值為自變量，為因變量，利用SAS軟件分3段進行回歸分析，結果見表2。三個方程2均達到1%顯著水平，前2段擬合優度更好，第三段稍差。

表 2 分段模型及其決定系數

注：**表示1%顯著。

Note: ** 1% significant level.

1.3.2 倒型曲線模型利用SAS的Nlin程序進行曲線擬合，得到如下方程（1）。

采用如下公式，進行2的近似計算。

1.4 均質化綜合指數的計算

采用表2中的模型或式（1）可計算煙葉質量單個指標的均值化指數，但煙葉質量涉及的指標很多，包括外觀質量、物理特性、化學成分、感官質量和安全性等，化學成分又包括總糖、還原糖、總氮、總堿、氯、鉀含量等多個指標，可以先通過計算各個指標的值，然后采用指數和法[10]計算某一區域或年度間的值如下：

其中，為因子數目，W為因子的權重，H為因子煙葉質量均質性得分。由于權重0.0～1.0，各因子的均質性得分為0～100，因此，所得某區域或年度的值也在0～100的范圍。各因子的權重可以通過采用層次分析法（AHP）或更先進的網絡層次分析法（ANP）確定[10,11]。本研究采用AHP法，經過多位專家打分，得出的指標權重為：總糖0.03497，還原糖0.05373，煙堿0.20089，總氮0.08296，K 0.0228，Cl 0.0228，糖堿比0.21244，氮堿比0.14692，兩糖比0.11209，鉀氯比0.1104。

2 結果與分析

2.1 計算精度

采用分段模型計算時，當小于50%時，精度很高；當大于50%時，精度相對較低（圖2中的）。從表1中可以看出，當小于47%時，相對誤差均小于0.80%，精度高；當超過50%時，由于值本身很小，相對誤差明顯增大。

采用倒S型曲線模型計算時，絕對誤差是中間低，兩頭較高（圖2）。相對誤差變化趨勢與分段模型類似，當小于50%時，相對誤差很小，用方程（1）能很精確地對值進行計算；當大于50%時，某些點偏離曲線。從表1也可以看出，當小于47%時，相對誤差的絕對值均小于3.03%，精度高；當值超過50%時，由于值本身很小，相對誤差明顯增大，然而，在煙葉生產中，值超過50%的情況少見。

兩種模型比較，分段模型總體計算精度要高于倒型模型。但計算過程前者略顯繁瑣。讀者可根據具體情況靈活選用。

2.2 空間維度上的均質化指數

作為實例，選用了某縣某煙站2018年所收購的煙葉（C2F）化學成分數據。該煙站包括2個鄉（鎮）共21個樣品，每個村1個樣品。按照不同地點計算各指標的值，然后分別計算1和2值（表4）。該縣81個樣品和該州222個煙葉樣品的計算過程相同，結果見表3。可以看出，一般情況下空間范圍越大，值越小，均質性越差。這種趨勢總糖、還原糖、總氮、K、Cl、兩糖比等指標表現明顯，如Cl含量的1值某煙站為72.57；某縣65.73，全州36.99。空間范圍越廣，生態條件相差越大，煙葉質量差異越大，因而均質化程度越小。在進行煙葉調撥時，為了保證煙葉的均質性，可以將調撥范圍控制在一定的空間范圍內。在一定范圍內，如一個基地單元，我們希望值越高越好；然而，在全國范圍來看，不同生態區間值越大越好，以便充分體現不同風格特色。

從該州總體來看，煙葉化學成分均質性達到72.52（表3），總糖、還原糖、總氮、K、氮堿比、兩糖比等的均質性都非常好，1值達到90以上。Cl離子含量、糖堿比、鉀氯比很低，1分別為36.99，42.83，40.85。為了提高全州煙葉化學成分的均質性，應該從改善這3個指標著手。

從表3還可以看出，兩種模型值計算結果誤差很小，絕大多數情況下絕對誤差小于1.0；相對誤差也小于1.0%。Cl離子含量、糖堿比、鉀氯比誤差較大，主要是因為這3個指標的值較高，位于曲線的中段（圖2），曲線斜率較大，對的變化較敏感造成的。

表 3 某州不同空間尺度煙葉化學成分均質化指數（H值）及兩種方法結果比較

注:TS:總糖，RS:還原糖，TN:總氮，TS/N:總糖/煙堿，N/N:氮/煙堿，TS/RS:總糖/還原糖，CC:化學成分。

Note: TS: total sugar, RS: reducing sugar, TN: total nitrogen, TS/N: total sugar/nicotine, N/N: nitrogen/nicotine, TS/RS: total sugar/reducing sugar, CC: chemical component.

2.3 時間維度上的均質化指數

表 4 云南某縣X鄉鎮煙葉（C2F）化成成分含量、比值及其均質性指數

注:TS:總糖，RS:還原糖，TN:總氮，TS/N:總糖/煙堿，N/N:氮/煙堿，TS/RS:總糖/還原糖，CC:化學成分。

Note: TS: total sugar, RS: reducing sugar, TN: total nitrogen, TS/N: total sugar/nicotine, N/N: nitrogen/nicotine, TS/RS: total sugar/reducing sugar, CC: chemical component.

表4是云南省某州某縣某鄉鎮煙葉（C2F）化學成分含量和比值（因涉及保密，具體名未列出），按年度計算的值以及1和2?？梢钥闯?，該鄉鎮煙葉化學成分5年間差異不大，均質性指數高，化學成分值超過85。煙堿、總糖、還原糖、總氮、鉀、氮堿比、兩糖比的2值都超過了90，分別為92.00、94.61、91.59、93.82、92.92、94.29和94.76，這些化學成分年度間穩定；糖堿比的變異稍大，2值為81.74；年度間變異最大的是氯離子含量和鉀氯比，2值分別為67.39和60.76。兩種模型比較，誤差較小，絕對誤差均小于2.8；相對誤差小于3.0%。

3 討論

煙葉質量受生態條件[5]、種植方式、烘烤等因素的影響[12]。每年煙草公司收購煙葉時，要經過煙農自己分級、上門預檢、收購點分級檢驗等流程，十分繁瑣，但工商交接過程中仍然存在混部位、混組別、混級別的現象[13]。工業企業在復烤廠還要進行片選等流程，非常耗時費力。為了保證煙葉質量的均質性，這些都是必須要認真完成的流程。經過這些流程，煙葉質量的均質性雖然有所提高，尤其是外觀質量，其他質量指標如煙葉化學成分的均質性，仍然得不到保證。不管是在時間維度、還是在空間維度，保持煙葉質量的均質性是卷煙配伍的長期要求[3]，一直以來受到卷煙企業的高度重視。

煙葉質量指標包括外觀質量、物理特性、化學成分、感官質量和安全性等5大類，每類又包括多種指標，如煙葉常規化學成分指標包括總糖、還原糖、總氮、總堿、氯、鉀含量、以及他們的比值等。這些指標絕大部分都是定量的。但如何用這些指標來定量地反映煙葉質量的均質性，目前還缺乏統一的標準。本研究首次提出了均質性的計量方法，該方法既適用于單個指標，如該州煙區2018年還原糖的均質性指數為92.61（表3）；又能計算綜合指標，如該州2018年化學成分均質性指數為72.52。相應地，該方法既適用于時間維度的均質性計算；也可用于空間維度的計算。能廣泛用來衡量煙葉質量的均質性水平。

本研究根據卷煙工業企業的實際需求，將變異系數和均質性指數有機地結合起來，既為值的計算帶來了便利，又能科學、客觀地對煙葉質量的穩定性進行度量。杜文等[14]以煙葉還原糖、總堿、氯和鉀含量的標準偏差為變量，建立了煙葉質量一致性的計算模型，但模型中涉及到調整系數，給計算過程帶來了不確定性和難度，不易推廣運用。杜閱光等[15]也采用煙葉煙堿、總糖、鉀、氯4指標的變異系數，實現對打葉復烤過程中的均質化程度的調控。由于其僅僅采用變異系數為指標，沒有顧及工業企業對一致性要求的實際情況，因此他們所用的方法有待改進。本研究既避免了計算過程的不確定性，又充分考慮了工業企業對一致性要求的實際情況，并將均質化程度作用一個單獨的指標進行量化，實用性大大提高。

4 結論

通過建立倒型曲線，采用變異系數對煙葉的均質性進行了刻畫，建立了煙葉質量均質性指標模型，該模型在國內外屬于首創，具有很好的科學性、實用性和通用性，能夠在所有煙葉產區推廣運用，為卷煙工業企業進行煙葉調撥提供科學、客觀參考。在烤煙生產上，為了提高煙葉的均質性，我們可以采用多種措施，如抓好規劃布局，提高集中連片種植面積比例；分批次集中育苗，提高煙苗整齊度；提高整地質量；減少移栽時間間距；采用膜下小苗移栽，縮短還苗時間，提高生長整齊度；全面落實綠色防控，減少煙田發病率；集中烘烤等等。

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The Concept and Calculation Model of Flue-cured Tobacco Homogeneity Index

ZHANG Jiu-quan1, GU Yu-min2*, CAI Xian-jie2, YAN Ding2, WANG Xin2, SHEN Yi2

1.266101,2.200082,

Concept of homogeneity index (Homogeneousness, H) is proposed by using the coefficient of variation and the inverted S-type model, so that homogenization of tobacco leaf can be quantified scientifically. A segmented model and an inverted S-type model were established using SAS system.-values of spatial and time dimensions were calculated by using the chemical composition of the tobacco leaf from Wenshan prefecture in Yunnan province. The results showed that the R2for the segmented model were 0.9989, 0.9990, and 0.9328 for each of the 3 segments, respectively, with a 1% significant level, while the R2for the inverted Model S was 0.9978. The former had higher accuracy but the calculation process was slightly cumbersome. In term of timeline, theindex (inverted S curve method) for tobacco leaves from a township, Yanshan county between 2015 and 2019 was: nicotine 92.00, total sugar 94.61, reduced sugar 91.59,total nitrogen 93.82, potassium 92.92, chlorine 67.39, (total sugar)/nicotine 81.74, nitrogen/nicotine 94.29, (reduced sugar)/(total sugar) 94.76, K/Cl 60.76, respectively. Theindex for chemical composition is 86.70. In space dimension, the H index for leaf chemical composition is 74.18, 72.30, and 90.88 for Wenshan prefecture, Yanshan county, and Pingyuan township, respectively. Thisindex is proposed and tested first time in the world, which is simple, robust, practical, and can readily measure the degree of homogenization of tobacco leaves.

Tobacco; quality control; assessment model

TS41

A

1000-2324(2023)02-0231-07

10.3969/j.issn.1000-2324.2023.02.011

2021-08-31

2021-11-05

上海煙草集團有限責任公司重點項目:品牌導向的文山煙葉品質區劃研究(20193100001-40873);上海煙草集團有限責任公司重點項目:提升煙葉質量均質化的關鍵生產技術研究與推廣(20183100001-40875)

張久權(1965-),男,博士,副研究員,主要從事煙草栽培和信息方面的研究. E-mail:zhangjiuquan@caas.cn

Author for correspondence. E-mail:guym@sh.tobacco.com.cn