不同硃砂斑程度煙葉質量分析與糯米香預測模型構建

關鍵詞：硃砂煙；硃砂斑程度；煙葉質量；糯米香

硃砂煙具有獨特的糯米香香韻[1]，是中式卷煙的優質特色原料，因其調制后煙葉外觀呈均勻分布的點狀或片狀硃紅色斑，俗稱硃砂煙，國外將其稱之為“櫻桃紅”（CherryRed）煙葉[2]。2019年，云南省煙草農業科學研究院利用云煙87變異株，選育出了遺傳穩定的硃砂2號品種[1]，開始在云南大面積推廣種植，并逐步應用到部分卷煙工業企業的高端卷煙配方中。研究發現，硃砂斑的形成與去甲基煙堿密切相關[3-7]，且隨著硃砂斑程度的加深，去甲基煙堿含量增加[1]，同時面包酮、2-環戊烯-1，4-二酮、糠醇等致香成分含量也隨之增加[8]。但是，現階段關于不同硃砂斑程度煙葉表觀參數、常規化學成分、感官特性和致香成分的系統研究尚不足，關于硃砂斑程度的判定缺乏相關的客觀數據。糯米香為硃砂煙的典型特征，但糯米香程度隨硃砂斑程度變化規律，以及糯米香程度與致香成分的關系方面也尚無相關報道。因此，本研究首先通過儀器設備采集不同硃砂斑程度煙葉圖像信息，分析不同硃砂斑程度煙葉表觀參數差異；同時分析不同硃砂斑程度煙葉的常規化學成分、感官質量以及致香成分含量特征；最后利用偏最小二乘法，探索糯米香程度與致香成分含量之間的關系，以期為硃砂斑程度判別提供客觀依據，初步揭示不同硃砂斑程度煙葉的質量差異，并為糯米香風格特征解析提供重要參考。

1材料與方法

1.1試驗材料

2023年，選取代表性較強的紅河彌勒、曲靖陸良、曲靖麒麟、曲靖師宗、曲靖宣威和曲靖沾益6個產區的硃砂2號中部煙葉，在復烤加工前的煙葉二次分選環節各取樣5kg。取樣后，由云南省煙草煙葉公司煙葉分級人員依據硃砂煙外觀特征，將各產區樣品分成較輕、適中和較重3個檔次，共計18份樣品。各檔次外觀特征見表1。每份樣品取代表性較強的C3F等級煙葉15片，用于試驗相關檢測。

1.2測定項目及方法

1.2.1表觀參數的測定 將不同硃砂斑程度煙葉逐片攤平展開，正面朝上，平鋪于GTM-600型煙葉綜合測試臺（上海創和億電子科技發展有限公司）檢測區域，通過內部裝置逐片采集樣品圖像，儀器通過一定算法，將圖片中的背景噪聲與煙葉信息分離，得出煙葉表觀數據（包括R值、G值、B值、H值、S值、V值），其中RGB值為煙葉部分RGB像素均值，HSV通過公式轉化得到[9]，后人工計算R?G、R/G、G/（R+B）、（G?R）/（G+R）和（R?G）/（R+G+B）值。經過表觀參數測定的煙葉，進行去梗切絲處理，用于后續試驗。

1.2.2常規化學成分的測定 樣品處理參照丁根勝等[10]的方法，處理完成后利用傅里葉變換近紅外光譜儀（德國BRUKER公司，光譜分辨率8cm?1）采集樣本近紅外光譜，掃描64次，得到光譜信息后，通過模型，測算總糖、還原糖、總氮、總植物堿、鉀和氯6項常規化學指標。

1.2.3感官質量的測定 將切絲后樣品進行卷制，放于恒溫恒濕箱中，設定環境相對濕度65%，溫度（22±2）℃，平衡24h以上，使煙支含水量達到12%左右。由云南省煙草煙葉公司技術中心評吸，采用9分法，評價指標包括糯米香、清香、甜香、濃度、勁頭、香氣質、香氣量、雜氣、刺激性、余味10項，質量總分計算公式如下：

T：質量總分；Q：香氣質；V：香氣量；O：雜氣；P：余味；I：刺激性；α：總分轉化為100分的換算系數（本研究取值為100/9）。

1.2.4致香成分的測定 參考邱昌桂等[11]的方法，取切絲后煙葉200g用粉碎機（瑞典FOSS公司）粉碎，過250μm分樣篩，準確稱取25g平衡后的煙末樣品，采用同時蒸餾萃取法對樣品進行前處理，以二氯甲烷為萃取劑，萃取后對樣品進行平衡、濃縮處理。吸取1μL處理后液體，通過6890N/5975N氣相色譜/質譜聯用儀測定致香成分，載氣流速為1.0mL/min，通過程序升溫法進行化合物分離，利用NIST05及Wiley275譜庫進行物質定性，通過內標法對致香成分進行定量（萘為內標，濃度：100mg/L），致香成分含量計算公式如下：

M：致香成分含量，μg/g；Sa：化合物峰面積；Sb：內標峰面積；Vb：內標加入體積，mL；Cb：內標濃度，mg/L；M0：樣品質量，g。

1.2.5數據處理 運用Excel軟件進行數據整理及繪圖，利用spss26進行描述性統計分析和多重比較，運用SIMCA14.1進行正交偏最小二乘判別分析（OPLS-DA）及偏最小二乘回歸分析。

2結果

2.1不同硃砂斑程度硃砂煙表觀參數

由圖1和圖2可以看出，各產區硃砂煙表觀參數隨硃砂斑程度的變化呈現較強規律性，其中R值、G值、B值、H值和V值均隨硃砂斑程度的加深而逐漸降低，且差異顯著。S值則隨硃砂斑程度的加深逐漸升高，除紅河彌勒和曲靖師宗兩個產區的適中和較重硃砂斑程度間差異不顯著外，其余均存在顯著差異。同一硃砂斑程度，不同產區的表觀參數存在一定差異，整體來看，R值、G值、B值和V值以紅河彌勒最低，曲靖宣威最高，H值以曲靖沾益最低，曲靖宣威最高，S值在不同產區間無明顯變化規律。由此可見，硃砂煙表觀參數在不同硃砂斑程度煙葉中表現出較大差異，可考慮作為區分不同硃砂斑程度的指標。但同時，產區也會對部分表觀參數產生一定影響。

為驗證表觀參數對硃砂斑程度判定的可行性，將所有樣品分成較輕、適中和較重3組，每組90個樣品。參照張麗英等[12]方法，在已測定的RGB值和HSV值基礎上，對R、G和B值進行形式轉換，增加R?G、R/G、G/（R+B）、（G?R）/（G+R）和（R?G）/（R+G+B）5個表觀參數指標，通過有監督的模式識別方法OPLS-DA，建立硃砂斑程度判定模型。結果如圖3A所示，各硃砂斑程度樣品群體內有明顯的聚集趨勢，且3種硃砂斑程度的樣品群體彼此之間能夠較好地分離。此外，該模型的2個預測主成分和2個正交主成分對X變量變異的解釋能力為99.90%，說明該模型基本可以代表樣品全部信息。同時，R2Y和Q2均大于0.5，表明模型對Y變量變異的解釋能力和對不同硃砂斑程度的煙葉樣品的預測能力均較佳，模型擬合較好。

VIP值是衡量自變量對因變量重要程度的指標，VIP值越大，其對因變量的影響往往越大[13-14]。由圖3B可知，VIP值大于1的指標有R?G和S值，可以作為硃砂斑程度特征指標。

2.2不同硃砂斑程度硃砂煙常規化學指標

由表2可知，硃砂煙常規化學成分隨硃砂斑程度的加深所呈現的規律因產地不同存在一定差異。在總糖和還原糖含量上，紅河彌勒、曲靖陸良、曲靖麒麟和曲靖沾益以硃砂斑較輕煙葉含量最高，曲靖師宗以硃砂斑適中煙葉最高，而曲靖宣威則以硃砂斑較重煙葉最高；在總氮和鉀含量上，曲靖麒麟以硃砂斑適中煙葉最高，其他產區均表現為硃砂斑較重煙葉總氮含量最高，硃砂斑較輕煙葉鉀含量最高；在氯含量上，紅河彌勒以硃砂斑較重煙葉含量最高，其他產區則均以硃砂斑較輕煙葉含量最高。綜合來看，隨硃砂斑程度的加深，總糖、還原糖、鉀和氯含量逐漸降低，總氮和總植物堿含量逐漸升高，但總糖和總植物堿含量在不同硃砂斑程度煙葉間無顯著差異。硃砂斑程度較輕煙葉的還原糖和鉀含量顯著高于其他兩類別，而硃砂斑較重煙葉的總氮含量顯著高于其他兩類別，氯含量則以硃砂斑程度較輕煙葉最高，顯著高于硃砂斑程度較重煙葉。

2.3不同硃砂斑程度硃砂煙感官質量

不同硃砂斑程度硃砂煙感官質量如表3所示。在香氣特征上，綜合來看，硃砂斑程度越深，糯米香得分越高，清香得分越低；甜香得分在各類別間差異不顯著。在煙氣特征上，各類別間差異不顯著。在質量特征上，不同硃砂斑程度煙葉間各指標差異不顯著，但整體來看，香氣質、雜氣、刺激性、余味和質量總分整體以硃砂斑程度較輕和適中煙葉得分較高，硃砂煙斑程度較重煙葉得分較低，而香氣量則以適中和較重類別得分較高。

2.4不同硃砂斑程度硃砂煙致香成分

利用同時蒸餾萃取法，對樣品進行了致香成分檢測。共鑒定出71種致香成分（表4），包括醇類、酮類、酯類、酸類、酚類等。采用LSD多重比較法對3種不同硃砂斑程度煙葉進行分析后發現，有13種致香成分含量在不同硃砂斑程度煙葉間存在顯著差異，除3-（1-甲基乙基）（1H）吡唑[3，4-b]吡嗪外，3-羥基-2-丁酮、吡啶、面包酮等12種致香成分含量均以硃砂斑程度較輕煙葉最低，硃砂斑程度較重煙葉最高。

2.5基于致香成分和感官質量的糯米香程度預測

為研究致香成分含量對糯米香程度的影響，探究通過致香成分預測糯米香程度的方法，以感官質量中糯米香風格特征得分為因變量Y，71種致香成分為自變量X，通過偏最小二乘法，建立回歸模型。由雙標圖可以看出（圖4），糯米香指標（NM）位于右上方，4-吡啶甲醛（M22）、2-環戊烯-1，4-二酮（M11）、糠醇（M10）、吡啶（M4）等也處于右上區域，與糯米香指標接近，說明這些指標與糯米香呈正相關關系；藏花醛（M36）位于左下區域，且與糯米香距離較遠，說明該指標與糯米香呈負相關關系。

由表5可知，當選取2個主成分進行偏最小二乘回歸分析時，模型的R2Y（cum）及Q2（cum）分別為0.852及0.505，說明模型效果較好，穩定性可接受。模型校正集均方根誤差為0.477，說明模型準確率較高。交叉驗證集均方根誤差為0.818，相對均方根誤差為17.33%，大于15%，說明模型預測能力有待進一步提升。

由圖5可知，VIP值大于1.2的指標共有17個，其中4-吡啶甲醛VIP值最高，為2.23，其次為2-環戊烯-1，4-二酮、糠醇，VIP值均大于1.6。這些物質中，除藏花醛外，其余變量標準化系數均大于0，說明在一定程度上，隨著4-吡啶甲醛、2-環戊烯-1，4-二酮、糠醇、吡啶、面包酮等含量增高，藏花醛含量降低，糯米香程度有升高趨勢。

隨后，以VIP值大于1.2的17個致香成分作為自變量，糯米香為因變量，建立PLSR模型，結果顯示（表6），選取2個主成分時，模型的R2Y（cum）及Q2（cum）分別為0.877、0.728，較原模型均有所升高，說明新模型的效果及穩定性較原模型均有所提升。此外，新模型的校正集均方根誤差、交叉驗證集均方根誤差分別為0.436、0.590，相較原模型進一步下降，且相對均方根誤差均在15%以內，說明可以用于硃砂煙糯米香程度的預測。

3討論

本文研究了不同硃砂斑程度煙葉的表觀參數特征，結果表明R、G、B、H和V值均隨硃砂斑程度加深而降低，S值則隨硃砂斑程度的加深而升高。為客觀判定硃砂斑程度，本研究基于多項表觀指標建立了OPLS-DA硃砂斑程度鑒別模型，效果較好。變量重要性篩選結果表明，R?G值的VIP值最大，說明該指標是鑒定硃砂斑程度的最重要變量。研究表明，R與G之間的組合與煙葉葉綠素、類胡蘿卜素含量高度相關[12]，并一定程度上反映煙葉成熟度[15]，推測R?G值可能與硃砂斑程度決定因子存在密切聯系。本研究基于煙葉多項表觀參數構建的判別模型，可以初步判別硃砂煙硃砂斑程度，圖像特征提取方式簡便，對硬件要求不高，可操作性強，利用相機、黑箱、光源、計算機等，組裝成鑒定系統，便可達成在線作業，實現硃砂斑程度實時判定。但模型效果還有一定上升空間，未來，可通過提取圖像的紋理特征，包括紋理能量、紋理相關性、紋理熵等，提升有效特征數量，從而進一步提升模型效果。

煙葉的外觀特征與內在品質息息相關[16]，硃砂煙表觀程度的差異可能是內在物質變化引起的，這種物質變化受遺傳因素[1]、生態環境[17]、栽培措施[18-19]和烘烤工藝[20]等因素共同影響，本研究中隨著硃砂斑程度的加深，煙葉還原糖、鉀和氯含量有降低趨勢，而總氮含量則逐漸升高。在感官質量上，硃砂斑程度越重，糯米香風格越彰顯，清香風格越弱。從感官評吸得分來看，硃砂斑程度較輕和適中煙葉的總分分別為68.3分和68.7分，而硃砂斑程度較重煙葉的平均質量總分僅有66.1分，雖在統計學上無顯著性差異，但6個產地均以硃砂斑程度較重煙葉總分最低，說明硃砂斑程度對感官評吸質量可能存在一定影響。后續，作者將進一步開展此研究，以便為配方研發過程中平衡硃砂斑程度與感官總分提供依據。本研究共鑒定出71種致香成分，其中13種受硃砂斑程度影響較大，除3-（1-甲基乙基）（1H）吡唑[3，4-b]吡嗪外，其余成分均以硃砂斑較重煙葉含量最高，其中面包酮和2-環戊烯-1，4-二酮含量隨硃砂斑程度變化規律與李勇等[8]研究結果一致。差異成分中，吡啶具有特殊的惡臭刺鼻氣味，且在硃砂斑程度較重煙葉中含量最高，可能是導致感官評吸總分較低的原因；3-羥基-2-丁酮、面包酮、2-甲基丁酸、巨豆三烯酮等本身具有愉悅香味，且閾值較低，說明糯米香風格可能受多種物質共同影響。此外，本研究還基于致香成分建立了糯米香程度預測模型，該模型準確率較高，可應用于糯米香香韻程度預測。通過變量投影重要性值（VIP），篩選出了17種對糯米香程度影響較大的關鍵變量，其中大部分為美拉德反應產物（10/17），而初始變量中美拉德反應產物占比不高（20/71），說明美拉德反應途徑可能是決定硃砂煙糯米香韻的重要途徑。美拉德反應產物大部分具有焦香、烘焙香[21]等特征，可能會在一定程度上掩蓋清香特征，這也在一定程度上解釋了隨著硃砂斑程度升高，煙葉糯米香香韻增加，但清香程度降低的現象。未來還需借助HS-GC-IMS、香味重組技術等手段進一步明確硃砂煙糯米香形成的物質基礎。

4結論

本研究表明：（1）不同硃砂斑程度煙葉表觀參數差異顯著，R、G、B、H和V值均隨硃砂斑程度加深而降低，S值則隨硃砂斑程度的加深而升高。（2）基于OPLS-DA方法建立的硃砂斑程度外觀判別模型，R2Y和Q2均大于0.5，效果較好，R?G值和S值是最重要變量。（3）不同硃砂斑程度煙葉的常規化學、感官質量、致香成分存在一定差異，硃砂斑程度較重的煙葉總氮、3-羥基-2-丁酮、面包酮、2-甲基丁酸、巨豆三烯酮等含量較高，糯米香得分較高，硃砂斑程度較輕的煙葉還原糖、鉀、氯、3-（1-甲基乙基）（1H）吡唑[3，4-b]吡嗪等含量較高，清香得分較高。（4）4-吡啶甲醛、2-環戊烯-1，4-二酮、糠醇、吡啶、面包酮等17種致香成分對糯米香影響較大，基于這些物質建立的偏最小二乘回歸模型，模型相對均方根誤差小于15%，可以用于硃砂煙糯米香程度的預測。