基于主成分分析法的清香型烤煙上部葉烘烤工藝研究

農(nóng)晚意，蔣鳳雪，王繼明，鄭元仙，何元?jiǎng)?，高玲玲，陳小龍，苗曉輝，羊紹武，余磊，趙文龍*，黃飛燕*

(1 昆明學(xué)院農(nóng)學(xué)與生命科學(xué)學(xué)院/云南省都市特色農(nóng)業(yè)工程技術(shù)研究中心，云南 昆明 650214；2 云南省煙草公司臨滄市公司，云南 臨滄 677000； 3 河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)副產(chǎn)品加工研究所，河南 鄭州 450002； 4 河南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司，河南 鄭州 450000)

烘烤在煙草生產(chǎn)過程中至關(guān)重要[1]，也是決定煙葉產(chǎn)質(zhì)量的關(guān)鍵[2]。 合理的烘烤工藝起到協(xié)調(diào)煙葉化學(xué)成分、穩(wěn)定致香物質(zhì)、調(diào)節(jié)烤后煙葉物理特性、外觀質(zhì)量等作用，同時(shí)能提高煙葉的工業(yè)可用性[3]，從而影響煙葉原料的感官質(zhì)量和風(fēng)格特色[4]。 煙草上部葉占煙株可用煙葉的40%，是初烤煙葉的重要組成部分[5]。 段玉琪等[6]研究認(rèn)為，調(diào)節(jié)烘烤工藝后不同部位的烤后煙葉化學(xué)成分協(xié)調(diào)性總體較好，各項(xiàng)指標(biāo)大都符合優(yōu)質(zhì)煙葉的要求。 孫謀[7]對紅花大金元烘烤期間進(jìn)行變溫變濕研究發(fā)現(xiàn)，38 ℃時(shí)延長穩(wěn)溫時(shí)間有助于中部葉葉綠素降解，上部葉烤后煙葉總糖含量均高于常規(guī)烘烤。 魯柯佚[8]研究發(fā)現(xiàn)，采用中溫中濕烘烤工藝的一次性采烤方式比采用當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)采烤方式的烤后煙葉上中等煙葉比例提高14.45%，上部葉的品質(zhì)和工業(yè)可用性也比對照組高。 楊曉亮[9]通過研究烘烤過程中不同關(guān)鍵溫度點(diǎn)時(shí)間延長對云煙97 的影響發(fā)現(xiàn)，烘烤過程中延長42 ℃處理能顯著提高上部葉的評吸總分。 劉鉆福等[10]認(rèn)為，在8 點(diǎn)式精準(zhǔn)烘烤工藝基礎(chǔ)上適當(dāng)提高變黃溫度，降低干筋期溫度，有利于加熱卷煙烤煙原料的致香成分及感官品質(zhì)提升。 袁芳等[11]則認(rèn)為，上部煙葉在35～38 ℃以每3 h 升溫1 ℃，38～42 ℃以每2 h 升溫1 ℃，42～47 ℃以每3 h升溫1 ℃，47～54 ℃以每2 h 升溫1 ℃，54～68 ℃以每2 h 升溫1 ℃的升溫速度組合有利于提高煙葉化學(xué)成分協(xié)調(diào)性、上等煙比例和均價(jià)，降低能耗成本。因此，優(yōu)化烘烤工藝是提高烤后上部煙葉質(zhì)量最直接有效的措施。 本研究擬通過對云南臨滄植煙區(qū)主栽品種云煙99 成熟煙葉開展烘烤工藝技術(shù)研究，即優(yōu)化變黃階段和定色階段穩(wěn)溫時(shí)間，以提高初烤煙葉上部葉原料的品質(zhì)、煙葉經(jīng)濟(jì)效益和工業(yè)可用性，為當(dāng)?shù)氐臒熑~原料高質(zhì)量生產(chǎn)提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料來源

試驗(yàn)于2022 年在臨滄市永德縣德黨鎮(zhèn)大壩村(99°E，24°N)進(jìn)行。 此地為南亞熱帶與北熱帶交匯的河谷季風(fēng)氣候，海拔1 500 m，年均溫17.4 ℃，冬無嚴(yán)寒，夏無酷暑，年降水量1 283 mm，年平均日照時(shí)數(shù)2 196.1 h；土壤類型為壤土，土壤pH 在6.5 左右。 試驗(yàn)品種為云煙99，樣品為煙株上部6 片葉。除烘烤工藝外其他生產(chǎn)管理技術(shù)措施均按照當(dāng)?shù)貎?yōu)質(zhì)烤煙生產(chǎn)技術(shù)規(guī)范執(zhí)行。

1.2 試驗(yàn)設(shè)置

試驗(yàn)以三段式烘烤工藝為基礎(chǔ)，對變黃階段、定色階段穩(wěn)溫時(shí)間進(jìn)行調(diào)整，共設(shè)置4 個(gè)烘烤工藝處理，除變黃階段穩(wěn)溫時(shí)間外，其他設(shè)置均一致。 具體試驗(yàn)設(shè)置為CK:12～30 h；A1:12～18 h；A2:12～24 h；A3:18～24 h(表1、圖1)。

圖1 不同烘烤工藝處理烘烤曲線Fig.1 Baking curve of different baking processes

表1 試驗(yàn)設(shè)置Table 1 Test setup

1.3 初烤煙葉化學(xué)成分測定

總糖、植物堿、總氮、氧化鉀、氯離子分別采用YC/T 159-2002、YC/T 160-2002、YC/T 161-2002、YC/T 217-2007、YC/T 162-2011 方法檢測[12]。

1.4 初烤煙葉致香成分檢測

參考陳小龍等[13]的方法對樣品致香成分進(jìn)行檢測。 將樣品置于45 ℃烘箱中烘干30 min，用粉碎機(jī)打碎過40 目篩，稱取100 g 樣品裝于信封袋中置于恒溫恒濕箱(溫度22 ℃，濕度60%)平衡24 h。采用二氯甲烷萃取法，準(zhǔn)確稱取25.00 g 置于1 000 mL 圓底燒瓶中，加入2 mL 乙酸苯乙酯內(nèi)標(biāo)溶液，混勻后置于電熱套上加熱；儀器另一端為裝有50 mL 二氯甲烷的圓底小燒瓶，在60 ℃水浴條件下加熱萃取3 h。 提取液用無水硫酸鈉干燥后置于40 ℃水浴鍋的旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀上濃縮至1 mL，過0.45 μm 濾膜后保存到-20 ℃冰箱中冷藏，用于GC-MS 分析(美國安捷倫Agilent 7890 B-5977A，GC/MSD 氣質(zhì)聯(lián)用儀)。

1.5 初烤煙葉感官質(zhì)量、外觀質(zhì)量檢測

由河南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司專家組按GB 2635-1992《烤煙》標(biāo)準(zhǔn)對各品種樣品進(jìn)行外觀質(zhì)量評價(jià)賦分；按YC/T 138-1998《煙草及煙草制品感官評價(jià)方法》對各樣品進(jìn)行內(nèi)在感官質(zhì)量評吸賦分。

1.6 初烤煙葉物理特性檢測

采用王彥亭等[14]的方法對各處理樣品進(jìn)行葉長、葉寬、單葉質(zhì)量、拉力、平衡含水率、單位葉面積質(zhì)量、填充值、厚度、含梗率等物理特性指標(biāo)測定。

1.7 初烤煙葉經(jīng)濟(jì)性狀、能耗對比

按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB 2635—1992《烤煙》記錄煙葉的經(jīng)濟(jì)性狀；烤房電表、生物質(zhì)燃料為每間烤房單獨(dú)安裝、使用。

1.8 綜合指數(shù)對比

參照徐秀紅等[15]的方法采用DPS (2006)系統(tǒng)計(jì)算各處理的化學(xué)成分、致香成分、感官質(zhì)量、外觀質(zhì)量、物理特性及經(jīng)濟(jì)性狀的綜合指數(shù)。 綜合指數(shù)越大表明煙葉品質(zhì)越好。

1.9 數(shù)據(jù)分析

各項(xiàng)數(shù)據(jù)利用IBM SPSS statistic(2016)進(jìn)行主成分分析和差異性分析；利用Excel 進(jìn)行數(shù)據(jù)分析；利用SPSS 進(jìn)行方差分析；使用Origin 作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同烘烤工藝處理的煙葉化學(xué)成分差異

利用主成分分析法求出4 個(gè)處理上部葉化學(xué)成分累積貢獻(xiàn)率達(dá)93.18%的3 個(gè)主成分，其中貢獻(xiàn)率最大的為成分1(表2)。

表2 化學(xué)成分主成分的載荷矩陣及貢獻(xiàn)率Table 2 Load matrix，contribution rate and weight of variable of chemical component principal components

化學(xué)成分描述統(tǒng)計(jì)分析表明，各指標(biāo)均表現(xiàn)出不同程度的變異，變異系數(shù)表現(xiàn)為鉀氯比(25.00%)＞氯離子(18.41%) ＞糖堿比(16.07%) ＞總氮(15.53%)＞總植物堿(13.61%)＞氮堿比(11.66%)＞氧化鉀(10.37%) ＞兩糖比(3.87%) ＞還原糖(2.41%)＞總糖(1.84%)。 根據(jù)《中國煙草種植區(qū)劃》中優(yōu)質(zhì)煙葉化學(xué)成分適宜含量范圍:總糖18%～30%，還原糖14%～26%，總氮1.8%～2.7%，總植物堿1.8% ～3.0%，鉀離子≥2.0%，氯離子0.3% ～0.8%，糖堿比6 ～13，氮堿比0.7 ～1.3，鉀氯比≥8，淀粉含量≤3.5%，可知各處理總糖、還原糖含量偏高，氮堿比適宜，鉀氯比偏低。 單因素ANOVA 差異性分析表明，各處理間化學(xué)成分指標(biāo)均存在顯著差異(P＜0.05)，總糖、總氮、總植物堿、氧化鉀、氯離子、兩糖比均以A2 處理最高，分別為36.12%、2.37%、2.33%、2.04%、0.56%、1.32%；相較CK 分別 提 高 了 2.76%、 46.30%、 37.06%、 25.93%、0.00%、4.76%；鉀氯比以A1 處理最高，相較CK 提高了81.79%；還原糖、氮堿比以A3 處理最高，較CK 分別提高了3.87%、28.42%；糖堿比以CK 處理最高，為19.21。 綜合指數(shù)以A2 最高，相較A1、A3、CK 分別提高了8.20%、29.41%、32.00%(表3)。

表3 不同處理煙葉化學(xué)成分描述性統(tǒng)計(jì)、差異分析及綜合指數(shù)Table 3 Descriptive statistics，difference analysis and comprehensive index of chemical components in tobacco leaves under different treatments

2.2 不同烘烤工藝處理的煙葉致香成分差異

由表4 可知，不同烘烤工藝處理間的致香成分除美拉德反應(yīng)物外其他均存在顯著差異(P＜0.05)；類胡蘿卜素降解產(chǎn)物類、類西柏烷類以及其他致香物質(zhì)均為A2 處理含量最高，分別為27.74、22.58、310.02 μg/g，比CK 分別提高了18.04%、20.36%、11.96%；苯丙氨酸類以CK 最高，比A1、A2、A3 處理分別提高了0.69%、55.71%、13.41%。

表4 不同處理煙葉致香成分含量Table 4 Fragrance components under different treatments μg·g-1

2.3 不同烘烤工藝處理的煙葉感官質(zhì)量差異

由表5 可知，不同烘烤工藝處理感官質(zhì)量指標(biāo)分值差異顯著(P＜0.05)。 A2 處理的香氣質(zhì)、香氣量、刺激性、余味分值較其他處理高，分別為7.23分、7.73 分、6.73 分、6.60 分，比CK 分別提高了12.97%、8.87%、5.16%、2.64%，雜氣較CK 降低了7.54%，4 個(gè)處理的香型均為清香偏中間香。

表5 不同處理的煙葉感官質(zhì)量分值Table 5 Sensory quality scores under different treatments

2.4 不同烘烤工藝處理的煙葉外觀質(zhì)量差異

由表6 可知，不同烘烤工藝處理外觀質(zhì)量均存在顯著差異(P＜0.05)。 各項(xiàng)指標(biāo)中的顏色、成熟度、身份、色度均以A2 處理分值最高，分別為9.20分、9.33 分、6.50 分、6.50 分，比CK 分別提高了10.44%、12.00%、8.33%、25.73%；油分、葉片結(jié)構(gòu)以CK 分值最高，比A1、A2、A3 處理分別提高了19.00%、 11.07%、 24.89%， 30.50%、 20.46%、30.50%；綜合得分以A2 處理最高，為7.59 分，比A1、A3、 CK 處 理 分 別 提 高 了7.97%、10.80%、3.55%；綜合排名以A2 處理最高。

表6 不同處理煙葉外觀質(zhì)量分值Table 6 Differences in appearance quality scores under different treatments

2.5 不同烘烤工藝處理的煙葉物理特性差異

由表7 可知，不同烘烤工藝處理煙葉物理特性中除葉片厚度外其他指標(biāo)均存在顯著差異(P＜0.05)。 單葉質(zhì)量、拉力以A3 處理最高，為11.48 g/片 和 2.47 N， 比 CK 分 別 提 高 了 18.72%、17.06%；含梗率以A2 處理最低，為25.60%，比A1、A3、CK 處理分別降低了3.16%、7.70%、20.04%；葉面密度以A1 處理最高，為96.62 g/m2，比A2、A3、CK 處理分別提高了11.13%、2.45%、21.60%；平衡含水率以CK 最高，比A1、A2、A3 處理分別提高了2.06%、10.32%、12.15%。 綜合得分以A1 最高，為25.12 分，比A2、A3、CK 分別提高了8.98%、1.01%、10.03%；綜合排名為A1 最高。

表7 不同處理的煙葉物理特性Table 7 Physical characteristics under different treatments

2.6 不同烘烤工藝處理煙葉等級結(jié)構(gòu)、經(jīng)濟(jì)性狀差異

由表8 可知，不同烘烤工藝處理初烤煙葉等級結(jié)構(gòu)、經(jīng)濟(jì)性狀均存在顯著差異(P＜0.05)。 上等煙葉、中上等煙葉比例、產(chǎn)量、均價(jià)、產(chǎn)值均以A2 處理最高，分別為57.09%、81.45%、2 140.20 kg/hm2、27.51 元/kg、58 876.95 元/hm2，較CK 分別提高了30.70%、1.63%、2.07%、14.34%、16.70%。 綜合得分以A2 處理最高，為21.10 分，比A1、A3、CK 處理分別提高了51.04%、51.36%、52.46%；綜合排名以A2 最高。

表8 不同處理煙葉等級結(jié)構(gòu)及經(jīng)濟(jì)性狀比較Table 8 Comparison of tobacco grade structure and economic characters under different treatments

2.7 不同烘烤工藝處理能耗對比

云南臨滄植煙區(qū)通用烤煙方式為密集大烤房，電費(fèi)為0.44 元/kW·h，每房平均烘烤時(shí)長在192 ～216 h，每房平均用電量在85 kW·h 左右；生物質(zhì)燃料單價(jià)為98 元/kg，每房使用燃料7.65 kg 左右。由表9 可知，各處理電耗排名為CK＞A3 ＝A2＞A1，總能耗排名為CK＞A3＞A2＞A1。

表9 不同處理每房烤煙能耗比較Table 9 Comparison of energy consumption under different treatments 元

2.8 不同烘烤工藝處理的綜合指數(shù)比較

由表10 可知，不同烘烤工藝處理煙葉化學(xué)成分、外觀質(zhì)量、感官質(zhì)量、物理特性和經(jīng)濟(jì)性狀綜合指數(shù)均以A2 處理最高，分別為15.91、16.41、16.70、5.48、17.91，較CK 分別提高了27.79%、5.73%、19.62%、3.20%、9.61%，致香成分綜合指數(shù)以A1最高。

表10 不同處理煙葉品質(zhì)綜合指數(shù)Table 10 Composite index of tobacco leaf quality under different treatments

3 討論

烤煙上部葉與中部葉相比存在葉片偏厚、葉面密度較高、化學(xué)成分不協(xié)調(diào)等問題。 優(yōu)質(zhì)烤煙原料不僅受品種影響，烘烤工藝也是至關(guān)重要的一環(huán)[15]。云南臨滄植煙區(qū)煙葉烘烤方法主要采取傳統(tǒng)的三段式烘烤工藝，為了提高上部初烤煙葉的質(zhì)量，本研究在三段式烘烤的基礎(chǔ)上對變黃階段和定色階段的穩(wěn)溫時(shí)間、干濕球溫度進(jìn)行調(diào)整，結(jié)果表明變黃階段降低干濕球溫度、定色階段提高干濕球溫度、穩(wěn)溫時(shí)間為16 h 處理上部煙葉的產(chǎn)質(zhì)量較CK 高。

化學(xué)成分的協(xié)調(diào)性與煙葉外觀質(zhì)量、感官評吸質(zhì)量有顯著正相關(guān)關(guān)系[16]。 差異性分析表明各處理間化學(xué)成分指標(biāo)均存在顯著差異(P＜0.05)，總糖、總氮、總植物堿、氧化鉀、氯離子、兩糖比均以變黃階段降低干濕球溫度、定色階段提高干濕球溫度、穩(wěn)溫時(shí)間為16 h 最高，這與張恒等[17]結(jié)果不一致，可能與供試品種不同亦或與采收成熟度不同有關(guān)[18]。 過于成熟的葉片較薄，含水率也不相同是否會(huì)導(dǎo)致烤后煙葉化學(xué)成分差異還待進(jìn)一步研究。 本研究與閆鼎等[19]的結(jié)果基本一致。

致香成分與烤煙風(fēng)格和香氣質(zhì)息息相關(guān)。 史宏志等[20]認(rèn)為，烘烤過程是煙葉香氣物質(zhì)轉(zhuǎn)化和形成的關(guān)鍵時(shí)期，不同烘烤工藝處理致香成分差異分析表明，類胡蘿卜素降解產(chǎn)物類、類西柏烷類以及其他致香物質(zhì)均為變黃階段降低干濕球溫度、定色階段提高干濕球溫度、穩(wěn)溫時(shí)間為16 h 含量最高，這與代麗等[21]的研究結(jié)果基本一致。

初烤煙葉的外觀質(zhì)量、感官評吸質(zhì)量是煙葉分級的重要依據(jù)[22]，也是確定煙葉總體質(zhì)量的最終評價(jià)指標(biāo)，同時(shí)還是煙葉香型的區(qū)分依據(jù)[23]。 本研究結(jié)果表明，各烘烤工藝處理中的外觀質(zhì)量、感官評吸質(zhì)量綜合分值均以變黃階段降低干濕球溫度、定色階段提高干濕球溫度、穩(wěn)溫時(shí)間為16 h 處理最高，說明該烘烤工藝處理初烤煙葉品質(zhì)較高，這與宗勝杰等[24]的研究結(jié)果基本一致。

4 結(jié)論

變黃階段降低干濕球溫度、定色階段提高干濕球溫度、穩(wěn)溫時(shí)間為16 h 能提高云南臨滄植煙區(qū)的上部煙葉品質(zhì)，可協(xié)調(diào)化學(xué)成分比例，提高經(jīng)濟(jì)效益和工業(yè)可用性。 該處理的化學(xué)成分比例、致香成分含量、外觀質(zhì)量、感官評吸質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)性狀均為最優(yōu)，綜合得分也最高，說明臨滄植煙區(qū)變黃階段降低干濕球溫度、定色階段提高干濕球溫度、穩(wěn)溫時(shí)間為16 h 烘烤處理綜合品質(zhì)較高，可用性更高，能更好地滿足工業(yè)需求。