不同硃砂斑程度煙葉質(zhì)量分析與糯米香預(yù)測模型構(gòu)建

關(guān)鍵詞：硃砂煙；硃砂斑程度；煙葉質(zhì)量；糯米香

硃砂煙具有獨(dú)特的糯米香香韻[1]，是中式卷煙的優(yōu)質(zhì)特色原料，因其調(diào)制后煙葉外觀呈均勻分布的點(diǎn)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(nóng)業(yè)科學(xué)研究院利用云煙87變異株，選育出了遺傳穩(wěn)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(yīng)用到部分卷煙工業(yè)企業(yè)的高端卷煙配方中。研究發(fā)現(xiàn)，硃砂斑的形成與去甲基煙堿密切相關(guān)[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(shí)面包酮、2-環(huán)戊烯-1，4-二酮、糠醇等致香成分含量也隨之增加[8]。但是，現(xiàn)階段關(guān)于不同硃砂斑程度煙葉表觀參數(shù)、常規(guī)化學(xué)成分、感官特性和致香成分的系統(tǒng)研究尚不足，關(guān)于硃砂斑程度的判定缺乏相關(guān)的客觀數(shù)據(jù)。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(guī)律，以及糯米香程度與致香成分的關(guān)系方面也尚無相關(guān)報(bào)道。因此，本研究首先通過儀器設(shè)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(shù)差異；同時(shí)分析不同硃砂斑程度煙葉的常規(guī)化學(xué)成分、感官質(zhì)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(guān)系，以期為硃砂斑程度判別提供客觀依據(jù)，初步揭示不同硃砂斑程度煙葉的質(zhì)量差異，并為糯米香風(fēng)格特征解析提供重要參考。

1材料與方法

1.1試驗(yàn)材料

2023年，選取代表性較強(qiáng)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(gè)產(chǎn)區(qū)的硃砂2號中部煙葉，在復(fù)烤加工前的煙葉二次分選環(huán)節(jié)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(jù)硃砂煙外觀特征，將各產(chǎn)區(qū)樣品分成較輕、適中和較重3個(gè)檔次，共計(jì)18份樣品。各檔次外觀特征見表1。每份樣品取代表性較強(qiáng)的C3F等級煙葉15片，用于試驗(yàn)相關(guān)檢測。

1.2測定項(xiàng)目及方法

1.2.1表觀參數(shù)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(chuàng)和億電子科技發(fā)展有限公司）檢測區(qū)域，通過內(nèi)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(shù)據(jù)（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(zhuǎn)化得到[9]，后人工計(jì)算R?G、R/G、G/（R+B）、（G?R）/（G+R）和（R?G）/（R+G+B）值。經(jīng)過表觀參數(shù)測定的煙葉，進(jìn)行去梗切絲處理，用于后續(xù)試驗(yàn)。

1.2.2常規(guī)化學(xué)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(xiàng)常規(guī)化學(xué)指標(biāo)。

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

T：質(zhì)量總分；Q：香氣質(zhì)；V：香氣量；O：雜氣；P：余味；I：刺激性；α：總分轉(zhuǎn)化為100分的換算系數(shù)（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(jī)（瑞典FOSS公司）粉碎，過250μm分樣篩，準(zhǔn)確稱取25g平衡后的煙末樣品，采用同時(shí)蒸餾萃取法對樣品進(jìn)行前處理，以二氯甲烷為萃取劑，萃取后對樣品進(jìn)行平衡、濃縮處理。吸取1μL處理后液體，通過6890N/5975N氣相色譜/質(zhì)譜聯(lián)用儀測定致香成分，載氣流速為1.0mL/min，通過程序升溫法進(jìn)行化合物分離，利用NIST05及Wiley275譜庫進(jìn)行物質(zhì)定性，通過內(nèi)標(biāo)法對致香成分進(jìn)行定量（萘為內(nèi)標(biāo)，濃度：100mg/L），致香成分含量計(jì)算公式如下：

M：致香成分含量，μg/g；Sa：化合物峰面積；Sb：內(nèi)標(biāo)峰面積；Vb：內(nèi)標(biāo)加入體積，mL；Cb：內(nèi)標(biāo)濃度，mg/L；M0：樣品質(zhì)量，g。

1.2.5數(shù)據(jù)處理 運(yùn)用Excel軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)整理及繪圖，利用spss26進(jìn)行描述性統(tǒng)計(jì)分析和多重比較，運(yùn)用SIMCA14.1進(jìn)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(jié)果

2.1不同硃砂斑程度硃砂煙表觀參數(shù)

由圖1和圖2可以看出，各產(chǎn)區(qū)硃砂煙表觀參數(shù)隨硃砂斑程度的變化呈現(xiàn)較強(qiáng)規(guī)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(gè)產(chǎn)區(qū)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(chǎn)區(qū)的表觀參數(shù)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(chǎn)區(qū)間無明顯變化規(guī)律。由此可見，硃砂煙表觀參數(shù)在不同硃砂斑程度煙葉中表現(xiàn)出較大差異，可考慮作為區(qū)分不同硃砂斑程度的指標(biāo)。但同時(shí)，產(chǎn)區(qū)也會(huì)對部分表觀參數(shù)產(chǎn)生一定影響。

為驗(yàn)證表觀參數(shù)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(gè)樣品。參照張麗英等[12]方法，在已測定的RGB值和HSV值基礎(chǔ)上，對R、G和B值進(jìn)行形式轉(zhuǎn)換，增加R?G、R/G、G/（R+B）、（G?R）/（G+R）和（R?G）/（R+G+B）5個(gè)表觀參數(shù)指標(biāo)，通過有監(jiān)督的模式識別方法OPLS-DA，建立硃砂斑程度判定模型。結(jié)果如圖3A所示，各硃砂斑程度樣品群體內(nèi)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(gè)預(yù)測主成分和2個(gè)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(shí)，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(yù)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(biāo)，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(biāo)有R?G和S值，可以作為硃砂斑程度特征指標(biāo)。

2.2不同硃砂斑程度硃砂煙常規(guī)化學(xué)指標(biāo)

由表2可知，硃砂煙常規(guī)化學(xué)成分隨硃砂斑程度的加深所呈現(xiàn)的規(guī)律因產(chǎn)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?zé)熑~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(chǎn)區(qū)均表現(xiàn)為硃砂斑較重?zé)熑~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?zé)熑~含量最高，其他產(chǎn)區(qū)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?zé)熑~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?zé)熑~。

2.3不同硃砂斑程度硃砂煙感官質(zhì)量

不同硃砂斑程度硃砂煙感官質(zhì)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(zhì)量特征上，不同硃砂斑程度煙葉間各指標(biāo)差異不顯著，但整體來看，香氣質(zhì)、雜氣、刺激性、余味和質(zhì)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?zé)熑~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(shí)蒸餾萃取法，對樣品進(jìn)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(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，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?zé)熑~最高。

2.5基于致香成分和感官質(zhì)量的糯米香程度預(yù)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(yù)測糯米香程度的方法，以感官質(zhì)量中糯米香風(fēng)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(biāo)圖可以看出（圖4），糯米香指標(biāo)（NM）位于右上方，4-吡啶甲醛（M22）、2-環(huán)戊烯-1，4-二酮（M11）、糠醇（M10）、吡啶（M4）等也處于右上區(qū)域，與糯米香指標(biāo)接近，說明這些指標(biāo)與糯米香呈正相關(guān)關(guān)系；藏花醛（M36）位于左下區(qū)域，且與糯米香距離較遠(yuǎn)，說明該指標(biāo)與糯米香呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。

由表5可知，當(dāng)選取2個(gè)主成分進(jìn)行偏最小二乘回歸分析時(shí)，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(wěn)定性可接受。模型校正集均方根誤差為0.477，說明模型準(zhǔn)確率較高。交叉驗(yàn)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(yù)測能力有待進(jìn)一步提升。

由圖5可知，VIP值大于1.2的指標(biāo)共有17個(gè)，其中4-吡啶甲醛VIP值最高，為2.23，其次為2-環(huán)戊烯-1，4-二酮、糠醇，VIP值均大于1.6。這些物質(zhì)中，除藏花醛外，其余變量標(biāo)準(zhǔn)化系數(shù)均大于0，說明在一定程度上，隨著4-吡啶甲醛、2-環(huán)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(gè)致香成分作為自變量，糯米香為因變量，建立PLSR模型，結(jié)果顯示（表6），選取2個(gè)主成分時(shí)，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(wěn)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(yàn)證集均方根誤差分別為0.436、0.590，相較原模型進(jìn)一步下降，且相對均方根誤差均在15%以內(nèi)，說明可以用于硃砂煙糯米香程度的預(yù)測。

3討論

本文研究了不同硃砂斑程度煙葉的表觀參數(shù)特征，結(jié)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(xiàng)表觀指標(biāo)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(jié)果表明，R?G值的VIP值最大，說明該指標(biāo)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(guān)[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(lián)系。本研究基于煙葉多項(xiàng)表觀參數(shù)構(gòu)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(qiáng)，利用相機(jī)、黑箱、光源、計(jì)算機(jī)等，組裝成鑒定系統(tǒng)，便可達(dá)成在線作業(yè)，實(shí)現(xiàn)硃砂斑程度實(shí)時(shí)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(guān)性、紋理熵等，提升有效特征數(shù)量，從而進(jìn)一步提升模型效果。

煙葉的外觀特征與內(nèi)在品質(zhì)息息相關(guān)[16]，硃砂煙表觀程度的差異可能是內(nèi)在物質(zhì)變化引起的，這種物質(zhì)變化受遺傳因素[1]、生態(tài)環(huán)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(zhì)量上，硃砂斑程度越重，糯米香風(fēng)格越彰顯，清香風(fēng)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?zé)熑~的平均質(zhì)量總分僅有66.1分，雖在統(tǒng)計(jì)學(xué)上無顯著性差異，但6個(gè)產(chǎn)地均以硃砂斑程度較重?zé)熑~總分最低，說明硃砂斑程度對感官評吸質(zhì)量可能存在一定影響。后續(xù)，作者將進(jìn)一步開展此研究，以便為配方研發(fā)過程中平衡硃砂斑程度與感官總分提供依據(jù)。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?zé)熑~含量最高，其中面包酮和2-環(huán)戊烯-1，4-二酮含量隨硃砂斑程度變化規(guī)律與李勇等[8]研究結(jié)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?zé)熑~中含量最高，可能是導(dǎo)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(fēng)格可能受多種物質(zhì)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(yù)測模型，該模型準(zhǔn)確率較高，可應(yīng)用于糯米香香韻程度預(yù)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(guān)鍵變量，其中大部分為美拉德反應(yīng)產(chǎn)物（10/17），而初始變量中美拉德反應(yīng)產(chǎn)物占比不高（20/71），說明美拉德反應(yīng)途徑可能是決定硃砂煙糯米香韻的重要途徑。美拉德反應(yīng)產(chǎn)物大部分具有焦香、烘焙香[21]等特征，可能會(huì)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(xiàn)象。未來還需借助HS-GC-IMS、香味重組技術(shù)等手段進(jìn)一步明確硃砂煙糯米香形成的物質(zhì)基礎(chǔ)。

4結(jié)論

本研究表明：（1）不同硃砂斑程度煙葉表觀參數(shù)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(guī)化學(xué)、感官質(zhì)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(huán)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(zhì)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(yù)測。