李青常，林北森，刘利平，罗安娜，杨国涛，蔡 斌，高华军，叶长文，吕洪坤*

1. 中国烟草总公司郑州烟草研究院，郑州高新技术产业开发区枫杨街2 号 450001

2. 中国烟草总公司海南省公司，海口市红城湖路256 号 571199

3. 湖北中烟工业有限责任公司三峡卷烟厂，湖北省宜昌市夷陵区黄金路46 号 443100

4. 国家烟草质量监督检验中心，郑州高新技术产业开发区翠竹街6 号 450001

雪茄烟是烟草制品中重要的产品品类之一，与传统卷烟相比雪茄烟产品品质更依赖于雪茄烟叶的品质。在烟叶分级过程中对外观品质的依赖性更大，而外观品质指标在评价过程中受主观因素影响较大，且数据标准化程度低，不便于统计分析，因此采用统计学方法分析烟叶化学成分和烟叶品质间的相互关系已成为当前的研究热点之一［1］。李东亮等［2］通过灰色优势分析发现了烟草化学成分与感官品质间关系最密切的化学成分指标。张光辉等［3］利用主成分分析方法对烟叶品质的一致性进行评价，评价结果与感官评价结果一致。马京民等［4］采用主成分分析和聚类分析方法对烤烟烟叶样品进行分析，提出用于品质评价的主要化学成分指标。禇旭等［5］利用3 种赋权法研究了云南烤烟化学成分与香气成分的关系，结果表明权重系数最大的是糖碱比，最小的是氯含量。杜文等［6］研究认为，烤烟化学成分如烟碱、糖、钾含量及糖碱比、氯碱比等的变化可反映烟叶品质的差异。王俊等［7］通过典型相关分析研究了烤烟化学成分与外观品质、感官品质的关系，认为与烟叶化学成分关系密切的外观品质指标是部位和叶片结构，对感官品质影响大的外观品质指标是成熟度和颜色；化学成分中总植物碱和总氮与烟叶部位呈显著正相关，与叶片结构呈显著负相关，烟叶感官品质与外观品质指标中的成熟度和颜色呈显著正相关。Beljo 等［8］研究发现，烤烟中烟碱含量与叶位和颜色相关性达到显著水平。杨超等［9］研究了卷烟叶组化学成分与感官品质的关系，并将化学成分指标的变化应用于卷烟配方调整。赵瑞等［10］分析了雪茄烟叶化学成分与感官品质的关系，认为雪茄烟叶中还原糖含量、糖碱比、碱氮比、两糖比对感官品质影响较大。陈伟等［11］分析了不同部位烟叶化学成分含量，认为南方烟区生产的烟叶化学成分含量的部位特征较明显，北方烟区则不太明显。Court等［12］研究发现，烤烟烟叶等级和部位对烟叶化学成分含量的影响最大，Čavlek 等［13］对白肋烟的研究也发现相似的结果。Ogilvie 等［14］对雪茄烟叶品种进行评价时，将雪茄烟叶部位和身份特征指标作为烟叶分级的主要依据。

聚类分析是依据某种或某些特性对目标群体进行分类的统计学方法，在社会调查和科学研究中有广泛的应用。近年来在农产品品质的分等、分级及烟叶品质评价中也被广泛应用，如朱麟等［15］在水蜜桃分级、房少梅等［16］在葡萄酒分级研究中应用了聚类分析方法。王放等［17］利用烟叶中化学成分指标进行聚类分析，提出了广西壮族自治区的烟叶生产区划，并进行了烟叶品质评价。可见，统计分析方法在农产品和烤烟品质评价中应用广泛且取得了较好效果，但在雪茄烟叶分级、不同等级雪茄烟叶中化学成分含量的差异研究方面则鲜见报道。为此，对不同采收时期雪茄烟叶中的化学成分含量进行测定，并采用时间序列相似性度量及聚类分析方法［18-19］，分析不同采收时期雪茄烟叶的化学成分差异及对烟叶分级的影响，旨在为研究制定雪茄烟叶分级标准提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验设置

试验设置在海南儋州烟草试验基地，土壤类型为壤土。供试品种为巴西3 号，种子由海口雪茄研究所提供。烟草移栽期为1月5日—8日。在烟叶进入成熟期后根据叶片成熟状况逐次采收、调制。调制完成后借鉴国家标准GB2635—1992［20］中对烤烟外观品质的定义，对雪茄烟叶外观品质进行分级，包括身份（薄、稍薄、中等、稍厚、厚）、油分（富有、有、稍有、少）和组织结构（疏松、尚疏松、稍密、松），为区别下部烟叶与中上部烟叶的组织结构，用“松”定义雪茄烟下部烟叶干物质积累较少的烟叶叶片结构，共获得29 个烟叶样品。雪茄烟叶分级由国家烟草质量监督检验中心组织3名专业烟叶分级技术人员进行。烟叶样品外观品质见表1。

表1 不同采收时期烟叶外观品质Tab.1 Appearance quality of tobacco leaves harvested at different time

1.2 分析方法

对分级后的烟叶进行化学成分分析，采用标准方法YC/T 468—2013［21］测定总植物碱含量（质量分数）；采用YC/T 217—2007［22］测定钾含量；采用YC/T 162—2011［23］测定氯含量；采用YC/T 159—2019［24］测定总糖和还原糖含量。样品测试两次，取平均值。

1.3 数据处理

采用MINITAB 软件进行数据的统计分析，用Euclidean距离平方和平均法进行观测值的聚类分析。

2 结果与讨论

2.1 烟叶化学成分与采收时期的相关性分析

对5 个化学成分指标和采收时期进行相关性分析，结果（表2）显示，总植物碱和钾含量与采收时期的相关性达到极显著水平，相关系数分别为0.872**和-0.915**，而糖含量与采收时期的相关性不显著。总植物碱与钾含量之间呈现显著负相关，相关系数为-0.795**。依据采收时期与烟叶中主要化学成分含量的相关关系，选择总植物碱和钾含量作为聚类因子对不同采收时期的雪茄烟叶化学成分进行聚类分析。

表2 采收时期与主要化学成分间的相关性Tab.2 Correlations between harvest time and major chemical components

2.2 不同采收时期雪茄烟叶的聚类分析

用总植物碱与钾含量作为聚类因子对不同采收时期雪茄烟叶进行聚类分析，得到不同聚类分组的聚类距离和相似性。如图1所示，随着聚类点群数量的增加，点群内的样品相似性不断增加，上升趋势先快后慢，在聚类点群数为4个时，上升趋势出现拐点并逐渐平稳，在聚类点群数为5 个时相似性达95.1%。点群之间距离水平与聚类点群数的趋势相反，随着聚类点群数的增加点群之间距离不断降低，在聚类点数为4个时，下降趋势出现拐点，曲线变得平缓，结果见图2。

图1 聚类点群数与相似性水平散点图Fig.1 Scatter diagram of number of cluster groups and similarity level

图2 聚类点群数与距离水平散点图Fig.2 Scatter diagram of number of cluster groups and distance

由图1和图2可见，在趋势的拐点处聚类点群数为4～6个，以聚类点群数4、5、6分别进行聚类分析，得到不同聚类分组的聚类质心。图3表明，当聚类点群数为4个时，聚类分组之间的质心距离非常分散，但第1、2组及2、3组之间的距离过大；当聚类点群数为5个时，各组之间质心距离较为平均，质心分布均匀；当聚类点群数为6 个时，聚类分组3、4 之间距离过小，说明这两组样品中总植物碱和钾含量差异较小。综合聚类分组的距离水平和相似性水平，及聚类后质心的分布情况，以总植物碱和钾含量作为聚类因子对不同时期烟叶品质进行聚类，当聚类点群数为5 个时，聚类距离、质心分布及相似性均较高。考虑烟叶采收时期与部位的关系，雪茄烟叶以部位分组是合理的。

图3 聚类点群数为4、5、6的质心距离分布Fig.3 Centroid distance distribution at cluster group number of 4, 5 and 6

用总植物碱、总糖、还原糖、钾和氯5项化学成分指标对聚类分析结果进行判别检验，结果见表3。从表3中可看出，只有第1组中1个样品出现聚类不准确，表明聚类分组的可靠性较高。

表3 判别分析检验结果Tab.3 Results of discriminant analysis inspection

2.3 聚类后烟叶品质分布

以聚类点群数5进行观测值聚类，聚类分组结果显示聚类分组与采收时期保持较高的一致性，相近日期进入同一组中，只有部分样品出现跨组现象，样品分组情况见表1。其中4月8日的样品，进入了第2组，4月13日的5个样品中有2个进入了第1组，另外3个进入了第2组；4月21日有2个样品和5月1日的1 个样品共同组成了第5 组，见图4。根据雪茄烟叶采收时期与叶位的关系，4 月13 日和4 月21 日采收的烟叶样品可能出现下二棚和上二棚部位的烟叶，说明在烟叶分级中这两个部位的烟叶容易出现部位分组界限不清的问题。

图4 聚类点群5的聚类树状图Fig.4 Clustering tree of cluster group 5

图5显示了总植物碱、钾与身份在5个点群中分布均匀，点群之间距离明显。总植物碱含量呈逐渐上升的趋势，而钾含量则相反，这与相关分析的结果一致。图5还显示出不同采收时期的雪茄烟叶聚类分组与烟叶身份的关系较为密切，随着采收时期的推延，雪茄烟叶部位上升，分组中烟叶身份也逐渐增厚。第1分组烟叶基本上以薄和稍薄为主；第2分组只有稍薄；第3分组样品数量较多，样品身份以中等为主，只有1 个是稍厚；第4 分组样品数量也较多，以稍厚为主，只有 1 个中等；第 5 分组有 3 个样品，2 个身份为厚，1个稍厚。表明雪茄烟叶的身份与烟叶中总植物碱含量和钾含量关系密切，是雪茄烟叶分级中重要的外观品质指标，这与Ogilvie等［14］的研究结果一致。

图5 总植物碱、钾与身份指标在聚类点群中的分布Fig.5 Distributions of indexes of total alkaloids, potassium and body in cluster groups

总糖、还原糖、两糖差和氯在聚类群组中的分布见图6。从图6中可以看出，糖含量在各个组中的分布离散性较强，且总糖、还原糖和两糖差都表现出相同的特征；氯含量在各组中的分布则规律不明显。总糖含量和两糖差在组内分布有较明显的差异，说明在部位分组后，糖含量可作为组内分级的依据。烤烟中相关研究表明，烟叶糖含量或糖碱比与烤烟品质尤其是感官品质间存在明显的相关性［6，9］，而赵瑞等［10］对雪茄烟叶的研究也表明，糖含量与雪茄烟叶香气、杂气、刺激性和余味等呈显著正相关，但本研究中没有发现雪茄烟叶中糖含量与烟叶的外观品质指标如身份、叶片结构和油分之间存在的相关关系，还有待进一步的研究。

图6 总糖、还原糖、两糖差和氯在聚类点群中的分布Fig.6 Distribution of total sugar, reducing sugar, disaccharide and chlorine in cluster groups

4 结论

巴西3 号雪茄烟叶化学成分中总植物碱和钾含量与采收时期存在极显著的相关性，相关系数分别为0.872**和-0.915**。以总植物碱和钾含量作为聚类因子，对不同采收时期的雪茄烟叶进行聚类分析，当聚类点群数为5个时，聚类点群之间距离、质心分布和聚类相似性水平均较高，用化学成分指标进行判别分析也证实了聚类分组的可靠性。总植物碱和钾含量可作为表征不同采收时期或不同部位雪茄烟叶品质差异的重要参考指标。

根据采收时期与烟叶部位的关系，巴西3号雪茄烟叶聚类点群数为5个时对应雪茄烟叶部位分组较为合理，聚类后在各组烟叶中总植物碱含量呈明显逐渐上升的趋势，而钾含量则相反，糖含量在各个聚类点群中的分布离散性较强，氯含量在各组中的分布规律不明显。巴西3号雪茄烟叶聚类分组后总植物碱和钾含量与烟叶身份的关系密切，表明身份特征可作为雪茄烟叶分级的重要外观品质指标。