王 林，周紅審，王 昊，周 平，李少鵬，陳海清，王愛(ài)國(guó)，郭建華*，宋紀(jì)真

1. 湖北中煙工業(yè)有限責(zé)任公司，武漢市東西湖區(qū)金山大道1355 號(hào)黃鶴樓科技園 430000 2. 江蘇中煙工業(yè)有限責(zé)任公司，南京市建鄴區(qū)興隆大街29 號(hào) 210000 3. 中國(guó)煙草總公司鄭州煙草研究院，鄭州高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開(kāi)發(fā)區(qū)楓楊街2 號(hào) 450001

外觀質(zhì)量是煙葉質(zhì)量的重要組成部分，是煙葉生產(chǎn)、收購(gòu)以及調(diào)撥的主要參考依據(jù)［1］。煙葉外觀質(zhì)量與內(nèi)在成分密切相關(guān)，是煙葉化學(xué)成分的綜合表現(xiàn)［2］。探究煙葉外觀質(zhì)量與化學(xué)成分間的關(guān)聯(lián)有助于剖析外觀質(zhì)量形成的物質(zhì)基礎(chǔ)，為調(diào)節(jié)生產(chǎn)措施、改善煙葉質(zhì)量提供依據(jù)。

中微量元素是植物必不可少的營(yíng)養(yǎng)元素，在植物的光合作用、能量代謝和蛋白質(zhì)合成等方面起著重要作用［3-6］。它們的缺失不僅會(huì)造成煙葉內(nèi)在化學(xué)成分失調(diào)、可用性降低，還會(huì)影響烤煙品質(zhì)。戴彬等［7］研究發(fā)現(xiàn)煙葉中微量元素含量與化學(xué)成分存在顯著相關(guān)關(guān)系，可以通過(guò)調(diào)節(jié)煙葉中的Mn、Cu、Zn 和Ca 含量以緩解湖南煙區(qū)煙葉糖堿比偏低的狀況，從而提高煙葉可用性。郭建華等［8］分析了煙葉中微量元素含量與物理特性指標(biāo)的相關(guān)關(guān)系，發(fā)現(xiàn)煙葉中Fe、Ca 和Mg 含量越高，則煙葉越厚，葉片越緊密，并且過(guò)高的Ca 含量會(huì)降低煙葉的吸濕性能。戴華鑫等［9］探討了煙葉部分中微量元素含量和評(píng)吸指標(biāo)的相關(guān)性，發(fā)現(xiàn)Ca、Mg、Fe 含量對(duì)評(píng)吸質(zhì)量影響較大。目前，中微量元素與煙葉質(zhì)量關(guān)系的研究主要集中在煙葉化學(xué)指標(biāo)、物理特性和吸食品質(zhì)等方面，而對(duì)中微量元素與外觀質(zhì)量關(guān)系的研究較少。為此，對(duì)比分析了我國(guó)主要植煙區(qū)煙葉中微量元素含量，并探討其與外觀質(zhì)量的相關(guān)性，以期為提高煙葉外觀品質(zhì)提供參考。

1 材料與方法

1.1 樣品采集

采集福建、貴州、河南、湖南、四川、云南6 個(gè)主要植煙省份C3F 等級(jí)烤煙煙葉樣品，每個(gè)省份選擇收購(gòu)量大于5 萬(wàn)擔(dān)的植煙縣進(jìn)行取樣，2017及2018 年連續(xù)采集2 年，共采集264 個(gè)樣品，其中福建24 個(gè)，貴州44 個(gè)，河南24 個(gè)，湖南40 個(gè)，四川40 個(gè)，云南92 個(gè)。各省份采樣比例大致與煙葉種植面積相匹配。

1.2 樣品分析

1.2.1 中微量元素測(cè)定

烤煙中Mn、Fe、Cu、Zn、Ca 和Mg 6 種元素含量采用微波消解-原子吸收火焰分光光度法測(cè)定［10］。

1.2.2 煙葉外觀質(zhì)量鑒定

由煙葉分級(jí)高級(jí)技師組成的專家組對(duì)煙葉顏色、成熟度、葉片結(jié)構(gòu)、身份、油分和色度6 項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行定性和定量分析［11］，并采用中國(guó)煙草種植區(qū)劃［12］確定的指標(biāo)權(quán)重計(jì)算煙葉外觀質(zhì)量總分。

1.3 數(shù)據(jù)分析

采用SPSS 19.0 軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，用單因素法方差分析和Duncan’s 新復(fù)極差法比較檢驗(yàn)顯著性差異，用Pearson 相關(guān)系數(shù)雙側(cè)檢驗(yàn)相關(guān)性。采用DPS 9.50 軟件將煙葉外觀質(zhì)量總分與中微量元素進(jìn)行灰色關(guān)聯(lián)度分析。

表1 煙葉中6 種中微量元素含量描述性統(tǒng)計(jì)Tab.1 Descriptive statistics of contents of six medium to trace elements in tobacco leaves

2 結(jié)果與分析

2.1 主產(chǎn)地?zé)熑~中微量元素含量及外觀質(zhì)量

主要植煙區(qū)域煙葉中微量元素含量描述性統(tǒng)計(jì)分析見(jiàn)表1。各元素含量范圍Mn 為14.24～452.10 mg/kg，F(xiàn)e 為46.62～613.98 mg/kg，Cu 為1.13～72.79 mg/kg，Zn 為6.32～123.09 mg/kg，Ca 為6.14～48.44 g/kg，Mg 為0.88～7.27 g/kg。6 種元素變異系數(shù)在31.03%～85.05%之間，Cu變異系數(shù)最大，表明樣本間差異較大，有必要進(jìn)一步分析不同產(chǎn)地?zé)熑~中微量元素差異。各元素偏度系數(shù)和峰度系數(shù)均為正，表明數(shù)據(jù)多在均值左側(cè)，數(shù)據(jù)較為集中。

主要植煙區(qū)域煙葉外觀指標(biāo)分值描述性統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果見(jiàn)表2。由表2 可見(jiàn)，顏色、成熟度、葉片結(jié)構(gòu)、身份、油分和色度得分均值分別為8.14、8.07、7.95、7.53、6.06 和5.63 分。各外觀指標(biāo)變異系數(shù)在3.63%～11.78%之間，多數(shù)指標(biāo)變幅較小，油分變幅略大于其余指標(biāo)。除色度之外，其余外觀指標(biāo)偏度系數(shù)均為負(fù)，峰度系數(shù)均為正，表明數(shù)據(jù)多在均值右側(cè)，數(shù)據(jù)較為集中。

表2 煙葉外觀質(zhì)量指標(biāo)分值描述性統(tǒng)計(jì)Tab.2 Descriptive statistics of leaf appearance quality indexes

圖1 煙葉中6 種中微量元素含量分布Fig.1 Content distributions of six medium to trace elements in tobacco leaves

2.2 不同產(chǎn)地?zé)熑~中微量元素含量分布

參照打頂時(shí)第10 片的煙葉營(yíng)養(yǎng)元素含量豐缺評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)［13］，對(duì)烤煙C3F 等級(jí)煙葉中微量元素進(jìn)行劃分，以明確主產(chǎn)地?zé)熑~中微量元素含量的分布狀況。由圖1 可見(jiàn)，僅有6.88%的主產(chǎn)地?zé)熑~Mn 含量低于40 mg/kg，Mn 含量在40～150 mg/kg之間和大于150 mg/kg 的樣品分別占52.24%和40.58%，多數(shù)樣品Mn 含量處于適宜范圍。主產(chǎn)地?zé)熑~Fe 含量均低于800 mg/kg，67.75%的樣品Fe含量在50～200 mg/kg 之間。Cu 含量小于3 mg/kg和大于20 mg/kg 的樣品比例僅為10.87% 和5.43%，63.77%的煙葉Cu 含量在5～20 mg/kg 之間。煙葉Zn 含量在20～30 mg/kg 和30～60 mg/kg的樣品分別占32.61%和40.94%。65.94%的煙葉Ca 含量在15～25 g/kg 之間，Ca 含量小于12 g/kg、12～15 g/kg 和 高 于25 g/kg 的 樣 品 比 例 相 當(dāng)。92.75%的煙葉Mg 含量小于5 g/kg，Mg 含量在2～3 g/kg和3～5 g/kg之間的樣品占比接近，均約為35%。

2.3 不同產(chǎn)地?zé)熑~中微量元素含量差異

由表3 可見(jiàn)，6 個(gè)主要產(chǎn)地?zé)熑~中微量元素間存在顯著差異。福建、貴州產(chǎn)地?zé)熑~Mn 含量較高，顯著高于云南、湖南和河南產(chǎn)地?zé)熑~，河南產(chǎn)地?zé)熑~Mn 含量不足福建或貴州煙葉的60%。Fe含量以河南產(chǎn)地?zé)熑~最高，平均達(dá)265.52 mg/kg，極顯著高于其余產(chǎn)地?zé)熑~；云南產(chǎn)地?zé)熑~Fe 含量次之，顯著高于福建與貴州煙葉，但與湖南和四川產(chǎn)地的煙葉無(wú)顯著差異。煙葉Cu 含量以河南相對(duì)較高，顯著高于福建、湖南和四川產(chǎn)地?zé)熑~，但與貴州和云南產(chǎn)地?zé)熑~無(wú)顯著差異。煙葉Zn 含量呈福建＞湖南、貴州、四川、云南＞河南的趨勢(shì)，福建產(chǎn)地?zé)熑~Zn 含量約為河南產(chǎn)地的3.8 倍，差異顯著。戴華鑫等［9］從煙草種植區(qū)尺度分析認(rèn)為東南煙區(qū)煙葉Ca 含量顯著低于其余煙區(qū)，本研究中發(fā)現(xiàn)煙葉Ca 含量呈河南＞貴州、云南、湖南＞四川＞福建的趨勢(shì)，福建煙葉Ca 含量?jī)H為河南煙葉的35%，顯著偏低，但同處于東南煙區(qū)的湖南煙葉Ca 含量則顯著高于福建，與云南和貴州煙葉接近，表明同一煙草種植區(qū)煙葉中微量元素含量也可能存在較大差異。煙葉Mg 含量呈河南＞四川、云南、貴州＞福建、湖南的趨勢(shì)，河南產(chǎn)地?zé)熑~Mg含量約為四川、云南或貴州三地?zé)熑~的1.2 倍，為福建或湖南煙葉的1.7 倍左右。整體看來(lái)，煙葉中微量元素含量存在一定地域差異，河南、福建煙葉中微量元素含量與其余產(chǎn)地差異較大。

表3 不同產(chǎn)地?zé)熑~6 種中微量元素含量差異Tab.3 Contents of six medium to trace elements in tobacco leaves from different producing areas

2.4 不同產(chǎn)地?zé)熑~外觀質(zhì)量差異

由表4 可見(jiàn)，四川和貴州煙葉顏色分值顯著高于其余產(chǎn)地，福建煙葉顏色分值顯著偏低，其原因?yàn)楦＝óa(chǎn)區(qū)煙葉類胡蘿卜素含量顯著偏低，導(dǎo)致煙葉顏色普遍偏深，葉面隱含暗紅色［14］。河南產(chǎn)地?zé)熑~成熟度分值顯著低于四川和貴州產(chǎn)地?zé)熑~。云南、四川、湖南和河南4 地?zé)熑~身份分值平均在7.6～7.8 分之間，福建煙葉身份分值顯著偏低與該產(chǎn)地?zé)熑~葉面密度較低有關(guān)［15］。四川煙葉油分較足，油分分值顯著高于其余產(chǎn)地?zé)熑~。整體而言，福建和四川兩地?zé)熑~外觀質(zhì)量與其余產(chǎn)地?zé)熑~差異略大，四川產(chǎn)地?zé)熑~顏色、成熟度、身份、油分和色度分值均較高，外觀質(zhì)量顯著高于其余產(chǎn)地，福建煙葉大多數(shù)外觀指標(biāo)分值偏低。

表4 不同產(chǎn)地?zé)熑~外觀質(zhì)量差異Tab.4 Appearance qualities of tobacco leaves from different producing areas (分)

2.5 煙葉中微量元素含量與外觀指標(biāo)間的相關(guān)性

煙葉外觀質(zhì)量與內(nèi)在化學(xué)成分之間關(guān)系密切，外觀質(zhì)量是其物質(zhì)基礎(chǔ)即煙葉化學(xué)成分在外觀特征上的表現(xiàn)［2，16］，如表5 所示，Mn 含量與煙葉身份分值呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，與葉片結(jié)構(gòu)呈極顯著正相關(guān)關(guān)系。Fe 含量與各外觀指標(biāo)間均存在負(fù)相關(guān)關(guān)系，僅與油分間呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。Cu 含量與煙葉外觀質(zhì)量關(guān)系密切，與顏色、成熟度、葉片結(jié)構(gòu)和色度間均存在顯著或極顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系。Zn 含量與顏色呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。Ca 和Mg含量與油分間均呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。6 種中微量元素含量與外觀質(zhì)量總分間均無(wú)明顯相關(guān)性。

表5 6 種中微量元素與煙葉外觀質(zhì)量相關(guān)性①Tab.5 Correlations between six medium to trace elements and appearance quality of tobacco leaves

2.6 煙葉中微量元素含量與外觀指標(biāo)間的灰色關(guān)聯(lián)分析

將6 種元素含量和煙葉外觀質(zhì)量總分進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析，計(jì)算序列間的關(guān)聯(lián)系數(shù)?；疑P(guān)聯(lián)分析的基本思想是根據(jù)曲線幾何形狀的相似程度來(lái)判別其聯(lián)系是否緊密，曲線越接近，相應(yīng)序列之間關(guān)聯(lián)度就越大；反之關(guān)聯(lián)度則越?。?7］。Cu 與外觀質(zhì)量的關(guān)聯(lián)系數(shù)大于0.9，F(xiàn)e、Zn、Ca 的關(guān)聯(lián)系數(shù)在0.80～0.85 之間。根據(jù)關(guān)聯(lián)系數(shù)（表6）排序，各元素對(duì)外觀質(zhì)量的關(guān)聯(lián)程度依次為Cu＞Zn＞Fe＞Ca＞Mn＞Mg?？梢?jiàn)，Cu 含量對(duì)外觀質(zhì)量影響最大，其次是Zn、Fe、Ca，Mg 對(duì)外觀質(zhì)量影響相對(duì)較小。

綜合看來(lái)，Cu、Zn 與多數(shù)外觀指標(biāo)間存在一定的負(fù)相關(guān)，與顏色的相關(guān)關(guān)系達(dá)到顯著水平，且這兩種元素與外觀質(zhì)量之間的灰色關(guān)聯(lián)度更高，因此，煙葉生產(chǎn)過(guò)程中應(yīng)注意Cu、Zn 的合理施用，以提升煙葉品質(zhì)。

表6 6 種中微量元素與外觀質(zhì)量的灰色關(guān)聯(lián)分析Tab.6 Grey correlation analysis between six medium totrace elements and leaf appearance quality

3 討論

我國(guó)6 個(gè)主要烤煙產(chǎn)地?zé)熑~Mn、Fe、Cu、Zn、Ca 和Mg 含量分別集中 在40～150 mg/kg、50～200 mg/kg、5～20 mg/kg、20～60 mg/kg、15～25 g/kg 和2～5 g/kg 之間。煙葉中微量元素含量存在一定的區(qū)域差異，河南產(chǎn)地?zé)熑~Mn、Zn 含量偏低，F(xiàn)e、Cu、Ca 含量較高；福建產(chǎn)地?zé)熑~Mn、Zn 含量偏高，F(xiàn)e、Cu、Ca 含量偏低；云南、貴州、四川3 地?zé)熑~中微量元素含量接近。

現(xiàn)有研究對(duì)于煙葉中微量元素的適宜含量報(bào)道不一，有研究［18-19］認(rèn)為煙葉Mn 的含量在140～700 mg/kg 之間、Zn 的含量在51～84 mg/kg 之間較為適宜，對(duì)比該范圍，河南煙葉Mn、Zn 整體偏低。煙葉的成熟度體現(xiàn)為內(nèi)含物質(zhì)的轉(zhuǎn)化及協(xié)調(diào)程度，葉片結(jié)構(gòu)體現(xiàn)為煙葉細(xì)胞排列的疏密程度［15，20］。有研究認(rèn)為以河南為典型產(chǎn)地的黃淮煙草種植區(qū)煙葉成熟度一般，葉片結(jié)構(gòu)趨緊，本研究中也發(fā)現(xiàn)河南產(chǎn)地?zé)熑~成熟度和葉片結(jié)構(gòu)分值偏低。Zn 具有多種植物生理功能，但主要功能是對(duì)蛋白質(zhì)和碳水化合物的合成起主要作用［21］。已有研究證實(shí)，在缺Zn 條件下植物發(fā)育不良，即使恢復(fù)Zn 的供給也會(huì)延遲成熟，并導(dǎo)致產(chǎn)量下降［22］，這可能是導(dǎo)致河南產(chǎn)地初烤煙葉成熟度欠佳的原因之一。

Cu 和Ca 是煙株生長(zhǎng)發(fā)育和品質(zhì)形成必需的元素，Cu 在植物光合、呼吸、抗氧化、細(xì)胞壁代謝以及激素反應(yīng)中起著重要作用［23］。Cu 含量與煙葉香氣質(zhì)、雜氣和余味等吸食品質(zhì)呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系［9，24］，與煙葉葉片厚度和含梗率呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，與煙葉拉力呈顯著正相關(guān)關(guān)系［8］。Ca 是細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)的基本成分，以往研究［8，25］表明Ca 含量高的煙葉偏厚且填充性能和吸濕性能差。本研究中發(fā)現(xiàn)，相比其他5 種中微量元素，Cu 含量對(duì)煙葉外觀質(zhì)量影響最大，與顏色、成熟度、葉片結(jié)構(gòu)和色度間均存在顯著或極顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系。本研究中還發(fā)現(xiàn)Zn 含量與顏色分值間存在顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系。福建產(chǎn)地?zé)熑~Cu、Ca 含量顯著低于其余產(chǎn)區(qū)，而Zn 含量顯著高于其余產(chǎn)區(qū)，這也許是該產(chǎn)地?zé)熑~外觀質(zhì)量提升的限制因素，煙葉生產(chǎn)過(guò)程中應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注Cu、Ca、Zn 的合理配施。

煙葉外觀質(zhì)量是煙葉分級(jí)和收購(gòu)的重要依據(jù)，在煙葉生產(chǎn)和質(zhì)量評(píng)價(jià)中具有重要作用。顏色是煙葉分級(jí)的重要因素，也是煙葉外觀質(zhì)量評(píng)價(jià)的主要指標(biāo)，對(duì)外觀質(zhì)量的貢獻(xiàn)高于其余指標(biāo)［12］。本研究中發(fā)現(xiàn)，6 種中微量元素與外觀質(zhì)量灰色關(guān)聯(lián)度排序?yàn)镃u＞Zn＞Fe＞Ca＞Mn＞Mg，Cu、Zn 含量對(duì)煙葉外觀質(zhì)量的影響最大，這主要是因?yàn)镃u、Zn 與煙葉的顏色密切相關(guān)。多酚氧化酶（PPO）是煙葉中非常重要的一種酶，它是一種含銅的金屬酶，Cu2+在PPO 發(fā)揮作用的活性中心，該類酶在組織發(fā)育過(guò)程中形成，并貯存于葉綠體中，煙草中的PPO 在調(diào)制過(guò)程中能催化氧化多酚類化合物，形成深棕色醌類聚合物，影響煙葉的外觀質(zhì)量［26］。已有研究認(rèn)為金屬離子對(duì)PPO 的活性會(huì)產(chǎn)生一定影響，肖厚榮等［27］、姬懿珊等［28］研究均發(fā)現(xiàn)Cu2+對(duì)PPO 活性具有雙向作用，低濃度的Cu2+對(duì)PPO 酶活性有提高作用，高濃度的Cu2+則對(duì)PPO具有抑制作用。林慶同等［29］研究認(rèn)為Zn2+對(duì)PPO酶活力的影響大于Fe3+、Mn2+等離子。此外，銅對(duì)葉綠素的形成也有直接關(guān)系。植物中高達(dá)70%的銅集中在葉綠素中，銅可以保持葉綠素的穩(wěn)定［30］?，F(xiàn)有研究還認(rèn)為一定濃度范圍的硫酸銅可使煙葉成熟均勻，增加煙葉身份［25］。本文中的中微量元素與煙葉外觀指標(biāo)的相關(guān)分析結(jié)果也表明，Cu、Zn 兩種元素含量與顏色指標(biāo)分值間存在顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，而其他元素與顏色指標(biāo)間則不存在顯著相關(guān)關(guān)系。同時(shí)，Cu 含量與成熟度指標(biāo)分值間也存在極顯著的相關(guān)關(guān)系，而成熟度指標(biāo)也是煙葉分級(jí)的重要參考因子之一，對(duì)外觀質(zhì)量的貢獻(xiàn)度僅次于顏色指標(biāo)［12］，這些結(jié)論均證實(shí)了Cu、Zn 兩種元素對(duì)煙葉外觀質(zhì)量的重要作用。

4 結(jié)論

烤煙煙葉中6 種中微量元素與外觀質(zhì)量灰色關(guān)聯(lián)度排序?yàn)镃u＞Zn＞Fe＞Ca＞Mn＞Mg，Cu、Zn 含量對(duì)煙葉外觀質(zhì)量的影響較大。煙葉中微量元素含量存在一定地域差異，福建產(chǎn)地?zé)熑~Cu 含量及河南產(chǎn)地?zé)熑~Zn 含量偏低，煙葉生產(chǎn)過(guò)程中應(yīng)適量提高Cu、Zn 的施用量，以提升煙葉外觀品質(zhì)。