云南烤烟的烟气成分与烟叶化学成分的相关分析

云南烤烟的烟气成分与烟叶化学成分的相关分析

张 强1，王浩雅1，马剑雄2，董高峰1，周桂圆3，向 明1

[1.云南烟草科学研究院，昆明 650106；2.云南中烟工业公司，昆明 650224；3.红云红河烟草（集团）责任有限公司，

昆明 650202]

摘 要：为了分析云南烤烟化学成分与烟气成分的相互关系，采集了586个云南烤烟样品的22个化学成分和4个烟气成分，在MATLAB 5.0平台下，以22个化学成分构建的275个交互项数值为自变量，烟气成分数值为因变量，建立二次多项式逐步回归模型。模型分析结果显示，烟叶中的燃烧性成分与烟气成分呈显著相关关系；烟气总粒相物、焦油及烟碱量与烟叶中的碱性成分呈显著相关关系。

关键词：烤烟；烟气成分；化学成分；逐步回归

中图分类号：TS41+1 文章编号：1007-5119（2011）01-0075-05 DOI：10.3969/j.issn.1007-5119.2011.01.017

Correlation between Smoke Components and Chemical Components of

Flue-cured Tobacco in Yunnan Province

ZHANG Qiang1, WANG Haoya1, MA Jianxiong2, DONG Gaofeng1, ZHOU Guiyuan3, XIANG Ming1

[1.Yunnan Academy of Tobacco Science, Kunming 650106, China; 2.Yunnan Branch of China Tobacco Industry Corporation,

Kunming 650224, China; 3.Hongyun Honghe Tobacco (Group) Company, Kunming 650202, China] Abstract: To investigate the relationship between chemical components and cigarette gas components of flue-cured tobacco in Yunnan province, 4 chemical components in cigarette gas and 22 chemical components in tobacco leaves of 586 flue-cured tobacco leaf samples collected from Yunnan tobacco-growing area were studied. According to the data of the chemical and cigarette gas components of 586 samples, 275 interaction values which are constructed by the 22 chemical indices used as independent variables and smoke index value used as the dependent variable in the MATLAB 5.0 platform. The model of smoke gas components and chemical components of tobacco leaves was established by quadratic polynomial stepwise regression. The result showed that there was significance correlation between combustible components of flue-cured tobacco leaves and smoke components, and there were significant correlations between TPM, Tar, nicotine of smoke and alkaline chemical compositions. Keywords: flue-cured tobacco; smoke component; chemical component; stepwise regression

卷烟的主流烟气分析不仅耗时、繁琐，且在实际应用过程中对于烟支主流烟气的检测具有滞后性。李国栋等[1]对河南烤烟化学成分与烟气成分的相关性分析表明，河南烤烟烟气中的焦油、烟气烟碱、一氧化碳含量分别与烟叶中的氧化钾、有机钾、糖碱比、钾氯比呈显著负相关，与烟碱、氯离子等呈显著负相关；汤朝起等[2]对烤烟物理特性和化学成分与烟气组分的关系进行分析表明，烟气中的总粒相物、焦油和一氧化碳分别与烟叶中的烟碱和总

氮呈显著正相关；杨永锋等[3]对烤烟烟叶化学成分与烟气烟碱的相关性研究表明，烟气烟碱与烟叶中的烟碱极显著正相关，与总糖、还原糖、糖碱比和钾呈极显著负相关。以上研究都表明烟叶化学成分与主流烟气存在较大的关联性，而这些因素之间存在多重共线性，如总糖和还原糖、总糖和蛋白质、总氮和蛋白质之间的关系，由于烟叶的化学成分相互影响，甚至是互为因果，就会给回归系数的估计带来不合理的解释。逐步回归分析法是一种能自动

基金项目：云南中烟工业公司科技项目“备选烟叶的工业可用性特性评价”（2006YL01-2） 作者简介：张 强，助理研究员，主要从事烟叶原料研究。E-mail：qinagzhang@126.com 收稿日期：2009-12-16 修回日期：2010-05-06

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地从大量可供选择的变量中，选择对建立回归方程比较重要的变量的方法，该方法不仅考虑单一成分对烟气的影响，同时也考虑了成分间的交互作用对烟气的影响，但由于一些统计软件的二次多项式最多只能处理10个自变量的原始数据矩阵，因此，分析常规化学成分对烟气影响所引用的成分不全面，结果有一定的局限性。本项研究应用MATLAB 5.0软件，在大量检测数据的支撑下，用22个化学成分与每个烟气组分建立了含有10个以上交互项的回归方程，较为全面的分析了云南烟叶化学成分对烟气成分的影响，同时也为烟叶的生产和合理的利用烟叶原料提供理论依据。

氧化碳量、烟气烟碱量共4种。

烟叶化学成分测定方法：总糖和还原糖含量采用3,5-二硝基水杨酸比色法[4]。总氮含量采用凯氏定氮法[5]，烟碱含量采用紫外分光光度计法[5]。氯含量采用硝酸银容量法[5]。淀粉采用40%的高氯酸提取样品，滤液分别加入KI与KIO3进行显色，然后用紫外可见分光光度计在580 nm波长下测定[4]。挥发酸、挥发碱按照中华人民共和国烟草行业标准YC/T35—1996[6]。钾含量采用原子吸收分光光度计法[4]。pH测定采用pH计法[4]。细胞壁物质含量、果胶、全纤维素、木质素、采用文献[7-8]方法测定。总灰分、水溶性灰分碱度、乙醇提取物、氨基氮、二氯甲烷提取物采用文献[4]方法测定。石油醚提取物、多酚、蛋白质分别按照中华人民共和国烟草行业标准YC/T176—2003[9]、YC/T202—2006[10]、YC/T166—2003[11]方法测定。

烟气成分分析按照YC/T29—1996[12]规定的方法进行。

1.3 数据处理和统计分析

1.3.1 数据处理 由于数据量纲不一，需进行无量纲化处理。采用极差规格化法进行处理，即0－1规格化，将有量纲的成分进行无量纲化后转变为一组0到1之间的数字。

1.3.2 模型建立 在MATLAB 5.0平台下，275个化学成分交互项数值为自变量，以烟气成分数值为因变量，采用逐步回归法建立二次多项式模型，其自变量所对应的符号见表1。

1.3.3 模型验证 以建模数据以外的10个样本经数据规格化后代入模型，计算相对偏差，对模型可靠性进行验证。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验于2004—2006年进行，样品来自昆明、曲靖、楚雄及玉溪4个地区。供试品种为当地主栽品种：CB-1、K326、云烟85和云烟87（简称云系列）、红花大金元（简称“红大”）和V系列。采集了5个品种的上中下3个部位的烤后烟，共586个样品，其中昆明烟区213个，曲靖89个、楚雄221个、玉溪63个。选择的样品具有较好的地区、品种、部位代表性。 1.2 测定方法

烟叶化学成分测定项目共22个（表1）。烟气成分测定项目包括烟气总粒相物、烟气焦油量、一

表1 烟叶测定项目及代号

Table 1 Test item of tobacco leaves and their codes

代号 X1 X2 X3 X4 X5 X6 X7 X8

化学成分 总糖/% 还原糖/% 总氮/% 烟碱/% 氯/% 淀粉/% 挥发酸/% 挥发碱/%

代号 X12 X13 X14 X15 X16 X17 X18 X19 X20 X21 X22

化学成分 果胶/% 全纤维素/% 木质素/% 总灰分/% 水溶性灰分碱度/%乙醇提取物/% 氨基氮/% 二氯甲烷提取物/%石油醚提取物/% 多酚/% 蛋白质/%

2 结 果

2.1 烟气总粒相物与烟叶化学成分模型

2.1.1 回归模型的建立与验证 所建二次多项式逐步回归方程为：

Y=28.3817-0.0175X1X15+0.145X4X20-3.8800X5X16+0.0245X6X14+3.52X8X9-0.108X9X11+0.0147X11X22+ 0.2920X12X18+0.0102X17X20-0.0662X20X21

X9 K/% X10 pH X11

细胞壁物质含量/%

第1期 张 强等：云南烤烟的烟气成分与烟叶化学成分的相关分析 77

模型的决定系数为0.6994。P检验表明，回归模型达到极显著水平，表明模型具有一定的可靠性。以建模数据以外的10个样本经数据规格化后代入模型，发现预测值和实际值的相对偏差较小（表2），表明模型具有较高的精度。

2.1.2 模型分析 与总粒相物相关的化学成分有：总糖、总灰分、烟碱、石油醚提取物、氯、水溶性灰分碱度、淀粉、木质素、挥发碱、钾、细胞壁物质含量、蛋白质、果胶、氨基氮、乙醇提取物、多酚。所有成分均是以交互项形式出现的，其中，与总粒相物关系较强的成分为挥发碱和钾的交互项，氯和水溶性灰分碱度的交互项。由此可以看出，烟草化学中认为影响燃烧性的钾、氯与烟气中总粒相物的产生有关。但不同的是，这2个成分均是以与其他成分的交互项出现，从而共同影响烟气中总粒相物的产生。

表3 焦油量与化学成分模型验证结果

Table 3 The verification results of model between

tar and chemical components

实际值

计算值

相对偏差

-0.03 0.09 0.07 0.02 0.03 0.14 0.17 0.04 0.03 -0.03

23.90 23.13 21.26 23.14 21.27 22.82 22.20 22.71 22.53 23.11 20.23 23.14 19.70 23.06 22.25 23.13 22.42 23.12 23.77 23.06

果胶、蛋白质、挥发碱、钾、细胞壁物质含量、pH、多酚、石油醚提取物。所有成分均是以交互项形式出现的，其中，与烟气焦油关系较强的成分为氯、水溶性灰分碱度交互项以及挥发碱、总灰分交互项。由此可以看出，烟叶中燃烧性成分和烟叶化学成分中的碱性物质对焦油产生有较强的影响。 2.3 一氧化碳量与化学成分的关系

2.3.1 回归模型的建立与验证 二次多项式逐步回归方程为：

Y=10.9686+0.576X9X9-0.0098X2X6-0.0579X2X9-0.0019X2X13-0.128X4X21+0.0493X6X22+0.0975X8X17-0.2550X9X15+0.129X10X15+0.0218X12X20+0.00446X13X21-0.0795X16X19

模型的决定系数为0.4824。对所建立的回归方程进行P检验表明，回归模型达到极显著水平，表明模型具有一定的可靠性。以建模数据以外的10个样本经数据规格化后代入模型，由表4可知，预测值和实际值的相对偏差较小。

表4 一氧化碳量与化学成分模型验证结果

Table 4 The verification results of model between carbon

monoxide and chemical components

实际值

计算值

相对偏差

13.60 11.00 -0.19 10.68 11.20 0.05 10.68 11.06 0.04 10.78 11.04 0.02 11.54 11.04 -0.04 10.10 11.10 0.10 11.95 11.01 -0.08 11.72 11.04 -0.06 11.33 11.14 -0.02 10.81 11.05 0.02

表2 总粒相物与化学成分模型验证结果

Table 2 The verification results of model between TPM and

chemical components

实际值 31.90 29.51 29.12 30.77 29.31 26.32 25.25 29.66 30.32 31.56

计算值 28.09 28.45 27.79 27.86 28.30 28.76 27.89 28.43 28.40 28.36

相对偏差 -0.12 -0.04 -0.05 -0.09 -0.03 0.09 0.10 -0.04 -0.06 -0.10

2.2 焦油量与烟叶化学成分模型

2.2.1 回归模型的建立与验证 二次多项式逐步回归方程为：

Y=23.6055-0.0161X1X15-3.28X5X16-0.0662X6X12+ 0.0789X6X22+0.6500X8X15-0.0510X9X11+0.0018X10X21+0.0831X12X20-0.0432X20X21

模型的决定系数为0.6559。对所建立的回归方程进行P检验表明，回归模型达到极显著水平，表明模型具有一定的可靠性。以建模数据以外的10个样本经数据规格化后代入模型，由表3可知，预测值和实际值的相对偏差较小。

2.2.2 模型分析 与烟气焦油量相关的化学成分有：总糖、总灰分、氯、水溶性灰分碱度、淀粉、

2.3.2 模型分析 与一氧化碳量有关的化学成分

78 中国烟草科学 2011年第32卷

有钾、还原糖、淀粉、全纤维素、烟碱、多酚、蛋白质、挥发碱、乙醇提取物、总灰分、果胶、石油醚提取物、水溶性灰分碱度、二氯甲烷提取物。除钾以平方项形式出现外，其他所有成分均是以交互项形式出现。其中，与一氧化碳产生有较强关系的是钾的平方项、钾与总灰分的交互项。由此可以看出，烟叶中燃烧性物质的含量与烟气中产生的一氧化碳量关系较强。

2.4 烟气烟碱量与化学成分的关系

2.4.1 回归模型的建立与验证 二次多项式逐步回归方程为：

Y=1.1558+0.7300X4-0.0101X1X4-0.0005X1X15+ 0.0264X3X20+0.0037X4X17-0.0117X9X15-0.0027X10X11+0.0017X13X21-0.0037X21X22

模型的决定系数为0.8921。对所建立的回归方程进行P检验表明，回归模型达到极显著水平，表明模型具有一定的可靠性。以建模数据以外的10个样本经数据规格化后代入模型，由表5可知，预测值和实际值的相对偏差较小。

表5 烟气烟碱量与化学成分模型验证结果

Table 5 The verification results of model between nicotine

of smoke and chemical components

实际值 1.48 1.75 1.20 1.62 1.19 1.56 1.30 1.37 1.10 1.58

计算值 1.33 1.35 1.18 1.32 1.25 1.31 1.24 1.28 1.23 1.34

相对偏差 -0.10 -0.23 -0.02 -0.18 0.05 -0.16 -0.05 -0.07 0.13 -0.15

烟碱含量影响最显著之外，烟叶中酸碱性物质的均衡性也对烟气烟碱产生影响。

3 讨 论

本文应用大量样本的化学成分及烟气成分数据，构建了烟叶化学成分及烟气成分的二次多项式逐步回归模型。从模型参数上看，模型具有较高的可靠性。利用化学成分的回归模型可在一定范围内预测总粒相物、烟气焦油、一氧化碳量及烟气烟碱量，这些结果可以为配方人员在选择原料上提供参考依据，提高工作的目的性。但是，本试验所选样品为云南地区，而烟叶的化学成分在不同地区之间变异更大，尤其是在生态条件差异较大的情况下。因此，本试验的预测模型在用于其他地区的烟叶时，模型可能需要进行一定的修正。

从模型分析中可以看到，烟叶中的燃烧性成分与烟气成分存在显著相关[13-14]。另外，烟气总粒相物、焦油及烟气烟碱量均与烟叶中的碱性成分有关。因此，可以认为烟气成分与烟叶燃烧性及烟叶本身的酸碱平衡有显著关系。通过模型预测的烟气成分含量是在非标准工艺条件下进行的，如何进一步准确预测卷烟制品的烟气成分含量，还需要充分考虑烟丝的物理特性、燃烧特性和加工工艺。

由于烟气成分与化学成分间是复杂的多因素关系，而且化学成分间还有交互作用，用一元回归分析很难准确的预测烟气成分，本文对二次多项式逐步回归模型进行了验证表明，做出的回归模型较准确，此方法可为全面客观的研究化学成分对烟气成分的影响提供参考。

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2.4.2 模型分析 与烟气烟碱量相关的化学成分有烟碱、总糖、总灰分、总氮、石油醚提取物、乙醇提取物、钾、pH、细胞壁物质含量、全纤维素、多酚、蛋白质。烟气烟碱与烟碱有直接关系，其他成分均是以交互项形式出现。可以看出，烟叶中烟碱含量与烟气中烟碱含量的产生有直接关系。此外，总糖与烟碱的交互项，总氮与石油醚提取物的交互项，总灰分与钾的交互项与烟气中烟碱的产生有一定关系。由此可知，除烟叶中烟碱含量对烟气

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