烤煙均質(zhì)化指標(biāo)概念及計算模型

張久權(quán),顧毓敏,蔡憲杰,閆鼎,王鑫,沈毅

烤煙均質(zhì)化指標(biāo)概念及計算模型

張久權(quán)1,顧毓敏2*,蔡憲杰2,閆鼎2,王鑫2,沈毅2

1. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院煙草研究所, 山東 青島 266101 2. 上海煙草集團有限責(zé)任公司, 上海 200082

為了對烤煙均質(zhì)性進行定量度量，利用變異系數(shù)和倒型函數(shù)模型，提出了均質(zhì)性指數(shù)的概念（Homogeneousness，）。利用SAS軟件建立了分段模型和倒型函數(shù)模型，以云南某地?zé)熑~化學(xué)成分為例，計算了空間和時間維度的值。結(jié)果表明，分段模型3段的決定系數(shù)分別為0.9989，0.9990和0.9328，均達到了1%顯著水平；倒型函數(shù)模型的決定系數(shù)為0.9978。前者計算精度更高，但計算過程略為繁瑣。在時間維度上，某縣某鄉(xiāng)鎮(zhèn)煙葉在2015年～2019年間值（倒曲線法）分別為：煙堿92.00，總糖94.61，還原糖91.59，總氮93.82，鉀92.92，氯67.39，糖堿比81.74，氮堿比94.29，兩糖比94.76，鉀氯比60.76，化學(xué)成分總的值為86.70。在空間維度上，煙葉化學(xué)成分值某州、某縣和某煙站分別為74.18、72.30和90.88。該模型在國內(nèi)外屬于首創(chuàng)，簡單、魯棒、實用性強、能夠很好地用來度量煙葉的均質(zhì)化程度。

煙葉; 質(zhì)量控制; 評價模型

近年來，卷煙工業(yè)對煙葉原料提出了越來越高的要求，主要體現(xiàn)在煙葉質(zhì)量、均值性和可用性等方面。上世紀(jì)70年代，Akehurst B[1]等在CORESTA大會上提出了煙葉“可用性”的概念。后來，左天覺[2]對煙葉的可用性進行了進一步的闡述，強調(diào)了煙葉質(zhì)量合意性或可用性的重要性。上世紀(jì)末，Hill D[3]又提出，可用性是煙葉對某種特定配方和加工過程適合程度的量度。本世紀(jì)初，朱尊權(quán)院士[4]認(rèn)為，工業(yè)上要求的煙葉可用性其實是指該煙葉能制成優(yōu)質(zhì)的、受消費者歡迎的卷煙，并能保持香味穩(wěn)定的性能。這些都強調(diào)了煙葉質(zhì)量的一致性或均質(zhì)性的重要性。

國內(nèi)大品牌如中華、利群等擁有一大批長期穩(wěn)定的煙民，其重要原因之一是其卷煙風(fēng)格特色比較穩(wěn)定。為了維持和提高卷煙品牌的地位，需要煙葉原料在風(fēng)格特色、外觀質(zhì)量、化學(xué)質(zhì)量、評吸質(zhì)量等方面保持穩(wěn)定和均勻，這種質(zhì)量的均衡性和穩(wěn)定性，我們稱其為均質(zhì)性。均質(zhì)性包括時間和空間兩方面的內(nèi)涵。在時間維度上，均質(zhì)性是指煙葉質(zhì)量在年度間保持一致；在空間維度上，是指不同地點所產(chǎn)煙葉質(zhì)量保持基本相同。

地形地貌、土壤類型、海拔高度等生態(tài)因素[5]、烤煙栽培管理和品種[6]、葉片部位等因素可能造成煙葉質(zhì)量的變化，年度間氣候差異也可能造成煙葉質(zhì)量的不同，因此，煙葉質(zhì)量不管在時間維度還是在空間維度都存在一定的變異，煙葉質(zhì)量不十分穩(wěn)定。雖然煙葉質(zhì)量均質(zhì)性問題在行業(yè)內(nèi)受到了越來越多的關(guān)注，各地紛紛開展煙葉質(zhì)量均質(zhì)化方面的研究，但如何對均質(zhì)化程度進行定量評價，目前在煙草界還沒有公認(rèn)的指標(biāo)體系。筆者利用和倒型模型，提出均質(zhì)性指數(shù)的概念，建立計算模型，并用實例說明計算過程和精度。期望能建立一個簡單、實用和通用的均質(zhì)性指標(biāo)體系，為提高卷煙工業(yè)原料保障提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

2018年烘烤結(jié)束后在云南某地收集C2F煙葉樣品222份，每份2.0 kg。粉碎過40目篩后采用Nicolet Antaris傅立葉近紅外光譜儀（美國賽默飛世爾科技有限公司）測定煙葉化學(xué)成分[7]。同事收集到該地某鄉(xiāng)鎮(zhèn)5年（2015～2019）煙葉（C2F）化學(xué)成分?jǐn)?shù)據(jù)，均采用近紅外光譜儀法檢測[7]。

1.2 指標(biāo)原理

由于受生態(tài)條件、生產(chǎn)管理措施、烤煙品種等因素等影響，煙葉質(zhì)量在時間和空間維度上會出現(xiàn)較大差異。圖1是云南某地中部葉（C2F）還原糖含量頻數(shù)分布，平均23.47%，中位數(shù)23.66%，最低15.82%，最高33.62%，最低與最高二者相差17.80%，達1.89倍，標(biāo)準(zhǔn)差3.11，變異系數(shù)13.25%。經(jīng)過統(tǒng)計檢驗[8]，發(fā)現(xiàn)正態(tài)分布擬合的3種檢驗Kolmogorov-Smirnov、Cramer-von Mises、Anderson-Darling所得值分別為0.0371、0.0588、0.4861，值分別為>0.150、>0.250、0.230，說明其完全符合正態(tài)分布。從圖1可以看出，不同取樣點間煙葉還原糖含量波動較大，結(jié)果落在平均值23.47%附近的最多，離平均值越遠(yuǎn)，樣品分布越少。當(dāng)然，煙葉質(zhì)量指標(biāo)也可能呈其他分布，但一定存在變異。為了提高煙葉的配伍性，我們希望所有取樣點的煙葉還原糖含量保持一致，均為23.47%左右，即各地點的煙葉質(zhì)量具有均質(zhì)性。

還原糖 Reducing sugar/%

為了對煙葉質(zhì)量的均質(zhì)化程度（Homogeneousness，）進行度量，我們可以直接用變異系數(shù)來表示，如圖2中的直線所示，即與均質(zhì)性值呈反比和直線關(guān)系。煙葉質(zhì)量某指標(biāo)的變異越大，值越高，煙葉質(zhì)量均質(zhì)化程度越低，越小。2018～2019年間，經(jīng)過多次調(diào)研后發(fā)現(xiàn)該模式并不完全符合卷煙工業(yè)對煙葉質(zhì)量要求的實際情況。在進行卷煙配方時，煙葉質(zhì)量變異的耐受范圍并不是恒定的。因此，我們設(shè)計了更合理的均質(zhì)性評價曲線，如圖2中曲線實線所示。當(dāng)值小于拐點c1時，煙葉的可用性較高，因此隨著的增加，均質(zhì)性下降較緩慢；當(dāng)值大于拐點c2時，煙葉的可接受程度較低，均質(zhì)性得分變化也趨緩；當(dāng)位于c1與c2之間時，曲線較陡，整個曲線呈倒型[9]。因此，就針對不同區(qū)段值，對均質(zhì)性得分進行區(qū)別對待。

1.3 指標(biāo)模型

根據(jù)上述原理，首先確定值與值的對應(yīng)關(guān)系（表1，圖2中的實心圓點），將這些實心圓點連接起來，形成倒型曲線。從圖2看出，曲線有拐點c1和c2，值分別24%和51%，各個卷煙企業(yè)可以對拐點值進行微調(diào)。曲線確定后，需要進一步建立數(shù)學(xué)模型來表示其函數(shù)關(guān)系，以便根據(jù)計算值。本研究采用2種方案進行模擬。

圖 2 均質(zhì)性指數(shù)H與變異系數(shù)（CV）的關(guān)系

注：黑色實心圓點表示與值的對應(yīng)關(guān)系；曲線由實心圓點連接而成，為倒型曲線；空心圓點表示倒型模型計算結(jié)果（2）；三角形點表示分段模型計算結(jié)果（1）。

Note: The curve connected by black solid dots represent a theoretical inverted S-shaped curve (). The hollow dots show the predicted values by the inverted-type model (2), and the triangles by the segmented model (1).

表 1 CV與對應(yīng)的H值以及2種模型精度

1.3.1 分段模型以表1中的原始值為自變量，為因變量，利用SAS軟件分3段進行回歸分析，結(jié)果見表2。三個方程2均達到1%顯著水平，前2段擬合優(yōu)度更好，第三段稍差。

表 2 分段模型及其決定系數(shù)

注：**表示1%顯著。

Note: ** 1% significant level.

1.3.2 倒型曲線模型利用SAS的Nlin程序進行曲線擬合，得到如下方程（1）。

采用如下公式，進行2的近似計算。

1.4 均質(zhì)化綜合指數(shù)的計算

采用表2中的模型或式（1）可計算煙葉質(zhì)量單個指標(biāo)的均值化指數(shù)，但煙葉質(zhì)量涉及的指標(biāo)很多，包括外觀質(zhì)量、物理特性、化學(xué)成分、感官質(zhì)量和安全性等，化學(xué)成分又包括總糖、還原糖、總氮、總堿、氯、鉀含量等多個指標(biāo)，可以先通過計算各個指標(biāo)的值，然后采用指數(shù)和法[10]計算某一區(qū)域或年度間的值如下：

其中，為因子數(shù)目，W為因子的權(quán)重，H為因子煙葉質(zhì)量均質(zhì)性得分。由于權(quán)重0.0～1.0，各因子的均質(zhì)性得分為0～100，因此，所得某區(qū)域或年度的值也在0～100的范圍。各因子的權(quán)重可以通過采用層次分析法（AHP）或更先進的網(wǎng)絡(luò)層次分析法（ANP）確定[10,11]。本研究采用AHP法，經(jīng)過多位專家打分，得出的指標(biāo)權(quán)重為：總糖0.03497，還原糖0.05373，煙堿0.20089，總氮0.08296，K 0.0228，Cl 0.0228，糖堿比0.21244，氮堿比0.14692，兩糖比0.11209，鉀氯比0.1104。

2 結(jié)果與分析

2.1 計算精度

采用分段模型計算時，當(dāng)小于50%時，精度很高；當(dāng)大于50%時，精度相對較低（圖2中的）。從表1中可以看出，當(dāng)小于47%時，相對誤差均小于0.80%，精度高；當(dāng)超過50%時，由于值本身很小，相對誤差明顯增大。

采用倒S型曲線模型計算時，絕對誤差是中間低，兩頭較高（圖2）。相對誤差變化趨勢與分段模型類似，當(dāng)小于50%時，相對誤差很小，用方程（1）能很精確地對值進行計算；當(dāng)大于50%時，某些點偏離曲線。從表1也可以看出，當(dāng)小于47%時，相對誤差的絕對值均小于3.03%，精度高；當(dāng)值超過50%時，由于值本身很小，相對誤差明顯增大，然而，在煙葉生產(chǎn)中，值超過50%的情況少見。

兩種模型比較，分段模型總體計算精度要高于倒型模型。但計算過程前者略顯繁瑣。讀者可根據(jù)具體情況靈活選用。

2.2 空間維度上的均質(zhì)化指數(shù)

作為實例，選用了某縣某煙站2018年所收購的煙葉（C2F）化學(xué)成分?jǐn)?shù)據(jù)。該煙站包括2個鄉(xiāng)（鎮(zhèn)）共21個樣品，每個村1個樣品。按照不同地點計算各指標(biāo)的值，然后分別計算1和2值（表4）。該縣81個樣品和該州222個煙葉樣品的計算過程相同，結(jié)果見表3?？梢钥闯?，一般情況下空間范圍越大，值越小，均質(zhì)性越差。這種趨勢總糖、還原糖、總氮、K、Cl、兩糖比等指標(biāo)表現(xiàn)明顯，如Cl含量的1值某煙站為72.57；某縣65.73，全州36.99?？臻g范圍越廣，生態(tài)條件相差越大，煙葉質(zhì)量差異越大，因而均質(zhì)化程度越小。在進行煙葉調(diào)撥時，為了保證煙葉的均質(zhì)性，可以將調(diào)撥范圍控制在一定的空間范圍內(nèi)。在一定范圍內(nèi)，如一個基地單元，我們希望值越高越好；然而，在全國范圍來看，不同生態(tài)區(qū)間值越大越好，以便充分體現(xiàn)不同風(fēng)格特色。

從該州總體來看，煙葉化學(xué)成分均質(zhì)性達到72.52（表3），總糖、還原糖、總氮、K、氮堿比、兩糖比等的均質(zhì)性都非常好，1值達到90以上。Cl離子含量、糖堿比、鉀氯比很低，1分別為36.99，42.83，40.85。為了提高全州煙葉化學(xué)成分的均質(zhì)性，應(yīng)該從改善這3個指標(biāo)著手。

從表3還可以看出，兩種模型值計算結(jié)果誤差很小，絕大多數(shù)情況下絕對誤差小于1.0；相對誤差也小于1.0%。Cl離子含量、糖堿比、鉀氯比誤差較大，主要是因為這3個指標(biāo)的值較高，位于曲線的中段（圖2），曲線斜率較大，對的變化較敏感造成的。

表 3 某州不同空間尺度煙葉化學(xué)成分均質(zhì)化指數(shù)（H值）及兩種方法結(jié)果比較

注:TS:總糖，RS:還原糖，TN:總氮，TS/N:總糖/煙堿，N/N:氮/煙堿，TS/RS:總糖/還原糖，CC:化學(xué)成分。

Note: TS: total sugar, RS: reducing sugar, TN: total nitrogen, TS/N: total sugar/nicotine, N/N: nitrogen/nicotine, TS/RS: total sugar/reducing sugar, CC: chemical component.

2.3 時間維度上的均質(zhì)化指數(shù)

表 4 云南某縣X鄉(xiāng)鎮(zhèn)煙葉（C2F）化成成分含量、比值及其均質(zhì)性指數(shù)

注:TS:總糖，RS:還原糖，TN:總氮，TS/N:總糖/煙堿，N/N:氮/煙堿，TS/RS:總糖/還原糖，CC:化學(xué)成分。

Note: TS: total sugar, RS: reducing sugar, TN: total nitrogen, TS/N: total sugar/nicotine, N/N: nitrogen/nicotine, TS/RS: total sugar/reducing sugar, CC: chemical component.

表4是云南省某州某縣某鄉(xiāng)鎮(zhèn)煙葉（C2F）化學(xué)成分含量和比值（因涉及保密，具體名未列出），按年度計算的值以及1和2。可以看出，該鄉(xiāng)鎮(zhèn)煙葉化學(xué)成分5年間差異不大，均質(zhì)性指數(shù)高，化學(xué)成分值超過85。煙堿、總糖、還原糖、總氮、鉀、氮堿比、兩糖比的2值都超過了90，分別為92.00、94.61、91.59、93.82、92.92、94.29和94.76，這些化學(xué)成分年度間穩(wěn)定；糖堿比的變異稍大，2值為81.74；年度間變異最大的是氯離子含量和鉀氯比，2值分別為67.39和60.76。兩種模型比較，誤差較小，絕對誤差均小于2.8；相對誤差小于3.0%。

3 討論

煙葉質(zhì)量受生態(tài)條件[5]、種植方式、烘烤等因素的影響[12]。每年煙草公司收購煙葉時，要經(jīng)過煙農(nóng)自己分級、上門預(yù)檢、收購點分級檢驗等流程，十分繁瑣，但工商交接過程中仍然存在混部位、混組別、混級別的現(xiàn)象[13]。工業(yè)企業(yè)在復(fù)烤廠還要進行片選等流程，非常耗時費力。為了保證煙葉質(zhì)量的均質(zhì)性，這些都是必須要認(rèn)真完成的流程。經(jīng)過這些流程，煙葉質(zhì)量的均質(zhì)性雖然有所提高，尤其是外觀質(zhì)量，其他質(zhì)量指標(biāo)如煙葉化學(xué)成分的均質(zhì)性，仍然得不到保證。不管是在時間維度、還是在空間維度，保持煙葉質(zhì)量的均質(zhì)性是卷煙配伍的長期要求[3]，一直以來受到卷煙企業(yè)的高度重視。

煙葉質(zhì)量指標(biāo)包括外觀質(zhì)量、物理特性、化學(xué)成分、感官質(zhì)量和安全性等5大類，每類又包括多種指標(biāo)，如煙葉常規(guī)化學(xué)成分指標(biāo)包括總糖、還原糖、總氮、總堿、氯、鉀含量、以及他們的比值等。這些指標(biāo)絕大部分都是定量的。但如何用這些指標(biāo)來定量地反映煙葉質(zhì)量的均質(zhì)性，目前還缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。本研究首次提出了均質(zhì)性的計量方法，該方法既適用于單個指標(biāo)，如該州煙區(qū)2018年還原糖的均質(zhì)性指數(shù)為92.61（表3）；又能計算綜合指標(biāo)，如該州2018年化學(xué)成分均質(zhì)性指數(shù)為72.52。相應(yīng)地，該方法既適用于時間維度的均質(zhì)性計算；也可用于空間維度的計算。能廣泛用來衡量煙葉質(zhì)量的均質(zhì)性水平。

本研究根據(jù)卷煙工業(yè)企業(yè)的實際需求，將變異系數(shù)和均質(zhì)性指數(shù)有機地結(jié)合起來，既為值的計算帶來了便利，又能科學(xué)、客觀地對煙葉質(zhì)量的穩(wěn)定性進行度量。杜文等[14]以煙葉還原糖、總堿、氯和鉀含量的標(biāo)準(zhǔn)偏差為變量，建立了煙葉質(zhì)量一致性的計算模型，但模型中涉及到調(diào)整系數(shù)，給計算過程帶來了不確定性和難度，不易推廣運用。杜閱光等[15]也采用煙葉煙堿、總糖、鉀、氯4指標(biāo)的變異系數(shù)，實現(xiàn)對打葉復(fù)烤過程中的均質(zhì)化程度的調(diào)控。由于其僅僅采用變異系數(shù)為指標(biāo)，沒有顧及工業(yè)企業(yè)對一致性要求的實際情況，因此他們所用的方法有待改進。本研究既避免了計算過程的不確定性，又充分考慮了工業(yè)企業(yè)對一致性要求的實際情況，并將均質(zhì)化程度作用一個單獨的指標(biāo)進行量化，實用性大大提高。

4 結(jié)論

通過建立倒型曲線，采用變異系數(shù)對煙葉的均質(zhì)性進行了刻畫，建立了煙葉質(zhì)量均質(zhì)性指標(biāo)模型，該模型在國內(nèi)外屬于首創(chuàng)，具有很好的科學(xué)性、實用性和通用性，能夠在所有煙葉產(chǎn)區(qū)推廣運用，為卷煙工業(yè)企業(yè)進行煙葉調(diào)撥提供科學(xué)、客觀參考。在烤煙生產(chǎn)上，為了提高煙葉的均質(zhì)性，我們可以采用多種措施，如抓好規(guī)劃布局，提高集中連片種植面積比例；分批次集中育苗，提高煙苗整齊度；提高整地質(zhì)量；減少移栽時間間距；采用膜下小苗移栽，縮短還苗時間，提高生長整齊度；全面落實綠色防控，減少煙田發(fā)病率；集中烘烤等等。

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The Concept and Calculation Model of Flue-cured Tobacco Homogeneity Index

ZHANG Jiu-quan1, GU Yu-min2*, CAI Xian-jie2, YAN Ding2, WANG Xin2, SHEN Yi2

1.266101,2.200082,

Concept of homogeneity index (Homogeneousness, H) is proposed by using the coefficient of variation and the inverted S-type model, so that homogenization of tobacco leaf can be quantified scientifically. A segmented model and an inverted S-type model were established using SAS system.-values of spatial and time dimensions were calculated by using the chemical composition of the tobacco leaf from Wenshan prefecture in Yunnan province. The results showed that the R2for the segmented model were 0.9989, 0.9990, and 0.9328 for each of the 3 segments, respectively, with a 1% significant level, while the R2for the inverted Model S was 0.9978. The former had higher accuracy but the calculation process was slightly cumbersome. In term of timeline, theindex (inverted S curve method) for tobacco leaves from a township, Yanshan county between 2015 and 2019 was: nicotine 92.00, total sugar 94.61, reduced sugar 91.59,total nitrogen 93.82, potassium 92.92, chlorine 67.39, (total sugar)/nicotine 81.74, nitrogen/nicotine 94.29, (reduced sugar)/(total sugar) 94.76, K/Cl 60.76, respectively. Theindex for chemical composition is 86.70. In space dimension, the H index for leaf chemical composition is 74.18, 72.30, and 90.88 for Wenshan prefecture, Yanshan county, and Pingyuan township, respectively. Thisindex is proposed and tested first time in the world, which is simple, robust, practical, and can readily measure the degree of homogenization of tobacco leaves.

Tobacco; quality control; assessment model

TS41

A

1000-2324(2023)02-0231-07

10.3969/j.issn.1000-2324.2023.02.011

2021-08-31

2021-11-05

上海煙草集團有限責(zé)任公司重點項目:品牌導(dǎo)向的文山煙葉品質(zhì)區(qū)劃研究(20193100001-40873);上海煙草集團有限責(zé)任公司重點項目:提升煙葉質(zhì)量均質(zhì)化的關(guān)鍵生產(chǎn)技術(shù)研究與推廣(20183100001-40875)

張久權(quán)(1965-),男,博士,副研究員,主要從事煙草栽培和信息方面的研究. E-mail:zhangjiuquan@caas.cn

Author for correspondence. E-mail:guym@sh.tobacco.com.cn