（化学工艺专业论文）基于游离氨基酸人工神经网络的烟叶品质预测.pdf

贵州大学硕士学位论文 摘要 基于游离氨基酸人工神经网络的烟叶品质预测 化学工艺专业 硕士生蔡元青指导教师彭黔荣 游离氨基酸是烟叶的重要化学成分，在烟叶的烘烤、陈化、调制及抽吸 过程中，均会与烟叶中的还原糖发生梅拉德反应，从而形成多种重要的致香 成分。烟叶中游离氨基酸含量和种类的多少与烟叶内在品质有着直接关系， 开发游离氨基酸的分析方法有着重要的理论意义和实际运用价值。 实验步骤分为提取、分离、浓缩、过滤、超滤、上机。采用8 0 乙醇溶 液作为游离氨基酸的提取剂，最大限度的提取烟叶中的游离氨基酸；阳离子 交换树脂作为纯化剂，有效地去除影响检测的杂质；用氮吹仪浓缩洗脱液， 微孔滤膜过滤除杂质，超滤膜去除大分子蛋白，最后用o p a & f m o c 联用柱 前衍生反相高效液相色谱法，同时检测烟叶中游离的一级和二级氮基酸。该 方法重复性较好，除脯氨酸的相对标准偏差大于0 5 以外，其余氨基酸的 相对标准偏差在o 1 9 9 0 4 6 4 之间；在回收率实验中，大部分氨基酸的回收 术扑：7 2 一1 1 9 之间，平均回收率为9 6 1 5 ，氨基酸分离效果好、定性定量 玳确。 实验收集来自贵州、云南、河南等产地的烤烟烟叶样品8 5 份，每份样 占占经过挑选一分为二，一份完成1 5 种游离氨基酸( 天冬氨酸、谷氨酸、天 冬酰胺、丝氨酸、谷氨酰胺、苏氨酸、丙氨酸、精氨酸、酪氨酸、缬氨酸、 蛋氨酸、苯丙氨酸、脯氨酸) 的定性定量分析，根据所检测得到氨基酸数据 剔除分离效果不好的组氨酸和甘氨酸两种氨基酸，每种烟叶共分析了1 3 种 游离氨基酸：另一份卷制成烟支，并进行水分平衡，然后由贵阳卷烟厂评烟 委员会的专家进行感官评吸打分( 香气质、香气量、吃味、杂气、刺激性、 劲头、燃烧性、灰份、总分) ，评吸按烟草行业标准y c t 1 3 8 1 9 9 8 进行， 评吸结果作为烤烟内在品质的鉴定依据。 不同产地烤烟的游离氨基酸总量上差别不大，只是其中某些氨基酸含量 上稍有差别。不同部位烟叶的游离氨基酸总量，上部最高，中部次之，下部 贵州大学硕士学位论文 最少，这个规律与不同部位烟叶中烟碱含量相似。烤烟和香料烟不仅在游离 氨基酸总量上存在很大差别，而且其氨基酸的种类和含量上亦存在很大差 别。 将1 3 种游离氨基酸指标和感官评吸的9 项指标组成样本数据集，为了 减少网络的数据运算量、提高网络的运算速度，对1 3 种游离氨基酸进行主 成分分析，网络的输入矩阵由1 3 维降至9 维，以上数据组成9 个输入、9 个输出的x r “”数据矩阵。采用拓扑结构为：9 s x 9 的网络，针对b p 网络容易陷入局部极小、学习速度慢的缺点，本文采用l m 算法。根据烟叶 的先验知识，采取先对烟叶样本进行预分类，烟叶质量预测模型快速收敛。 结果表明：验证误差和测试误差的变化趋势基本一致，堋练网络均方误差 m s e 为1 ，3 6 4 4 ，将该模型运用于烟叶质量预测，预测结果的绝对误差范围： 刺激性o 6 2 1 、吃昧0 8 1 2 、灰色0 9 2 8 、劲头0 8 2 、香气质1 3 1 i 、 杂气。0 6 3 1 、香气量1 4 1 5 、燃烧性一2 8 3 2 、总分一7 6 ，其中总分的误差 较大，其余指标得到了较好的预测结果，对单料烟的内在质量能作出较为客 观的评价。 本文基于游离氨基酸人工神经网络的烟叶品质预测是可行的，预测结果 较为客观、准确，方法优于传统的数理统计方法。随着烟叶化学成分定量分 析技术，现代分析仪器的不断完善和发展，以及神经网络及其优化技术的深 入研究，将神经网络应用到烟草制品内在质量的评定，与专家评吸形成互补， 解决烟草行业长期以来仅依赖人为判定烟叶质量的问题，配合叶组配方和新 产品的开发，在不久的将来一定能够成为现实。 关键词烟叶游离氮基酸分析b p 人工神经网络烟叶品质预测 贵州大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ep r e d i c t i o no ft o b a c c oq u a l i t yb ya r t i f i c i a ln e u r a l n e t w o r kb a s e do nf r e ea m i n oa c i d s c h e m i c a l t e c h n o l o g y p o s t g r a d u a t e c a iy u a n q i n g s u p e r v i s o rd r p e n gq i a n r o n g t h ef r e ea m i n oa c i d sa r ei m p o r t a n tc h e m i c a lc o m p o n e n t si nt o b a c c o d u r i n gt h em o d u l a t i n ga n dp u m p i n go ft h et o b a c c ot h ef r e ea m i n oa c i d sa n dt h e r e d u c i n gs u g a rw i l lo c c u rt h em a i l l a r dr e a c t i o na n dt h e np r o d u c em a n ya r o m a s u b s t a n c e s s ot h ec o n t e n t sa n dc a t e g o r i e so ft h ef r e ea m i n oa c i d sh a v ed i r e c t c o r r e l a t i o nw i t l lt h et o b a c c oi n t e r n a lq u a l i t y e x p l o i t u r eo ft h ea m i n oa c i d s a n a l y t i c a lm e t h o dh a st h e o r e t i c a lm e a n i n ga n dp r a c t i c a lv a l u e t h ee x p e r i m e n tp r o c e s s e sa r ee x t r a c t i o n ，s e p a r a t i o n ，c o n c e n t r a t i o n ， d i a l y z e ra n da n a l y s i s t h et o t a la m o u n to ff r e ea m i n oa c i d si se x t r a c t e dw i t ht h e 8 0 e t h a n o ls o l u t i o nt ot h eg r e a t e s te x t e n t t h ec a t i o n i ci o n - e x c h a n g ec o l u m n c a np u r l f ya n dw i p eo f ft h ei m p u r i t y t h er e v e r s e d p h a s eh i g h p e r f o r m a n c e l i q u i dc h r o m a t o g r a p h ya n dp r e c o l u m nd e r i v a t i o nw i t ho p a & f m o c i se m p l o y e d f o rd e t e r m i n a t i o nt ot e s tt h ep r i m a r ya n ds e c o n d a r ya m i n oa c i d s t h er e l a t i v e s t a n d a r dd e v i a t i o n so ft h e s ea m i n oa c i d sa r ei nt h er a n g eo f0 19 9 9 0 4 6 4 e x p e c tf o rt h ep r oa b o v eo 5 t h er e c o v e r i e so ft h e s ea m i n oa c i d sa r ef r o m 7 2 - 119 a n dt h em e a nr e c o v e r yi s9 6 15 t h es e p a r a t i o no ft h ea m i n oa c i d si s g o o da n dq u a l i t a t i v eq u a n t i t a t i v ei se x a c t t h i se x p e r i m e n tc o l l e c t s8 5t o b a c c ol c a v e sf r o mg u i z h o uy u a n n a na n d h e n a n a f t e rb e i n gs e l e c t e d ，e v e r ys a m p l ei sd i v i d e di n t ot w os h a r e s o n ei su s e t oa n a l y z e15a m i n oa c i d s e v e r ys a m p l ei sa n a l y s i s e d13f r e ea m i n oa c i d s p i c k i n go u ta n dt h eh i sa n dg l yw h i c ha r en o ts e p a r a t e t h eo t h e ro n ei sm a d e c i g a r e t t ea n db a n l a n e e dt h ew a t e rt h e ni d e n t i f i e ds e n s o r yq u a l i t yb yg u i z h o u h g st o b a c c o c o m p a n yt o b a c c os e n s o r yq u a l i t y i d e n t i f i c a t i o nc o m m i t t e e a c c o r d i n gt oy c t 1 3 8 - 1 9 9 8 t h ea m o u n t so ff r e ea m i n oa c i d si nt o b a c c od o n td i f f e ri nd i f i e r e n tr e g i o n s 贵州大学硕士学位论文 e x c e p tt h ea m o u n to fs o m ea m i n oa c i d s t h et o po ft o b a c c oh a st h el a r g e s t a m o u n ta m i n oa c i d s ，t h em i d d l ef o l l o w sa n dt h eb o t t o mh a st h el e a s t t h i sr u l e i ss a m et ot h ea m o u n to fn i c o t i n ei nd i f f e r e n tp a r t so ft o b a c c o t h ef l u e c u r e d t o b a c c od i f f e ri nt h et o t a la m o u n tc o n t e n ta sw e l la si nt h ec a t e g o r yw i t h o r i e n t a l t o b a c c o t h e1 3a m i n oa c i d sa n dt h e9s e n s o r yq u a l i t yc o n s t i t u t es a m p l es e t i n o r d e rt or e d u c et h en e t w o r kd a t ao p e r a t i o na n dt oi n c r e a s et h en e t w o r ko p e r a t i o n v e l o c i t y , t h e13a m i n oa c i d sa r ec a l c u l a t e db yp r i n c i p a la n a l y s i sa n dt h en e t w o r k i n p u tr e d u c e sf r o ml3t o9 t h ed a t ac o n s t i t u t e dax r 1 8 。7 0m a t r i xo f9i n p u t s a n d9o u t p u t s t h eb pa r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r km o d e ls t r u c t u r ei s9 s 9 a i m e da t t h es h o r t c o m i n g so ft h eb pa l g o r i t h m ，s u c ha sl o we f f i c i e n c yo fs t u d y , s l o w s p e e do fc o n v e r g e n c e ，e a s i n e s st oi m m e r s ei n t ol o c a lo p t i m u m s ，t h i sa r t i c l e a d o p t s l ma r i t h m e t i c t h es a m p l ei s p r e c l a s s i f i e da c c o r d i n gt ot h ef o r e e x p e r i m e n t ( p r e c l a s s i f i c a t i o n ) o fl e a v e sa n dt h el e a v eq u a n t i t yp r e d i c t i o nm o d e l c a nc o n v e r g e n c eq u i c k l y n l er e s u l ti n d i c a t e st h a tv a l i d a t i o ne r r o ra n dt e s te r r o r c h a n g ei nt h es a m ed i r e c t i o n t h en e t w o r km s e = 1 3 6 4 4 t h er e s u l ta b s o l u t e e r r o ra v e r a g ei ss h a r p n e s s - 0 6 2 1 、t a s t e - 0 8 1 2 、a s hc o l o u r0 9 2 8 、 p h y s i o l o g i c a ls t r e n g t h o 8 - 2 、q u a l i t yo f a r o m a 1 3 1 1 、o f f e n s i v eo d o r0 6 3 1 、 v o l u m eo fa r o m a - 1 4 - 1 5 、c o m b u s t i b i l i t y 2 8 3 2 、a 1 1m a r k s 一7 6 i tc a n e v a l u a t et h et o b a c c oi n t e r n a lq u a l i t yo b j e c t i v e l y t h i sm e t h o di sf e a s i b l ea n df o r e c a s ti so b j e c t i v e i ti s s u p e r i o rt o t h e t r a d i t i o n a ls t a t i s t i c s w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ea n a l y t i c a lt e c h n o l o g y d e e p l y r e s e a r c ho ft h eq u a n t i t a t i v ea n a l y s i so ft o b a c c oc h e m i e a lc o n s t i t u e n t s a n dt h e o p t i m i z a t i o no fa r t i f i c i a ln e u r a in e t w o r k i tw i l lc o m et r u et h a tt h et o b a c c o q u a l i t yw i l ln o to n l yb ep r e d i c t e de f f i c i e n t l yb yn e u r a ln e t w o r k ，b u ta l s or e s o l v e t h ep u z z l eo fe v a l u a t i n gt o b a c c oq u a l i t yo n l yb yp e o p l e ss e n s ef o ral o n gt i m e k e y w o r d s t o b a c c ol e a ff r e ea m i n oa c i d s a n a l y s i s b pa r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k p r e d i c to f t o b a c c oq u a l i t y 贵州大学硕士学位论文 前言 烟草是一种特殊而又重要的经济作物，它既是消费品，又是税收的重要 来源。2 0 世纪以前，全世界生产烟叶不足l 亿千克，卷烟1 0 亿支；1 9 4 0 年 生产烟叶2 9 3 亿千克，卷烟4 9 0 0 亿支：目前估计全世界烟叶总产量约为6 1 5 亿千克，卷烟约为5 万亿支【2 j 。 国家烟草专卖局新闻发言人邢万里2 0 0 5 年1 月1 2 日说”1 ，2 0 0 4 年我国 生产卷烟1 8 7 3 5 9 亿支，比2 0 0 3 年增长4 7 ；销售卷烟1 8 7 7 8 6 亿支，同 比增长4 5 ：年末工商库存1 3 0 4 4 亿支，保持较低库存。2 0 0 4 年我国烟 草行业坚持以科学发展观为指导，紧紧围绕“做精做强主业，保持平稳发 展”的基本方针和“深化改革，推动重组，走向联合，共同发展”的主要任 务，通过不断深化改革、强化管理、加强专卖、优化结构、科技创新，顺利 完成全年的目标任务。累计实现工商税利超过2 1 0 0 亿元，其中实现工商税 金1 4 1 4 亿元，比2 0 0 3 年增加2 2 5 亿元，创历史最好水平。据介绍，2 0 0 4 年全国共签订烟叶产购合同3 6 5 万份，种植烤烟面积1 5 0 7 万亩，收购烟叶 1 7 5 万吨左右，控制在国家计划内，烟叶供求总体平衡。烟叶收购等级合格 率达7 7 ，整体质量水平进一步提高。 此外，2 0 0 4 年烟草进出口工作取得新的成绩，全年出口烟叶1 5 9 万吨， 出口卷烟1 6 3 万件，实现出口创汇5 2 亿美元，同比增长9 ，其中烟机出 口额首次突破1 0 0 0 万美元。烟草行业经济运行保持平稳健康发展，2 0 0 5 年 烟草行业仍是中国各行业中利润增长强劲的行业之一。 贵州是两烟生产大省，贵烟历史悠久，上个世纪七十年代就己名声大振， 云二贵三中华。2 0 0 4 年实现工商税利8 0 亿，工业实现税利5 5 2 亿元。各 项经济指标取得了令人振奋的好成绩。贵阳卷烟厂2 0 0 4 年全年共生产卷烟： 1 0 6 0 5 8 6 7 2 箱，销售卷烟1 0 7 7 2 4 7 1 6 箱，实现销售收入5 5 7 9 亿元，同比增 加7 8 5 4 亿元，单箱产值5 3 2 3 7 0 元，同比增加6 3 8 4 3 元，实现利税突破3 5 亿元，其中，税费同比增幅达2 0 9 8 ，利润同比增幅达3 6 5 1 8 【3 】。 人们对烟草吸食需求和质量评价，都是通过烟制品的燃烧过程来判定的。 过去，人们只能从烟草的外观特征来评价烟草品质，通过人们对烟草化学成 分的研究发现，烟叶的外观特征是由烟草内含化学成分的含量、性质所决定 的。烟叶外观特征是内在化学成分的具体体现。因此，人们把那些烟叶的外 观特征称之为评价烟叶品质的“外在”标准，把烟草内在化学成分称之为评 价烟叶品质“内在”标准。要想更科学更具体的对烟草品质做出评价，就必 须对烟草内在的化学成分进行深入研究，了解各种化学成分的性质及其与烟 叶品质的关系 7 1 。 现在已经认识到烟革化学成分含量及其相互关系与烟草品质指标间存在 贵州大学硕士学位论文 相关性，但不是所有化学成分都对卷烟制品的内在质量有影响，它们之间的 数学关系，即使不是“黑箱”，也是“灰箱”，难以建立明确的数学关系【6 0 】。 而传统的品质因素比如：施木克值、糖碱比等，只是简单的加和，没有考虑 每一种化学成分对烟叶品质的贡献率，造成评价指标具有片面性和局限性 h 】。人工神经网络研究迅速崛起，它具有独特的学习能力、不需要建立数学 模型的特点，使得它对非线性问题具有较高的求解能力，因而特别适合用来 解决“灰箱”或“黑箱”问题【l 3 1 。将神经网络应用于烟叶中游离氨基酸与感 官评定指标的关联研究具有独特的优越性。 贵州大学硕士学位论文 1 1 烟草简介 第一章文献综述 烟草在长期栽培过程中，由于使用要求与调制方法、栽培措施和自然环 境条件等方面的差异，形成了多种多样的类型。按植物分类学分为两种：一 是普遍( 红花) 烟草( n t a b a c u ml ) ；二是黄花烟草( n r u s t i c al ) 。按照烟 叶品质特点、生物学性状和栽培调制方法的不同，将栽培烟草分为烤烟、晒 烟、晾烟、白肋烟、香料烟和黄花烟等六个类型。 ( 一) 烤烟 烤烟也称为弗吉尼亚型烟。1 8 3 2 年，弗吉尼亚人塔克d g t u e k 发明用 火管在室内烤干本地品种的烟叶，烤后烟叶黄亮、品质好、价格高，很快扩 展到世界各地，成为最主要的烟草类型。烤后烟叶具有的化学成分特点是含 糖量高、蛋白质含量低、烟碱含量中等、组织疏松、油分多、香味好等，是 卷烟工业的最主要原料。 ( 二) 晒烟 晒烟最主要的特点是利用日光加温调制烟叶。由于我国各地自然条件、 品种特性、栽培技术和晒制方法的不同，形成多种多样的晒烟类型。因调制 后烟叶颜色不同，而分成晒红烟和晒黄烟；晒黄烟进一步分为淡色晒黄烟和 深色晒黄烟。 ( 三) 晾烟 晾烟是将烟叶或整株烟草采收后，在阴凉通风的场所进行调制。它指除 白肋烟以外的其它晾制烟草，包括雪茄芯叶烟、雪茄包叶烟、马里兰烟和我 国传统晾烟。 ( 四) 白肋烟 白肋烟原产美国。中文名称是“b u r l e y ”音译而得。1 8 6 4 年美国俄亥俄 州( o h i o ) 白郎县的一农家，在马里兰型阔叶的苗床里初次发现缺绿的突变 州株，后经专门种植证明具有特殊使用价值，从而发展成为烟草新类型。 ( 血) 香料烟 香料烟又称土耳其烟或东方型烟，采用晾烟结合进行调制干燥，以顶部 叶品质最佳。是生产混合型和晒烟型卷烟的主要原料之一。 ( 六) 黄花烟 黄花烟是烟属的黄花烟种，采用日晒调制。同以上五种烟草类型的最大 区别，在于它在植物分类上属不同的种，植物学性状差异很大。 贵州大学硕士学位论文 1 2 烟草化学 1 2 1 烟草化学发展简介 烟草化学，是关于烟草化学成分的科学【”。概括地说，烟草化学是研究 烟草、烟制品及烟气中化学成分的组成、性质、含量、变化规律、影响因素 及其与烟草品质的关系的科学，它是在烟草工业发展过程中建立和发展起来 的。 烟草的化学成分是决定烟草品质的内在因素。品质因素在很大程度上决 定着烟草的经济价值。烟草的化学成分与烟草的类型、栽培、调制、加工有 相当密切的关系。烟草从栽培到制成供人们消费的烟制品，经历了一系列的 变化过程，在这些过程中，对于烟草吸食品质起主导作用的化学成分的质和 量的变化，直接影响烟制品的质量。 不同的烟草生长环境和田间管理技术，导致烟叶内干物质质和量的差 异：采收后的烟叶经过调制和发酵，使烟叶中的化学成分发生变化；不同的 叶组配方和加工工艺直接决定烟制品的等级；燃吸卷烟时，卷烟燃烧的本质 也是复杂的化学反应过程。 为了阐明上述各种过程中所发生化学变化的实质，就必须用科学的方法 揭示烟草及其制品的组成、结构、性质及其相关化学变化的规律，这正是烟 草化学的研究对象。 研究烟草化学的目的就在于运用现代科学理论和测试技术来阐明烟草 ! k 长、调制、加工等过程以及烟草使用的化学本质，系统地总结和推广先进 生产经验和科研成果，指导烟草工农业生产，使科学技术转化为生产力，提 高卷烟生产经济效益，改进烟草吸食品质，满足不断变化的消费需求，提高 吸烟的安全性，无数事实证明，烟草化学已成为指导烟草工农业生产的重要 理论学科，对于国民经济的发展和人民身体健康已经发挥并将继续发挥重要 作用。 然而，烟草化学发展成为一门独立的专业基础学科，只是最近几十年的 事情。据史料记载，烟草在世界上的种植历史已有1 5 0 0 多年。我国的烟草 利柿历史也有4 0 0 多年。但烟草化学的研究历史相对于种植历史是比较短的， 伞令还只有1 0 0 多年，有文字记载的烟草化学的历史可追溯到1 8 0 9 年，当 qt l 有人开始从烟叶中分离提取烟碱。因为法国驻葡萄牙大使j e o nn i c t o 于 1 5 6 l 的首次把烟草带入法国，所以，为纪念这位烟草的传播者，18 2 8 年， p o s s e l t 确定烟碱的化学名称为尼古丁( n i c o t i n e ) 。1 8 8 6 年p i c t a t 用化学方法 首次合成烟碱，从而进一步证明了烟碱的化学组成和分子结构。2 0 世纪2 0 年代，两位原苏联的青年学者通过烟草化学研究，勇敢的提出了烟草化学的 新思想。一位是阿阿施木克，他创造了烟草动力化学。另位是阿依斯 未尔诺夫，他提出了人工发酵化学变化理论，奠定了商品烟叶加工工艺的理 论基础。1 9 世纪中叶，医学工作者曾从医学角度研究过烟草的烟气。本世纪 3 0 年代，烟气与烟草制品质量的关系受到了重视，然而，由于当时的分析方 4 贵州大学硕士学位论文 法落后，缺乏先进的测试技术，无法全面准确地测定烟草和烟气的化学成分， 这些研究未能取得显著的成果。直到上世纪中叶，烟草化学还没形成一门独 立的学科。 2 0 世纪5 0 年代，吸烟与健康问题越来越引起人们的普遍关注，许多国 家的卫生部门、医学学会和科研单位都开展了吸烟与健康问题的广泛研究， 例如，形态学、病理学、生理学和药理学的研究，测试诱变剂和致癌剂方法 的发展，烟草成分在生物有机体中的生化研究，吸烟与心血管系统、呼吸系 统、内分泌系统、新陈代谢、孕妇与胎儿的关系以及被动吸烟等问题的研究 等。1 9 6 2 年，英国皇家内科学院发表一篇报告，首次提出吸烟与肺癌的关系。 随着各项研究的不断深入，吸烟与健康的关系日趋明朗。与此同时，烟草科 技也得了较大发展，出现了新工艺、新技术、新材料、新产品。安全型低焦 油卷烟的出现，表明了烟草生产单纯经营转向追求社会效益相结合。烟草工 业有了新的变革和发展。正是在这些研究中，化学、生物、医学等学科的科 学家和烟草科学家们一起，运用当代最新的测试技术和方法，比较全面地分 析了烟叶和烟气的化学成分，探讨了相应的化学反应的机制，进一步研究了 烟气成分与烟叶品质的关系，使人们对烟草和烟气的本质有了比较全面的认 识，至此，烟草化学才发展成为一门独立的学科。 我国的烟草化学研究是从5 0 年代开始的，1 9 5 8 年，韩育东等将施木克 的烟草化学与工艺学一书译成中文，这是我国第一本关于烟草化学的译 著。1 9 5 9 年，朱尊权等编著卷烟工艺学，写进了关于烟叶化学成分的内 容。6 0 年代初，轻工业部烟草研究所建立了烟草化验部门。1 9 7 9 年以来， 在国家对外开放政策的指导下，我国烟草科研和生产迅速发展，与国外的合 作交流进一步扩大，烟草品质受到重视，烟草化学研究又应运发展起来。1 9 8 5 年钟庆辉编写的烟草化学基本知识，是我国第一本由国人编写的关于烟 草化学的书籍。之后，陆续有许多专家学者编写有关烟草化学的书籍。1 9 8 2 年，中国烟草总公司成立，烟草化学研究在全国普遍展开，各级烟草质量监 督检验中心相继建立。现在，我国烟草化学研究正在追赶国际先进水平。 从5 0 年代中期开始，国际上各大烟草公司、科研机构、基金会和学术 团体都集t i i 力量努力提高烟气香味，改善吃味。国际上著名的香精香料公司 先后应用色谱、质谱与计算机联用等现代仪器分析技术，对各类烟草和烟气 q 的香味成分进行更深入的研究，从中找出对烟香味具有重要作用的化学成 分，并发现了过去未知的微量香味物质。目前，国际上对烟用香精的研究和 开发十分活跃，已经取得了突破性进展。 面对吸烟与健康的激烈讨论，烟草及其制品的特殊性使烟草行业成为一 个与众不同的行业，它既要满足广大消费者的需求，又不能无限制的发展， 随着人民生活水平的提高，广大消费者日益重视身体健康，对烟草制品提出 了低毒、安全等新的要求。传统的卷烟产品是无法满足这些要求的，要接受 这一来自社会的挑战，烟草行业必须进行重大变革。作为指导烟草工农业生 产的理论学科一一烟草化学肩负着重要使命，同时要在理论发展的深度和广 度方面不断地踏上新台阶! 贵州大学硕士学位论文 1 2 2 烟草的主要化学成分 在一定意义上讲，烟草的经济价值和使用价值取决于烟草品质，而烟草 的品质则取决于烟草的化学成分【”。因此，研究烟草的化学成分，对于烟草 的工农业生产具有重要意义。 一、无机成分 ( 一) 水分 烟草中水分的含量是比较大的，烟叶含水量在调制和最终消费的所有阶 段，都是一项至关重要的因素。 ( 1 ) 游离水 游离水以游离状态存在于细胞和细胞间隙之中，可在叶中”自由”移动， 容易蒸发散失，又称自由水。 ( 2 ) 吸附水 吸附水是指被蛋白质、果胶、淀粉等亲水性胶体所束缚的水分。它通过 毛细管吸着力与细胞壁紧密相连，又称胶体结合水。吸附水被束缚的程度较 大，比自由水稳定，蒸发散失较困难。 ( 3 ) 化合水 化合水是与烟叶中某些成分相结合的水，是分子结构的组成成分。化合 水被牢固束缚，相当稳定。 原烟含水量一般为1 5 2 0 ，有些烟叶含水量也可能超过2 0 。 水对烟株的生长和烟叶品质影响较大。水不仅是烟株从土壤中吸收矿物 质的媒介，也是烟株生长和衰老等所有生物化学反应的介质，故对烟株十分 重要。水分对于烟草的生长和品质、烟草的醇化、烟叶的质量、去梗设备的 性能、干燥和冷却设备的控制、卷烟机的效率、卷烟成品的均匀度和吸食特 自e 以及保管质量都有影响。 ( 二) 矿质元素 烟草中除含有n 、p 、k 、c a 、m g 、f e 、s 等六种重要的灰分元素外， 还含有许多其它的矿质元素，如氯、砷、硼、氟、汞、硒、硅、铝、钡、铯、 铬、钴、铜、锂、锰、钼、镍、钋、镭等微量元素。 ( 1 ) 氮 氮是影响烟叶产量和质量的关键元素。适当增加含氮肥料，使土壤中有 足够的硝酸盐或其他含氮的无机盐，可以提高烟叶中烟碱和其他含氮化合物 的积累量，使烟叶品质优良。 ( 2 ) 磷 磷在烟草生长过程中与蛋白质、糖和类磷脂的同化作用有关，因此，磷 量供应的充足与否，直接影响烟株的生长和烟叶品质。它是组成核酸、尤其 是核糖核酸的重要元素，其作用是很重要的。 ( 3 ) 钾 6 贵州大学硕士学位论文 钾是烟叶灰分的主要成分之一。钾对于碳水化合物的结合和细胞间营养 物质的运输有重要作用。钾对烤烟的色泽是有利的，与燃烧性成正相关。 ( 4 ) 钙 钙是构成细胞壁的必要元素，钙果胶酸盐是细胞壁结构的主要成分。钙 是灰分的另一种主要成分，其含量往往比钾还高。 ( 5 ) 镁 镁是叶绿素分子中唯一的金属成分。在某些酶系统中，镁有很重要的作 用，常为催化水解过程中金属酶的组成成分。 ( 6 ) 硫 硫的主要作用是构成蛋白质结构，它是三种主要氨基酸( 胱氨酸、半胱 氨酸、蛋氨酸) 的成分。硫对烟叶的燃烧性有不良影响，缺硫使叶色呈现黄 色而显暗淡。 二、碳水化合物及其有关物质 碳水化合物是烟草中存在的一类重要物质，它是构成植物的骨架和网络 结构的物质。 ( 一) 单糖 单糖是不能水解成更小分子的多羟基醛或多羟基酮。烟草中存在的单 糖，主要是戊糖和己糖。己糖包括葡萄糖和果糖，因为葡萄糖和果糖分子结 构中的羟基具有还原性，一般统称为还原糖。 ( 二) 低聚糖 低聚糖是由2 0 个以下单糖基组成的，一般为多糖的水解产物。烟草中存 在的双糖丰要是蔗糖和麦芽糖，其中麦芽糖有还原性。 ( 三) 多糖 多糖是高分子化合物，其水解的最终产物是单糖。与单糖和低聚糖不同， 多糖无甜味，某些多糖分子的末端虽含有苷羟基，但因分子量很大，其还原 性极不显著。烟草中含有的多糖主要有淀粉、纤维素、半纤维素及其有关化 合物。 i 、含氮化合物 烟草中含氮化合物( 包括蛋白质、游离氨基酸、烟碱和硝酸盐等) 对烟草 的感官评吸质量和吸烟者的健康都有重要影响。烟草植株从土壤中吸收各种 无机含氮化合物( 主要是铵盐和硝酸盐) ，在烟草根系或绿叶中，这些物质被 还原成n h 2 ，再经同化作用而形成各种氨基酸和蛋白质等有机含氮化合物。 烟草植株在生长过程中碳水化合物和含氮化合物之间相互关联，以维持代谢 平衡。单糖类氧化分解成为丙酸，经三羧酸循环转化成为各种有机酸，与根 部吸收或转化来的氨作用形成氨基酸，进而合成蛋白质、植物碱或其它杂环 化合物。 ( 一) 可溶性氮 可溶性氮化合物包括氨基酸、酰胺、硝酸盐和氨。 7 贵州大学硕士学位论文 氨基酸是蛋白质的基本组成单位，烟草中存在着2 0 余种氨基酸，在这 些氨基酸分子中，除氨基与羧基外，有的还含有羟基、巯基、芳香环或杂环 等。 氨基酸对烟株内氮的代谢作用有重要意义。蛋白质一般是水不溶的，而 它的水解产物氨基酸则是可溶性的，这种不溶性与可溶性化合物的转化，不 但对烟株的生长起重要作用，而且在烟叶调制、发酵和醇化过程中也产生一 定的影响。已经发现，在发酵或醇化的烟叶中，挥发性碱类和a 一氨基酸量 大为减少。氨基酸与糖或多酚化合物形成了复杂的复合物，使烟叶颜色加深、 变暗、香味得到改善。 氨在新鲜烟叶中含量甚少，烟叶经调制发酵后氨量增多，烟叶中氨的含 量一般为0 1 5 。尽管含量不大，但对卷烟的吸食品质影响较大，适量的氨 列于含碳水化合物和有机酸较多的卷烟是必要的，但烟气中含氨量过高，则 会产生辛辣味。 硝态氮在烟草生长期间的含量是变化的，叶脉中硝态氮含量最大。 ( 二) 蛋白质 蛋白质是存在于细胞中的一种含氮的生物高分子化合物，在生命现象中 起着决定性的作用。蛋白质由许多氨基酸通过肽键相连而成，各种蛋白质中 氨基酸的组成、排列顺序和肽链的立体结构各不相同。 烟株生长期内，蛋白质的合成超过降解，烟叶中的氮主要以蛋白质的形 式存在，烟叶中蛋白质含量丰富，新鲜烟叶中蛋白质含量平均为1 2 1 5 。 烟叶中的蛋白质含量较高对于吸食质量有不利的影响，燃烧后的蛋白质 会使烟气苦味增加，并有烧羽毛的气味。在调制过程中，蛋白质降解，一部 分蛋白质分解为氨基酸和酰胺。在此过程中蛋白质发生水解、脱羧、氧化脱 氨、氨化等各种变化。 ( 三) 生物碱 生物碱是一类存在于生物体中的有机碱性物质，它们主要存在于植物 中，所以常叫做植物碱。植物碱通常是与无机酸( 硫酸、磷酸、硫氰酸) 或 有机酸( 苹果酸、柠檬酸、草酸、琥珀酸、醋酸、丙酸等) 结合成盐而存在 于植物中，只有少数植物碱以游离碱的形式存在，也有少数植物碱分别以糖 苷、有机酸酯或酰胺的形式存在。 生物碱对于植物本身的作用尚不清楚，但示踪烟碱的研究表明，烟碱和 其他的生物碱确实参加了植株的代谢活动。生物碱是一种无效代谢的残片。 许多生物碱对人体有很强的生理作用，是有效的药物。烟草中含有多种生物 碱，已经得到鉴定的就有2 0 余种。以烟碱为最重要，它约占烟草生物碱总 量的9 5 以上，其次是去甲基烟碱、异烟碱等。 ( 四) 含氮杂环化合物 杂环化合物中许多物质是烟草的香气成分，是一类重要的化合物。种类 繁多，有单环，也有与芳香环或其他杂环并联成的稠环。 四、酶 烟草植株的各釉生理生化过程需要多种酶，许多化学反应几乎是在酶的 催化下进行的，它们以很高的速度和明显的方向性维持机体的正常活动，如 贵州大学硕士学位论文 种子发芽、生长发育、开花结果等，特别是在烟叶调制和发酵过程中，酶的 作用更为显著。 五、有机酸及其衍生物 在烟草生长过程中，有机酸是碳水化合物代谢的中间产物，又是合成氨 基酸的原料，因而有机酸对新陈代谢有重要的作用，许多有机酸及衍生物是 决定烟草香味的主要成分，直接影响烟叶品质及其制品的质量。 ( 一) 有机酸 烟草中的有机酸有些是以游离态存在的，大多是与碱金属或有机碱结合 形成盐而存在。烟草植株在整个成长期间直到开花期，叶片中的有机酸积累 艟都足增加的，之后到种子成熟前，有机酸含量减少。一般烟叶含有机酸 1 2 1 6 。有机酸直接影响烟气的酸碱性质，醇化烟气，并产生芳香气味的 燃烧产物，因此，有机酸对烟质的直接影响，在卷烟生产中加料时常加入有 机酸，以改善卷烟香气和吃昧。 ( 二) 羧酸的衍生物 酰氯、酸酐、酯和酰胺都是羧酸分子中的羧基被其它基团取代的产物， 统称为羧酸衍生物。烟草中存在多种酯和羧酸衍生物，这些酯大多具有芳香 气味，是烟草香气的主要成分。 六、其他组分 烟草中的化学成分，除了上述几类化合物之外，尚有多种其他组分，例 如烃、醇、醛、酮、醚、酚、色素、萜类等化合物，这些化合物对于烟叶的 质量同样具有重要作用。 ( 一) 酚类化合物 烟叶中存在多种酚类，其中简单酚类含量极少，多酚类含量要多些。酚 类化合物与烟叶香气有关，在烟叶调制期间，酚类化合物与棕色色素的形成 有明显的相关性。 ( 二) 色素 植物的色素按照其在细胞内存在的位置分为两类：质体色素和细胞液体 色素。烟叶质体色素主要有叶绿素和类胡萝b 素。 ( 三) 萜类化合物 萜类化合物是烟草精油的主要成分，精油是具有香味的挥发性成分。 1 2 3 烟草化学研究的主要内容 1 9 6 0 年，在所有类型的烟叶中鉴定出化学成分的数目仅2 0 0 多种，烟气 中鉴定出的化学成分少于4 5 0 种。而今，烟叶中鉴定出约3 0 0 0 种化台物， 烟气中约4 0 0 0 种。估计烟叶和烟气中化合物的总数目分别超过4 0 0 0 种和 6 0 0 0 种。烟叶和烟气中的化学成分有5 8 6 8 种，其中烟叶中1 8 7 2 种，烟气中 2 8 2 4 种，烟叶和烟气共有的成分1 1 7 2 种【6 1 。 烟叶和烟气中的化学成分方面：1 农业方面的气候、土壤、肥料、水分 和栽培技术对烟草质量和产量的影响，特别是烟草化学成分对吸食品质的影 9 贵州大学硕士学位论文 响；2 烟草的主要化学成分及其烟草品质的关系；3 烟叶在加工过程中( 如 调制、发醇、陈化、制丝等) 化学成分变化与其加条件的关系；4 燃吸过程 中烟草化学成分的变化及其烟支规格、加工质量的关系；5 。烟草化学成分与 香气、吃味等内在质量的关系和烟草制品加香加料问题；6 吸烟与健康问题， 包括有害物质的去除和创造安全性卷烟等。 烟草化学成分的生成机理和吸烟与健康方面：1 在烟草化学成分的生成 机理方面，主要是研究烟草化学成分的遗传机制和调控因素，通过育种和栽 培调制措施，生产出化学成分协调的优质烟叶；2 在吸烟与健康方面：研究 最多的是烟气中的有害成分与疾病的关系，有害成分的产生机理、降低烟气 中有害成分含量的方法等等： 烟草工业方面；1 香精香料研究，主要从事天然香料的开发和利用：2 改进配方和添加剂，降低卷烟焦油含量或降低焦油的生物活性；3 利用中草 药资源，研制具有疗效作用的新型卷烟，并研究中药有效成分在烟支燃烧过 程中的变化。 烟草化学成分分析方法方面：研究开发新的自动检测仪器，如烟草化学 成分的快速自动测定仪，吸烟机等等； 烟草化学成分与烟叶品质的关系研究方面：1 烟叶化学成分与感官质量 的关系；2 评价烟叶内在质量的化学指标：如：糖氮比、糖碱比、氮碱比、 烟碱与总挥发碱比、施木克值( 水溶性糖与蛋白质量比) 等，在一定范围内 进行评价；3 烟叶化学指标与感官指标的数理统计分析；4 人工神经网络的 运用。 1 3 烟叶质量与化学成分的关系 烟叶质量包括外观质量和内在质量，前者是人们通过观察、手感或利用 测试仪器来判断，它包括烟叶的着生部位、颜色、光泽、厚度( 身分) 、组 织、油分以及l 殁湿性、弹性、抗破损度等；后者是指烟叶在不加任何添加剂 的情况下加i ：成炯支后燃吸其烟气时感官感受到的烟气质量好坏，包括香 。c 、i 么咪、劲头、刺激性、余味等。 3 1 烟叶化学成分与外观特征的关系 1 、颜色与光泽 烟叶生产过程中产生的色素，如质体色素中的叶绿素、胡萝h 素和叶黄 素等，这些色素在烟叶调制进程中绝大部分被分解。 在烟叶调制过程中形成的多酚类化合物，如芸香苷、绿原酸等在过氧化 酶的作用下与蛋白质、氨基酸等反应生成的深色物质，这一过程有时也称作 非酶参与棕色化反应。 氨基酸与还原糖经过一系列的降解、氧化和聚合反应形成的非酶参与的 棕色化产物。 1 0 贵州大学硕士学位论文 上述影响烟叶颜色的化学成分在不同的调制条件下，由于温度及水分散 失速率等的差异，同时还因为起始的物质含量不同，可以形成多种不同颜色 的物质，从而构成烟叶各种深浅不同的色调。 2 、厚度与组织结构 一般优质的烤烟，往往石油醚提取物和烟碱含量较高，其叶片光泽鲜艳， 厚度适中，油分充足，颜色