1. 引言
美拉德反应即棕色化反应，是烟草中特征香味物质形成的重要反应 [1]。其产物主要包括糠醛、糠醇、2-乙酰基呋喃、5-甲基糠醛、3,4-二甲基-2,5-呋喃二酮和2-乙酰基吡咯6种物质。于建军等 [2] 研究结果发现，美拉德反应产物中糠醛对烤烟香气质和香气量有显著的影响作用；胡建军等 [3] 研究发现，美拉德反应产物对提高烟叶的感官品质有着重要作用。甘学文 [4] 等研究发现美拉德反应可以增加卷烟中的香气，显著提高卷烟产品的质量。黄成江等 [5] 研究发现烤烟对土壤条件反应非常敏感，土壤理化性状与烤烟化学品质密切相关。以宜宾烟区植烟土壤和初烤烟叶为研究对象，探讨土壤理化性状与烤烟美拉德反应产物的关系，为提高烟叶品质提供理论依据。
2. 材料与方法
2.1. 试验材料
土壤样品采集与四川省宜宾市高坪、蒿坝、中都、锦屏、大坝、仙峰、上罗和王家8各烟区，烤烟样品采集与土壤样品采集相对应。
2.2. 试验方法
试验于2020~2021年在宜宾烟区开展。采用GPS定位技术，采集烟田0~20 cm表土层的土样，共248份样品。每个土壤样品按照四分法去除多余土壤，留下1 kg进行理化性状分析，风干后剔除虫体、植物残体及石头等杂物，研磨后过60目筛，装至自封袋于4℃储藏备用。
初烤完成后，在对应烟田采集C3F和B2F等级烤烟样品，每个处理取2 kg，于烘箱中40℃烘干2 h，将烘干的样品研磨过60目筛，置于自封袋中保存待用。
2.3. 测定项目及方法
土壤样品测定指标包括土壤pH、锌、铜、铁、镁、锰、钠、全磷、全钾、速效磷、速效钾、碱解氮、有机质、氯离子等14项，均采用常规方法进行测定。
烤烟样品测定指标包括糠醛、糠醇、2-乙酰基呋喃、5-甲基糠醛、3,4-二甲基-2,5-呋喃二酮和2-乙酰基吡咯6种美拉德反应产物。采用同时蒸馏萃取法提取烟叶样品中的香气成分，于旋转蒸发仪浓缩提取液至1 mL，将浓缩的提取液于GC-MS进行分析。
2.4. 统计分析
利用Excel和SPSS 21.0对数据进行描述性统计分析、因子分析和通径分析。
3. 结果与分析
3.1. 土壤理化性状指标与烤烟美拉德反应产物含量的描述性统计分析结果
描述性统计分析结果(表1)显示，土壤各项理化性状指标的变异系数依次为钠 > 钙 > 铜 > 速效磷 > 镁 > 碱解氮 > 速效钾 > 锰 > 全磷 > 全钾 > 铁 > 锌 > 有机质 > 氯离子 > pH，烤烟美拉德反应产物各项指标的变异系数依次为：3,4-二甲基-2,5-呋喃二酮 > 2-乙酰基吡咯 > 糠醇 > 糠醛 > 5-甲基糠醛 > 2-乙酰基呋喃。除土壤指标种钙和钠大于100%，为强变异外，其余土壤指标和烤烟指标的变异系数均在14.82%~88.17%之间，为中等变异。除烤烟美拉德反应产物种糠醛、2-乙酰基呋喃和5-甲基糠醛偏度系数小于0，为左偏锋外，其余所有指标偏度系数均大于0，为右偏锋。其中土壤指标中钙、速效磷和烤烟指标种3,4-二甲基-2,5-呋喃二酮的偏度系数较高，正向偏态较明显。
Table 1. Descriptive statistical analysis results of soil physical and chemical properties and Maillard reaction product content of flue-cured tobacco
表1. 土壤理化性状指标与烤烟美拉德反应产物含量的描述性统计分析结果
3.2. 土壤理化性状指标因子分析结果
如表2所示，经过因子分析共筛选出10个主因子；且10个主因子的累计贡献率达91.4%。因子1~10分别主要反映锰、全钾、速效磷、速效钾、碱解氮、钠、镁、pH、氯离子和锌的变化。
Table 2. Factor load matrix of soil physical and chemical properties
表2. 土壤理化性状指标因子载荷矩阵
3.3. 土壤理化性状指标对烤烟美拉德反应产物的通径分析结果
3.3.1. 对烤烟糠醛含量的通径分析结果
由表3可知，速效钾对糠醛含量的直接通径系数为0.7329，正向直接效应最大，且相关系数为0.499，碱解氮对糠醛的直接通径系数为0.4068，仅次于速效磷；也起较大的正向效应；Zn对糠醛含量的直接通径系数为−0.6623，对糠醛含量的负向效应最大，土壤速效磷和全钾对糠醛含量的直接通径系数分别为−0.5562和−0.5061，仅次于Zn。其余土壤理化性状指标对糠醛含量的直接通径系数较小，对糠醛含量的影响不明显。由此可知，土壤速效钾和全钾分别是影响烤烟糠醛含量的主导因素和次要因素。
Table 3. Path analysis results of soil physical and chemical properties on furfural content of flue-cured tobacco
表3. 对烤烟糠醛含量的通径分析结果
3.3.2. 对烤烟糠醇含量的通径分析结果
由表4可知，碱解氮对烤烟糠醇的直接通径系数为0.852，且相关系数为0.686，对烤烟糠醇含量的正向直接效应最大；土壤全钾对烤烟糠醇的直接通径系数为−0.695，且相关系数为−0.385，对烤烟糠醇含量的负向直接效应最大；其余土壤理化性状指标对糠醇含量的直接通径系数较小，对糠醇含量的影响不明显。由此可知，碱解氮和全钾分别是影响烤烟糠醇含量的主导因素和次要因素。
Table 4. Path analysis results of soil physical and chemical properties on furfural content of flue-cured tobacco
表4. 对烤烟糠醛含量的通径分析结果
3.3.3. 对烤烟2-乙酰基呋喃含量的通径分析结果
由表5可知，速效磷对烤烟2-乙酰基呋喃含量的直接通径系数为−1.100，说明其两者数据具有极强的共线性，负向直接效应最大，其相关系数为−0.305；速效钾对烤烟2-乙酰基呋喃含量的直接通径系数为0.824，正向直接效应最大，且相关系数为0.321；其余土壤理化性状指标对烤烟2-乙酰基呋喃含量的直接通径系数均较小，对2-乙酰基呋喃含量的影响较小。由此可知，土壤速效磷和速效钾分别是影响烤烟2-乙酰基呋喃含量的主要因素和次要因素。
3.3.4. 对烤烟5-甲基糠醛含量的通径分析结果
由表6可知，土壤Mg对烤烟5-甲基糠醛含量的直接通径系数为−0.815，正向直接效应最大；土壤全钾和速效钾对烤烟5-甲基糠醛含量的直接通径系数分别为0.475和0.493，相关系数分别为0.085和0.093；其余土壤理化性状指标对5-甲基糠醛的直接通径系数较小，影响较小。由此可知，土壤Mg是影响烤烟5-甲基糠醛的主导因素，土壤全钾和速效钾是影响烤烟5-甲基糠醛的次要因素。
Table 5. Path analysis results of 2- acetyl furan content in flue-cured tobacco
表5. 对烤烟2-乙酰基呋喃含量的通径分析结果
Table 6. Path analysis results of 5-methylfurfural content in flue-cured tobacco
表6. 对烤烟5-甲基糠醛含量的通径分析结果
3.3.5. 对烤烟3,4-二甲基-2,5-呋喃二酮含量的通径分析结果
由表7可知，土壤Na对烤烟3,4-二甲基-2,5-呋喃二酮含量的直接通径系数为0.832，正向直接效应最大；土壤Mg对烤烟3,4-二甲基-2,5-呋喃二酮含量的直接通径系数为0.746，仅次于土壤Na；土壤全钾对烤烟3,4-二甲基-2,5-呋喃二酮含量的直接通径系数为−0.715，负向直接效应最大。由此可知，土壤Mg和全钾分别为影响烤烟3,4-二甲基-2,5-呋喃二酮含量的主要因素和次要因素。
Table 7. Path analysis results of 3,4-dimethyl-2,5-furandione content in flue-cured tobacco
表7. 土壤理化性状指标对烤烟3,4-二甲基-2，5-呋喃二酮含量的通径分析结果
3.3.6. 对烤烟2-乙酰基吡咯含量的通径分析结果
由表8可知，土壤速效钾对烤烟2-乙酰基吡咯含量的通径系数为0.972，相关系数为0.500，对烤烟2-乙酰基吡咯含量的正向直接效应最大；土壤Zn对烤烟2-乙酰基吡咯含量的通径系数为0.710，相关系数为0.327，对烤烟2-乙酰基吡咯的正向直接效应仅次于速效钾；土壤Mn对烤烟2-乙酰基吡咯含量的直接通径系数为−1.069，相关系数为0.077，对烤烟2-乙酰基吡咯含量的负向直接效应最大。由此可知，土壤速效钾和Mn是影响烤烟2-乙酰基吡咯含量变化的主要因素和次要因素。
Table 8. Path analysis results of 2- acetylpyrrole content in flue-cured tobacco
表8. 对烤烟2-乙酰基吡咯含量的通径分析结果
4. 讨论
土壤中钾分为4部分：矿物性钾、缓效性钾、交换态钾和水溶性钾，后两者属速效性钾，土壤速效钾含量的检测对土壤肥力、满足烟叶生长的营养要求都具有重要意义 [6]。本研究结果表明，土壤速效钾与烤烟美拉德反应5种主要产物含量的相关系数分别为0.499、0.555、0.400、0.093、−0.225和0.500，直接通径系数分别为0.733、0.206、0.824、0.493、0.400和0.972，与5种美拉德反应产物含量的关系密切。研究表明，在一定范围内，随着土壤速效钾含量的升高，烤烟致香成分含量随之增加 [7]。本研究结果与邓小华等 [8] 研究结果中土壤主要养分中速效钾对烤烟中性致香物质的影响程度最大的结论一致。
磷是烤烟生长发育过程中必需的营养元素之一，在烟株体内代谢过程中起至关重要的作用 [9]。本研究结果表明，土壤速效磷与烤烟美拉德反应5种主要产物含量的直接通径系数为−0.556、−0.280、−1.100、0.493、−0.016和0.972，土壤速效磷对美拉德反应产物中的糠醛、糠醇、2-乙酰基呋喃和3,4-二甲基-2,5-呋喃二酮呈负相关；对5-甲基糠醛和2-乙酰基吡咯含量呈正相关，是因为随着土壤有效磷的含量增加，植物中氨基酸、可溶性糖等总量呈先升高后降低的趋势 [10]，适宜范围的有效磷可以提高氨基酸和还原性糖的含量，从而提高美拉德反应产物的含量，进而改善烤烟的香气质量。
镁元素是植物生长所必需的营养元素，是仅次于氮、磷、钾之后的第四大营养元素 [11]，镁元素可以增强烤烟光合作用，提高烤烟叶绿素含量 [12]。本研究结果表明，土壤Mg对6种烤烟美拉德反应产物含量的直接通径系数分别为0.198、0.458、0.469、−0.815、0.746和−0.418，对烤烟美拉德反应产物含量起正向影响效果，刘国顺 [13] 表明镁可以活化氨基酸，对美拉德反应起到正向作用，本研究结果与其结果一致。
5. 结论
土壤理化性状指标中多种因素均密切影响烤烟美拉德反应产物含量，调控土壤全钾、速效钾对烤烟美拉德反应产物含量的影响最明显，调控速效磷、Mn、Mg及碱解氮含量对烤烟美拉德反应产物含量的影响次之。
NOTES
*通讯作者。