趙瑞蕊，何結(jié)望，王海明，李 琳，閆鐵軍，許自成，任勝超

（1.河南農(nóng)業(yè)大學(xué)煙草學(xué)院，鄭州 450002；2.湖北中煙工業(yè)有限公司技術(shù)研發(fā)中心，武漢 430052）

湖北屬北亞熱帶季風(fēng)氣候，光照充足，熱量豐富，無(wú)霜期長(zhǎng)，降水豐沛，雨熱同季，是我國(guó)重要的煙葉產(chǎn)區(qū)之一。湖北烤煙種植主要分布在恩施、宜昌、襄樊、十堰4個(gè)產(chǎn)地，年產(chǎn)烤煙95000 t左右。煙葉品質(zhì)是一個(gè)十分復(fù)雜的概念，主要包括外觀質(zhì)量、物理特性、化學(xué)成分和感官質(zhì)量四大部分[1-2]。目前關(guān)于湖北煙區(qū)烤煙煙葉質(zhì)量評(píng)價(jià)，多集中于化學(xué)品質(zhì)[3]及生態(tài)因子[4-7]對(duì)煙葉品質(zhì)影響等方面，關(guān)于湖北烤煙物理特性的研究少見(jiàn)報(bào)道。物理特性與加工性能、可用性和煙氣組分密切相關(guān)[8-9]，是煙葉質(zhì)量的重要構(gòu)成因素以及工業(yè)上原煙配方分組的操作依據(jù)[10]，因此，基于煙葉物理指標(biāo)與工業(yè)加工的關(guān)系，本研究選取抗張力、抗張強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)量、葉質(zhì)重和厚度5個(gè)物理指標(biāo)，采用主成分分析和系統(tǒng)聚類(lèi)相結(jié)合的方法對(duì)湖北烤煙煙葉物理質(zhì)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析及綜合評(píng)價(jià)，為湖北烤煙煙葉質(zhì)量評(píng)價(jià)和卷煙工業(yè)原料選用提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料取自 2010年湖北卷煙企業(yè)的初烤煙葉，上部（B）28份，中部（C）43份，下部（C）36份，共計(jì)107份，分布于13個(gè)產(chǎn)煙縣，烤煙品種為 K326，煙葉等級(jí)規(guī)格，上部為 B2F，中部為C3F，下部為X2F。產(chǎn)區(qū)分布見(jiàn)表1。

1.2 測(cè)定指標(biāo)及方法

測(cè)定的物理指標(biāo)包括抗張力、抗張強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)量、葉質(zhì)重和厚度?？箯埩?、抗張強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)量的檢測(cè)按照GB2635—1992烤煙標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，葉質(zhì)重和厚度參照閆克玉[11]的方法進(jìn)行測(cè)定。

1.3 數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理

1.4 統(tǒng)計(jì)分析

用SPSS 18.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行相關(guān)分析、因子分析和系統(tǒng)聚類(lèi)等統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié) 果

2.1 烤煙物理特性總體狀況

湖北烤煙煙葉各物理指標(biāo)不同部位之間存在顯著差異（表2），上部的5個(gè)指標(biāo)均顯著大于中部和下部，而中部和下部間除葉質(zhì)重外差異均未達(dá)到顯著水平。3個(gè)部位煙葉的抗張力均值變化范圍為1.00～1.50 N，變異系數(shù)中部最大。

煙葉的抗張強(qiáng)度均值在0.068 ～ 0.088 N/M范圍內(nèi)，變異系數(shù)中部最大，上部和中部分布曲線一致，呈平闊正偏峰。上、中、下部位煙葉的斷裂伸長(zhǎng)量均值分別為19.45、18.38、16.53 mm，中部變異系數(shù)最大。三個(gè)部位煙葉的葉質(zhì)重分布曲線各不相同，上部為尖峭正偏峰、中部呈平闊正偏峰，下部呈尖峭負(fù)偏峰，分布范圍依次為 76.55 ～ 132.50、70.00 ～ 120.50、62.50 ～ 92.50 g/m2。上、中、下部位煙葉厚度均值分別為0.078、0.099和0.082 mm，下部變異系數(shù)最小，為11.62%。

表1 各縣樣品數(shù)Table1 Number of samples from each county

表2 湖北煙區(qū)烤煙物理指標(biāo)描述性統(tǒng)計(jì)Table2 Statistics of tobacco physical indices in Hubei

2.2 相關(guān)分析

對(duì)湖北煙葉5個(gè)物理指標(biāo)進(jìn)行簡(jiǎn)單相關(guān)分析，結(jié)果見(jiàn)表 3。厚度與抗張力、抗張強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)量和葉質(zhì)重間相關(guān)性均達(dá)到 1%極顯著水平，厚度和葉質(zhì)重相關(guān)系數(shù)最大，為 0.807，說(shuō)明煙葉厚度越大，煙葉的柔韌性越大，拉伸能力越強(qiáng)，煙葉的單位葉面積也越大。葉質(zhì)重與抗張力和抗張強(qiáng)度間也達(dá)到極顯著正相關(guān)，與斷裂伸長(zhǎng)量間達(dá)到顯著正相關(guān)，說(shuō)明烤煙煙葉葉質(zhì)重越大，煙葉的抗張力和抗張強(qiáng)度越大，即柔韌性越大，而對(duì)斷裂伸長(zhǎng)量影響相對(duì)較小?？箯埩?、抗張強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)量3個(gè)指標(biāo)共同反映煙葉的柔韌性和抗外力能力，結(jié)果顯示這3個(gè)指標(biāo)兩兩間相關(guān)關(guān)系均達(dá)到極顯著水平。

表3 物理指標(biāo)間的相關(guān)系數(shù)Table3 Correlation coefficient among physical indices

2.3 主成分分析

首先進(jìn)行 Bartlett球形度檢驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表 3，KMO的檢驗(yàn)值為0.586，KMO值 ＞ 0.5，3個(gè)因子的貢獻(xiàn)率為95.59%，且p ＜ 0.01，因此可以對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行因子分析。采用主成分分析法，提取累積貢獻(xiàn)率大于85%的因子，并采用方差最大法對(duì)因子載荷矩陣實(shí)行正交旋轉(zhuǎn)以使因子具有命名解釋性，然后得出因子特征值、貢獻(xiàn)率（表 4）及因子載荷矩陣（表5）。

表4 物理指標(biāo)因子特征值及貢獻(xiàn)率Table4 Factor eigenvalues and contribution rate of physical index

表5 物理指標(biāo)成分因子的載荷矩陣Table5 Component matrix of principal component factor of physical indices

從表4、5可以看出，因子1由抗張力、抗張強(qiáng)度所決定，這兩種成分在因子1有較大的正載荷值，反映煙葉的柔韌性，其值越大，造碎越少，可用性越高，其貢獻(xiàn)率為39.07%；葉質(zhì)重和厚度在因子2有較大的正載荷值，因子2主要解釋了這兩個(gè)成分，其貢獻(xiàn)率為36.31%，其值越大，煙葉出絲率越高，經(jīng)濟(jì)效益越高，可稱(chēng)為煙葉的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。因子3主要解釋了斷裂伸長(zhǎng)量，其值越大，抵抗外力造成的破壞越小，其貢獻(xiàn)率為20.22%。

設(shè)提取的因子1、2、3得分依次為F1、F2、F3，主成分得分 ＝ Σ主成分得分系數(shù)*相對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)化變量，根據(jù)表4計(jì)算可得各因子得分?jǐn)?shù)學(xué)模型如下：

模型1：F1= 0.541X1+ 0.562X2- 0.165X3- 0.102X4- 0.097X5

模型2：F2= -0.083X1- 0.100X2- 0.003X3+ 0.548X4+ 0.554X5

模型3：F3= -0.087X1- 0.127X2+ 1.051X3+ 0.548X4- 0.03X5

主成分因子的權(quán)重＝因子貢獻(xiàn)率/入選因子的累積貢獻(xiàn)率，由表4計(jì)算得因子1、2、3的權(quán)重依次為0.409、0.380、0.211，從而建立綜合得分?jǐn)?shù)學(xué)模型，即模型3：F = 0.409F1+ 0.380F2+0.211F3。

將湖北煙葉物理指標(biāo)原始數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理后，代入數(shù)學(xué)得分模型，求得每個(gè)樣本的主成分綜合得分，綜合得分越高，表明該樣本的物理性能越好。

2.4 聚類(lèi)分析

采用系統(tǒng)聚類(lèi)-質(zhì)心聚類(lèi)法，聚類(lèi)距離運(yùn)用歐氏距離，基于湖北烤煙物理質(zhì)量綜合得分進(jìn)行聚類(lèi)分析，結(jié)果見(jiàn)圖1。13個(gè)縣107個(gè)樣品分為5類(lèi)（表6），第I類(lèi)，物理特性表現(xiàn)最好，綜合得分0.99～1.62，占總樣本的9 %，分布于鄖西、秭歸、宣恩、興山4個(gè)縣；第 II類(lèi)，物理特性表現(xiàn)較好，綜合得分0.30～0.80，占總樣本的36%，跨越來(lái)鳳、宣恩等10個(gè)縣；第 III類(lèi)，物理特性表現(xiàn)中等，綜合得分-0.11～0.24，占總樣本的40%，分布于保康、宣恩、房縣等10個(gè)縣；第IV類(lèi)，物理特性表現(xiàn)較差，綜合得分-0.89～-0.21，占總樣本的10%，分布于巴東、來(lái)鳳、襄陽(yáng)和咸豐4個(gè)縣；第V類(lèi)，物理特性差，綜合得分-1.09～-0.97，占總樣本的5%，分布于巴東、興山、咸豐3個(gè)縣。

3 討 論

圖1 樣品綜合得分聚類(lèi)樹(shù)狀圖Fig.1 Cluster tree of composite score of samples

表6 物理性能不同類(lèi)別的樣本分布情況Table6 Sample distribution of different rank of physical indices

烤煙物理特性主要包括燃燒性、填充性、吸濕性、彈性、單位面積質(zhì)量、含梗率及抗破碎能力、導(dǎo)電性等。這些物理特性直接影響卷煙制造過(guò)程及產(chǎn)品風(fēng)格、成本和其他經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，是卷煙加工企業(yè)對(duì)煙葉原料進(jìn)行可用性評(píng)價(jià)的重要內(nèi)容之一[12]。從煙草栽培學(xué)的角度，煙草的物理特性主要指葉片的厚度、葉面密度、單葉質(zhì)量、平衡含水量、填充值、含梗率等[13]。卷煙工業(yè)企業(yè)對(duì)工藝參數(shù)的探索過(guò)程中，除考慮煙葉的平衡含水量和含梗率外，比較關(guān)注煙葉的抗張力、抗張強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)量、葉質(zhì)重和厚度等物理質(zhì)量指標(biāo)。李曉等[14]指出葉片厚度在一定程度上反映了煙葉的發(fā)育狀況、成熟程度及打葉質(zhì)量。劉麗等[15-16]研究表明，較大的抗張力和抗張強(qiáng)度可減少煙葉的造碎，斷裂伸長(zhǎng)量較大的煙葉韌性好，減輕外力造成的破壞，葉質(zhì)重和厚度大的煙葉出絲率高，可以增加經(jīng)濟(jì)效益。本研究在前人研究的基礎(chǔ)上選取抗張力、抗張強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)量、葉質(zhì)重和厚度5個(gè)物理指標(biāo)，分析結(jié)果表明，5個(gè)物理指標(biāo)在不同部位間差異顯著，斷裂伸長(zhǎng)量和厚度間相關(guān)關(guān)系未達(dá)到顯著水平除外，5個(gè)指標(biāo)兩兩之間均呈正相關(guān)關(guān)系，且達(dá)到顯著或極顯著水平，說(shuō)明5個(gè)物理指標(biāo)間關(guān)系密切，相互影響，與前人的研究結(jié)果一致。

采用主成分分析法建立質(zhì)量評(píng)價(jià)模型，以量化形式表征物理綜合質(zhì)量，減少了單個(gè)指標(biāo)反映物理質(zhì)量帶來(lái)的差異性。以主成分綜合得分為基礎(chǔ)對(duì)樣品進(jìn)行聚類(lèi)分析，結(jié)果客觀地綜合了5個(gè)物理指標(biāo)，剔除了5個(gè)指標(biāo)之間的冗余信息，有效地去除了煙葉質(zhì)量評(píng)價(jià)的主觀成分，所得聚類(lèi)分析結(jié)果較為客觀?；谥鞒煞址治龊途垲?lèi)分析的烤煙物理質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)拓寬了研究烤煙質(zhì)量的途徑。

煙葉質(zhì)量評(píng)價(jià)體系的研究認(rèn)為[14]，煙葉物理特性是煙葉質(zhì)量的重要組成部分，與煙葉加工性能、加工質(zhì)量、經(jīng)濟(jì)效益關(guān)系密切。本研究提出主成分分析和系統(tǒng)聚類(lèi)相結(jié)合的評(píng)價(jià)方法，是評(píng)價(jià)烤煙物理質(zhì)量的新思路，結(jié)果對(duì)烤煙煙葉質(zhì)量評(píng)價(jià)和卷煙工業(yè)企業(yè)的原料選取有一定的指導(dǎo)意義。

4 結(jié) 論

采用主成分分析法從5個(gè)物理指標(biāo)中提取出3個(gè)主成分因子，累積貢獻(xiàn)率達(dá)到95.59%，得到物理質(zhì)量綜合得分?jǐn)?shù)學(xué)模型，在一定范圍內(nèi)，綜合得分越高，煙葉物理質(zhì)量表現(xiàn)越好。

以煙葉物理質(zhì)量綜合得分為基礎(chǔ)對(duì)107個(gè)樣品進(jìn)行聚類(lèi)分析，結(jié)果分為5類(lèi)，第I類(lèi)，綜合得分為 0.99～1.62，物理性能表現(xiàn)好；第 II類(lèi)，物理特性表現(xiàn)較好，綜合得分0.30～0.80；第III類(lèi)，物理特性表現(xiàn)中等，綜合得分-0.11～0.24；第IV類(lèi)，物理特性表現(xiàn)較差，綜合得分-0.89～-0.21；第V類(lèi)，綜合得分為-1.09～-0.97，物理性能表現(xiàn)差。

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