基于因子、聚類及判別方法分析煙葉化學(xué)和感官質(zhì)量

李志偉 陳 溪 王鵬澤 楊 闖 李晨曦 徐振鵬 周 琳

（1四川中煙工業(yè)有限責(zé)任公司，四川成都 610066；2天昌國(guó)際煙草有限公司天昌復(fù)烤廠，河南許昌 461000；3四川中煙工業(yè)有限責(zé)任公司長(zhǎng)城雪茄煙廠，四川什邡 618400）

不同生態(tài)區(qū)煙葉的成分含量不同，煙葉的化學(xué)成分是影響煙葉產(chǎn)品質(zhì)量與風(fēng)格的物質(zhì)基礎(chǔ)，其含量和比例直接影響煙葉的感官質(zhì)量[1-2]。常愛霞等[3]對(duì)比國(guó)內(nèi)外煙葉感官評(píng)吸質(zhì)量與主要化學(xué)成分的關(guān)系，分析得出兩糖差值與煙葉感官評(píng)吸質(zhì)量呈顯著相關(guān)性。杜堅(jiān)等[4]對(duì)西南地區(qū)煙草的感官風(fēng)格與其理化性質(zhì)的關(guān)系進(jìn)行分析，得出總糖、還原糖、總氮含量與煙草香氣特性的形成有關(guān)。徐澤桐等[5]對(duì)陜西煙葉進(jìn)行研究，結(jié)果顯示，鉀氯比、糖堿比、總植物堿含量對(duì)煙葉感官品質(zhì)有較大影響。夏玉珍等[6]研究云南清香型煙葉香氣的生成過(guò)程中發(fā)現(xiàn)氯堿比對(duì)香氣的貢獻(xiàn)最大。劉扣珠[7]、許自成[8]、林順順[9]等也得出主要化學(xué)成分決定煙葉感官質(zhì)量。從以上的研究中可以得知，感官評(píng)吸質(zhì)量與煙葉的化學(xué)成分密切相關(guān)，但對(duì)豫煙不同植煙縣系統(tǒng)分析二者關(guān)系且對(duì)化學(xué)感官指標(biāo)提取分類研究應(yīng)用較少。在卷煙工業(yè)領(lǐng)域中，對(duì)二者的關(guān)系和規(guī)律性進(jìn)行分析能提高加工工藝過(guò)程中的煙葉初步篩選效率，降低卷煙生產(chǎn)成本，并在一定程度上提高卷煙產(chǎn)品的質(zhì)量。本研究通過(guò)測(cè)定豫煙不同主產(chǎn)煙縣C3F煙葉的化學(xué)成分和感官質(zhì)量指標(biāo)，運(yùn)用因子、聚類及判別分析方法系統(tǒng)分析，以期為不同產(chǎn)區(qū)煙葉原料合理篩選利用提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用原料為2022年度河南9個(gè)產(chǎn)煙市33個(gè)植煙縣的165 份典型煙葉樣品，品種為當(dāng)?shù)刂髟云贩N，等級(jí)為C3F，詳見表1。

1.2 測(cè)定方法

1.2.1煙葉化學(xué)成分指標(biāo)及檢測(cè)方法化學(xué)成分指標(biāo)共計(jì)9項(xiàng)，分別是煙堿、總氮、總糖、還原糖、鉀、氯、糖堿比、鉀氯比、氮堿比?；瘜W(xué)成分檢測(cè)均參照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)方法進(jìn)行檢測(cè)。煙堿參照YC/T 160—2002[10]；總糖、還原糖參照YC/T 159—2002[11]；總氮參照YC/T 161—2002[12]；鉀參照YC/T 217—2007[13]；氯參照YC/T 162—2002[14]。

1.2.2感官評(píng)吸質(zhì)量指標(biāo)及鑒定方法煙葉感官質(zhì)量鑒定的主要依據(jù)是評(píng)吸指標(biāo)。樣品送四川中煙工業(yè)有限責(zé)任公司技術(shù)中心進(jìn)行感官質(zhì)量評(píng)價(jià)。評(píng)吸質(zhì)量指標(biāo)及評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)參照YC/T 138—1998[15]，確定烤煙感官評(píng)價(jià)基礎(chǔ)賦值方法和感官質(zhì)量指標(biāo)權(quán)重。感官評(píng)吸指標(biāo)有10 項(xiàng)，分別是煙葉風(fēng)格、香氣質(zhì)、香氣量、濃度、雜氣、勁頭、刺激性、余味、燃燒性和灰分，分值每項(xiàng)滿分9分。

1.3 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2019 進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，采用SPSS 26.0對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 煙葉化學(xué)成分與感官指標(biāo)間的描述性統(tǒng)計(jì)

運(yùn)用描述性統(tǒng)計(jì)方法對(duì)煙葉化學(xué)成分和感官質(zhì)量指標(biāo)進(jìn)行分析，結(jié)果如表2 所示。由表2 可知，煙葉化學(xué)成分指標(biāo)中，總糖含量最高，其次是還原糖，氯含量最??；感官評(píng)吸質(zhì)量指標(biāo)中，燃燒性最高，平均值為7.32，余味最小，為5.79。標(biāo)準(zhǔn)差能夠反映數(shù)據(jù)集的離散程度，化學(xué)成分指標(biāo)中，糖堿比的標(biāo)準(zhǔn)差最大，為5.22，說(shuō)明糖堿比的離散程度高，這可能跟豫中、豫西和豫南的生態(tài)環(huán)境差異大有關(guān)，氮堿比的標(biāo)準(zhǔn)差最小，為0.13，說(shuō)明其數(shù)據(jù)集的離散程度??；感官質(zhì)量指標(biāo)中，各項(xiàng)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)差均偏小，說(shuō)明離散程度小。偏度能反映數(shù)據(jù)分布的對(duì)稱程度，化學(xué)成分指標(biāo)中，氯和鉀氯比的偏移程度較大；感官評(píng)吸質(zhì)量指標(biāo)中，香氣量、濃度和勁頭的偏移程度較大。變異系數(shù)能反映觀測(cè)值的變異程度，值越大，變異程度越大，反之越小?；瘜W(xué)成分指標(biāo)中，變異系數(shù)在13.47%～52.95%，說(shuō)明烤煙中常規(guī)化學(xué)成分含量之間存在廣泛差異，感官質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)中，變異系數(shù)在2.36%～6.83%，變異程度均偏小。峰度能判定數(shù)據(jù)分布相對(duì)于正態(tài)分布的陡緩程度，峰度越大陡峭程度越高，正態(tài)分布的峰度為3，若峰度大于3，說(shuō)明該數(shù)據(jù)分布曲線比正態(tài)分布高，反之該數(shù)據(jù)分布曲線比正態(tài)分布低。化學(xué)成分指標(biāo)中各項(xiàng)指標(biāo)的峰度均小于3，說(shuō)明其分布曲線均比正態(tài)分布低，氯的峰度值最大，為1.61，說(shuō)明其陡峭程度最高；感官評(píng)吸質(zhì)量指標(biāo)中，只有雜氣的峰度值大于3，為3.12，說(shuō)明其分布曲線均比正態(tài)分布高，其他各項(xiàng)指標(biāo)的峰度均小于3，說(shuō)明其分布曲線均比正態(tài)分布低，余味的峰度最低，為0.40。

表2 化學(xué)成分與感官評(píng)吸質(zhì)量指標(biāo)間的描述性統(tǒng)計(jì)

2.2 煙葉化學(xué)成分與感官評(píng)吸質(zhì)量指標(biāo)的相關(guān)性分析

由表3 可知，煙葉化學(xué)成分指標(biāo)中煙堿與風(fēng)格、濃度之間呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)，與其他感官評(píng)吸質(zhì)量指標(biāo)之間無(wú)顯著相關(guān)性；總糖與風(fēng)格呈現(xiàn)顯著正相關(guān)，與濃度呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān)，與其他感官評(píng)吸質(zhì)量指標(biāo)之間無(wú)顯著相關(guān)性；還原糖與風(fēng)格、濃度之間呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān)，與其他感官評(píng)吸質(zhì)量指標(biāo)之間無(wú)顯著相關(guān)性；總氮與風(fēng)格、濃度和刺激性之間呈現(xiàn)顯著正相關(guān)，與其他感官評(píng)吸質(zhì)量指標(biāo)之間無(wú)顯著相關(guān)性；鉀、氯、鉀氯比、氮堿比與各項(xiàng)感官評(píng)吸質(zhì)量指標(biāo)之間無(wú)顯著相關(guān)性；糖堿比與風(fēng)格、濃度和刺激性之間呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān)，與其他感官評(píng)吸質(zhì)量指標(biāo)之間無(wú)顯著相關(guān)性。對(duì)感官評(píng)吸質(zhì)量影響較大的因素有3 個(gè)，分別是煙堿、總糖、糖堿比。

表3 化學(xué)成分與感官評(píng)吸質(zhì)量的相關(guān)系數(shù)

2.3 煙葉化學(xué)成分感官評(píng)吸質(zhì)量的因子分析

2.3.1主成分提取采用KMO 和Bartlett 法對(duì)煙葉化學(xué)成分和感官評(píng)吸質(zhì)量進(jìn)行分析，結(jié)果表明，KMO值為0.626，大于0.5，說(shuō)明數(shù)據(jù)適合做因子分析；Bartlett 值為531.561，自由度為171.000，P=0.000，表明各變量之間呈現(xiàn)顯著相關(guān)，對(duì)其進(jìn)行因子分析有研究意義。這與表3所得出的結(jié)論相符，表3結(jié)果表明化學(xué)成分與感官指標(biāo)存在對(duì)應(yīng)關(guān)系，而主成分和聚類分析能夠細(xì)化此關(guān)系。

對(duì)測(cè)定數(shù)據(jù)進(jìn)行主成分分析，通過(guò)解釋的總方差找出特征值大于1的5個(gè)主成分，如表4所示。由表4 可知，其貢獻(xiàn)率分別為33.170%、19.500%、11.739%、7.054% 和6.514%，累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)77.977%。其中第1主成分與煙堿、總氮、風(fēng)格呈現(xiàn)正相關(guān)，與糖堿比、總糖、還原糖呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)，其中糖堿比的系數(shù)最大，為0.146，其次是總糖和煙堿，因此可將第1主成分定義為糖堿因子；第2主成分與香氣質(zhì)、香氣量、雜氣、燃燒性呈現(xiàn)正相關(guān)，其中香氣質(zhì)的系數(shù)最大，為0.221，因此可將第2 主成分定義為香氣質(zhì)因子；第3 主成分與鉀、鉀氯比呈現(xiàn)正相關(guān)，與氯呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)，其中鉀氯比的系數(shù)最大，為0.385，其次是鉀含量與氯含量，因此可將第3 主成分定義為鉀氯因子；第4 主成分與勁頭呈現(xiàn)正相關(guān)；第5 主成分與刺激性、余味呈現(xiàn)正相關(guān)，與氮堿比、濃度呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)，其中刺激性的系數(shù)最大，為0.573，因此可將第5主成分定義為刺激性因子。

表4 各主成分的方差貢獻(xiàn)率

2.3.2主成分得分對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行主成分分析處理后，得到主成分得分系數(shù)矩陣，如表5所示。

表5 主成分得分系數(shù)矩陣

利用各指標(biāo)的得分系數(shù)分別計(jì)算5個(gè)主因子得分，相應(yīng)的計(jì)算公式如下：

f1=0.145x1-0.141x2-0.138x3+0.131x4+0.073x5+0.080x6-0.146x7-0.0578x8-0.067x9+0.118x10+0.013x11+0.045x12+0.096x13+0.035x14+0.060x15+0.076x16+0.062x17+0.016x18+0.024x19；

f2=-0.059x1+0.064x2+0.037x3-0.085x4-0.044x5-0.081x6+0.062x7+0.028x8+0.092x9+0.102x10+0.221x11+0.162x12+0.074x13+0.205x14+0.031x15+0.062x16+0.165x17+0.192x18+0.173x19；

f3=-0.001x1-0.046x2-0.107x3+0.001x4+0.317x5-0.269x6+0.385x8-0.143x9-0.048x10-0.048x11-0.177x12-0.005x13-0.038x14+0.045x15-0.095x16+0.073x17+0.075x18+0.184x19；

f4=-0.086x1+0.160x2+0.135x3-0.099x4+0.109x5+-0.105x6+0.123x7-0.010x8-0.042x9+0.256x10-0.233x11+0.005x12+0.138x13+0.128x14+0.587x15+0.076x16+0.106x17-0.182x18-0.310x19；

f5=-0.027x1+0.090x2+0.057x3+0.047x4-0.017x5+0.038x6-0.049x7+0.005x8-0.251x9-0.119x10+0.059x11-0.199x12-0.482x13+0.055x14-0.028x15+0.573x16+0.312x17+0.078x18-0.130x19

式中：x1～x19分別為煙堿、總糖、還原糖、總氮、鉀、氯、糖堿比、鉀氯比、氮堿比、風(fēng)格、香氣質(zhì)、香氣量、濃度、雜氣、勁頭、刺激性、余味、燃燒性、灰色指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)值。

以5個(gè)主成分所對(duì)應(yīng)的特征值占所提取主成分總特征值之和的比例作為權(quán)重，計(jì)算主成分綜合模型，綜合評(píng)價(jià)模型為F=0.426f1+0.250f2+0.151f3+0.091f4+0.082f5。根據(jù)主成分綜合模型即可算出綜合主成分值。f值越高，說(shuō)明煙葉品質(zhì)質(zhì)量高，反之，則表示煙葉品質(zhì)質(zhì)量低。

2.4 不同植煙縣間的聚類分析

通過(guò)Wald法和平方歐式距離對(duì)河南省不同主產(chǎn)煙縣的主成分綜合得分進(jìn)行聚類分析，結(jié)果如圖1所示。根據(jù)主因子綜合得分將37個(gè)產(chǎn)煙縣劃分為3類，如表6所示。由表6可知，Ⅰ類產(chǎn)煙縣有11個(gè)，因子綜合得分在0.228～0.320；Ⅱ類產(chǎn)煙縣有10個(gè)，因子綜合得分在0.394～0.605；Ⅲ類產(chǎn)煙縣有12個(gè)，因子綜合得分在-0.092～-0.545。

圖1 不同生產(chǎn)煙縣全成分綜合得分聚類分析

表6 河南省不同種植煙縣因子綜合得分及聚類結(jié)果

2.5 煙葉的Fisher判別分析

根據(jù)河南省各主產(chǎn)煙縣煙葉樣本的5個(gè)主因子（F1、F2、F3、F4、F5）得分及表6的聚類結(jié)果，對(duì)樣品進(jìn)行判別分析，以檢測(cè)聚類分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。Fisher判別的個(gè)案統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明（表7），實(shí)際組與預(yù)測(cè)組一致。同系統(tǒng)聚類分析結(jié)果比較可知，系統(tǒng)聚類結(jié)果分類準(zhǔn)確?；贔isher判別的分類函數(shù)系數(shù)（表8），構(gòu)建了3個(gè)判別函數(shù)模型，具體如下。

表7 Fisher判別的個(gè)案統(tǒng)計(jì)

表8 Fisher判別的分類函數(shù)系數(shù)

第1類：Y1=-85.546F1-3.070F2+1.961F3-69.312F4-19.381F5-58.309；

第2 類：Y2=275.725F1-8.914F2+4.096F3+4.096F4+81.9405-84.700；

第3 類：Y3=0.732F1-8.814F2+7.971F3+18.872F4+42.750F5-22.845。

3 討論

本研究結(jié)果表明，河南不同植煙縣煙葉化學(xué)成分的變異系數(shù)較大，化學(xué)成分中煙堿、總糖和糖堿比與煙葉風(fēng)格關(guān)系密切，這可能與河南地勢(shì)西高東低，生態(tài)環(huán)境多樣，土壤類型多（包括黃棕壤、黃褐土、棕壤、褐土等）等因素直接相關(guān)。在最新發(fā)布的《河南省煙葉生產(chǎn)布局優(yōu)化實(shí)施方案》中，將全省劃分為“一帶兩區(qū)”3 個(gè)生態(tài)區(qū)，即：①豫中經(jīng)典濃香生態(tài)帶，包括許昌、平頂山、漯河，核心植煙區(qū)呈線性帶狀集中分布；②豫西醇雅濃香生態(tài)區(qū)，包括三門峽、洛陽(yáng)、濟(jì)源，核心植煙區(qū)呈小三角區(qū)域集中分布；③豫南醇厚濃香生態(tài)區(qū)，包括南陽(yáng)、駐馬店、信陽(yáng)，核心植煙區(qū)呈大三角點(diǎn)式區(qū)域集中分布。這與本研究采用因子、聚類及判別分析煙葉化學(xué)成分和感官質(zhì)量指標(biāo)將河南植煙縣劃分為3類的結(jié)果基本一致。由于本研究?jī)H以河南中部煙葉C3F 等級(jí)作為樣本，在風(fēng)格評(píng)價(jià)和質(zhì)量評(píng)價(jià)方面煙葉樣本覆蓋度不全面，因此，要全面解讀河南煙葉質(zhì)量風(fēng)格特色，實(shí)現(xiàn)河南煙葉質(zhì)量風(fēng)格準(zhǔn)確定位需要進(jìn)一步加大樣本覆蓋面，如B3F和X2F，進(jìn)行深入研究。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)河南煙葉化學(xué)成分和感官質(zhì)量分析得出，影響河南煙葉感官評(píng)吸質(zhì)量較大的因素有3個(gè)，分別是煙堿、總糖、糖堿比，三者主要影響感官評(píng)吸質(zhì)量指標(biāo)中的風(fēng)格、濃度和刺激性。采用因子分析提取了5 個(gè)主成分，依據(jù)主成分綜合得分進(jìn)行聚類分析，將河南省33個(gè)產(chǎn)煙縣分成3類，利用Fisher判別函數(shù)評(píng)價(jià)模型對(duì)聚類結(jié)果進(jìn)行判定，判定結(jié)果與系統(tǒng)聚類結(jié)果一致，表明不同產(chǎn)區(qū)煙葉的感官風(fēng)格表現(xiàn)形式不同，風(fēng)格沒(méi)有好壞之分，關(guān)鍵在于彰顯本地?zé)熑~特色風(fēng)格的同時(shí)，使之更加符合卷煙品牌的需求，因此，針對(duì)不同風(fēng)格的煙葉，要因地施策，準(zhǔn)確掌握當(dāng)?shù)氐幕A(chǔ)土壤肥力，合理輪作、種植綠肥與用地養(yǎng)地相結(jié)合的方法，做到科學(xué)施肥，更好地彰顯煙葉香型風(fēng)格。