化學成分指標對感官質量的影響及陜西省煙葉質量綜合評價

徐澤桐，劉亞相 *，袁 帥，李本晟，吳 薇，李司童，毛凱倫，韋成才，張立新

(1. 西北農林科技大學理學院， 陜西 楊凌 712100;2. 陜西中煙工業有限責任公司技術中心， 陜西 寶雞 721000;3. 西北農林科技大學 生命科學學院， 陜西 楊凌 712100;4. 陜西省煙草研究所， 陜西 西安 710000)

【研究意義】卷煙是我國重要的經濟來源，而煙葉是卷煙工業的基礎，煙葉質量的優劣不僅影響卷煙產量，而且影響卷煙質量和風格。【前人研究進展】就煙葉質量評價方面而言，許多學者進行了煙葉質量評價體系的研究，從多個方面用多種評價方法對煙葉質量進行了評價分析。王彥亭等在《中國煙草種植區劃》一書中，從外觀質量、物理特性、化學成分、感官質量4個方面對全國煙葉質量進行了詳細的研究，建立了較為全面系統的評價體系[1]。張勇剛等基于熵值法和模糊數學方法對烤煙感官質量進行了評價[2]。黃瑞寅等應用DTOPSIS法對煙葉質量進行了綜合評價[3]。鄒淵淵等利用主成分分析法和回歸分析對煙葉質量進行了評價[4]。舒俊生等運用AMMI數學模型從外觀質量、化學成分、感官質量3個方面進行了煙葉質量綜合評價[5]。葉協鋒等利用主成分分析法和聚類分析從外觀質量、化學成分方面對煙葉質量進行了綜合評價并分類，同時用判別分析方法進行模型的驗證[6]。還有一些學者分析了煙葉質量不同影響因素間的關系。胡建軍等利用灰色關聯度法進行了煙葉主要化學指標與其感官質量的灰色關聯分析[7]。鄧云龍等研究了品種、部位、成熟度對煙葉淀粉含量和感官質量的影響[8]。鄧小華等運用相關分析研究了外觀質量、物理特性、化學成分、感官質量各指標間的相關性[9]。所得結果與前人研究結果不盡一致，目前對于煙葉影響因素間相關性分析未有統一的結果，煙葉質量評價體系的構建還未得到權威系統的評價標準。【本研究切入點】本文建立的評價模型從烤煙化學成分、感官質量兩個方面研究陜西省煙草綜合質量，將主客觀信息同時考慮，用熵值法和突變級數法得到感官質量隸屬度值，用灰色關聯度分析法分析了化學成分各指標對感官質量的影響程度，并基于突變級數法得到化學成分隸屬度值，再對煙葉綜合質量進行評價，并用聚類分析將煙葉分成“優、中、差”3類，最后用判別分析的方法對模型進行驗證。【擬解決的關鍵問題】本文以期得到影響感官質量的主要化學成分指標，同時找到陜西省優質煙區，更科學地提高烤煙口感，為提升陜西省煙草的競爭力以及提高陜西省經濟效益提供依據。

1 材料與方法

1.1 材料選取

選取陜西省安康地區11個，寶雞地區12個，漢中地區9個，商洛地區12個，咸陽地區4個，延安地區6個樣本C3F等級共54個烤煙樣本作為研究對象。

1.2 指標選取

煙葉質量包括5部分：化學成分、感官質量、外觀質量、物理特性、安全性。因所選研究樣本都是C3F等級，故外觀質量和物理特性差異性不大，又安全性的指標數據較少，因而只考慮化學成分和感官質量兩方面，而且化學成分依靠儀器測定是客觀指標，感官質量依靠專家評吸得到是主觀指標，將主客觀因素同時結合起來，評價結果更加可信，故選取圖1中有代表性的、業內公認的、容易測得的化學成分和感官質量指標。

1.3 指標測定的方法

1.3.1 化學成分指標的測定 水溶性總糖、還原糖、總植物堿、氯、鉀氯比、淀粉的測定方法：連續流動法；鉀的測定方法：火焰光度法。

1.3.2 感官質量指標的測定 感官質量指標采用專家評吸后打分方式來獲取，依據《烤煙 煙葉質量風格特色感官評價方法》(YC/T530-2015)，采用標度檢驗技術評分。

1.4 突變級數法原理及計算步驟

法國數學家Thom通過數學推導證明了初等突變模型的存在性[10]，李祚泳又將初等突變模型推廣到更一般的情形(n個控制變量)[11]，其勢函數為：

V(x)=xn+2+a1xn+a2xn-1+…+anx

(1)

所對應的歸一公式為：

(2)

其中，控制變量為a1,a2,…,an。

突變級數法是根據突變模型得到的對評價目標進行排序分析的一種簡單實用的綜合評價方法。其計算步驟如下：

(1)對評價目標建立多層次樹狀結構圖，各層指標分別構成不同的突變系統；

(2)對系統中底層指標原始數據預處理，得到極大型指標數據。

(3)利用歸一公式(2)得到該系統中各指標對應的中間值x1,x2,…xn。最后將其按“非互補”原則或“互補”原則歸一為1個參數，若指標之間不是相互關聯的，則遵循“非互補”原則，即“大中取小”；若指標間相關，能相互彌補不足，則遵循“非互補”原則，即“取平均值”。

圖1 煙葉質量層次結構圖Fig.1 Hierarchical structure diagram of tobacco leaf quality

(4)從下層指標往上重復用步驟3，逐層計算，即求出總的突變隸屬度值。

對陜西6個煙區54個煙葉樣品編號，安康煙區為AK01，AK02，…，寶雞煙區為BJ01，BJ02，…，漢中煙區為HZ01，HZ02，…，商洛煙區為SL01，SL02，…，咸陽煙區為XY01，XY02…，延安煙區為YA01，YA02，…。數據處理和分析用matlab、Excel、spss。

本文建立了突變評價模型，利用熵值法確定感官質量各指標重要性排序后用突變級數法得到煙葉感官質量突變隸屬度值，再利用灰色關聯度法確定出化學指標對感官質量的重要性排序并用突變級數法得到化學成分突變隸屬度值。最后綜合兩個方面對煙葉質量進行評價。

2 結果與分析

2.1 建立多層次目標結構體系

對評價目標進行多層次矛盾分解，建立樹狀的層次結構圖，各層指標分別構成不同的突變系統，如圖1。

2.2 指標值預處理

2.2.1 評價指標類型的一致化 運用突變級數法進行綜合評價時，所有的指標需是極大型指標。而原始數據中化學成分和感官質量的指標有極大型指標、極小型指標、中間型指標及區間型指標，必須全部轉化為極大型指標。本文通過隸屬度函數把原始數據轉化成極大型指標，得到初始隸屬度值。

煙葉感官質量指標除雜氣、刺激性、干燥感是極小型指標外，其余指標都是極大型指標。

對極小型指標，令

x*=M-x

(3)

式中，M為指標x的允許上界。在此，指標刺激性、干燥感取M=5，指標雜氣取M=45。

根據實踐經驗，并參考《中國煙草種植區劃》[1]，煙葉化學成分指標中除煙堿是中間型指標外，其余全部為區間型指標。

煙葉化學成分指標中煙堿是中間型指標。對中間型指標，令

(4)

其中，xq為指標x最適宜值。在此為煙堿最適宜值，取xq=2.5。

結合陜西省煙葉特點，并參考相關文獻[1,12]，確立了化學成分中總糖、還原糖、糖堿比、氯、鉀、鉀氯比、淀粉的隸屬度函數分布類型及各函數拐點。

還原糖、糖堿比、氯為梯形分布，其表達式為：

(5)

其中，[x1,x2]為允許的最大上、下界，[x3,x4]為最適宜區間。取值見表1。

表1 指標還原糖、糖堿比、氯的隸屬度函數拐點

表2 風格特征指標權重

總糖為拋物型分布，其表達式為：

(6)

其中，x1=18,x2=25,x3=36；

鉀、鉀氯比為升半梯形分布，其表達式為：

(7)

其中，鉀的隸屬度函數拐點xq取值為1.5，鉀氯比的隸屬度函數拐點xq取值為4。

淀粉為降半梯形分布，其表達式為：

(8)

其中，xq=3.5。

2.2.2 評價指標的無量綱化 數據轉化為極大型后，各指標間仍存在數量級、量綱的差異。本文采用向量規范法對感官質量系統中底層指標的原始數據預處理[13]。

2.3 感官質量突變隸屬度值

先用熵值法確定感官質量中各層指標重要性排序[13]，再運用突變級數法得到感官質量突變隸屬度值B2。

熵值法是一種根據各項指標觀測值所提供的信息量的大小來確定指標權數的方法。指標權數越大，表示該指標的樣本間差異越大。

以第1個樣本YA01為例。先計算感官質量中風格特征這一系統。用熵值法確定的風格特征指標權重見表2。

由上面權重可知，風格特征中各指標重要性排序為：香韻>煙氣濃度>香氣狀態>香型>勁頭，記為a1,a2,…,a5。

將其代入歸一公式(2)中，可得各指標突變隸屬度值為

x1=0.3622,x2=0.4690,x3=0.5795,x4=0.6447,x5=0.7144

因各指標間有相關性，因此采用“互補”原則，取平均值后，得到風格特征突變隸屬度值C1為：

同理可計算出香氣特征D1、口感特征D2、煙氣特征D3突變隸屬度值為：

D1=0.5144,D2=0.4773,D3=0.4612

逐層往上，再利用歸一化公式并采用“互補”原則，可得品質特征突變隸屬度值C2為0.7743，最終得到感官質量突變隸屬度值B2為0.8313。

此為YA01的煙葉感官質量，同理得到所有樣品的感官質量值。

2.4 影響煙葉感官質量的化學成分指標重要性排序[14]

2.4.1 參考數列和比較數列的確定 參考數列{x0(i)}——經突變級數法計算后的感官質量突變隸屬度值；

比較數列{xj(i)}——化學成分各指標數列。

2.4.2 無量綱化處理參考數列和比較數列 用向量規范法無量綱化處理參考數列和比較數列，即對化學成分指標初始隸屬度值與感官質量突變隸屬度值無量綱化。

2.4.3 計算參考數列與比較數列的灰色關聯系數比較數列相對于參考數列在曲線各點的關聯系數為ζj(i)。

表3 化學成分各指標與感官質量的關聯程度

(9)

其中，ρ為分辨系數，常取0.5。

2.4.4 求影響因素(比較數列)的關聯度 對比較數列的關聯系數求其平均值，作為比較數列與參考數列間關聯程度的數量表示，記為r0j，計算公式如下：

(10)

用公式(9)、(10)計算得到灰色關聯度結果見表3。化學成分中各指標對感官質量影響程度為：鉀氯比>糖堿比>總植物堿>還原糖>淀粉>鉀>總糖>氯。

2.5 煙葉質量綜合評價及分類

用灰色關聯度值作為化學成分各指標重要性排序的依據，通過突變級數法來計算化學成分突變隸屬度值B1，最后參考《中國煙草種植區劃》確定化學成分和感官質量的比重[1]，計算烤煙綜合質量。設烤煙綜合質量為A，計算公式如下：

A=0.25×B1+0.75×B2

(11)

利用公式(11)計算得到煙葉質量綜合評價值后，用系統聚類分析對煙葉樣本分類[15]，其中聚類方法選用瓦爾德法，距離的測度方法選用歐氏距離平方。第1類上等質量12個，第2類中等質量33個，第3類下等質量9個，具體結果如表4。

各煙區煙葉分類情況如圖2～3。

2.6 評價模型的驗證

把轉化成極大型指標的化學成分和感官質量的煙葉樣本數據用判別分析的方法預測煙葉質量分類的準確性[15]，所得結果如圖4。

表4 煙葉質量綜合評價值、排序及質量分類

續表4 Continued table 4

樣本Samples化學成分隸屬度值The membership of chemical composition感官質量隸屬度值The membership of sensory quality煙葉綜合質量The comprehensive quality of tobacco leaves排序Sort分類ClassificationBJ010.63590.84160.7902352BJ110.63340.84080.7889382BJ120.62540.84230.7881402BJ070.64300.83470.7868432BJ030.61300.84070.7838473BJ040.60440.84060.7816523HZ030.65440.84440.796971HZ070.65460.84420.796861HZ010.67050.83790.796081HZ040.64600.84410.7946162HZ080.63220.84610.7926152HZ090.64700.84100.7925192HZ020.64260.84230.7924112HZ050.66480.83210.7903302HZ060.63380.83140.7820513SL050.63540.84960.7960121SL120.65390.84050.7938182SL110.65010.84130.7935132SL070.65350.83940.7929222SL040.64650.84030.7918232SL030.64030.84090.7908282SL100.64060.84070.7907312SL090.63070.84400.7907332SL020.62800.84410.7901342SL010.62560.83960.7861442SL060.64300.83360.7860452SL080.62800.83400.7825493XY020.63110.83970.7876412XY040.63640.83690.7868422XY030.64710.82880.7833463XY010.56150.83940.7699543YA060.65060.83920.7920252YA010.66530.83130.7898322YA030.66190.83070.7885372YA050.62700.83440.7826503YA040.61980.83580.7818483YA020.63740.82770.7802533

3 討 論

灰色關聯度分析作為一種分析因素間關聯程度的方法，已應用在煙葉各影響因素間相關性分析中。李東亮等用改進的灰色關聯度分析方法研究了5個化學成分指標與7個感官質量指標之間的正、負相關關系，分析結果表明灰色關聯度分析法在煙葉質量影響因素的分析中是行之有效的，與傳統的回歸分析法所得結論基本一致[16]。陳征等綜述了近年來灰色關聯分析在煙葉化學成分評價中的應用成果[17]。魏春陽等以烤煙感官質量指標作為參考數列，外觀質量各指標為比較數列，進行了初烤煙葉主要外觀性狀與評吸質量的灰色關聯分析[18]。張曉兵等以“利群”牌卷煙的煙葉原料對化學成分要求作為參考數列，各產區煙葉樣本的化學成分指標為比較數列，用灰色關聯度法研究了云南各產區化學成分適宜性，所得結果與感官質量評價的結果基本一致[19]。本文運用灰色關聯度分析方法研究化學成分各指標對感官質量的影響程度，以期找到對烤煙評吸有較大影響的化學成分指標。

圖2 各煙區煙葉質量分布情況Fig.2 Quality distribution of tobacco leaves in different tobacco growing areas

圖3 不同質量等級煙葉在各煙區分布情況Fig.3 Distribution of different quality grades of tobacco leaves in different tobacco growing areas

在煙葉質量評價上，本文基于突變級數法建立了評價模型。突變級數法是一種簡單、易操作、實用性較強的綜合評價方法，其優點在于不需確定評價指標的權重具體值，只需考慮各指標間的相對重要性，能減少一定的主觀性同時又不失科學性和合理性，且計算簡易準確，已應用在多個領域。如馮平等用突變級數法研究評價地下水環境情況[20]，陳曉紅等用突變級數法評價企業的成長性[21]，李祚泳等把突變級數法中的勢函數推廣到一般情形并運用在湖泊富營養化評價中[11]，都有良好的評價效果。但該方法目前還未應用在煙草行業。本文用此方法計算煙葉綜合質量并用聚類分析對其分類，最后用判別分析對分類結果檢驗，分類準確率較高，達到75.9 %以上，且錯分發生在兩個類別的交界處。這表明該模型是合理可行的，且對陜西省煙葉質量評價效果良好，與陜西省各煙區煙葉實際情況較符。

圖4 判別分析結果Fig.4 Result of Discriminant Analysis

4 結 論

(1)影響感官質量的化學成分指標排序為：鉀氯比>糖堿比>總植物堿>還原糖>淀粉>鉀>總糖>氯。

(2)優質煙葉產區在安康、漢中、寶雞、商洛煙區，較差的煙葉產區在咸陽、延安煙區。

(3)陜西省整體煙葉質量較好，中上等煙占比83.3 %，其中上等煙葉12個，占比22.2 %，中等煙葉33個，占比61.1 %，下等煙葉9個。

(4)從煙葉綜合質量排序結果來看，排名第1的是安康煙區的煙葉。