基于因子分析和聚類分析的烤煙游離氨基酸含量區域特征研究

賈國濤 張俊嶺 魏壯狀 袁岐山 王寶林 王曉瑜 馬勝濤楊欣玲 張子穎 張世英 賈世偉 陳 洋 劉惠民

（1河南中煙工業有限責任公司，450000，河南鄭州；2中國煙草總公司鄭州煙草研究院，450001，河南鄭州）

煙葉是我國卷煙工業的原料基礎，不同區域煙葉質量風格特征存在明顯差異，其中煙葉游離氨基酸含量與煙葉風格特征有密切的關系，游離氨基酸作為煙草中一類重要的致香前體物質，其含量影響煙草的味道和煙氣的豐滿度[1-2]。在煙草調制、醇化或發酵加工直至燃燒的過程中，游離氨基酸與還原糖（或羰基化合物）之間發生酶催化及非酶催化的棕色化反應，生產多種具有烤香或爆米花香味特征的吡喃、吡嗪、吡咯和吡啶類等雜環化合物[3-4]，某些氨基酸（如苯丙氨酸）還可自身分解成香味化合物，如苯甲醇和苯乙醇等[5]，這些物質對不同區域烤煙香型風格的形成有重要作用[6]。烤煙游離氨基酸含量的區域特征研究對烤煙的香型風格區劃、卷煙配方設計和煙葉資源的合理利用均有一定的理論意義和實用價值。近年來，眾多學者對多樣品、多指標的品質進行了應用因子分析和聚類分析，王鵬澤等[7]采用因子、聚類及判別分析相結合的方法，對河南省31個產煙縣的169個煙葉樣品的風格特征指標進行了分析。李瑞麗等[8]以32個植煙縣的89個烤煙樣品為研究對象，對葉片厚度、葉面密度、填充值、陰燃時間、抗張強度和平衡含水率等物理指標進行了因子分析和聚類分析。薛超群等[9]以43個產地的煙葉，分析了底色、厚度、蠟質感、柔韌性、葉面葉背顏色差、葉尖葉基身份差、光澤和葉面組織等15項外觀特征指標，采用主成分分析法提取了7個主成分，并對43個產地煙葉進行聚類。目前用其分析不同區域烤煙游離氨基酸含量的研究則鮮見報道。因此，本研究以不同區域烤煙游離氨基酸含量為變量，采用因子分析和聚類分析方法對不同區域烤煙游離氨基酸含量進行分析和科學分類，并為特色優質煙葉開發和工業企業采購原料提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 材料來源

試驗材料來自中國煙草總公司鄭州煙草研究院，為2018年煙葉原料樣品，來自17個省份56個地區（詳見表1）的168份樣品，煙葉等級為C3F。

表1 烤煙材料產地信息Table 1 Origin information of flue-cured tobacco materials

1.2 測定項目與方法

不同產地C3F等級樣品分別取30片，對煙葉樣品進行去梗、烘干和粉碎處理，然后過60目篩。煙葉中游離氨基酸用鹽酸調節的檸檬酸鋰緩沖液萃取，使用氨基酸分析儀（型號：Biochrom 30，英國Biochrom公司）測定[10]。

1.3 數據處理

采用Excel 2016、SPSS 22.0和R語言（R-4.0.2）進行數據處理和統計分析。

2 結果與分析

2.1 烤煙游離氨基酸含量描述性統計分析

由表2可知，烤煙游離氨基酸均值總量為12 054.52μg/g，范圍為 7559.54～23 460.83μg/g。其中脯氨酸（Pro）含量最高（8342.26μg/g），其次為天冬酰胺（Asn）（777.29μg/g），蛋氨酸（Met）含量最低（4.49μg/g）。21種烤煙游離氨基酸含量整體表現為Pro＞Asn＞谷氨酰胺（Gln）＞丙氨酸（Ala）＞纈氨酸（Val）＞絲氨酸（Ser）＞天冬氨酸（Asp）＞谷氨酸（Glu）＞氨基丁酸（4-Gaba）＞色氨酸（Trp）＞苯丙氨酸（Phe）＞組氨酸（His）＞半胱氨酸（Cys）＞酪氨酸（Tyr）＞蘇氨酸（Thr）＞精氨酸（Arg）＞甘氨酸（Gly）＞賴氨酸（Lys）＞亮氨酸（Leu）＞異亮氨酸（Ile）＞Met。從變異系數看，烤煙游離氨基酸變異系數處于13.35%～75.94%。其中Asn、Glu、Gln、Phe、Lys和His變異系數均大于50%，Val變異系數最小（13.35%），其次為Ala（17.33%）。

表2 烤煙游離氨基酸含量描述統計Table 2 Descriptive statistics of free amino acid contents in flue-cured tobacco

2.2 對烤煙游離氨基酸的相關性分析

如圖1所示，Ser與Val含量存在極顯著正相關，與其他氨基酸無顯著關系。Val與Ser和Gys含量存在極顯著正相關，與His和Pro含量存在極顯著和顯著負相關，與其他氨基酸無顯著關系。Gys與Val、Asp、Ile、Lys和Arg含量均存在極顯著正相關，與Asn、Gln、Met、Tyr和Phe含量均存在顯著正相關。Met與Cys和Ile含量存在顯著正相關。其他游離氨基酸相關系數大部分達到顯著水平。烤煙游離氨基酸間較強的相關性說明，可以通過主成分分析研究烤煙游離氨基酸間的復雜關系。

圖1 烤煙游離氨基酸相關性分析Fig.1 Correlation analysis of free amino acids in flue-cured tobacco

2.3 不同區域烤煙游離氨基酸含量的熱圖分析

熱圖是近年來被廣泛應用的一種統計方法，可以簡單地聚合大量數據，將結果以一種漸進色帶直觀地展現出來，可看出數據的疏密和頻率高低程度。17個省份56個地區21種游離氨基酸含量分析結果（圖2）顯示，平頂山和漯河地區烤煙Trp、His、Phe、4-Gaba和Asn含量高，寶雞、延安和丹東地區烤煙Trp含量低，長沙、韶關、吉安、龍巖和南平地區烤煙Gln含量低，不同地區間烤煙Asp、Asn、Glu和Gln含量差異明顯。

圖2 不同區域烤煙游離氨基酸含量的熱圖分析Fig.2 Heatmap analysis of free amino acid content in flue-cured tobacco in different regions

2.4 烤煙游離氨基酸含量的因子分析

對21種烤煙游離氨基酸進行因子分析，結果見表3。公因子提取方法采用主成分分析法，公因子（主成分）數目選定既要滿足數據降維目的，又要綜合大部分的信息，常用累積方差貢獻率不低于85%來確定公因子數目，故本研究選擇5個公因子，累積方差貢獻率為86.81%，表明5個主成分構成的信息能夠反映原來變量的大部分信息。

由表3和表4可知，因子1特征值為12.34，主要綜合了Thr、Asn、Glu、Gln、Leu、Tyr、Phe、Lys、His、Trp和Arg的信息；因子2特征值為2.33，主要綜合了Val和Cys的信息；因子3特征值為1.43，主要綜合了Ser的信息；因子4特征值為1.18，主要綜合了Ala和4-Gaba的信息；因子5特征值為0.95，主要綜合了Met的信息。由于因子1累積貢獻率（58.74%）大于50%，因此認為，Thr、Asn、Glu、Gln、Leu、Tyr、Phe、Lys、His、Trp和Arg是烤煙的特征游離氨基酸。

表3 主成分分析的特征值與方差貢獻率Table 3 Eigenvalue and variance contribution rate of principal component analysis

表4 主成分分析的載荷矩陣Table 4 Load matrix of principal component analysis

應用各個因子的載荷量和特征值計算出每個樣品對應的得分值、排名及綜合主成分值，由表5可知，Z1得分值越大，排名越靠前，表明烤煙的Thr、Asn、Glu、Gln、Leu、Tyr、Phe、Lys、His、Trp和Arg含量越高，排名前5位的地區依次為漯河、平頂山、洛陽、普洱和銅仁；Z2得分值越大，排名越靠前，表明烤煙Val和Gys的含量越高，排名前5位的地區依次為哈爾濱、丹東、銅仁、長春和牡丹江；Z3得分值越大，排名越靠前，表明烤煙Ser的含量越高，排名前5位的地區依次為大理、保山、普洱、昆明和宜昌；Z4得分值越大，排名越靠前，表明烤煙Ala和4-Gaba的含量越高，排名前5位的地區依次為宜賓、洛陽、濰坊、銅仁和湘西；Z5得分值越大，排名越靠前，表明烤煙Met的含量越高，排名前5位的地區依次為銅仁、許昌、賀州、畢節和文山。綜合得分排前10名的地區由高到低依次為漯河、平頂山、洛陽、普洱、銅仁、哈爾濱、臨沂、湘西、百色和濰坊。

表5 不同區域烤煙游離氨基酸的主成分得分Table 5 Principal component scores of free amino acids in flue-cured tobacco from different regions

2.5 烤煙游離氨基酸含量的聚類分析

對56個地區烤煙樣品進行K均值聚類分析，結果見圖3和表6。樣品分為3類，第1類包括玉溪、昆明、曲靖、普洱、臨滄、瀘州、宜賓、銅仁、武隆、宜昌、湘西、百色、宣城、許昌、洛陽、三門峽、安康、漢中、濰坊、臨沂、丹東、長春、牡丹江和哈爾濱24個產地的樣品，此類樣品烤煙游離氨基酸總量適中，總量均值為12 861.4μg/g，其中Ser和Val含量高。第2類包括大理、紅河、文山、保山、昭通、涼山、黔西南、遵義、畢節、黔南、巫山、恩施、襄陽、郴州、永州、長沙、邵陽、韶關、賀州、贛州、撫州、吉安、三明、龍巖、南平、駐馬店、南陽、商洛、寶雞和延安30個產地的樣品，烤煙游離氨基酸總量最低，總量均值為 10 712.02μg/g，其中Asp、Thr、Asn、Glu、Gln、Gly、Ala、Cys、Leu、Tyr、Phe、4-Gaba、Lys、His、Trp和Arg含量顯著低于其他2個類群。第3類包括平頂山和漯河2個產地的樣品，烤煙游離氨基酸總量最高，總量均值為22 509.41μg/g，除了Ser、Met和Ile，其他烤煙游離氨基酸含量與另外2個類群均存在顯著性差異。

表6 3個類群烤煙游離氨基酸含量分析Table 6 Analysis of free amino acid content in three groups of flue cured tobacco μg/g

圖3 不同區域烤煙游離氨基酸含量聚類分析Fig.3 Cluster analysis of free amino acids content of flue cured tobacco in different regions

3 討論

氨基酸是煙草中的一類重要化學物質，是組成蛋白質的主要成分，同時也是合成煙堿和多酚等有關物質的前提，對煙株體內氮的代謝及煙葉品質具有重要作用[11]。烤煙游離氨基酸總量范圍為7559.54～23 460.83μg/g，其中 Pro、Asn、Gln、Ala和Val含量較高。陳文等[12]研究了我國東北、山東、福建和云南的烤煙游離游離氨基酸含量，其中Pro、Ala、Asn、Arg、Asp和Phe是主要的6種氨基酸。史宏志等[13]研究表明，烤煙中水解氨基酸含量較高的是Glu、Asp、Pro、Ala、Val、Gly和Phe，約占總含量的70%，本研究結果與其基本一致。對烤煙游離氨基酸進行相關性分析表明，除了Val、Ser、Cys和Met相關性不顯著，其他烤煙游離氨基酸均存在顯著相關性。

因子分析在最大可能保留原有指標性狀信息的前提下，用少數且彼此相關性低的指標代替原有較多且彼此相關性高的指標，從而簡化多指標分析[14]，從而得到綜合信息。基于21種烤煙游離氨基酸，本研究對17個省份56個地區烤煙游離氨基酸進行主成分分析，提取前5個成分作為主成分，累計貢獻率達86.81%，這些因子綜合反映了21種烤煙游離氨基酸的絕大部分信息。殷延齊等[15]對煙絲中游離態氨基酸研究分析，第1主成分的特征值為9.28，累計貢獻率為51.56%，其中Asp、Thr、Ser、Gly、Ala、Val和Lys反映了第1主成分煙絲氨基酸的主要信息，與本研究結果基本一致。

聚類分析是應用多元統計分析原理研究分類問題的一種數學方法，主觀因素少，分類結果客觀且科學，并同時對大量性狀進行綜合考察[16-18]。本研究將56個地區烤煙樣品分為3個類群，第1類群主要以清香型產區為主。董洪旭等[19]研究表明，清香型產區的Ser和Val含量顯著高于濃香型和中間香型產區，與本研究結果一致。第2類群主要以中間香型產區為主，其中Asp、Asn、Glu、Gly、Tyr、Phe、Lys和Trp含量顯著低于其他2個類群，中間香型產區游離氨基酸含量顯著低于清香型和濃香型產區[19]。第3類群為平頂山和漯河產地，烤煙游離氨基酸總量最高。

4 結論

烤煙游離氨基酸總量范圍為7559.54～23 460.83μg/g，其中 Pro、Asn、Gln、Ala 和 Val含量較高。除了Val、Ser、Cys和Met含量相關性不明顯，其他烤煙游離氨基酸均存在顯著相關性。主成分分析選擇5個公因子，累計方差貢獻率為86.81%，表明5個主成分構成的信息能夠反映原來變量的大部分信息。對56個地區烤煙樣品進行K均值聚類分析，可分為3個類群。通過對不同區域烤煙游離氨基酸的研究，為煙葉生產種植的合理區劃及特色優質煙葉開發提供一定的理論依據。