基于主成分散點圖的西南煙區烤煙質量綜合評價

張 璽， 謝 晉， 梁增發， 王 寒， 王 維

(1.廣東中煙工業有限責任公司， 廣東 廣州 510385； 2.華南農業大學 農學院， 廣東 廣州 510642)

0 引言

【研究意義】煙葉質量由煙葉化學成分、感官質量及外觀質量等多項指標構成[1]，評價煙葉質量時既要考慮單項指標的適宜性，同時還應結合多項評價指標進行整體分析，才能系統性地對煙葉的質量進行綜合評價[2]。已有研究對煙葉質量進行綜合分析時，常以化學成分為主要評價指標，而感官質量則作為驗證指標，不納入分析體系，其分析結果不能完全體現煙葉的真實質量。而致香物質是煙葉香氣品質、香型風格形成的重要物質基礎，也應當納入評價體系方可構建更加完善，且能夠代表更多煙葉質量特征分析模型。探究構建化學成分、感官質量及外觀質量等多項指標的西南清香型烤煙綜合評價模型，并就基于主成分散點圖的西南煙區烤煙質量進行綜合評價，對煙葉工業應用的質量選擇具有重要意義。【前人研究進展】主成分分析法是烤煙質量綜合評價的常用方法。其是采用降維方式將多項指標轉化成少數幾項新的指標，轉化后的指標能夠保留原始變量的大部分信息，新的變量彼此間互不相關且不存在多重共線性，最終得出可量化的綜合得分，但可視化程度仍然較低[3-4]。李國棟等[5]以主成分分析為主，層次聚類分析為輔，以化學成分為主體指標對烤煙質量進行了整體評價。王玉勝等[6]運用主成分分析法和Q型聚類分析對14個不同工業等級標準的煙葉質量進行了評價。葉協鋒等[7]以外觀質量和常規化學成分為評價指標，建立了基于主成分分析和聚類分析的煙葉質量綜合評價模型。主成分分析得出樣品綜合得分后，將樣品的得分以散點圖的形式呈現出來，可顯著提高綜合分析模型的可視化程度。【研究切入點】散點圖是利用散點的分布形態反映變量關系的一種圖形，可通過直觀醒目的圖形形式反映變量間關系的變化形態[8]。鮮見基于主成分散點圖在西南煙區烤煙質量綜合評價上應用的研究報道。以化學成分、感官質量和致香物質為評價指標，采用主成分分析結合三維散點圖法構建西南煙區烤煙質量綜合評價模型。【擬解決的關鍵問題】構建多指標烤煙綜合評價模型，對基于主成分散點圖的烤煙質量進行綜合評價，以期為西南煙區烤煙質量的綜合評價及煙葉工業應用的質量選擇提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗煙葉為2018年云南普洱(C2F、C3F、B2F)、四川會理(C3F)、云南曲靖(B2F)和四川西昌(B2F)四大產煙區的復烤后片煙，驗證試驗煙葉為2019年云南普洱(C2F、B2F)和云南曲靖(C2F、B2F)的原煙和復烤后片煙。

1.2 方法

1.2.1 指標測定 煙葉的總糖、還原糖、總植物堿以及總氮含量采用連續流動分析儀進行測定，并通過計算得到糖堿比和氮堿比[9]。煙葉的類胡蘿卜素降解產物、西柏烷類物質和美拉德反應產物采用蒸餾萃取法測定[10]。感官質量由廣東中煙工業有限責任公司評吸專家，按照標準方法(YC/T 138-1998)采用9分制對香氣質、香氣量、濃度、勁頭、雜氣、刺激性和余味等指標進行評價。

1.2.2 煙葉指標原始數據的標準化處理與主成分分析 由于化學成分、感官質量和致香成分等指標的量綱不統一、數量級也存在差異，因此需對各指標進行標準化處理以消除量綱和數量級對綜合評價帶來的不良影響。各指標原始數據經標準化處理后進行主成分分析，并根據特征根大于1的原則提取主成分。

1) 適宜型指標。包括烤煙總糖、還原糖、總植物堿、總氮、氮堿比和糖堿比，各指標的適宜范圍分別為22%～28%、20%～26%、2.4%～2.6%、1.9%～2.1%、6.0～10.0和0.8～1.0，因存在適宜范圍，其值偏離最適宜范圍程度越大，則質量越差。由于烤煙化學成分及協調性指標最適宜范圍的確定在不同工業企業有所不同，研究參照廣東中煙工業有限責任公司的要求及文獻[11-14]的方法確定。

2) 效益型指標。包括類胡蘿卜素產物、西柏烷類物質、美拉德反應產物和感官質量(香氣質、香氣量、刺激性、雜氣、勁頭、余味)，其值越大，品質越好。

1.2.3 煙葉樣品主成分的綜合評價得分 以每個主成分所對應的特征值占所提取主成分總的特征值之后的比值作為權重，參照文獻[15-16]的方法，利用綜合評價模型計算主成分的綜合得分(y)。

y=(λ1y1+λ2y2+λ3y3+λ4y4)/λ

式中，λ為各主成分特征值(λ1、λ2、λ3、λ4)之和，y1～y4為各主成分得分。

1.2.4 主成分散點圖的繪制與其綜合得分系統聚類分析 對于烤煙樣品而言，主成分散點圖上的分布能夠代表烤煙各樣品或一類樣品的特征。以烤煙樣品各指標的第1主成分(感官指標)為橫坐標，第2主成分(化學指標)為縱坐標，以第3主成分(致香指標)為豎坐標，采用Origin21繪制三維散點圖，最后再根據主成分綜合得分進行系統聚類分析。

1.3 數據處理與分析

在數據標準化的基礎上，使用SPSS 19.0進行主成分分析，根據各提取主成分得分與主成分貢獻率乘積之和計算主成分綜合得分，并用Origin 21繪制三維散點圖，最后再根據主成分綜合得分進行系統聚類分析。

2 結果與分析

2.1 標準化處理后煙葉樣品各指標間的相關性

從圖1看出，西柏烷類與美拉德反應產物，美拉德反應產物與總糖和氮堿比，總糖與氮堿比，總植物堿與勁頭，香氣質與香氣量、刺激性、雜氣、余味，香氣量與余味，刺激性與雜氣、余味，雜氣與余味均呈極顯著正相關；總糖與總氮，總植物堿與雜氣，總氮與氮堿比均呈極顯著負相關；西柏烷類與總糖，總氮與糖堿比和香氣量，香氣量與刺激性呈顯著正相關；總糖與香氣量，還原糖與總植物堿，總植物堿與刺激性，氮堿比與香氣量，刺激性與勁頭，雜氣與勁頭均呈顯著負相關。

注：圖中藍色點表示負相關關系，紅色點表示正相關關系，點的大小及顏色深淺均表示相關系數的大小；*和**分別表示相關性顯著(P<0.05)和極顯著(P<0.01)。

2.2 煙葉樣品主成分的特征向量與貢獻率

從表1可知，煙葉樣品各指標共提取4個主成分，其累計貢獻率為81.848%，基本包含原變量提供的大部分信息。第1主成分的特征向量為-0.641～0.873，貢獻率為32.024%，其中，香氣質、香氣量、刺激性、雜氣和余味的正系數較大，說明其為感官指標；第2主成分的特征向量為-0.846～0.782，貢獻率為24.308%，其中，總糖和氮堿比的正系數較大，總植物堿、總氮、糖堿比和勁頭的負系數較大，說明其為化學指標；第3主成分的特征向量為-0.304～0.854，貢獻率為18.821%，其中，胡蘿卜素類、西柏烷類和美拉德類致香成分的正系數較大，說明其為致香指標；第4主成分的特征向量為-0.363～0.652，貢獻率為6.695%，還原糖的正系數較大，其貢獻率相對較少。

表1 煙葉樣品主成分的特征向量與貢獻率

2.3 煙葉樣品主成分的綜合評價

4個主成分(y1、y2、y3、y4)綜合評價(得分)的數學模型分別為y1=0.225x1-0.059x2-0.434x3-0.413x4+0.424x5-0.517x6+0.373x7+0.036x8-0.641x9+0.873x10+0.733x11+0.781x12+0.739x13-0.420x14+0.872x15；y2=-0.031x1+0.237x2+0.535x3+0.782x4+0.179x5-0.602x6-0.846x7-0.467x8+0.674x9+0.153x10-0.319x11+0.401x12+0.478x13-0.609x14+0.151x15；y3=0.640x1+0.854x2+0.668x3+0.266x4-0.304x5+0.429x6+0.211x7+0.464x8+0.231x9+0.372x10+0.233x11+0.221x12-0.169x13+0.401x14+0.383x15；y4=-0.363x1+0.337x2+0.108x3+0.232x4+0.652x5-0.124x6+0.189x7+0.073x8-0.199x9-0.116x10-0.032x11+0.011x12+0.104x13+0.364x14-0.121x15。綜合評價煙葉得分越高，其品質越好；反之，則品質越差。從表2可知，西南地區C2F和C3F煙葉品質優于B1F和B2F，不同來源各等級煙葉樣品為1.82～2.19分，其中，云南普洱C2F得分最高，為2.19分，其品質最好；云南普洱B2F得分最低，為1.82分，其品質最差；評價結果與行業普遍認知一致。

表2 煙葉樣品主成分的綜合評價得分

2.4 煙葉樣品主成分不同指標的得分

從圖2看出，不同來源各等級樣品間的組內聚集和組間分離變化趨勢明顯。四川會理C3F，化學指標得分高，感官指標得分低，致香指標得分居中。云南普洱C3F，感官指標得分低，化學指標和致香指標得分居中；云南普洱C3F、C2F和B2F，各指標的變化特征較接近，化學指標和感官指標得分均居中，致香指標得分則較低；云南曲靖B2F，化學指標得分低，感官指標得分居中，致香指標得分高。其分類結果與烤煙樣品所屬產區的實際一致，即四川會理產區對應高化學指標高致香型，四川西昌產區對應低感官指標高致香指標型，云南普洱產區對應高感官指標綜合型，云南曲靖產區對應低化學指標高致香指標型。說明，評價方法不僅能夠對西南清香型烤煙進行品質質量評價，且還能區分不同產區煙葉的質量特征。

圖2 煙葉樣品主成分不同指標得分的三維散點分布

2.5 不同來源各等級樣品的聚類

從圖3看出，不同來源各等級18個煙葉樣品具有明顯的聚集性，按距離系數15截取，可將其分為4類。第1類僅有四川會理C3F；第2類僅有四川西昌B2F；第3類包括云南普洱C2F、云南普洱C3F和云南普洱B2F；第4類僅有云南曲靖B1F。與主成分散點圖分析結果一致，進一步驗證主成分散點圖分析可用于樣品特征的分類。

圖3 不同來源煙葉各等級樣品的聚類

2.6 綜合評價方法的驗證

從表3可知，云南普洱C2F原煙和片煙的綜合評價得分分別為2.09分和2.33分，云南普洱B1F分別為1.77分和1.94分，云南曲靖C2F分別為2.13分和2.30分，云南曲靖B1F分別為1.82分和1.99分。片煙較原煙綜合評價得分均得到提高，云南普洱C2F、云南普洱B1F、云南曲靖C2F和云南曲靖B1F的片煙較原煙綜合評價得分分別提高11.48%、9.61%、7.98%和9.34%。驗證試驗C2F的綜合評價得分均高于B1F，表明C2F煙葉品質優于B1F，與行業內的普遍認知一致。因此，主成分散點圖法能夠通過常規化學成分、致香成分和感官質量指標評價西南清香型烤煙的品質質量。

表3 煙葉樣品主成分綜合評價的驗證得分

3 討論

主成分分析方法是將多項指標轉化成少數幾項新的指標，轉化后的指標能夠保留原始變量的大部分信息，新的變量彼此間互不相關且不存在多重共線性。研究結果表明，標準化處理后煙葉樣品的西柏烷類與美拉德反應產物，美拉德反應產物與總糖和氮堿比，總糖與氮堿比，總植物堿與勁頭，香氣質與香氣量、刺激性、雜氣以及余味，香氣量與余味，刺激性與雜氣和余味，雜氣與余味均呈極顯著正相關；總糖與總氮，總植物堿與雜氣，總氮與氮堿比則均呈極顯著負相關性；煙葉樣品各指標共提取4個主成分，其累計貢獻率為81.848%，第1主成分為感官指標，貢獻率為32.024%；第2主成分為化學指標，貢獻率為24.308%；第3主成分為致香指標，貢獻率為18.821%；第4主成分貢獻率僅6.695%。與行業的普遍認知一致，也表明感官指標對煙葉質量評價的重要性。在評價原煙、配方打葉、配方維護和產品開發環節，均以感官質量為主[17-18]。不同等級煙葉樣品綜合得分依次為C2F>C3F>B1F>B2F，與煙葉實際等級質量一致[19-20]。研究結果表明，不同來源各等級18個煙葉樣品具有明顯的聚集性，按距離系數15截取，可將其分為4類，與主成分散點圖分析結果一致。經驗證試驗，云南普洱C2F、云南普洱B1F、云南曲靖C2F和云南曲靖B1F的片煙較原煙綜合評價得分分別提高11.48%、9.61%、7.98%和9.34%，驗證試驗C2F的綜合評價得分均高于B1F，表明C2F煙葉品質優于B1F，與行業內的普遍認知一致；與李慶祥等[21-22]的研究結果一致。進一步驗證基于主成分分析的三維散點圖綜合評價西南烤煙質量的方法可行。

烤煙的外觀質量也是煙葉綜合質量的重要組成部分，由于復烤的片煙外觀質量與原煙的外觀質量存在差異，其評價指標和方法尚未形成共識。因此，研究未將外觀質量納入評價方法的分析主體。今后的研究中，待復烤片煙的外觀質量評價和賦值方法明確后再對該評價方法進行補充與完善。研究旨在為煙葉綜合質量評價提供一種思路與建議，一方面，能夠提高綜合評價方法的可視化程度；另一方面，探索將感官質量直接納入分析主體，而不是僅作為評價依據或驗證指標。

4 結論

西南煙區煙葉不同指標共提取4個主成分，其累計貢獻率為81.848%，第1主成分為感官指標，貢獻率為32.024%；第2主成分為化學指標，貢獻率為24.308%；第3主成分為致香指標，貢獻率為18.821%；第4主成分貢獻率僅6.695%；4個主成分(y1、y2、y3、y4)綜合評價(得分)的數學模型分別為y1=0.225x1-0.059x2-0.434x3-0.413x4+0.424x5-0.517x6+0.373x7+0.036x8-0.641x9+0.873x10+0.733x11+0.781x12+0.739x13-0.420x14+0.872x15，y2=-0.031x1+0.237x2+0.535x3+0.782x4+0.179x5-0.602x6-0.846x7-0.467x8+0.674x9+0.153x10-0.319x11+0.401x12+0.478x13-0.609x14+0.151x15，y3=0.640x1+0.854x2+0.668x3+0.266x4-0.304x5+0.429x6+0.211x7+0.464x8+0.231x9+0.372x10+0.233x11+0.221x12-0.169x13+0.401x14+0.383x15，y4=-0.363x1+0.337x2+0.108x3+0.232x4+0.652x5-0.124x6+0.189x7+0.073x8-0.199x9-0.116x10-0.032x11+0.011x12+0.104x13+0.364x14-0.121x15，不同等級煙葉樣品的綜合得分依次為C2F>C3F>B1F>B2F；主成分分析結合三維散點圖法構建西南煙區烤煙質量綜合評價模型的可視化程度較高，能夠較好地評價西南清香型烤煙煙葉的綜合質量，還能區分不同產區煙葉的質量特征；聚類結果與主成分散點圖分析結果一致。