基于因子、聚類及判別方法分析煙葉化學和感官質量

李志偉 陳 溪 王鵬澤 楊 闖 李晨曦 徐振鵬 周 琳

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

不同生態區煙葉的成分含量不同，煙葉的化學成分是影響煙葉產品質量與風格的物質基礎，其含量和比例直接影響煙葉的感官質量[1-2]。常愛霞等[3]對比國內外煙葉感官評吸質量與主要化學成分的關系，分析得出兩糖差值與煙葉感官評吸質量呈顯著相關性。杜堅等[4]對西南地區煙草的感官風格與其理化性質的關系進行分析，得出總糖、還原糖、總氮含量與煙草香氣特性的形成有關。徐澤桐等[5]對陜西煙葉進行研究，結果顯示，鉀氯比、糖堿比、總植物堿含量對煙葉感官品質有較大影響。夏玉珍等[6]研究云南清香型煙葉香氣的生成過程中發現氯堿比對香氣的貢獻最大。劉扣珠[7]、許自成[8]、林順順[9]等也得出主要化學成分決定煙葉感官質量。從以上的研究中可以得知，感官評吸質量與煙葉的化學成分密切相關，但對豫煙不同植煙縣系統分析二者關系且對化學感官指標提取分類研究應用較少。在卷煙工業領域中，對二者的關系和規律性進行分析能提高加工工藝過程中的煙葉初步篩選效率，降低卷煙生產成本，并在一定程度上提高卷煙產品的質量。本研究通過測定豫煙不同主產煙縣C3F煙葉的化學成分和感官質量指標，運用因子、聚類及判別分析方法系統分析，以期為不同產區煙葉原料合理篩選利用提供參考依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗所用原料為2022年度河南9個產煙市33個植煙縣的165 份典型煙葉樣品，品種為當地主栽品種，等級為C3F，詳見表1。

1.2 測定方法

1.2.1煙葉化學成分指標及檢測方法化學成分指標共計9項，分別是煙堿、總氮、總糖、還原糖、鉀、氯、糖堿比、鉀氯比、氮堿比。化學成分檢測均參照行業標準檢測方法進行檢測。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感官評吸質量指標及鑒定方法煙葉感官質量鑒定的主要依據是評吸指標。樣品送四川中煙工業有限責任公司技術中心進行感官質量評價。評吸質量指標及評分標準參照YC/T 138—1998[15]，確定烤煙感官評價基礎賦值方法和感官質量指標權重。感官評吸指標有10 項，分別是煙葉風格、香氣質、香氣量、濃度、雜氣、勁頭、刺激性、余味、燃燒性和灰分，分值每項滿分9分。

1.3 數據分析

采用Excel 2019 進行數據統計，采用SPSS 26.0對數據進行分析處理。

2 結果與分析

2.1 煙葉化學成分與感官指標間的描述性統計

運用描述性統計方法對煙葉化學成分和感官質量指標進行分析，結果如表2 所示。由表2 可知，煙葉化學成分指標中，總糖含量最高，其次是還原糖，氯含量最小；感官評吸質量指標中，燃燒性最高，平均值為7.32，余味最小，為5.79。標準差能夠反映數據集的離散程度，化學成分指標中，糖堿比的標準差最大，為5.22，說明糖堿比的離散程度高，這可能跟豫中、豫西和豫南的生態環境差異大有關，氮堿比的標準差最小，為0.13，說明其數據集的離散程度小；感官質量指標中，各項指標的標準差均偏小，說明離散程度小。偏度能反映數據分布的對稱程度，化學成分指標中，氯和鉀氯比的偏移程度較大；感官評吸質量指標中，香氣量、濃度和勁頭的偏移程度較大。變異系數能反映觀測值的變異程度，值越大，變異程度越大，反之越小。化學成分指標中，變異系數在13.47%～52.95%，說明烤煙中常規化學成分含量之間存在廣泛差異，感官質量評價指標中，變異系數在2.36%～6.83%，變異程度均偏小。峰度能判定數據分布相對于正態分布的陡緩程度，峰度越大陡峭程度越高，正態分布的峰度為3，若峰度大于3，說明該數據分布曲線比正態分布高，反之該數據分布曲線比正態分布低。化學成分指標中各項指標的峰度均小于3，說明其分布曲線均比正態分布低，氯的峰度值最大，為1.61，說明其陡峭程度最高；感官評吸質量指標中，只有雜氣的峰度值大于3，為3.12，說明其分布曲線均比正態分布高，其他各項指標的峰度均小于3，說明其分布曲線均比正態分布低，余味的峰度最低，為0.40。

表2 化學成分與感官評吸質量指標間的描述性統計

2.2 煙葉化學成分與感官評吸質量指標的相關性分析

由表3 可知，煙葉化學成分指標中煙堿與風格、濃度之間呈現極顯著正相關，與其他感官評吸質量指標之間無顯著相關性；總糖與風格呈現顯著正相關，與濃度呈現顯著負相關，與其他感官評吸質量指標之間無顯著相關性；還原糖與風格、濃度之間呈現顯著負相關，與其他感官評吸質量指標之間無顯著相關性；總氮與風格、濃度和刺激性之間呈現顯著正相關，與其他感官評吸質量指標之間無顯著相關性；鉀、氯、鉀氯比、氮堿比與各項感官評吸質量指標之間無顯著相關性；糖堿比與風格、濃度和刺激性之間呈現顯著負相關，與其他感官評吸質量指標之間無顯著相關性。對感官評吸質量影響較大的因素有3 個，分別是煙堿、總糖、糖堿比。

表3 化學成分與感官評吸質量的相關系數

2.3 煙葉化學成分感官評吸質量的因子分析

2.3.1主成分提取采用KMO 和Bartlett 法對煙葉化學成分和感官評吸質量進行分析，結果表明，KMO值為0.626，大于0.5，說明數據適合做因子分析；Bartlett 值為531.561，自由度為171.000，P=0.000，表明各變量之間呈現顯著相關，對其進行因子分析有研究意義。這與表3所得出的結論相符，表3結果表明化學成分與感官指標存在對應關系，而主成分和聚類分析能夠細化此關系。

對測定數據進行主成分分析，通過解釋的總方差找出特征值大于1的5個主成分，如表4所示。由表4 可知，其貢獻率分別為33.170%、19.500%、11.739%、7.054% 和6.514%，累計貢獻率達77.977%。其中第1主成分與煙堿、總氮、風格呈現正相關，與糖堿比、總糖、還原糖呈現負相關，其中糖堿比的系數最大，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、香氣量、雜氣、燃燒性呈現正相關，其中香氣質的系數最大，為0.221，因此可將第2 主成分定義為香氣質因子；第3 主成分與鉀、鉀氯比呈現正相關，與氯呈現負相關，其中鉀氯比的系數最大，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 主成分與勁頭呈現正相關；第5 主成分與刺激性、余味呈現正相關，與氮堿比、濃度呈現負相關，其中刺激性的系數最大，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率

2.3.2主成分得分對數據進行主成分分析處理后，得到主成分得分系數矩陣，如表5所示。

表5 主成分得分系數矩陣

利用各指標的得分系數分別計算5個主因子得分，相應的計算公式如下：

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、風格、香氣質、香氣量、濃度、雜氣、勁頭、刺激性、余味、燃燒性、灰色指標的標準化數值。

以5個主成分所對應的特征值占所提取主成分總特征值之和的比例作為權重，計算主成分綜合模型，綜合評價模型為F=0.426f1+0.250f2+0.151f3+0.091f4+0.082f5。根據主成分綜合模型即可算出綜合主成分值。f值越高，說明煙葉品質質量高，反之，則表示煙葉品質質量低。

2.4 不同植煙縣間的聚類分析

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

圖1 不同生產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果

2.5 煙葉的Fisher判別分析

根據河南省各主產煙縣煙葉樣本的5個主因子（F1、F2、F3、F4、F5）得分及表6的聚類結果，對樣品進行判別分析，以檢測聚類分析結果的準確性。Fisher判別的個案統計結果表明（表7），實際組與預測組一致。同系統聚類分析結果比較可知，系統聚類結果分類準確。基于Fisher判別的分類函數系數（表8），構建了3個判別函數模型，具體如下。

表7 Fisher判別的個案統計

表8 Fisher判別的分類函數系數

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

本研究結果表明，河南不同植煙縣煙葉化學成分的變異系數較大，化學成分中煙堿、總糖和糖堿比與煙葉風格關系密切，這可能與河南地勢西高東低，生態環境多樣，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。在最新發布的《河南省煙葉生產布局優化實施方案》中，將全省劃分為“一帶兩區”3 個生態區，即：①豫中經典濃香生態帶，包括許昌、平頂山、漯河，核心植煙區呈線性帶狀集中分布；②豫西醇雅濃香生態區，包括三門峽、洛陽、濟源，核心植煙區呈小三角區域集中分布；③豫南醇厚濃香生態區，包括南陽、駐馬店、信陽，核心植煙區呈大三角點式區域集中分布。這與本研究采用因子、聚類及判別分析煙葉化學成分和感官質量指標將河南植煙縣劃分為3類的結果基本一致。由于本研究僅以河南中部煙葉C3F 等級作為樣本，在風格評價和質量評價方面煙葉樣本覆蓋度不全面，因此，要全面解讀河南煙葉質量風格特色，實現河南煙葉質量風格準確定位需要進一步加大樣本覆蓋面，如B3F和X2F，進行深入研究。

4 結論

通過對河南煙葉化學成分和感官質量分析得出，影響河南煙葉感官評吸質量較大的因素有3個，分別是煙堿、總糖、糖堿比，三者主要影響感官評吸質量指標中的風格、濃度和刺激性。采用因子分析提取了5 個主成分，依據主成分綜合得分進行聚類分析，將河南省33個產煙縣分成3類，利用Fisher判別函數評價模型對聚類結果進行判定，判定結果與系統聚類結果一致，表明不同產區煙葉的感官風格表現形式不同，風格沒有好壞之分，關鍵在于彰顯本地煙葉特色風格的同時，使之更加符合卷煙品牌的需求，因此，針對不同風格的煙葉，要因地施策，準確掌握當地的基礎土壤肥力，合理輪作、種植綠肥與用地養地相結合的方法，做到科學施肥，更好地彰顯煙葉香型風格。