灰色定權(quán)聚類分析在煙葉替代中的應(yīng)用

鄭東方，許自成，王文倫，龍 偉

(1.云南省煙草公司 楚雄州公司，云南 楚雄 675102；河南農(nóng)業(yè)大學(xué) 煙草學(xué)院，河南 鄭州 450002)

灰色定權(quán)聚類分析在煙葉替代中的應(yīng)用

鄭東方1，許自成2*，王文倫1，龍 偉1

(1.云南省煙草公司 楚雄州公司，云南 楚雄 675102；河南農(nóng)業(yè)大學(xué) 煙草學(xué)院，河南 鄭州 450002)

摘要：為了探索烤煙煙葉替代的理論基礎(chǔ)，采用灰色定權(quán)聚類法對25個清香型烤煙產(chǎn)區(qū)的C3F等級煙葉樣品的化學(xué)成分進(jìn)行了聚類分析，結(jié)果顯示：14個烤煙產(chǎn)區(qū)煙葉化學(xué)成分屬于A類，為化學(xué)成分很協(xié)調(diào)區(qū)域；6個烤煙產(chǎn)區(qū)煙葉化學(xué)成分屬于B類，為化學(xué)成分協(xié)調(diào)區(qū)域；5個烤煙產(chǎn)區(qū)煙葉化學(xué)成分屬于C類，為化學(xué)成分一般區(qū)域。各類別化學(xué)成分的平均值和變異系數(shù)等特征數(shù)存在差異，不同類別在主要化學(xué)成分間存在顯著性差異。

關(guān)鍵詞：烤煙；化學(xué)成分；灰色定權(quán)聚類

中式卷煙風(fēng)格特點(diǎn)是通過不同產(chǎn)地、不同等級煙葉進(jìn)行配伍后形成的[1]，卷煙產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員為了維持產(chǎn)品風(fēng)格特色的穩(wěn)定，需要從不同產(chǎn)地、品種、等級的煙葉中選擇原料組合成葉組配方，由于每種煙葉原料的數(shù)量是有限的，因此葉組配方不得不進(jìn)行頻繁的調(diào)整，在某種煙葉原料用盡后尋找替代煙葉，傳統(tǒng)上只能依賴繁重的單料煙評吸以及試制煙制作來確定合適的替代葉組配方[2-3]。煙葉化學(xué)成分作為衡量煙葉品質(zhì)的一類重要指標(biāo)，一直受到行業(yè)相關(guān)人員的重視，也是國標(biāo)所檢測的內(nèi)容[4]，通過煙葉內(nèi)在化學(xué)成分的含量及其協(xié)調(diào)性來判斷煙葉質(zhì)量的高低，使煙葉的質(zhì)量評定更具科學(xué)性和確定性[5]。聚類分析方法在煙草育種、感官質(zhì)量、外觀質(zhì)量、化學(xué)品質(zhì)等分析中已有運(yùn)用[6-13]，近年來，有學(xué)者用聚類分析的方法分析煙葉的化學(xué)成分，嘗試解決煙葉替代性問題[14-15]，但是采用的聚類對象多是不同部位、不同等級、不同品種的煙葉，實(shí)踐證明，同一部位、相同等級、相同顏色的煙葉，其內(nèi)在質(zhì)量也會存在很大差異[1]?；谝陨蠁栴}，本文提出了用灰色定權(quán)聚類的方法[17-19]，對清香型主產(chǎn)煙區(qū)的不同地區(qū)、相同部位、相同等級的煙葉樣品進(jìn)行聚類分析，旨在為煙葉替代提供理論支持。

1材料與方法

1.1試驗(yàn)材料

供試烤煙品種為我國主產(chǎn)煙區(qū)的主栽品種K326。2012年在我國廣東梅州、廣東南雄、廣東韶關(guān)、貴州銅仁、貴州畢節(jié)、湖南郴州、湖南桂陽、江西贛州、四川德昌、四川會理、四川涼山、四川美姑、四川寧南、四川西昌、四川敘永、四川昭覺、云南大理、云南富源、云南昆明、云南陸良、云南曲靖、云南師宗、云南玉溪、重慶彭水、重慶巫溪等25個烤煙產(chǎn)區(qū)，采取定等級、定葉位(C3F)方法取樣35份。樣品等級由專職評級人員按照“GB 2635─1992烤煙”標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，等級合格率達(dá)到100%，每個樣品取3.0 kg，用于各項(xiàng)指標(biāo)的測定。

1.2試驗(yàn)材料

煙葉化學(xué)成分檢測指標(biāo)共計(jì)7項(xiàng)，分別為：總糖、還原糖、總氮、煙堿、鉀、氯、蛋白質(zhì)等，其檢測方法參照王瑞新的《煙草化學(xué)》中介紹的方法[5]，氮堿比、糖堿比、鉀氯比等指標(biāo)按照公式計(jì)算。

1.3數(shù)據(jù)處理

2結(jié)果與分析

2.1清香型煙區(qū)烤煙化學(xué)成分的綜合質(zhì)量狀況

清香型煙區(qū)35份煙葉樣品的描述性統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示(表1)，清香型煙區(qū)2012年的糖堿比含量偏高，總糖、還原糖、煙堿、總氮、鉀、氯、蛋白質(zhì)、氮堿比和鉀氯比等均在適宜范圍內(nèi)，化學(xué)成分協(xié)調(diào)性較好。變異分析表明：氯含量在不同產(chǎn)區(qū)之間的變異系數(shù)較大，相應(yīng)地使得鉀氯比的變異范圍也較大，同時糖堿比的變異系數(shù)也略偏大。峰度的正負(fù)可以表明化學(xué)成分含量分布曲線圖為尖削或平闊，各化學(xué)成分指標(biāo)的峰度系數(shù)較小，表現(xiàn)為尖峭峰，而鉀、蛋白質(zhì)的峰度系數(shù)為負(fù)值，表現(xiàn)為平闊峰。除還原糖和蛋白質(zhì)外，其他各項(xiàng)指標(biāo)的偏度系數(shù)均大于0，表現(xiàn)為正偏峰。

表1　清香型煙區(qū)烤煙化學(xué)成分的描述性統(tǒng)計(jì)

2.2清香型煙區(qū)的灰色定權(quán)聚類分析

2.2.1確定統(tǒng)計(jì)對象、指標(biāo)和灰類本試驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)對象為25個不同烤煙產(chǎn)區(qū)。統(tǒng)計(jì)指標(biāo)為煙堿、還原糖、氯、鉀、總糖、總氮、醚提總量、蛋白質(zhì)、糖堿比、氮堿比、鉀氯比共11個化學(xué)成分指標(biāo)。依據(jù)計(jì)算要求將清香型煙區(qū)分為3類，灰類1為A類(化學(xué)成分很協(xié)調(diào))、灰類2為B類(化學(xué)成分協(xié)調(diào))、灰類3是C類(化學(xué)成分一般)[18]。

2.2.2白化權(quán)函數(shù)的確定采用平均值-標(biāo)準(zhǔn)偏差法[20]確定清香型煙區(qū)不同化學(xué)成分指標(biāo)的值域(表2)。

由白化函數(shù)寫出化學(xué)成分指標(biāo)的白化函數(shù)表達(dá)式，A類白化函數(shù)(化學(xué)成分很協(xié)調(diào)如圖1)表達(dá)式為：

表2　清香型煙區(qū)不同化學(xué)成分指標(biāo)的值域

圖1　A類白化函數(shù)圖

B類白化函數(shù)(化學(xué)成分協(xié)調(diào)如圖2)表達(dá)式為：

圖2　B類白化函數(shù)圖

C類白化函數(shù)(化學(xué)成分一般如圖3)表達(dá)式為：

圖3　C類白化函數(shù)圖

由化學(xué)成分指標(biāo)的值域以及各指標(biāo)的3種灰類白化函數(shù)表達(dá)式，分別計(jì)算各灰類白化函數(shù)值。

表3　清香型煙區(qū)的灰色定權(quán)聚類系數(shù)

2.3各類別煙葉樣品化學(xué)成分主要特征

對聚類所得的3類樣品進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得各類樣品化學(xué)成分的平均值和變異系數(shù)。由圖4可知，3類煙葉樣品化學(xué)成分差異較大的為鉀氯比，其次為總糖和還原糖，其他指標(biāo)的差異較小。由圖5可知，對于反映類別之內(nèi)變異程度的變異系數(shù)，A類的氯含量和鉀氯比有較大的變異系數(shù)，B類的煙堿、氯、糖堿比和鉀氯比有較大的變異系數(shù)，C類的氯、糖堿比和鉀氯比有較大的變異系數(shù)。

圖4　3類煙葉樣品化學(xué)成分平均含量

圖5　3類煙葉樣品化學(xué)成分變異系數(shù)分布

2.4各類煙葉樣品化學(xué)成分的差異檢驗(yàn)

上述平均數(shù)分布情況可以在一定程度上反映各類別化學(xué)成分之間的差異，但由于所采用的樣本尚不足夠大，存在一定的取樣誤差，有必要進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)，采用方差分析對不同類別的烤煙化學(xué)成分指標(biāo)進(jìn)行方差分析。由表4可知，11項(xiàng)化學(xué)成分指標(biāo)有7項(xiàng)在不同類別之間存在顯著性差異，煙堿在B類、A類與C類之間存在顯著性差異；氯在A類、B類與C類之間存在顯著性差異；醚提總量在A類和B類之間存在顯著性差異；總氮、蛋白質(zhì)、氮堿比、鉀氯比在B類和C類之間存在顯著性差異。

表4　各類煙葉樣品化學(xué)成分的差異分析

3結(jié)論與討論

為了減小卷煙產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員尋找替代煙葉的難度，本文選擇聚類效果較好的灰色定權(quán)聚類方法，對清香型煙區(qū)同部位、同等級的25個產(chǎn)區(qū)的煙葉樣品進(jìn)行了聚類，結(jié)果顯示：清香型煙區(qū)的14個地區(qū)煙葉樣品屬于化學(xué)成分很協(xié)調(diào)的類別；同時結(jié)果顯示四川產(chǎn)區(qū)的大部分樣品與云南產(chǎn)區(qū)的大部分樣品屬于一個類別，兩地之間的煙葉可以進(jìn)行部分替換，通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)雖然四川平均海拔低于云南，但是四川植煙偏西南部，而云南植煙偏北部，兩地同受橫斷山脈的影響氣候條件相似；云南植煙土壤大部分是紅壤，四川植煙土壤以紅黃壤為主，土壤理化性質(zhì)相似，所以兩地區(qū)之間的同品種、同部位、同等級的煙葉樣品具有替代性。

通過方差分析對灰色定權(quán)聚類結(jié)果進(jìn)行了檢驗(yàn)，由方差分析結(jié)果可知，11項(xiàng)化學(xué)成分指標(biāo)有7項(xiàng)在不同類別之間存在顯著性差異，不同類別之間的差異性明顯，但是還原糖、鉀、總糖、糖堿比等4項(xiàng)指標(biāo)在不同類別之間不存在差異性，這可能是本試驗(yàn)所選擇的煙樣是相同品種、相同部位和相同等級的煙葉，煙葉樣品本身差異比較小的原因。

經(jīng)過灰色定權(quán)聚類分析，廣東南雄、貴州銅仁、四川涼山、四川美姑、四川寧南、四川西昌、四川敘永、四川昭覺、云南富源、云南昆明、云南陸良、云南曲靖、云南師宗、重慶巫溪等14個地區(qū)屬于A類；廣東韶關(guān)、貴州畢節(jié)、湖南桂陽、江西贛州、云南大理、云南玉溪等6個地區(qū)屬于B類；廣東梅州、湖南郴州、四川德昌、四川會理、重慶彭水等5個地區(qū)屬于C類。清香型煙區(qū)大部分地區(qū)煙葉的化學(xué)成分協(xié)調(diào)性比較好，配方人員可以根據(jù)聚類結(jié)果對不同地區(qū)的煙葉進(jìn)行煙葉替代性試驗(yàn)，同時本方法還適用于不同部位、不同等級、不同品種煙葉化學(xué)成分的相似性分析。

聚類指標(biāo)選擇的不同會造成聚類結(jié)果的不同，本方法不適用于聚類指標(biāo)的權(quán)重不同，如果要用指標(biāo)權(quán)重不同進(jìn)行聚類，就要對指標(biāo)的權(quán)重事先進(jìn)行賦權(quán)然后代入計(jì)算，或者采用初值化算子或者均值化算子將各指標(biāo)樣本值化為無量綱數(shù)據(jù)，然后按照灰色變權(quán)聚類方法[17]進(jìn)行聚類。

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(責(zé)任編輯：曾小軍)

Application of Grey Equal Weight Clustering Analysis in Tobacco Substitute

ZHENG Dong-fang1, XU Zi-cheng2*, WANG Wen-lun1, LONG Wei1

(1. Chuxiong Company, Yunnan Tobacco Limited Company, Chuxiong 675102, China;2. College of Tobacco Science, Henan Agricultural University, Zhengzhou 450002, China )

Abstract：In order to explore the theory basis about the flue-cured tobacco substitute, analyzed the C3F grade sample chemical components of 25 flavor flue-cured tobacco-growing areas by grey equal weight cluster. The results indicated that chemical components of 14 flue-cured tobacco region belonged to A class, which was the very harmonious chemical components region. Chemical components of 6 flue-cured tobacco region belonged to B class, which was the harmonious chemical components region. Chemical components of 5 flue-cured tobacco region belonged to C class, which was general chemical components region. The average value and variation of all chemical composition feature existed differences, different categories existed significant differences among the main chemical composition.

Key words：Flue-cured tobacco; Chemical components; Grey equal weight clustering

收稿日期：2015-09-12

基金項(xiàng)目：貴州省煙草公司重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目(GY2012-06)。

作者簡介：鄭東方，從事煙草生態(tài)與質(zhì)量評價(jià)研究。*通訊作者:許自成。

中圖分類號：S572

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1001-8581(2016)04-0061-05