烤煙化學(xué)成分均衡性及差異性評(píng)價(jià)

李瑞麗， 劉玉葉， 李文偉， 王建民， 杜閱光， 李永正

(1.鄭州輕工業(yè)學(xué)院，河南鄭州 450001； 2.河南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司，河南鄭州 450001；3.天昌國(guó)際煙草有限公司，河南許昌 461000)

煙葉原料質(zhì)量的好壞在很大程度上決定了卷煙產(chǎn)品質(zhì)量的優(yōu)劣[1]。煙葉化學(xué)成分作為煙葉質(zhì)量的重要組成部分，與煙葉外觀、物理特性、感官質(zhì)量及煙氣指標(biāo)等密切相關(guān)[2-9]，其含量與比例是決定煙葉質(zhì)量?jī)?yōu)劣的內(nèi)在原因，也是決定煙葉工業(yè)可用性的重要因素[10]。各化學(xué)成分之間關(guān)系密切，相互影響，且不同產(chǎn)地不同部位間煙葉各化學(xué)成分存在不同程度的差異性，因此，相對(duì)于各單項(xiàng)指標(biāo)而言，研究煙葉的綜合質(zhì)量特性更能對(duì)煙葉質(zhì)量進(jìn)行客觀評(píng)價(jià)[11-16]。目前關(guān)于河南烤煙綜合化學(xué)特性差異的研究尚未見(jiàn)相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道。因此，通過(guò)因子分析和聚類分析研究河南烤煙綜合化學(xué)特性，并基于綜合化學(xué)特性研究各類煙葉的特點(diǎn)及產(chǎn)地、部位分布，以期為中式卷煙特色工藝中的分組加工提供參考，為合理、充分地利用煙葉資源提供技術(shù)保障。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

選取河南省不同植煙縣(市、區(qū))2012年的87個(gè)烤煙樣品(包括30個(gè)上部葉樣品、28個(gè)中部葉樣品、29個(gè)下部葉樣品)作為試驗(yàn)材料。儀器主要有AA3連續(xù)流動(dòng)分析儀(德國(guó)Seal公司)、THZ-C型恒溫回旋振蕩器(太倉(cāng)市華美生化儀器廠)、分析天平(精確至0.000 1 g)等。

1.2 試驗(yàn)方法

按照現(xiàn)行行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)及方法測(cè)定烤煙樣品的煙堿含量(參照YC/T 160—2002《煙草及煙草制品 總植物堿的測(cè)定 連續(xù)流動(dòng)法》)、總糖含量和還原糖含量(參照YC/T 159—2002《煙草及煙草制品 水溶性糖的測(cè)定 連續(xù)流動(dòng)法》)、總氮含量(參照YC/T 161—2002《煙草及煙草制品 總氮的測(cè)定 連續(xù)流動(dòng)法》)、鉀含量(參照YC/T 217—2007《煙草及煙草制品 鉀的測(cè)定 連續(xù)流動(dòng)法》)、氯含量(參照YC/T 162—2002《煙草及煙草制品 氯的測(cè)定 連續(xù)流動(dòng)法》)、淀粉含量(參照YC/T 216—2007《煙草及煙草制品 淀粉的測(cè)定 連續(xù)流動(dòng)法》)。

1.3 數(shù)據(jù)處理

利用SPSS 21.0、DPS 7.05、Excel 2010等軟件，通過(guò)探索統(tǒng)計(jì)分析、簡(jiǎn)單相關(guān)分析、雙因素方差分析研究河南烤煙煙葉主要化學(xué)成分的分布規(guī)律及相關(guān)關(guān)系；通過(guò)因子分析建立綜合化學(xué)特性模型，基于化學(xué)特性綜合因子得分進(jìn)行K-means聚類分析，對(duì)各聚類類別烤煙樣品的化學(xué)特性進(jìn)行LSD多重比較和對(duì)應(yīng)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 河南烤煙化學(xué)成分分布的概況統(tǒng)計(jì)及簡(jiǎn)單相關(guān)關(guān)系

由表1可知，河南烤煙煙葉樣品中的煙堿含量為 0.97%～4.58%，均值為2.60%；總糖含量為20.40%～43.70%，均值為30.97%；還原糖含量為18.00%～33.90%，均值為25.42%；總氮含量為1.25%～2.40%，均值為 1.88%；鉀含量為0.85%～1.96%，均值為1.42%；氯含量為0.10%～2.73%，均值為0.78%；淀粉含量為2.16%～11.57%，均值為6.15%。由變異系數(shù)可知，煙葉氯含量數(shù)據(jù)離散程度最大，其他成分含量離散程度由大到小依次為淀粉、煙堿、總糖、鉀、還原糖、總氮。

由表2可知，共有13對(duì)指標(biāo)間的相關(guān)性達(dá)到顯著或極顯著水平，分別是煙堿含量和總糖、還原糖、淀粉含量，總糖含量和總氮、氯含量，還原糖含量和總氮含量，總氮含量和淀粉含量呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系；煙堿含量和總氮含量，總糖含量和還原糖含量，總氮含量和氯含量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系；總糖含量和淀粉含量，鉀含量和氯含量呈顯著正相關(guān)關(guān)系；還原糖含量和氯含量呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。

表1 河南烤煙煙葉化學(xué)成分探索統(tǒng)計(jì)結(jié)果

由表3可知，煙堿、總糖、還原糖、總氮含量在產(chǎn)地和部位間均表現(xiàn)出極顯著差異；鉀、淀粉含量在部位間表現(xiàn)出顯著差異，在產(chǎn)地間表現(xiàn)為極顯著差異；氯含量在部位間的差異不顯著，在地區(qū)間表現(xiàn)出極顯著差異。

綜合以上分析可知，各項(xiàng)化學(xué)成分間存在較強(qiáng)的相關(guān)關(guān)系，且各化學(xué)成分指標(biāo)在不同產(chǎn)地、部位間均存在較大差異性，因此有必要借助因子分析構(gòu)建一個(gè)能夠客觀反映煙葉綜合化學(xué)特性的指標(biāo)，以探索河南烤煙煙葉綜合化學(xué)特性變化規(guī)律，為煙葉原料的合理利用提供參考。

表2 河南烤煙化學(xué)成分間的簡(jiǎn)單相關(guān)關(guān)系

注：“*”表示在0.05水平上顯著相關(guān)；“**”表示在0.01水平上顯著相關(guān)。

表3 河南烤煙煙葉化學(xué)成分的雙因素方差分析結(jié)果

2.2 河南烤煙化學(xué)成分的因子分析

2.2.1 提取因子變量 各項(xiàng)化學(xué)成分間的相關(guān)性較強(qiáng)，Kaiser-Meyer-Olkin(KMO)檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量為0.763，說(shuō)明適宜進(jìn)行因子分析[17]。依據(jù)相關(guān)系數(shù)矩陣，根據(jù)累計(jì)貢獻(xiàn)率大于80%的原則，利用主成分分析法提取出4個(gè)因子變量，它們的累計(jì)貢獻(xiàn)率接近90%(表4)。經(jīng)方差極大法旋轉(zhuǎn)后的因子載荷矩陣(表5)，第1因子主要表征的是總糖、還原糖、煙堿、總氮含量，且與總糖含量和還原糖含量呈正相關(guān)關(guān)系，與煙堿含量和總氮含量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系；第2因子主要表征氯含量，且與氯含量呈正相關(guān)關(guān)系；第3因子主要表征鉀含量，且與鉀含量呈正相關(guān)關(guān)系；第4因子主要表征淀粉含量，且與淀粉含量呈正相關(guān)關(guān)系。

表4 提取因子的方差貢獻(xiàn)率

表5 因子載荷矩陣

2.2.2 構(gòu)建綜合因子變量 由因子得分系數(shù)矩陣(表6)得到4個(gè)因子的表達(dá)式(公式1至公式4)。將各因子的方差貢獻(xiàn)率進(jìn)行歸一化處理，得到各因子權(quán)重分別為0.544、0.203、0.145、0.108，進(jìn)而建立綜合因子得分表達(dá)式，即公式5。

F1=-0.260x1*+0.301x2*+0.450x3*-0.231x4*-0.041x5*+0.186x6*-0.136x7*；

(1)

F2=-0.058x1*-0.067x2*-0.336x3*+0.120x4*-0.137x5*+1.002x6*+0.066x7*；

(2)

F3=-0.329x1*-0.076x2*-0.195x3*+0.008x4*+0.901x5*-0.130x6*-0.014x7*；

(3)

表6 因子得分系數(shù)矩陣

F4=-0.138x1*-0.088x2*-0.241x3*-0.059x4*-0.014x5*+0.058x6*+0.977x7*；

(4)

F=-0.216x1*+0.130x2*+0.259x3*-0.107x4*+0.079x5*+0.292x6*+0.043x7*。

(5)

式中：F1、F2、F3、F4分別表示4個(gè)主因子得分；F表示綜合因子得分；x1*～x7*分別表示煙堿、總糖、還原糖、總氮、鉀、氯、淀粉含量的標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)(均值為0，方差為1)?？衫没瘜W(xué)特性綜合因子得分評(píng)價(jià)煙葉樣品綜合化學(xué)特性的均衡性，且綜合因子得分越接近于0，各化學(xué)成分指標(biāo)值越接近于平均水平，表示煙葉樣品的綜合化學(xué)特性越均衡。當(dāng)綜合因子得分為正時(shí)，得分越高，則綜合化學(xué)特性越差，表現(xiàn)為在某個(gè)或某些化學(xué)成分方面優(yōu)勢(shì)突出；當(dāng)綜合因子得分為負(fù)時(shí)，得分越低，則綜合化學(xué)特性越差，表現(xiàn)為在某個(gè)或某些化學(xué)成分方面缺點(diǎn)明顯。因此，利用綜合因子既可評(píng)判綜合化學(xué)特性的均衡性，又可分析差異性，有利于煙葉資源的合理利用。

2.3 河南烤煙綜合化學(xué)特性統(tǒng)計(jì)分析

2.3.1 聚類分析 基于各樣品化學(xué)成分綜合因子得分進(jìn)行K-means聚類分析，煙葉樣品被聚為3個(gè)主組(表7)。在同一主組內(nèi)按煙葉著生部位不同劃分亞組，其中B1、B2、B3分別表示第1、2、3主組的上部葉，C1、C2、C3分別表示第1、2、3主組的中部葉，X1、X2、X3表示第1、2、3主組的下部葉。第3主組中沒(méi)有上部葉樣品，因此，共形成8個(gè)亞組。

表7 不同主組及亞組煙葉的產(chǎn)地分布

由表8可知，不同主組煙葉之間的綜合因子得分以及煙堿、總糖、還原糖、總氮含量差異極顯著，鉀、氯含量差異不顯著，淀粉含量?jī)H在第1主組和第3主組間差異顯著；隨著組級(jí)的升高，綜合因子得分增大，煙堿、總氮含量降低，總糖含量和還原糖含量升高。由表9可知，相同主組內(nèi)不同部位煙葉的綜合因子得分差異不顯著，除第1主組內(nèi)上部葉與下部葉、第2主組內(nèi)上部葉、中部葉與下部煙葉的煙堿含量差異顯著外，相同主組內(nèi)不同部位煙葉的各項(xiàng)化學(xué)成分含量差異均不顯著。

綜合多重比較結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，依據(jù)煙葉綜合化學(xué)特性對(duì)其進(jìn)行分組，可以兼顧部位和產(chǎn)地因素的影響，使得同一主組內(nèi)煙葉的綜合化學(xué)特性最為接近。由綜合因子得分的含義可知，第2主組內(nèi)煙葉化學(xué)成分的均衡性最好，表現(xiàn)為煙堿、總糖、還原糖、總氮含量平均值接近全部樣品的平均水平，還原糖含量/煙堿含量、總糖含量/總氮含量比較適中，平均值分別為9.2、16.0。第1、3主組內(nèi)煙葉化學(xué)成分的均衡性較差，其中第1主組內(nèi)煙葉的煙堿、總氮含量平均值高于全部樣品的平均值，總糖、還原糖含量平均值低于全部樣品的平均值，還原糖含量/煙堿含量、總糖含量/總氮含量平均分別為6.1、11.9；第3主組內(nèi)煙葉的煙堿含量、總氮含量平均值低于全部樣品的平均值，總糖含量、還原糖含量平均值高于全部樣品的平均值，還原糖含量/煙堿含量、總糖含量/總氮含量平均分別為15.6、21.0。

表8 不同主組各化學(xué)成分及化學(xué)成分綜合因子得分的均值和多重比較結(jié)果

注：同列數(shù)據(jù)后不同大、小寫字母表示組間均值差在0.01、0.05水平上差異顯著。下表同。

2.3.2 各主組烤煙的部位及產(chǎn)地分布 根據(jù)聚類分析結(jié)果(表7)分別統(tǒng)計(jì)不同主組內(nèi)煙葉的部位分布和產(chǎn)地分布并進(jìn)行對(duì)應(yīng)分析(圖1、圖2)，結(jié)果表明，3個(gè)主組間煙葉的部位和產(chǎn)地分布規(guī)律均較明顯。由圖1可知，第1、2主組以上部葉為主，第3主組以中、下部煙葉為主。由圖2可知，如果不考慮樣品數(shù)量較少的信陽(yáng)、鄭州、南陽(yáng)地區(qū)的煙葉，漯河、周口地區(qū)的煙葉主要出現(xiàn)于第1主組；許昌、駐馬店地區(qū)的煙葉主要出現(xiàn)于第2主組；商丘、洛陽(yáng)、三門峽地區(qū)的煙葉主要出現(xiàn)于第3主組；平頂山地區(qū)的煙葉在3個(gè)主組中分布較均衡。

表9 不同亞組各化學(xué)成分及化學(xué)成分綜合因子得分的均值和多重比較結(jié)果

綜合各主組內(nèi)煙葉的化學(xué)特性、部位和產(chǎn)地分布可知，平頂山地區(qū)的煙葉在3個(gè)主組間分布較均衡，且上、中、下部煙葉主要出現(xiàn)于第1、2、3主組內(nèi)；上、中、下部位煙葉的還原糖含量/煙堿含量和總糖含量/總氮含量平均分別為6.2和 11.6、9.1和13.8、13.9和17.6，與各主組的平均值對(duì)應(yīng)關(guān)系較好，說(shuō)明該地區(qū)各部位煙葉的化學(xué)特性差異明顯且能較好表達(dá)部位特征。漯河、周口2地區(qū)的煙葉大部分出現(xiàn)于第1主組內(nèi)，上、中、下部煙葉的還原糖含量/煙堿含量和總糖含量/總氮含量平均分別為7.0和14.5、7.5和13.9、10.0和13.6，各部位煙葉的總糖含量/總氮含量均接近中部葉，中部葉的還原糖含量/煙堿含量接近上部葉、下部葉。許昌、駐馬店地區(qū)的煙葉主要出現(xiàn)于第2主組內(nèi)，上、中、下部位煙葉的還原糖含量/煙堿含量和總糖含量/總氮含量平均分別為6.6和12.6、8.6和14.9、10.7和15.1，下部葉的化學(xué)特性更接近中部葉。洛陽(yáng)、三門峽、商丘地區(qū)煙葉主要出現(xiàn)于第3主組內(nèi)，其中洛陽(yáng)、三門峽地區(qū)煙葉的化學(xué)特性較接近，上、中、下部位煙葉的還原糖含量/煙堿含量和總糖含量/總氮含量平均分別為9.8和18.8、15.7和26.2、16.1和23.0，上部葉和中部葉特征均不明顯；商丘地區(qū)上、中、下部位煙葉的還原糖含量/煙堿含量和總糖含量/總氮含量平均分別為5.2和10.4、15.8和15.3、13.0和11.1，中、下部位煙葉特征不明顯。

3 結(jié)論與討論

河南烤煙的煙堿、總糖、還原糖、總氮、鉀、淀粉含量在部位、產(chǎn)地間均存在顯著或極顯著差異，氯含量在產(chǎn)地間存在極顯著差異，且各項(xiàng)化學(xué)成分間存在著較強(qiáng)的相關(guān)性，這為把握河南不同產(chǎn)地、部位烤煙化學(xué)特性的變化規(guī)律造成了較大困難。利用因子分析方法構(gòu)建反映煙葉綜合化學(xué)特性的因子變量，并根據(jù)因子變量進(jìn)行聚類分析，有利于從產(chǎn)地、部位2個(gè)方面綜合研究烤煙化學(xué)特性的變化規(guī)律。

基于化學(xué)成分綜合因子得分和煙葉著生部位將河南烤煙聚為3個(gè)主組、8個(gè)亞組，并對(duì)各組烤煙的綜合化學(xué)特性、各項(xiàng)化學(xué)指標(biāo)進(jìn)行多重比較分析，結(jié)果表明，差異主要表現(xiàn)在主組之間，各主組間的差異主要表現(xiàn)在綜合化學(xué)特性以及煙堿、總氮、總糖、還原糖含量上。其中第1主組烤煙的還原糖含量/煙堿含量為6.1、總糖含量/總氮含量為11.9，主要表現(xiàn)為上部烤煙的化學(xué)特征；第2主組烤煙的還原糖含量/煙堿含量為9.2、總糖含量/總氮含量為16.0，主要表現(xiàn)為中部烤煙的化學(xué)特征；第3主組烤煙的還原糖含量/煙堿含量為15.6、總糖含量/總氮含量為20.9，主要表現(xiàn)為下部烤煙的化學(xué)特征。

聚類分析結(jié)果表明，相同主組內(nèi)不同部位的烤煙產(chǎn)地不同，但化學(xué)特性卻相近，如某些產(chǎn)地烤煙的上部葉化學(xué)特性與其他產(chǎn)地的中部葉甚至下部葉接近，說(shuō)明河南烤煙的化學(xué)特性受產(chǎn)地因素的影響很大，不能簡(jiǎn)單地按照部位加以區(qū)分。另外，同一產(chǎn)地不同部位的烤煙集中出現(xiàn)于同一主組內(nèi)，化學(xué)特性接近，即相同產(chǎn)地不同部位的烤煙在化學(xué)特性上未表現(xiàn)出應(yīng)有的差異性。

產(chǎn)地與主組間的對(duì)應(yīng)分析結(jié)果表明，平頂山地區(qū)烤煙的化學(xué)特性在3個(gè)主組間的分布最均衡，部位與主組間的對(duì)應(yīng)關(guān)系最好，各部位烤煙的化學(xué)特性均表現(xiàn)出相應(yīng)部位的典型特征；漯河和周口地區(qū)烤煙主要集中于第1主組內(nèi)，許昌、駐馬店地區(qū)烤煙主要集中于第2主組內(nèi)，商丘、洛陽(yáng)、三門峽地區(qū)烤煙主要集中于第3主組內(nèi)，上述地區(qū)的烤煙不同程度地存在某些部位的化學(xué)特性與相應(yīng)部位典型特征不一致的情況。