基于物元可拓模型的四川煙區(qū)烤煙中部葉化學(xué)品質(zhì)的評(píng)價(jià)

張永輝， 夏 春， 謝 強(qiáng)， 夏建華， 霍云霄， 魯逸飛， 魯黎明*

(1.四川省煙草公司 瀘州市公司， 四川 瀘州 646000； 2.四川省煙草公司 涼山州公司， 四川 西昌 615000； 3.四川農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)學(xué)院， 四川 成都 611130)

烤煙品質(zhì)主要由感官評(píng)吸質(zhì)量所決定，煙葉的化學(xué)成分含量及其協(xié)調(diào)性則是其物質(zhì)基礎(chǔ)[1]。張錦韜[2]認(rèn)為，紅花大金元煙葉的總糖含量較低，鉀含量較高，使得紅花大金元比其他烤煙品種的透發(fā)性更好。高維常等[3-4]認(rèn)為，總糖含量、還原糖含量、鉀含量、糖堿比、鉀氯比和兩糖比與感官質(zhì)量間的相關(guān)性極顯著，而氯、煙堿和總氮含量與感官質(zhì)量呈顯著負(fù)相關(guān)。劉國(guó)俠等[5]研究表明，糖類物質(zhì)含量與香氣質(zhì)、香氣量、雜氣、刺激性、余味、燃燒性和使用價(jià)值間呈顯著正相關(guān)，而總氮和煙堿含量與感官質(zhì)量指標(biāo)間呈顯著負(fù)相關(guān)。

煙葉化學(xué)成分協(xié)調(diào)性的評(píng)價(jià)方法很多，其中，采用最多的是經(jīng)驗(yàn)值法。即根據(jù)優(yōu)質(zhì)煙葉的各項(xiàng)化學(xué)成分的含量范圍，以及兩糖差、糖堿比、氮堿比和鉀氯比等協(xié)調(diào)性指標(biāo)的比值范圍判定煙葉的化學(xué)成分含量是否適宜及協(xié)調(diào)。該方法較為簡(jiǎn)單，但不能全面地反映煙葉的化學(xué)成分是否協(xié)調(diào)。因此，主成分分析、聚類分析以及灰色關(guān)聯(lián)度分析等基于數(shù)學(xué)分析的方法應(yīng)運(yùn)而生。主成分與聚類分析是應(yīng)用較多、也是較為經(jīng)典的方法[6-9]，其優(yōu)點(diǎn)是準(zhǔn)確性較高，不僅能夠用于煙葉的質(zhì)量評(píng)估，在其他行業(yè)的應(yīng)用也很廣泛。近年來(lái)，灰色關(guān)聯(lián)度分析法也較多地應(yīng)用于煙葉化學(xué)成分協(xié)調(diào)性的評(píng)價(jià)。李東亮等[10-18]均成功地利用灰色關(guān)聯(lián)法對(duì)煙葉的化學(xué)品質(zhì)進(jìn)行評(píng)估，評(píng)估結(jié)果具有可靠性。此外，TOPSIS法[14]、模糊評(píng)判與歐氏距離法[15]、雷達(dá)圖[16-17]、廣義灰關(guān)聯(lián)[18]、灰色等權(quán)聚類[12]、屬性識(shí)別模型[19]、集對(duì)分析[20]和投影尋蹤[21]等也被用于煙葉化學(xué)品質(zhì)的研究。但前述方法用于煙葉化學(xué)品質(zhì)評(píng)價(jià)均面臨一個(gè)共性的問(wèn)題，即所涉及的指標(biāo)較多，而且性質(zhì)不同。因而，難以克服指標(biāo)間的共線性問(wèn)題，導(dǎo)致評(píng)價(jià)結(jié)果存在一定的偏差。

物元分析由我國(guó)學(xué)者蔡文于1983年首創(chuàng)，是研究物元、探討如何求解不相容問(wèn)題的一種方法，實(shí)際上也是一種管理決策和過(guò)程控制的方法論[22-23]。物元可拓法是一種全新的分析方法，張勇剛等[24-25]運(yùn)用物元可拓法分別對(duì)烤煙的感官質(zhì)量及土壤養(yǎng)分進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。徐文珊等[26]通過(guò)建立物元可拓模型對(duì)瀘州煙葉的化學(xué)成分協(xié)調(diào)性進(jìn)行分析，并取得了較為理想的結(jié)果。然而，與主成分及聚類分析法相比，物元可拓分析法的優(yōu)缺點(diǎn)尚不明確。為此，以四川不同產(chǎn)區(qū)煙葉為研究對(duì)象，通過(guò)建立物元可拓模型，對(duì)煙葉化學(xué)品質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)，并與主成分及聚類分析方法進(jìn)行對(duì)比，以期為物元可拓法在煙葉化學(xué)品質(zhì)評(píng)價(jià)上的應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

煙葉樣品：云煙87中部葉C3F等級(jí)樣品53個(gè)，每個(gè)樣品2.5 kg，于2016年分別采自四川省涼山州、攀枝花市、瀘州市、宜賓市及廣元市等5個(gè)烤煙主產(chǎn)區(qū)。

1.2 方法

1.2.1 指標(biāo)測(cè)定 煙葉樣品的指標(biāo)包括總糖、還原糖、總煙堿、鉀、氯、總氮和淀粉等常規(guī)化學(xué)成分，各指標(biāo)均按文獻(xiàn)[1]的方法進(jìn)行測(cè)定；并計(jì)算糖堿比、鉀氯比和氮堿比等衍生指標(biāo)。

1.2.2 物元可拓模型的建立與評(píng)價(jià)

1) 數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化處理。根據(jù)優(yōu)質(zhì)煙葉化學(xué)指標(biāo)最適范圍[27]：20.0%≤總糖≤27.0%、19.0%≤還原糖≤22.0%、2.1%≤總煙堿≤2.4%、1.5%≤總氮≤3.5%、0.3%≤氯≤0.5%、鉀≥2.5%、8.0≤糖堿比≤12.0、1.0≤氮堿比≤1.1、氯鉀比≥4.0、淀粉≤3.5%。結(jié)合前人研究結(jié)果以及行業(yè)專家的建議確定煙葉化學(xué)成分各指標(biāo)所屬隸屬度函數(shù)類型以及轉(zhuǎn)折點(diǎn)值，將化學(xué)成分各指標(biāo)數(shù)值轉(zhuǎn)化為0.1～1.0。

2) 權(quán)重的確定。根據(jù)四川省煙葉質(zhì)量評(píng)價(jià)體系，并參照前人的研究結(jié)果[11,18,26-27]，確定各化學(xué)成分指標(biāo)的權(quán)重：總糖0.099、還原糖0.107、總煙堿0.136、總氮0.093、鉀0.087、氯0.044、淀粉0.101、糖堿比0.158、氮堿比0.111、鉀氯比0.063。

3) 模型的建立。采用物元可拓集分析理論構(gòu)建評(píng)價(jià)模型[22,28-29]，對(duì)四川省各產(chǎn)區(qū)煙葉的化學(xué)成分協(xié)調(diào)性進(jìn)行評(píng)價(jià)。參照張勇剛等[24-26]的方法計(jì)算各植煙區(qū)域以及指標(biāo)的綜合關(guān)聯(lián)度和可拓指數(shù)。將化學(xué)成分原始數(shù)據(jù)按照隸屬度函數(shù)轉(zhuǎn)換后，得到新的數(shù)據(jù)。按煙葉化學(xué)品質(zhì)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)將其分為5個(gè)級(jí)別(表1)。

表1 煙葉化學(xué)品質(zhì)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

1.2.3 主成分與聚類分析 主成分分析及聚類分析在煙葉的化學(xué)品質(zhì)評(píng)價(jià)中較為常見(jiàn)[6-9]，為了驗(yàn)證采用物元可拓模型評(píng)價(jià)煙葉化學(xué)品質(zhì)的可行性，根據(jù)李國(guó)棟等[6]的方法，對(duì)53個(gè)煙葉樣品的化學(xué)成分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，采用SPSS11.0進(jìn)行主成分分析，計(jì)算各樣本的主成分綜合得分，在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行聚類分析，以判定煙葉樣本的化學(xué)品質(zhì)。

2 結(jié)果與分析

2.1 四川煙區(qū)中部煙葉化學(xué)成分含量及其協(xié)調(diào)性

從表2看出，四川煙葉的總糖、還原糖、總煙堿、氯、鉀、總氮和淀粉的平均含量分別為34.56%、29.74%、2.15%、0.75%、2.28%、2.18%和5.14%，變異系數(shù)分別為0.42、0.21、0.18、0.32、0.08、0.33和0.36；衍生指標(biāo)糖堿比、鉀氯比和氮堿比平均分別為11.74、10.72和1.15，變異系數(shù)分別為0.71、0.15和0.34。總體看，化學(xué)成分總體較為協(xié)調(diào)，其中，糖含量總體偏高，煙堿含量較為適宜，而鉀與總氮的含量適中；變異系數(shù)糖堿比最大，鉀最小，說(shuō)明四川煙區(qū)中部煙葉的糖堿比變化較大，而鉀含量則變化較小。

表2 四川煙區(qū)中部煙葉化學(xué)成分的含量

2.2 四川煙葉的化學(xué)品質(zhì)

依據(jù)物元可拓模型的判定原則，煙葉樣品化學(xué)成分指標(biāo)最大綜合關(guān)聯(lián)度數(shù)值所對(duì)應(yīng)的品質(zhì)等級(jí)即為該煙葉樣品化學(xué)品質(zhì)的質(zhì)量檔次。從表3可知，在53個(gè)煙葉樣本中，1號(hào)、3號(hào)、5號(hào)、7號(hào)、9號(hào)、15號(hào)、21號(hào)和41號(hào)等8個(gè)煙葉樣品的質(zhì)量檔次為好，2號(hào)、6號(hào)、11號(hào)、13號(hào)、14號(hào)、17號(hào)、19號(hào)、20號(hào)、23號(hào)、25號(hào)、28號(hào)、31號(hào)、35號(hào)、36號(hào)、37號(hào)、39號(hào)、40號(hào)、49號(hào)、51號(hào)、52號(hào)和53號(hào)等21個(gè)煙葉樣品的質(zhì)量檔次為較好，4號(hào)、8號(hào)、10號(hào)、12號(hào)、16號(hào)、18號(hào)、22號(hào)、24號(hào)、26號(hào)、27號(hào)、29號(hào)、30號(hào)、32號(hào)、33號(hào)、34號(hào)、38號(hào)、42號(hào)、43號(hào)、44號(hào)、45號(hào)、46號(hào)、47號(hào)、48號(hào)等23個(gè)煙葉樣品的質(zhì)量檔次為中等，僅50號(hào)煙葉樣品的質(zhì)量檔次為稍差?？傮w看，四川煙葉的化學(xué)品質(zhì)整體較好。

表3 四川煙葉化學(xué)品質(zhì)的質(zhì)量檔次

續(xù)表3

2.3 煙葉化學(xué)品質(zhì)的綜合評(píng)價(jià)

2.3.1 主成分分析 從表4看出，前3個(gè)特征根的累計(jì)貢獻(xiàn)率為81.61%，所以，提取前3個(gè)主成分。第1主成分的貢獻(xiàn)率為 49.54%，其中糖堿比、總糖、還原糖和氮堿比等有較大的正系數(shù)；而總煙堿、氯和總氮有較大的負(fù)系數(shù)，說(shuō)明第1主成分是烤煙品質(zhì)的綜合反映。第2主成分的貢獻(xiàn)率為21.52%，其中氯、淀粉、總糖和還原糖有較大的正系數(shù)；鉀與鉀氯比有較大的負(fù)系數(shù)。第3主成分的貢獻(xiàn)率為 10.55%，其中淀粉含量有較大的正系數(shù)；總氮有較大的負(fù)系數(shù)。

表4 煙葉化學(xué)品質(zhì)的特征向量與主成分貢獻(xiàn)率

2.3.2 聚類分析 從表5可知，在53個(gè)煙葉樣本中，1號(hào)煙葉樣品的綜合得分最高，為2.865 1分，其化學(xué)品質(zhì)相對(duì)最好；5號(hào)、7號(hào)、41號(hào)、9號(hào)、21號(hào)和15號(hào)煙葉樣品的綜合得分較高，分別為2.607 5分、2.597 1分、2.495 1分、2.286 2分、2.257 8分和2.215 0分，其化學(xué)品質(zhì)相對(duì)較好；30號(hào)、44號(hào)和50號(hào)煙葉樣品的綜合得分較低，分別為-2.919 0分、-2.333 4分和-2.120 8分，其化學(xué)品質(zhì)相對(duì)最差。

表5 四川煙區(qū)中部煙葉樣品化學(xué)品質(zhì)主成分評(píng)價(jià)的綜合得分

根據(jù)主成分綜合得分，將53個(gè)樣本的綜合化學(xué)品質(zhì)分為4類。第1類煙葉樣品綜合化學(xué)品質(zhì)的質(zhì)量檔次為好，主成分綜合得分>2.0，平均綜合得分為2.42，包括1號(hào)、3號(hào)、5號(hào)、7號(hào)、9號(hào)、15號(hào)、21號(hào)和41號(hào)8個(gè)煙葉樣品；第2類煙葉樣品綜合化學(xué)品質(zhì)的質(zhì)量檔次較好，綜合得分>0.10，平均綜合得分為0.72，包括11號(hào)、13號(hào)、17號(hào)、19號(hào)、20號(hào)、23號(hào)、25號(hào)、28號(hào)、31號(hào)、35號(hào)、37號(hào)、39號(hào)、49號(hào)、51號(hào)和53號(hào)15個(gè)煙葉樣品；第3類煙葉樣品綜合化學(xué)品質(zhì)的質(zhì)量檔次為中等，綜合得分<-0.099分，平均為-0.84分，包括2號(hào)、4號(hào)、6號(hào)、8號(hào)、10號(hào)、12號(hào)、14號(hào)、16號(hào)、18號(hào)、22號(hào)、24號(hào)、26號(hào)、27號(hào)、29號(hào)、32號(hào)、33號(hào)、34號(hào)、36號(hào)、38號(hào)、40號(hào)、42號(hào)、43號(hào)、45號(hào)、46號(hào)、47號(hào)、48號(hào)和52號(hào)27個(gè)煙葉樣品；第4類煙葉樣品綜合化學(xué)品質(zhì)的質(zhì)量檔次為稍差，綜合得分<-2.12分，平均-2.46分，包括30號(hào)、44號(hào)和50號(hào)3個(gè)煙葉樣品。

2.4 不同評(píng)價(jià)方法的結(jié)果差異

從表6看出，在53個(gè)煙葉樣品中，2種評(píng)價(jià)方法結(jié)果一致的有1號(hào)、3號(hào)和4號(hào)等45個(gè)煙葉樣品，一致率達(dá)84.9%。2號(hào)、6號(hào)和14號(hào)等6個(gè)煙葉樣品，采用物元可拓法判定結(jié)果為較好，而主成分判定結(jié)果則為中等；33號(hào)和44號(hào)2個(gè)煙葉樣品物元可拓法判定結(jié)果為中等，而主成分判定結(jié)果則為稍差。說(shuō)明，采用物元可拓法評(píng)價(jià)煙葉的化學(xué)品質(zhì)，與經(jīng)典的主成分分析法有較高的一致性，是對(duì)煙葉化學(xué)品質(zhì)評(píng)價(jià)的新嘗試。

表6 不同評(píng)價(jià)方法的品質(zhì)判定結(jié)果

3 結(jié)論與討論

為了明確物元可拓分析方法評(píng)價(jià)煙葉化學(xué)品質(zhì)的可行性，以四川煙葉為研究對(duì)象，利用物元可拓集分析理論構(gòu)建相應(yīng)的煙葉化學(xué)品質(zhì)分析評(píng)價(jià)模型，通過(guò)計(jì)算各指標(biāo)的綜合關(guān)聯(lián)度，對(duì)煙葉樣品進(jìn)行化學(xué)品質(zhì)判定。同時(shí)，為了驗(yàn)證方法的可行性，采用經(jīng)典的主成分分析法對(duì)53個(gè)煙葉樣品的化學(xué)品質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)。研究結(jié)果表明，四川煙區(qū)中部煙葉的化學(xué)成分較為協(xié)調(diào)，2種方法評(píng)價(jià)結(jié)果的一致率達(dá)84.9%。說(shuō)明物元分析的方法可以應(yīng)用于煙葉的化學(xué)品質(zhì)評(píng)價(jià)。

為了克服經(jīng)驗(yàn)值法不能夠全面地反映煙葉化學(xué)品質(zhì)的缺點(diǎn)，主成分分析法通過(guò)對(duì)各個(gè)化學(xué)成分指標(biāo)進(jìn)行主成分分析，計(jì)算出主成分綜合得分，并據(jù)此進(jìn)行煙葉化學(xué)品質(zhì)的評(píng)價(jià)。應(yīng)用該方法進(jìn)行煙葉化學(xué)品質(zhì)評(píng)價(jià)時(shí)，首先需要確定各化學(xué)指標(biāo)的適宜值，據(jù)此進(jìn)行原始數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化處理，然后，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)進(jìn)行主成分分析。其次，該方法的準(zhǔn)確性依賴于化學(xué)指標(biāo)適宜值的合理確定。此外，主成分分析法基本上是一種客觀的分析方法，并沒(méi)有考慮各個(gè)化學(xué)指標(biāo)對(duì)感官評(píng)吸質(zhì)量的貢獻(xiàn)。因而，在實(shí)際應(yīng)用主成分分析法進(jìn)行煙葉化學(xué)品質(zhì)評(píng)價(jià)時(shí)，主成分的綜合得分與各評(píng)吸指標(biāo)的得分存在一定的差異[6]。

物元分析是根據(jù)物元在整個(gè)系統(tǒng)的重要性和可信度，在比較和優(yōu)選的基礎(chǔ)上，將物元分配以不同的權(quán)值比重，綜合計(jì)算出該特征屬性總體的最優(yōu)化表征值[22-23]。盡管在應(yīng)用物元分析進(jìn)行煙葉化學(xué)品質(zhì)評(píng)價(jià)時(shí)，仍然要根據(jù)化學(xué)指標(biāo)的適宜值進(jìn)行數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化。然而，在建立物元可拓模型計(jì)算綜合關(guān)聯(lián)度時(shí)，根據(jù)化學(xué)指標(biāo)的重要性，對(duì)煙葉化學(xué)指標(biāo)進(jìn)行賦權(quán)，因而，評(píng)價(jià)的結(jié)果能夠更接近于實(shí)際。然而，物元分析方法也存在一些不足，如計(jì)算過(guò)程較為復(fù)雜及繁瑣等。同時(shí)，在分析過(guò)程中，由于要對(duì)化學(xué)指標(biāo)的適宜值及其權(quán)重為主觀認(rèn)定，因此，不可避免地帶有一定的主觀性。所以，在實(shí)際應(yīng)用物元分析法進(jìn)行煙葉化學(xué)品質(zhì)評(píng)價(jià)時(shí)，如何減少計(jì)算量，降低主觀性，仍需要進(jìn)一步深入研究。

煙葉化學(xué)品質(zhì)分析的方法雖然較多，但目前仍然缺乏快速、準(zhǔn)確和簡(jiǎn)便的分析方法。研究為煙葉化學(xué)品質(zhì)分析方法提供了新的探索思路，期待有新的理論與方法能夠發(fā)揮物元分析的優(yōu)點(diǎn)，克服其缺點(diǎn)，為煙葉化學(xué)品質(zhì)的評(píng)價(jià)開(kāi)辟新的途徑。