基于模糊综合评判烟叶原料使用类群的初步划分

马慧婷，赵铭钦*，于海顺，周伏叶，王一丁

（1.河南农业大学烟草学院，郑州450002；2.吉林烟草工业有限责任公司，吉林延吉133001）

基于模糊综合评判烟叶原料使用类群的初步划分

马慧婷1，赵铭钦1*，于海顺2，周伏叶1，王一丁1

（1.河南农业大学烟草学院，郑州450002；2.吉林烟草工业有限责任公司，吉林延吉133001）

为了更合理的划分烟叶原料使用类群，采用模糊综合评判方法对长白山卷烟品牌某一牌号成品卷烟中的19种烟叶原料进行了3个类型模块（导向型烟叶模块：与成品卷烟化学成分相似度在0.80以上的烟叶原料；主体型烟叶模块：相似度在0.60～0.79的烟叶原料；填充型烟叶模块：相似度在0.60以下的烟叶原料）归属的划分和单料烟的感官评吸。结果表明，利用化学成分进行模糊综合评判划分烟叶原料的结果与感官评吸的结果基本一致，吻合率达78.95%，模糊评判方法在该牌号烟叶原料模块的划分中具有一定的实用价值。

模糊综合评判；烟叶原料；化学成分；感官质量

烟叶原料对卷烟品牌发展具有基础性、战略性的保障作用，开展烟叶原料质量评价研究，建立烟叶原料评价与利用指标体系，对种植好、采购好、利用好烟叶资源，推动卷烟品牌上水平具有重要意义［1-2］。目前，烟叶原料在数量上基本能够满足卷烟企业的发展，但是随着品牌的扩张及结构的调整优化，品牌的特色已经成为品牌竞争的主要竞争力，维持品牌的稳定，寻求符合卷烟品牌特色的烟叶原料对卷烟工业有着重大作用［3］。传统的卷烟配方叶组分组方法主要是以烟叶原料的感官质量为依据，将卷烟配方叶组中若干个具有相同或相近风格特点的烟叶原料组合形成叶组配方模块［4］。感官评吸过程中，评吸人员的个人爱好以及技术等一些主观因素会影响最终的分组结果。

化学成分是烟叶质量的内在基础，依据化学成分对烟叶原料进行分组具有一定的客观性。近年来，随着统计方法在烟草研究中的广泛应用，越来越多的研究人员借助统计方法客观的研究烟叶的综合质量。张晓兵等［5］利用灰色关联分析通过云南烟叶化学成分分析评价了云南烟叶的适宜性；马京民等［6］利用主成分分析和聚类分析的方法，结合外观质量和化学成分指标，对河南信阳烟区的烟叶进行了质量评价，王放等［7］采用聚类分析的方法通过化学成分分析对不同产区的烟叶进行分区分类。利用模糊数学方法研究烟叶质量的报道也有许多，薛超群等［8］应用模糊综合评判的方法评价了烟叶的可用性，陈义强等［9］运用聚类分析与模糊数学的方法对烟叶品质进行了综合评价，王子芳等［10］利用模糊综合评判的方法评价了重庆市烟叶的质量。本研究以品牌卷烟为导向，将成品卷烟的化学成分作为基准，通过模糊综合评判的方法研究配方中烟叶原料与成品卷烟的相似性，初步将单料片烟划分为3大模块，建立烟叶原料的使用模型，以期为相同模块烟叶原料之间的替代提供一定的理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料

供试材料有两种：一是成品卷烟，来自吉林烟草工业有限责任公司所生产的某一牌号的卷烟。依据品牌的导向性，在研究中成品卷烟的化学成分标准即为评价的目标，因此成品卷烟的各个化学成分的隶属度默认为1。二是单料烟叶，来自吉林烟草工业有限责任公司这个牌号卷烟配方中的19种烟叶原料，烟叶样品编号为1～19。所有烟叶样品在40 ℃下烘1h，然后粉碎过筛，密封后低温保存。

烟叶化学指标包括总糖、还原糖、烟碱、总氮、钾、氯、糖碱比、氮碱比和钾氯比等9个指标，各化学成分的测定均按照行业相关标准进行。其中，总糖、还原糖的检测依据YC/T 159—2002，烟碱的检测依据YC/T 160—2002，总氮的检测依据YC/T 161—2002，钾的检测依据YC/T 217—2007，氯的检测依据YC/T 162—2002。检测结果如表1所示。

单料烟叶的感官指标以标准YC/T138—1998烟草及烟草制品感官评价方法为基础，由吉林烟草工业有限责任公司技术中心的专职评吸人员进行评吸。评吸的感官指标包括香气质、香气量、浓度、劲头、刺激性、杂气、余味等7个指标，按照单料烟9分制评吸方法评分，评分标准如表2所示。评吸得分是各感官指标的得分之和。

1.2 方法

1.2.1 模糊综合评判的原理及模型的构建模糊综合评判是对受多种因素影响的事物作出全面评价的一种十分有效的多因素评判方法［11-12］。基本思想是通过构造等级模糊子集把反映被评价事物的模糊指标进行量化，然后利用模糊变换原理综合各指标。构建模糊综合评判模型的步骤如下：

（1）确定因素集U=（u1，u2，…，un），代表有n个评价指标；

表1 配方中烟叶原料常规化学成分含量Table1 The content of routine chemical components of raw tobacco leaves in the formula

表2 单料烟九分制评吸的打分标准Table2 The nine grading standard of smoking single cigarette

（2）确定评判集V=（v1，v2，…，vm），代表被评判的m个对象；

（3）建立单因素评判矩阵R=（rij）n×m，代表第i个评价指标的第j个待评对象的隶属度值；

（4）综合评判B=A×R，B为综合评判的得分，A为n个评价指标权重的向量。

1.2.2 烟叶原料模块的划分方法卷烟配方中单料烟叶的模块主要有导向型烟叶模块、主体型烟叶模块和填充型烟叶模块。导向型模块烟叶对品牌卷烟的香气质和香气量起导向作用，与成品卷烟的质量应该最相近；主体型模块烟叶对品牌卷烟的香气质和香气量起修饰和支撑的作用，烟叶的香气和质量较好，与成品卷烟的质量应该较接近；填充型模块烟叶对品牌卷烟的香气质和香气量没有明显的作用，在配方中起填充和降低烟叶成本的作用，与成品卷烟的质量接近程度较远［13-14］。利用模糊综合评判的方法评价单料烟叶与成品卷烟的相似程度，将相似程度为0.80～1.00的烟叶划分为导向型烟叶模块，相似程度在0.60～0.79的烟叶原料划分为主体型烟叶模块，相似程度在0.60以下的烟叶划分为填充型烟叶模块。

2 结果

2.1 模糊综合评判模型的建立

（1）设立因素集U=｛u1，u2，u3，u4，u5，u6，u7，u8，u9｝为化学成分指标。其中，u1：总糖；u2：还原糖；u3：烟碱；u4：总氮；u5：钾；u6：氯；u7：糖碱比；u8：氮碱比；u9：钾氯比。

（2）评判集V=｛v1，v2，……v19｝v1，v2，……v19分别为编号1～19的烟叶原料。

（3）建立单因素评判矩阵。由于各指标值不在同一量纲，无法进行综合评价，要对各指标通过隶属函数模糊变换统一在同一量纲上。依据烟叶化学成分指标的性质，隶属函数的类型分为3种，分别为抛物线型、S型和反S型三种形式［15］。分别为：

式中：x1为下限；x2为上限；x3为最优值下限；x4为最优值上限，其中x2＞x4＞x3＞x1。

在抛物线型函数中最优下限和最优上限之间的值是成品卷烟各指标的范围也是目标范围，下限和上限是烟叶质量的限制值。通过检测这一牌号成品卷烟的化学成分，这一牌号卷烟的化学成分特征为，总糖的百分含量在19.0%～21.0%，还原糖含量为17.0%～19.0%，烟碱含量为2.3%～2.8%，总氮含量为2.0%～2.2%，钾含量在2.4%～2.6%，氯含量为0.65%～0.85%，糖碱比为7.0～9.0，氮碱比为0.75～0.95，钾氯比在3.0～4.0。结合这一牌号卷烟的化学成分特征，同时根据产品配方专家的意见确定了各指标的隶属函数临界值如表3所示。

根据隶属函数，可确定各指标实际值的隶属度，进行单因素评价，并得到隶属模糊关系矩阵R=（rij）9×22。

（4）综合评判

指标权重的确定分为主观赋权法和客观赋权法，主观赋权法主要是专家根据实际情况人为确定，本研究确定权重的方法是采用主观赋权法。在诸多烤烟化学成分因素中，碳水化合物与氮化合物的比例是影响烟气质量的主要因素，通常用糖碱比表示［16］。烟碱是吸食者吸食烟草的主要因素。因此在权重的设置中着重提高了糖碱比和烟碱的比例。碳水化合物和氮化合物对烟气的影响也十分重要，在权重的设置过程中也给与了糖、总氮以及氮碱比较高的比例。钾和氯作为单个因素对烟叶质量的影响不是较明显，但钾氯比影响卷烟的燃烧性，是重要指标之一，因此给予钾氯比相对较高的权重，给予钾和氯指标适当的权重。最后综合专家的意见确定各指标的权重为：A=（0.12，0.12，0.15，0.12，0.06，0.06，0.15，0.13，0.09）。

综合评判结果：B=A×R=（0.76，0.96，0.55，0.73，0.51，0.78，0.41，0.73，0.67，0.65，0.69， 0.66，0.97，0.34，0.88，0.47，0.84，0.65，0.63）。模糊综合评判的得分结果即为烟叶原料与成品卷烟的相似程度。

表3 各化学成分指标的隶属函数类型及其临界值Table3 Function type and critical value of the chemical composition of each index

2.2 烟叶原料分类结果

由表4可知，配方中的19种烟叶原料依据综合评判的结果将烟叶原料划分为3个模块，其中导向型烟叶模块有4种烟叶原料，占配方烟叶原料的21%；主体型烟叶模块有10种原料，占配方烟叶原料的53%；填充型烟叶模块有5种烟叶原料，占配方烟叶原料的26%。烟叶原料模糊综合评判的得分和评吸得分从高到低排序基本一致，只有6号、4号、11号和3号4种烟叶原料的评吸得分与模糊综合评判的得分排序不一致。这主要是因为不同产地的烟叶具有较为独特的感官质量，影响最终烟叶原料的评吸得分，其次是化学成分在预测感官质量的时候会有一定的误差。

2.3 各模块烟叶原料的特征

表5所示，烟叶原料化学成分各指标的平均值在不同模块间的差异不是很显著。权重相对较高的指标烟碱、糖碱比和氮碱比含量在导向型和主体型烟叶模块之间相差不大，糖碱比和氮碱比填充型烟叶模块相对较低；烟碱含量填充型烟叶模块相对较高。烟叶原料化学成分各指标的变幅和变异系数在不同模块间的差异较大，导向型烟叶原料化学成分的变幅和变异系数相对较小，填充型烟叶原料相对较大，主体型烟叶原料居中。钾、氯和钾氯比与其他化学成分指标相比变幅和变异系数相对较大。

不同模块烟叶原料的评吸指标量化结果如表6所示，导向型模块烟叶的各评吸指标得分均较高，香气质较好，香气量较足，劲头较大，总体评吸结果较好；主体型烟叶模块的各评吸指标得分居中，烟叶的香气质稍好，香气量尚足，劲头稍大，总体评吸结果处于中等水平；填充型模块烟叶的各评吸指标得分相对较低，香气质中等，香气量中等，劲头稍大，总体评吸结果相对较差。

表4 烟叶原料的综合评判得分以及评吸得分Table4 The comprehensive evaluation score and smoking score of raw tobaccoleaves

表5 不同烟叶模块烟叶原料化学成分特征分析Table5 The analysis of chemical composition in different raw tobacco modules

表6 不同模块烟叶评吸指标分析Table6 The analysis of evaluation index in differenttobaccomodules

3 讨论

化学成分含量对烟叶质量影响很大，对叶组配方的质量同样也有很大的影响，叶组配方中各品质因素协调，在某种意义上讲，也是配方中各烟叶化学成分的协调［17］。卷烟配方烟叶分组时不仅需要考虑烟叶原料的化学成分，更需要考虑烟叶原料的感官质量［18-19］。本研究按照烟叶原料与成品卷烟的相似程度将配方中的烟叶原料初步划分为导向型、主体型和填充型三大模块。在某一种烟叶原料不足或缺失的情况下可以优先考虑使用同一模块且与成品卷烟相似程度相近的烟叶原料进行替换，能够节省配方调整的时间。但配方模块的使用仍需考虑到物理加工特性和成本，因此在后续研究中应考虑烟叶加工特性的一致性和降低烟叶原料的成本。

计算多维指标个体相似程度通常用的方法有灰色关联度法［20］，欧式距离法［21］，夹角余弦法［22］等。与这些方法相比，模糊综合评判的方法在制定目标因素时更具主动性和客观性。成品卷烟作为目标，各个化学成分指标是一个目标范围而不是一个固定目标值。其他方法成品卷烟各化学成分指标值是多次测得的平均值，这样容易因为成品卷烟的检测数量有限而取平均值带来数据量的流失。在采用模糊综合评判评定烟叶质量之间相似程度时有两个关键问题：一是成品卷烟各指标范围的确定，另一个是各指标权重的确定。成品卷烟各指标范围是评价各因素的参考标准，标准选取不当，将会直接影响评判结果。各指标权重代表不同指标的重要程度，各公司生产卷烟的风格品味各不相同，因此对化学成分的需求也不完全相同，要根据各卷烟品牌对原料的需求确定各指标的权重。

仅仅考虑不同模块烟叶原料化学成分的平均值很难判断各模块烟叶的质量，要同时结合变幅和变异系数才能全面了解不同模块烟叶原料化学成分的特性［23］。利用模糊综合评判的方法将烟叶原料划分为3个模块，3个烟叶模块间的化学成分平均值差异不显著，但变幅和变异系数差异较大，与聚类分析［24-25］划分烟叶类群的研究结果不太一致。在利用模糊综合评判方法时，是以成品卷烟的化学成分为导向，与成品卷烟化学成分相似程度较高的烟叶，在空间分布上都围绕在目标附近，变幅和变异系数均较小。随着烟叶化学成分相似程度的降低，在空间分布上烟叶个体会以成品目标为中心，逐渐向四周扩散，与成品卷烟相似程度相同的烟叶之间的距离有可能很小也有可能很大，这是主体型和填充型模块烟叶化学成分变幅和变异系数逐渐增大和各模块烟叶原料化学成分平均值差异不大的原因。

4 结论

利用模糊综合评判方法将该牌号卷烟配方中的烟叶原料划分为导向型、主体型和填充型烟叶3个模块，并对3个模块中各个原料烟叶进行了感官评价，通过对3个类型烟叶原料的模糊评判得分与感官评价得分进行对比，发现该牌号成品烟中19种烟叶原料模糊评判得分大小与感官评价得分大小表现规律较为一致，其吻合率达78.95%。可见模糊评判方法在对该牌号配方烟叶原料的划分中具有一定的实用价值，在以后的原料划分中一定程度上减少了感官评吸的工作量。但是模糊评判方法是否广泛实用于配方烟叶原料的划分，这需要进一步对不同品牌的成品烟和同一品牌中不同烟叶原料进行评判验证。

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Preliminary Division of the Use Groups of Raw Tobacco Leaves Based on Fuzzy Comprehensive Evaluation

MA Huiting1， ZHAO Mingqin1*， YU Haishun2， ZHOU Fuye1， WANG Yiding1
（1.College of Tobacco Science of Henan Agricultural University， Zhengzhou450002， China；2. China Tobacco Jilin Industrial Co.，Ltd.，Yanji，Jilin 133001，China）

In order to divide the raw tobacco leaves more reasonably， 19 kinds of tobacco leaf materials of one among Changbaishan cigarette brands were divided into 3 type modules with the method of fuzzy comprehensive evaluation and evaluated in the sensory quality. 3 type modules included oriented tobacco module the similarity of whose tobacco leaves to the finished cigarette was above 0.8， body type tobacco module whose similarity was 0.60-0.79 and filling type tobacco module whose similarity was below 0.60. The results showed that： the conclusion of fuzzy comprehensive evaluation in the division of the raw tobacco leaves with chemical components was almost the same to that of sensory evaluation， whose self-agreement was 78.95%， and the method of fuzzy comprehensive evaluation in the division of tobacco leaf materials had a certain practical value.

fuzzy comprehensive evaluation； raw tobacco leaves； chemical components； sensory quality

TS422

1007-5119（2015）02-0001-07

10.13496/j.issn.1007-5119.2015.02.001

吉林烟草工业有限责任公司科技项目“长白山卷烟品牌导向型烟叶原料体系构建与基地建设”（JY201101）

马慧婷，女，硕士，主要从事烟草化学及质量评价研究。E-mail：huitingma0511@126.com。*通信作者，E-mail：zhaomingqin@126.com

2014-10-20

2015-02-20