湖北烤烟中性香气成分的主成分分析和聚类分析

潘玲，云月利，孙光伟，孙敬国，何结望，陈振国

(1.湖北大学生命科学学院，湖北 武汉 430062； 2.湖北省烟草科学研究院，湖北 武汉 430030；

3.湖北中烟工业有限公司技术中心，湖北 武汉 430052)



湖北烤烟中性香气成分的主成分分析和聚类分析

潘玲1，云月利1，孙光伟2，孙敬国2，何结望3，陈振国2

(1.湖北大学生命科学学院，湖北 武汉 430062； 2.湖北省烟草科学研究院，湖北 武汉 430030；

3.湖北中烟工业有限公司技术中心，湖北 武汉 430052)

摘要：为了探索烤烟中性香气成分与烟叶品质的关系，以湖北四大烟区的15份烤烟为样本，对检测出的43种中性香气指标进行主成分分析，按累计贡献率94.721% 提取8个主成分，根据8个主成分得分进行系统聚类.结果显示：以1-皮尔逊相关系数的距离作为分类标准，把所有样品分为两类，第一类为竹溪、宣恩、秭归、南漳、竹山、房县、兴山、保康和郧西，集中于神农架区域；第二类为咸丰、鹤峰、巴东、利川、建始和恩施，集中于清江源区域.香气成分与产地地理位置有明显的相关关系.

关键词：烤烟；中性香气成分；主成分分析；聚类分析

0引言

湖北是烟叶生产大省，种烟区域主要分布在恩施、宜昌、襄阳和十堰四大烟区.烟叶香气成分是烟叶品质的一个重要组成方面，与感官品质、化学成分等息息相关，并直接影响烟叶的经济效应.烟草中含有上千种化学成分及卷烟特有的香气成分，找出不同烟叶香型中起关键作用的香气成分尤为重要.产地是决定烟叶风格特色和品质的重要因素[1]，不同产地烟叶品质的区别和分类对卷烟企业合理利用烟叶原料有一定的指导作用.有研究表明，随海拔增加，烤烟中苯甲醛、大马酮等中性致香物质的含量明显增加，而茄尼酮和其他成分含量减少[2].Matsukura等[3]研究表明，在150 ℃下烘焙烤烟中分离出的呋喃和呋喃酮类化合物，并将其加到卷烟中，发现添加后卷烟的吸味和香气明显改善.多年来，烟叶香气差异性和区域性主要凭借外观性状和感官评吸来判断，受主观影响较大[4]，但有关客观分析不同产地烟叶的中性致香物质尚少见报道[5-7].因此，本研究以不同产地烤烟的中性致香物质实测值作为变量，应用主成分分析法客观地确定各个主成分的权重，避免主观因素的影响[8-9]，对湖北不同区域烤烟的中性香气成分进行分析，确定烤烟烟叶中性香气评价的主要因素，实现不同区域烤烟烟叶的归类与划分，为烟叶产地识别和分类使用提供重要参考.

1材料与方法

1.1材料供试材料为15个湖北省2013年烤烟样品，分别取自恩施( 恩施、巴东、鹤峰、建始、利川、咸丰、宣恩)，十堰(郧西、房县、竹山、竹溪)，宜昌(秭归、兴山)， 襄阳(保康、南漳)等15个县市.

1.2香气指标检测方法采用同时蒸馏萃取-GC/MS法定性定量检测烤烟中性香气成分[10].取10 g磨碎的烟样放入同时蒸馏萃取装置中蒸馏萃取，将萃取液于60 ℃水浴中旋转蒸发浓缩至1 mL左右，放入气质联用仪测量仪器进行GC/MS定量分析，最后采用NIST 08质谱数据库检索定性，由此对不同烟草类型烟叶主要中性致香物质进行了初步判定.

1.3数据分析方法主成分分析法是利用降维的思想，将众多的变量转变成数量不多的几个因子来表示，并且这些因子包含了原变量提供的大部分信息.聚类分析是一种建立分类的方法，将一批样本数据(或变量)按照它们在性质上的亲疏程度自动分类.每一类就是一个具有相似个体的集合，不同类之间具有明显的非相似性.

首先，进行数据预处理，分别采用均值中心化、自动调整法标准化及数据的规范化处理，得到特征值、被解释的方差和累积方差，从而确定其主成分数量(主成分为特征值大于1的数据)；其次，对上述计算结果进行主成分的图形解释，根据主成分得分图判断样本是否聚类，根据主成分载荷图判断各项指标的相关性和重要性[11].

采用Microsoft Excel 2003和SPSS 19.0进行数据处理和统计分析.

2结果与分析

2.1烤烟中性香气成分采用同时蒸馏萃取-气质联用法测其主要香味物质成份，共检测出43种中性主要致香物质见表1.其中，酮类18种，醛类6种，醇类4种，酯类3种，酚类2种，杂环类2种，烃类8种.茄酮具有很好的香气，而且由茄酮转化的产物，如茄醇、茄尼呋喃、降茄二酮等也是很重要的烟草香味物质；多酚类化合物与烟叶的香气、色泽及质量密切相关，是影响烤烟品质的重要潜香型物质；新植二烯具有使烟叶中其他挥发性香气物质、致香物质及添加的香气成分进入烟气的作用，同时它可直接大量转移到烟气中，具有减轻刺激和柔和烟气的作用，新植二烯进一步分解转化为的植物呋喃具有清香气味；类胡萝卜素的降解和热裂解产物生成的近百种香气化合物是形成烤烟细腻、高雅、清新香气的主要成分.烟草香气品质不是单个香气成分起作用，而是各种香气成分综合协调作用的结果，明确主导不同烤烟香气质量的主要香气指标及其特征，为特色优质烟叶的香气指标评价提供数据依据.

表1　中性致香成分主成分矩阵

续表1

主成分12345678面包酮0.1690.091-0.0930.943-0.1090.0160.029-0.023糠醛0.4600.369-0.1730.565-0.2190.1600.0530.207糠醇0.7950.2150.4570.058-0.267-0.0850.003-0.0812-环戊烯-1,4-二酮0.4660.0590.6280.3170.159-0.291-0.3830.0242-乙酰基呋喃0.5270.6340.2180.217-0.084-0.353-0.1980.113苯甲醛0.5560.236-0.501-0.4030.276-0.2740.1120.0855-甲基糠醛0.5590.610-0.206-0.136-0.1350.4050.0280.194苯甲醇0.840-0.2790.169-0.048-0.031-0.2980.1940.089苯乙醛0.5310.088-0.487-0.4080.482-0.040-0.156-0.1622-乙酰基吡咯0.3440.8820.0660.002-0.2080.138-0.1130.0122-甲基对苯二酚0.6800.3910.5500.124-0.202-0.027-0.012-0.103芳樟醇0.2810.201-0.5750.2860.4850.0750.301-0.134苯乙醇0.4910.673-0.2340.1420.253-0.1610.2380.043茶香酮0.908-0.027-0.285-0.042-0.063-0.039-0.1940.1391,2,3,4-四氢-1,1,6-三甲基萘0.914-0.255-0.0110.119-0.1240.0250.158-0.073茴香醛0.2900.7510.0300.0570.0560.273-0.1300.4734-乙烯基-2-甲氧基苯酚0.916-0.0290.208-0.0300.1280.051-0.042-0.105茄酮0.237-0.4470.1880.7570.304-0.0960.0520.051β-大马酮0.697-0.3290.2070.2960.2240.321-0.055-0.271β-二氢大马酮0.6510.269-0.4450.2890.324-0.062-0.2650.061α-紫罗兰酮0.816-0.1020.155-0.165-0.0570.3480.3150.0694-(2,6,6-三甲基-1,3-环戊二烯-1-基)-2-丁酮0.929-0.2800.140-0.062-0.015-0.1000.146-0.017依杜兰0.901-0.1590.036-0.031-0.078-0.1110.3510.109β-紫罗兰酮0.891-0.2330.0790.013-0.167-0.0760.2960.124香叶基丙酮0.4630.157-0.616-0.0770.277-0.3980.2520.147异戊酸香叶酯0.780-0.287-0.082-0.0710.241-0.092-0.4320.084二氢猕猴桃内酯0.6570.5580.433-0.0810.051-0.022-0.006-0.028巨豆三烯酮a0.829-0.424-0.2080.040-0.1910.031-0.162-0.033巨豆三烯酮b0.863-0.409-0.204-0.168-0.0520.004-0.074-0.056(4,5,5-三甲基-1,3-环戊二烯-1-基)苯0.795-0.329-0.0220.221-0.3320.002-0.053-0.022巨豆三烯酮c0.908-0.347-0.136-0.139-0.052-0.014-0.054-0.0923-羟基-β-二氢大马酮0.5410.4850.431-0.207-0.094-0.1140.381-0.142巨豆三烯酮d0.916-0.0347-0.097-0.142-0.039-0.013-0.012-0.064新植二烯0.876-0.2330.107-0.144-0.1010.366-0.023-0.011植酮0.782-0.376-0.195-0.1650.0190.322-0.2380.030螺岩兰草酮0.3480.6060.236-0.0390.2020.038-0.093-0.578金合欢基丙酮0.4900.593-0.269-0.2890.2230.320-0.0910.040十六酸甲酯0.520-0.1260.664-0.0440.246-0.238-0.1970.187松香油-0.159-0.1540.829-0.0530.4210.1820.1190.167西柏烯0.108-0.0900.833-0.1610.3940.1460.1310.050西柏三烯二醇-0.345-0.0950.803-0.1590.3480.0790.0560.144

表2　中性致香成分的特征值与主成分贡献率

2.2烤烟中性香气成分主成分分析对43项香气指标进行标准化处理[12]，根据标准化值进行主成分分析，得到其相关矩阵的特征根、贡献率及累计贡献率.如表2可知，前8个主成分的特征根的累计贡献率为94.721%(即前8个主成分覆盖了94.721%的原始变量的信息),因此提取前8个主成分代替43个原始变量进行进一步数据分析，来反映湖北不同地域烤烟中性香气成分的分布情况.第1主成分的贡献率为41.899%,由表2可知，糠醇(0.795)、苯甲醛(0.556)、苯甲醇(0.840)、苯乙醛(0.531)、2-甲基对苯二酚(0.680)、茶香酮(0.908)、1,2,3,4-四氢-1,1,6-三甲基萘(0.914)、4-乙烯基 -2-甲氧基苯酚(0.916)、β-大马酮(0.697)、β-二氢大马酮(0.651)、α-紫罗兰酮(0.816)、4-(2,6,6-三甲基-1,3-环戊二烯-1-基)-2-丁酮(0.929)、依杜兰(0.901)、β-紫罗兰酮(0.891)、异戊酸香叶酯(0.780)、二氢猕猴桃内酯(0.657)、巨豆三烯酮a(0.829)、巨豆三烯酮b(0.863)、(4,5,5-三甲基-1,3-环戊二烯-1-基)苯(0.795)、巨豆三烯酮c(0.908)、3-羟基-β-二氢大马酮(0.541)、巨豆三烯酮d(0.916)、新植二烯(0. 876)、植酮(0.782)等24种中性香气成分有较大的正系数，说明这24种香气成分是烤烟香味品质的综合反映，其中4-(2,6,6-三甲基-1,3-环戊二烯-1-基)-2-丁酮(0.929)有最大的正系数.第2主成分的贡献率为15.494%, 第3主成分的贡献率为13.956%, 第4、5、6、7和第8主成分的贡献率均较小.前8个主成分得分值分别以PC1，PC2，PC3,PC4，PC5，PC6，PC7和PC8表示，通过回归计算得出主成分得分系数矩阵，主成分得分函数[13]表示为：

(1)PC1=0.007X1+0.000X2+0.009X3+0.026X4+…-0.019X43.

(2)PC2=0.116X1-0.026X2+0.014X3+0.005X4+…-0.014X43.

(3)PC3=0.022X1-0.044X2-0.015X3-0.029X4+…+0.134X43.

…

图1　各产地烟叶中性香气成分的主成分得分1.竹溪 2.秭归 3.房县 4.兴山 5.保康 6.南漳 7.郧西 8.宣恩 9.咸丰 10.利川 11.建始 12.鹤峰 13.巴东 14.竹山 15.恩施

(8)PC8=-0.061X1-0.043X2-0.020X3+0.184X4+…+0.128X43.

由表3，根据前两个主因子得分值,以PC1，PC2为坐标，建立样本二维得分图(图1)，从图1可直观看出，大部分产地样品相对集中在一起，南漳、咸丰、利川、鹤峰、巴东、竹山6个产地样品较为离散，需进一步做聚类分析来明确不同产烟区香气指标的区域聚类情况.

表3　烤烟中性致香成分的主成分得分

2.3聚类分析根据主成分载荷图判断各项指标的相关性和重要性；将原始变量进行转换为主成分得分进行聚类[11]，使少数几个新变量为原变量的线性组合，同时又使这些变量尽可能多地表征原变量的数据结构特征而不丢失信息[14-15].聚类分析以相似性为基础，将观测对象进行分组、归类.

运行聚类分析命令，以主成分得分PC1，PC2，PC3,PC4，PC5，PC6，PC7，PC8为变量，采用1-皮尔逊相关系数的距离测度方式和完全连接法的合并规则作系统聚类分析，得到聚类树形图.将15份样本聚为两类，结果如图2：

图2　烤烟中性香气成分的聚类树状图

对上述系统聚类图按距离系数1.7截取，将15份样本的香气品质分为两类，竹溪、宣恩、秭归、南漳、竹山、房县、兴山、保康和郧西等9个地区聚为一类，平均综合得分为-11.828，综合得分较集中，第一类产烟县地理位置较为接近金神农区域范围(宣恩除外)；咸丰、鹤峰、巴东、利川、建始和恩施等6个地区聚为一类，平均综合得分为13.517 85，综合得分较离散，第二类产烟县地理位置较为接近清江源区域范围.

由图2聚类得出的两类地区作为两个指标，第一指标为神农架区域，有：竹溪、秭归、南漳、竹山、房县、兴山、保康和郧西等8个地区，第二指标为清江源区域，有宣恩、咸丰、鹤峰、巴东、利川、建始和恩施等7个地区.得到第一主成分中24种中性致香成分含量的基本统计见表4，清江源区域的24种香气含量平均值均明显高于神农架区域.由此，可根据烤烟中性香气成分含量差异对不同产地烤烟烟叶进行归类与区域划分.

表4　烤烟主要中性致香物质描述统计

3结论

烤烟中形成香气的物质众多，每种香气成分含量极微，但对卷烟的香味都有其独特的贡献.烤烟中性香气成分的主成分分析结果表明，总方差94.72%以上的累计贡献率来自前8个主成分，其中第一主成分的贡献率占到41.899%，在第一主成分中占有较大系数的24种中性致香物质中，酮酯类较多，其中4-(2,6,6-三甲基-1,3-环戊二烯-1-基)-2-丁酮有最大的正系数.

经主成分分析，提取8个主成分，对主成分得分进行系统聚类分析，发现15份湖北烤烟样本分为两类，聚类结果与产地聚集、香型区域归类基本相一致.第一类包括9个地区的样本即竹溪、宣恩、秭归、南漳、竹山、房县、兴山、保康和郧西县，集中于金神农区域范围(宣恩除外)；第二类包括6个地区的样本即咸丰、鹤峰、巴东、利川、建始和恩施，集中于清江源区域范围.且清江源区域的第一主成分中24种香气含量平均值均明显高于神农架区域，不同地理位置烤烟的香气含量有一定的差异，从而可根据烤烟中性香气成分含量差异对不同产地烤烟进行区域归类与香型划分.

4讨论

生态区不同，致香物质以及影响香气的各种化学成分都有较大差异.近年来的研究表明[16]，在云南和贵州等低纬度、高海拔地区有利于类胡萝卜素的积累.相反，黑龙江和河南等低温和紫外光强度低的地区，类胡萝卜素的合成减少.因而，烟叶的香型分布表现出明显的地域特点[17]，北方烟区主要表现出浓及中偏浓香型风格，而南方烟区主要表现出清香及中偏清香型风格.故本研究中神农架和清江源地区致香物质含量的不同形成不同的香型风格，有待于行更深层次的研究与探索.

有关烟叶中的致香成分的研究已有较长的历史，而且一直是烟草研究的重要领域.这些研究进一步体现在烟叶生产、调制和醇化过程中，在栽培品种和生态区域相结合的研究中，采用合理的结合方式进行栽培生产，为提高烟叶的香气质和香气量提供一定的理论依据.本研究不同地理位置的烤烟香气含量有明显差异，生态环境、土壤特性及栽培条件不同，是影响香气地域差异的直接原因，可进一步探讨不同区域的生态环境、土壤和栽培条件对烤烟香气含量的影响关系，从而指导农业栽培和施肥改善土壤情况，因地制宜，根据企业生产需要，合理种烟.

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(责任编辑游俊)

Factor analysis and cluster analysis of neutral aroma componentsin Hubei tobacco

PAN Ling1, YUN Yueli1, SUN Guangwei2, SUN Jingguo2, HE Jiewang3, CHEN Zhenguo2

(1.School of Life Sciences, Hubei University, Wuhan 430062, China; 2.Hubei Tobacco Science Institute,Wuhan 430030, China; 3.China Tobacco Hubei Industrial LLC，Wuhan 430052, China)

Abstract:In order to understand the relationship between neutral aroma substance and flavor quality of flue-cured tobacco, 15 of flue-cured tobacco samples were collected from 4 tobacco growth regions in Hubei Province, and principal component analysis were carried out on 43 kinds of aroma index. Eight main components were extracted according to the cumulative contribution rate of 94.721%. Hierarchical clustering analysis was done to the eight principal component scores. The results showed all the samples were divided into two categories based on the distance of 1- Pearson correlation coefficient as classification criteria. The first category was Zhuxi, Xuanen, Zigui, Nanzhang, Zhushan, Fangxian, Xingshan, Baokang and Yunxi, concentrated in Shennongjia region; The second category was Xianfeng, Hefeng, Badong, Lichuan, Jianshi and Enshi, concentrated in Qingjiangyuan region. The result indicated that the neutral aroma components of flue-cured tobacco be significantly correlated with the geographic origin of tabacco.

Key words:flue-cured tobacco; neutral aroma substance; factor analysis; clustering analysis

中图分类号:S572

文献标志码:A

DOI:10.3969/j.issn.1000-2375.2016.02.008

文章编号:1000-2375(2016)02-0127-08

作者简介:潘玲(1990-)，女，硕士生；陈振国，通信作者，高级农艺师，E-mail：hbskys1@163.com

基金项目：国家自然科学基金(31401982)、 湖北省烟草公司科研项目(027Y2014-001)资助

收稿日期:2015-09-09