化学成分指标对感官质量的影响及陕西省烟叶质量综合评价

徐泽桐，刘亚相 *，袁 帅，李本晟，吴 薇，李司童，毛凯伦，韦成才，张立新

(1. 西北农林科技大学理学院， 陕西 杨凌 712100;2. 陕西中烟工业有限责任公司技术中心， 陕西 宝鸡 721000;3. 西北农林科技大学 生命科学学院， 陕西 杨凌 712100;4. 陕西省烟草研究所， 陕西 西安 710000)

【研究意义】卷烟是我国重要的经济来源，而烟叶是卷烟工业的基础，烟叶质量的优劣不仅影响卷烟产量，而且影响卷烟质量和风格。【前人研究进展】就烟叶质量评价方面而言，许多学者进行了烟叶质量评价体系的研究，从多个方面用多种评价方法对烟叶质量进行了评价分析。王彦亭等在《中国烟草种植区划》一书中，从外观质量、物理特性、化学成分、感官质量4个方面对全国烟叶质量进行了详细的研究，建立了较为全面系统的评价体系[1]。张勇刚等基于熵值法和模糊数学方法对烤烟感官质量进行了评价[2]。黄瑞寅等应用DTOPSIS法对烟叶质量进行了综合评价[3]。邹渊渊等利用主成分分析法和回归分析对烟叶质量进行了评价[4]。舒俊生等运用AMMI数学模型从外观质量、化学成分、感官质量3个方面进行了烟叶质量综合评价[5]。叶协锋等利用主成分分析法和聚类分析从外观质量、化学成分方面对烟叶质量进行了综合评价并分类，同时用判别分析方法进行模型的验证[6]。还有一些学者分析了烟叶质量不同影响因素间的关系。胡建军等利用灰色关联度法进行了烟叶主要化学指标与其感官质量的灰色关联分析[7]。邓云龙等研究了品种、部位、成熟度对烟叶淀粉含量和感官质量的影响[8]。邓小华等运用相关分析研究了外观质量、物理特性、化学成分、感官质量各指标间的相关性[9]。所得结果与前人研究结果不尽一致，目前对于烟叶影响因素间相关性分析未有统一的结果，烟叶质量评价体系的构建还未得到权威系统的评价标准。【本研究切入点】本文建立的评价模型从烤烟化学成分、感官质量两个方面研究陕西省烟草综合质量，将主客观信息同时考虑，用熵值法和突变级数法得到感官质量隶属度值，用灰色关联度分析法分析了化学成分各指标对感官质量的影响程度，并基于突变级数法得到化学成分隶属度值，再对烟叶综合质量进行评价，并用聚类分析将烟叶分成“优、中、差”3类，最后用判别分析的方法对模型进行验证。【拟解决的关键问题】本文以期得到影响感官质量的主要化学成分指标，同时找到陕西省优质烟区，更科学地提高烤烟口感，为提升陕西省烟草的竞争力以及提高陕西省经济效益提供依据。

1 材料与方法

1.1 材料选取

选取陕西省安康地区11个，宝鸡地区12个，汉中地区9个，商洛地区12个，咸阳地区4个，延安地区6个样本C3F等级共54个烤烟样本作为研究对象。

1.2 指标选取

烟叶质量包括5部分：化学成分、感官质量、外观质量、物理特性、安全性。因所选研究样本都是C3F等级，故外观质量和物理特性差异性不大，又安全性的指标数据较少，因而只考虑化学成分和感官质量两方面，而且化学成分依靠仪器测定是客观指标，感官质量依靠专家评吸得到是主观指标，将主客观因素同时结合起来，评价结果更加可信，故选取图1中有代表性的、业内公认的、容易测得的化学成分和感官质量指标。

1.3 指标测定的方法

1.3.1 化学成分指标的测定 水溶性总糖、还原糖、总植物碱、氯、钾氯比、淀粉的测定方法：连续流动法；钾的测定方法：火焰光度法。

1.3.2 感官质量指标的测定 感官质量指标采用专家评吸后打分方式来获取，依据《烤烟 烟叶质量风格特色感官评价方法》(YC/T530-2015)，采用标度检验技术评分。

1.4 突变级数法原理及计算步骤

法国数学家Thom通过数学推导证明了初等突变模型的存在性[10]，李祚泳又将初等突变模型推广到更一般的情形(n个控制变量)[11]，其势函数为：

V(x)=xn+2+a1xn+a2xn-1+…+anx

(1)

所对应的归一公式为：

(2)

其中，控制变量为a1,a2,…,an。

突变级数法是根据突变模型得到的对评价目标进行排序分析的一种简单实用的综合评价方法。其计算步骤如下：

(1)对评价目标建立多层次树状结构图，各层指标分别构成不同的突变系统；

(2)对系统中底层指标原始数据预处理，得到极大型指标数据。

(3)利用归一公式(2)得到该系统中各指标对应的中间值x1,x2,…xn。最后将其按“非互补”原则或“互补”原则归一为1个参数，若指标之间不是相互关联的，则遵循“非互补”原则，即“大中取小”；若指标间相关，能相互弥补不足，则遵循“非互补”原则，即“取平均值”。

图1 烟叶质量层次结构图Fig.1 Hierarchical structure diagram of tobacco leaf quality

(4)从下层指标往上重复用步骤3，逐层计算，即求出总的突变隶属度值。

对陕西6个烟区54个烟叶样品编号，安康烟区为AK01，AK02，…，宝鸡烟区为BJ01，BJ02，…，汉中烟区为HZ01，HZ02，…，商洛烟区为SL01，SL02，…，咸阳烟区为XY01，XY02…，延安烟区为YA01，YA02，…。数据处理和分析用matlab、Excel、spss。

本文建立了突变评价模型，利用熵值法确定感官质量各指标重要性排序后用突变级数法得到烟叶感官质量突变隶属度值，再利用灰色关联度法确定出化学指标对感官质量的重要性排序并用突变级数法得到化学成分突变隶属度值。最后综合两个方面对烟叶质量进行评价。

2 结果与分析

2.1 建立多层次目标结构体系

对评价目标进行多层次矛盾分解，建立树状的层次结构图，各层指标分别构成不同的突变系统，如图1。

2.2 指标值预处理

2.2.1 评价指标类型的一致化 运用突变级数法进行综合评价时，所有的指标需是极大型指标。而原始数据中化学成分和感官质量的指标有极大型指标、极小型指标、中间型指标及区间型指标，必须全部转化为极大型指标。本文通过隶属度函数把原始数据转化成极大型指标，得到初始隶属度值。

烟叶感官质量指标除杂气、刺激性、干燥感是极小型指标外，其余指标都是极大型指标。

对极小型指标，令

x*=M-x

(3)

式中，M为指标x的允许上界。在此，指标刺激性、干燥感取M=5，指标杂气取M=45。

根据实践经验，并参考《中国烟草种植区划》[1]，烟叶化学成分指标中除烟碱是中间型指标外，其余全部为区间型指标。

烟叶化学成分指标中烟碱是中间型指标。对中间型指标，令

(4)

其中，xq为指标x最适宜值。在此为烟碱最适宜值，取xq=2.5。

结合陕西省烟叶特点，并参考相关文献[1,12]，确立了化学成分中总糖、还原糖、糖碱比、氯、钾、钾氯比、淀粉的隶属度函数分布类型及各函数拐点。

还原糖、糖碱比、氯为梯形分布，其表达式为：

(5)

其中，[x1,x2]为允许的最大上、下界，[x3,x4]为最适宜区间。取值见表1。

表1 指标还原糖、糖碱比、氯的隶属度函数拐点

表2 风格特征指标权重

总糖为抛物型分布，其表达式为：

(6)

其中，x1=18,x2=25,x3=36；

钾、钾氯比为升半梯形分布，其表达式为：

(7)

其中，钾的隶属度函数拐点xq取值为1.5，钾氯比的隶属度函数拐点xq取值为4。

淀粉为降半梯形分布，其表达式为：

(8)

其中，xq=3.5。

2.2.2 评价指标的无量纲化 数据转化为极大型后，各指标间仍存在数量级、量纲的差异。本文采用向量规范法对感官质量系统中底层指标的原始数据预处理[13]。

2.3 感官质量突变隶属度值

先用熵值法确定感官质量中各层指标重要性排序[13]，再运用突变级数法得到感官质量突变隶属度值B2。

熵值法是一种根据各项指标观测值所提供的信息量的大小来确定指标权数的方法。指标权数越大，表示该指标的样本间差异越大。

以第1个样本YA01为例。先计算感官质量中风格特征这一系统。用熵值法确定的风格特征指标权重见表2。

由上面权重可知，风格特征中各指标重要性排序为：香韵>烟气浓度>香气状态>香型>劲头，记为a1,a2,…,a5。

将其代入归一公式(2)中，可得各指标突变隶属度值为

x1=0.3622,x2=0.4690,x3=0.5795,x4=0.6447,x5=0.7144

因各指标间有相关性，因此采用“互补”原则，取平均值后，得到风格特征突变隶属度值C1为：

同理可计算出香气特征D1、口感特征D2、烟气特征D3突变隶属度值为：

D1=0.5144,D2=0.4773,D3=0.4612

逐层往上，再利用归一化公式并采用“互补”原则，可得品质特征突变隶属度值C2为0.7743，最终得到感官质量突变隶属度值B2为0.8313。

此为YA01的烟叶感官质量，同理得到所有样品的感官质量值。

2.4 影响烟叶感官质量的化学成分指标重要性排序[14]

2.4.1 参考数列和比较数列的确定 参考数列{x0(i)}——经突变级数法计算后的感官质量突变隶属度值；

比较数列{xj(i)}——化学成分各指标数列。

2.4.2 无量纲化处理参考数列和比较数列 用向量规范法无量纲化处理参考数列和比较数列，即对化学成分指标初始隶属度值与感官质量突变隶属度值无量纲化。

2.4.3 计算参考数列与比较数列的灰色关联系数比较数列相对于参考数列在曲线各点的关联系数为ζj(i)。

表3 化学成分各指标与感官质量的关联程度

(9)

其中，ρ为分辨系数，常取0.5。

2.4.4 求影响因素(比较数列)的关联度 对比较数列的关联系数求其平均值，作为比较数列与参考数列间关联程度的数量表示，记为r0j，计算公式如下：

(10)

用公式(9)、(10)计算得到灰色关联度结果见表3。化学成分中各指标对感官质量影响程度为：钾氯比>糖碱比>总植物碱>还原糖>淀粉>钾>总糖>氯。

2.5 烟叶质量综合评价及分类

用灰色关联度值作为化学成分各指标重要性排序的依据，通过突变级数法来计算化学成分突变隶属度值B1，最后参考《中国烟草种植区划》确定化学成分和感官质量的比重[1]，计算烤烟综合质量。设烤烟综合质量为A，计算公式如下：

A=0.25×B1+0.75×B2

(11)

利用公式(11)计算得到烟叶质量综合评价值后，用系统聚类分析对烟叶样本分类[15]，其中聚类方法选用瓦尔德法，距离的测度方法选用欧氏距离平方。第1类上等质量12个，第2类中等质量33个，第3类下等质量9个，具体结果如表4。

各烟区烟叶分类情况如图2～3。

2.6 评价模型的验证

把转化成极大型指标的化学成分和感官质量的烟叶样本数据用判别分析的方法预测烟叶质量分类的准确性[15]，所得结果如图4。

表4 烟叶质量综合评价值、排序及质量分类

续表4 Continued table 4

样本Samples化学成分隶属度值The membership of chemical composition感官质量隶属度值The membership of sensory quality烟叶综合质量The comprehensive quality of tobacco leaves排序Sort分类ClassificationBJ010.63590.84160.7902352BJ110.63340.84080.7889382BJ120.62540.84230.7881402BJ070.64300.83470.7868432BJ030.61300.84070.7838473BJ040.60440.84060.7816523HZ030.65440.84440.796971HZ070.65460.84420.796861HZ010.67050.83790.796081HZ040.64600.84410.7946162HZ080.63220.84610.7926152HZ090.64700.84100.7925192HZ020.64260.84230.7924112HZ050.66480.83210.7903302HZ060.63380.83140.7820513SL050.63540.84960.7960121SL120.65390.84050.7938182SL110.65010.84130.7935132SL070.65350.83940.7929222SL040.64650.84030.7918232SL030.64030.84090.7908282SL100.64060.84070.7907312SL090.63070.84400.7907332SL020.62800.84410.7901342SL010.62560.83960.7861442SL060.64300.83360.7860452SL080.62800.83400.7825493XY020.63110.83970.7876412XY040.63640.83690.7868422XY030.64710.82880.7833463XY010.56150.83940.7699543YA060.65060.83920.7920252YA010.66530.83130.7898322YA030.66190.83070.7885372YA050.62700.83440.7826503YA040.61980.83580.7818483YA020.63740.82770.7802533

3 讨 论

灰色关联度分析作为一种分析因素间关联程度的方法，已应用在烟叶各影响因素间相关性分析中。李东亮等用改进的灰色关联度分析方法研究了5个化学成分指标与7个感官质量指标之间的正、负相关关系，分析结果表明灰色关联度分析法在烟叶质量影响因素的分析中是行之有效的，与传统的回归分析法所得结论基本一致[16]。陈征等综述了近年来灰色关联分析在烟叶化学成分评价中的应用成果[17]。魏春阳等以烤烟感官质量指标作为参考数列，外观质量各指标为比较数列，进行了初烤烟叶主要外观性状与评吸质量的灰色关联分析[18]。张晓兵等以“利群”牌卷烟的烟叶原料对化学成分要求作为参考数列，各产区烟叶样本的化学成分指标为比较数列，用灰色关联度法研究了云南各产区化学成分适宜性，所得结果与感官质量评价的结果基本一致[19]。本文运用灰色关联度分析方法研究化学成分各指标对感官质量的影响程度，以期找到对烤烟评吸有较大影响的化学成分指标。

图2 各烟区烟叶质量分布情况Fig.2 Quality distribution of tobacco leaves in different tobacco growing areas

图3 不同质量等级烟叶在各烟区分布情况Fig.3 Distribution of different quality grades of tobacco leaves in different tobacco growing areas

在烟叶质量评价上，本文基于突变级数法建立了评价模型。突变级数法是一种简单、易操作、实用性较强的综合评价方法，其优点在于不需确定评价指标的权重具体值，只需考虑各指标间的相对重要性，能减少一定的主观性同时又不失科学性和合理性，且计算简易准确，已应用在多个领域。如冯平等用突变级数法研究评价地下水环境情况[20]，陈晓红等用突变级数法评价企业的成长性[21]，李祚泳等把突变级数法中的势函数推广到一般情形并运用在湖泊富营养化评价中[11]，都有良好的评价效果。但该方法目前还未应用在烟草行业。本文用此方法计算烟叶综合质量并用聚类分析对其分类，最后用判别分析对分类结果检验，分类准确率较高，达到75.9 %以上，且错分发生在两个类别的交界处。这表明该模型是合理可行的，且对陕西省烟叶质量评价效果良好，与陕西省各烟区烟叶实际情况较符。

图4 判别分析结果Fig.4 Result of Discriminant Analysis

4 结 论

(1)影响感官质量的化学成分指标排序为：钾氯比>糖碱比>总植物碱>还原糖>淀粉>钾>总糖>氯。

(2)优质烟叶产区在安康、汉中、宝鸡、商洛烟区，较差的烟叶产区在咸阳、延安烟区。

(3)陕西省整体烟叶质量较好，中上等烟占比83.3 %，其中上等烟叶12个，占比22.2 %，中等烟叶33个，占比61.1 %，下等烟叶9个。

(4)从烟叶综合质量排序结果来看，排名第1的是安康烟区的烟叶。