烤烟化学成分均衡性及差异性评价

李瑞丽， 刘玉叶， 李文伟， 王建民， 杜阅光， 李永正

(1.郑州轻工业学院，河南郑州 450001； 2.河南中烟工业有限责任公司，河南郑州 450001；3.天昌国际烟草有限公司，河南许昌 461000)

烟叶原料质量的好坏在很大程度上决定了卷烟产品质量的优劣[1]。烟叶化学成分作为烟叶质量的重要组成部分，与烟叶外观、物理特性、感官质量及烟气指标等密切相关[2-9]，其含量与比例是决定烟叶质量优劣的内在原因，也是决定烟叶工业可用性的重要因素[10]。各化学成分之间关系密切，相互影响，且不同产地不同部位间烟叶各化学成分存在不同程度的差异性，因此，相对于各单项指标而言，研究烟叶的综合质量特性更能对烟叶质量进行客观评价[11-16]。目前关于河南烤烟综合化学特性差异的研究尚未见相关文献报道。因此，通过因子分析和聚类分析研究河南烤烟综合化学特性，并基于综合化学特性研究各类烟叶的特点及产地、部位分布，以期为中式卷烟特色工艺中的分组加工提供参考，为合理、充分地利用烟叶资源提供技术保障。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

选取河南省不同植烟县(市、区)2012年的87个烤烟样品(包括30个上部叶样品、28个中部叶样品、29个下部叶样品)作为试验材料。仪器主要有AA3连续流动分析仪(德国Seal公司)、THZ-C型恒温回旋振荡器(太仓市华美生化仪器厂)、分析天平(精确至0.000 1 g)等。

1.2 试验方法

按照现行行业标准及方法测定烤烟样品的烟碱含量(参照YC/T 160—2002《烟草及烟草制品 总植物碱的测定 连续流动法》)、总糖含量和还原糖含量(参照YC/T 159—2002《烟草及烟草制品 水溶性糖的测定 连续流动法》)、总氮含量(参照YC/T 161—2002《烟草及烟草制品 总氮的测定 连续流动法》)、钾含量(参照YC/T 217—2007《烟草及烟草制品 钾的测定 连续流动法》)、氯含量(参照YC/T 162—2002《烟草及烟草制品 氯的测定 连续流动法》)、淀粉含量(参照YC/T 216—2007《烟草及烟草制品 淀粉的测定 连续流动法》)。

1.3 数据处理

利用SPSS 21.0、DPS 7.05、Excel 2010等软件，通过探索统计分析、简单相关分析、双因素方差分析研究河南烤烟烟叶主要化学成分的分布规律及相关关系；通过因子分析建立综合化学特性模型，基于化学特性综合因子得分进行K-means聚类分析，对各聚类类别烤烟样品的化学特性进行LSD多重比较和对应分析。

2 结果与分析

2.1 河南烤烟化学成分分布的概况统计及简单相关关系

由表1可知，河南烤烟烟叶样品中的烟碱含量为 0.97%～4.58%，均值为2.60%；总糖含量为20.40%～43.70%，均值为30.97%；还原糖含量为18.00%～33.90%，均值为25.42%；总氮含量为1.25%～2.40%，均值为 1.88%；钾含量为0.85%～1.96%，均值为1.42%；氯含量为0.10%～2.73%，均值为0.78%；淀粉含量为2.16%～11.57%，均值为6.15%。由变异系数可知，烟叶氯含量数据离散程度最大，其他成分含量离散程度由大到小依次为淀粉、烟碱、总糖、钾、还原糖、总氮。

由表2可知，共有13对指标间的相关性达到显著或极显著水平，分别是烟碱含量和总糖、还原糖、淀粉含量，总糖含量和总氮、氯含量，还原糖含量和总氮含量，总氮含量和淀粉含量呈极显著负相关关系；烟碱含量和总氮含量，总糖含量和还原糖含量，总氮含量和氯含量呈极显著正相关关系；总糖含量和淀粉含量，钾含量和氯含量呈显著正相关关系；还原糖含量和氯含量呈显著负相关关系。

表1 河南烤烟烟叶化学成分探索统计结果

由表3可知，烟碱、总糖、还原糖、总氮含量在产地和部位间均表现出极显著差异；钾、淀粉含量在部位间表现出显著差异，在产地间表现为极显著差异；氯含量在部位间的差异不显著，在地区间表现出极显著差异。

综合以上分析可知，各项化学成分间存在较强的相关关系，且各化学成分指标在不同产地、部位间均存在较大差异性，因此有必要借助因子分析构建一个能够客观反映烟叶综合化学特性的指标，以探索河南烤烟烟叶综合化学特性变化规律，为烟叶原料的合理利用提供参考。

表2 河南烤烟化学成分间的简单相关关系

注：“*”表示在0.05水平上显著相关；“**”表示在0.01水平上显著相关。

表3 河南烤烟烟叶化学成分的双因素方差分析结果

2.2 河南烤烟化学成分的因子分析

2.2.1 提取因子变量 各项化学成分间的相关性较强，Kaiser-Meyer-Olkin(KMO)检验统计量为0.763，说明适宜进行因子分析[17]。依据相关系数矩阵，根据累计贡献率大于80%的原则，利用主成分分析法提取出4个因子变量，它们的累计贡献率接近90%(表4)。经方差极大法旋转后的因子载荷矩阵(表5)，第1因子主要表征的是总糖、还原糖、烟碱、总氮含量，且与总糖含量和还原糖含量呈正相关关系，与烟碱含量和总氮含量呈负相关关系；第2因子主要表征氯含量，且与氯含量呈正相关关系；第3因子主要表征钾含量，且与钾含量呈正相关关系；第4因子主要表征淀粉含量，且与淀粉含量呈正相关关系。

表4 提取因子的方差贡献率

表5 因子载荷矩阵

2.2.2 构建综合因子变量 由因子得分系数矩阵(表6)得到4个因子的表达式(公式1至公式4)。将各因子的方差贡献率进行归一化处理，得到各因子权重分别为0.544、0.203、0.145、0.108，进而建立综合因子得分表达式，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 因子得分系数矩阵

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分别表示4个主因子得分；F表示综合因子得分；x1*～x7*分别表示烟碱、总糖、还原糖、总氮、钾、氯、淀粉含量的标准化数据(均值为0，方差为1)。可利用化学特性综合因子得分评价烟叶样品综合化学特性的均衡性，且综合因子得分越接近于0，各化学成分指标值越接近于平均水平，表示烟叶样品的综合化学特性越均衡。当综合因子得分为正时，得分越高，则综合化学特性越差，表现为在某个或某些化学成分方面优势突出；当综合因子得分为负时，得分越低，则综合化学特性越差，表现为在某个或某些化学成分方面缺点明显。因此，利用综合因子既可评判综合化学特性的均衡性，又可分析差异性，有利于烟叶资源的合理利用。

2.3 河南烤烟综合化学特性统计分析

2.3.1 聚类分析 基于各样品化学成分综合因子得分进行K-means聚类分析，烟叶样品被聚为3个主组(表7)。在同一主组内按烟叶着生部位不同划分亚组，其中B1、B2、B3分别表示第1、2、3主组的上部叶，C1、C2、C3分别表示第1、2、3主组的中部叶，X1、X2、X3表示第1、2、3主组的下部叶。第3主组中没有上部叶样品，因此，共形成8个亚组。

表7 不同主组及亚组烟叶的产地分布

由表8可知，不同主组烟叶之间的综合因子得分以及烟碱、总糖、还原糖、总氮含量差异极显著，钾、氯含量差异不显著，淀粉含量仅在第1主组和第3主组间差异显著；随着组级的升高，综合因子得分增大，烟碱、总氮含量降低，总糖含量和还原糖含量升高。由表9可知，相同主组内不同部位烟叶的综合因子得分差异不显著，除第1主组内上部叶与下部叶、第2主组内上部叶、中部叶与下部烟叶的烟碱含量差异显著外，相同主组内不同部位烟叶的各项化学成分含量差异均不显著。

综合多重比较结果可以发现，依据烟叶综合化学特性对其进行分组，可以兼顾部位和产地因素的影响，使得同一主组内烟叶的综合化学特性最为接近。由综合因子得分的含义可知，第2主组内烟叶化学成分的均衡性最好，表现为烟碱、总糖、还原糖、总氮含量平均值接近全部样品的平均水平，还原糖含量/烟碱含量、总糖含量/总氮含量比较适中，平均值分别为9.2、16.0。第1、3主组内烟叶化学成分的均衡性较差，其中第1主组内烟叶的烟碱、总氮含量平均值高于全部样品的平均值，总糖、还原糖含量平均值低于全部样品的平均值，还原糖含量/烟碱含量、总糖含量/总氮含量平均分别为6.1、11.9；第3主组内烟叶的烟碱含量、总氮含量平均值低于全部样品的平均值，总糖含量、还原糖含量平均值高于全部样品的平均值，还原糖含量/烟碱含量、总糖含量/总氮含量平均分别为15.6、21.0。

表8 不同主组各化学成分及化学成分综合因子得分的均值和多重比较结果

注：同列数据后不同大、小写字母表示组间均值差在0.01、0.05水平上差异显著。下表同。

2.3.2 各主组烤烟的部位及产地分布 根据聚类分析结果(表7)分别统计不同主组内烟叶的部位分布和产地分布并进行对应分析(图1、图2)，结果表明，3个主组间烟叶的部位和产地分布规律均较明显。由图1可知，第1、2主组以上部叶为主，第3主组以中、下部烟叶为主。由图2可知，如果不考虑样品数量较少的信阳、郑州、南阳地区的烟叶，漯河、周口地区的烟叶主要出现于第1主组；许昌、驻马店地区的烟叶主要出现于第2主组；商丘、洛阳、三门峡地区的烟叶主要出现于第3主组；平顶山地区的烟叶在3个主组中分布较均衡。

表9 不同亚组各化学成分及化学成分综合因子得分的均值和多重比较结果

综合各主组内烟叶的化学特性、部位和产地分布可知，平顶山地区的烟叶在3个主组间分布较均衡，且上、中、下部烟叶主要出现于第1、2、3主组内；上、中、下部位烟叶的还原糖含量/烟碱含量和总糖含量/总氮含量平均分别为6.2和 11.6、9.1和13.8、13.9和17.6，与各主组的平均值对应关系较好，说明该地区各部位烟叶的化学特性差异明显且能较好表达部位特征。漯河、周口2地区的烟叶大部分出现于第1主组内，上、中、下部烟叶的还原糖含量/烟碱含量和总糖含量/总氮含量平均分别为7.0和14.5、7.5和13.9、10.0和13.6，各部位烟叶的总糖含量/总氮含量均接近中部叶，中部叶的还原糖含量/烟碱含量接近上部叶、下部叶。许昌、驻马店地区的烟叶主要出现于第2主组内，上、中、下部位烟叶的还原糖含量/烟碱含量和总糖含量/总氮含量平均分别为6.6和12.6、8.6和14.9、10.7和15.1，下部叶的化学特性更接近中部叶。洛阳、三门峡、商丘地区烟叶主要出现于第3主组内，其中洛阳、三门峡地区烟叶的化学特性较接近，上、中、下部位烟叶的还原糖含量/烟碱含量和总糖含量/总氮含量平均分别为9.8和18.8、15.7和26.2、16.1和23.0，上部叶和中部叶特征均不明显；商丘地区上、中、下部位烟叶的还原糖含量/烟碱含量和总糖含量/总氮含量平均分别为5.2和10.4、15.8和15.3、13.0和11.1，中、下部位烟叶特征不明显。

3 结论与讨论

河南烤烟的烟碱、总糖、还原糖、总氮、钾、淀粉含量在部位、产地间均存在显著或极显著差异，氯含量在产地间存在极显著差异，且各项化学成分间存在着较强的相关性，这为把握河南不同产地、部位烤烟化学特性的变化规律造成了较大困难。利用因子分析方法构建反映烟叶综合化学特性的因子变量，并根据因子变量进行聚类分析，有利于从产地、部位2个方面综合研究烤烟化学特性的变化规律。

基于化学成分综合因子得分和烟叶着生部位将河南烤烟聚为3个主组、8个亚组，并对各组烤烟的综合化学特性、各项化学指标进行多重比较分析，结果表明，差异主要表现在主组之间，各主组间的差异主要表现在综合化学特性以及烟碱、总氮、总糖、还原糖含量上。其中第1主组烤烟的还原糖含量/烟碱含量为6.1、总糖含量/总氮含量为11.9，主要表现为上部烤烟的化学特征；第2主组烤烟的还原糖含量/烟碱含量为9.2、总糖含量/总氮含量为16.0，主要表现为中部烤烟的化学特征；第3主组烤烟的还原糖含量/烟碱含量为15.6、总糖含量/总氮含量为20.9，主要表现为下部烤烟的化学特征。

聚类分析结果表明，相同主组内不同部位的烤烟产地不同，但化学特性却相近，如某些产地烤烟的上部叶化学特性与其他产地的中部叶甚至下部叶接近，说明河南烤烟的化学特性受产地因素的影响很大，不能简单地按照部位加以区分。另外，同一产地不同部位的烤烟集中出现于同一主组内，化学特性接近，即相同产地不同部位的烤烟在化学特性上未表现出应有的差异性。

产地与主组间的对应分析结果表明，平顶山地区烤烟的化学特性在3个主组间的分布最均衡，部位与主组间的对应关系最好，各部位烤烟的化学特性均表现出相应部位的典型特征；漯河和周口地区烤烟主要集中于第1主组内，许昌、驻马店地区烤烟主要集中于第2主组内，商丘、洛阳、三门峡地区烤烟主要集中于第3主组内，上述地区的烤烟不同程度地存在某些部位的化学特性与相应部位典型特征不一致的情况。