基于物元可拓模型的四川烟区烤烟中部叶化学品质的评价

张永辉， 夏 春， 谢 强， 夏建华， 霍云霄， 鲁逸飞， 鲁黎明*

(1.四川省烟草公司 泸州市公司， 四川 泸州 646000； 2.四川省烟草公司 凉山州公司， 四川 西昌 615000； 3.四川农业大学 农学院， 四川 成都 611130)

烤烟品质主要由感官评吸质量所决定，烟叶的化学成分含量及其协调性则是其物质基础[1]。张锦韬[2]认为，红花大金元烟叶的总糖含量较低，钾含量较高，使得红花大金元比其他烤烟品种的透发性更好。高维常等[3-4]认为，总糖含量、还原糖含量、钾含量、糖碱比、钾氯比和两糖比与感官质量间的相关性极显著，而氯、烟碱和总氮含量与感官质量呈显著负相关。刘国侠等[5]研究表明，糖类物质含量与香气质、香气量、杂气、刺激性、余味、燃烧性和使用价值间呈显著正相关，而总氮和烟碱含量与感官质量指标间呈显著负相关。

烟叶化学成分协调性的评价方法很多，其中，采用最多的是经验值法。即根据优质烟叶的各项化学成分的含量范围，以及两糖差、糖碱比、氮碱比和钾氯比等协调性指标的比值范围判定烟叶的化学成分含量是否适宜及协调。该方法较为简单，但不能全面地反映烟叶的化学成分是否协调。因此，主成分分析、聚类分析以及灰色关联度分析等基于数学分析的方法应运而生。主成分与聚类分析是应用较多、也是较为经典的方法[6-9]，其优点是准确性较高，不仅能够用于烟叶的质量评估，在其他行业的应用也很广泛。近年来，灰色关联度分析法也较多地应用于烟叶化学成分协调性的评价。李东亮等[10-18]均成功地利用灰色关联法对烟叶的化学品质进行评估，评估结果具有可靠性。此外，TOPSIS法[14]、模糊评判与欧氏距离法[15]、雷达图[16-17]、广义灰关联[18]、灰色等权聚类[12]、属性识别模型[19]、集对分析[20]和投影寻踪[21]等也被用于烟叶化学品质的研究。但前述方法用于烟叶化学品质评价均面临一个共性的问题，即所涉及的指标较多，而且性质不同。因而，难以克服指标间的共线性问题，导致评价结果存在一定的偏差。

物元分析由我国学者蔡文于1983年首创，是研究物元、探讨如何求解不相容问题的一种方法，实际上也是一种管理决策和过程控制的方法论[22-23]。物元可拓法是一种全新的分析方法，张勇刚等[24-25]运用物元可拓法分别对烤烟的感官质量及土壤养分进行综合评价。徐文珊等[26]通过建立物元可拓模型对泸州烟叶的化学成分协调性进行分析，并取得了较为理想的结果。然而，与主成分及聚类分析法相比，物元可拓分析法的优缺点尚不明确。为此，以四川不同产区烟叶为研究对象，通过建立物元可拓模型，对烟叶化学品质进行评价，并与主成分及聚类分析方法进行对比，以期为物元可拓法在烟叶化学品质评价上的应用提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 材料

烟叶样品：云烟87中部叶C3F等级样品53个，每个样品2.5 kg，于2016年分别采自四川省凉山州、攀枝花市、泸州市、宜宾市及广元市等5个烤烟主产区。

1.2 方法

1.2.1 指标测定 烟叶样品的指标包括总糖、还原糖、总烟碱、钾、氯、总氮和淀粉等常规化学成分，各指标均按文献[1]的方法进行测定；并计算糖碱比、钾氯比和氮碱比等衍生指标。

1.2.2 物元可拓模型的建立与评价

1) 数据的标准化处理。根据优质烟叶化学指标最适范围[27]：20.0%≤总糖≤27.0%、19.0%≤还原糖≤22.0%、2.1%≤总烟碱≤2.4%、1.5%≤总氮≤3.5%、0.3%≤氯≤0.5%、钾≥2.5%、8.0≤糖碱比≤12.0、1.0≤氮碱比≤1.1、氯钾比≥4.0、淀粉≤3.5%。结合前人研究结果以及行业专家的建议确定烟叶化学成分各指标所属隶属度函数类型以及转折点值，将化学成分各指标数值转化为0.1～1.0。

2) 权重的确定。根据四川省烟叶质量评价体系，并参照前人的研究结果[11,18,26-27]，确定各化学成分指标的权重：总糖0.099、还原糖0.107、总烟碱0.136、总氮0.093、钾0.087、氯0.044、淀粉0.101、糖碱比0.158、氮碱比0.111、钾氯比0.063。

3) 模型的建立。采用物元可拓集分析理论构建评价模型[22,28-29]，对四川省各产区烟叶的化学成分协调性进行评价。参照张勇刚等[24-26]的方法计算各植烟区域以及指标的综合关联度和可拓指数。将化学成分原始数据按照隶属度函数转换后，得到新的数据。按烟叶化学品质评价标准将其分为5个级别(表1)。

表1 烟叶化学品质评价标准

1.2.3 主成分与聚类分析 主成分分析及聚类分析在烟叶的化学品质评价中较为常见[6-9]，为了验证采用物元可拓模型评价烟叶化学品质的可行性，根据李国栋等[6]的方法，对53个烟叶样品的化学成分数据进行标准化处理，采用SPSS11.0进行主成分分析，计算各样本的主成分综合得分，在此基础上，进行聚类分析，以判定烟叶样本的化学品质。

2 结果与分析

2.1 四川烟区中部烟叶化学成分含量及其协调性

从表2看出，四川烟叶的总糖、还原糖、总烟碱、氯、钾、总氮和淀粉的平均含量分别为34.56%、29.74%、2.15%、0.75%、2.28%、2.18%和5.14%，变异系数分别为0.42、0.21、0.18、0.32、0.08、0.33和0.36；衍生指标糖碱比、钾氯比和氮碱比平均分别为11.74、10.72和1.15，变异系数分别为0.71、0.15和0.34。总体看，化学成分总体较为协调，其中，糖含量总体偏高，烟碱含量较为适宜，而钾与总氮的含量适中；变异系数糖碱比最大，钾最小，说明四川烟区中部烟叶的糖碱比变化较大，而钾含量则变化较小。

表2 四川烟区中部烟叶化学成分的含量

2.2 四川烟叶的化学品质

依据物元可拓模型的判定原则，烟叶样品化学成分指标最大综合关联度数值所对应的品质等级即为该烟叶样品化学品质的质量档次。从表3可知，在53个烟叶样本中，1号、3号、5号、7号、9号、15号、21号和41号等8个烟叶样品的质量档次为好，2号、6号、11号、13号、14号、17号、19号、20号、23号、25号、28号、31号、35号、36号、37号、39号、40号、49号、51号、52号和53号等21个烟叶样品的质量档次为较好，4号、8号、10号、12号、16号、18号、22号、24号、26号、27号、29号、30号、32号、33号、34号、38号、42号、43号、44号、45号、46号、47号、48号等23个烟叶样品的质量档次为中等，仅50号烟叶样品的质量档次为稍差。总体看，四川烟叶的化学品质整体较好。

表3 四川烟叶化学品质的质量档次

续表3

2.3 烟叶化学品质的综合评价

2.3.1 主成分分析 从表4看出，前3个特征根的累计贡献率为81.61%，所以，提取前3个主成分。第1主成分的贡献率为 49.54%，其中糖碱比、总糖、还原糖和氮碱比等有较大的正系数；而总烟碱、氯和总氮有较大的负系数，说明第1主成分是烤烟品质的综合反映。第2主成分的贡献率为21.52%，其中氯、淀粉、总糖和还原糖有较大的正系数；钾与钾氯比有较大的负系数。第3主成分的贡献率为 10.55%，其中淀粉含量有较大的正系数；总氮有较大的负系数。

表4 烟叶化学品质的特征向量与主成分贡献率

2.3.2 聚类分析 从表5可知，在53个烟叶样本中，1号烟叶样品的综合得分最高，为2.865 1分，其化学品质相对最好；5号、7号、41号、9号、21号和15号烟叶样品的综合得分较高，分别为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，其化学品质相对较好；30号、44号和50号烟叶样品的综合得分较低，分别为-2.919 0分、-2.333 4分和-2.120 8分，其化学品质相对最差。

表5 四川烟区中部烟叶样品化学品质主成分评价的综合得分

根据主成分综合得分，将53个样本的综合化学品质分为4类。第1类烟叶样品综合化学品质的质量档次为好，主成分综合得分>2.0，平均综合得分为2.42，包括1号、3号、5号、7号、9号、15号、21号和41号8个烟叶样品；第2类烟叶样品综合化学品质的质量档次较好，综合得分>0.10，平均综合得分为0.72，包括11号、13号、17号、19号、20号、23号、25号、28号、31号、35号、37号、39号、49号、51号和53号15个烟叶样品；第3类烟叶样品综合化学品质的质量档次为中等，综合得分<-0.099分，平均为-0.84分，包括2号、4号、6号、8号、10号、12号、14号、16号、18号、22号、24号、26号、27号、29号、32号、33号、34号、36号、38号、40号、42号、43号、45号、46号、47号、48号和52号27个烟叶样品；第4类烟叶样品综合化学品质的质量档次为稍差，综合得分<-2.12分，平均-2.46分，包括30号、44号和50号3个烟叶样品。

2.4 不同评价方法的结果差异

从表6看出，在53个烟叶样品中，2种评价方法结果一致的有1号、3号和4号等45个烟叶样品，一致率达84.9%。2号、6号和14号等6个烟叶样品，采用物元可拓法判定结果为较好，而主成分判定结果则为中等；33号和44号2个烟叶样品物元可拓法判定结果为中等，而主成分判定结果则为稍差。说明，采用物元可拓法评价烟叶的化学品质，与经典的主成分分析法有较高的一致性，是对烟叶化学品质评价的新尝试。

表6 不同评价方法的品质判定结果

3 结论与讨论

为了明确物元可拓分析方法评价烟叶化学品质的可行性，以四川烟叶为研究对象，利用物元可拓集分析理论构建相应的烟叶化学品质分析评价模型，通过计算各指标的综合关联度，对烟叶样品进行化学品质判定。同时，为了验证方法的可行性，采用经典的主成分分析法对53个烟叶样品的化学品质进行评价。研究结果表明，四川烟区中部烟叶的化学成分较为协调，2种方法评价结果的一致率达84.9%。说明物元分析的方法可以应用于烟叶的化学品质评价。

为了克服经验值法不能够全面地反映烟叶化学品质的缺点，主成分分析法通过对各个化学成分指标进行主成分分析，计算出主成分综合得分，并据此进行烟叶化学品质的评价。应用该方法进行烟叶化学品质评价时，首先需要确定各化学指标的适宜值，据此进行原始数据的标准化处理，然后，根据标准化的数据进行主成分分析。其次，该方法的准确性依赖于化学指标适宜值的合理确定。此外，主成分分析法基本上是一种客观的分析方法，并没有考虑各个化学指标对感官评吸质量的贡献。因而，在实际应用主成分分析法进行烟叶化学品质评价时，主成分的综合得分与各评吸指标的得分存在一定的差异[6]。

物元分析是根据物元在整个系统的重要性和可信度，在比较和优选的基础上，将物元分配以不同的权值比重，综合计算出该特征属性总体的最优化表征值[22-23]。尽管在应用物元分析进行烟叶化学品质评价时，仍然要根据化学指标的适宜值进行数据的标准化。然而，在建立物元可拓模型计算综合关联度时，根据化学指标的重要性，对烟叶化学指标进行赋权，因而，评价的结果能够更接近于实际。然而，物元分析方法也存在一些不足，如计算过程较为复杂及繁琐等。同时，在分析过程中，由于要对化学指标的适宜值及其权重为主观认定，因此，不可避免地带有一定的主观性。所以，在实际应用物元分析法进行烟叶化学品质评价时，如何减少计算量，降低主观性，仍需要进一步深入研究。

烟叶化学品质分析的方法虽然较多，但目前仍然缺乏快速、准确和简便的分析方法。研究为烟叶化学品质分析方法提供了新的探索思路，期待有新的理论与方法能够发挥物元分析的优点，克服其缺点，为烟叶化学品质的评价开辟新的途径。