原烟配方模块设计原料使用定位研究*

马波波，张月华，孙溢明，黄培元，陈小龙，孙兴敏，张 楠，王根发

(1.河南中烟工业有限责任公司，河南 郑州 450000；2.国家烟草专卖局中国烟叶公司，北京 100050)

以多个单等级原烟进行配方打叶在烟草工业企业中已是较为普遍的技术[1-2]，其核心是基于卷烟叶组配方的可用性，将若干个具有相同或相近风格特点的烟叶原料按适宜的比例进行配比打叶，最终形成具有一定质量和规模的原烟模块[3]。为保持模块质量的稳定性，原烟模块设计每年度均需要进行单等级烟叶质量评价、调配、确定比例和打叶复烤等工作，而传统的技术手段主要依靠感官评吸，不仅工作量大、主观性强，而且模块质量也存在不稳定的风险。化学成分作为烟叶质量的内在基础，具有可定量以及与品质密切相关等特征[4-6]，依据化学成分对烟叶原料进行质量分组具有一定的客观性[7]。基于此，前人以多种统计方法在烟叶质量研究方面获得了丰硕的成果。王晓辉等[8]建立了以烟叶原料中β-紫罗兰酮、β-二氢大马酮和巨豆三烯酮总量的聚类结果为依据的卷烟配方叶组化学分组方法；颜克亮等[9]基于主成分分析及聚类分析，结合配方经验，组建了晾晒烟叶模块；王鹏泽等[10]利用因子、聚类及判别分析评价了烟叶风格特征，并进行了不同风格特征烟叶区域分类；张天兵等[11]利用逐步判别分析方法对江苏中烟库存烟叶样品进行了划分；刘曙光等[12]基于主要化学成分，利用相关性分析、主成分分析和回归分析等多种方法建立了醇化片烟感官质量预测模型；朴永革等[13]采用灰色关联度分析和主成分分析方法对烟叶中有机酸和pH 进行了相关性分析。目前的研究多集中于原烟或成品片烟的质量评价等方面，而以原烟模块质量为目标，基于化学成分对原烟质量进行预测鲜有报道。因此，本研究以复烤前的原烟配方模块化学成分为目标，利用模糊综合评判方法对风格相近的原烟叶进行质量相似性研究，并利用感官质量相似性进行验证，以期对原烟进行定制分类。

1 材料与方法

1.1 样品来源及质量数据获取

试验材料来自河南中烟工业有限责任公司（以下简称“河南中烟”）2019—2021 年调拨的云南某产区21 个单等级烟叶和同产区的2 个原烟模块，原烟模块按照当年的配方比例组配形成。(1) 化学成分数据获取：所有样品在40 ℃以下低温烘干后粉碎过60 目筛，按照烟草行业标准YC/T1 59—2002、YC/T 160—2002、YC/T 161—2002、YC/T 217—2007 和YC/T 162—2002 对其总糖、还原糖、烟碱、总氮、钾和氯含量进行测定。(2) 感官评吸数据获取：以烟草行业标准《烟草及烟草制品感官评价方法》(YC/T 138—1998)为基础，由河南中烟技术中心的专职评吸人员对烟叶的香气质、香气量、浓度、劲头、刺激性、杂气和余味等7 项感官指标进行评吸，按照单料烟 9 分制评吸方法评分(表1)。

表1 感官评价标准Tab.1 Standard of sensory evaluation

1.2 模糊综合评判的原理及模型构建

采用模糊综合评判方法对烟叶化学成分和感官质量数据进行分析。模糊综合评判是一种基于模糊数学的综合评价方法[14-15]，利用模糊数学理论的隶属度和隶属函数以及模糊关系合成的原理，把各参评指标的原始数据转换为0.1～1.0 的数值，计算各质量指标的隶属度，消除量纲的影响，以综合指数反映对象的品质，具有较好的准确性和客观性，在食品和烟草的感官质量评价中有广泛的应用[16-18]。

烟叶质量指标的隶属度函数根据文献[19]确定，包括抛物线型、S 型和反S 型3 种，函数表达式分别为：

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

1.3 烟叶质量指标的隶属度函数类型、临界值及权重的确定

1.3.1 化学成分指标

根据化学成分指标与烟叶品质的相关性，确定钾为S 型函数，氯为反S 型函数，其他指标为抛物线型函数。化学成分指标的上限和下限根据优质烟叶化学成分含量范围[20]和相关研究结果[7,19]确定，最优上限和最优下限以2019—2021 年原烟模块的化学成分范围确定。各指标的权重根据模块的质量特征以及在产品中的应用实际确定。

1.3.2 感官评吸指标

感官指标直接反映了烟叶品质，但是不同的卷烟或模块对不同感官指标的要求不一，已有研究多采用多项感官指标值简单相加作为烟叶品质的最终得分，一定程度上淡化了各项感官指标在工业可用性前提下的具体要求。因此，本研究采用模糊综合评判的方法对感官指标进行归一化处理，以综合指数来反映单等级烟叶与目标模块的相似程度，确保验证结果真实、可靠。

根据感官质量指标与烟叶品质的相关性，确定其隶属度函数类型包括S 型和抛物线型2 种，由于香气质、香气量、杂气、刺激性和余味是烟叶的品质指标，确定其函数类型为S 型；浓度和劲头是烟叶的风格指标，确定其函数类型为抛物线型。感官指标的临界值和权重以2019—2021年原烟模块的评吸结果以及模块的需求定位确定。

1.4 烟叶原料分类方法

将质量指标数据带入对应的函数模型，并进行归一化，得出相似性综合指数。综合指数为各指标隶属度值与对应权重的乘积之和，其值的高低可反映该等级烟叶与目标模块的整体相似度，结合前人研究[7,19]，将相似程度为 0.80～1.00、0.60～0.79 和0.60 以下的烟叶分别划分为高、中、低目标值原料。

2 结果与分析

2.1 化学成分模糊综合评判模型的建立

根据单等级烟叶和原烟模块化学成分测定结果(表2 和表3)得出各化学成分指标函数类型、临界值和权重(表4 和表5)，由于化学成分间接反映烟叶的品质，因此2 个模块权重保持一致。将单等级烟叶化学成分指标带入相应的隶属函数进行单因素评价，可得到隶属模糊关系矩阵(表6和表7)。

表2 单等级烟叶化学成分Tab.2 Chemical components of single grade tobacco

表3 不同原烟模块化学成分Tab.3 Chemical components of different raw tobacco formula module

表4 化学成分指标函数类型、临界值及权重(模块1)Tab.4 Function types,critical value and weight of the chemical components (module 1)

表6 单等级烟叶化学成分模糊关系矩阵(模块1)Tab.6 Chemical components fuzzy relation matrix of the single grade tobacco (module 1)

表7 单等级烟叶化学成分模糊关系矩阵(模块2)Tab.7 Chemical components fuzzy relation matrix of the single grade tobacco (module 2)

2.2 化学成分评判结果

将单等级原烟化学成分指标结果带入计算，得出目标模块1 中21 个单等级烟叶的化学成分综合指数分别为：0.96、0.97、0.92、0.61、0.76、0.79、0.55、0.88、0.64、0.39、0.69、0.49、0.24、0.40、0.35、0.29、0.48、0.38、0.41、0.41 和0.54，目标模块2 中21 个单等级烟叶的化学成分综合指数分别为：0.55、0.50、0.55、0.55、0.95、0.84、0.75、0.68、0.74、0.70、0.92、0.79、0.46、0.50、0.63、0.48、0.75、0.68、0.42、0.42 和0.77。

2.3 感官质量评判结果

根据单等级烟叶和原烟模块感官质量测定结果(表8 和表9)得出各感官质量指标函数类型、临界值和权重(表10 和表11)，由于2 个模块的感官质量指标范围不一，模块对不同感官指标的要求和侧重不同，根据专家意见，对感官质量指标的权重进行了修正。计算结果可得出目标模块1 中21 个单等级烟叶的感官质量综合指数分别为：0.95、0.95、0.90、0.36、0.83、0.77、0.33、0.85、0.77、0.28、0.67、0.53、0.14、0.15、0.45、0.11、0.21、0.11、0.29、0.27 和0.58，目标模块2 中21 个单等级烟叶的感官质量综合指数分别为：0.63、0.62、0.58、0.31、0.99、0.98、0.64、0.61、0.62、0.23、0.96、0.75、0.43、0.33、0.69、0.23、0.42、0.42、0.58、0.55 和0.76。

表9 不同原烟模块感官质量Tab.9 Sensory quality of different raw tobacco formula module

表10 感官质量指标函数类型、临界值及权重(模块1)Tab.10 Function types,critical value and weight of sensory quality (module 1)

表11 感官质量指标函数类型、临界值及权重(模块2)Tab.11 Function types,critical value and weight of sensory quality (module 2)

2.4 原料分类结果比较

由表12 可知：以模块1 的化学成分为目标，21 个单等级烟叶可分为高、中、低目标值原料3 种，其中高目标值原料4 个，占19.05%；中目标值原料5 个，占23.81%；低目标值原料12 个，占57.14%。由表13 可知：以模块2 的化学成分为目标，21 个单等级烟叶也可分为高、中、低目标值原料3 种，其中高目标值原料3 个，占14.29%；中目标值和低目标值原料均有9 个，占42.86%。经感官质量综合指数验证，化学成分模糊综合评判结果基本正确，模块1 只有中目标值原料中的5 和4 号得分档次不一致，吻合度达90.48%；模块2 中目标值原料中的17、10 和18 号以及低目标值中的1 和2 号得分档次不一致，吻合度稍低，达76.19%，这主要是因为化学成分是烟叶品质的内在反映，感官质量指标则是烟叶品质的直接表现，以化学成分预测感官质量难免存在一定的误差，但是在可接受范围之内。

表12 原料综合评判得分及感官验证得分(模块1)Tab.12 Comprehensive evaluation score and smoking score of raw materials (module 1)

表13 原料综合评判得分及感官验证得分(模块2)Tab.13 Comprehensive evaluation score and smoking score of raw materials (module 2)

3 讨论

原烟配方模块的质量和风格由组成其的各单等级烟叶决定，化学成分是其品质的内在基础，感官质量是其质量的直接表现，以化学成分指标预测烟叶品质、以感官质量指标验证预测结果是当前科研人员普遍采用的研究方式[3,7-8,21]。本研究以原烟模块的化学成分为目标，利用模糊综合评判方法可将同产区的单等级烟叶分为高、中、低目标值3 种原料，再以感官质量指标进行效果验证，在原烟模块设计时，如某一单等级烟叶原料不足，可快速从分类结果中选择相似性高的烟叶予以替换，节省模块设计调整的时间。

马慧婷等[7]曾以模糊综合评判方法对长白山某一牌号卷烟配方烟叶原料进行分类研究，其综合评判结果和感官质量评价的吻合度为78.95%，本研究结果印证了模糊综合评判在烟叶质量分类上的适用性。不同的是，本研究以原烟模块为目标，对模块配方中既有的原料以及模块配方之外的原料统一进行了相似性分类；同时，本研究将以往仅比较感官质量得分的验证手段创新为以感官质量指标综合评判结果为依据的验证手段，提高了验证结果的客观性和可靠性。

模糊综合评判在制定目标因素时具有主动性和客观性[7]，但需要注意的是，由于烟叶质量客观存在波动性，原烟配方模块的化学成分作为目标，各个化学成分指标是一个范围而不是固定值，因此，采用模糊综合评判进行烟叶质量相似性分类需要解决目标各指标范围和权重2 个问题。根据原烟配方模块的质量情况，可制定各目标指标的适当范围，根据原烟配方模块在卷烟配方中的应用定位，可规定各指标的适宜权重，才可准确地进行质量相似性划分。

4 结论

以河南中烟云南某产区2 个原烟模块的化学成分为目标，利用模糊综合评判方法将同产区的单等级烟叶分为高、中、低目标值3 种原料，在以感官质量指标进行吻合度验证后，证明结果相对良好，对模块配方设计工作中的原烟快速使用定位具有良好的实践指导意义。