基于主成分分析的不同类型烟叶加热卷烟感官质量评价

刘艳华，赵文涛，窦玉青，杨 菁，费 婷，张洪博，付秋娟，谭家能，汪 旭*

1. 中国农业科学院研究所，山东省青岛市崂山区科苑经四路11 号 266101

2. 上海烟草集团有限责任公司 新型烟草制品研究院，上海市浦东新区秀浦路3733 号 200082

加热卷烟又称低温卷烟，其侧流烟气和有害成分释放量显著少于传统卷烟［1-2］，在减少环境污染和影响吸烟者健康方面具有明显优势。烟叶原料与配方属于加热卷烟制品的关键核心，而卷烟感官质量是烟叶品质的最直接体现［3-4］。赵国豪等［5］研究表明，不同烟叶类型对加热卷烟香气质、香气量的影响显著大于不同产地和不同部位。Chen 等［6］对9种烟叶类型（K326、云烟97、樱桃红烟、汉人烟、道烟、天灯烟、晒黄烟、晒黄烟鲜切丝和香料烟）烟叶作为加热卷烟原料的工业适用性研究表明，天灯烟感官质量总分显著高于其他类型，其次是樱桃红烟和K326，因此加热卷烟烟叶原料筛选的首选指标为烟叶类型。目前，国内加热卷烟研究处于关键时期，基于加热卷烟烟叶原料和配方的研究相对较少［7-8］，限制了我国加热卷烟产品的开发与利用。因此，对不同类型烟叶原料的加热卷烟进行感官质量评价，对加热卷烟原料的筛选和配方研究具有重要意义。本研究中以不同调制方式、不同类型及不同产地和部位的60份烟叶样品为原料，通过加热卷烟感官质量评价，针对不同感官质量指标，利用主成分分析，并结合隶属函数和聚类的方法，综合评价不同类型烟叶原料在加热卷烟中的利用价值，旨在为中式加热卷烟烟草制品的开发提供原料基础和技术支持。

1 材料与方法

1.1 材料

试验材料为2019年在全国各地收集的调制后烟叶样品，共60 份，每份样品5～10 kg。其中，烤烟25份、晾晒烟35 份，晾晒烟包括8 份晒黄烟、18 份晒红烟、2 份白肋烟、4 份雪茄、3 份香料烟。烟叶部位分为中部和上部，调制工艺为常规烘烤、增强烘烤、增香烘烤、降淀粉/蛋白质烘烤、明火熏制、打叶复烤以及常规晾制、常规晒制、半晾半晒、晒烤结合、先晾后晒、糊米处理等方式，按烤烟、晒黄、白肋、晒红、雪茄、香料烟的顺序依次编号为1～60，见表1。

表1 烟叶样品编号、信息及调制工艺Tab.1 Number, source information and curing techniques of tested tobacco leaf samples

1.2 方法

1.2.1 加热卷烟样品制作

烟叶样品抽筋，干燥磨样，过200 目（孔径：74.162 μm）筛，然后采用辊压法将烟末制成厚度约为0.2 mm的烟草薄片（其中雾化剂质量浓度为20%，羟甲基纤维素质量浓度为3%），将薄片切丝，宽约1 mm，将约0.3 g薄片丝填充到1支加热卷烟的空烟管中，制成加热卷烟烟支。

1.2.2 加热卷烟感官质量评价

加热卷烟感官质量评价参考国家标准［9］和赵璐等［10］的方法，以IQOS 加热卷烟制品为对照，感官质量评吸由来自上海新型烟草制品研究院有限公司、中国农业科学院烟草研究所、云南省烟草农业科学研究院、中国烟草总公司云南省公司、湖北中烟工业有限责任公司、上海烟草集团有限责任公司、云南中烟工业有限责任公司、湖北新业烟草薄片开发有限公司8家单位的21位省级评吸专家共同完成。感官质量指标包括香气质、香气量、杂气、劲头、刺激性、干燥感、苦涩感、残留、稳定性等9项指标，分别以10分制进行评吸打分，去掉1 个最高分和1 个最低分，取平均值作为该指标的评价得分。

1.3 数据分析

采用Excel 2010 对数据进行整理。利用SPSS 25.0 对不同类型烟草感官质量指标进行差异显著性检验和相关分析，并进行基于主成分分析的隶属函数综合评价。利用Heatmapper 软件进行聚类分析。

综合指标的隶属函数分析［11-14］：

按式（1）计算综合指标的隶属函数值。

式中：xj为第j 个综合指标值（j＝1，2，…，n）；U（xj）为第j个综合指标的隶属函数值；xmax与xmin分别为第j个综合指标的最大值与最小值。

按式（2）计算综合指标权重。

式中：wj为第j个综合指标在所有综合指标中的重要程度即权重；rj为第j个综合指标的贡献率。

按式（3）计算综合评价值。

式中：D为不同烟叶原料的综合评价值。

2 结果与分析

2.1 不同类型烟叶原料感官质量评价

不同类型烟叶加热卷烟感官质量显著性分析结果见表2。由表2 可以看出，烤烟香气质评分最高，其次是晒黄烟，二者差异不显著，但与其他类型烟叶差异显著。晒黄烟香气量评分最高，其次是烤烟，二者与晒红烟和雪茄烟差异不显著，与白肋烟、香料烟差异显著。白肋烟、晒红烟劲头评分最高，仅与香料烟差异显著。香料烟的杂气、刺激性、干燥感、苦涩感、残留及感官质量总分均最高，其次为烤烟，二者均与晒黄烟差异不显著，与白肋烟差异显著。雪茄烟稳定性评分最高，其次是香料烟，二者与白肋烟和烤烟差异显著。最后，香料烟感官质量评价总分最高，但仅与白肋烟差异显著。

表2 不同类型烟叶感官质量显著性分析①Tab.2 Significance analysis of sensory quality of different types of tobacco leaves

2.2 不同类型烟叶原料感官质量指标主成分分析

在对不同烟叶原料进行加热卷烟感官质量评价时，不能仅考虑一项感官质量指标的优劣，而应对所有指标进行全面、科学系统的综合评价。本研究以60 份烟叶原料的9 个加热卷烟感官质量指标构成60×9的矩阵，利用R语言进行主成分分析，结果见表3、表4。由表3、表4可以看出，可提取3个主成分，累计贡献率为84.53%，分别定义为PC1、PC2、PC3。其中，PC1的贡献率为46.08%，主要反映了加热卷烟感官质量干燥感、苦涩感及残留；PC2 的贡献率为25.77%，主要反映了加热卷烟感官质量香气量和劲头；PC3的贡献率为12.68%，主要反映了加热卷烟感官质量稳定性。

表3 主成分的特征值、贡献率及累计贡献率Tab.3 Eigenvalues, contribution rates and cumulative contribution rates of principal components

表4 主成分的特征向量与载荷Tab.4 Eigenvectors and loads of principal components

2.3 不同类型烟叶原料感官质量综合评价

利用隶属函数公式计算60份烟叶原料加热卷烟感官质量的综合评价值D，结果见表5。由表5 可以看出，每份烟叶的各综合指标的隶属函数值不尽相同。对于综合指标PC1，来自云南采用降淀粉/蛋白质烘烤工艺调制的K326 U（x1）值最大为1.000，表明该工艺调制的K326在干燥感、苦涩感及残留上综合表现最好；而来自湖北的白肋烟鄂烟1 号U（x1）值最小为0，表明鄂烟1 号在该3 项感官质量指标的综合表现上最差。对于综合指标PC2，来自云南采用增香烘烤工艺调制的K326 U（x2）值最大为1.000，说明增香工艺调制的K326 在香气量和劲头上的综合表现最好；而来自云南保山的香料烟Samsun U（x2）值最小为0，表明香料烟Samsun 在该两项感官质量指标的综合表现上最差。对于综合指标PC3，来自湖北的雪茄烟CX-80 U（x3）值最大为1.000，说明雪茄烟CX-80 在稳定性上表现最好；而来自湖南郴州的烤烟云烟87 U（x3）值最小为0，表明来自郴州的云烟87在稳定性上表现最差。感官质量综合评价前9名的烟叶为云南增香工艺K326 中部＞云南明火熏制K326中部＞云南降淀粉/蛋白质工艺K326中部＞云南增强工艺K326中部＞云南打叶复烤云烟87 中部＞四川糊米处理雪茄德雪3 号上部＞广东晒黄大叶青梗中部＞云南红大（高氯）中部＞广东大叶青梗上部。

表5 60份烟叶感官质量综合评价及排序①Tab.5 Comprehensive sensory quality evaluation scores and ranks of 60 tobacco leaf samples

2.4 不同类型烟叶原料感官质量聚类分析

利用Heatmapper 软件对表5 中综合指标评价值进行聚类分析，建立聚类的热图。60 份烟叶原料可分为3 个类群，每个类群均可分为2 个亚类，如图1 所示。由图1 和表6 可知，第Ⅰ类共17 份烟叶，主要包括来自湖北和四川的白肋烟、雪茄烟及晒红烟，主要表现为劲头最大，香气质、刺激性、干燥感、苦涩感、残留及综合评价总分均最低，与其他两类差异显著；其中Ⅰ-1 香气量和劲头表现较好，Ⅰ-2稳定性表现较好。第Ⅱ类共17份烟叶，主要包括常规工艺烘烤的烤烟、东北晒红烟以及广西的晒黄烟，表现为杂气最重，香气质、刺激性、干燥感、残留及综合评价均显著好于第Ⅰ类；Ⅱ-1、Ⅱ-2 均表现为稳定性差。第Ⅲ类包括26份烟叶，主要包括特殊工艺调制的烤烟、广东晒黄烟、糊米调制的雪茄烟以及香料烟，综合评价最好，显著高于第Ⅰ类和第Ⅱ类，除劲头外，其他8 项感官质量指标均最高；其中Ⅲ-1 表现为劲头较小而稳定性较好，Ⅲ-2 干燥感、苦涩感、残留、香气量、劲头及单料烟综合感官质量均表现为最好。

图1 60份烟叶加热卷烟感官质量的聚类分析图Fig.1 Cluster analysis dendrogram of sensory quality of 60 tobacco leaf samples

表6 3个类群感官质量差异显著性分析Tab.6 Significance analysis of sensory quality of three groups

3 结论与讨论

不同类型烟叶加热卷烟感官质量差异显著，常规烘烤工艺调制的烤烟、东北晒红烟以及广西的晒黄烟稳定性最差，综合利用价值也较低，与传统卷烟评价结果不同，这可能与加热不燃烧卷烟抽吸温度低有关。白肋烟、晒红烟在提高加热卷烟劲头方面具有明显的优势，与刘善民等［15］、许倩［16］对白肋烟、晒红烟在中式卷烟配方中的应用研究结果一致。经过特殊工艺调制的烤烟和晾晒烟香气质、香气量、杂气、刺激性、干燥感、苦涩感、残留均表现最好，尤其是经过增香、明火熏制、降淀粉/蛋白质、增强烘烤调制的K326、打叶复烤后的云烟87、高氯红大、先晒后烤调制的大叶青梗和81-26、先晾后晒的Samsun 以及糊米处理的德雪3号在加热卷烟主原料的筛选中具有重要的开发价值，这可能与经过增香、打叶复烤、晒-烤及糊米发酵等处理后，可清除烟叶中的杂气、氨气及辛辣味，提升烟叶香气品质、凸显香气特征有关［17-19］。