李寬 汪金玲 趙勇 李玉秀 朱曉蘭

摘要 ［目的］建立國產(chǎn)烤煙煙葉新香型風格特征的評價體系，為國內(nèi)優(yōu)質特色煙葉識別歸類和卷煙生產(chǎn)提供參考。［方法］分別選取清甜香型、蜜甜香型和焦甜焦香型3種不同新香型C2F等級烤煙共60份樣品，對其外觀質量指標、感官質量指標、常規(guī)化學成分及中性香氣物質分別采用主成分分析篩選能夠有效區(qū)分不同香型風格的關鍵質量指標，最后通過聚類分析利用3組樣品進行驗證。［結果］主成分分析篩選出了區(qū)分3種新香型風格的4類主要質量特征指標，分別為2項外觀質量指標（色度和油分）、4項感官質量指標（香氣量、感官總分、濃度、刺激性）、3項常規(guī)化學成分（氯、總糖、鉀）和5項中性香氣物質（茄酮、二氫大馬酮、巨豆三烯酮、二氫獼猴桃內(nèi)酯、新植二烯）。篩選的14項質量特征指標能夠較為準確地將驗證組A組15個樣品聚為3類，B組8個樣品聚為5類，C組23個樣品聚為4類，分類正確率分別為93.33%、87.50%和100%。［結論］篩選出的這14項指標可以準確判別不同烤煙香型風格，并可有效區(qū)分這3種不同新香型風格的煙葉。

關鍵詞 烤煙；香型風格；聚類分析；質量特征指標；主成分分析

中圖分類號 TS47? 文獻標識碼 A? 文章編號 0517-6611（2023）10-0156-06

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2023.10.035

Abstract ［Objective］ To establish an evaluation system for the new aroma style characteristics of domestic fluecured tobacco leaves， provide reference for the identification and classification of highquality and characteristic tobacco leaves and cigarette production in China. ［Method］ A total of 60 samples of C2F grade fluecured tobacco with three different aroma types， namely clear sweet aroma type， honey sweet aroma type， and burnt sweet burnt aroma type， were selected. The appearance quality indexes， sensory quality indexes， conventional chemical components and neutral flavor substances were selected using principal component analysis to screen key quality indicators that can effectively distinguish different aroma styles. Finally， cluster analysis was used to verify the effectiveness of three sets of samples.［Result］Principal component analysis screened out four main quality characteristic indicators to distinguish three new flavor styles， namely， two appearance quality indexes（chroma and oil content）， four sensory quality indexes （aroma quantity， sensory total score， concentration， irritation）， three conventional chemical components （chlorine， total sugar， potassium） and five neutral aroma substances （solanone，damascone，tabanone， dihydroactinidiolide， neophytadiene）.The fourteen selected quality indexes could accurately gather group A of 15 samples into three categories， group B of 8 samples into five categories， and group C of 23 samples perfectly into four categories with classification accuracy of 93.33%， 87.50% and 100%， respectively.［Conclusion］ These 14 selected quality characteristic indexes can be used to accurately distinguish different flavor styles of fluecured tobacco， especially the three new different aroma style types of tobacco leaf.

Key words Fluecured tobacco;Aroma style;Cluster analysis;Quality characteristic indexes;Principal component analysis

煙葉是煙草行業(yè)生存和發(fā)展的基礎，其質量和類型直接影響到卷煙產(chǎn)品的感官質量和風格特征。我國幅員遼闊，各種自然條件、種植方式和工業(yè)技術不同，因此烤煙香型也有所差異［1-2］。根據(jù)2017年《全國烤煙煙葉香型風格區(qū)劃的通知》，全國烤煙煙葉產(chǎn)區(qū)劃分為八大生態(tài)區(qū)，不同生態(tài)區(qū)的煙葉在外觀質量、化學成分、香氣物質、感官質量方面均存在一定的差異，相應的煙葉風格劃分為8種香型，分別為清甜香型、蜜甜香型、醇甜香型、焦甜焦香型、焦甜醇甜香型、清甜蜜甜香型、蜜甜焦香型和木香蜜甜香型［3］。研究煙葉各類質量特征與香型評價的關系以及烤煙香型分類的關鍵性指標，對中式卷煙原料的選擇以及優(yōu)化設計產(chǎn)品配方有重要意義。

肖明禮等［4］研究表明不同香型風格、不同部位煙葉的重要致香成分物質總量有一定的差異，還原糖、致香成分對感官綜合質量有顯著影響。楊佳玫等［5］研究表明不同生態(tài)區(qū)煙葉化學成分差異顯著。郭東鋒等［6］采用隨機森林建立了基于化學成分、香味成分2類指標的烤煙香型分類模型，分類正確率分別為87.50％和82.35％。許永等［7］基于煙葉致香成分采用7種方法建立了烤煙香型分類模型，從中篩選出了烤煙香型判斷準確率高于90％的線性判別法和高斯混合模型。詹軍等［8］基于化學成分和致香物質建立了Fisher判別函數(shù)對烤煙上部葉香型進行判別分析。主成分分析（PCA）是將多重數(shù)據(jù)有效降維的一種統(tǒng)計方法［9］，聚類分析（CA）是研究分類問題的多元數(shù)據(jù)分析技術，目前已經(jīng)在醫(yī)藥、經(jīng)濟、食品、環(huán)境等領域得到廣泛應用［10-12］，但利用聚類分析對烤煙煙葉香型評價的研究較少。雖然煙葉質量特征與香型評價一直都是煙草行業(yè)的研究關注點，但多數(shù)研究只是以單項指標來進行分類，難以客觀地反映煙草質量整體的異同點，更不能全面準確描述多類別、多變量指標的綜合差異，而且此前研究多是以清香型、濃香型、中間香型烤煙作為研究對象，自2017年烤煙煙葉風格被劃分為8種香型后，關于對烤煙煙葉質量和新香型評價的研究更是鮮有報道。

該研究通過對國產(chǎn)3種新香型（清甜香型、蜜甜香型和焦甜焦香型）C2F等級烤煙樣品外觀質量指標、感官質量指標、常規(guī)化學成分和中性香氣物質進行主成分分析，篩選出區(qū)分香型風格的不同類型質量特征指標，建立新香型綜合評價方法，為不同香型煙葉風格的關鍵質量因素剖析提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗中篩選2019—2020年度西南高原、黔桂山地和黃淮平原3個生態(tài)區(qū)的3種香型（清甜香、蜜甜香和焦甜焦香）C2F等級烤煙各20份（共60份）樣品進行PCA；另外選取8個2019—2020年4種不同香型的烤煙樣本作為CA外部驗證樣，包括清甜香型、蜜甜香型、焦甜焦香型和取自武夷丘陵生態(tài)區(qū)的清甜蜜甜香型樣品。制備每份煙葉樣品3.0 kg，樣品在溫度（22±1）℃和相對濕度（60±2）% 的恒溫恒濕箱中平衡水分48 h。

1.2 測試方法

煙葉外觀質量參考鄭州煙草研究院制訂的烤煙外觀質量評價標準進行打分。煙葉常規(guī)化學成分總糖、還原糖、煙堿、總氮、氯、鉀、淀粉7項指標分析分別依據(jù)YC/T 159—2002、YC/T 159—2002、YC/T 468—2013、YC/T 161—2002、YC/T 162—2002、YC/T 217—2007、YC/T 216—2013的方法測定。煙葉感官質量評價依據(jù)標準方法YC/T 530—2015，由中國煙草總公司鄭州煙草研究院組織7名全國評煙委員會專家對煙葉質量進行評價。

煙葉中性香氣物質采用氣相色譜-質譜（GC-MS）法進行定性定量分析，前處理采用同時蒸餾萃?。⊿DE）［13-15］，具體如下：稱取25.0 g煙樣于500 mL圓底燒瓶中，加入350 mL飽和氯化鈉溶液和0.5 mL內(nèi)標溶液（芳樟醇），搖勻后放進電熱套，在另一250 mL燒瓶中加入40 mL二氯甲烷，60 ℃水浴。兩邊同時加熱，水蒸氣沸騰后計時，共同沸騰2.5 h，收集二氯甲烷提取液加適量無水硫酸鈉干燥后濃縮至1 mL，進行GC-MS鑒定和GC分析。GC-MS條件：Turbo-Mass型氣相色譜-質譜聯(lián)用儀（美國PERKEM ELMER公司，配置分流/不分流進樣口），進樣口溫度250 ℃，毛細管柱為DB-5（30 m×0.25 mm，0.25 μm），載氣為氦氣（純度為99.999%），柱頭壓68.95 kPa；柱升溫程序：初溫40 ℃，保持2 min，以4 ℃/min升溫至250 ℃，保持10 min；EI能量70 eV，光電倍增器電壓（EMV）350 V；分子量掃描范圍為33～350 au；傳輸線溫度250 ℃，離子源溫度170 ℃，進樣量2.0 μL，進樣方式為分流進樣。

1.3 數(shù)據(jù)分析

PCA和CA之前，需對數(shù)據(jù)進行標準化處理，以消除不同量綱帶來的影響。采用Excel 2010對數(shù)據(jù)進行標準化處理，采用統(tǒng)計學軟件SPSS Statistics 23對數(shù)據(jù)進行相關分析、主成分分析、聚類分析，SPSS軟件FACTOR模塊提供了PCA的功能。權重的大小代表著某一指標在整體評價中相對重要程度，根據(jù)各類指標的權重大小篩選出關鍵性指標，再通過CA進行回判驗證，最終確定在煙葉香型分類中起關鍵作用的指標。權重計算方法主要依據(jù)PCA的方差貢獻率和成分矩陣（在因子分析中被稱為因子載荷陣），由各個主成分的特征值對應的開根值和載荷矩陣中的系數(shù)進行計算，具體計算公式如下［14］：

其中i表示第i個原始指標，共有m個原始指標；j表示第j主成分，共提取了n個主成分；λj為第j主成分的特征根；Yj為第j主成分的方差貢獻率；θij為成分矩陣中第j主成分對原指標變量Xi的載荷數(shù)；uij為第j主成分線性組合中原始指標Xi的系數(shù)；di為原始指標Xi在綜合模型中的系數(shù)；wi為原始指標Xi的權重歸一化后的結果。

2 結果與分析

2.1 外觀質量指標比較與權重分析

3種香型烤煙煙葉樣品的外觀質量指標（顏色、成熟度、葉片結構、身份、油分、色度）數(shù)據(jù)歸一化預處理結果如表1所示，3種不同香型煙葉的外觀質量指標數(shù)據(jù)存在一定差異，其中蜜甜香型有4項指標較高，焦甜焦香型各項指標數(shù)據(jù)（除身份）略低于其他2類，規(guī)律非常顯著。

外觀質量指標數(shù)據(jù)PCA特征值、方差貢獻率結果如表2所示，6個主成分變量承載了全部樣本外觀質量的所有信息，考察特征值λ＞1并結合方差貢獻率確定最優(yōu)的主成分數(shù)［15］，一共提取了2個主成分，累計方差貢獻率是74.33%，可以解釋總體樣本的絕大部分外觀信息，表明PCA結果比較可靠。權重計算結果顯示色度（25.87%）>油分（22.79%）>身份（13.52%）>顏色（13.45%）>葉片結構（13.02%）>成熟度（11.35%），其中前2項權重相對較大，說明色度和油分這2項指標可能對烤煙煙葉香型分類影響較大。

2.2 感官質量指標比較與權重分析

3種香型烤煙煙葉樣品的7項感官質量指標（香氣質、香氣量、濃度、雜氣、刺激性、余味和感官總分）數(shù)據(jù)歸一化預處理結果如表3所示，不同香型煙葉樣品的這7項感官質量指標間差異并不明顯，3種香型的這7項指標互有高低，其中香氣質、雜氣、余味、刺激性和感官總分都顯示清甜香型得分略高于另外2種香型。

感官質量指標數(shù)據(jù)PCA特征值、方差貢獻率結果如表4所示，7個主成分變量承載了全部樣本的所有信息，考察特征值λ＞1共提取了2個主成分，累計方差貢獻率高達79.10%。權重計算結果顯示香氣量（18.00%）>感官總分（17.99%）>濃度（16.33%）>刺激性（15.91%）>雜氣（12.86%）>香氣質（10.78%）>余味（8.13%），其中前4項權重相對較大，說明香氣量、感官總分、濃度、刺激性可能對煙葉的香型影響較大。

2.3 常規(guī)化學成分指標比較與權重分析

3種香型烤煙煙葉樣品的7項常規(guī)化學成分（總植物堿、總氮、還原糖、總糖、鉀、氯、淀粉）數(shù)據(jù)歸一化預處理結果如表5所示，不同香型煙葉樣品的7項常規(guī)化學成分含量存在明顯差異，總植物堿、鉀和氯3項指標呈現(xiàn)焦甜焦香型最高，而鉀和氯在蜜甜香型含量最低的特征。

常規(guī)化學成分指標數(shù)據(jù)PCA的特征值、方差貢獻率結果如表6所示，7個主成分變量承載了樣本的所有信息，根據(jù)特征值并綜合考慮方差貢獻率和碎石圖提取前3個主成分，累計貢獻率高達87.24%，能夠解釋總體樣本的絕大部分信息，表明PCA結果比較可靠。權重計算結果顯示氯（17.20%）>總糖（16.91%）>鉀（16.79%）>還原糖（15.33%）>總植物堿（15.28%）>總氮（11.03%）>淀粉（7.46%），不同指標間差異不是特別明顯，剔除存在相關性的指標后本著指標簡化的原則，取權重排前3的指標（氯、總糖和鉀），探討其對烤煙煙葉的香型分類判定結果的影響。

2.4 香氣物質指標比較與權重分析

采用SDE提取GC-MS方法鑒定出的中性香氣物質有糠醛、糠醇、2-乙?；秽?、5-甲基糠醛、苯甲醛、6-甲基-5-庚烯-2-酮、苯甲醇、苯乙醛、2-乙酰基吡咯、苯乙醇、茄酮、大馬酮、二氫大馬酮、β-紫羅蘭酮、香葉基丙酮、二氫獼猴桃內(nèi)酯、巨豆三烯酮（包括異構體1、2、3、4）、新植二烯、西柏三烯二醇、棕櫚酸和法尼基丙酮等。該研究在文獻研究［16-17］的基礎上，對這些指標進行相關性分析和顯著性檢驗，最終保留了含量較高且對香型有重要影響的糠醛、糠醇、茄酮、大馬酮、二氫大馬酮、巨豆三烯酮、二氫獼猴桃內(nèi)酯、西柏三烯二醇、棕櫚酸、新植二烯這10項香氣物質指標。3種香型烤煙煙葉樣品的10項香氣物質的數(shù)據(jù)歸一化預處理結果如表7所示，不同香型煙葉樣品的10項香氣物質含量存在明顯差異，同類化合物具有類似的規(guī)律，如酮類化合物（茄酮、二氫大馬酮、巨豆三烯酮）都是焦甜焦香型最高而蜜甜香型最低，醇類（糠醇、西柏三烯二醇）和新植二烯則是清甜香型最高。

對這10項香氣物質指標數(shù)據(jù)進行PCA，其特征值、方差貢獻率結果如表8所示，10個主成分變量承載了樣本的所有信息，考察特征值λ＞1一共提取了3個主成分，累計方差貢獻率高達82.37%，基本上解釋了樣本的香氣物質信息。權重計算結果顯示茄酮（16.08%）>二氫大馬酮（15.46%）>巨豆三烯酮（15.41%）>二氫獼猴桃內(nèi)酯（12.38%）>新植二烯（11.10%）>大馬酮（9.48%）>西柏三烯二醇（9.15%）>棕櫚酸（5.45%）>糠醇（4.63%）>糠醛（0.86%），其中前5項指標的權重相對較大，說明茄酮、二氫大馬酮、巨豆三烯酮、二氫獼猴桃內(nèi)酯、新植二烯可能對烤煙煙葉的香型分類有重要影響。

2.5 不同香型烤煙在單類別指標下的分型分析

該試驗考察了單類別質量特征指標的差異性對不同香型烤煙煙葉的區(qū)分程度，并以此來驗證關鍵指標選擇的合理性。圖1為4類不同類型質量特征指標PCA的散點圖，由圖1a可知，除去個別樣品外60個樣品可以很好地分到3個區(qū)域，這說明可以通過外觀質量指標提取的主成分來區(qū)分煙葉的不同香型風格，可保留權重較大的油分、色度為外觀差異指標。從圖1b可以看出，蜜甜香型與另外2個香型分布存在個別樣本的重疊交叉，說明不同香型的烤煙煙葉在感官質量得分上界限不明顯，考慮到感官質量一直是煙葉質量的重要評價標準，先保留權重相對較大的香氣量、感官總分、濃度、刺激性4項指標為感官質量差異指標。由圖1c可知，60個樣品有著顯著的“同類聚集，異類分散”現(xiàn)象，這說明可通過化學成分指標提取主成分來區(qū)分烤煙煙葉的香型，保留權重排前的氯、總糖、鉀3個指標為差異指標。由圖1d可知，3種香型的樣品可以很完美地聚集到3個空間區(qū)域，這說明可以通過香氣物質提取的主成分區(qū)分烤煙葉的不同香型風格，保留茄酮、二氫大馬酮、巨豆三烯酮、二氫獼猴桃內(nèi)酯、新植二烯5項權重相對較大的指標為差異指標。綜合這4類指標中篩選出的14項差異性指標，共同用于后續(xù)聚類分析驗證。

2.6 關鍵質量特征指標聚類分析驗證

為了對以上所篩選的14項烤煙煙葉香型風格判別指標進行驗證，設立了3組驗證樣：A組是從原樣本集60個樣本中隨機抽取15個樣品（編號1～5為清甜香型，6～10為蜜甜香型，11～15為焦甜焦香型）；B組為從原樣本集外部另取8個4種不同香型的驗證樣本（編號16～17為清甜香型，18～19為蜜甜香型，20～21為焦甜焦香型，22～23為清甜蜜甜香型）；C組是由前2組合并的一個含有23個樣品的新組。收集3組樣品的上述14項指標數(shù)據(jù)再進行CA。

該試驗采用的是個案系統(tǒng)聚類法，依照香型特性依次對A組、B組、C組樣品個案進行CA，聚類結果如圖2所示。從圖2a自身驗證結果可以看出，當組間距略大于5時，用以回判驗證的15個樣品能被較好地劃分為3個類組，第一類是全部的焦甜焦香型樣本（11～15號），第二類是全部的清甜香型樣本（1～5號）和一個8號蜜甜香型樣本，第三類為4個蜜甜香型樣品，回判準確率為93.33%。從圖2b可以看出，在組間距離為5時，8個外部驗證樣被分成了5類，第一類為蜜甜香型樣品，第二類為清甜蜜甜香型樣品，第三類為2個清甜香型樣品；而2個焦甜焦香型樣本（20、21號）被分成了兩組，分類正確率為87.50%。從圖2c可以看出，當組間距約為7時，23個烤煙葉樣品樣本被區(qū)分成4類，第一類樣品為所有的焦甜焦香型樣品（11～15、20～21號），第二類樣品為所有的清甜香型樣品（1～5、16～17號），第三類樣品為外部驗證樣中清甜蜜甜香型樣品（22～23號），第四類樣品是全部的蜜甜香型樣品（6～10、18～19號），分類正確率為100%。3組樣品的整體聚類正確率為93.61%。

3 討論

煙葉質量特征指標不僅變量多，而且類別也較多，其與香型的關系分析一直都是煙草行業(yè)的研究關注點。陳健等［18］研究西南清甜香烤煙風格質量指出，煙葉外觀特征中的厚度、蠟質感、葉面葉背光差、顏色深淺是影響清甜香型煙葉風格及質量的關鍵外觀質量特征指標，這些外觀特征與該研究中的油分和色度指標關系密切。蔣美紅等［19］建立了基于多源信息應用隨機森林算法的分類模型，得出影響烤煙香型分類的重要變量為氯離子、總糖、寬度、厚度和鉀離子，其中化學成分類各指標的重要性排序與該研究的關鍵性化學成分指標結果相一致。中性香氣物質指標比較多，含量差異也較大，不同的指標對煙葉的質量和香型分類也有不同程度的影響。鄔帥帆等［16］、李玲燕等［17］采用PCA法篩選出的不同生態(tài)區(qū)烤煙關鍵香氣物質其中包括巨豆三烯酮和茄酮；許洪慶等［20］利用Fisher逐步判別法所篩選出的對不同香型分類具有重要貢獻的16項指標中包括二氫獼猴桃內(nèi)酯、巨豆三烯酮、新植二烯、西柏三烯二醇等，這些關鍵性指標均與該研究結果相一致。

雖然此前關于煙草質量特征和香型分類的研究較多，但大都是以單類型某幾項指標來進行分類，難以客觀地反映煙草質量特征的綜合差異［6-7］。該研究從各類質量指標提取主成分得分繪制出的散點圖結果顯示，不同香型烤煙的各類質量指標存在程度不同的差異，從PCA提取的主成分計算的權重排序后，綜合4類指標篩選出14項關鍵性指標用于后期的聚類分析，結果顯示3組驗證樣品基本實現(xiàn)了同類聚集且異類分離，回判驗證A組、外部驗證B組和混合驗證C組的聚類分析準確率分別為93.33%、87.50%和100%，整體聚類效果較好，由此說明了關鍵指標的可靠性。

4 結論

通過主成分分析從4類質量特征指標中共篩選出對烤煙香型貢獻較大的14項關鍵指標，分別為2項外觀質量指標（色度、油分）、4項感官質量指標（香氣量、感官總分、濃度、刺激性）、3項常規(guī)化學成分（氯、總糖、鉀）、5項中性香氣物質（茄酮、二氫大馬酮、巨豆三烯酮、二氫獼猴桃內(nèi)酯、新植二烯）。

篩選的14項質量特征指標能夠較為準確地將驗證組A組15個樣品聚為3類，B組8個樣品聚為5類，C組23個樣品聚為4類，分類正確率分別為93.33%、87.50%和100%。

聚類分析顯示所篩選的14項關鍵性指標可以準確判別不同烤煙香型風格，并有效區(qū)分這3種不同新香型煙葉。

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