煙葉機械加工性能與主要化學成分的關系分析

代惠娟，楊 曄，李 彬，李愛軍，陳紅麗

(1.河北中煙工業有限責任公司，河北 石家莊 050051；2.四川中煙工業有限責任公司 長城雪茄煙廠，四川 什邡 618400；3.河南農業大學 煙草學院，河南 鄭州 450002)

煙葉機械加工性能與主要化學成分的關系分析

代惠娟1，楊 曄1，李 彬1，李愛軍2，陳紅麗3

(1.河北中煙工業有限責任公司，河北 石家莊 050051；2.四川中煙工業有限責任公司 長城雪茄煙廠，四川 什邡 618400；3.河南農業大學 煙草學院，河南 鄭州 450002)

應用DPS軟件對2015年平頂山等地46份煙葉主要化學成分和機械加工性能指標進行了簡單相關分析,結果表明：煙葉抗張力、抗張強度、延伸率和抗破碎指數與總糖、還原糖、果膠呈正相關，與煙堿、總氮、蛋白質呈負相關，煙葉抗破碎指數與總糖、還原糖、果膠呈極顯著正相關，與煙堿、總氮、蛋白質呈極顯著負相關。應用因子分析法對所取煙葉主要化學成分進行了因子分析，提取出的碳氮因子、果膠因子、pH因子3個主因子的累計貢獻率為82.386%。將因子得分與煙葉機械加工性能指標進行了灰色關聯度分析，結果表明：對煙葉機械加工性能影響最大的是綜合因子，對抗張力、抗張強度、延伸率影響最小的是果膠因子，對抗破碎指數影響最小的是pH因子。

煙葉；主要化學成分；機械加工性能；因子分析；灰色關聯分析

煙葉的機械加工性能，是指煙葉在各種機械力(摩擦、擠壓、撞擊、撕打等)的作用下抵抗破碎的能力，它主要通過煙葉抗張力、抗張強度、延伸率和抗破碎性來度量[1]。煙葉的機械加工性能受煙葉加工過程的影響，此外還與煙葉的外觀質量、化學成分等密切相關。煙草教材及相關參考文獻中經常提到煙葉抗破碎性，但也只是通過眼觀、手摸得出的一個模糊的概念，而對煙葉抗破碎性的測定方法以及對煙葉抗破碎性進行定量的研究，在國家標準及ISO標準中一直是個空白，對煙葉化學成分與機械加工性能關系的研究也鮮有報道。本文探討了煙葉機械加工性能與煙葉主要化學成分的關系，旨在為豐富卷煙原料質量評價體系，減少煙葉加工中過程造碎提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 供試材料

材料選自2015年平頂山和洛寧科技示范園的烤煙煙葉，包括郟縣、葉縣、汝州、舞鋼、魯山、寶豐、洛寧7個縣的41個煙葉樣品，品種為中煙100和NC89，成熟采收，烘烤后取上部葉(B2F、B2L)、中部葉(C3F、C3L)、下部葉(X2F、X2L)3個部位。另外，選自貴州畢節、重慶彭水、湖北恩施烤煙，以及湖北恩施白肋煙、云南寶山香料煙6個煙葉樣品，成熟采收烘烤后，均取中部葉。

1.2 試驗方法

1.2.1 主要化學成分分析 總糖、還原糖、煙堿、鉀、氯的測定采用連續流動儀法；總氮、蛋白質、淀粉的測定參考王瑞新[2]的方法；煙葉pH、果膠含量的測定參照閆克玉等[3-4]的方法。

1.2.2 機械加工性能分析 抗張力、抗張強度、延伸率的測定參考吉書文等[5]的方法。抗破碎指數用來衡量煙葉抗破碎性能，其測定參考于建軍[1]的方法。

1.2.3 數據處理 運用SPSS 11.5軟件對主要化學成分進行因子分析，計算出因子得分，并運用DPS統計分析軟件將因子得分與煙葉機械加工性能指標進行灰色關聯度分析。

2 結果與分析

2.1 煙葉機械加工性能與主要化學成分之間的簡單相關分析

煙葉的抗張力、抗張強度、延伸率和抗破碎指數用來衡量煙葉的機械加工性能[1]，以上指標越大，說明煙葉機械加工性能越強，抵抗加工過程造碎的能力越強。煙葉機械加工性能與主要化學成分之間的簡單相關系數見表1。由表1可以看出，煙葉的pH值與抗張力、抗張強度呈顯著負相關，與總糖、還原糖、淀粉、果膠呈正相關，與煙堿、總氮、蛋白質、鉀負相關，相關系數均沒有達到顯著水平。延伸率與果膠呈極顯著正相關，與總糖、還原糖、鉀呈正相關，與淀粉、煙堿、總氮、蛋白質、氯呈負相關，相關系數沒有達到顯著水平。煙葉抗破碎指數與總糖、還原糖、果膠極顯著正相關，與煙堿、總氮、蛋白質、鉀、氯呈極顯著負相關，煙葉抗破碎指數與淀粉、pH呈正相關，但相關系數沒有達到顯著水平；煙葉抗破碎指數與抗張力、抗張強度呈極顯著正相關，與延伸率呈顯著正相關。王建民等[6]研究結果表明：含糖量高、含氮量低的煙葉在打葉復烤過程中造碎較少，而含糖量低、含氮量高的煙葉造碎較多，這與本文的研究結論基本一致。

表1 煙葉機械加工性能與主要化學成分之間的簡單相關系數

注：*、**分別表示在0.05、0.01水平上的顯著性。

2.2 煙葉機械加工性能與主要化學成分的因子分析

應用SPSS 11.5數據處理軟件對煙葉主要化學成分進行因子分析，利用主成分分析法提取特征值大于0.9的3個主因子，3個主因子的累積貢獻率為82.386%，對10種主要化學成分指標的貢獻率分別為45.312%、20.815%、16.259%。公因子方差給出該模型對各變量所能解釋的方差比例，除鉀、氯、煙堿、水浸液pH值方差比例稍低外，其余均大于75%，說明該模型在闡明以因子形式表現的變量間的關系時有較高的可信度。KMO的統計量為0.694，說明適合對煙葉主要化學成分進行因子分析[7]。將3個主因子進行4次方最大正交旋轉，得出主成分、特征值及貢獻率(表2)和因子載荷矩陣(表3)。

表2 主成分、特征值及貢獻率

注：主成分M=3。

從因子載荷矩陣(表3)可以看出，第一個主因子主要包括含碳化合物和含氮化合物，故可稱之為碳氮因子，它對煙葉化學成分的貢獻率為45.312%，碳氮因子主要由總糖、還原糖、煙堿、總氮、蛋白質、鉀、氯決定，且煙堿、總氮、蛋白質、鉀、氯在碳氮因子上具有較大的正載荷，說明這幾個變量呈正相關，與碳氮因子也呈正相關，總糖、還原糖在碳氮因子上具有較大的負載荷，說明總糖、還原糖具有相似的變化趨勢，兩者呈正相關，而與碳氮因子呈負相關。淀粉在第二個主因子上具有最大的正載荷，可將第二個主因子稱為果膠因子，淀粉在果膠因子上具有最大的負載荷，說明淀粉與果膠因子呈負相關，果膠因子的貢獻率為20.815%。pH值在第三個主因子上具有最大負載荷，可將第三個主因子稱為pH因子，總氮、蛋白質在pH因子上具有較大的正載荷，說明總氮、蛋白質與pH因子呈正相關，pH因子的貢獻率為16.259%。

利用回歸模型計算3個主因子的得分，其數學模型的建立參照時松和等[8]的方法。根據3個主因子的貢獻率和因子得分，可建立煙葉化學成分綜合因子得分數學模型[9]：

F=0.550X1+0.253X2+0.197X3

式中：X1為碳氮因子得分，X2為果膠因子得分，X3為pH因子得分。

3個主因子得分和綜合因子得分見表4。綜合因子得分是對煙葉化學成分的綜合評價，在一定程度上反映了煙葉化學成分的協調程度，因此也可以把綜合因子稱為化學成分協調因子[9]。

表3 煙葉主要化學成分3因子模型分析

2.3 煙葉機械加工性能與主要化學成分的灰色關聯度分析

灰色關聯度分析是根據因素間發展態勢的相似或相異程度來衡量因素間關聯程度的一種分析手段。它表示了事物動態關聯的特征與程度，由于以發展態勢為立足點，對樣本量的多少沒有過分的要求，也不需要典型的分布規律，計算量少，精確度高[10]。將3個因子得分和綜合因子得分作為比較數列，煙葉機械加工性能作為參考數列(表4)。利用灰色關聯度將煙葉主要化學成分與其機械加工性能指標進行了分析，關聯度越大說明比較數列對參考數列的影響就越大。為消除各指標間量綱的影響，將煙葉化學成分和機械加工性能指標進行標準化處理后，再進行灰色關聯度分析。將3個主因子得分、綜合因子得分分別與對應樣品的抗張力、抗張強度、延伸率、抗破碎指數進行灰色關聯度分析，結果見表5。

參考數列:X0=[x0(k),k=1，2，3，…，k]=[x0(1)，x0(2)，…，x0(4)]

比較數列:Xi=[xi(k),k=1，2，3，…，i]=[xi(k)，xi(k)，…，xi(10)]

式中i=1總糖、2還原糖、3淀粉、4煙堿、5總氮、6蛋白質、7鉀、8氯、9pH、10果膠

則比較數列Xi對參考數列X0的關聯系數為:

εi(k)=

ρ為分辨系數，取0.5。

從表5可以看出，在各主因子與煙葉機械加工性能指標的灰色關聯排序中，對抗張力、抗張強度的影響順序是綜合因子>pH因子>碳氮因子>果膠因子，對延伸率的影響排序是pH因子>碳氮因子>綜合因子>果膠因子，對抗破碎指數的影響排序是碳氮因子>綜合因子>果膠因子>pH因子。總之，碳氮因子和綜合因子對煙葉的機械加工性能的影響最大。

3 結論與討論

(1)煙葉抗張力、抗張強度與總糖、還原糖、果膠呈正相關，與煙堿、總氮、蛋白質、鉀呈負相關，與煙葉水浸液pH呈顯著負相關；煙葉延伸率和果膠呈極顯著正相關，與總糖、還原糖、鉀呈正相關，與淀粉、煙堿、總氮、蛋白質、氯呈負相關；煙葉抗破碎指數與總糖、還原糖、果膠呈極顯著正相關，與煙堿、總氮、蛋白質、鉀、氯呈極顯著負相關。煙葉的化學成分主要通過影響煙葉的吸濕性來影響煙葉的機械加工性能，總糖、還原糖、果膠屬于親水性物質，對煙葉的吸濕性、保濕性和彈性起到一定的作用。另外，煙葉的組織結構也與機械加工性能有關，煙葉中含碳化合物含量較高而含氮化合物含量較低時，煙葉的組織較細致，機械加工性能較好[2]。氯含量高于0.6%時會增加煙葉的吸濕性[2]，90%以上所取煙葉樣品的氯含量低于0.6%，所以其對煙葉抗張力、抗張強度的影響不顯著。水浸液pH、鉀影響煙葉機械加工性能的原因有待于進一步研究。

(2)因子分析用于尋找煙葉眾多化學成分中起支配作用的潛在因子。碳氮因子占原變量總方差的比例為45.312%，明顯高于另外2個因子，說明碳氮化合物在化學成分中的作用最大，對煙葉品質的影響最顯著，即煙葉的品質主要由煙葉中碳氮化合物的協調程度決定。煙葉抗張力、抗張強度、延伸率、抗破碎指數與煙葉質量呈正相關[1]，糖含量高、氮含量略低的煙葉碳氮平衡協調，其機械加工性能也較好。果膠是親水性膠體物質，通過滲透作用對煙葉的吸濕性和彈性起一定的作用[2]。水浸液pH值反映了煙葉質量，等級高的煙葉水浸液pH值也越高[2]，水浸液pH值在pH因子上具有最大的負載荷，說明水浸液pH值和pH因子有相反的變化趨勢。

表4 煙葉主要化學成分因子得分與煙葉機械加工性能比較

(3)從各主因子得分與煙葉機械加工性能的灰色關聯度排序中可以看出，對煙葉機械加工性能影響最大的是綜合因子，對抗張力、抗張強度、延伸率影響最小的是果膠因子，對抗破碎指數影響最小的是pH因子。

表5 煙葉主要化學成分因子得分與煙葉機械加工性能指標的灰色關聯度

[1] 于建軍.卷煙工藝學[M].北京:中國農業出版社,2003.

[2] 王瑞新.煙草化學[M].北京:中國農業出版社,2003.

[3] 閆克玉,龔珍林,張映.烤煙煙葉pH值的對比分析[J].煙草科技,2007(6):49-52.

[4] 閆克玉.煙草化學[M].鄭州:鄭州大學出版社,2002.

[5] 吉書文,騰兆波.煙草物理檢測[M].鄭州:河南科學技術出版社,1997.

[6] 王建民,馬林,胡開利.打葉過程中煙葉造碎情況分析[J].煙草科技,2001(7):3-4.

[7] 余建英,何旭宏.數據統計分析與SPSS應用[M].北京:人民郵電出版社,2003.

[8] 時松和,施學忠,李穎琰.計算機在醫學數據分析中的應用[M].蘭州:蘭州大學出版社,2005.

[9] 于建軍,代惠娟,李愛軍,等.金攀西烤煙主要化學成分與評吸質量的灰色關聯度分析[J].河南農業大學學報,2007,41(6):605-610.

[10] 唐啟義,馮明光.DPS數據處理系統-實驗設計、統計分析及模型優化[M].北京:科學出版社,2006.

(責任編輯：曾小軍)

Analysis of Relationship between Machining Property and Main Chemical Components of Tobacco Leaf

DAI Hui-juan1, YANG Ye1, LI Bin1, LI Ai-jun2, CHEN Hong-li3

(1. China Tobacco Hebei Industrial Limited Corporation, Shijiazhuang 050051, China; 2. Great Wall Cigar Factory, China Tobacco Sichuan Industrial Company, Shifang 618400, China; 3. College of Tobacco Science, Henan Agricultural University, Zhengzhou 450002, China)

Forty-six kinds of tobacco leaf samples were collected from Pingdingshan and other tobacco-growing areas in 2015, and their main chemical components and machining properties were analyzed through DPS. The results indicated that the tension stress, tensile strength, ductility rate and shatter-resistant index of tobacco leaves had a positive correlation with the total sugar, reducing sugar and pectin content, and had a negative correlation with the nicotine, total nitrogen and protein content. The shatter-resistant index of tobacco leaves was extremely significantly positively correlated with the total sugar, reducing sugar and pectin content, and was extremely significantly negatively correlated with the nicotine, total nitrogen and protein content. The main chemical components of tobacco leaves were analyzed by factor analysis, three principal factors (carbon nitrogen factor, pectin factor and pH factor) were extracted from these chemical components, and the accumulative contribution rate of these three principal factors was 82.386%. The grey relation degree between the principal factor score and the machining property indexes of tobacco leaves was analyzed, and it was found that: the synthetic factor had the greatest effect on the machining property of tobacco leaves; pectin factor had the least effect on the tension stress, tensile strength and ductility rate; pH factor had the least influence on the shatter-resistant index.

Tobacco leaf; Main chemical components; Machining property; Factor analysis; Grey relation analysis

2016-09-14

河南省煙草專賣局資助項目。

代惠娟(1982─)，女，河南鄭州人，農藝師，碩士，從事煙葉質量驗收工作。

S572

A

1001-8581(2017)03-0070-05