基于主成分和聚類分析的湖北烤煙物理質量指標綜合評價

趙瑞蕊，何結望，王海明，李 琳，閆鐵軍，許自成，任勝超

（1.河南農業大學煙草學院，鄭州 450002；2.湖北中煙工業有限公司技術研發中心，武漢 430052）

湖北屬北亞熱帶季風氣候，光照充足，熱量豐富，無霜期長，降水豐沛，雨熱同季，是我國重要的煙葉產區之一。湖北烤煙種植主要分布在恩施、宜昌、襄樊、十堰4個產地，年產烤煙95000 t左右。煙葉品質是一個十分復雜的概念，主要包括外觀質量、物理特性、化學成分和感官質量四大部分[1-2]。目前關于湖北煙區烤煙煙葉質量評價，多集中于化學品質[3]及生態因子[4-7]對煙葉品質影響等方面，關于湖北烤煙物理特性的研究少見報道。物理特性與加工性能、可用性和煙氣組分密切相關[8-9]，是煙葉質量的重要構成因素以及工業上原煙配方分組的操作依據[10]，因此，基于煙葉物理指標與工業加工的關系，本研究選取抗張力、抗張強度、斷裂伸長量、葉質重和厚度5個物理指標，采用主成分分析和系統聚類相結合的方法對湖北烤煙煙葉物理質量進行統計分析及綜合評價，為湖北烤煙煙葉質量評價和卷煙工業原料選用提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗材料取自 2010年湖北卷煙企業的初烤煙葉，上部（B）28份，中部（C）43份，下部（C）36份，共計107份，分布于13個產煙縣，烤煙品種為 K326，煙葉等級規格，上部為 B2F，中部為C3F，下部為X2F。產區分布見表1。

1.2 測定指標及方法

測定的物理指標包括抗張力、抗張強度、斷裂伸長量、葉質重和厚度。抗張力、抗張強度和斷裂伸長量的檢測按照GB2635—1992烤煙標準進行，葉質重和厚度參照閆克玉[11]的方法進行測定。

1.3 數據標準化處理

1.4 統計分析

用SPSS 18.0統計軟件進行相關分析、因子分析和系統聚類等統計分析。

2 結 果

2.1 烤煙物理特性總體狀況

湖北烤煙煙葉各物理指標不同部位之間存在顯著差異（表2），上部的5個指標均顯著大于中部和下部，而中部和下部間除葉質重外差異均未達到顯著水平。3個部位煙葉的抗張力均值變化范圍為1.00～1.50 N，變異系數中部最大。

煙葉的抗張強度均值在0.068 ～ 0.088 N/M范圍內，變異系數中部最大，上部和中部分布曲線一致，呈平闊正偏峰。上、中、下部位煙葉的斷裂伸長量均值分別為19.45、18.38、16.53 mm，中部變異系數最大。三個部位煙葉的葉質重分布曲線各不相同，上部為尖峭正偏峰、中部呈平闊正偏峰，下部呈尖峭負偏峰，分布范圍依次為 76.55 ～ 132.50、70.00 ～ 120.50、62.50 ～ 92.50 g/m2。上、中、下部位煙葉厚度均值分別為0.078、0.099和0.082 mm，下部變異系數最小，為11.62%。

表1 各縣樣品數Table1 Number of samples from each county

表2 湖北煙區烤煙物理指標描述性統計Table2 Statistics of tobacco physical indices in Hubei

2.2 相關分析

對湖北煙葉5個物理指標進行簡單相關分析，結果見表 3。厚度與抗張力、抗張強度、斷裂伸長量和葉質重間相關性均達到 1%極顯著水平，厚度和葉質重相關系數最大，為 0.807，說明煙葉厚度越大，煙葉的柔韌性越大，拉伸能力越強，煙葉的單位葉面積也越大。葉質重與抗張力和抗張強度間也達到極顯著正相關，與斷裂伸長量間達到顯著正相關，說明烤煙煙葉葉質重越大，煙葉的抗張力和抗張強度越大，即柔韌性越大，而對斷裂伸長量影響相對較小。抗張力、抗張強度和斷裂伸長量3個指標共同反映煙葉的柔韌性和抗外力能力，結果顯示這3個指標兩兩間相關關系均達到極顯著水平。

表3 物理指標間的相關系數Table3 Correlation coefficient among physical indices

2.3 主成分分析

首先進行 Bartlett球形度檢驗，結果見表 3，KMO的檢驗值為0.586，KMO值 ＞ 0.5，3個因子的貢獻率為95.59%，且p ＜ 0.01，因此可以對原始數據進行因子分析。采用主成分分析法，提取累積貢獻率大于85%的因子，并采用方差最大法對因子載荷矩陣實行正交旋轉以使因子具有命名解釋性，然后得出因子特征值、貢獻率（表 4）及因子載荷矩陣（表5）。

表4 物理指標因子特征值及貢獻率Table4 Factor eigenvalues and contribution rate of physical index

表5 物理指標成分因子的載荷矩陣Table5 Component matrix of principal component factor of physical indices

從表4、5可以看出，因子1由抗張力、抗張強度所決定，這兩種成分在因子1有較大的正載荷值，反映煙葉的柔韌性，其值越大，造碎越少，可用性越高，其貢獻率為39.07%；葉質重和厚度在因子2有較大的正載荷值，因子2主要解釋了這兩個成分，其貢獻率為36.31%，其值越大，煙葉出絲率越高，經濟效益越高，可稱為煙葉的經濟指標。因子3主要解釋了斷裂伸長量，其值越大，抵抗外力造成的破壞越小，其貢獻率為20.22%。

設提取的因子1、2、3得分依次為F1、F2、F3，主成分得分 ＝ Σ主成分得分系數*相對應的標準化變量，根據表4計算可得各因子得分數學模型如下：

模型1：F1= 0.541X1+ 0.562X2- 0.165X3- 0.102X4- 0.097X5

模型2：F2= -0.083X1- 0.100X2- 0.003X3+ 0.548X4+ 0.554X5

模型3：F3= -0.087X1- 0.127X2+ 1.051X3+ 0.548X4- 0.03X5

主成分因子的權重＝因子貢獻率/入選因子的累積貢獻率，由表4計算得因子1、2、3的權重依次為0.409、0.380、0.211，從而建立綜合得分數學模型，即模型3：F = 0.409F1+ 0.380F2+0.211F3。

將湖北煙葉物理指標原始數據標準化處理后，代入數學得分模型，求得每個樣本的主成分綜合得分，綜合得分越高，表明該樣本的物理性能越好。

2.4 聚類分析

采用系統聚類-質心聚類法，聚類距離運用歐氏距離，基于湖北烤煙物理質量綜合得分進行聚類分析，結果見圖1。13個縣107個樣品分為5類（表6），第I類，物理特性表現最好，綜合得分0.99～1.62，占總樣本的9 %，分布于鄖西、秭歸、宣恩、興山4個縣；第 II類，物理特性表現較好，綜合得分0.30～0.80，占總樣本的36%，跨越來鳳、宣恩等10個縣；第 III類，物理特性表現中等，綜合得分-0.11～0.24，占總樣本的40%，分布于保康、宣恩、房縣等10個縣；第IV類，物理特性表現較差，綜合得分-0.89～-0.21，占總樣本的10%，分布于巴東、來鳳、襄陽和咸豐4個縣；第V類，物理特性差，綜合得分-1.09～-0.97，占總樣本的5%，分布于巴東、興山、咸豐3個縣。

3 討 論

圖1 樣品綜合得分聚類樹狀圖Fig.1 Cluster tree of composite score of samples

表6 物理性能不同類別的樣本分布情況Table6 Sample distribution of different rank of physical indices

烤煙物理特性主要包括燃燒性、填充性、吸濕性、彈性、單位面積質量、含梗率及抗破碎能力、導電性等。這些物理特性直接影響卷煙制造過程及產品風格、成本和其他經濟指標，是卷煙加工企業對煙葉原料進行可用性評價的重要內容之一[12]。從煙草栽培學的角度，煙草的物理特性主要指葉片的厚度、葉面密度、單葉質量、平衡含水量、填充值、含梗率等[13]。卷煙工業企業對工藝參數的探索過程中，除考慮煙葉的平衡含水量和含梗率外，比較關注煙葉的抗張力、抗張強度、斷裂伸長量、葉質重和厚度等物理質量指標。李曉等[14]指出葉片厚度在一定程度上反映了煙葉的發育狀況、成熟程度及打葉質量。劉麗等[15-16]研究表明，較大的抗張力和抗張強度可減少煙葉的造碎，斷裂伸長量較大的煙葉韌性好，減輕外力造成的破壞，葉質重和厚度大的煙葉出絲率高，可以增加經濟效益。本研究在前人研究的基礎上選取抗張力、抗張強度、斷裂伸長量、葉質重和厚度5個物理指標，分析結果表明，5個物理指標在不同部位間差異顯著，斷裂伸長量和厚度間相關關系未達到顯著水平除外，5個指標兩兩之間均呈正相關關系，且達到顯著或極顯著水平，說明5個物理指標間關系密切，相互影響，與前人的研究結果一致。

采用主成分分析法建立質量評價模型，以量化形式表征物理綜合質量，減少了單個指標反映物理質量帶來的差異性。以主成分綜合得分為基礎對樣品進行聚類分析，結果客觀地綜合了5個物理指標，剔除了5個指標之間的冗余信息，有效地去除了煙葉質量評價的主觀成分，所得聚類分析結果較為客觀。基于主成分分析和聚類分析的烤煙物理質量綜合評價拓寬了研究烤煙質量的途徑。

煙葉質量評價體系的研究認為[14]，煙葉物理特性是煙葉質量的重要組成部分，與煙葉加工性能、加工質量、經濟效益關系密切。本研究提出主成分分析和系統聚類相結合的評價方法，是評價烤煙物理質量的新思路，結果對烤煙煙葉質量評價和卷煙工業企業的原料選取有一定的指導意義。

4 結 論

采用主成分分析法從5個物理指標中提取出3個主成分因子，累積貢獻率達到95.59%，得到物理質量綜合得分數學模型，在一定范圍內，綜合得分越高，煙葉物理質量表現越好。

以煙葉物理質量綜合得分為基礎對107個樣品進行聚類分析，結果分為5類，第I類，綜合得分為 0.99～1.62，物理性能表現好；第 II類，物理特性表現較好，綜合得分0.30～0.80；第III類，物理特性表現中等，綜合得分-0.11～0.24；第IV類，物理特性表現較差，綜合得分-0.89～-0.21；第V類，綜合得分為-1.09～-0.97，物理性能表現差。

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