基于物元可拓模型的四川煙區烤煙中部葉化學品質的評價

張永輝， 夏 春， 謝 強， 夏建華， 霍云霄， 魯逸飛， 魯黎明*

(1.四川省煙草公司 瀘州市公司， 四川 瀘州 646000； 2.四川省煙草公司 涼山州公司， 四川 西昌 615000； 3.四川農業大學 農學院， 四川 成都 611130)

烤煙品質主要由感官評吸質量所決定，煙葉的化學成分含量及其協調性則是其物質基礎[1]。張錦韜[2]認為，紅花大金元煙葉的總糖含量較低，鉀含量較高，使得紅花大金元比其他烤煙品種的透發性更好。高維常等[3-4]認為，總糖含量、還原糖含量、鉀含量、糖堿比、鉀氯比和兩糖比與感官質量間的相關性極顯著，而氯、煙堿和總氮含量與感官質量呈顯著負相關。劉國俠等[5]研究表明，糖類物質含量與香氣質、香氣量、雜氣、刺激性、余味、燃燒性和使用價值間呈顯著正相關，而總氮和煙堿含量與感官質量指標間呈顯著負相關。

煙葉化學成分協調性的評價方法很多，其中，采用最多的是經驗值法。即根據優質煙葉的各項化學成分的含量范圍，以及兩糖差、糖堿比、氮堿比和鉀氯比等協調性指標的比值范圍判定煙葉的化學成分含量是否適宜及協調。該方法較為簡單，但不能全面地反映煙葉的化學成分是否協調。因此，主成分分析、聚類分析以及灰色關聯度分析等基于數學分析的方法應運而生。主成分與聚類分析是應用較多、也是較為經典的方法[6-9]，其優點是準確性較高，不僅能夠用于煙葉的質量評估，在其他行業的應用也很廣泛。近年來，灰色關聯度分析法也較多地應用于煙葉化學成分協調性的評價。李東亮等[10-18]均成功地利用灰色關聯法對煙葉的化學品質進行評估，評估結果具有可靠性。此外，TOPSIS法[14]、模糊評判與歐氏距離法[15]、雷達圖[16-17]、廣義灰關聯[18]、灰色等權聚類[12]、屬性識別模型[19]、集對分析[20]和投影尋蹤[21]等也被用于煙葉化學品質的研究。但前述方法用于煙葉化學品質評價均面臨一個共性的問題，即所涉及的指標較多，而且性質不同。因而，難以克服指標間的共線性問題，導致評價結果存在一定的偏差。

物元分析由我國學者蔡文于1983年首創，是研究物元、探討如何求解不相容問題的一種方法，實際上也是一種管理決策和過程控制的方法論[22-23]。物元可拓法是一種全新的分析方法，張勇剛等[24-25]運用物元可拓法分別對烤煙的感官質量及土壤養分進行綜合評價。徐文珊等[26]通過建立物元可拓模型對瀘州煙葉的化學成分協調性進行分析，并取得了較為理想的結果。然而，與主成分及聚類分析法相比，物元可拓分析法的優缺點尚不明確。為此，以四川不同產區煙葉為研究對象，通過建立物元可拓模型，對煙葉化學品質進行評價，并與主成分及聚類分析方法進行對比，以期為物元可拓法在煙葉化學品質評價上的應用提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 材料

煙葉樣品：云煙87中部葉C3F等級樣品53個，每個樣品2.5 kg，于2016年分別采自四川省涼山州、攀枝花市、瀘州市、宜賓市及廣元市等5個烤煙主產區。

1.2 方法

1.2.1 指標測定 煙葉樣品的指標包括總糖、還原糖、總煙堿、鉀、氯、總氮和淀粉等常規化學成分，各指標均按文獻[1]的方法進行測定；并計算糖堿比、鉀氯比和氮堿比等衍生指標。

1.2.2 物元可拓模型的建立與評價

1) 數據的標準化處理。根據優質煙葉化學指標最適范圍[27]：20.0%≤總糖≤27.0%、19.0%≤還原糖≤22.0%、2.1%≤總煙堿≤2.4%、1.5%≤總氮≤3.5%、0.3%≤氯≤0.5%、鉀≥2.5%、8.0≤糖堿比≤12.0、1.0≤氮堿比≤1.1、氯鉀比≥4.0、淀粉≤3.5%。結合前人研究結果以及行業專家的建議確定煙葉化學成分各指標所屬隸屬度函數類型以及轉折點值，將化學成分各指標數值轉化為0.1～1.0。

2) 權重的確定。根據四川省煙葉質量評價體系，并參照前人的研究結果[11,18,26-27]，確定各化學成分指標的權重：總糖0.099、還原糖0.107、總煙堿0.136、總氮0.093、鉀0.087、氯0.044、淀粉0.101、糖堿比0.158、氮堿比0.111、鉀氯比0.063。

3) 模型的建立。采用物元可拓集分析理論構建評價模型[22,28-29]，對四川省各產區煙葉的化學成分協調性進行評價。參照張勇剛等[24-26]的方法計算各植煙區域以及指標的綜合關聯度和可拓指數。將化學成分原始數據按照隸屬度函數轉換后，得到新的數據。按煙葉化學品質評價標準將其分為5個級別(表1)。

表1 煙葉化學品質評價標準

1.2.3 主成分與聚類分析 主成分分析及聚類分析在煙葉的化學品質評價中較為常見[6-9]，為了驗證采用物元可拓模型評價煙葉化學品質的可行性，根據李國棟等[6]的方法，對53個煙葉樣品的化學成分數據進行標準化處理，采用SPSS11.0進行主成分分析，計算各樣本的主成分綜合得分，在此基礎上，進行聚類分析，以判定煙葉樣本的化學品質。

2 結果與分析

2.1 四川煙區中部煙葉化學成分含量及其協調性

從表2看出，四川煙葉的總糖、還原糖、總煙堿、氯、鉀、總氮和淀粉的平均含量分別為34.56%、29.74%、2.15%、0.75%、2.28%、2.18%和5.14%，變異系數分別為0.42、0.21、0.18、0.32、0.08、0.33和0.36；衍生指標糖堿比、鉀氯比和氮堿比平均分別為11.74、10.72和1.15，變異系數分別為0.71、0.15和0.34。總體看，化學成分總體較為協調，其中，糖含量總體偏高，煙堿含量較為適宜，而鉀與總氮的含量適中；變異系數糖堿比最大，鉀最小，說明四川煙區中部煙葉的糖堿比變化較大，而鉀含量則變化較小。

表2 四川煙區中部煙葉化學成分的含量

2.2 四川煙葉的化學品質

依據物元可拓模型的判定原則，煙葉樣品化學成分指標最大綜合關聯度數值所對應的品質等級即為該煙葉樣品化學品質的質量檔次。從表3可知，在53個煙葉樣本中，1號、3號、5號、7號、9號、15號、21號和41號等8個煙葉樣品的質量檔次為好，2號、6號、11號、13號、14號、17號、19號、20號、23號、25號、28號、31號、35號、36號、37號、39號、40號、49號、51號、52號和53號等21個煙葉樣品的質量檔次為較好，4號、8號、10號、12號、16號、18號、22號、24號、26號、27號、29號、30號、32號、33號、34號、38號、42號、43號、44號、45號、46號、47號、48號等23個煙葉樣品的質量檔次為中等，僅50號煙葉樣品的質量檔次為稍差。總體看，四川煙葉的化學品質整體較好。

表3 四川煙葉化學品質的質量檔次

續表3

2.3 煙葉化學品質的綜合評價

2.3.1 主成分分析 從表4看出，前3個特征根的累計貢獻率為81.61%，所以，提取前3個主成分。第1主成分的貢獻率為 49.54%，其中糖堿比、總糖、還原糖和氮堿比等有較大的正系數；而總煙堿、氯和總氮有較大的負系數，說明第1主成分是烤煙品質的綜合反映。第2主成分的貢獻率為21.52%，其中氯、淀粉、總糖和還原糖有較大的正系數；鉀與鉀氯比有較大的負系數。第3主成分的貢獻率為 10.55%，其中淀粉含量有較大的正系數；總氮有較大的負系數。

表4 煙葉化學品質的特征向量與主成分貢獻率

2.3.2 聚類分析 從表5可知，在53個煙葉樣本中，1號煙葉樣品的綜合得分最高，為2.865 1分，其化學品質相對最好；5號、7號、41號、9號、21號和15號煙葉樣品的綜合得分較高，分別為2.607 5分、2.597 1分、2.495 1分、2.286 2分、2.257 8分和2.215 0分，其化學品質相對較好；30號、44號和50號煙葉樣品的綜合得分較低，分別為-2.919 0分、-2.333 4分和-2.120 8分，其化學品質相對最差。

表5 四川煙區中部煙葉樣品化學品質主成分評價的綜合得分

根據主成分綜合得分，將53個樣本的綜合化學品質分為4類。第1類煙葉樣品綜合化學品質的質量檔次為好，主成分綜合得分>2.0，平均綜合得分為2.42，包括1號、3號、5號、7號、9號、15號、21號和41號8個煙葉樣品；第2類煙葉樣品綜合化學品質的質量檔次較好，綜合得分>0.10，平均綜合得分為0.72，包括11號、13號、17號、19號、20號、23號、25號、28號、31號、35號、37號、39號、49號、51號和53號15個煙葉樣品；第3類煙葉樣品綜合化學品質的質量檔次為中等，綜合得分<-0.099分，平均為-0.84分，包括2號、4號、6號、8號、10號、12號、14號、16號、18號、22號、24號、26號、27號、29號、32號、33號、34號、36號、38號、40號、42號、43號、45號、46號、47號、48號和52號27個煙葉樣品；第4類煙葉樣品綜合化學品質的質量檔次為稍差，綜合得分<-2.12分，平均-2.46分，包括30號、44號和50號3個煙葉樣品。

2.4 不同評價方法的結果差異

從表6看出，在53個煙葉樣品中，2種評價方法結果一致的有1號、3號和4號等45個煙葉樣品，一致率達84.9%。2號、6號和14號等6個煙葉樣品，采用物元可拓法判定結果為較好，而主成分判定結果則為中等；33號和44號2個煙葉樣品物元可拓法判定結果為中等，而主成分判定結果則為稍差。說明，采用物元可拓法評價煙葉的化學品質，與經典的主成分分析法有較高的一致性，是對煙葉化學品質評價的新嘗試。

表6 不同評價方法的品質判定結果

3 結論與討論

為了明確物元可拓分析方法評價煙葉化學品質的可行性，以四川煙葉為研究對象，利用物元可拓集分析理論構建相應的煙葉化學品質分析評價模型，通過計算各指標的綜合關聯度，對煙葉樣品進行化學品質判定。同時，為了驗證方法的可行性，采用經典的主成分分析法對53個煙葉樣品的化學品質進行評價。研究結果表明，四川煙區中部煙葉的化學成分較為協調，2種方法評價結果的一致率達84.9%。說明物元分析的方法可以應用于煙葉的化學品質評價。

為了克服經驗值法不能夠全面地反映煙葉化學品質的缺點，主成分分析法通過對各個化學成分指標進行主成分分析，計算出主成分綜合得分，并據此進行煙葉化學品質的評價。應用該方法進行煙葉化學品質評價時，首先需要確定各化學指標的適宜值，據此進行原始數據的標準化處理，然后，根據標準化的數據進行主成分分析。其次，該方法的準確性依賴于化學指標適宜值的合理確定。此外，主成分分析法基本上是一種客觀的分析方法，并沒有考慮各個化學指標對感官評吸質量的貢獻。因而，在實際應用主成分分析法進行煙葉化學品質評價時，主成分的綜合得分與各評吸指標的得分存在一定的差異[6]。

物元分析是根據物元在整個系統的重要性和可信度，在比較和優選的基礎上，將物元分配以不同的權值比重，綜合計算出該特征屬性總體的最優化表征值[22-23]。盡管在應用物元分析進行煙葉化學品質評價時，仍然要根據化學指標的適宜值進行數據的標準化。然而，在建立物元可拓模型計算綜合關聯度時，根據化學指標的重要性，對煙葉化學指標進行賦權，因而，評價的結果能夠更接近于實際。然而，物元分析方法也存在一些不足，如計算過程較為復雜及繁瑣等。同時，在分析過程中，由于要對化學指標的適宜值及其權重為主觀認定，因此，不可避免地帶有一定的主觀性。所以，在實際應用物元分析法進行煙葉化學品質評價時，如何減少計算量，降低主觀性，仍需要進一步深入研究。

煙葉化學品質分析的方法雖然較多，但目前仍然缺乏快速、準確和簡便的分析方法。研究為煙葉化學品質分析方法提供了新的探索思路，期待有新的理論與方法能夠發揮物元分析的優點，克服其缺點，為煙葉化學品質的評價開辟新的途徑。