基于主成分散点图的西南烟区烤烟质量综合评价

张 玺， 谢 晋， 梁增发， 王 寒， 王 维

(1.广东中烟工业有限责任公司， 广东 广州 510385；

2.华南农业大学 农学院， 广东 广州 510642)

【研究意义】烟叶质量由烟叶化学成分、感官质量及外观质量等多项指标构成[1]，评价烟叶质量时既要考虑单项指标的适宜性，同时还应结合多项评价指标进行整体分析，才能系统性地对烟叶的质量进行综合评价[2]。已有研究对烟叶质量进行综合分析时，常以化学成分为主要评价指标，而感官质量则作为验证指标，不纳入分析体系，其分析结果不能完全体现烟叶的真实质量。而致香物质是烟叶香气品质、香型风格形成的重要物质基础，也应当纳入评价体系方可构建更加完善，且能够代表更多烟叶质量特征分析模型。探究构建化学成分、感官质量及外观质量等多项指标的西南清香型烤烟综合评价模型，并就基于主成分散点图的西南烟区烤烟质量进行综合评价，对烟叶工业应用的质量选择具有重要意义。【前人研究进展】主成分分析法是烤烟质量综合评价的常用方法。其是采用降维方式将多项指标转化成少数几项新的指标，转化后的指标能够保留原始变量的大部分信息，新的变量彼此间互不相关且不存在多重共线性，最终得出可量化的综合得分，但可视化程度仍然较低[3-4]。李国栋等[5]以主成分分析为主，层次聚类分析为辅，以化学成分为主体指标对烤烟质量进行了整体评价。王玉胜等[6]运用主成分分析法和Q型聚类分析对14个不同工业等级标准的烟叶质量进行了评价。叶协锋等[7]以外观质量和常规化学成分为评价指标，建立了基于主成分分析和聚类分析的烟叶质量综合评价模型。主成分分析得出样品综合得分后，将样品的得分以散点图的形式呈现出来，可显著提高综合分析模型的可视化程度。【研究切入点】散点图是利用散点的分布形态反映变量关系的一种图形，可通过直观醒目的图形形式反映变量间关系的变化形态[8]。鲜见基于主成分散点图在西南烟区烤烟质量综合评价上应用的研究报道。以化学成分、感官质量和致香物质为评价指标，采用主成分分析结合三维散点图法构建西南烟区烤烟质量综合评价模型。【拟解决的关键问题】构建多指标烤烟综合评价模型，对基于主成分散点图的烤烟质量进行综合评价，以期为西南烟区烤烟质量的综合评价及烟叶工业应用的质量选择提供科学依据。

1.1 材料

试验烟叶为2018年云南普洱(C2F、C3F、B2F)、四川会理(C3F)、云南曲靖(B2F)和四川西昌(B2F)四大产烟区的复烤后片烟，验证试验烟叶为2019年云南普洱(C2F、B2F)和云南曲靖(C2F、B2F)的原烟和复烤后片烟。

1.2 方法

1.2.1 指标测定 烟叶的总糖、还原糖、总植物碱以及总氮含量采用连续流动分析仪进行测定，并通过计算得到糖碱比和氮碱比[9]。烟叶的类胡萝卜素降解产物、西柏烷类物质和美拉德反应产物采用蒸馏萃取法测定[10]。感官质量由广东中烟工业有限责任公司评吸专家，按照标准方法(YC/T 138-1998)采用9分制对香气质、香气量、浓度、劲头、杂气、刺激性和余味等指标进行评价。

1.2.2 烟叶指标原始数据的标准化处理与主成分分析 由于化学成分、感官质量和致香成分等指标的量纲不统一、数量级也存在差异，因此需对各指标进行标准化处理以消除量纲和数量级对综合评价带来的不良影响。各指标原始数据经标准化处理后进行主成分分析，并根据特征根大于1的原则提取主成分。

1) 适宜型指标。包括烤烟总糖、还原糖、总植物碱、总氮、氮碱比和糖碱比，各指标的适宜范围分别为22%～28%、20%～26%、2.4%～2.6%、1.9%～2.1%、6.0～10.0和0.8～1.0，因存在适宜范围，其值偏离最适宜范围程度越大，则质量越差。由于烤烟化学成分及协调性指标最适宜范围的确定在不同工业企业有所不同，研究参照广东中烟工业有限责任公司的要求及文献[11-14]的方法确定。

2) 效益型指标。包括类胡萝卜素产物、西柏烷类物质、美拉德反应产物和感官质量(香气质、香气量、刺激性、杂气、劲头、余味)，其值越大，品质越好。

1.2.3 烟叶样品主成分的综合评价得分 以每个主成分所对应的特征值占所提取主成分总的特征值之后的比值作为权重，参照文献[15-16]的方法，利用综合评价模型计算主成分的综合得分(y)。

y=(λ1y1+λ2y2+λ3y3+λ4y4)/λ

式中，λ为各主成分特征值(λ1、λ2、λ3、λ4)之和，y1～y4为各主成分得分。

1.2.4 主成分散点图的绘制与其综合得分系统聚类分析 对于烤烟样品而言，主成分散点图上的分布能够代表烤烟各样品或一类样品的特征。以烤烟样品各指标的第1主成分(感官指标)为横坐标，第2主成分(化学指标)为纵坐标，以第3主成分(致香指标)为竖坐标，采用Origin21绘制三维散点图，最后再根据主成分综合得分进行系统聚类分析。

1.3 数据处理与分析

在数据标准化的基础上，使用SPSS 19.0进行主成分分析，根据各提取主成分得分与主成分贡献率乘积之和计算主成分综合得分，并用Origin 21绘制三维散点图，最后再根据主成分综合得分进行系统聚类分析。

2.1 标准化处理后烟叶样品各指标间的相关性

从图1看出，西柏烷类与美拉德反应产物，美拉德反应产物与总糖和氮碱比，总糖与氮碱比，总植物碱与劲头，香气质与香气量、刺激性、杂气、余味，香气量与余味，刺激性与杂气、余味，杂气与余味均呈极显著正相关；
总糖与总氮，总植物碱与杂气，总氮与氮碱比均呈极显著负相关；
西柏烷类与总糖，总氮与糖碱比和香气量，香气量与刺激性呈显著正相关；
总糖与香气量，还原糖与总植物碱，总植物碱与刺激性，氮碱比与香气量，刺激性与劲头，杂气与劲头均呈显著负相关。

注：图中蓝色点表示负相关关系，红色点表示正相关关系，点的大小及颜色深浅均表示相关系数的大小；
*和**分别表示相关性显著(P<0.05)和极显著(P<0.01)。

2.2 烟叶样品主成分的特征向量与贡献率

从表1可知，烟叶样品各指标共提取4个主成分，其累计贡献率为81.848%，基本包含原变量提供的大部分信息。第1主成分的特征向量为-0.641～0.873，贡献率为32.024%，其中，香气质、香气量、刺激性、杂气和余味的正系数较大，说明其为感官指标；
第2主成分的特征向量为-0.846～0.782，贡献率为24.308%，其中，总糖和氮碱比的正系数较大，总植物碱、总氮、糖碱比和劲头的负系数较大，说明其为化学指标；
第3主成分的特征向量为-0.304～0.854，贡献率为18.821%，其中，胡萝卜素类、西柏烷类和美拉德类致香成分的正系数较大，说明其为致香指标；
第4主成分的特征向量为-0.363～0.652，贡献率为6.695%，还原糖的正系数较大，其贡献率相对较少。

表1 烟叶样品主成分的特征向量与贡献率

2.3 烟叶样品主成分的综合评价

4个主成分(y1、y2、y3、y4)综合评价(得分)的数学模型分别为y1=0.225x1-0.059x2-0.434x3-0.413x4+0.424x5-0.517x6+0.373x7+0.036x8-0.641x9+0.873x10+0.733x11+0.781x12+0.739x13-0.420x14+0.872x15；
y2=-0.031x1+0.237x2+0.535x3+0.782x4+0.179x5-0.602x6-0.846x7-0.467x8+0.674x9+0.153x10-0.319x11+0.401x12+0.478x13-0.609x14+0.151x15；
y3=0.640x1+0.854x2+0.668x3+0.266x4-0.304x5+0.429x6+0.211x7+0.464x8+0.231x9+0.372x10+0.233x11+0.221x12-0.169x13+0.401x14+0.383x15；
y4=-0.363x1+0.337x2+0.108x3+0.232x4+0.652x5-0.124x6+0.189x7+0.073x8-0.199x9-0.116x10-0.032x11+0.011x12+0.104x13+0.364x14-0.121x15。综合评价烟叶得分越高，其品质越好；
反之，则品质越差。从表2可知，西南地区C2F和C3F烟叶品质优于B1F和B2F，不同来源各等级烟叶样品为1.82～2.19分，其中，云南普洱C2F得分最高，为2.19分，其品质最好；
云南普洱B2F得分最低，为1.82分，其品质最差；
评价结果与行业普遍认知一致。

表2 烟叶样品主成分的综合评价得分

2.4 烟叶样品主成分不同指标的得分

从图2看出，不同来源各等级样品间的组内聚集和组间分离变化趋势明显。四川会理C3F，化学指标得分高，感官指标得分低，致香指标得分居中。云南普洱C3F，感官指标得分低，化学指标和致香指标得分居中；
云南普洱C3F、C2F和B2F，各指标的变化特征较接近，化学指标和感官指标得分均居中，致香指标得分则较低；
云南曲靖B2F，化学指标得分低，感官指标得分居中，致香指标得分高。其分类结果与烤烟样品所属产区的实际一致，即四川会理产区对应高化学指标高致香型，四川西昌产区对应低感官指标高致香指标型，云南普洱产区对应高感官指标综合型，云南曲靖产区对应低化学指标高致香指标型。说明，评价方法不仅能够对西南清香型烤烟进行品质质量评价，且还能区分不同产区烟叶的质量特征。

图2 烟叶样品主成分不同指标得分的三维散点分布

2.5 不同来源各等级样品的聚类

从图3看出，不同来源各等级18个烟叶样品具有明显的聚集性，按距离系数15截取，可将其分为4类。第1类仅有四川会理C3F；
第2类仅有四川西昌B2F；
第3类包括云南普洱C2F、云南普洱C3F和云南普洱B2F；
第4类仅有云南曲靖B1F。与主成分散点图分析结果一致，进一步验证主成分散点图分析可用于样品特征的分类。

图3 不同来源烟叶各等级样品的聚类

2.6 综合评价方法的验证

从表3可知，云南普洱C2F原烟和片烟的综合评价得分分别为2.09分和2.33分，云南普洱B1F分别为1.77分和1.94分，云南曲靖C2F分别为2.13分和2.30分，云南曲靖B1F分别为1.82分和1.99分。片烟较原烟综合评价得分均得到提高，云南普洱C2F、云南普洱B1F、云南曲靖C2F和云南曲靖B1F的片烟较原烟综合评价得分分别提高11.48%、9.61%、7.98%和9.34%。验证试验C2F的综合评价得分均高于B1F，表明C2F烟叶品质优于B1F，与行业内的普遍认知一致。因此，主成分散点图法能够通过常规化学成分、致香成分和感官质量指标评价西南清香型烤烟的品质质量。

表3 烟叶样品主成分综合评价的验证得分

主成分分析方法是将多项指标转化成少数几项新的指标，转化后的指标能够保留原始变量的大部分信息，新的变量彼此间互不相关且不存在多重共线性。研究结果表明，标准化处理后烟叶样品的西柏烷类与美拉德反应产物，美拉德反应产物与总糖和氮碱比，总糖与氮碱比，总植物碱与劲头，香气质与香气量、刺激性、杂气以及余味，香气量与余味，刺激性与杂气和余味，杂气与余味均呈极显著正相关；
总糖与总氮，总植物碱与杂气，总氮与氮碱比则均呈极显著负相关性；
烟叶样品各指标共提取4个主成分，其累计贡献率为81.848%，第1主成分为感官指标，贡献率为32.024%；
第2主成分为化学指标，贡献率为24.308%；
第3主成分为致香指标，贡献率为18.821%；
第4主成分贡献率仅6.695%。与行业的普遍认知一致，也表明感官指标对烟叶质量评价的重要性。在评价原烟、配方打叶、配方维护和产品开发环节，均以感官质量为主[17-18]。不同等级烟叶样品综合得分依次为C2F>C3F>B1F>B2F，与烟叶实际等级质量一致[19-20]。研究结果表明，不同来源各等级18个烟叶样品具有明显的聚集性，按距离系数15截取，可将其分为4类，与主成分散点图分析结果一致。经验证试验，云南普洱C2F、云南普洱B1F、云南曲靖C2F和云南曲靖B1F的片烟较原烟综合评价得分分别提高11.48%、9.61%、7.98%和9.34%，验证试验C2F的综合评价得分均高于B1F，表明C2F烟叶品质优于B1F，与行业内的普遍认知一致；
与李庆祥等[21-22]的研究结果一致。进一步验证基于主成分分析的三维散点图综合评价西南烤烟质量的方法可行。

烤烟的外观质量也是烟叶综合质量的重要组成部分，由于复烤的片烟外观质量与原烟的外观质量存在差异，其评价指标和方法尚未形成共识。因此，研究未将外观质量纳入评价方法的分析主体。今后的研究中，待复烤片烟的外观质量评价和赋值方法明确后再对该评价方法进行补充与完善。研究旨在为烟叶综合质量评价提供一种思路与建议，一方面，能够提高综合评价方法的可视化程度；
另一方面，探索将感官质量直接纳入分析主体，而不是仅作为评价依据或验证指标。

西南烟区烟叶不同指标共提取4个主成分，其累计贡献率为81.848%，第1主成分为感官指标，贡献率为32.024%；
第2主成分为化学指标，贡献率为24.308%；
第3主成分为致香指标，贡献率为18.821%；
第4主成分贡献率仅6.695%；
4个主成分(y1、y2、y3、y4)综合评价(得分)的数学模型分别为y1=0.225x1-0.059x2-0.434x3-0.413x4+0.424x5-0.517x6+0.373x7+0.036x8-0.641x9+0.873x10+0.733x11+0.781x12+0.739x13-0.420x14+0.872x15，y2=-0.031x1+0.237x2+0.535x3+0.782x4+0.179x5-0.602x6-0.846x7-0.467x8+0.674x9+0.153x10-0.319x11+0.401x12+0.478x13-0.609x14+0.151x15，y3=0.640x1+0.854x2+0.668x3+0.266x4-0.304x5+0.429x6+0.211x7+0.464x8+0.231x9+0.372x10+0.233x11+0.221x12-0.169x13+0.401x14+0.383x15，y4=-0.363x1+0.337x2+0.108x3+0.232x4+0.652x5-0.124x6+0.189x7+0.073x8-0.199x9-0.116x10-0.032x11+0.011x12+0.104x13+0.364x14-0.121x15，不同等级烟叶样品的综合得分依次为C2F>C3F>B1F>B2F；
主成分分析结合三维散点图法构建西南烟区烤烟质量综合评价模型的可视化程度较高，能够较好地评价西南清香型烤烟烟叶的综合质量，还能区分不同产区烟叶的质量特征；
聚类结果与主成分散点图分析结果一致。

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