徐澤桐，劉亞相 *，袁 帥，李本晟，吳 薇，李司童，毛凱倫，韋成才，張立新

(1. 西北農(nóng)林科技大學(xué)理學(xué)院， 陜西 楊凌 712100;2. 陜西中煙工業(yè)有限責(zé)任公司技術(shù)中心， 陜西 寶雞 721000;3. 西北農(nóng)林科技大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院， 陜西 楊凌 712100;4. 陜西省煙草研究所， 陜西 西安 710000)

【研究意義】卷煙是我國重要的經(jīng)濟來源，而煙葉是卷煙工業(yè)的基礎(chǔ)，煙葉質(zhì)量的優(yōu)劣不僅影響卷煙產(chǎn)量，而且影響卷煙質(zhì)量和風(fēng)格?！厩叭搜芯窟M展】就煙葉質(zhì)量評價方面而言，許多學(xué)者進行了煙葉質(zhì)量評價體系的研究，從多個方面用多種評價方法對煙葉質(zhì)量進行了評價分析。王彥亭等在《中國煙草種植區(qū)劃》一書中，從外觀質(zhì)量、物理特性、化學(xué)成分、感官質(zhì)量4個方面對全國煙葉質(zhì)量進行了詳細的研究，建立了較為全面系統(tǒng)的評價體系[1]。張勇剛等基于熵值法和模糊數(shù)學(xué)方法對烤煙感官質(zhì)量進行了評價[2]。黃瑞寅等應(yīng)用DTOPSIS法對煙葉質(zhì)量進行了綜合評價[3]。鄒淵淵等利用主成分分析法和回歸分析對煙葉質(zhì)量進行了評價[4]。舒俊生等運用AMMI數(shù)學(xué)模型從外觀質(zhì)量、化學(xué)成分、感官質(zhì)量3個方面進行了煙葉質(zhì)量綜合評價[5]。葉協(xié)鋒等利用主成分分析法和聚類分析從外觀質(zhì)量、化學(xué)成分方面對煙葉質(zhì)量進行了綜合評價并分類，同時用判別分析方法進行模型的驗證[6]。還有一些學(xué)者分析了煙葉質(zhì)量不同影響因素間的關(guān)系。胡建軍等利用灰色關(guān)聯(lián)度法進行了煙葉主要化學(xué)指標(biāo)與其感官質(zhì)量的灰色關(guān)聯(lián)分析[7]。鄧云龍等研究了品種、部位、成熟度對煙葉淀粉含量和感官質(zhì)量的影響[8]。鄧小華等運用相關(guān)分析研究了外觀質(zhì)量、物理特性、化學(xué)成分、感官質(zhì)量各指標(biāo)間的相關(guān)性[9]。所得結(jié)果與前人研究結(jié)果不盡一致，目前對于煙葉影響因素間相關(guān)性分析未有統(tǒng)一的結(jié)果，煙葉質(zhì)量評價體系的構(gòu)建還未得到權(quán)威系統(tǒng)的評價標(biāo)準(zhǔn)。【本研究切入點】本文建立的評價模型從烤煙化學(xué)成分、感官質(zhì)量兩個方面研究陜西省煙草綜合質(zhì)量，將主客觀信息同時考慮，用熵值法和突變級數(shù)法得到感官質(zhì)量隸屬度值，用灰色關(guān)聯(lián)度分析法分析了化學(xué)成分各指標(biāo)對感官質(zhì)量的影響程度，并基于突變級數(shù)法得到化學(xué)成分隸屬度值，再對煙葉綜合質(zhì)量進行評價，并用聚類分析將煙葉分成“優(yōu)、中、差”3類，最后用判別分析的方法對模型進行驗證。【擬解決的關(guān)鍵問題】本文以期得到影響感官質(zhì)量的主要化學(xué)成分指標(biāo)，同時找到陜西省優(yōu)質(zhì)煙區(qū)，更科學(xué)地提高烤煙口感，為提升陜西省煙草的競爭力以及提高陜西省經(jīng)濟效益提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料選取

選取陜西省安康地區(qū)11個，寶雞地區(qū)12個，漢中地區(qū)9個，商洛地區(qū)12個，咸陽地區(qū)4個，延安地區(qū)6個樣本C3F等級共54個烤煙樣本作為研究對象。

1.2 指標(biāo)選取

煙葉質(zhì)量包括5部分：化學(xué)成分、感官質(zhì)量、外觀質(zhì)量、物理特性、安全性。因所選研究樣本都是C3F等級，故外觀質(zhì)量和物理特性差異性不大，又安全性的指標(biāo)數(shù)據(jù)較少，因而只考慮化學(xué)成分和感官質(zhì)量兩方面，而且化學(xué)成分依靠儀器測定是客觀指標(biāo)，感官質(zhì)量依靠專家評吸得到是主觀指標(biāo)，將主客觀因素同時結(jié)合起來，評價結(jié)果更加可信，故選取圖1中有代表性的、業(yè)內(nèi)公認(rèn)的、容易測得的化學(xué)成分和感官質(zhì)量指標(biāo)。

1.3 指標(biāo)測定的方法

1.3.1 化學(xué)成分指標(biāo)的測定 水溶性總糖、還原糖、總植物堿、氯、鉀氯比、淀粉的測定方法：連續(xù)流動法；鉀的測定方法：火焰光度法。

1.3.2 感官質(zhì)量指標(biāo)的測定 感官質(zhì)量指標(biāo)采用專家評吸后打分方式來獲取，依據(jù)《烤煙 煙葉質(zhì)量風(fēng)格特色感官評價方法》(YC/T530-2015)，采用標(biāo)度檢驗技術(shù)評分。

1.4 突變級數(shù)法原理及計算步驟

法國數(shù)學(xué)家Thom通過數(shù)學(xué)推導(dǎo)證明了初等突變模型的存在性[10]，李祚泳又將初等突變模型推廣到更一般的情形(n個控制變量)[11]，其勢函數(shù)為：

V(x)=xn+2+a1xn+a2xn-1+…+anx

(1)

所對應(yīng)的歸一公式為：

(2)

其中，控制變量為a1,a2,…,an。

突變級數(shù)法是根據(jù)突變模型得到的對評價目標(biāo)進行排序分析的一種簡單實用的綜合評價方法。其計算步驟如下：

(1)對評價目標(biāo)建立多層次樹狀結(jié)構(gòu)圖，各層指標(biāo)分別構(gòu)成不同的突變系統(tǒng)；

(2)對系統(tǒng)中底層指標(biāo)原始數(shù)據(jù)預(yù)處理，得到極大型指標(biāo)數(shù)據(jù)。

(3)利用歸一公式(2)得到該系統(tǒng)中各指標(biāo)對應(yīng)的中間值x1,x2,…xn。最后將其按“非互補”原則或“互補”原則歸一為1個參數(shù)，若指標(biāo)之間不是相互關(guān)聯(lián)的，則遵循“非互補”原則，即“大中取小”；若指標(biāo)間相關(guān)，能相互彌補不足，則遵循“非互補”原則，即“取平均值”。

圖1 煙葉質(zhì)量層次結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Hierarchical structure diagram of tobacco leaf quality

(4)從下層指標(biāo)往上重復(fù)用步驟3，逐層計算，即求出總的突變隸屬度值。

對陜西6個煙區(qū)54個煙葉樣品編號，安康煙區(qū)為AK01，AK02，…，寶雞煙區(qū)為BJ01，BJ02，…，漢中煙區(qū)為HZ01，HZ02，…，商洛煙區(qū)為SL01，SL02，…，咸陽煙區(qū)為XY01，XY02…，延安煙區(qū)為YA01，YA02，…。數(shù)據(jù)處理和分析用matlab、Excel、spss。

本文建立了突變評價模型，利用熵值法確定感官質(zhì)量各指標(biāo)重要性排序后用突變級數(shù)法得到煙葉感官質(zhì)量突變隸屬度值，再利用灰色關(guān)聯(lián)度法確定出化學(xué)指標(biāo)對感官質(zhì)量的重要性排序并用突變級數(shù)法得到化學(xué)成分突變隸屬度值。最后綜合兩個方面對煙葉質(zhì)量進行評價。

2 結(jié)果與分析

2.1 建立多層次目標(biāo)結(jié)構(gòu)體系

對評價目標(biāo)進行多層次矛盾分解，建立樹狀的層次結(jié)構(gòu)圖，各層指標(biāo)分別構(gòu)成不同的突變系統(tǒng)，如圖1。

2.2 指標(biāo)值預(yù)處理

2.2.1 評價指標(biāo)類型的一致化 運用突變級數(shù)法進行綜合評價時，所有的指標(biāo)需是極大型指標(biāo)。而原始數(shù)據(jù)中化學(xué)成分和感官質(zhì)量的指標(biāo)有極大型指標(biāo)、極小型指標(biāo)、中間型指標(biāo)及區(qū)間型指標(biāo)，必須全部轉(zhuǎn)化為極大型指標(biāo)。本文通過隸屬度函數(shù)把原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成極大型指標(biāo)，得到初始隸屬度值。

煙葉感官質(zhì)量指標(biāo)除雜氣、刺激性、干燥感是極小型指標(biāo)外，其余指標(biāo)都是極大型指標(biāo)。

對極小型指標(biāo)，令

x*=M-x

(3)

式中，M為指標(biāo)x的允許上界。在此，指標(biāo)刺激性、干燥感取M=5，指標(biāo)雜氣取M=45。

根據(jù)實踐經(jīng)驗，并參考《中國煙草種植區(qū)劃》[1]，煙葉化學(xué)成分指標(biāo)中除煙堿是中間型指標(biāo)外，其余全部為區(qū)間型指標(biāo)。

煙葉化學(xué)成分指標(biāo)中煙堿是中間型指標(biāo)。對中間型指標(biāo)，令

(4)

其中，xq為指標(biāo)x最適宜值。在此為煙堿最適宜值，取xq=2.5。

結(jié)合陜西省煙葉特點，并參考相關(guān)文獻[1,12]，確立了化學(xué)成分中總糖、還原糖、糖堿比、氯、鉀、鉀氯比、淀粉的隸屬度函數(shù)分布類型及各函數(shù)拐點。

還原糖、糖堿比、氯為梯形分布，其表達式為：

(5)

其中，[x1,x2]為允許的最大上、下界，[x3,x4]為最適宜區(qū)間。取值見表1。

表1 指標(biāo)還原糖、糖堿比、氯的隸屬度函數(shù)拐點

表2 風(fēng)格特征指標(biāo)權(quán)重

總糖為拋物型分布，其表達式為：

(6)

其中，x1=18,x2=25,x3=36；

鉀、鉀氯比為升半梯形分布，其表達式為：

(7)

其中，鉀的隸屬度函數(shù)拐點xq取值為1.5，鉀氯比的隸屬度函數(shù)拐點xq取值為4。

淀粉為降半梯形分布，其表達式為：

(8)

其中，xq=3.5。

2.2.2 評價指標(biāo)的無量綱化 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為極大型后，各指標(biāo)間仍存在數(shù)量級、量綱的差異。本文采用向量規(guī)范法對感官質(zhì)量系統(tǒng)中底層指標(biāo)的原始數(shù)據(jù)預(yù)處理[13]。

2.3 感官質(zhì)量突變隸屬度值

先用熵值法確定感官質(zhì)量中各層指標(biāo)重要性排序[13]，再運用突變級數(shù)法得到感官質(zhì)量突變隸屬度值B2。

熵值法是一種根據(jù)各項指標(biāo)觀測值所提供的信息量的大小來確定指標(biāo)權(quán)數(shù)的方法。指標(biāo)權(quán)數(shù)越大，表示該指標(biāo)的樣本間差異越大。

以第1個樣本YA01為例。先計算感官質(zhì)量中風(fēng)格特征這一系統(tǒng)。用熵值法確定的風(fēng)格特征指標(biāo)權(quán)重見表2。

由上面權(quán)重可知，風(fēng)格特征中各指標(biāo)重要性排序為：香韻>煙氣濃度>香氣狀態(tài)>香型>勁頭，記為a1,a2,…,a5。

將其代入歸一公式(2)中，可得各指標(biāo)突變隸屬度值為

x1=0.3622,x2=0.4690,x3=0.5795,x4=0.6447,x5=0.7144

因各指標(biāo)間有相關(guān)性，因此采用“互補”原則，取平均值后，得到風(fēng)格特征突變隸屬度值C1為：

同理可計算出香氣特征D1、口感特征D2、煙氣特征D3突變隸屬度值為：

D1=0.5144,D2=0.4773,D3=0.4612

逐層往上，再利用歸一化公式并采用“互補”原則，可得品質(zhì)特征突變隸屬度值C2為0.7743，最終得到感官質(zhì)量突變隸屬度值B2為0.8313。

此為YA01的煙葉感官質(zhì)量，同理得到所有樣品的感官質(zhì)量值。

2.4 影響煙葉感官質(zhì)量的化學(xué)成分指標(biāo)重要性排序[14]

2.4.1 參考數(shù)列和比較數(shù)列的確定 參考數(shù)列{x0(i)}——經(jīng)突變級數(shù)法計算后的感官質(zhì)量突變隸屬度值；

比較數(shù)列{xj(i)}——化學(xué)成分各指標(biāo)數(shù)列。

2.4.2 無量綱化處理參考數(shù)列和比較數(shù)列 用向量規(guī)范法無量綱化處理參考數(shù)列和比較數(shù)列，即對化學(xué)成分指標(biāo)初始隸屬度值與感官質(zhì)量突變隸屬度值無量綱化。

2.4.3 計算參考數(shù)列與比較數(shù)列的灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)比較數(shù)列相對于參考數(shù)列在曲線各點的關(guān)聯(lián)系數(shù)為ζj(i)。

表3 化學(xué)成分各指標(biāo)與感官質(zhì)量的關(guān)聯(lián)程度

(9)

其中，ρ為分辨系數(shù)，常取0.5。

2.4.4 求影響因素(比較數(shù)列)的關(guān)聯(lián)度 對比較數(shù)列的關(guān)聯(lián)系數(shù)求其平均值，作為比較數(shù)列與參考數(shù)列間關(guān)聯(lián)程度的數(shù)量表示，記為r0j，計算公式如下：

(10)

用公式(9)、(10)計算得到灰色關(guān)聯(lián)度結(jié)果見表3?；瘜W(xué)成分中各指標(biāo)對感官質(zhì)量影響程度為：鉀氯比>糖堿比>總植物堿>還原糖>淀粉>鉀>總糖>氯。

2.5 煙葉質(zhì)量綜合評價及分類

用灰色關(guān)聯(lián)度值作為化學(xué)成分各指標(biāo)重要性排序的依據(jù)，通過突變級數(shù)法來計算化學(xué)成分突變隸屬度值B1，最后參考《中國煙草種植區(qū)劃》確定化學(xué)成分和感官質(zhì)量的比重[1]，計算烤煙綜合質(zhì)量。設(shè)烤煙綜合質(zhì)量為A，計算公式如下：

A=0.25×B1+0.75×B2

(11)

利用公式(11)計算得到煙葉質(zhì)量綜合評價值后，用系統(tǒng)聚類分析對煙葉樣本分類[15]，其中聚類方法選用瓦爾德法，距離的測度方法選用歐氏距離平方。第1類上等質(zhì)量12個，第2類中等質(zhì)量33個，第3類下等質(zhì)量9個，具體結(jié)果如表4。

各煙區(qū)煙葉分類情況如圖2～3。

2.6 評價模型的驗證

把轉(zhuǎn)化成極大型指標(biāo)的化學(xué)成分和感官質(zhì)量的煙葉樣本數(shù)據(jù)用判別分析的方法預(yù)測煙葉質(zhì)量分類的準(zhǔn)確性[15]，所得結(jié)果如圖4。

表4 煙葉質(zhì)量綜合評價值、排序及質(zhì)量分類

續(xù)表4 Continued table 4

樣本Samples化學(xué)成分隸屬度值The membership of chemical composition感官質(zhì)量隸屬度值The membership of sensory quality煙葉綜合質(zhì)量The comprehensive quality of tobacco leaves排序Sort分類ClassificationBJ010.63590.84160.7902352BJ110.63340.84080.7889382BJ120.62540.84230.7881402BJ070.64300.83470.7868432BJ030.61300.84070.7838473BJ040.60440.84060.7816523HZ030.65440.84440.796971HZ070.65460.84420.796861HZ010.67050.83790.796081HZ040.64600.84410.7946162HZ080.63220.84610.7926152HZ090.64700.84100.7925192HZ020.64260.84230.7924112HZ050.66480.83210.7903302HZ060.63380.83140.7820513SL050.63540.84960.7960121SL120.65390.84050.7938182SL110.65010.84130.7935132SL070.65350.83940.7929222SL040.64650.84030.7918232SL030.64030.84090.7908282SL100.64060.84070.7907312SL090.63070.84400.7907332SL020.62800.84410.7901342SL010.62560.83960.7861442SL060.64300.83360.7860452SL080.62800.83400.7825493XY020.63110.83970.7876412XY040.63640.83690.7868422XY030.64710.82880.7833463XY010.56150.83940.7699543YA060.65060.83920.7920252YA010.66530.83130.7898322YA030.66190.83070.7885372YA050.62700.83440.7826503YA040.61980.83580.7818483YA020.63740.82770.7802533

3 討 論

灰色關(guān)聯(lián)度分析作為一種分析因素間關(guān)聯(lián)程度的方法，已應(yīng)用在煙葉各影響因素間相關(guān)性分析中。李東亮等用改進的灰色關(guān)聯(lián)度分析方法研究了5個化學(xué)成分指標(biāo)與7個感官質(zhì)量指標(biāo)之間的正、負相關(guān)關(guān)系，分析結(jié)果表明灰色關(guān)聯(lián)度分析法在煙葉質(zhì)量影響因素的分析中是行之有效的，與傳統(tǒng)的回歸分析法所得結(jié)論基本一致[16]。陳征等綜述了近年來灰色關(guān)聯(lián)分析在煙葉化學(xué)成分評價中的應(yīng)用成果[17]。魏春陽等以烤煙感官質(zhì)量指標(biāo)作為參考數(shù)列，外觀質(zhì)量各指標(biāo)為比較數(shù)列，進行了初烤煙葉主要外觀性狀與評吸質(zhì)量的灰色關(guān)聯(lián)分析[18]。張曉兵等以“利群”牌卷煙的煙葉原料對化學(xué)成分要求作為參考數(shù)列，各產(chǎn)區(qū)煙葉樣本的化學(xué)成分指標(biāo)為比較數(shù)列，用灰色關(guān)聯(lián)度法研究了云南各產(chǎn)區(qū)化學(xué)成分適宜性，所得結(jié)果與感官質(zhì)量評價的結(jié)果基本一致[19]。本文運用灰色關(guān)聯(lián)度分析方法研究化學(xué)成分各指標(biāo)對感官質(zhì)量的影響程度，以期找到對烤煙評吸有較大影響的化學(xué)成分指標(biāo)。

圖2 各煙區(qū)煙葉質(zhì)量分布情況Fig.2 Quality distribution of tobacco leaves in different tobacco growing areas

圖3 不同質(zhì)量等級煙葉在各煙區(qū)分布情況Fig.3 Distribution of different quality grades of tobacco leaves in different tobacco growing areas

在煙葉質(zhì)量評價上，本文基于突變級數(shù)法建立了評價模型。突變級數(shù)法是一種簡單、易操作、實用性較強的綜合評價方法，其優(yōu)點在于不需確定評價指標(biāo)的權(quán)重具體值，只需考慮各指標(biāo)間的相對重要性，能減少一定的主觀性同時又不失科學(xué)性和合理性，且計算簡易準(zhǔn)確，已應(yīng)用在多個領(lǐng)域。如馮平等用突變級數(shù)法研究評價地下水環(huán)境情況[20]，陳曉紅等用突變級數(shù)法評價企業(yè)的成長性[21]，李祚泳等把突變級數(shù)法中的勢函數(shù)推廣到一般情形并運用在湖泊富營養(yǎng)化評價中[11]，都有良好的評價效果。但該方法目前還未應(yīng)用在煙草行業(yè)。本文用此方法計算煙葉綜合質(zhì)量并用聚類分析對其分類，最后用判別分析對分類結(jié)果檢驗，分類準(zhǔn)確率較高，達到75.9 %以上，且錯分發(fā)生在兩個類別的交界處。這表明該模型是合理可行的，且對陜西省煙葉質(zhì)量評價效果良好，與陜西省各煙區(qū)煙葉實際情況較符。

圖4 判別分析結(jié)果Fig.4 Result of Discriminant Analysis

4 結(jié) 論

(1)影響感官質(zhì)量的化學(xué)成分指標(biāo)排序為：鉀氯比>糖堿比>總植物堿>還原糖>淀粉>鉀>總糖>氯。

(2)優(yōu)質(zhì)煙葉產(chǎn)區(qū)在安康、漢中、寶雞、商洛煙區(qū)，較差的煙葉產(chǎn)區(qū)在咸陽、延安煙區(qū)。

(3)陜西省整體煙葉質(zhì)量較好，中上等煙占比83.3 %，其中上等煙葉12個，占比22.2 %，中等煙葉33個，占比61.1 %，下等煙葉9個。

(4)從煙葉綜合質(zhì)量排序結(jié)果來看，排名第1的是安康煙區(qū)的煙葉。