基于主成分和聚类分析的湖北烤烟物理质量指标综合评价

2012-05-25赵瑞蕊何结望王海明闫铁军许自成任胜超

中国烟草科学 2012年4期

赵瑞蕊，何结望，王海明，李琳，闫铁军，许自成，任胜超

（1.河南农业大学烟草学院，郑州 450002；2.湖北中烟工业有限公司技术研发中心，武汉 430052）

湖北属北亚热带季风气候，光照充足，热量丰富，无霜期长，降水丰沛，雨热同季，是我国重要的烟叶产区之一。湖北烤烟种植主要分布在恩施、宜昌、襄樊、十堰4个产地，年产烤烟95000 t左右。烟叶品质是一个十分复杂的概念，主要包括外观质量、物理特性、化学成分和感官质量四大部分[1-2]。目前关于湖北烟区烤烟烟叶质量评价，多集中于化学品质[3]及生态因子[4-7]对烟叶品质影响等方面，关于湖北烤烟物理特性的研究少见报道。物理特性与加工性能、可用性和烟气组分密切相关[8-9]，是烟叶质量的重要构成因素以及工业上原烟配方分组的操作依据[10]，因此，基于烟叶物理指标与工业加工的关系，本研究选取抗张力、抗张强度、断裂伸长量、叶质重和厚度5个物理指标，采用主成分分析和系统聚类相结合的方法对湖北烤烟烟叶物理质量进行统计分析及综合评价，为湖北烤烟烟叶质量评价和卷烟工业原料选用提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验材料取自 2010年湖北卷烟企业的初烤烟叶，上部（B）28份，中部（C）43份，下部（C）36份，共计107份，分布于13个产烟县，烤烟品种为 K326，烟叶等级规格，上部为 B2F，中部为C3F，下部为X2F。产区分布见表1。

1.2 测定指标及方法

测定的物理指标包括抗张力、抗张强度、断裂伸长量、叶质重和厚度。抗张力、抗张强度和断裂伸长量的检测按照GB2635—1992烤烟标准进行，叶质重和厚度参照闫克玉[11]的方法进行测定。

1.3 数据标准化处理

1.4 统计分析

用SPSS 18.0统计软件进行相关分析、因子分析和系统聚类等统计分析。

2 结果

2.1 烤烟物理特性总体状况

湖北烤烟烟叶各物理指标不同部位之间存在显著差异（表2），上部的5个指标均显著大于中部和下部，而中部和下部间除叶质重外差异均未达到显著水平。3个部位烟叶的抗张力均值变化范围为1.00～1.50 N，变异系数中部最大。

烟叶的抗张强度均值在0.068 ～ 0.088 N/M范围内，变异系数中部最大，上部和中部分布曲线一致，呈平阔正偏峰。上、中、下部位烟叶的断裂伸长量均值分别为19.45、18.38、16.53 mm，中部变异系数最大。三个部位烟叶的叶质重分布曲线各不相同，上部为尖峭正偏峰、中部呈平阔正偏峰，下部呈尖峭负偏峰，分布范围依次为 76.55 ～ 132.50、70.00 ～ 120.50、62.50 ～ 92.50 g/m2。上、中、下部位烟叶厚度均值分别为0.078、0.099和0.082 mm，下部变异系数最小，为11.62%。

表1 各县样品数Table1 Number of samples from each county

表2 湖北烟区烤烟物理指标描述性统计Table2 Statistics of tobacco physical indices in Hubei

2.2 相关分析

对湖北烟叶5个物理指标进行简单相关分析，结果见表 3。厚度与抗张力、抗张强度、断裂伸长量和叶质重间相关性均达到 1%极显著水平，厚度和叶质重相关系数最大，为 0.807，说明烟叶厚度越大，烟叶的柔韧性越大，拉伸能力越强，烟叶的单位叶面积也越大。叶质重与抗张力和抗张强度间也达到极显著正相关，与断裂伸长量间达到显著正相关，说明烤烟烟叶叶质重越大，烟叶的抗张力和抗张强度越大，即柔韧性越大，而对断裂伸长量影响相对较小。抗张力、抗张强度和断裂伸长量3个指标共同反映烟叶的柔韧性和抗外力能力，结果显示这3个指标两两间相关关系均达到极显著水平。

表3 物理指标间的相关系数Table3 Correlation coefficient among physical indices

2.3 主成分分析

首先进行 Bartlett球形度检验，结果见表 3，KMO的检验值为0.586，KMO值＞ 0.5，3个因子的贡献率为95.59%，且p ＜ 0.01，因此可以对原始数据进行因子分析。采用主成分分析法，提取累积贡献率大于85%的因子，并采用方差最大法对因子载荷矩阵实行正交旋转以使因子具有命名解释性，然后得出因子特征值、贡献率（表 4）及因子载荷矩阵（表5）。

表4 物理指标因子特征值及贡献率Table4 Factor eigenvalues and contribution rate of physical index

表5 物理指标成分因子的载荷矩阵Table5 Component matrix of principal component factor of physical indices

从表4、5可以看出，因子1由抗张力、抗张强度所决定，这两种成分在因子1有较大的正载荷值，反映烟叶的柔韧性，其值越大，造碎越少，可用性越高，其贡献率为39.07%；叶质重和厚度在因子2有较大的正载荷值，因子2主要解释了这两个成分，其贡献率为36.31%，其值越大，烟叶出丝率越高，经济效益越高，可称为烟叶的经济指标。因子3主要解释了断裂伸长量，其值越大，抵抗外力造成的破坏越小，其贡献率为20.22%。

设提取的因子1、2、3得分依次为F1、F2、F3，主成分得分＝ Σ主成分得分系数*相对应的标准化变量，根据表4计算可得各因子得分数学模型如下：

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

主成分因子的权重＝因子贡献率/入选因子的累积贡献率，由表4计算得因子1、2、3的权重依次为0.409、0.380、0.211，从而建立综合得分数学模型，即模型3：F = 0.409F1+ 0.380F2+0.211F3。

将湖北烟叶物理指标原始数据标准化处理后，代入数学得分模型，求得每个样本的主成分综合得分，综合得分越高，表明该样本的物理性能越好。

2.4 聚类分析

采用系统聚类-质心聚类法，聚类距离运用欧氏距离，基于湖北烤烟物理质量综合得分进行聚类分析，结果见图1。13个县107个样品分为5类（表6），第I类，物理特性表现最好，综合得分0.99～1.62，占总样本的9 %，分布于郧西、秭归、宣恩、兴山4个县；第 II类，物理特性表现较好，综合得分0.30～0.80，占总样本的36%，跨越来凤、宣恩等10个县；第 III类，物理特性表现中等，综合得分-0.11～0.24，占总样本的40%，分布于保康、宣恩、房县等10个县；第IV类，物理特性表现较差，综合得分-0.89～-0.21，占总样本的10%，分布于巴东、来凤、襄阳和咸丰4个县；第V类，物理特性差，综合得分-1.09～-0.97，占总样本的5%，分布于巴东、兴山、咸丰3个县。

3 讨论

图1 样品综合得分聚类树状图Fig.1 Cluster tree of composite score of samples

表6 物理性能不同类别的样本分布情况Table6 Sample distribution of different rank of physical indices

烤烟物理特性主要包括燃烧性、填充性、吸湿性、弹性、单位面积质量、含梗率及抗破碎能力、导电性等。这些物理特性直接影响卷烟制造过程及产品风格、成本和其他经济指标，是卷烟加工企业对烟叶原料进行可用性评价的重要内容之一[12]。从烟草栽培学的角度，烟草的物理特性主要指叶片的厚度、叶面密度、单叶质量、平衡含水量、填充值、含梗率等[13]。卷烟工业企业对工艺参数的探索过程中，除考虑烟叶的平衡含水量和含梗率外，比较关注烟叶的抗张力、抗张强度、断裂伸长量、叶质重和厚度等物理质量指标。李晓等[14]指出叶片厚度在一定程度上反映了烟叶的发育状况、成熟程度及打叶质量。刘丽等[15-16]研究表明，较大的抗张力和抗张强度可减少烟叶的造碎，断裂伸长量较大的烟叶韧性好，减轻外力造成的破坏，叶质重和厚度大的烟叶出丝率高，可以增加经济效益。本研究在前人研究的基础上选取抗张力、抗张强度、断裂伸长量、叶质重和厚度5个物理指标，分析结果表明，5个物理指标在不同部位间差异显著，断裂伸长量和厚度间相关关系未达到显著水平除外，5个指标两两之间均呈正相关关系，且达到显著或极显著水平，说明5个物理指标间关系密切，相互影响，与前人的研究结果一致。

采用主成分分析法建立质量评价模型，以量化形式表征物理综合质量，减少了单个指标反映物理质量带来的差异性。以主成分综合得分为基础对样品进行聚类分析，结果客观地综合了5个物理指标，剔除了5个指标之间的冗余信息，有效地去除了烟叶质量评价的主观成分，所得聚类分析结果较为客观。基于主成分分析和聚类分析的烤烟物理质量综合评价拓宽了研究烤烟质量的途径。

烟叶质量评价体系的研究认为[14]，烟叶物理特性是烟叶质量的重要组成部分，与烟叶加工性能、加工质量、经济效益关系密切。本研究提出主成分分析和系统聚类相结合的评价方法，是评价烤烟物理质量的新思路，结果对烤烟烟叶质量评价和卷烟工业企业的原料选取有一定的指导意义。

4 结论

采用主成分分析法从5个物理指标中提取出3个主成分因子，累积贡献率达到95.59%，得到物理质量综合得分数学模型，在一定范围内，综合得分越高，烟叶物理质量表现越好。

以烟叶物理质量综合得分为基础对107个样品进行聚类分析，结果分为5类，第I类，综合得分为 0.99～1.62，物理性能表现好；第 II类，物理特性表现较好，综合得分0.30～0.80；第III类，物理特性表现中等，综合得分-0.11～0.24；第IV类，物理特性表现较差，综合得分-0.89～-0.21；第V类，综合得分为-1.09～-0.97，物理性能表现差。

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