灰色定权聚类分析在烟叶替代中的应用

郑东方，许自成，王文伦，龙 伟

(1.云南省烟草公司 楚雄州公司，云南 楚雄 675102；河南农业大学 烟草学院，河南 郑州 450002)

灰色定权聚类分析在烟叶替代中的应用

郑东方1，许自成2*，王文伦1，龙 伟1

(1.云南省烟草公司 楚雄州公司，云南 楚雄 675102；河南农业大学 烟草学院，河南 郑州 450002)

摘要：为了探索烤烟烟叶替代的理论基础，采用灰色定权聚类法对25个清香型烤烟产区的C3F等级烟叶样品的化学成分进行了聚类分析，结果显示：14个烤烟产区烟叶化学成分属于A类，为化学成分很协调区域；6个烤烟产区烟叶化学成分属于B类，为化学成分协调区域；5个烤烟产区烟叶化学成分属于C类，为化学成分一般区域。各类别化学成分的平均值和变异系数等特征数存在差异，不同类别在主要化学成分间存在显著性差异。

关键词：烤烟；化学成分；灰色定权聚类

中式卷烟风格特点是通过不同产地、不同等级烟叶进行配伍后形成的[1]，卷烟产品设计人员为了维持产品风格特色的稳定，需要从不同产地、品种、等级的烟叶中选择原料组合成叶组配方，由于每种烟叶原料的数量是有限的，因此叶组配方不得不进行频繁的调整，在某种烟叶原料用尽后寻找替代烟叶，传统上只能依赖繁重的单料烟评吸以及试制烟制作来确定合适的替代叶组配方[2-3]。烟叶化学成分作为衡量烟叶品质的一类重要指标，一直受到行业相关人员的重视，也是国标所检测的内容[4]，通过烟叶内在化学成分的含量及其协调性来判断烟叶质量的高低，使烟叶的质量评定更具科学性和确定性[5]。聚类分析方法在烟草育种、感官质量、外观质量、化学品质等分析中已有运用[6-13]，近年来，有学者用聚类分析的方法分析烟叶的化学成分，尝试解决烟叶替代性问题[14-15]，但是采用的聚类对象多是不同部位、不同等级、不同品种的烟叶，实践证明，同一部位、相同等级、相同颜色的烟叶，其内在质量也会存在很大差异[1]。基于以上问题，本文提出了用灰色定权聚类的方法[17-19]，对清香型主产烟区的不同地区、相同部位、相同等级的烟叶样品进行聚类分析，旨在为烟叶替代提供理论支持。

1材料与方法

1.1试验材料

供试烤烟品种为我国主产烟区的主栽品种K326。2012年在我国广东梅州、广东南雄、广东韶关、贵州铜仁、贵州毕节、湖南郴州、湖南桂阳、江西赣州、四川德昌、四川会理、四川凉山、四川美姑、四川宁南、四川西昌、四川叙永、四川昭觉、云南大理、云南富源、云南昆明、云南陆良、云南曲靖、云南师宗、云南玉溪、重庆彭水、重庆巫溪等25个烤烟产区，采取定等级、定叶位(C3F)方法取样35份。样品等级由专职评级人员按照“GB 2635─1992烤烟”标准进行，等级合格率达到100%，每个样品取3.0 kg，用于各项指标的测定。

1.2试验材料

烟叶化学成分检测指标共计7项，分别为：总糖、还原糖、总氮、烟碱、钾、氯、蛋白质等，其检测方法参照王瑞新的《烟草化学》中介绍的方法[5]，氮碱比、糖碱比、钾氯比等指标按照公式计算。

1.3数据处理

2结果与分析

2.1清香型烟区烤烟化学成分的综合质量状况

清香型烟区35份烟叶样品的描述性统计结果显示(表1)，清香型烟区2012年的糖碱比含量偏高，总糖、还原糖、烟碱、总氮、钾、氯、蛋白质、氮碱比和钾氯比等均在适宜范围内，化学成分协调性较好。变异分析表明：氯含量在不同产区之间的变异系数较大，相应地使得钾氯比的变异范围也较大，同时糖碱比的变异系数也略偏大。峰度的正负可以表明化学成分含量分布曲线图为尖削或平阔，各化学成分指标的峰度系数较小，表现为尖峭峰，而钾、蛋白质的峰度系数为负值，表现为平阔峰。除还原糖和蛋白质外，其他各项指标的偏度系数均大于0，表现为正偏峰。

表1　清香型烟区烤烟化学成分的描述性统计

2.2清香型烟区的灰色定权聚类分析

2.2.1确定统计对象、指标和灰类本试验的统计对象为25个不同烤烟产区。统计指标为烟碱、还原糖、氯、钾、总糖、总氮、醚提总量、蛋白质、糖碱比、氮碱比、钾氯比共11个化学成分指标。依据计算要求将清香型烟区分为3类，灰类1为A类(化学成分很协调)、灰类2为B类(化学成分协调)、灰类3是C类(化学成分一般)[18]。

2.2.2白化权函数的确定采用平均值-标准偏差法[20]确定清香型烟区不同化学成分指标的值域(表2)。

由白化函数写出化学成分指标的白化函数表达式，A类白化函数(化学成分很协调如图1)表达式为：

表2　清香型烟区不同化学成分指标的值域

图1　A类白化函数图

B类白化函数(化学成分协调如图2)表达式为：

图2　B类白化函数图

C类白化函数(化学成分一般如图3)表达式为：

图3　C类白化函数图

由化学成分指标的值域以及各指标的3种灰类白化函数表达式，分别计算各灰类白化函数值。

表3　清香型烟区的灰色定权聚类系数

2.3各类别烟叶样品化学成分主要特征

对聚类所得的3类样品进行统计分析，得各类样品化学成分的平均值和变异系数。由图4可知，3类烟叶样品化学成分差异较大的为钾氯比，其次为总糖和还原糖，其他指标的差异较小。由图5可知，对于反映类别之内变异程度的变异系数，A类的氯含量和钾氯比有较大的变异系数，B类的烟碱、氯、糖碱比和钾氯比有较大的变异系数，C类的氯、糖碱比和钾氯比有较大的变异系数。

图4　3类烟叶样品化学成分平均含量

图5　3类烟叶样品化学成分变异系数分布

2.4各类烟叶样品化学成分的差异检验

上述平均数分布情况可以在一定程度上反映各类别化学成分之间的差异，但由于所采用的样本尚不足够大，存在一定的取样误差，有必要进行差异显著性检验，采用方差分析对不同类别的烤烟化学成分指标进行方差分析。由表4可知，11项化学成分指标有7项在不同类别之间存在显著性差异，烟碱在B类、A类与C类之间存在显著性差异；氯在A类、B类与C类之间存在显著性差异；醚提总量在A类和B类之间存在显著性差异；总氮、蛋白质、氮碱比、钾氯比在B类和C类之间存在显著性差异。

表4　各类烟叶样品化学成分的差异分析

3结论与讨论

为了减小卷烟产品设计人员寻找替代烟叶的难度，本文选择聚类效果较好的灰色定权聚类方法，对清香型烟区同部位、同等级的25个产区的烟叶样品进行了聚类，结果显示：清香型烟区的14个地区烟叶样品属于化学成分很协调的类别；同时结果显示四川产区的大部分样品与云南产区的大部分样品属于一个类别，两地之间的烟叶可以进行部分替换，通过调查发现虽然四川平均海拔低于云南，但是四川植烟偏西南部，而云南植烟偏北部，两地同受横断山脉的影响气候条件相似；云南植烟土壤大部分是红壤，四川植烟土壤以红黄壤为主，土壤理化性质相似，所以两地区之间的同品种、同部位、同等级的烟叶样品具有替代性。

通过方差分析对灰色定权聚类结果进行了检验，由方差分析结果可知，11项化学成分指标有7项在不同类别之间存在显著性差异，不同类别之间的差异性明显，但是还原糖、钾、总糖、糖碱比等4项指标在不同类别之间不存在差异性，这可能是本试验所选择的烟样是相同品种、相同部位和相同等级的烟叶，烟叶样品本身差异比较小的原因。

经过灰色定权聚类分析，广东南雄、贵州铜仁、四川凉山、四川美姑、四川宁南、四川西昌、四川叙永、四川昭觉、云南富源、云南昆明、云南陆良、云南曲靖、云南师宗、重庆巫溪等14个地区属于A类；广东韶关、贵州毕节、湖南桂阳、江西赣州、云南大理、云南玉溪等6个地区属于B类；广东梅州、湖南郴州、四川德昌、四川会理、重庆彭水等5个地区属于C类。清香型烟区大部分地区烟叶的化学成分协调性比较好，配方人员可以根据聚类结果对不同地区的烟叶进行烟叶替代性试验，同时本方法还适用于不同部位、不同等级、不同品种烟叶化学成分的相似性分析。

聚类指标选择的不同会造成聚类结果的不同，本方法不适用于聚类指标的权重不同，如果要用指标权重不同进行聚类，就要对指标的权重事先进行赋权然后代入计算，或者采用初值化算子或者均值化算子将各指标样本值化为无量纲数据，然后按照灰色变权聚类方法[17]进行聚类。

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(责任编辑：曾小军)

Application of Grey Equal Weight Clustering Analysis in Tobacco Substitute

ZHENG Dong-fang1, XU Zi-cheng2*, WANG Wen-lun1, LONG Wei1

(1. Chuxiong Company, Yunnan Tobacco Limited Company, Chuxiong 675102, China;2. College of Tobacco Science, Henan Agricultural University, Zhengzhou 450002, China )

Abstract：In order to explore the theory basis about the flue-cured tobacco substitute, analyzed the C3F grade sample chemical components of 25 flavor flue-cured tobacco-growing areas by grey equal weight cluster. The results indicated that chemical components of 14 flue-cured tobacco region belonged to A class, which was the very harmonious chemical components region. Chemical components of 6 flue-cured tobacco region belonged to B class, which was the harmonious chemical components region. Chemical components of 5 flue-cured tobacco region belonged to C class, which was general chemical components region. The average value and variation of all chemical composition feature existed differences, different categories existed significant differences among the main chemical composition.

Key words：Flue-cured tobacco; Chemical components; Grey equal weight clustering

收稿日期：2015-09-12

基金项目：贵州省烟草公司重点科技攻关项目(GY2012-06)。

作者简介：郑东方，从事烟草生态与质量评价研究。*通讯作者:许自成。

中图分类号：S572

文献标志码：A

文章编号：1001-8581(2016)04-0061-05