基于PLSR分析烟叶化学成分与感官质量的相关性

林顺顺，张晓鸣

（江南大学食品学院，江苏 无锡 214122）



基于PLSR分析烟叶化学成分与感官质量的相关性

林顺顺，张晓鸣*

（江南大学食品学院，江苏 无锡 214122）

摘 要：采用偏最小二乘回归（PLSR）方法对烟叶化学成分与感官质量的关系进行了分析。结果表明，糖碱比和糖氮比与感官刺激性、杂气呈显著负相关，与柔细度、余味显著正相关（p＜0.05）。此外，总植物碱、挥发碱对香气质具有显著负影响（p＜0.05）；总氮、总植物碱、蛋白质、挥发碱及石油醚提取物显著贡献于感官刺激性的增强，而水溶性总糖、还原糖对消除杂气具有显著贡献（p＜0.05）；K、Cl、挥发酸对增强感官柔细度，降低劲头具有显著贡献（p＜0.05）。PLSR解决了传统分析方法中的观察值数量限制及数据共线性等问题。

关键词：还原糖；钾；氯；糖碱比；PLSR

自从2000年国家烟草专卖局正式启动了“国际型优质烟开发项目”，很多烟草研究人员都致力于提高烟草质量研究，从而提高我国卷烟的在国际上的竞争力［1-2］。卷烟的感官质量是工业企业产品的核心，而烟叶的化学成分很大程度上决定了卷烟的感官质量。

目前，很多文献都报道了对烟草化学成分与感官质量关系的研究。如王丽丽等［3］研究了烟叶中生物碱含量与评吸质量的相关性；刘帅帅等［4］考察了烤烟非挥发性有机酸对感官品质的贡献；邵慧芳等［5］对烤烟还原糖含量与挥发性香气物质及感官质量进行了统计学分析；许自成等［6］研究了烤烟中氯含量与挥发性香气物质及感官质量的关系；刘非等［7］研究了烟叶石油醚提取物与感官舒适度的关系；汤朝起等［8］研究了攀西烤烟主要化学成分与吸食品质的关系。

然而，卷烟的感官质量不是由卷烟烟叶中的一种或几种化学成分决定。最重要的是，目前感官质量的评定主要是通过评吸人员的主观评吸来完成。感官评吸的主观性、评吸人员差异性等因素不仅对评价结果产生影响，也使评价样品的数量受到限制。这种局限性对研究烟叶化学成分与感官质量的关系造成一定困难。

偏最小二乘回归分析（PLSR）能充分解决样本个数较少等问题，可以避免数据非正态分布、因子结构不确定性和模型不能识别等潜在问题。近年来 PLSR方法已广泛用于生物工程、食品科学等领域并取得了较好效果。Song Shiqing等［9］研究人员采用 PLSR方法对牛脂脂肪氧化，电子鼻检测及感官属性进行了分析，结果表明，PLSR成功地建立了基于电子鼻的牛脂肪氧化特征参数的预测模型，及氧化牛脂对其感官香气的贡献［10］。牛云蔚等［11］利用PLSR方法对草莓酒香气活性物质与感官属性的关系进行了研究，其结果也表明，PLSR可以很好地预测感官属性的变化。此外，陈义等［12］研究人员也采用了PLSR方法对信阳毛尖中的香气成分与其感官关系进行了研究，其结果避免了感官评审的主观性和不可重复性，有效地指导了信阳毛尖香气的等级划分。而目前关于PLSR用于烟草组分与卷烟感官质量分析的研究较为少见。

因此，本研究以湖南主产烟区的7种单料烤烟烟叶为研究对象，采用PLSR方法对其烟叶化学成分与感官质量指标的关系进行分析，考察烟叶中化学成分对其卷烟感官质量指标的贡献性。

1　材料与方法

1.1 试验材料

本研究以湖南烟区主栽品种“云烟87”为供试品种，选取2010年湖南主产烤烟区的7份烤烟样品（分别为邵阳B2F、C3F，隆回B2F、C3F，郴州B2F、B3F和C3F）。

1.2 卷烟感官质量评定

按照GB5606.4—2005规程进行评吸，采用9分制利用香味轮廓法分析样品的感官质量指标［13］，包括香气质、香气量、柔细度、甜度、透发性、刺激性、杂气、余味、烟气浓度及劲头。具体评吸规则已在前期研究［14-15］中详细描述，并略有改动，如试验中感官指标得分值均表示其感官强度值，尤其对于感官指标刺激性、杂气及劲头，其分值越大，表示该卷烟抽吸时刺激性越大，杂气越多，劲头越强。此外，对该供试样品感官分析的研究结果［14-15］显示：不同样品间的感官指标数据均存在显著差异，表明该样本可以有效地用于化学成分与感官属性的关系分析。

1.3 化学指标测定

化学成分水溶性总糖，还原糖，总氮，总植物碱，钾，氯，钙，镁，淀粉，蛋白质，挥发酸，挥发碱，石油醚提取物的测定，根据国标YC/T159～161—2002；YC/T173～176—2003，YC/T216～217—2007，采用连续流动分析仪进行分析，每个样品平行测定3次。

1.4 数据分析

采用SPSS13.0进行化学指标及感官数据的差异检验分析。采用PLSR（Unscrambler version 9.7）对烟叶中化学和感官指标评吸数据进行相关性及贡献性分析。在 PLSR分析时，对所有数据进行中心化与标准化（1/Sdev）处理，使每个变量都得到公正的贡献分析。

2　结果

2.1 不同烟叶化学成分的方差分析

由表1可知，烟叶样品的水溶性总糖和还原糖含量分别处于 11.17%～20.53%和 10.66%～19.60%，总氮和总植物碱含量分别处于 2.06%～2.52%和2.44%～3.97%。水溶性总糖、还原糖、总氮和总植物碱含量在不同样品间存在显著差异（p ＜0.05）。烟叶样品的钾含量在2.34%～3.25%，氯含量在0.38%～0.58%范围，不同样品间也存在较大程度的差异（p＜0.05）。淀粉含量在不同样品间的差异程度相对较小（除了郴州B2F的淀粉含量显著较高）。烟叶中镁，蛋白质，挥发酸及挥发碱含量在不同样品间均存在显著差异（p＜0.05）。烤烟烟叶中的石油醚提取物主要是挥发油、树脂、油脂、类胡萝卜素、脂肪、游离脂肪酸等有机物质的混合物［7］。由表1可知，烟叶石油醚提取物含量介于4.28%～7.27%，在不同样品间也存在较大程度的差异（p＜0.05）。

表1　化学成分在不同单料烟叶间的多重比较分析Table 1 Duncan test analysis of chemical composition in different tobacco samples

2.2 烟叶化学成分与感官质量的PLSR分析

以烟叶化学成分为X变量，感官质量指标为Y变量，采用PLSR对烟叶化学成分与感官质量指标进行多自变量多因变量（PLS2）分析。所建立的PLS2模型包含3个主成分，解释了95%的交叉验证方差，说明该模型能够成功地反映样品的整体信息。其中前两个主成分（PC1和PC2）足以解释样品的整体信息（解释了85%的自交叉验证方差），而更多的主成分（PCs）没有提供更多有用的信息，因此，仅PC1和PC2相关载荷图被显示（图1）。如图1所示，几乎所有的变量都落在两个椭圆（R2=0.5和R2=1.0）之间，分别代表50% 和100%的解释方差，表明这些变量能够很好地被PLSR模型所解释。图中用小圈标记的变量表示其具有显著性。

如图1所示，在主成分PC1上，感官质量指标香气质、香气量、透发性、柔细度、甜度、余味，及化学成分水溶性总糖、还原糖、糖氮比、糖碱比、钾氯、淀粉和挥发酸，均位于载荷图右侧且都集中分布在50%的解释方差外；刺激性、杂气、劲头，挥发碱、总植物碱、总氮、蛋白质和石油醚提取物位于左侧，说明香气质、香气量等感官质量指标与水溶性总糖、还原糖、糖氮比、糖碱比、钾氯、淀粉和挥发酸呈正相关，与挥发碱、总植物碱、总氮、蛋白质和石油醚等呈负相关；刺激性、杂气和劲头，反之。

为了进一步分析化学成分对每个感官质量指标的贡献，采用PLSR中的Jack-knife 不确定测试方法，通过计算估计回归系数进行了基于PLS1（多自变量单因变量）的化学成分对每个感官质量指标的贡献分析（具体图表未显示），结果表明，总植物碱和挥发碱对香气质具有显著负影响（p＜0.05）。总氮、总植物碱、蛋白质、挥发碱及石油醚提取物显著贡献于感官刺激性，而水溶性总糖、还原糖对降低刺激性、消除杂气具有显著贡献（p ＜0.05）。另外，水溶性总糖、还原糖、K、Cl、挥发酸对增强感官柔细度具有显著贡献（p＜0.05），总植物碱含量对柔细度具有显著负影响（p＜0.05）。Cl含量还显著贡献于感官甜度，总植物碱、蛋白质、挥发碱和石油醚提取物对甜度呈显著负相关。淀粉贡献于卷烟抽吸劲头，K对降低卷烟劲头具有显著作用（p＜0.05）。糖碱比和糖氮比值与刺激性、杂气呈显著负相关，与柔细度、余味成显著正相关（p＜0.05）。

图1　烟叶代表性化学成分与感官属性的相关载荷图Fig. 1 The loadings plot of tobacco typical chemical components and sensory attributes

3　讨论

烟叶中各种化学成分的含量反映了烟叶的质量状态［16］。在烟叶感官质量的评价体系中，烟叶化学成分的含量和比例是重要的质量评价指标。目前，对烟叶质量的评价主要通过人工评吸来进行，得到的数据结果受主观因素的影响较大。人工感官评吸样品数量的限制也为烟叶化学成分和感官质量关系带来局限性。

PLSR是一种新型多元统计分析方法，可以避免数据非正态分布、因子结构不确定性和模型不能识别等潜在问题。该方法是集主成分分析、典型相关分析和多元线性回归分析3种分析方法的优点于一身，主要应用于建立多因变量间的统计关系。在回归分析中，当自变量与因变量的个数都很多，并且在自变量以及因变量之间都存在较严重的多重共线时，如果采取一般的多元回归方法，其分析的可靠性极低，而采取PLSR分析，可以很好的解决这个问题。

本文选取同一烤烟品种的7份单料烟叶为试验样本，单料烟叶物质成分的稳定性为本研究提供了相对稳定的样本物质基础，而不同样品间化学成分含量的显著差异实现了最大的变量差异性。结合PLSR有效地解释变量的相关性而不丢失数据信息的特点，成功地建立了PLSR模型（该模型解释了95%的交叉验证方差）用来研究化学成分与感官属性的相关性及贡献性。

水溶性总糖、还原糖、总氮、总植物碱等含量常作为评价卷烟质量的主要因子［17］。事实上，卷烟烟叶中各化学成分的协调和平衡决定了卷烟的感官质量。尽管烟叶中一些非主要成分对感官质量没有决定性的影响，但是这些成分的引入会对感官吸食产生一些附加性影响信息。例如，很多文献都曾报道［8，18-20］，在一定范围内，适当提高烟叶的氯离子有利于提高烟叶品质。但是，关于氯离子对感官质量指标具有怎样的贡献或对哪些感官指标具有显著影响却少见报道。本文 PLSR分析结果显示，氯对增加卷烟感官柔细度和甜度具有显著贡献（p＜0.05）。通过探索对特定感官质量指标具有显著贡献或显著影响的烟叶化学成分，有助于卷烟质量的机理分析，更好地指导卷烟烟叶的加工、调制工艺。例如，挥发酸对增加感官柔细度有显著贡献，这可能与挥发酸能中和烟叶及烟气中的碱性成分有关；淀粉贡献于劲头的增强，这可能与淀粉的燃烧有关，Rodgman［21］曾报道在卷烟燃吸时，烟叶中多糖（淀粉、纤维素和果胶）产生大量的醛、酮及酚类等显著增强抽吸劲头。

4　结论

本文选取同一品种不同等级的单料烤烟烟叶为试验样本，采用偏最小二乘回归（PLSR）方法对烟叶化学成分与感官质量的关系进行了分析。PLSR方法避免了源于样本量限制的数据非正态分布等潜在问题，所建立的烟草化学成分与卷烟感官质量的相关性模型，解释了95%的交叉验证方差，成功地反映了样品的整体信息。基于PLS1分析了对每个特定感官指标具有显著贡献或显著影响的烟叶化学成分，该结果对卷烟质量的机理分析，卷烟烟叶的加工和调制工艺等具有重要指导意义。

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Correlation of Tobacco Chemical Components and Sensory Quality Assessed by PLSR

LIN Shunshun，ZHANG Xiaoming*
（School of Food Science and Technology，Jiangnan University，Wuxi，Jiangsu 214122，China）

Abstract:Partial least squares regression （PLSR） was employed to analyze the correlation of tobacco chemical components and sensory quality. The results showed that sugar/alkaloids and sugar/nitrogen had positive correlations with comfortable and aftertaste attributes，and negative correlations with irritation and off-taste attributes. Additionally，alkaline composition including total alkaloids and volatile alkali had significant negative correlations with aroma quality attributes （p＜0.05）. Total nitrogen，total alkaloids，protein，volatile alkali and petroleum ether extracts contributed significantly to the increase of irritation，while total sugars and reducing sugars had significant effect on masking harsh-taste （p＜0.05）. K，Cl and volatile acids contributed to the increase of the sensory comfortable attribute，and the reduction of sensory impact （p＜0.05）. PLSR solved the multiple linear regression problems in which the use of traditional multivariate methods is severely limited，such as limited number of observations and collinearity. The results of this study are important for guiding cigarette tobacco processing and modifying technology.

Keywords:reducing sugars；potassium；chlorine；ratio of sugar and alkaloid；PLSR

中图分类号：TS41+1

文章编号：1007-5119（2016）01-0078-05

DOI：10.13496/j.issn.1007-5119.2016.01.014

基金项目：广西中烟工业有限责任公司技术创新项目“生物化学技术醇化低次烟叶的开发与应用研究”（20120213Y）

作者简介：林顺顺，女，在读博士，研究方向为烟草化学。E-mail：linshunshun103@163.com。*通信作者，E-mail：xmzhang@jiangnan.edu.cn

收稿日期：2015-08-03 修回日期：2015-11-06