烟叶机械加工性能与主要化学成分的关系分析

代惠娟，杨 晔，李 彬，李爱军，陈红丽

(1.河北中烟工业有限责任公司，河北 石家庄 050051；2.四川中烟工业有限责任公司 长城雪茄烟厂，四川 什邡 618400；3.河南农业大学 烟草学院，河南 郑州 450002)

烟叶机械加工性能与主要化学成分的关系分析

代惠娟1，杨 晔1，李 彬1，李爱军2，陈红丽3

(1.河北中烟工业有限责任公司，河北 石家庄 050051；2.四川中烟工业有限责任公司 长城雪茄烟厂，四川 什邡 618400；3.河南农业大学 烟草学院，河南 郑州 450002)

应用DPS软件对2015年平顶山等地46份烟叶主要化学成分和机械加工性能指标进行了简单相关分析,结果表明：烟叶抗张力、抗张强度、延伸率和抗破碎指数与总糖、还原糖、果胶呈正相关，与烟碱、总氮、蛋白质呈负相关，烟叶抗破碎指数与总糖、还原糖、果胶呈极显著正相关，与烟碱、总氮、蛋白质呈极显著负相关。应用因子分析法对所取烟叶主要化学成分进行了因子分析，提取出的碳氮因子、果胶因子、pH因子3个主因子的累计贡献率为82.386%。将因子得分与烟叶机械加工性能指标进行了灰色关联度分析，结果表明：对烟叶机械加工性能影响最大的是综合因子，对抗张力、抗张强度、延伸率影响最小的是果胶因子，对抗破碎指数影响最小的是pH因子。

烟叶；主要化学成分；机械加工性能；因子分析；灰色关联分析

烟叶的机械加工性能，是指烟叶在各种机械力(摩擦、挤压、撞击、撕打等)的作用下抵抗破碎的能力，它主要通过烟叶抗张力、抗张强度、延伸率和抗破碎性来度量[1]。烟叶的机械加工性能受烟叶加工过程的影响，此外还与烟叶的外观质量、化学成分等密切相关。烟草教材及相关参考文献中经常提到烟叶抗破碎性，但也只是通过眼观、手摸得出的一个模糊的概念，而对烟叶抗破碎性的测定方法以及对烟叶抗破碎性进行定量的研究，在国家标准及ISO标准中一直是个空白，对烟叶化学成分与机械加工性能关系的研究也鲜有报道。本文探讨了烟叶机械加工性能与烟叶主要化学成分的关系，旨在为丰富卷烟原料质量评价体系，减少烟叶加工中过程造碎提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

材料选自2015年平顶山和洛宁科技示范园的烤烟烟叶，包括郏县、叶县、汝州、舞钢、鲁山、宝丰、洛宁7个县的41个烟叶样品，品种为中烟100和NC89，成熟采收，烘烤后取上部叶(B2F、B2L)、中部叶(C3F、C3L)、下部叶(X2F、X2L)3个部位。另外，选自贵州毕节、重庆彭水、湖北恩施烤烟，以及湖北恩施白肋烟、云南宝山香料烟6个烟叶样品，成熟采收烘烤后，均取中部叶。

1.2 试验方法

1.2.1 主要化学成分分析 总糖、还原糖、烟碱、钾、氯的测定采用连续流动仪法；总氮、蛋白质、淀粉的测定参考王瑞新[2]的方法；烟叶pH、果胶含量的测定参照闫克玉等[3-4]的方法。

1.2.2 机械加工性能分析 抗张力、抗张强度、延伸率的测定参考吉书文等[5]的方法。抗破碎指数用来衡量烟叶抗破碎性能，其测定参考于建军[1]的方法。

1.2.3 数据处理 运用SPSS 11.5软件对主要化学成分进行因子分析，计算出因子得分，并运用DPS统计分析软件将因子得分与烟叶机械加工性能指标进行灰色关联度分析。

2 结果与分析

2.1 烟叶机械加工性能与主要化学成分之间的简单相关分析

烟叶的抗张力、抗张强度、延伸率和抗破碎指数用来衡量烟叶的机械加工性能[1]，以上指标越大，说明烟叶机械加工性能越强，抵抗加工过程造碎的能力越强。烟叶机械加工性能与主要化学成分之间的简单相关系数见表1。由表1可以看出，烟叶的pH值与抗张力、抗张强度呈显著负相关，与总糖、还原糖、淀粉、果胶呈正相关，与烟碱、总氮、蛋白质、钾负相关，相关系数均没有达到显著水平。延伸率与果胶呈极显著正相关，与总糖、还原糖、钾呈正相关，与淀粉、烟碱、总氮、蛋白质、氯呈负相关，相关系数没有达到显著水平。烟叶抗破碎指数与总糖、还原糖、果胶极显著正相关，与烟碱、总氮、蛋白质、钾、氯呈极显著负相关，烟叶抗破碎指数与淀粉、pH呈正相关，但相关系数没有达到显著水平；烟叶抗破碎指数与抗张力、抗张强度呈极显著正相关，与延伸率呈显著正相关。王建民等[6]研究结果表明：含糖量高、含氮量低的烟叶在打叶复烤过程中造碎较少，而含糖量低、含氮量高的烟叶造碎较多，这与本文的研究结论基本一致。

表1 烟叶机械加工性能与主要化学成分之间的简单相关系数

注：*、**分别表示在0.05、0.01水平上的显著性。

2.2 烟叶机械加工性能与主要化学成分的因子分析

应用SPSS 11.5数据处理软件对烟叶主要化学成分进行因子分析，利用主成分分析法提取特征值大于0.9的3个主因子，3个主因子的累积贡献率为82.386%，对10种主要化学成分指标的贡献率分别为45.312%、20.815%、16.259%。公因子方差给出该模型对各变量所能解释的方差比例，除钾、氯、烟碱、水浸液pH值方差比例稍低外，其余均大于75%，说明该模型在阐明以因子形式表现的变量间的关系时有较高的可信度。KMO的统计量为0.694，说明适合对烟叶主要化学成分进行因子分析[7]。将3个主因子进行4次方最大正交旋转，得出主成分、特征值及贡献率(表2)和因子载荷矩阵(表3)。

表2 主成分、特征值及贡献率

注：主成分M=3。

从因子载荷矩阵(表3)可以看出，第一个主因子主要包括含碳化合物和含氮化合物，故可称之为碳氮因子，它对烟叶化学成分的贡献率为45.312%，碳氮因子主要由总糖、还原糖、烟碱、总氮、蛋白质、钾、氯决定，且烟碱、总氮、蛋白质、钾、氯在碳氮因子上具有较大的正载荷，说明这几个变量呈正相关，与碳氮因子也呈正相关，总糖、还原糖在碳氮因子上具有较大的负载荷，说明总糖、还原糖具有相似的变化趋势，两者呈正相关，而与碳氮因子呈负相关。淀粉在第二个主因子上具有最大的正载荷，可将第二个主因子称为果胶因子，淀粉在果胶因子上具有最大的负载荷，说明淀粉与果胶因子呈负相关，果胶因子的贡献率为20.815%。pH值在第三个主因子上具有最大负载荷，可将第三个主因子称为pH因子，总氮、蛋白质在pH因子上具有较大的正载荷，说明总氮、蛋白质与pH因子呈正相关，pH因子的贡献率为16.259%。

利用回归模型计算3个主因子的得分，其数学模型的建立参照时松和等[8]的方法。根据3个主因子的贡献率和因子得分，可建立烟叶化学成分综合因子得分数学模型[9]：

F=0.550X1+0.253X2+0.197X3

式中：X1为碳氮因子得分，X2为果胶因子得分，X3为pH因子得分。

3个主因子得分和综合因子得分见表4。综合因子得分是对烟叶化学成分的综合评价，在一定程度上反映了烟叶化学成分的协调程度，因此也可以把综合因子称为化学成分协调因子[9]。

表3 烟叶主要化学成分3因子模型分析

2.3 烟叶机械加工性能与主要化学成分的灰色关联度分析

灰色关联度分析是根据因素间发展态势的相似或相异程度来衡量因素间关联程度的一种分析手段。它表示了事物动态关联的特征与程度，由于以发展态势为立足点，对样本量的多少没有过分的要求，也不需要典型的分布规律，计算量少，精确度高[10]。将3个因子得分和综合因子得分作为比较数列，烟叶机械加工性能作为参考数列(表4)。利用灰色关联度将烟叶主要化学成分与其机械加工性能指标进行了分析，关联度越大说明比较数列对参考数列的影响就越大。为消除各指标间量纲的影响，将烟叶化学成分和机械加工性能指标进行标准化处理后，再进行灰色关联度分析。将3个主因子得分、综合因子得分分别与对应样品的抗张力、抗张强度、延伸率、抗破碎指数进行灰色关联度分析，结果见表5。

参考数列:X0=[x0(k),k=1，2，3，…，k]=[x0(1)，x0(2)，…，x0(4)]

比较数列:Xi=[xi(k),k=1，2，3，…，i]=[xi(k)，xi(k)，…，xi(10)]

式中i=1总糖、2还原糖、3淀粉、4烟碱、5总氮、6蛋白质、7钾、8氯、9pH、10果胶

则比较数列Xi对参考数列X0的关联系数为:

εi(k)=

ρ为分辨系数，取0.5。

从表5可以看出，在各主因子与烟叶机械加工性能指标的灰色关联排序中，对抗张力、抗张强度的影响顺序是综合因子>pH因子>碳氮因子>果胶因子，对延伸率的影响排序是pH因子>碳氮因子>综合因子>果胶因子，对抗破碎指数的影响排序是碳氮因子>综合因子>果胶因子>pH因子。总之，碳氮因子和综合因子对烟叶的机械加工性能的影响最大。

3 结论与讨论

(1)烟叶抗张力、抗张强度与总糖、还原糖、果胶呈正相关，与烟碱、总氮、蛋白质、钾呈负相关，与烟叶水浸液pH呈显著负相关；烟叶延伸率和果胶呈极显著正相关，与总糖、还原糖、钾呈正相关，与淀粉、烟碱、总氮、蛋白质、氯呈负相关；烟叶抗破碎指数与总糖、还原糖、果胶呈极显著正相关，与烟碱、总氮、蛋白质、钾、氯呈极显著负相关。烟叶的化学成分主要通过影响烟叶的吸湿性来影响烟叶的机械加工性能，总糖、还原糖、果胶属于亲水性物质，对烟叶的吸湿性、保湿性和弹性起到一定的作用。另外，烟叶的组织结构也与机械加工性能有关，烟叶中含碳化合物含量较高而含氮化合物含量较低时，烟叶的组织较细致，机械加工性能较好[2]。氯含量高于0.6%时会增加烟叶的吸湿性[2]，90%以上所取烟叶样品的氯含量低于0.6%，所以其对烟叶抗张力、抗张强度的影响不显著。水浸液pH、钾影响烟叶机械加工性能的原因有待于进一步研究。

(2)因子分析用于寻找烟叶众多化学成分中起支配作用的潜在因子。碳氮因子占原变量总方差的比例为45.312%，明显高于另外2个因子，说明碳氮化合物在化学成分中的作用最大，对烟叶品质的影响最显著，即烟叶的品质主要由烟叶中碳氮化合物的协调程度决定。烟叶抗张力、抗张强度、延伸率、抗破碎指数与烟叶质量呈正相关[1]，糖含量高、氮含量略低的烟叶碳氮平衡协调，其机械加工性能也较好。果胶是亲水性胶体物质，通过渗透作用对烟叶的吸湿性和弹性起一定的作用[2]。水浸液pH值反映了烟叶质量，等级高的烟叶水浸液pH值也越高[2]，水浸液pH值在pH因子上具有最大的负载荷，说明水浸液pH值和pH因子有相反的变化趋势。

表4 烟叶主要化学成分因子得分与烟叶机械加工性能比较

(3)从各主因子得分与烟叶机械加工性能的灰色关联度排序中可以看出，对烟叶机械加工性能影响最大的是综合因子，对抗张力、抗张强度、延伸率影响最小的是果胶因子，对抗破碎指数影响最小的是pH因子。

表5 烟叶主要化学成分因子得分与烟叶机械加工性能指标的灰色关联度

[1] 于建军.卷烟工艺学[M].北京:中国农业出版社,2003.

[2] 王瑞新.烟草化学[M].北京:中国农业出版社,2003.

[3] 闫克玉,龚珍林,张映.烤烟烟叶pH值的对比分析[J].烟草科技,2007(6):49-52.

[4] 闫克玉.烟草化学[M].郑州:郑州大学出版社,2002.

[5] 吉书文,腾兆波.烟草物理检测[M].郑州:河南科学技术出版社,1997.

[6] 王建民,马林,胡开利.打叶过程中烟叶造碎情况分析[J].烟草科技,2001(7):3-4.

[7] 余建英,何旭宏.数据统计分析与SPSS应用[M].北京:人民邮电出版社,2003.

[8] 时松和,施学忠,李颖琰.计算机在医学数据分析中的应用[M].兰州:兰州大学出版社,2005.

[9] 于建军,代惠娟,李爱军,等.金攀西烤烟主要化学成分与评吸质量的灰色关联度分析[J].河南农业大学学报,2007,41(6):605-610.

[10] 唐启义,冯明光.DPS数据处理系统-实验设计、统计分析及模型优化[M].北京:科学出版社,2006.

(责任编辑：曾小军)

Analysis of Relationship between Machining Property and Main Chemical Components of Tobacco Leaf

DAI Hui-juan1, YANG Ye1, LI Bin1, LI Ai-jun2, CHEN Hong-li3

(1. China Tobacco Hebei Industrial Limited Corporation, Shijiazhuang 050051, China; 2. Great Wall Cigar Factory, China Tobacco Sichuan Industrial Company, Shifang 618400, China; 3. College of Tobacco Science, Henan Agricultural University, Zhengzhou 450002, China)

Forty-six kinds of tobacco leaf samples were collected from Pingdingshan and other tobacco-growing areas in 2015, and their main chemical components and machining properties were analyzed through DPS. The results indicated that the tension stress, tensile strength, ductility rate and shatter-resistant index of tobacco leaves had a positive correlation with the total sugar, reducing sugar and pectin content, and had a negative correlation with the nicotine, total nitrogen and protein content. The shatter-resistant index of tobacco leaves was extremely significantly positively correlated with the total sugar, reducing sugar and pectin content, and was extremely significantly negatively correlated with the nicotine, total nitrogen and protein content. The main chemical components of tobacco leaves were analyzed by factor analysis, three principal factors (carbon nitrogen factor, pectin factor and pH factor) were extracted from these chemical components, and the accumulative contribution rate of these three principal factors was 82.386%. The grey relation degree between the principal factor score and the machining property indexes of tobacco leaves was analyzed, and it was found that: the synthetic factor had the greatest effect on the machining property of tobacco leaves; pectin factor had the least effect on the tension stress, tensile strength and ductility rate; pH factor had the least influence on the shatter-resistant index.

Tobacco leaf; Main chemical components; Machining property; Factor analysis; Grey relation analysis

2016-09-14

河南省烟草专卖局资助项目。

代惠娟(1982─)，女，河南郑州人，农艺师，硕士，从事烟叶质量验收工作。

S572

A

1001-8581(2017)03-0070-05