基于聚类分析的3种新香型烤烟烟叶质量特征与香型评价

摘要 ［目的］建立国产烤烟烟叶新香型风格特征的评价体系，为国内优质特色烟叶识别归类和卷烟生产提供参考。［方法］分别选取清甜香型、蜜甜香型和焦甜焦香型3种不同新香型C2F等级烤烟共60份样品，对其外观质量指标、感官质量指标、常规化学成分及中性香气物质分别采用主成分分析筛选能够有效区分不同香型风格的关键质量指标，最后通过聚类分析利用3组样品进行验证。［结果］主成分分析筛选出了区分3种新香型风格的4类主要质量特征指标，分别为2项外观质量指标（色度和油分）、4项感官质量指标（香气量、感官总分、浓度、刺激性）、3项常规化学成分（氯、总糖、钾）和5项中性香气物质（茄酮、二氢大马酮、巨豆三烯酮、二氢猕猴桃内酯、新植二烯）。筛选的14项质量特征指标能够较为准确地将验证组A组15个样品聚为3类，B组8个样品聚为5类，C组23个样品聚为4类，分类正确率分别为93.33%、87.50%和100%。［结论］筛选出的这14项指标可以准确判别不同烤烟香型风格，并可有效区分这3种不同新香型风格的烟叶。

关键词 烤烟；香型风格；聚类分析；质量特征指标；主成分分析

中图分类号 TS47  文献标识码 A  文章编号 0517-6611（2023）10-0156-06

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2023.10.035

Abstract ［Objective］ To establish an evaluation system for the new aroma style characteristics of domestic fluecured tobacco leaves， provide reference for the identification and classification of highquality and characteristic tobacco leaves and cigarette production in China. ［Method］ A total of 60 samples of C2F grade fluecured tobacco with three different aroma types， namely clear sweet aroma type， honey sweet aroma type， and burnt sweet burnt aroma type， were selected. The appearance quality indexes， sensory quality indexes， conventional chemical components and neutral flavor substances were selected using principal component analysis to screen key quality indicators that can effectively distinguish different aroma styles. Finally， cluster analysis was used to verify the effectiveness of three sets of samples.［Result］Principal component analysis screened out four main quality characteristic indicators to distinguish three new flavor styles， namely， two appearance quality indexes（chroma and oil content）， four sensory quality indexes （aroma quantity， sensory total score， concentration， irritation）， three conventional chemical components （chlorine， total sugar， potassium） and five neutral aroma substances （solanone，damascone，tabanone， dihydroactinidiolide， neophytadiene）.The fourteen selected quality indexes could accurately gather group A of 15 samples into three categories， group B of 8 samples into five categories， and group C of 23 samples perfectly into four categories with classification accuracy of 93.33%， 87.50% and 100%， respectively.［Conclusion］ These 14 selected quality characteristic indexes can be used to accurately distinguish different flavor styles of fluecured tobacco， especially the three new different aroma style types of tobacco leaf.

Key words Fluecured tobacco;Aroma style;Cluster analysis;Quality characteristic indexes;Principal component analysis

烟叶是烟草行业生存和发展的基础，其质量和类型直接影响到卷烟产品的感官质量和风格特征。我国幅员辽阔，各种自然条件、种植方式和工业技术不同，因此烤烟香型也有所差异［1-2］。根据2017年《全国烤烟烟叶香型风格区划的通知》，全国烤烟烟叶产区划分为八大生态区，不同生态区的烟叶在外观质量、化学成分、香气物质、感官质量方面均存在一定的差异，相应的烟叶风格划分为8种香型，分别为清甜香型、蜜甜香型、醇甜香型、焦甜焦香型、焦甜醇甜香型、清甜蜜甜香型、蜜甜焦香型和木香蜜甜香型［3］。研究烟叶各类质量特征与香型评价的关系以及烤烟香型分类的关键性指标，对中式卷烟原料的选择以及优化设计产品配方有重要意义。

肖明礼等［4］研究表明不同香型风格、不同部位烟叶的重要致香成分物质总量有一定的差异，还原糖、致香成分对感官综合质量有显著影响。杨佳玫等［5］研究表明不同生态区烟叶化学成分差异显著。郭东锋等［6］采用随机森林建立了基于化学成分、香味成分2类指标的烤烟香型分类模型，分类正确率分别为87.50％和82.35％。许永等［7］基于烟叶致香成分采用7种方法建立了烤烟香型分类模型，从中筛选出了烤烟香型判断准确率高于90％的线性判别法和高斯混合模型。詹军等［8］基于化学成分和致香物质建立了Fisher判别函数对烤烟上部叶香型进行判别分析。主成分分析（PCA）是将多重数据有效降维的一种统计方法［9］，聚类分析（CA）是研究分类问题的多元数据分析技术，目前已经在医药、经济、食品、环境等领域得到广泛应用［10-12］，但利用聚类分析对烤烟烟叶香型评价的研究较少。虽然烟叶质量特征与香型评价一直都是烟草行业的研究关注点，但多数研究只是以单项指标来进行分类，难以客观地反映烟草质量整体的异同点，更不能全面准确描述多类别、多变量指标的综合差异，而且此前研究多是以清香型、浓香型、中间香型烤烟作为研究对象，自2017年烤烟烟叶风格被划分为8种香型后，关于对烤烟烟叶质量和新香型评价的研究更是鲜有报道。

该研究通过对国产3种新香型（清甜香型、蜜甜香型和焦甜焦香型）C2F等级烤烟样品外观质量指标、感官质量指标、常规化学成分和中性香气物质进行主成分分析，筛选出区分香型风格的不同类型质量特征指标，建立新香型综合评价方法，为不同香型烟叶风格的关键质量因素剖析提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验中筛选2019—2020年度西南高原、黔桂山地和黄淮平原3个生态区的3种香型（清甜香、蜜甜香和焦甜焦香）C2F等级烤烟各20份（共60份）样品进行PCA；另外选取8个2019—2020年4种不同香型的烤烟样本作为CA外部验证样，包括清甜香型、蜜甜香型、焦甜焦香型和取自武夷丘陵生态区的清甜蜜甜香型样品。制备每份烟叶样品3.0 kg，样品在温度（22±1）℃和相对湿度（60±2）% 的恒温恒湿箱中平衡水分48 h。

1.2 测试方法

烟叶外观质量参考郑州烟草研究院制订的烤烟外观质量评价标准进行打分。烟叶常规化学成分总糖、还原糖、烟碱、总氮、氯、钾、淀粉7项指标分析分别依据YC/T 159—2002、YC/T 159—2002、YC/T 468—2013、YC/T 161—2002、YC/T 162—2002、YC/T 217—2007、YC/T 216—2013的方法测定。烟叶感官质量评价依据标准方法YC/T 530—2015，由中国烟草总公司郑州烟草研究院组织7名全国评烟委员会专家对烟叶质量进行评价。

烟叶中性香气物质采用气相色谱-质谱（GC-MS）法进行定性定量分析，前处理采用同时蒸馏萃取（SDE）［13-15］，具体如下：称取25.0 g烟样于500 mL圆底烧瓶中，加入350 mL饱和氯化钠溶液和0.5 mL内标溶液（芳樟醇），摇匀后放进电热套，在另一250 mL烧瓶中加入40 mL二氯甲烷，60 ℃水浴。两边同时加热，水蒸气沸腾后计时，共同沸腾2.5 h，收集二氯甲烷提取液加适量无水硫酸钠干燥后浓缩至1 mL，进行GC-MS鉴定和GC分析。GC-MS条件：Turbo-Mass型气相色谱-质谱联用仪（美国PERKEM ELMER公司，配置分流/不分流进样口），进样口温度250 ℃，毛细管柱为DB-5（30 m×0.25 mm，0.25 μm），载气为氦气（纯度为99.999%），柱头压68.95 kPa；柱升温程序：初温40 ℃，保持2 min，以4 ℃/min升温至250 ℃，保持10 min；EI能量70 eV，光电倍增器电压（EMV）350 V；分子量扫描范围为33～350 au；传输线温度250 ℃，离子源温度170 ℃，进样量2.0 μL，进样方式为分流进样。

1.3 数据分析

PCA和CA之前，需对数据进行标准化处理，以消除不同量纲带来的影响。采用Excel 2010对数据进行标准化处理，采用统计学软件SPSS Statistics 23对数据进行相关分析、主成分分析、聚类分析，SPSS软件FACTOR模块提供了PCA的功能。权重的大小代表着某一指标在整体评价中相对重要程度，根据各类指标的权重大小筛选出关键性指标，再通过CA进行回判验证，最终确定在烟叶香型分类中起关键作用的指标。权重计算方法主要依据PCA的方差贡献率和成分矩阵（在因子分析中被称为因子载荷阵），由各个主成分的特征值对应的开根值和载荷矩阵中的系数进行计算，具体计算公式如下［14］：

其中i表示第i个原始指标，共有m个原始指标；j表示第j主成分，共提取了n个主成分；λj为第j主成分的特征根；Yj为第j主成分的方差贡献率；θij为成分矩阵中第j主成分对原指标变量Xi的载荷数；uij为第j主成分线性组合中原始指标Xi的系数；di为原始指标Xi在综合模型中的系数；wi为原始指标Xi的权重归一化后的结果。

2 结果与分析