基于PCA的云南红河州烟叶常规化学成分特征研究
时间：2023-01-26 12:30:07 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
金红岗，张 涛，王海娟，何雪峰，杨 蕾*
(1.红云红河烟草(集团)有限责任公司 原料部，云南 昆明 650202；
2.云南中烟工业有限责任公司 技术中心，云南 昆明 650231)
烟叶作为工业卷烟企业的主要原料，其质量对后续产品配方设计、成品销售等有重要影响．然而，目前国内烤烟收购方式仍采用传统以人为收购为主的烟站式散叶收购模式，该模式难免会出现对烟叶品质因素的理解、部位和相邻等级把握不准，以及分级效果不理想等问题，势必会对今后烟叶使用造成一定的影响．而主成分分析(PCA)通过降维处理，可揭示烟叶的化学成分、品种、产地，乃至年份之间的复杂关系[1]，且该方法可用于评价不同维度样品间的质量差异[2-3]．
云南烤烟主栽品种有K326、红花大金元、云烟97和云烟87等[4]，这些品种的种植面积占烤烟总种植面积的65%．而红河植烟区不仅是云南省优质烟叶产区之一，还是红云红河烟草(集团)有限责任公司“四大核心原料区”中规模最大的烟区，在云产卷烟生产中起着极其重要的作用[5-6]，因此分析该地区烟叶质量特征有利于后续工业应用．本文结合烟叶分级结果，通过对云南省红河哈尼族彝族自治州(以下简称红河州)3个县(市)收购烟叶的不同年份、品种、等级、部位常规化学成分的PCA分析，得出不同地区、不同年份、不同品种间同部位烟叶品质的差异，以期为后续烟叶工业配方应用提供科学依据．
1.1 材料
2018—2020年，在云南省红河州的弥勒、建水、泸西3个县(市)的26个乡镇采集当地主栽品种K326和云87的上部叶(B1F、B2F、B3F、B4F)、中部叶(C1F、C2F、C3F、C4F)、下部叶(X2F、X3F)3个部位的10个等级，样品数量共 3 124 个．样品分布情况详见表1.
表1 红河烟区烟叶样品基本信息
1.2 方法
1.2.1 测量指标
一般认为优质烟叶总糖质量分数要求达到18%～22%、还原糖质量分数为16%～18%、还原糖/总糖≥0.9、总氮质量分数为1.5%～3.5%、蛋白质质量分数为8%～10%、烟碱质量分数为1.5%～3.5%、钾质量分数在2%以上、氯质量分数在1%以下是比较适宜的范围[7]．
根据历年来云南烟叶使用情况，云南省烟草农业科学研究院[8]提出，工业企业适用烟叶的适宜化学成分范围为烟碱以2.0%～2.5%较适宜，蛋白质以8%～10%为宜，总糖以20%～25%较适宜，还原糖以18%～24%为最佳，总氮以2.5%为宜，钾为1.0%～3.0%、氯为0.3%～0.6%比较理想，氯碱比以0.8～1比较合适，糖碱比以6～8、两糖比以0.85为最佳．此外，不同部位烟叶化学成分适宜范围有所不同，详见表2．
由于优质烟叶的蛋白质质量分数以8%～10%为宜，若蛋白质质量分数过高则会导致香气和吃味差、刺激性大、品质低劣．钾能提高烟叶的燃烧性，使灰色洁白、叶片柔和，外观品质提高．氯影响烟叶的燃烧性，其质量分数在1%以下为宜，氯超过1%则燃烧不良，会出现黑灰熄火现象，品质变差[9-10]．糖质量分数高的烟叶，其烟叶品质高，但糖质量分数过高会导致烟气醇和度降低，吃味变淡[11]．总体来说，烤烟的主要化学成分不仅要在适宜范围内，而且其比值也要适宜，才能使之相互协调．
测量指标包括总烟碱、总糖、还原糖、总氮、钾、氯、蛋白质，并计算糖碱比、糖氮比、钾氯比、两糖差、施木克值．测量方法为：总烟碱采用YC/T 468—2013；
氯参照YC/T 245—2008；
还原糖和水溶性糖参照YC/T 159—2002；
总氮采用YC/T 161—2002；
钾参照YC/T 217—2007；
蛋白质参照YC/T 166—2003．测量结果如表3、表4所示.
表2 不同部位烟叶化学成分适宜范围
1.2.2 数据处理
对3 124个烟叶样品主要化学成分数据进行统计分析，结果如表3所示.
对不同地区同一年份同一品种同一部位的烟叶化学成分进行分析，计算其平均值，结果如表4所示．采用SPSS17.0 软件对表3的数据进行处理，并使用PCA方法对测试样本降维，获得不同数组矩阵PC1,PC2,…,PCn，归一化处理后进行对比评价[12].
表3 烟叶样品主要化学成分基本特征
表4 红河州烟区烟叶样品主要化学成分检测结果
续表4
2.1 常规化学成分PCA分析
为进一步探讨红河州3个县(市)烟区的2个品种3个部位常规化学成分差异，对样品的13种常规化学成分进行主成分分析，结果见表5和表6． 其中：第1主成分特征值和贡献率分别为5.87和65.2%；
第2主成分特征值和贡献率分别为2.18和24.2%；
2个主成分因子累计贡献率为89.4%．表明PCA分析能包含所测的常规化学成分的大部分信息.
表5 2个主成分特征值及贡献率
表6 2个主成分载荷矩阵及其特征值
2.2 不同地区、品种和部位的常规化学成分PCA分析
从图1～图3的PCA分类图可以看出，常规化学成分在不同地区、不同品种间的差异不明显，而差异主要体现在上、中、下不同部位叶上，因此后续研究应针对不同常规化学成分在不同部位上的差异进行分析.
图1 不同地区烟叶常规化学成分PCA分析结果
图2 不同品种烟叶常规化学成分PCA分析结果
图3 不同部位烟叶常规化学成分PCA分析结果
2.3 不同常规化学成分在不同部位的质量分数变化特征PCA分析
在上述研究的基础上，为探索不同部位烟叶的不同常规化学成分质量分数变化特征，采用PCA进一步分析，结果如图4～图11所示．
图4 不同部位烟叶总烟碱质量分数PCA分析结果
图5 不同部位烟叶还原糖质量分数PCA分析结果
图6 不同部位烟叶总氮质量分数PCA分析结果
图7 不同部位烟叶钾质量分数PCA分析结果
图8 不同部位烟叶氯质量分数PCA分析结果
图9 不同部位烟叶蛋白质质量分数PCA分析结果
图10 不同部位烟叶糖氮比PCA分析结果
图11 不同部位烟叶两糖差PCA分析结果
由图4～图11可以看出：
1)w(上部叶总烟碱)为3.718%～4.082%、w(中部叶总烟碱) 为2.992%～3.718%、w(下部叶总烟碱)为2.265%～2.992%．不同部位总烟碱质量分数排序为：w(上部叶)>w(中部叶)>w(下部叶)；
2)w(中部叶还原糖)=19.033%～21.249%>w(上部叶、下部叶还原糖)=15.710%～19.033%；
3)w(上部叶总氮)=2.273%～2.660%>w(中部叶总氮)=2.080%～2.273%>w(下部叶总氮)=1.693%～2.080%；
4)w(下部叶钾)=2.553%～2.776%>w(中部叶钾)=2.107%～2.330%>w(上部叶钾)=1.661%～2.107%；
5)w(中部叶、下部叶氯)=0.514%～0.670%>w(上部叶氯)=0.280%～0.514%；
6)w(上部叶蛋白质)=20.562%～22.638%>w(中部叶蛋白质)=16.411%～20.562%>w(下部叶蛋白质)=12.261%～16.411%；
7)中部叶、下部叶糖氮比=10.554～14.136>上部叶糖氮比=8.166～10.554；
8)中部叶、下部叶两糖差=4.686～6.191>上部叶两糖差=3.683～4.686.
参考不同部位烟叶化学成分适宜范围值表2[8]，并对照本研究所得结果可知，不同部位烟叶的化学成分质量分数变化趋势与表2基本一致，未发现大范围变动．但是下部烟叶烟碱质量分数整体略高于适宜范围上限，上部烟叶钾质量分数过于偏低，中、下部烟叶的糖氮比过于偏低．
3.1 讨论
由研究结果可知，云南省红河州3个县(市)烟区的K326、云87烟叶化学成分总体上符合优质烟叶适宜范围，但常规化学成分尚存在以下问题：1)下部叶烟碱质量分数整体略高于适宜值，在后续使用中可能会对卷烟感官指标中的劲头产生影响；
2)上部叶的钾质量分数过于偏低，可能会影响卷烟的燃烧性；
3)中、下部叶的糖氮比过于偏低，可能会影响卷烟的香味和舒适性．因此如何调整种植措施，提升上部烟叶钾质量分数，降低下部烟叶烟碱质量分数，适当提升中、下部烟叶的糖质量分数，是红河烟区烟叶生产应解决的问题．同时对于工业企业来说，如何结合目前红河烟区烟叶质量特征进行配方优化，提高红河烟叶的使用效率，也是应该考虑的问题．此外，由于本研究仅对2018—2020年的烟叶样品进行分析，样本数量有限，还需要对多年、多样本的检测结果进行验证，才能更加全面、客观地反映红河植烟区烟叶的主要化学成分特征．
3.2 结论
本研究分析了2018—2020年云南省红河州3个县(市)植烟区的K326、云87烟叶样品化学成分特征，结果表明，红河州植烟区的烟叶化学成分总体在优质烟叶范围内，但不同部位常规化学成分存在以下特点：烟叶烟碱、总氮、蛋白质质量分数呈现出w(上部叶)>w(中部叶)>w(下部叶)；
氯质量分数表现为w(中、下部叶)>w(上部叶)；
糖氮比、两糖差表现出中、下部叶>上部叶；
还原糖表现为w(中部叶)>w(上、下部叶);钾表现为w(下部叶)>w(中部叶)>w(上部叶)．从烟叶化学成分适宜范围来看，下部烟叶烟碱质量分数整体高于适宜范围上限，上部叶钾质量分数及中、下部叶的糖氮比过于偏低．
