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      基于主成分和聚類(lèi)分析的湖北烤煙物理質(zhì)量指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)

      2012-05-25 06:53:30趙瑞蕊何結(jié)望王海明閆鐵軍許自成任勝超
      中國(guó)煙草科學(xué) 2012年4期
      關(guān)鍵詞:烤煙煙葉湖北

      趙瑞蕊,何結(jié)望,王海明,李 琳,閆鐵軍,許自成,任勝超

      (1.河南農(nóng)業(yè)大學(xué)煙草學(xué)院,鄭州 450002;2.湖北中煙工業(yè)有限公司技術(shù)研發(fā)中心,武漢 430052)

      湖北屬北亞熱帶季風(fēng)氣候,光照充足,熱量豐富,無(wú)霜期長(zhǎng),降水豐沛,雨熱同季,是我國(guó)重要的煙葉產(chǎn)區(qū)之一。湖北烤煙種植主要分布在恩施、宜昌、襄樊、十堰4個(gè)產(chǎn)地,年產(chǎn)烤煙95000 t左右。煙葉品質(zhì)是一個(gè)十分復(fù)雜的概念,主要包括外觀質(zhì)量、物理特性、化學(xué)成分和感官質(zhì)量四大部分[1-2]。目前關(guān)于湖北煙區(qū)烤煙煙葉質(zhì)量評(píng)價(jià),多集中于化學(xué)品質(zhì)[3]及生態(tài)因子[4-7]對(duì)煙葉品質(zhì)影響等方面,關(guān)于湖北烤煙物理特性的研究少見(jiàn)報(bào)道。物理特性與加工性能、可用性和煙氣組分密切相關(guān)[8-9],是煙葉質(zhì)量的重要構(gòu)成因素以及工業(yè)上原煙配方分組的操作依據(jù)[10],因此,基于煙葉物理指標(biāo)與工業(yè)加工的關(guān)系,本研究選取抗張力、抗張強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)量、葉質(zhì)重和厚度5個(gè)物理指標(biāo),采用主成分分析和系統(tǒng)聚類(lèi)相結(jié)合的方法對(duì)湖北烤煙煙葉物理質(zhì)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析及綜合評(píng)價(jià),為湖北烤煙煙葉質(zhì)量評(píng)價(jià)和卷煙工業(yè)原料選用提供參考。

      1 材料與方法

      1.1 試驗(yàn)材料

      試驗(yàn)材料取自 2010年湖北卷煙企業(yè)的初烤煙葉,上部(B)28份,中部(C)43份,下部(C)36份,共計(jì)107份,分布于13個(gè)產(chǎn)煙縣,烤煙品種為 K326,煙葉等級(jí)規(guī)格,上部為 B2F,中部為C3F,下部為X2F。產(chǎn)區(qū)分布見(jiàn)表1。

      1.2 測(cè)定指標(biāo)及方法

      測(cè)定的物理指標(biāo)包括抗張力、抗張強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)量、葉質(zhì)重和厚度??箯埩?、抗張強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)量的檢測(cè)按照GB2635—1992烤煙標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行,葉質(zhì)重和厚度參照閆克玉[11]的方法進(jìn)行測(cè)定。

      1.3 數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理

      1.4 統(tǒng)計(jì)分析

      用SPSS 18.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行相關(guān)分析、因子分析和系統(tǒng)聚類(lèi)等統(tǒng)計(jì)分析。

      2 結(jié) 果

      2.1 烤煙物理特性總體狀況

      湖北烤煙煙葉各物理指標(biāo)不同部位之間存在顯著差異(表2),上部的5個(gè)指標(biāo)均顯著大于中部和下部,而中部和下部間除葉質(zhì)重外差異均未達(dá)到顯著水平。3個(gè)部位煙葉的抗張力均值變化范圍為1.00~1.50 N,變異系數(shù)中部最大。

      煙葉的抗張強(qiáng)度均值在0.068 ~ 0.088 N/M范圍內(nèi),變異系數(shù)中部最大,上部和中部分布曲線一致,呈平闊正偏峰。上、中、下部位煙葉的斷裂伸長(zhǎng)量均值分別為19.45、18.38、16.53 mm,中部變異系數(shù)最大。三個(gè)部位煙葉的葉質(zhì)重分布曲線各不相同,上部為尖峭正偏峰、中部呈平闊正偏峰,下部呈尖峭負(fù)偏峰,分布范圍依次為 76.55 ~ 132.50、70.00 ~ 120.50、62.50 ~ 92.50 g/m2。上、中、下部位煙葉厚度均值分別為0.078、0.099和0.082 mm,下部變異系數(shù)最小,為11.62%。

      表1 各縣樣品數(shù)Table1 Number of samples from each county

      表2 湖北煙區(qū)烤煙物理指標(biāo)描述性統(tǒng)計(jì)Table2 Statistics of tobacco physical indices in Hubei

      2.2 相關(guān)分析

      對(duì)湖北煙葉5個(gè)物理指標(biāo)進(jìn)行簡(jiǎn)單相關(guān)分析,結(jié)果見(jiàn)表 3。厚度與抗張力、抗張強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)量和葉質(zhì)重間相關(guān)性均達(dá)到 1%極顯著水平,厚度和葉質(zhì)重相關(guān)系數(shù)最大,為 0.807,說(shuō)明煙葉厚度越大,煙葉的柔韌性越大,拉伸能力越強(qiáng),煙葉的單位葉面積也越大。葉質(zhì)重與抗張力和抗張強(qiáng)度間也達(dá)到極顯著正相關(guān),與斷裂伸長(zhǎng)量間達(dá)到顯著正相關(guān),說(shuō)明烤煙煙葉葉質(zhì)重越大,煙葉的抗張力和抗張強(qiáng)度越大,即柔韌性越大,而對(duì)斷裂伸長(zhǎng)量影響相對(duì)較小??箯埩?、抗張強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)量3個(gè)指標(biāo)共同反映煙葉的柔韌性和抗外力能力,結(jié)果顯示這3個(gè)指標(biāo)兩兩間相關(guān)關(guān)系均達(dá)到極顯著水平。

      表3 物理指標(biāo)間的相關(guān)系數(shù)Table3 Correlation coefficient among physical indices

      2.3 主成分分析

      首先進(jìn)行 Bartlett球形度檢驗(yàn),結(jié)果見(jiàn)表 3,KMO的檢驗(yàn)值為0.586,KMO值 > 0.5,3個(gè)因子的貢獻(xiàn)率為95.59%,且p < 0.01,因此可以對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行因子分析。采用主成分分析法,提取累積貢獻(xiàn)率大于85%的因子,并采用方差最大法對(duì)因子載荷矩陣實(shí)行正交旋轉(zhuǎn)以使因子具有命名解釋性,然后得出因子特征值、貢獻(xiàn)率(表 4)及因子載荷矩陣(表5)。

      表4 物理指標(biāo)因子特征值及貢獻(xiàn)率Table4 Factor eigenvalues and contribution rate of physical index

      表5 物理指標(biāo)成分因子的載荷矩陣Table5 Component matrix of principal component factor of physical indices

      從表4、5可以看出,因子1由抗張力、抗張強(qiáng)度所決定,這兩種成分在因子1有較大的正載荷值,反映煙葉的柔韌性,其值越大,造碎越少,可用性越高,其貢獻(xiàn)率為39.07%;葉質(zhì)重和厚度在因子2有較大的正載荷值,因子2主要解釋了這兩個(gè)成分,其貢獻(xiàn)率為36.31%,其值越大,煙葉出絲率越高,經(jīng)濟(jì)效益越高,可稱(chēng)為煙葉的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。因子3主要解釋了斷裂伸長(zhǎng)量,其值越大,抵抗外力造成的破壞越小,其貢獻(xiàn)率為20.22%。

      設(shè)提取的因子1、2、3得分依次為F1、F2、F3,主成分得分 = Σ主成分得分系數(shù)*相對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)化變量,根據(jù)表4計(jì)算可得各因子得分?jǐn)?shù)學(xué)模型如下:

      模型1:F1= 0.541X1+ 0.562X2- 0.165X3- 0.102X4- 0.097X5

      模型2:F2= -0.083X1- 0.100X2- 0.003X3+ 0.548X4+ 0.554X5

      模型3:F3= -0.087X1- 0.127X2+ 1.051X3+ 0.548X4- 0.03X5

      主成分因子的權(quán)重=因子貢獻(xiàn)率/入選因子的累積貢獻(xiàn)率,由表4計(jì)算得因子1、2、3的權(quán)重依次為0.409、0.380、0.211,從而建立綜合得分?jǐn)?shù)學(xué)模型,即模型3:F = 0.409F1+ 0.380F2+0.211F3。

      將湖北煙葉物理指標(biāo)原始數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理后,代入數(shù)學(xué)得分模型,求得每個(gè)樣本的主成分綜合得分,綜合得分越高,表明該樣本的物理性能越好。

      2.4 聚類(lèi)分析

      采用系統(tǒng)聚類(lèi)-質(zhì)心聚類(lèi)法,聚類(lèi)距離運(yùn)用歐氏距離,基于湖北烤煙物理質(zhì)量綜合得分進(jìn)行聚類(lèi)分析,結(jié)果見(jiàn)圖1。13個(gè)縣107個(gè)樣品分為5類(lèi)(表6),第I類(lèi),物理特性表現(xiàn)最好,綜合得分0.99~1.62,占總樣本的9 %,分布于鄖西、秭歸、宣恩、興山4個(gè)縣;第 II類(lèi),物理特性表現(xiàn)較好,綜合得分0.30~0.80,占總樣本的36%,跨越來(lái)鳳、宣恩等10個(gè)縣;第 III類(lèi),物理特性表現(xiàn)中等,綜合得分-0.11~0.24,占總樣本的40%,分布于保康、宣恩、房縣等10個(gè)縣;第IV類(lèi),物理特性表現(xiàn)較差,綜合得分-0.89~-0.21,占總樣本的10%,分布于巴東、來(lái)鳳、襄陽(yáng)和咸豐4個(gè)縣;第V類(lèi),物理特性差,綜合得分-1.09~-0.97,占總樣本的5%,分布于巴東、興山、咸豐3個(gè)縣。

      3 討 論

      圖1 樣品綜合得分聚類(lèi)樹(shù)狀圖Fig.1 Cluster tree of composite score of samples

      表6 物理性能不同類(lèi)別的樣本分布情況Table6 Sample distribution of different rank of physical indices

      烤煙物理特性主要包括燃燒性、填充性、吸濕性、彈性、單位面積質(zhì)量、含梗率及抗破碎能力、導(dǎo)電性等。這些物理特性直接影響卷煙制造過(guò)程及產(chǎn)品風(fēng)格、成本和其他經(jīng)濟(jì)指標(biāo),是卷煙加工企業(yè)對(duì)煙葉原料進(jìn)行可用性評(píng)價(jià)的重要內(nèi)容之一[12]。從煙草栽培學(xué)的角度,煙草的物理特性主要指葉片的厚度、葉面密度、單葉質(zhì)量、平衡含水量、填充值、含梗率等[13]。卷煙工業(yè)企業(yè)對(duì)工藝參數(shù)的探索過(guò)程中,除考慮煙葉的平衡含水量和含梗率外,比較關(guān)注煙葉的抗張力、抗張強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)量、葉質(zhì)重和厚度等物理質(zhì)量指標(biāo)。李曉等[14]指出葉片厚度在一定程度上反映了煙葉的發(fā)育狀況、成熟程度及打葉質(zhì)量。劉麗等[15-16]研究表明,較大的抗張力和抗張強(qiáng)度可減少煙葉的造碎,斷裂伸長(zhǎng)量較大的煙葉韌性好,減輕外力造成的破壞,葉質(zhì)重和厚度大的煙葉出絲率高,可以增加經(jīng)濟(jì)效益。本研究在前人研究的基礎(chǔ)上選取抗張力、抗張強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)量、葉質(zhì)重和厚度5個(gè)物理指標(biāo),分析結(jié)果表明,5個(gè)物理指標(biāo)在不同部位間差異顯著,斷裂伸長(zhǎng)量和厚度間相關(guān)關(guān)系未達(dá)到顯著水平除外,5個(gè)指標(biāo)兩兩之間均呈正相關(guān)關(guān)系,且達(dá)到顯著或極顯著水平,說(shuō)明5個(gè)物理指標(biāo)間關(guān)系密切,相互影響,與前人的研究結(jié)果一致。

      采用主成分分析法建立質(zhì)量評(píng)價(jià)模型,以量化形式表征物理綜合質(zhì)量,減少了單個(gè)指標(biāo)反映物理質(zhì)量帶來(lái)的差異性。以主成分綜合得分為基礎(chǔ)對(duì)樣品進(jìn)行聚類(lèi)分析,結(jié)果客觀地綜合了5個(gè)物理指標(biāo),剔除了5個(gè)指標(biāo)之間的冗余信息,有效地去除了煙葉質(zhì)量評(píng)價(jià)的主觀成分,所得聚類(lèi)分析結(jié)果較為客觀?;谥鞒煞址治龊途垲?lèi)分析的烤煙物理質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)拓寬了研究烤煙質(zhì)量的途徑。

      煙葉質(zhì)量評(píng)價(jià)體系的研究認(rèn)為[14],煙葉物理特性是煙葉質(zhì)量的重要組成部分,與煙葉加工性能、加工質(zhì)量、經(jīng)濟(jì)效益關(guān)系密切。本研究提出主成分分析和系統(tǒng)聚類(lèi)相結(jié)合的評(píng)價(jià)方法,是評(píng)價(jià)烤煙物理質(zhì)量的新思路,結(jié)果對(duì)烤煙煙葉質(zhì)量評(píng)價(jià)和卷煙工業(yè)企業(yè)的原料選取有一定的指導(dǎo)意義。

      4 結(jié) 論

      采用主成分分析法從5個(gè)物理指標(biāo)中提取出3個(gè)主成分因子,累積貢獻(xiàn)率達(dá)到95.59%,得到物理質(zhì)量綜合得分?jǐn)?shù)學(xué)模型,在一定范圍內(nèi),綜合得分越高,煙葉物理質(zhì)量表現(xiàn)越好。

      以煙葉物理質(zhì)量綜合得分為基礎(chǔ)對(duì)107個(gè)樣品進(jìn)行聚類(lèi)分析,結(jié)果分為5類(lèi),第I類(lèi),綜合得分為 0.99~1.62,物理性能表現(xiàn)好;第 II類(lèi),物理特性表現(xiàn)較好,綜合得分0.30~0.80;第III類(lèi),物理特性表現(xiàn)中等,綜合得分-0.11~0.24;第IV類(lèi),物理特性表現(xiàn)較差,綜合得分-0.89~-0.21;第V類(lèi),綜合得分為-1.09~-0.97,物理性能表現(xiàn)差。

      [1]閆克玉,袁志永,吳殿信,等.烤煙質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)體系研究[J].鄭州輕工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2001,16(4):57-61.

      [2]閆克玉,趙獻(xiàn)章.煙葉分級(jí)[M].北京:中國(guó)農(nóng)業(yè)出版社,2003.

      [3]王欣,畢慶文,許自成,等.湖北煙區(qū)烤煙質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)及典型相關(guān)分析[J].鄭州輕工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2007,22(5):27-32.

      [4]袁家富,鄒焱,彭成林,等.鄂西南煙區(qū)土壤的主要特征分析[J].湖北農(nóng)業(yè)科學(xué),2002(1):21-24.

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      [6]焦靜華,畢慶文,許自成,等.湖北宣恩煙區(qū)氣候因素和烤煙質(zhì)量特點(diǎn)分析[J].中國(guó)農(nóng)學(xué)通報(bào),2007,23(8):89-93.

      [7]何結(jié)望,畢慶文,袁家富,等.湖北煙區(qū)氣候與土壤生態(tài)因素分析[J].中國(guó)煙草科學(xué),2006,27(4):13-17.

      [8]左天覺(jué).煙草的生產(chǎn)、生理和生物化學(xué)[M].朱尊權(quán),等,譯.上海:上海遠(yuǎn)東出版社,1993:449.

      [9]卷煙工藝組.卷煙工藝[M].北京:北京出版社,1993:89-103.

      [10]何結(jié)望,吳風(fēng)光,謝豪,等.不同分組方法對(duì)原煙配方模塊質(zhì)量的影響[J].中國(guó)煙草科學(xué),2011,32(2):86-88.

      [11]閆克玉,王海燕,李興波,等.烤煙國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(40級(jí))河南煙葉葉片厚度、葉質(zhì)重及葉片密度研究[J].鄭州輕工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào),1999,14(2):46.

      [12]王能如.煙葉調(diào)制與分級(jí)[M].合肥:中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社,2002.

      [13]劉國(guó)順.煙草栽培學(xué)[M].北京:中國(guó)農(nóng)業(yè)出版社,2003:73.

      [14]李曉,劉文鋒,張碰元,等.河南烤煙煙葉葉片厚度的研究[J].農(nóng)產(chǎn)品加工學(xué)刊,2008(3):26-28.

      [15]劉麗,張曉兵,許自成,等.烤煙拉力與主要化學(xué)成分的關(guān)系研究[J].鄭州輕工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào),2007,22(4):1-3.

      [16]尹啟生,陳江華,王信民,等.2002年全國(guó)煙葉質(zhì)量評(píng)價(jià)分析[J].中國(guó)煙草學(xué)報(bào),2003(增刊):59-67.

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