基于主成分分析的不同類型煙葉加熱卷煙感官質(zhì)量評價

劉艷華，趙文濤，竇玉青，楊 菁，費(fèi) 婷，張洪博，付秋娟，譚家能，汪 旭*

1. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院研究所，山東省青島市嶗山區(qū)科苑經(jīng)四路11 號 266101

2. 上海煙草集團(tuán)有限責(zé)任公司 新型煙草制品研究院，上海市浦東新區(qū)秀浦路3733 號 200082

加熱卷煙又稱低溫卷煙，其側(cè)流煙氣和有害成分釋放量顯著少于傳統(tǒng)卷煙［1-2］，在減少環(huán)境污染和影響吸煙者健康方面具有明顯優(yōu)勢。煙葉原料與配方屬于加熱卷煙制品的關(guān)鍵核心，而卷煙感官質(zhì)量是煙葉品質(zhì)的最直接體現(xiàn)［3-4］。趙國豪等［5］研究表明，不同煙葉類型對加熱卷煙香氣質(zhì)、香氣量的影響顯著大于不同產(chǎn)地和不同部位。Chen 等［6］對9種煙葉類型（K326、云煙97、櫻桃紅煙、漢人煙、道煙、天燈煙、曬黃煙、曬黃煙鮮切絲和香料煙）煙葉作為加熱卷煙原料的工業(yè)適用性研究表明，天燈煙感官質(zhì)量總分顯著高于其他類型，其次是櫻桃紅煙和K326，因此加熱卷煙煙葉原料篩選的首選指標(biāo)為煙葉類型。目前，國內(nèi)加熱卷煙研究處于關(guān)鍵時期，基于加熱卷煙煙葉原料和配方的研究相對較少［7-8］，限制了我國加熱卷煙產(chǎn)品的開發(fā)與利用。因此，對不同類型煙葉原料的加熱卷煙進(jìn)行感官質(zhì)量評價，對加熱卷煙原料的篩選和配方研究具有重要意義。本研究中以不同調(diào)制方式、不同類型及不同產(chǎn)地和部位的60份煙葉樣品為原料，通過加熱卷煙感官質(zhì)量評價，針對不同感官質(zhì)量指標(biāo)，利用主成分分析，并結(jié)合隸屬函數(shù)和聚類的方法，綜合評價不同類型煙葉原料在加熱卷煙中的利用價值，旨在為中式加熱卷煙煙草制品的開發(fā)提供原料基礎(chǔ)和技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗材料為2019年在全國各地收集的調(diào)制后煙葉樣品，共60 份，每份樣品5～10 kg。其中，烤煙25份、晾曬煙35 份，晾曬煙包括8 份曬黃煙、18 份曬紅煙、2 份白肋煙、4 份雪茄、3 份香料煙。煙葉部位分為中部和上部，調(diào)制工藝為常規(guī)烘烤、增強(qiáng)烘烤、增香烘烤、降淀粉/蛋白質(zhì)烘烤、明火熏制、打葉復(fù)烤以及常規(guī)晾制、常規(guī)曬制、半晾半曬、曬烤結(jié)合、先晾后曬、糊米處理等方式，按烤煙、曬黃、白肋、曬紅、雪茄、香料煙的順序依次編號為1～60，見表1。

表1 煙葉樣品編號、信息及調(diào)制工藝Tab.1 Number, source information and curing techniques of tested tobacco leaf samples

1.2 方法

1.2.1 加熱卷煙樣品制作

煙葉樣品抽筋，干燥磨樣，過200 目（孔徑：74.162 μm）篩，然后采用輥壓法將煙末制成厚度約為0.2 mm的煙草薄片（其中霧化劑質(zhì)量濃度為20%，羥甲基纖維素質(zhì)量濃度為3%），將薄片切絲，寬約1 mm，將約0.3 g薄片絲填充到1支加熱卷煙的空煙管中，制成加熱卷煙煙支。

1.2.2 加熱卷煙感官質(zhì)量評價

加熱卷煙感官質(zhì)量評價參考國家標(biāo)準(zhǔn)［9］和趙璐等［10］的方法，以IQOS 加熱卷煙制品為對照，感官質(zhì)量評吸由來自上海新型煙草制品研究院有限公司、中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院煙草研究所、云南省煙草農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院、中國煙草總公司云南省公司、湖北中煙工業(yè)有限責(zé)任公司、上海煙草集團(tuán)有限責(zé)任公司、云南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司、湖北新業(yè)煙草薄片開發(fā)有限公司8家單位的21位省級評吸專家共同完成。感官質(zhì)量指標(biāo)包括香氣質(zhì)、香氣量、雜氣、勁頭、刺激性、干燥感、苦澀感、殘留、穩(wěn)定性等9項指標(biāo)，分別以10分制進(jìn)行評吸打分，去掉1 個最高分和1 個最低分，取平均值作為該指標(biāo)的評價得分。

1.3 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2010 對數(shù)據(jù)進(jìn)行整理。利用SPSS 25.0 對不同類型煙草感官質(zhì)量指標(biāo)進(jìn)行差異顯著性檢驗和相關(guān)分析，并進(jìn)行基于主成分分析的隸屬函數(shù)綜合評價。利用Heatmapper 軟件進(jìn)行聚類分析。

綜合指標(biāo)的隸屬函數(shù)分析［11-14］：

按式（1）計算綜合指標(biāo)的隸屬函數(shù)值。

式中：xj為第j 個綜合指標(biāo)值（j＝1，2，…，n）；U（xj）為第j個綜合指標(biāo)的隸屬函數(shù)值；xmax與xmin分別為第j個綜合指標(biāo)的最大值與最小值。

按式（2）計算綜合指標(biāo)權(quán)重。

式中：wj為第j個綜合指標(biāo)在所有綜合指標(biāo)中的重要程度即權(quán)重；rj為第j個綜合指標(biāo)的貢獻(xiàn)率。

按式（3）計算綜合評價值。

式中：D為不同煙葉原料的綜合評價值。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同類型煙葉原料感官質(zhì)量評價

不同類型煙葉加熱卷煙感官質(zhì)量顯著性分析結(jié)果見表2。由表2 可以看出，烤煙香氣質(zhì)評分最高，其次是曬黃煙，二者差異不顯著，但與其他類型煙葉差異顯著。曬黃煙香氣量評分最高，其次是烤煙，二者與曬紅煙和雪茄煙差異不顯著，與白肋煙、香料煙差異顯著。白肋煙、曬紅煙勁頭評分最高，僅與香料煙差異顯著。香料煙的雜氣、刺激性、干燥感、苦澀感、殘留及感官質(zhì)量總分均最高，其次為烤煙，二者均與曬黃煙差異不顯著，與白肋煙差異顯著。雪茄煙穩(wěn)定性評分最高，其次是香料煙，二者與白肋煙和烤煙差異顯著。最后，香料煙感官質(zhì)量評價總分最高，但僅與白肋煙差異顯著。

表2 不同類型煙葉感官質(zhì)量顯著性分析①Tab.2 Significance analysis of sensory quality of different types of tobacco leaves

2.2 不同類型煙葉原料感官質(zhì)量指標(biāo)主成分分析

在對不同煙葉原料進(jìn)行加熱卷煙感官質(zhì)量評價時，不能僅考慮一項感官質(zhì)量指標(biāo)的優(yōu)劣，而應(yīng)對所有指標(biāo)進(jìn)行全面、科學(xué)系統(tǒng)的綜合評價。本研究以60 份煙葉原料的9 個加熱卷煙感官質(zhì)量指標(biāo)構(gòu)成60×9的矩陣，利用R語言進(jìn)行主成分分析，結(jié)果見表3、表4。由表3、表4可以看出，可提取3個主成分，累計貢獻(xiàn)率為84.53%，分別定義為PC1、PC2、PC3。其中，PC1的貢獻(xiàn)率為46.08%，主要反映了加熱卷煙感官質(zhì)量干燥感、苦澀感及殘留；PC2 的貢獻(xiàn)率為25.77%，主要反映了加熱卷煙感官質(zhì)量香氣量和勁頭；PC3的貢獻(xiàn)率為12.68%，主要反映了加熱卷煙感官質(zhì)量穩(wěn)定性。

表3 主成分的特征值、貢獻(xiàn)率及累計貢獻(xiàn)率Tab.3 Eigenvalues, contribution rates and cumulative contribution rates of principal components

表4 主成分的特征向量與載荷Tab.4 Eigenvectors and loads of principal components

2.3 不同類型煙葉原料感官質(zhì)量綜合評價

利用隸屬函數(shù)公式計算60份煙葉原料加熱卷煙感官質(zhì)量的綜合評價值D，結(jié)果見表5。由表5 可以看出，每份煙葉的各綜合指標(biāo)的隸屬函數(shù)值不盡相同。對于綜合指標(biāo)PC1，來自云南采用降淀粉/蛋白質(zhì)烘烤工藝調(diào)制的K326 U（x1）值最大為1.000，表明該工藝調(diào)制的K326在干燥感、苦澀感及殘留上綜合表現(xiàn)最好；而來自湖北的白肋煙鄂煙1 號U（x1）值最小為0，表明鄂煙1 號在該3 項感官質(zhì)量指標(biāo)的綜合表現(xiàn)上最差。對于綜合指標(biāo)PC2，來自云南采用增香烘烤工藝調(diào)制的K326 U（x2）值最大為1.000，說明增香工藝調(diào)制的K326 在香氣量和勁頭上的綜合表現(xiàn)最好；而來自云南保山的香料煙Samsun U（x2）值最小為0，表明香料煙Samsun 在該兩項感官質(zhì)量指標(biāo)的綜合表現(xiàn)上最差。對于綜合指標(biāo)PC3，來自湖北的雪茄煙CX-80 U（x3）值最大為1.000，說明雪茄煙CX-80 在穩(wěn)定性上表現(xiàn)最好；而來自湖南郴州的烤煙云煙87 U（x3）值最小為0，表明來自郴州的云煙87在穩(wěn)定性上表現(xiàn)最差。感官質(zhì)量綜合評價前9名的煙葉為云南增香工藝K326 中部＞云南明火熏制K326中部＞云南降淀粉/蛋白質(zhì)工藝K326中部＞云南增強(qiáng)工藝K326中部＞云南打葉復(fù)烤云煙87 中部＞四川糊米處理雪茄德雪3 號上部＞廣東曬黃大葉青梗中部＞云南紅大（高氯）中部＞廣東大葉青梗上部。

表5 60份煙葉感官質(zhì)量綜合評價及排序①Tab.5 Comprehensive sensory quality evaluation scores and ranks of 60 tobacco leaf samples

2.4 不同類型煙葉原料感官質(zhì)量聚類分析

利用Heatmapper 軟件對表5 中綜合指標(biāo)評價值進(jìn)行聚類分析，建立聚類的熱圖。60 份煙葉原料可分為3 個類群，每個類群均可分為2 個亞類，如圖1 所示。由圖1 和表6 可知，第Ⅰ類共17 份煙葉，主要包括來自湖北和四川的白肋煙、雪茄煙及曬紅煙，主要表現(xiàn)為勁頭最大，香氣質(zhì)、刺激性、干燥感、苦澀感、殘留及綜合評價總分均最低，與其他兩類差異顯著；其中Ⅰ-1 香氣量和勁頭表現(xiàn)較好，Ⅰ-2穩(wěn)定性表現(xiàn)較好。第Ⅱ類共17份煙葉，主要包括常規(guī)工藝烘烤的烤煙、東北曬紅煙以及廣西的曬黃煙，表現(xiàn)為雜氣最重，香氣質(zhì)、刺激性、干燥感、殘留及綜合評價均顯著好于第Ⅰ類；Ⅱ-1、Ⅱ-2 均表現(xiàn)為穩(wěn)定性差。第Ⅲ類包括26份煙葉，主要包括特殊工藝調(diào)制的烤煙、廣東曬黃煙、糊米調(diào)制的雪茄煙以及香料煙，綜合評價最好，顯著高于第Ⅰ類和第Ⅱ類，除勁頭外，其他8 項感官質(zhì)量指標(biāo)均最高；其中Ⅲ-1 表現(xiàn)為勁頭較小而穩(wěn)定性較好，Ⅲ-2 干燥感、苦澀感、殘留、香氣量、勁頭及單料煙綜合感官質(zhì)量均表現(xiàn)為最好。

圖1 60份煙葉加熱卷煙感官質(zhì)量的聚類分析圖Fig.1 Cluster analysis dendrogram of sensory quality of 60 tobacco leaf samples

表6 3個類群感官質(zhì)量差異顯著性分析Tab.6 Significance analysis of sensory quality of three groups

3 結(jié)論與討論

不同類型煙葉加熱卷煙感官質(zhì)量差異顯著，常規(guī)烘烤工藝調(diào)制的烤煙、東北曬紅煙以及廣西的曬黃煙穩(wěn)定性最差，綜合利用價值也較低，與傳統(tǒng)卷煙評價結(jié)果不同，這可能與加熱不燃燒卷煙抽吸溫度低有關(guān)。白肋煙、曬紅煙在提高加熱卷煙勁頭方面具有明顯的優(yōu)勢，與劉善民等［15］、許倩［16］對白肋煙、曬紅煙在中式卷煙配方中的應(yīng)用研究結(jié)果一致。經(jīng)過特殊工藝調(diào)制的烤煙和晾曬煙香氣質(zhì)、香氣量、雜氣、刺激性、干燥感、苦澀感、殘留均表現(xiàn)最好，尤其是經(jīng)過增香、明火熏制、降淀粉/蛋白質(zhì)、增強(qiáng)烘烤調(diào)制的K326、打葉復(fù)烤后的云煙87、高氯紅大、先曬后烤調(diào)制的大葉青梗和81-26、先晾后曬的Samsun 以及糊米處理的德雪3號在加熱卷煙主原料的篩選中具有重要的開發(fā)價值，這可能與經(jīng)過增香、打葉復(fù)烤、曬-烤及糊米發(fā)酵等處理后，可清除煙葉中的雜氣、氨氣及辛辣味，提升煙葉香氣品質(zhì)、凸顯香氣特征有關(guān)［17-19］。