李瑞丽，张保林，王建民，杜阅光，孙意然

1郑州大学，化工与能源学院，河南郑州科学大道100号，450001；

2郑州轻工业学院，烟草科学与工程学院，河南郑州科学大道166号，450001；

3天昌国际烟草有限公司，河南省许昌市五一路北段，461000

河南烤烟综合物理特性的因子分析及规律性研究

李瑞丽1,2，张保林1，王建民2，杜阅光3，孙意然2

1郑州大学，化工与能源学院，河南郑州科学大道100号，450001；

2郑州轻工业学院，烟草科学与工程学院，河南郑州科学大道166号，450001；

3天昌国际烟草有限公司，河南省许昌市五一路北段，461000

为探索河南烤烟综合物理特性在产地、部位间的差异性和变化规律，检测了89个样品的6项物理指标并进行了因子分析、聚类及方差分析。结果表明：①各项物理指标在产地间的差异和在部位间的差异程度不同，其中抗张强度在产地间和在部位间均有高度统计学意义，叶片厚度、叶片密度在部位间的差异均极显著；填充值、阴燃时间和平衡含水率在产地间均有高度统计学意义。②综合物理特性在产地间的差异总体上大于部位间的差异。③依据综合因子得分和部位因素将89个烤烟样品分成了3个主组、9个亚组，使得同一亚组内烟叶的综合物理特性最为接近。研究结果有利于从总体上把握河南不同产地、不同部位的烤烟物理特性的优势与不足，为合理利用烟叶原料和分组加工提供参考。

烤烟；物理特性；因子分析

物理特性是烟叶综合质量的重要组成部分，主要包括填充值、叶片厚度、叶面密度、机械强度和平衡含水率等多项指标，对烟叶的耐加工性能、卷烟产品的风格及成本有直接影响，因此，烟叶物理特性是烟叶质量评价中的重要研究内容。由于各项物理指标之间关系密切[1]，而且物理指标与烟气指标、化学成分、评吸质量指标间存在程度不一的相关关系[2-10]，因此，研究其综合物理特性更有利于客观地评价烟叶质量，而针对河南烤烟综合物理特性的研究尚未见文献报道。对河南不同产地不同部位的烤烟多项物理特性指标进行因子分析和聚类分析，以便客观地了解河南烤烟物理特性的优劣，为烟叶的生产、分组加工及烟叶资源的合理利用提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

2012年份河南省32个植烟县的89个烤烟样品，其中上部烟28个样品，等级均为B2F，中部烟31个样品，等级均为C2F，下部烟30个样品，等级均为X2F；主要仪器有ZKW-3电脑测控抗张试验机、BZQ-1薄片抗张/耐折冲样器、BHZ-1型电脑测控厚度测定仪、SY-Ⅲ型实验用切丝机、DHG9145A型电热鼓风干燥箱、YDZ430型智能填充值测定仪。

1.2 实验方法

烤烟样品填充值和阴燃时间的测定分别参照YC/T 152-2001和YC 0004-92，其它几个主要指标的测定方法如下：

1.2.1 叶片厚度指标测定

每个样品取10张以上的完整烟叶，润叶回潮，在每个半叶中部最宽处从主脉到边缘用标准裁刀均匀裁取直径为1.5cm的3个圆形小片，置于温度为(22±1)℃，相对湿度为(60±3)%的恒温恒湿箱中，平衡48 h以上，采用电脑测控厚度仪测定每个标准小圆片的厚度，将所有圆形小片的厚度取均值，作为该样品的叶片厚度。

1.2.2 叶面密度指标测定

每个样品的烟叶取10张以上的完整叶子，润叶回潮，在每个半叶上从叶尖到叶基用标准裁刀均匀裁取直径为1.5cm的5个圆形小片，在已知干燥重量的样品盒中装入所有圆形小片，去盖放入烘箱中，自温度回升到100℃开始烘2h，加盖取出，放入干燥器中冷却30min后称重，按式（1）计算烤烟样品的叶面密度：

m1——烘后带盒一起称的重量，g；

m0——干燥样品盒的重量，g；

n ——圆形小片数量。

1.2.3 平衡含水率指标测定

将烤烟样品润叶回潮，抽梗，采用实验用切丝机切成烟丝，混匀后选取约50g烟丝置于温度为(22±1)℃，相对湿度为(60±3)%的恒温恒湿箱中，平衡48 h以上，备用。

用已知干燥重量的样品盒称取平衡后的烟丝5g～10g，去盖后放入烘箱中，自温度回升到100℃开始烘2h，加盖，取出，放入干燥器中冷却30min后称重，按式（2）计算样品平衡含水率。

m2——盒中平衡水分后的烟丝重量，g；

m1——烘后盒与烟丝的重量，g；

m0——干燥样品盒的重量，g。

1.2.4 抗张强度指标测定

随机抽取10 片以上完整叶片，润叶回潮，用薄片抗张/耐折冲样器在烟叶中部两个侧脉之间裁取10个1.5 cm × 15.0 cm的长方形烟条， 将烟条放在温度为( 22±1) ℃、相对湿度 ( 70 ± 3) %的恒温恒湿箱中平衡48h以上，备用。用薄片抗张强度试验机测定每个长方形烟条的抗张强度， 10 个长方形烟条的抗张强度取平均值，作为该样品的抗张强度。

1.3 数据处理

利用统计分析软件SPSS21.0和DPS7.05，通过统计描述、简单相关及双因素方差分析探索了烤烟6项物理指标的分布规律及相关关系；采用因子分析构建综合物理特性指标，依据综合因子得分进行K-means聚类并对各类别进行LSD多重比较分析。

2 结果与分析

2.1 河南烤烟物理指标的统计描述及简单相关分析

89个不同产地、部位的烟叶样品的统计描述结果见表1。从变异系数上看，不同产地、部位烟叶的阴燃时间差异最大，其它依次为抗张强度、叶片厚度、叶面密度、填充值和平衡含水率。

表1 河南烤烟物理指标的统计描述Tab.1 Descriptive statistics of flue-cured tobacco physical indexes in Henan province

6项物理指标间的简单相关分析结果见表2。共有8对指标间的相关性有统计学意义或有高度统计学意义，其中叶片厚度和叶面密度、阴燃时间正相关性有高度统计学意义，与抗张强度负相关性有高度统计学意义；叶面密度与阴燃时间正相关性有高度统计学意义，与抗张强度负相关性有高度统计学意义。说明不同物理指标间的相关性较强。

以产地和部位为影响因素分别对6项物理指标进行双因素方差分析，结果见表3。抗张强度在产地和部位间均有高度统计学意义；叶片厚度和叶面密度在部位间有高度统计学意义；填充值、阴燃时间和平衡含水率在产地间有高度统计学意义。

表2 河南烤烟物理指标间的相关性Tab.2 Correlation between flue-cured tobacco physical indexes in Henan Province

表3 河南烤烟物理指标的双因素方差分析表Tab.3 Double-factor variance analysis of flue-cured tobacco physical indexes in Henan Province

续表3

综合统计描述、简单相关分析和双因素方差分析结果可以看出：①河南不同产地、部位烤烟的物理特性存在较大差异，在对烟叶进行分组加工时应当考虑物理特性的差异性；②各项物理指标间的相关性较强，且在产地和部位间表现出的差异性不一致，这为选择烟叶分组指标和制定分组依据带来了较大困难。

2.2 河南烤烟物理指标的因子分析

由于各项物理指标间存在较强的相关性，借助因子分析构建一个能够客观反映烟叶综合物理特性的指标，为研究河南不同产地、部位烤烟物理特性变化规律及进行合理分组提供依据。

2.2.1 提取因子变量

根据6项物理指标间的相关系数矩阵，运用主成分分析法提取出4个因子变量，累计贡献率为83.59%，如表4所示。

表4 提取因子的方差贡献率Tab.4 Variance eigenvalues evaluation of factor

表5所示是经方差极大法旋转后的因子载荷矩阵，其中第一因子主要表征叶片厚度和叶面密度，且均为正相关；第二因子主要表征填充值和平衡含水率，与填充值呈正相关、与平衡含水率呈负相关；第三因子主要表征阴燃时间、平衡含水率和叶面密度，与阴燃时间和叶面密度呈正相关、与平衡含水率呈负相关；第四因子主要表征抗张强度，且为正相关。

表5 因子载荷矩阵Tab.5 Factor loading matrix

2.2.2 构建综合因子变量

表6所示是因子得分系数矩阵，将各因子的方差贡献率归一化后得各因子权重依次为0.408、0.266、0.186、0.140，根据各因子得分系数矩阵及权重求得综合因子得分表达式，见式（3）：

式（4）～（8）是各项因子得分及综合因子得分的原始变量数据表达式，据此可根据烟叶物理指标检测结果计算单项及综合因子得分。89个烤烟样品的单项及综合因子得分的分布范围分别为-1.74～2.99、-2.24～2.47、-2.54～2.67、-1.94～4.26、-1.16～1.33，平均得分均为0。第一因子得分越高，说明叶片越厚、叶面密度越大；第二因子得分越高，说明烟叶填充能力越强、吸湿能力越差；第三因子得分越高，说明烟叶阴燃时间越长、吸湿能力越差、叶面密度越大；第四因子得分越高，说明烟叶的抗张强度越大。综合因子得分则反映烟叶综合物理特性的均衡性，得分越接近0，说明各项物理指标越接近平均水平，即综合物理特性越均衡。因此，依据因子得分，既可以评价烟叶综合物理特性的均衡性，也可以分析不同产地、部位烟叶在某些物理特性方面存在的不足或优势，为合理利用烟叶原料提供依据。

表6 因子得分系数矩阵Tab.6 Factor scores coefficient matrix

2.3 河南烤烟综合物理特性因子得分统计分析

2.3.1 聚类分析

以综合因子得分为变量进行K-means聚类，将89个烤烟样品分成组间差异显著的3个主组，如表7所示。由于每一主组内均包含有下、中、上部烟叶，在同一主组内按部位再划分亚组，从而形成了9个亚组。

各亚组平均综合因子得分及LSD多重比较结果（见表8）表明，分属不同主组的各亚组间均差异有高度统计学意义，除第二主组内下部烟与上部烟亚组差异有统计学意义外，同一主组内各亚组间差异均无统计学意义。说明烟叶的综合物理特性主要受主组因素影响。各单项物理指标在主组间以及同主组不同部位间均表现出一定的规律性。如表8所示，随着组级升高，平衡含水率降低，其它指标均呈升高趋势，且除抗张强度外其它指标差异均有统计学意义。如表8、9所示，①除中部烟叶抗张强度外，相同部位烟叶各项物理指标在不同主组间的变化规律与总体变化规律一致，即随着组级升高，平衡含水率降低，其它指标均呈升高趋势，其中上部和中部烟叶的填充值、叶片厚度、阴燃时间差异有统计学意义，下部烟叶除叶面密度外其他各项指标的差异均有统计学意义，且主要表现在第一、三主组间，说明不同主组下部烟叶的综合物理特性差异最大。②同一主组内不同部位烟叶各项物理指标的变化规律较明显，随着部位升高，总体趋势是叶片变厚、叶面密度增大、填充能力降低、阴燃时间变短、抗张强度和平衡含水率降低。除部分指标在同一主组的不同部位间差异有统计学意义外，多数指标差异均无统计学意义。③来自不同主组的同部位烟叶间的差异性总体大于同主组不同部位烟叶间的差异性，这说明产地因素对烟叶物理特性的影响更大，对烟叶分组时不仅要考虑部位因素，更要考虑产地因素。

表7 不同主组及亚组烟叶的产地分布Tab.7 Geographical distribution of different main group and subgroup

表8 不同亚组烤烟各物理指标和综合因子得分的均值及LSD多重比较结果Tab.8 LSD multiple comparison results and mean of comprehensive factor scores and every physical index of different subgroups of flue-cured tobacco

表9 不同主组烤烟各物理指标和综合因子得分的均值及LSD多重比较结果Tab.9 LSD multiple comparison results and mean of comprehensive factor scores and every physical index of different main groups of flue-cured tobacco

综上所述，在对河南烤烟进行分组时可遵循以下原则：同一亚组内的烟叶不仅部位相同，综合物理特性也最接近，可以分入同一组内；同一主组内不同亚组烟叶的综合物理特性较接近，相邻部位（中部与下部、或中部与上部）的烟叶也可分入同一组内；不同主组的烟叶即使部位相同也不宜分到同一组内。

2.3.2 各主组烤烟的产地分布及物理特性分析

如表7 ～9所示，第二主组烟叶的产地涵盖了周口、商丘、信阳、南阳、洛阳、三门峡、驻马店、漯河、平顶山、许昌、汝州、登封等所有植烟的地级或县级市，地域特征不明显；该组内烤烟综合物理特性的均衡性最好，随着部位变化，叶片厚度较薄至较厚、叶面密度低至较高、填充能力中等至强、阴燃时间中等、抗张强度低至中等、吸湿能力中等。第一主组烟叶主要以周口、商丘、信阳、南阳、洛阳、三门峡等东、南、西南和西部地区烟叶为主；该组内烤烟综合物理特性的均衡性较差，随着部位变化，叶片厚度薄至较薄、叶面密度低至较高、填充能力中等至低、阴燃时间较短至短、抗张强度中等至低、吸湿能力强，该组烟叶的突出特点是吸湿能力强，但填充能力、持火能力和耐加工性能不足，其中尤以B1亚组内的烟叶表现最明显。第三主组烟叶主要以驻马店、漯河、平顶山、许昌、汝州、登封等中部地区烟叶为主；该组内烤烟综合物理特性的均衡性也较差，随着部位变化，叶片厚度较厚至厚、叶面密度中等至大、填充能力强、阴燃时间长、抗张强度中等至高、吸湿能力差，该组烟叶的吸湿能力不足，但在填充能力、持火能力方面具有明显优势。

3 结论

（1）烟叶的叶片厚度、叶面密度、填充值、阴燃时间、抗张强度、平衡含水率等物理指标间存在着较强的相关性，且各项指标在产地间和在部位间表现出的差异性不同，利用因子分析方法构建反映烟叶综合物理特性的因子变量有利于从总体上研究不同产地、部位烟叶物理特性的变化规律。

（2）河南烤烟综合物理特性在产地间和在部位间均存在差异性，且产地间的差异性总体大于部位间的差异性。因此，在对烟叶进行分组时，既要考虑部位因素又要考虑产地因素。

（3）根据综合因子得分和烟叶部位将89个烤烟样品分成了3个主组、9个亚组，使得相同亚组内烟叶的综合物理特性最接近，该分类有利于客观了解河南不同产地、部位烤烟物理特性的优势与不足，以便合理利用烟叶资源，对烟叶分组加工也有借鉴作用。

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Factor analysis of comprehensive physical properties of flue-cured tobacco in Henan province and regularity research thereof

LI Ruili1,2,ZHANG Baolin1,WANG Jianmin2,DU Yueguang3,SUN Yiran2
1 School of Chemical Engineering and Energy,Zhengzhou University,Zhengzhou 450001,China;
2 School of Tobacco Science and Engineering,Zhengzhou University of Light Industry,Zhengzhou 450001,China；
3 Tianchang International Tobacco Co.,Ltd,Xuchang,Henan 461000,China

To explore the difference and regularity of comprehensive physical properties of different parts of flue-cured tobacco from different areas in Henan province,6 physical properties of 89 samples were determined and further studied through factor analysis,cluster analysis and variance analysis.Results showed that:①Physical properties showed differences on tobacco from different areas and different parts of tobacco and tensile strength had highly significant statistical difference.Leaf thickness and density showed highly significant difference on different growth parts of tobacco; filling value,smoldering time and equilibrium moisture content had highly significant difference on tobacco from different growing areas.②Comprehensive physical property had greater difference on tobacco from different areas than on different parts of tobacco.③89 flue cured tobacco samples were divided into 3 main groups and 9 subgroups according to factor variable scores and different growth parts of tobacco,making comprehensive physical property in the same sub group share the most similarity. Research results were conducive to identify advantages and disadvantages of physical property of different growth parts of Henan flue-cured tobacco from different growing areas so as to provide reference for the rational use of tobacco resources and group processing.

flue-cured tobacco; physical property; factor analysis

10.3969/j.issn.1004-5708.2014.06.014

S572.01 文献标志码：A 文章编号：1004-5708（2014）06-0090-07

河南烟草专卖局资助项目（HYKJ201208）

李瑞丽（1978—），博士研究生，主要从事烟草检测与分析，Email：lily03091@126.com

王建民（1963—），教授，主要从事烟草加工技术及统计分析，Email：wjm63@163.com

2014-03-07