聚类分析技术在造纸法再造烟叶原料配方中的应用

郝建辉，王海涛，张碰元，李永福，范运涛，张世东，王 玉

[1.河北中烟工业公司技术中心，石家庄 050051；2.云南瑞升烟草技术（集团）有限公司，昆明 650106]

造纸法再造烟叶是以水为溶剂进行提取，将烟草原料（如烟梗、烟末、碎烟片等）的可溶性成分和不溶性成分进行固液分离，水溶性部分进行浓缩，不溶性部分进行打浆、抄造、成型等工艺过程，然后将水溶性成分回填到成型的片基上，最后经干燥、成型等工艺过程制成可用于卷烟生产的一种人工制备的均质化烟叶[1]。造纸法再造烟叶将按照不同的风格特征和功能在卷烟中进行添加和应用。目前造纸法再造烟叶生产所用的原料种类繁多，成分差异较大，这势必会造成由于原料的波动而引起再造烟叶产品品质的波动，从而导致卷烟产品质量的波动。因此，怎样科学合理的搭配使用再造烟叶原料来保证再造烟叶成品品质的稳定成为一个比较突出的问题。

化学计量学作为一门计算机程序、统计方法和化学分析相结合的新兴学科，其应用前景越来越受到大家的关注。聚类分析作为化学计量学的一种常用方法，其原理是根据事物本身的特性研究个体的分类，其原则是同一类中的个体有较大的相似性，不同类别的个体差别较大[2]。以往聚类分析主要用于烟草种植、虫害分析以及烟叶常规化学分析[3-5]上，而在再造烟叶应用方面未见报道。随着国内再造烟叶产业的不断壮大，这方面的研究也显得越来越重要。作者选取国内某再造烟叶实验厂的 24种原料的挥发性成分进行聚类分析，从分析结果中找出这些原料的差异性与相似性，将其结果用于再造烟叶原料配方管理，尽量减少由于原料变动引起的再造烟叶品质波动，取得了较好的效果。

1 材料与方法

1.1 分析材料

取自某再造烟叶生产厂的 24种不同地区不同种类的再造烟叶用原料GA1、GB1、GC1、GD1、GE1、GF1、GG1、GH1、GI1、PA1、PA2、PA3、PA4、PB1、PB2、PB3、PH1、PJ1、PJ2、MA1、MB1、MH1、MK1、ML1。（编号的第 1个字母表示原料的种类：G代表烟梗，P代表烟片碎片，M代表烟末；第2个字母表示原料的产地；数字代表作者对同一地区同一种类的原料自行确定的等级）。

由于条件限制，所选原料多为云南省内各个地区原料。为了尽量具有代表性，选择了 12个地区的 24种原料，其中包含烟梗，烟末，烟碎片各种性状的原料。

1.2 实验装置及应用软件

自制的同时蒸馏萃取装置[6]；Agilent 6890N/5973N 气相色谱/质谱联用仪；DPS3.01 for windows 数据统计分析软件。

1.3 样品的分析

将再造烟叶原料在平衡箱中于温度22℃，湿度60%的条件下平衡24 h，准确称取平衡后的原料样品25.0 g，放入同时蒸馏萃取装置中，并加入固定量的内标化合物，采用二氯甲烷作为溶剂对原料样品连续进行动态萃取 2 h。所得提取物经干燥后浓缩定容为1.0 mL。

浓缩液采用 Agilent 6890N/5973N 气质联用分析仪进行分析。所得图谱经计算机谱库（NIST98,Wiley275）检索，并用内标校正归一化法计算各峰的相对含量。

1.4 GC/MS的分析条件

进样口温度：240℃，分流比：25:1；毛细管柱：HP-5MS（30 m×0.25 mm×0.25 µm）；载气：He；流速：1 mL/min；炉温：50℃（1 min）―8℃/min―160℃（2 min）―8℃/min―260℃（15 min）；GC-MS接口温度280℃，离子源：EI源；电子能量：70 eV，扫描范围：35～455 au。

1.5 数据分析

通过DSP软件的相关功能对GC/MS的分析结果采用欧式距离类平均法进行模糊聚类法分析[6]。

2 结 果

2.1 GC/MS分析结果的整理与标准化

通过对图谱的分析比较，对数据的相关性分析归纳，精选匹配度较高，峰形分离较好，选择含量较显著的 13个色谱峰作为聚类分析的标准点。色谱峰对应物质的相对含量按以下公式进行计算：

式中：Ce—目标成分的相对校正含量；β—校正系数（常量）；Cr—内标化合物峰面积归一化相对含量；At—目标成分的峰面积；Ar—内标的峰面积。计算结果见表1。

2.2 分析数据的聚类分析

依据上述精选出的 13个标准点，采取欧式距离类平均法进行模糊聚类分析，结果见图1。

从图1看出，在选定条件下，这些原料聚为两大类。烟梗能很好的聚为一类；除去PA3外，其他烟末和碎片也能很好的聚为一类。同一地区原料具有较大的相似性，如PB1、PB2、PB3，MA1与PA1等；烟末与碎片之间具有较大的相似性，但也可以看出烟末与烟末，碎片与碎片之间的差别更小。

2.3 聚类结果应用评价

图1 聚类分析结果Fig.1 Result of the cluster analysis

表1 再造烟叶原料的挥发性成分 mg/gTable 1 Volatile components of the paper-making reconstituted tobacco materials

从图1聚类分出的几类中选出PB2、PB3、MA1、PA1、GF1、GG1六个原料，按造纸法再造烟叶小样的制作方式制成再造烟叶，经专家组评吸得出以下结论：PB2与PB3、MA1与PA1、GF1与GG1香气风格较接近，总体抽吸品质基本一致，即同一地区的烟碎片、烟碎片与烟末制成的再造烟叶抽吸品质较接近，各地区烟梗制成的再造烟叶抽吸品质较接近；PB2与MA1香气风格有一定差异，浓度差别稍大，其他方面差别不大；PB2与GF1香气风格差别较大，总体抽吸品质差别大。

在配方设计中的应用：根据原料的聚类结果，将聚类分析结果接近的原料根据库存情况组成一个模块，在叶组配方中作为一个原料来使用，这样可以大大减少叶组配方的原料单体数量，从而简化叶组配方的实验过程，同时也能保证每个配方的组成模块有充足的数量，从源头上保证产品在规模化生产时有充足的原料保障产品的稳定生产。如图1，可将 15种碎片和烟末原料按聚类的结果划分为 5个模块，如表2所示。

在原料替换中的应用：配方A中有原料X库存不足，对库存较充足的新进原料做致香成分分析，和配方A中同种原料进行聚类。找出和原料X最为相似的新进原料进行替换。这样可以大大减少配方维护的时间，提高工作的效率和质量。

表2 原料聚类模块Table 2 Clusters of the raw material modules

3 讨 论

3.1 聚类指标选取

以往曾有文献报道[7-8]，利用烟叶原料的化学指标聚类分析来辅助烟叶分级和卷烟叶组的维护，但是，因为化学指标在卷烟生产和烟支抽吸燃烧过程中还有很多变化，故其对最终产品的感官质量的判定存在一定的局限性。而挥发性成分相对而言更能表征原料的感官质量及风格特征[9]，故本研究选用原料的挥发性成分聚类分析来判断区分各类原料之间的异同，更具科学性。

3.2 分析数据的归纳整理筛选

因样品数量多，多样性强，会造成分析数据过于庞大且不易比较，作者通过分析各种成分的相关性，找出它们之间的关联性，总结出各种成分之间的关系，精选 13种主要的挥发性成分用于聚类分析。经过分析比较，这 13种成分的聚类结果与全部数据的聚类结果基本一致，故本研究只选用这13种成分来做聚类分析比较。限于本研究的主要研究内容在于探索研究成果的应用，故对于在此选用的13种成分的精选条件及过程等未做深入的理论阐述和论证，这需要在以后的研究工作中补充完善。

3.3 应用方法探讨

将原料进行上述方法的归类后，目前可以在再造烟叶开发生产中有以下两方面的应用：其一、在设计再造烟叶的原料配方时，如果要突出某一方面的风格特征，可以尽量选取有这方面特征的同一组的原料，如果想要有多样性的香气特征，则从多类中选取原料；其二、如果原料配方中的某一个原料出现短缺时，应选取与它同一类且距离最接近的原料来优先替代。

4 小 结

再造烟叶作为卷烟生产中的一个重要的原料，随着降焦减害工作的不断深入，其用量将越来越大，如何保证其质量稳定，已成为再造烟叶进一步提高发展的一个重要问题。本文对再造烟叶原料进行聚类分析研究，总结出影响再造烟叶原料的 13种关键的挥发性成分，找出各种原料之间的相关性，为再造烟叶原料配方设计和原料替换工作作出了有益的探索。在各种烟草原料日益紧缺的形势下，这种思路为保证造纸法再造烟叶的稳定生产提供了有力的帮助。

[1]于建军.卷烟工艺学[M].北京：中国农业出版社，2003：322-323.

[2]倪永年.化学计量学在分析化学中的应用[M].北京：科学出版社，2004：228-229.

[3]钱时祥，陈学平，郭家明.聚类分析在烟草种植区划上的应用[J].安徽农业大学学报，1994，21（1）：21-22.

[4]陈茂华，孟国玲，龚信文.烟草甲对贮存烟叶选择危害的系统聚类分析[J].湖北农业科学，2003（1）：41-42.

[5]陈学平，张良，郭家明.多个化学成分指标烟叶样品的聚类分析研究[J].中国烟草学报，2002，8（4）：21-26.

[6]张大克 王玉杰.随机平均欧氏距离的统计性质与分类阈值[J].天津科技大学学报，2008（4）：85-88.

[7]高月兰 张延军 黄平俊，等.聚类分析在卷烟配方中的应用[J].中国农学通报，2006（2）：103-106.

[8]杨俊仙.山西省烟叶的聚类分析及综合评价[J].山西农业大学学报：自然科学版，2003，23（2）：120-123.

[9]王玉 王保兴，武怡，等.卷烟挥发性成分的聚类分析[J].烟草科技，2007（2）：50-55.