基于因子分析和聚类分析的烤烟游离氨基酸含量区域特征研究

贾国涛 张俊岭 魏壮状 袁岐山 王宝林 王晓瑜 马胜涛杨欣玲 张子颖 张世英 贾世伟 陈 洋 刘惠民

（1河南中烟工业有限责任公司，450000，河南郑州；2中国烟草总公司郑州烟草研究院，450001，河南郑州）

烟叶是我国卷烟工业的原料基础，不同区域烟叶质量风格特征存在明显差异，其中烟叶游离氨基酸含量与烟叶风格特征有密切的关系，游离氨基酸作为烟草中一类重要的致香前体物质，其含量影响烟草的味道和烟气的丰满度[1-2]。在烟草调制、醇化或发酵加工直至燃烧的过程中，游离氨基酸与还原糖（或羰基化合物）之间发生酶催化及非酶催化的棕色化反应，生产多种具有烤香或爆米花香味特征的吡喃、吡嗪、吡咯和吡啶类等杂环化合物[3-4]，某些氨基酸（如苯丙氨酸）还可自身分解成香味化合物，如苯甲醇和苯乙醇等[5]，这些物质对不同区域烤烟香型风格的形成有重要作用[6]。烤烟游离氨基酸含量的区域特征研究对烤烟的香型风格区划、卷烟配方设计和烟叶资源的合理利用均有一定的理论意义和实用价值。近年来，众多学者对多样品、多指标的品质进行了应用因子分析和聚类分析，王鹏泽等[7]采用因子、聚类及判别分析相结合的方法，对河南省31个产烟县的169个烟叶样品的风格特征指标进行了分析。李瑞丽等[8]以32个植烟县的89个烤烟样品为研究对象，对叶片厚度、叶面密度、填充值、阴燃时间、抗张强度和平衡含水率等物理指标进行了因子分析和聚类分析。薛超群等[9]以43个产地的烟叶，分析了底色、厚度、蜡质感、柔韧性、叶面叶背颜色差、叶尖叶基身份差、光泽和叶面组织等15项外观特征指标，采用主成分分析法提取了7个主成分，并对43个产地烟叶进行聚类。目前用其分析不同区域烤烟游离氨基酸含量的研究则鲜见报道。因此，本研究以不同区域烤烟游离氨基酸含量为变量，采用因子分析和聚类分析方法对不同区域烤烟游离氨基酸含量进行分析和科学分类，并为特色优质烟叶开发和工业企业采购原料提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 材料来源

试验材料来自中国烟草总公司郑州烟草研究院，为2018年烟叶原料样品，来自17个省份56个地区（详见表1）的168份样品，烟叶等级为C3F。

表1 烤烟材料产地信息Table 1 Origin information of flue-cured tobacco materials

1.2 测定项目与方法

不同产地C3F等级样品分别取30片，对烟叶样品进行去梗、烘干和粉碎处理，然后过60目筛。烟叶中游离氨基酸用盐酸调节的柠檬酸锂缓冲液萃取，使用氨基酸分析仪（型号：Biochrom 30，英国Biochrom公司）测定[10]。

1.3 数据处理

采用Excel 2016、SPSS 22.0和R语言（R-4.0.2）进行数据处理和统计分析。

2 结果与分析

2.1 烤烟游离氨基酸含量描述性统计分析

由表2可知，烤烟游离氨基酸均值总量为12 054.52μg/g，范围为 7559.54～23 460.83μg/g。其中脯氨酸（Pro）含量最高（8342.26μg/g），其次为天冬酰胺（Asn）（777.29μg/g），蛋氨酸（Met）含量最低（4.49μg/g）。21种烤烟游离氨基酸含量整体表现为Pro＞Asn＞谷氨酰胺（Gln）＞丙氨酸（Ala）＞缬氨酸（Val）＞丝氨酸（Ser）＞天冬氨酸（Asp）＞谷氨酸（Glu）＞氨基丁酸（4-Gaba）＞色氨酸（Trp）＞苯丙氨酸（Phe）＞组氨酸（His）＞半胱氨酸（Cys）＞酪氨酸（Tyr）＞苏氨酸（Thr）＞精氨酸（Arg）＞甘氨酸（Gly）＞赖氨酸（Lys）＞亮氨酸（Leu）＞异亮氨酸（Ile）＞Met。从变异系数看，烤烟游离氨基酸变异系数处于13.35%～75.94%。其中Asn、Glu、Gln、Phe、Lys和His变异系数均大于50%，Val变异系数最小（13.35%），其次为Ala（17.33%）。

表2 烤烟游离氨基酸含量描述统计Table 2 Descriptive statistics of free amino acid contents in flue-cured tobacco

2.2 对烤烟游离氨基酸的相关性分析

如图1所示，Ser与Val含量存在极显著正相关，与其他氨基酸无显著关系。Val与Ser和Gys含量存在极显著正相关，与His和Pro含量存在极显著和显著负相关，与其他氨基酸无显著关系。Gys与Val、Asp、Ile、Lys和Arg含量均存在极显著正相关，与Asn、Gln、Met、Tyr和Phe含量均存在显著正相关。Met与Cys和Ile含量存在显著正相关。其他游离氨基酸相关系数大部分达到显著水平。烤烟游离氨基酸间较强的相关性说明，可以通过主成分分析研究烤烟游离氨基酸间的复杂关系。

图1 烤烟游离氨基酸相关性分析Fig.1 Correlation analysis of free amino acids in flue-cured tobacco

2.3 不同区域烤烟游离氨基酸含量的热图分析

热图是近年来被广泛应用的一种统计方法，可以简单地聚合大量数据，将结果以一种渐进色带直观地展现出来，可看出数据的疏密和频率高低程度。17个省份56个地区21种游离氨基酸含量分析结果（图2）显示，平顶山和漯河地区烤烟Trp、His、Phe、4-Gaba和Asn含量高，宝鸡、延安和丹东地区烤烟Trp含量低，长沙、韶关、吉安、龙岩和南平地区烤烟Gln含量低，不同地区间烤烟Asp、Asn、Glu和Gln含量差异明显。

图2 不同区域烤烟游离氨基酸含量的热图分析Fig.2 Heatmap analysis of free amino acid content in flue-cured tobacco in different regions

2.4 烤烟游离氨基酸含量的因子分析

对21种烤烟游离氨基酸进行因子分析，结果见表3。公因子提取方法采用主成分分析法，公因子（主成分）数目选定既要满足数据降维目的，又要综合大部分的信息，常用累积方差贡献率不低于85%来确定公因子数目，故本研究选择5个公因子，累积方差贡献率为86.81%，表明5个主成分构成的信息能够反映原来变量的大部分信息。

由表3和表4可知，因子1特征值为12.34，主要综合了Thr、Asn、Glu、Gln、Leu、Tyr、Phe、Lys、His、Trp和Arg的信息；因子2特征值为2.33，主要综合了Val和Cys的信息；因子3特征值为1.43，主要综合了Ser的信息；因子4特征值为1.18，主要综合了Ala和4-Gaba的信息；因子5特征值为0.95，主要综合了Met的信息。由于因子1累积贡献率（58.74%）大于50%，因此认为，Thr、Asn、Glu、Gln、Leu、Tyr、Phe、Lys、His、Trp和Arg是烤烟的特征游离氨基酸。

表3 主成分分析的特征值与方差贡献率Table 3 Eigenvalue and variance contribution rate of principal component analysis

表4 主成分分析的载荷矩阵Table 4 Load matrix of principal component analysis

应用各个因子的载荷量和特征值计算出每个样品对应的得分值、排名及综合主成分值，由表5可知，Z1得分值越大，排名越靠前，表明烤烟的Thr、Asn、Glu、Gln、Leu、Tyr、Phe、Lys、His、Trp和Arg含量越高，排名前5位的地区依次为漯河、平顶山、洛阳、普洱和铜仁；Z2得分值越大，排名越靠前，表明烤烟Val和Gys的含量越高，排名前5位的地区依次为哈尔滨、丹东、铜仁、长春和牡丹江；Z3得分值越大，排名越靠前，表明烤烟Ser的含量越高，排名前5位的地区依次为大理、保山、普洱、昆明和宜昌；Z4得分值越大，排名越靠前，表明烤烟Ala和4-Gaba的含量越高，排名前5位的地区依次为宜宾、洛阳、潍坊、铜仁和湘西；Z5得分值越大，排名越靠前，表明烤烟Met的含量越高，排名前5位的地区依次为铜仁、许昌、贺州、毕节和文山。综合得分排前10名的地区由高到低依次为漯河、平顶山、洛阳、普洱、铜仁、哈尔滨、临沂、湘西、百色和潍坊。

表5 不同区域烤烟游离氨基酸的主成分得分Table 5 Principal component scores of free amino acids in flue-cured tobacco from different regions

2.5 烤烟游离氨基酸含量的聚类分析

对56个地区烤烟样品进行K均值聚类分析，结果见图3和表6。样品分为3类，第1类包括玉溪、昆明、曲靖、普洱、临沧、泸州、宜宾、铜仁、武隆、宜昌、湘西、百色、宣城、许昌、洛阳、三门峡、安康、汉中、潍坊、临沂、丹东、长春、牡丹江和哈尔滨24个产地的样品，此类样品烤烟游离氨基酸总量适中，总量均值为12 861.4μg/g，其中Ser和Val含量高。第2类包括大理、红河、文山、保山、昭通、凉山、黔西南、遵义、毕节、黔南、巫山、恩施、襄阳、郴州、永州、长沙、邵阳、韶关、贺州、赣州、抚州、吉安、三明、龙岩、南平、驻马店、南阳、商洛、宝鸡和延安30个产地的样品，烤烟游离氨基酸总量最低，总量均值为 10 712.02μg/g，其中Asp、Thr、Asn、Glu、Gln、Gly、Ala、Cys、Leu、Tyr、Phe、4-Gaba、Lys、His、Trp和Arg含量显著低于其他2个类群。第3类包括平顶山和漯河2个产地的样品，烤烟游离氨基酸总量最高，总量均值为22 509.41μg/g，除了Ser、Met和Ile，其他烤烟游离氨基酸含量与另外2个类群均存在显著性差异。

表6 3个类群烤烟游离氨基酸含量分析Table 6 Analysis of free amino acid content in three groups of flue cured tobacco μg/g

图3 不同区域烤烟游离氨基酸含量聚类分析Fig.3 Cluster analysis of free amino acids content of flue cured tobacco in different regions

3 讨论

氨基酸是烟草中的一类重要化学物质，是组成蛋白质的主要成分，同时也是合成烟碱和多酚等有关物质的前提，对烟株体内氮的代谢及烟叶品质具有重要作用[11]。烤烟游离氨基酸总量范围为7559.54～23 460.83μg/g，其中 Pro、Asn、Gln、Ala和Val含量较高。陈文等[12]研究了我国东北、山东、福建和云南的烤烟游离游离氨基酸含量，其中Pro、Ala、Asn、Arg、Asp和Phe是主要的6种氨基酸。史宏志等[13]研究表明，烤烟中水解氨基酸含量较高的是Glu、Asp、Pro、Ala、Val、Gly和Phe，约占总含量的70%，本研究结果与其基本一致。对烤烟游离氨基酸进行相关性分析表明，除了Val、Ser、Cys和Met相关性不显著，其他烤烟游离氨基酸均存在显著相关性。

因子分析在最大可能保留原有指标性状信息的前提下，用少数且彼此相关性低的指标代替原有较多且彼此相关性高的指标，从而简化多指标分析[14]，从而得到综合信息。基于21种烤烟游离氨基酸，本研究对17个省份56个地区烤烟游离氨基酸进行主成分分析，提取前5个成分作为主成分，累计贡献率达86.81%，这些因子综合反映了21种烤烟游离氨基酸的绝大部分信息。殷延齐等[15]对烟丝中游离态氨基酸研究分析，第1主成分的特征值为9.28，累计贡献率为51.56%，其中Asp、Thr、Ser、Gly、Ala、Val和Lys反映了第1主成分烟丝氨基酸的主要信息，与本研究结果基本一致。

聚类分析是应用多元统计分析原理研究分类问题的一种数学方法，主观因素少，分类结果客观且科学，并同时对大量性状进行综合考察[16-18]。本研究将56个地区烤烟样品分为3个类群，第1类群主要以清香型产区为主。董洪旭等[19]研究表明，清香型产区的Ser和Val含量显著高于浓香型和中间香型产区，与本研究结果一致。第2类群主要以中间香型产区为主，其中Asp、Asn、Glu、Gly、Tyr、Phe、Lys和Trp含量显著低于其他2个类群，中间香型产区游离氨基酸含量显著低于清香型和浓香型产区[19]。第3类群为平顶山和漯河产地，烤烟游离氨基酸总量最高。

4 结论

烤烟游离氨基酸总量范围为7559.54～23 460.83μg/g，其中 Pro、Asn、Gln、Ala 和 Val含量较高。除了Val、Ser、Cys和Met含量相关性不明显，其他烤烟游离氨基酸均存在显著相关性。主成分分析选择5个公因子，累计方差贡献率为86.81%，表明5个主成分构成的信息能够反映原来变量的大部分信息。对56个地区烤烟样品进行K均值聚类分析，可分为3个类群。通过对不同区域烤烟游离氨基酸的研究，为烟叶生产种植的合理区划及特色优质烟叶开发提供一定的理论依据。