摘要:為煙葉油分檔次的判別提供參考,以三門峽主產(chǎn)區(qū)132份初烤煙葉為樣品,評(píng)定油分檔次后,測(cè)定煙葉樣品中主要含氮化合物的含量,運(yùn)用方差分析、Spearman相關(guān)性分析和主成分分析篩選出油分檔次的判別指標(biāo),采用Fisher判別分析建立煙葉油分檔次的判別模型。結(jié)果表明,不同油分煙葉的含氮化合物中大多數(shù)氨基酸含量(19/21)存在顯著差異,除脯氨酸外,基本與油分呈顯著或極顯著負(fù)相關(guān)。經(jīng)過主成分分析,從主要含氮化合物中提取出4個(gè)主成分,代表了總指標(biāo)73.441%的信息,篩選出17種煙葉油分的特征含氮化合物。經(jīng)Fisher判別分析,確定了17種游離氨基酸作為煙葉油分的有效判別指標(biāo),構(gòu)建了煙葉油分檔次的Fisher判別模型,訓(xùn)練集和測(cè)試集的識(shí)別率均為100%。并利用江西吉安和云南楚雄的20份樣品對(duì)模型進(jìn)行了驗(yàn)證,準(zhǔn)確率分別為100%和80%,對(duì)煙葉油分檔次的判別效果較好。游離氨基酸的檢測(cè)結(jié)合多元統(tǒng)計(jì)分析方法可用于煙葉油分檔次的判別。
關(guān)鍵詞:煙葉;含氮化合物;游離氨基酸;油分;Fisher判別分析
中圖分類號(hào):TS41+1;TS41+3" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A
文章編號(hào):1002-1302(2024)13-0181-07
油分作為烤煙外觀質(zhì)量的重要指標(biāo)之一,與煙葉的理化特性和感官質(zhì)量密切相關(guān),在煙葉分級(jí)和質(zhì)量評(píng)價(jià)中發(fā)揮著重要作用[1]。已有的研究表明,油分與煙葉物理特性、化學(xué)成分協(xié)調(diào)性及感官評(píng)吸各指標(biāo)之間存在不同程度的正相關(guān)關(guān)系,隨著油分檔次的提高,烤煙的含梗率降低、葉面密度提高,耐加工性增強(qiáng),煙葉化學(xué)成分更加協(xié)調(diào),煙葉感官評(píng)吸的各項(xiàng)指標(biāo)得分及總得分也越高[2-3]。即烤煙油分越多,煙葉的品質(zhì)越好。
目前,針對(duì)煙葉油分的主流評(píng)價(jià)方法仍以煙葉分級(jí)中的眼看、手摸并結(jié)合其他外觀特征對(duì)油分進(jìn)行檔次的劃分,另有一些學(xué)者采用機(jī)器學(xué)習(xí)的方法,通過工業(yè)COD攝像頭[4]、近紅外光譜儀[5]、高光譜成像儀[6]等獲得煙葉外觀的幾何、顏色和光譜特征,利用建模方法對(duì)煙葉油分檔次進(jìn)行識(shí)別和預(yù)測(cè)。利用化學(xué)成分對(duì)煙葉油分進(jìn)行預(yù)測(cè)的研究鮮有報(bào)道。
化學(xué)成分不僅是形成煙草制品感官質(zhì)量的物質(zhì)基礎(chǔ),同時(shí)也決定了煙草制品的風(fēng)格與質(zhì)量,其中含氮化合物作為煙葉中一類重要的化學(xué)成分,主要包括煙堿、蛋白質(zhì)和游離氨基酸,前人的研究已經(jīng)表明,油分足的煙葉,其總氮、煙堿等的含量都不高[7]。謝利麗等發(fā)現(xiàn),烤煙油分與煙堿含量呈極顯著正相關(guān),與總氮含量關(guān)系不大[2];劉峰峰等的研究結(jié)果表明,中部不同油分煙葉的煙堿含量與總氮含量間未見顯著性差異[3];韋克蘇等認(rèn)為,多油分煙葉比少油分煙葉的煙堿、總氮和蛋白質(zhì)含量低[8]。董洪旭等提出,隨煙葉油分變差,其芳香族氨基酸比例以及酸性、堿性、脂肪族氨基酸的含量和比例升高,亞氨基酸比例降低[9];徐磊等報(bào)道,除脯氨酸外的多數(shù)氨基酸含量及其占游離氨基酸總量比例與煙葉油分呈負(fù)相關(guān)[10]。以上結(jié)果表明,含氮化合物含量與煙葉油分存在較強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性,因此,有必要針對(duì)主要含氮化合物指標(biāo)建立評(píng)價(jià)模型,對(duì)烤煙油分進(jìn)行評(píng)價(jià)。上述研究均把不同油分檔次的煙葉原料限制在特定等級(jí)[2-3]或特定部位[8-10],缺乏對(duì)于整株全葉位的覆蓋,這可能會(huì)使結(jié)果存在一定的局限性,因此,本研究制取整株全葉位覆蓋的不同油分檔次煙葉樣品對(duì)烤煙油分進(jìn)行評(píng)價(jià)。
Fisher判別分析又名典型相關(guān)分析,能夠在現(xiàn)有分組的基礎(chǔ)上識(shí)別并建立判別函數(shù),從而對(duì)新樣本進(jìn)行組別的預(yù)測(cè)和分類,其優(yōu)點(diǎn)主要是能在一定程度上克服數(shù)據(jù)高維距離度量無效性帶來的困擾,對(duì)多維數(shù)據(jù)進(jìn)行降維,對(duì)數(shù)據(jù)的分布沒有要求[11]。當(dāng)前Fisher判別分析廣泛應(yīng)用于醫(yī)療、農(nóng)業(yè)、采礦等領(lǐng)域[11-14]。在煙草行業(yè)中,F(xiàn)isher判別分析目前在烤煙香型[15]、品質(zhì)[16]和卷煙原料檔次[17]判別方面有所應(yīng)用?;诖?,本研究以整株全葉位覆蓋的初烤煙葉(品種為云煙87)為材料,分析不同油分檔次煙葉主要含氮化合物含量的差異,并進(jìn)行相關(guān)性分析和主成分分析,采用Fisher判別分析構(gòu)建分類模型,對(duì)不同油分檔次煙葉進(jìn)行油分判別,并利用江西和云南的煙葉對(duì)模型的普適性進(jìn)行了驗(yàn)證,以期為煙葉油分等級(jí)的預(yù)測(cè)提供參考。
1 材料與方法
1.1 試驗(yàn)材料
采集2022年河南三門峽、江西吉安和云南楚雄的全部位覆蓋的代表性初烤煙葉(品種均為當(dāng)?shù)刂髟云贩N云煙87)。
1.2 樣品制備
采用KBF240型恒溫恒濕箱(德國Binder公司)平衡初烤煙葉的含水率至16%~18%后,由河南省煙草公司三門峽市公司的9位專業(yè)評(píng)級(jí)技術(shù)人員依照GB 2635—1992《烤煙》的標(biāo)準(zhǔn)[18],采用唯一差別原則(即除煙葉油分外,樣品的身份、葉片結(jié)構(gòu)、顏色等外觀質(zhì)量盡可能保持一致),將樣品分成油分多(Rich)、有(Oily)、稍有(Less Oily)、少(Lean)4個(gè)檔次,其中三門峽各油分檔次的樣品共計(jì)132份,江西和云南的樣品各10份(表1)。
1.3 含氮化合物含量的測(cè)定
選取各油分檔次煙葉,干燥粉碎,過60目篩,采用YC/T 249—2008《煙草及煙草制品 蛋白質(zhì)的測(cè)定 連續(xù)流動(dòng)法》測(cè)定蛋白質(zhì)的含量(儀器為德國Bran+Luebbe公司的AA3型連續(xù)流動(dòng)化學(xué)分析儀);采用文獻(xiàn)[19]中的近紅外掃描方法測(cè)定煙堿、總氮和游離氨基酸的含量;依據(jù)文獻(xiàn)[20]中的分類方法,將本研究中檢測(cè)到的21種游離氨基酸分為蛋白類和非蛋白類氨基酸(γ-氨基丁酸)兩大類,蛋白類氨基酸再根據(jù)側(cè)鏈結(jié)構(gòu)不同分為8類,包括亞氨基酸、酰胺類氨基酸、含硫氨基酸、酸性氨基酸、堿性氨基酸、芳香族氨基酸、脂肪族氨基酸和含羥基氨基酸。根據(jù)各類氨基酸含量與游離氨基酸總量計(jì)算出9類氨基酸的占比。
1.4 數(shù)據(jù)處理
采用Microsoft Office Excel 2019進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,采用IBM Statistics SPSS 23.0軟件進(jìn)行差異顯著性分析、相關(guān)性分析、主成分分析,F(xiàn)isher判別分析采用Origin 2022軟件進(jìn)行,多重比較采用Duncans新復(fù)極差法。
2 結(jié)果與分析
2.1 不同油分檔次煙葉主要含氮化合物的差異
由表2可知,不同油分檔次煙葉的煙堿、總氮和蛋白質(zhì)含量未表現(xiàn)出差異顯著性,這與前人的研究結(jié)果[3]基本一致,但與謝利麗等的研究結(jié)果[2]不同,造成這種結(jié)果的原因可能是煙葉產(chǎn)區(qū)不同,還可能與本研究采取全葉位覆蓋的取樣方式,各油分檔次中存在多個(gè)部位煙葉有關(guān)。各油分檔次煙葉的9類氨基酸占比中,亞氨基酸占比依次為多油分>有油分>稍有油分>少油分,且差異顯著;其余包括酰胺類、含硫類、酸性、堿性、芳香族、脂肪族和含羥基類在內(nèi)的8類氨基酸占比均隨煙葉油分檔次由少到多整體呈顯著降低趨勢(shì);不同油分檔次煙葉的游離氨基酸總量略有增加,除絲氨酸和胱氨酸外,不同油分檔次煙葉的其他19種游離氨基酸含量均存在顯著性差異;其中,脯氨酸含量以多油分煙葉的最高,為12.05 mg/g,顯著高于另外3個(gè)油分檔次煙葉;其余的18種氨基酸含量均隨煙葉油分檔次由少到多整體呈顯著降低趨勢(shì),這與董洪旭等和徐磊等的研究結(jié)果[9-10]基本一致。
2.2 不同煙葉油分得分與主要含氮化合物的相關(guān)性分析
由于油分是定序變量,所以要先把煙葉的4個(gè)不同油分檔次轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù), 目前通用的方法是對(duì)油分賦分得到數(shù)據(jù)[21],這種方法中的多(0~3)、有(gt;3~5)、稍有(gt;5~8)、少(gt;8~10)的分值區(qū)間并不相同,對(duì)于后續(xù)分析可能存在影響。為此,本研究參考并調(diào)整了烤煙外觀質(zhì)量的數(shù)字化方法[22],對(duì)烤煙外觀質(zhì)量中的油分進(jìn)行4分度數(shù)字化表征,多、有、稍有、少油分煙葉分別賦分4、3、2、1。相關(guān)性分析采用Spearman相關(guān)性分析。
由表3可知,煙葉油分與總氮和蛋白質(zhì)含量呈顯著負(fù)相關(guān),與煙堿含量未見顯著相關(guān)性。謝利麗等研究認(rèn)為,曲靖煙區(qū)烤煙油分與煙堿含量顯著正相關(guān),與總氮含量負(fù)相關(guān)[2]。劉峰峰等針對(duì)73個(gè)產(chǎn)區(qū)的烤煙進(jìn)行研究,認(rèn)為煙葉油分與煙堿含量、總氮含量相關(guān)性不大[3]。韋克蘇等的研究結(jié)果表明,貴州產(chǎn)區(qū)多油分煙葉的煙堿、總氮和蛋白質(zhì)含量均低于少油分煙葉[8]。本研究結(jié)果與韋克蘇等的結(jié)論[8]較為一致,而與前兩者研究結(jié)論不盡相同,這可能與本研究中煙葉樣品的部位覆蓋度和產(chǎn)區(qū)不同有關(guān)。
油分與除脯氨酸外的多數(shù)游離氨基酸含量呈極顯著負(fù)相關(guān),與脯氨酸含量呈極顯著正相關(guān),與亞氨基酸占比呈極顯著正相關(guān),與其余8類氨基酸占比呈極顯著負(fù)相關(guān),與游離氨基酸總量未表現(xiàn)出明顯相關(guān)性,這與前人的研究結(jié)果[9-10]基本一致。
2.3 不同油分檔次煙葉主要含氮化合物的主成分分析
由于總氮含量、9類氨基酸占比及游離氨基酸總量均包含多種含氮化合物,考慮到共線性問題,最終選取煙堿、蛋白質(zhì)和21種氨基酸含量指標(biāo)進(jìn)行主成分分析。對(duì)獲得的不同油分檔次煙葉含氮化合物數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化后,進(jìn)行KMO檢驗(yàn)和Barlette球度檢驗(yàn),結(jié)果見表4。KMO統(tǒng)計(jì)量為0.858(>0.6),Barlette球度檢驗(yàn)的相伴概率為0.000(<0.05),表明不同油分煙葉的含氮化合物適合進(jìn)行主成分分析且效果較好。
經(jīng)過主成分分析得到了4個(gè)主成分。由表5可知,第1主成分的方差貢獻(xiàn)率為48.004%,綜合了蘇氨酸、天冬酰胺、谷氨酸、谷氨酰胺、甘氨酸、丙氨酸、亮氨酸、酪氨酸、苯丙氨酸、γ-氨基丁酸、賴氨酸、組氨酸和精氨酸含量的信息;第2主成分的方差貢獻(xiàn)率為11.080%,綜合了脯氨酸和纈氨酸含量的信息;第3主成分的方差貢獻(xiàn)率為7.995%,綜合了蛋白質(zhì)含量的信息;第4主成分的方差貢獻(xiàn)率為6.362%,綜合了胱氨酸含量的主要信息。4個(gè)主成分的累計(jì)方差貢獻(xiàn)率為73.441%,篩選出蛋白質(zhì)、蘇氨酸、天冬酰胺、谷氨酸、谷氨酰胺、甘氨酸、丙氨酸、亮氨酸、酪氨酸、苯丙氨酸、γ-氨基丁酸、賴氨酸、組氨酸、精氨酸、脯氨酸、纈氨酸、胱氨酸共17種不同油分烤煙的特征含氮化合物。
2.4 基于含氮化合物含量的烤煙油分Fisher判別模型
不同油分檔次煙葉中主要含氮化合物含量存在差異,為了對(duì)煙葉油分檔次進(jìn)行準(zhǔn)確判別,還需要建立基于Fisher判別函數(shù)的一般判別方法。以主成分分析中的23種主要含氮化合物含量作為判別分析的自變量,對(duì)煙葉樣品進(jìn)行多變量判別分析,篩選出脯氨酸、天冬氨酸、谷氨酸、蘇氨酸、甘氨酸、丙氨酸、纈氨酸、蛋氨酸、亮氨酸、異亮氨酸、酪氨酸、苯丙氨酸、γ-氨基丁酸、賴氨酸、組氨酸、色氨酸、精氨酸共17種對(duì)油分檔次判別效果顯著的含氮化合物,用于煙葉樣品的判別模型,利用正態(tài)隨機(jī)數(shù)法使132份已分組的樣品分散,選取前4/5(105份)樣品進(jìn)行模型的構(gòu)建,剩余1/5(27份)樣品通過交叉驗(yàn)證進(jìn)行模型準(zhǔn)確度的檢驗(yàn),共建立了3個(gè)判別函數(shù)。
由表6可知,函數(shù)1、函數(shù)2和函數(shù)3的特征值分別為8.959、5.028、1.332,函數(shù)3的特征值明顯較?。豢傋儺愊禂?shù)分別為58.48%、32.82%和8.69%;進(jìn)行Willks Lambda檢驗(yàn)后(表7),得到各判別函數(shù)的顯著性分別為0.000、0.000和0.000,在α=0.05的顯著水平下,函數(shù)1、函數(shù)2和函數(shù)3均具有判別意義,因前2個(gè)函數(shù)的累計(jì)百分比達(dá)到了91.31%,出于簡(jiǎn)化模型考慮,選擇前2個(gè)判別函數(shù)構(gòu)建模型。
利用判別函數(shù)1和2得到煙葉的判別函數(shù)散點(diǎn)圖(圖1),判別函數(shù)1和函數(shù)2的系數(shù)如表8所示。
由圖1可知,4個(gè)不同油分檔次的煙葉得到了有效區(qū)分,組質(zhì)心未見互相重疊,表明通過含氮化合物對(duì)煙葉油分檔次進(jìn)行Fisher判別的效果較好。并建立了Y1(油分多)、Y2(油分有)、Y3(油分稍有)和Y4(油分少)的分類函數(shù)模型:
Y1(油分多)=17.449ωPro+0.438ωAsp+0.254ωThr+0.102ωGlu-2.684ωGly+0.208ωAla+0.473ωVal+3.657ωMet+11.383ωIle+0.442ωLeu-0.306ωTyr-0.219ωPhe-0.252ωGABA-0.914ωLys-0.373ωHis+0.448ωTrp+3.264ωArg-297.653;
Y2(油分有)=15.209ωPro+0.435ωAsp+0.148ωThr+0.100ωGlu-2.212ωGly+0.232ωAla+0.410ωVal+4.415ωMet+10.583ωIle+1.169ωLeu-0.540ωTyr-0.223ωPhe-0.248ωGABA-0.666ωLys-0.258ωHis+0.506ωTrp+1.767ωArg-266.947;
Y3(油分稍有)=14.891ωPro+0.402ωAsp+0.340ωThr+0.067ωGlu-2.047ωGly+0.204ωAla+0.396ωVal+3.870ωMet+9.787ωIle+1.724ωLeu-0.092ωTyr-0.178ωPhe-0.220ωGABA-0.688ωLys-0.238ωHis+0.508ωTrp+1.537ωArg-283.251;
Y4(油分少)=15.337ωPro+0.509ωAsp+0.456ωThr+0.106ωGlu-1.984ωGly+0.202ωAla+0.482ωVal+3.264ωMet+11.632ωIle+0.93ωLeu-0.068ωTyr-0.268ωPhe-0.235ωGABA-1.176ωLys-0.316ωHis+0.557ωTrp+3.433ωArg-357.319。
Y1、Y2、Y3、Y4分別表示多油分煙葉、有油分煙葉、稍有油分煙葉、少油分煙葉的判別得分;ωPro、ωAsp、ωThr、ωGlu、ωGly、ωAla、ωVal、ωMet、ωIle、ωLeu、ωTyr、ωPhe、ωGABA、ωLys、ωHis、ωTrp、ωArg分別表示煙草樣品中脯氨酸、天冬氨酸、蘇氨酸、谷氨酸、甘氨酸、丙氨酸、纈氨酸、蛋氨酸、異亮氨酸、亮氨酸、酪氨酸、苯丙氨酸、γ-氨基丁酸、賴氨酸、組氨酸、色氨酸、精氨酸的含量,其中脯氨酸含量單位為mg/g,其余單位均為μg/g。
煙葉油分檔次的判別分析檢驗(yàn)結(jié)果見表9。由表9可知,訓(xùn)練集的正確識(shí)別率為100%,測(cè)試集的識(shí)別率達(dá)到100%,誤判率為0。表明采用17種對(duì)油分檔次判別效果顯著的游離氨基酸指標(biāo)對(duì)三門峽烤煙油分檔次進(jìn)行判別的效果好,可實(shí)現(xiàn)對(duì)烤煙油分檔次的區(qū)分。
2.5 模型適用性驗(yàn)證
模型驗(yàn)證的結(jié)果見表10。該模型對(duì)江西吉安10份樣品的油分預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率達(dá)到100%,對(duì)云南楚雄10份樣品的油分預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率為80%,總體上效果較好,該模型具有較強(qiáng)的適用性。
3 結(jié)論
通過對(duì)三門峽不同油分檔次煙葉的主要含氮化合物含量進(jìn)行分析, 明確了大部分氨基酸含量存在顯著差異(P<0.05)。采用主成分分析確定了蛋白質(zhì)、蘇氨酸、天冬酰胺、谷氨酸、谷氨酰胺、甘氨酸、丙氨酸、亮氨酸、酪氨酸、苯丙氨酸、γ-氨基丁酸、賴氨酸、組氨酸、精氨酸、脯氨酸、纈氨酸、胱氨酸共17種不同油分烤煙的特征含氮化合物。利用Fisher判別分析方法確定了脯氨酸、天冬氨酸、谷氨酸、蘇氨酸、甘氨酸、丙氨酸、纈氨酸、蛋氨酸、亮氨酸、異亮氨酸、酪氨酸、苯丙氨酸、γ-氨基丁酸、賴氨酸、組氨酸、色氨酸、精氨酸共17種三門峽烤煙油分檔次的有效判別指標(biāo),所構(gòu)建的Fisher判別分析模型的訓(xùn)練集和測(cè)試集的識(shí)別率均為100%,對(duì)其他產(chǎn)區(qū)煙葉油分進(jìn)行判別的效果也較好,具有較強(qiáng)的適用性。
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