基于偏最小二乘回归的烤烟感官品质关键外观特征指标筛选.pdf
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1、 2023 年 8 月 第 38 卷 第 4 期JOURNAL OF LIGHT INDUSTRY Vol.38 No.4 Aug.2023收稿日期:2022-06-07;修回日期:2022-08-08;出版日期:2023-08-15基金项目:中国烟草总公司重大科技项目(110202101084);河南中烟工业有限责任公司科技项目(AW201917)作者简介:张子颖(1993),男,河南省叶县人,河南中烟工业有限责任公司工程师,主要研究方向为烟叶原料质量评价。E-mail:zzy19930329 通信作者:张书伟(1976),男,河南省许昌市人,河南中烟工业有限责任公司高级技师,主要研究方向为
2、烟叶原料与质量控制。E-mail:zhsw11 张子颖,过伟民,徐文韬,等.基于偏最小二乘回归的烤烟感官品质关键外观特征指标筛选J.轻工学报,2023,38(4):90-97.ZHANG Z Y,GUO W M,XU W T,et al.Screening of key appearance characteristics affecting sensory quality of flue-cured tobacco based on partial least squares regressionJ.Journal of Light Industry,2023,38(4):90-97.DOI
3、:10.12187/2023.04.012基于偏最小二乘回归的烤烟感官品质关键外观特征指标筛选 张子颖1,过伟民2,徐文韬1,常乃杰2,许衡1,彭玉富1,张书伟11.河南中烟工业有限责任公司 技术中心,郑州 450000;2.中国烟草总公司郑州烟草研究院,郑州 450001摘要:为明确影响烤烟感官品质的关键外观特征指标,采用偏最小二乘回归等方法对 6 个产区共计 265 份烟叶样品的外观特征与其感官品质间的关系进行分析。结果表明:外观特征指标中仅上部叶样品油润感分值服从正态分布,其他外观特征指标分值均未通过正态性检验;中部叶外观指标除身份外均与总体感官品质在0.1%水平显著正相关;上部叶颜色纯
4、正度、成熟度、叶片结构、光泽度、柔软度、油润感与总体感官品质在0.1%水平显著正相关,身份与总体感官品质在 0.1%水平显著负相关;油润感、柔软度、叶片结构 3 项外观特征对中部叶香气质和总体感官品质的累计贡献率分别为 49.62%和 51.07%,对上部叶香气量和总体感官品质的累计贡献率分别为 43.19%和 44.30%。叶片结构、柔软度和油润感是影响中、上部叶感官品质的关键指标,可在烟叶原料的工业分选研究中进一步应用。关键词:烤烟;外观特征;感官品质;偏最小二乘回归中图分类号:TS44+2 文献标识码:A 文章编号:2096-1553(2023)04-0090-080 引言烟叶外观特征是
5、指通过人的感官感触可识别出的烟叶外部特征,能够在一定程度上反映烟叶的内在品质1。我国烟叶种植区域范围较大,仅通过烤烟等级难以体现不同产区相同等级烟叶的外观特征差异2,并且在范围较小的地理区域内,相同等级烟叶也存在部分外观特征差异较大的情况。因此,探究烟叶外观特征指标与工业企业感官品质需求间的关系是烟叶原料研究的关键点之一。关于烟叶外观特征与感官品质,两者间关系的研究一直备受关注3-4。王俊等5对四川凉山、攀枝花烟区初烤烟叶的外观与感官品质进行了典型相关分析,发现最能体现该地区烤烟感官品质的指标是成熟度和颜色,其次是叶片结构和部位,再次是身份。魏春阳等6对烤烟样品的外观、感官品质进行了灰色关联分
6、析,发现与上部叶感官品质关联度较大的是叶片色度、油分和结构;与中部叶感官品质关09 张子颖,等:基于偏最小二乘回归的烤烟感官品质关键外观特征指标筛选联度较大的是色度、身份和油分。江厚龙等7对重庆产区烤烟外观特征与感官品质进行典型相关分析,发现烤烟颜色和身份与香气质呈正相关,油分和身份与烟气浓度、劲头呈正相关。陈健等8采用相关、回归、通径分析等方法对西南清甜香烟区烤烟外观特征与感官品质进行研究发现,叶片光泽与清甜香之间、叶片结构与香气量和圆润感之间,均呈极显著正相关。前述研究多采用典型相关分析等分析方法,这些方法对数据分布均有一定要求9-12,而不同区域烟叶外观特征差异较大2,6,进行量化后可能
7、出现数据不符合正态分布的情况,此外,烟叶外观特征间存在一定关联性,在进行多元线性回归时自变量间可能存在多重共线性的问题。偏最小二乘回归(Partial Least Squares Regres-sion)对样本要求较为宽松13,当自变量间存在严重多重共线性时仍能有效构建模型14,且具有多元线性回归、典型相关和主成分分析的基本功能。基于此,本文拟采用偏最小二乘回归方法筛选影响烤烟感官品质的关键外观特征指标,以期明确烟叶外观特征与感官品质间的关系,进而建立基于关键外观特征的烟叶工业分选方法。1 材料与方法1.1 实验材料2019 年度选自河南襄城、河南灵宝、湖南桂阳、福建邵武、云南麒麟和重庆黔江
8、6 个产区具有不同外观特征的中上部烤烟样品共计 265 份,其中中部叶样品 142 份(灵宝 23 份、襄城 25 份、桂阳 24 份、邵武 24 份、麒麟 23 份、黔江 23 份),上部叶样品123 份(灵宝 20 份、襄城 21 份、桂阳 21 份、邵武21 份、麒麟 19 份、黔江 21 份)。每份烤烟样品 2040 片,在进行外观评价前置于温度(222)、相对湿度(70%5%)的环境中平衡水分。1.2 实验方法1.2.1 样品制备 按照颜色(划分为微带青、轻度挂灰、柠檬黄、柠檬黄至浅橘黄、浅橘黄、深橘黄 6 个类型)、柔软度(划分为柔软、较柔软、较硬脆 3 个类型)、油润感(划分为强
9、、较强、一般 3 个类型)、身份(划分为中等、稍薄、稍厚 3 个类型)、叶片结构(划分为疏松、尚疏松、稍密 3 个类型)、成熟度(划分为高度成熟、成熟、尚熟 3 个类型)、叶位(划分为下二棚、腰叶、上二棚厚叶、上二棚薄叶 4 个类型)分别准备不同产区不同外观特征的烟叶样品,样品等级包括 C1F、C2F、C3F、C3L、B1F、B2F,在制备某一外观特征不同等级样品时,尽量保证其他外观特征一致,单个样品在产区初选 100 片左右,平衡水分后于标准条件下复选 2040 片作为代表性样品。1.2.2 外观特征评价参考文献1中外观特征评价指标体系,选取颜色(X1)、颜色纯正度(X2)、含青程度(X3)
10、、含杂程度(X4)、成熟度(X5)、叶片结构(X6)、光泽度(X7)、柔软度(X8)、油润感(X9)、身份(X10)作为样品外观特征评价指标。颜色(X1)赋值越高,颜色越深;身份(X10)分值 5.0 为中等,分值越高,烟叶越厚,分值越低,烟叶越薄,颜色和身份两项外观特征的分值仅为标度,并不代表质量档次的高低,其余外观指标分值越高,质量档次越高。样品外观特征量化赋分方法见表 1。外观评价小组由 5位分级专家组成,参照表 1 采用 10 分制对样品进行外观特征评价,取专家评价分值的平均值作为各烟叶样品的各项外观指标分值。1.2.3 感官品质评价 以香气质(A)、香气量(B)、杂气(C)、刺激性(
11、D)、干燥感(E)、回甜(F)、浓度(G)、细腻程度(H)作为样品感官品质评价指标,分值越高,表明样品质量档次越高。由河南中烟工业有限责任公司技术中心组织 9 位专家采用 9 分制进行感官品质评价,取评价分值的平均值作为各项指标分值。参考文献1中,中部与上部烤烟样品感官品质侧重的分项指标有所不同,因此采用不同的分项指标和权重计算中、上部样品感官评价总得分,中部叶感官品质总得分 Y中部=(0.25A+0.25B+0.15C+0.1D+0.05E+0.15F+0.05H)11.1,上部叶感官品质总得分 Y上部=(0.25A+0.25B+0.15C+0.05D+0.05E+0.15F+0.05G+0
12、.05H)11.1。1.3 数据处理与分析采用 R 4.0.2 进行描述统计、Spearman 相关分析、偏最小二乘法回归分析,通过 Shapiro-Wilk 进行正态性检验。将 10 项外观特征指标作为自变量,9项感官品质指标作为因变量,为消除量纲不同产生19 2023 年 8 月 第 38 卷 第 4 期 表 1 样品外观特征量化赋分方法Table 1 Quantitative assignment method for appearance characteristics of flue-cured tobacco samples指标档次分值 指标档次分值 X1X2X3X4X5正黄24金
13、黄46深黄68红棕810正黄69金黄、深黄710红棕58微带青38杂色06无810轻微(隐含)58有(V)35较重(G)03无810轻微(隐含)58有(20%内)35较重03完熟108成熟710尚熟47欠熟04X6X7X8X9X10疏松710尚疏松47稍密24紧密02鲜亮810较鲜亮58较暗35暗03柔软810较柔软58较硬脆35硬脆03强(多)810较强(有)58一般(稍有)35弱(少)03厚810稍厚68中等46稍薄24薄02的影响,将原始数据中心化和标准化后进行偏最小二乘回归,首次回归将主成分个数设置为自变量总个数,采用留一法交叉验证,计算预测误差平方根(RMSEP),依据一倍标准差法1
14、5选择模型中需要保留的成分数。2 结果与分析2.1 烤烟外观特征指标与感官品质指标的描述统计 烤烟外观特征及感官品质指标描述统计及正态性检验结果见表 2。由于外观特征与感官品质评分的量纲不同,故采用变异系数比较指标间的相对离散程度。由表 2 可知,外观特征变异系数普遍高于感官品质指标的变异系数,表明外观特征的评价得分相对比较离散,而感官品质的评价得分相对比较集中。正态性检验结果表明,中部叶样品感官品质指标中刺激性和浓度分值服从正态分布,其他感官品质和外观特征指标不服从正态分布;上部叶外观特征中的油润感及感官品质指标中的香气质、香气量、刺激性、干燥感、回甜、细腻程度和总体感官品质的分值服从正态分
15、布,其他指标不服从正态分布。外 表 2 烤烟外观特征指标与感官品质指标的描述统计Table 2 Descriptive analysis of appearance characteristic and sensory quality indexes指标中部(n=142)均值 标准差 偏度峰度变异系数/%正态性检验WP上部(n=123)均值 标准差偏度峰度变异系数/%正态性检验WPX15.040.66-0.270.8713.180.964.3810-45.680.88-0.400.1315.540.969.0210-4X28.020.75-2.245.929.400.75 3.7510-148
16、.030.85-2.275.4010.530.725.9810-14X38.400.88-3.38 13.1410.440.61 9.0010-188.480.96-3.2010.8211.380.607.2510-17X48.350.94-3.27 11.4411.300.59 3.5710-188.251.01-2.918.6812.270.622.2710-16X57.860.74-1.642.539.380.82 5.3310-127.980.83-1.301.4510.400.863.1410-9X67.710.82-1.371.6710.590.86 2.9910-105.611.
17、18-0.59-0.5721.070.921.2210-6X76.320.90-0.070.3514.210.980.036.100.930.040.0215.260.980.03X86.251.150.08-0.25 18.410.978.4810-35.881.120.06-0.5919.080.980.03X95.871.01-0.42-0.10 17.170.976.9910-36.040.94-9.3410-5-3.710-315.640.980.14X104.880.84-0.030.5217.240.961.4210-46.610.640.210.259.690.970.01A6
18、.180.18-0.611.222.940.980.016.210.160.13-0.482.640.990.66B6.090.17-0.771.652.770.971.8810-36.250.16-0.09-0.682.480.990.21C6.010.18-0.681.332.990.973.9110-36.010.15-1.205.862.530.923.2310-6D6.110.14-0.24-0.252.320.990.336.050.10-0.19-0.051.650.990.48E6.050.15-0.39-0.012.450.980.026.000.110.18-0.641.8
19、60.980.13F6.140.19-0.460.313.060.980.036.130.15-0.04-0.652.460.990.44G6.100.16-0.180.542.620.990.706.320.14-0.58-0.272.170.962.1810-3H6.170.16-0.27-0.642.570.980.016.080.100.250.051.700.990.40Y67.841.69-0.801.422.490.969.9210-468.361.36-0.03-0.802.000.980.12 注:正态性检验的 P0.05 表明该组数据分布服从正态分布。29 张子颖,等:基于
20、偏最小二乘回归的烤烟感官品质关键外观特征指标筛选观特征指标中仅上部叶样品油润感分值服从正态分布,其他外观特征指标分值均未通过正态性检验,多数烤烟外观指标间存在高度相关性16-17,若采用逐步回归法则会剔除部分自变量,且剔除依据带有主观性18,因此采用 Spearman 相关、偏最小二乘回归法对样品外观和感官品质间的关系进行分析。2.2 烤烟外观特征指标与感官品质指标间的相关性分析 中部叶外观特征指标与感官品质指标间的相关性分析结果见图 1,其中.表示达到 10%显著水平;表示达到 5%显著水平;表示达到 1%极显著水平;表示达到 0.1%极显著水平;图中左下方为一元线性拟合曲线,对角线为频数统
21、计直方图,右上方为Spearman 相关系数,下同。由图 1 可知:1)中部叶烤烟颜色深浅分值与香气质、香气量、浓度、中部叶总体感官品质在 0.1%水平显著正相关,与杂气在5%水平显著正相关;2)颜色纯正度分值与香气质、香气量、杂气、干燥感、回甜、总体感官品质在 0.1%水平显著正相关,与浓度在 1%水平显著正相关;3)含青程度分值与香气质、香气量、浓度、总体感官品质在 0.1%水平显著正相关,与杂气、干燥感分别在1%和 5%水平显著正相关;4)含杂程度分值与香气 图 1 中部叶外观特征指标与感官品质指标的相关性Fig.1 Correlation between appearance char
22、acteristic and sensory quality indexes of middle flue-cured tobacco leaves39 2023 年 8 月 第 38 卷 第 4 期质、香气量、杂气、干燥感、回甜、总体感官品质在0.1%水平显著正相关,与刺激性、浓度分别在 1%和5%水平显著正相关;5)成熟度分值与刺激性、细腻程度在 5%水平显著正相关,与其他感官指标均在0.1%水平显著正相关;6)叶片结构分值与除浓度外的其他感官指标均在 0.1%水平显著正相关;7)光泽度分值与刺激性、细腻程度在 1%水平显著正相关,与浓度在 5%水平显著正相关,与其他感官指标均在 0.1%
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