基于主成分分析法的番茄內(nèi)在品質評價指標的選擇

岳 冬，魯 博，劉 娜，朱為民，郭世榮

（1上海市農(nóng)業(yè)科學院園藝研究所，上海市設施園藝技術重點實驗室，上海 201403；

2南京農(nóng)業(yè)大學園藝學院，南京 210095；3上海市農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)科技信息研究所，上海 201403）

基于主成分分析法的番茄內(nèi)在品質評價指標的選擇

岳 冬1，2，魯 博3，劉 娜1*，朱為民1，郭世榮2

（1上海市農(nóng)業(yè)科學院園藝研究所，上海市設施園藝技術重點實驗室，上海 201403；

2南京農(nóng)業(yè)大學園藝學院，南京 210095；3上海市農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)科技信息研究所，上海 201403）

比較了櫻桃番茄和普通番茄果實內(nèi)在品質的差異，并運用主成分分析法對不同性狀的櫻桃番茄和普通番茄各9個品種的可溶性糖、可滴定酸、可溶性固形物、糖酸比、番茄紅素、維生素C等6個果實相關品質指標進行了測定。結果表明：番茄紅素、維生素C、可溶性固形物和可滴定酸4個主成分的累計貢獻率為86.718%，決定第一主成分大小的關鍵為番茄紅素、維生素C和可溶性固形物；決定第二主成分大小的重點為可滴定酸。

番茄；主成分分析；內(nèi)在品質

番茄（Solɑnum lycopersicum L.）由于其果實色澤鮮美、口感甜酸可口，又具有較高的營養(yǎng)價值，被人們稱為“蔬菜中的水果”，在各國的蔬菜作物種植中占有很大的比例，是全球最主要的蔬菜栽培作物之一。番茄果實里的可溶性固形物、可溶性糖、可滴定酸、維生素C和番茄紅素含量是影響番茄果實風味和口感、衡量番茄風味品質的重要因素［1-2］。在番茄進行優(yōu)良品種的選育以及栽培實踐過程中，對果實的品質進行評價是一個十分重要的步驟。但番茄果實內(nèi)在品質的評價因子較復雜且主次難分，為保證整體客觀地研究番茄果實品質，往往需要同時分析很多個觀察因素，多因子的觀察方法雖然能夠獲得大量的數(shù)據(jù)信息，但也會導致數(shù)據(jù)的收集與分析工作變得更加繁瑣，因而對番茄果實的品質評價指標進行簡化分析變得很有必要。主成分分析法是從多數(shù)指標彼此的互相關聯(lián)處著手，采用降維的邏輯，使復雜的多數(shù)指標簡化為較少的幾個相互無關聯(lián)的綜合因子的統(tǒng)計方式?？紤]到主成分是一個綜合的變量，并且各個變量之間是獨立的，因此采用主成分值作為決定因素，能夠比較精確地掌握各個因素的綜合性表現(xiàn)，對科研工作將會產(chǎn)生一定的理論及現(xiàn)實意義。近年來，利用隸屬函數(shù)和主成分分析法對花生、小麥、蜜橘、獼猴桃、蘋果等作物果實品質進行分析已有許多報道［3-7］。目前，關于番茄種質的品質性狀遺傳多樣性、品質性狀分析鑒定和評價方法等方面已開展了一些研究，但是大多針對普通番茄或櫻桃番茄進行單獨分析，而將二者進行綜合評價的報道還很少見［8-10］。

本研究采用主成分分析法，通過對比櫻桃番茄和普通番茄果實的可溶性固形物、可溶性糖、可滴定酸、維生素C及番茄紅素的含量等內(nèi)在品質相關指標，綜合分析比較不同品種番茄果實內(nèi)在品質因素，以期明確各品種番茄的內(nèi)在品質特性，簡化內(nèi)在品質的評價指標，確定番茄果實風味的決定因子，建立更加合理有效的判決系統(tǒng)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試材料為上海市農(nóng)業(yè)科學院番茄課題組篩選出的綜合性狀較好的櫻桃番茄品種（YT-1—YT-9）和普通番茄品種（PT-1—PT-9）各9個品種。各品種番茄果實特征性狀見表1。

試驗于2013年7—12月在上海市設施園藝重點實驗室和莊行試驗基地進行。隨機區(qū)組設計，雙行區(qū)，行株距60 cm×40 cm，小區(qū)面積9.2 m2。待果實轉紅后，選取同一成熟期的果實進行試驗，3次重復。

表1 櫻桃番茄和普通番茄各9個品種的綜合性狀Table 1 Comprehensive characters of 9 cherry tomato varieties and 9 common tomato varieties

1.2 儀器設備

835-50型氨基酸自動分析儀，日本日立公司；GZX-9246MBE電熱鼓風干燥機，上海博迅公司；HK-188多功能粉碎機，廣州旭朗公司；SK8200HP超聲波清洗器，上?？茖Ч?；101042真空干燥器，上海實維公司。

1.3 品質相關指標測定

番茄果實可溶性固形物含量利用數(shù)字折射計直接測定［11］?？扇苄蕴呛坎捎幂焱壬y定［12］；稱取剪碎的鮮樣0.5 g，放到離心管內(nèi)，加15 mL蒸餾水，放入沸水里煮20 min，冷卻，濾入100 mL的容量瓶內(nèi)，蒸餾水將殘渣多次沖洗，定容到刻度線，快速搖動混勻后，沸水再煮10 min，迅速冷卻，測定620 nm波長下的吸光值。

可滴定酸含量采用微量堿式滴定法測定［13］。稱取5 g鮮樣放到研缽內(nèi)，加入少量的石英砂研磨成勻漿，蒸餾水多次沖洗入50 mL的三角瓶里，加蒸餾水到30 m L附近，放入80℃恒溫水浴鍋內(nèi)浸提30 min。每5 min搖晃1次，時間到后迅速冷卻，過濾，將濾液和沖洗殘渣得到的濾液混合，定容到50 mL，搖勻，取15 mL離心管3只，分別裝入樣品提取液10 mL，3滴1%酚酞，用0.1 mol/L NaOH滴定，直至出現(xiàn)微紅色，且搖晃1 min不褪色則是滴定的終點，同時記下堿液消耗的體積。

維生素C含量采用紫外分光光度法測定［14］。準確稱量10 g樣品，放入研缽內(nèi)加2%草酸溶液約5 mL磨碎，利用漏斗把研磨后的樣品轉移到一個100 mL的容量瓶里，用2%草酸溶液多次清洗研缽，接著把洗液倒進此容量瓶內(nèi)，然后用2%草酸溶液定容至刻度線，過濾，提取10 m L濾液放入蒸發(fā)皿里，使用配制好的2，6-二氯酚靛酚溶液滴定直到溶液出現(xiàn)粉紅色，且30 s之內(nèi)不會褪色為終點，此時記錄染料消耗的體積，重復3次，取其均值。

番茄紅素含量采用萃取比色法測定［15］。將番茄鮮樣水洗后勻漿，精確稱量3 g番茄漿樣，倒入2 mL無水乙醇，攪拌均勻后，3 000 r/min離心脫水處理10 min，除去上清液，用20 mL丙酮∶石油醚（1∶1）試劑在陰暗條件下將濾渣浸提處理2 h，間隔20 min進行一次攪拌，過濾，然后將濾液移入分液漏斗內(nèi)，使用去離子水清洗3次，棄去丙酮，測定上層有機相的總體積，精確地將1 mL提取液轉移到10 mL棕色容量瓶內(nèi)，以石油醚定容搖勻。使用1 cm的比色皿，以石油醚作為對照溶劑，在502 nm波長下測量吸光值。

1.4 數(shù)據(jù)分析

所有數(shù)據(jù)采用SPSS軟件進行統(tǒng)計分析。以樣本的相關矩陣為起點，對表1列出的6個相關性狀因素進行主成分分析，依照性狀的累積方差貢獻率超過85%這一數(shù)值，來明確主成分的個數(shù)。根據(jù)每個性狀的相關矩陣之特征向量，分別計算出各個主成分的函數(shù)表達式，然后依據(jù)算得的主要主成分數(shù)值，對供試材料進行篩選分析。

2 結果與分析

2.1 不同品種番茄果實品質分析

由表2可知，所有櫻桃番茄品種的可溶性固形物含量都比普通品種高，其均值比普通番茄高出48%；9個櫻桃番茄品種可溶性糖的平均含量比普通番茄高34.08%，而可滴定酸的平均含量比普通番茄低10%，糖酸比高出46.10%，維生素C的平均含量比普通番茄高84.59%，番茄紅素的平均含量比普通番茄高76.30%。所測指標基本反應了不同品種番茄果實基本指標，各品種果實品質指標簡單相互關系在表中可以得到體現(xiàn)。然而，不同品種番茄果實品質在表中難以體現(xiàn)，因此，需要對其進行綜合評價。

表2 不同品種番茄果實品質分析Table 2 Analysis of fruit quality of different tomato varieties

2.2 番茄果實品質評價因素主成分分析

主成分的特征值及方差貢獻率是確定主成分的重要參考。將表2中的全部數(shù)據(jù)經(jīng)隸屬函數(shù)轉化后進行主成分分析（表3），結果表明：第1個主成分的特征值是3.985，方差貢獻率達65.971%，代表了全部指標信息的65.971%；第2個主成分的特征值是1.245，方差貢獻率是20.747%，包含了整體指標信息的20.747%。前2個主成分（特征根＞0.9）的方差貢獻率累計達到86.718%，即這2個主成分所含信息占總體信息的86.718%，完全符合分析要求。按主成分分析理論，若前r個主成分的累計貢獻率超過85%，則這r個主成分能反映足夠的信息［6］。因此，可以選擇前2個主成分來代表番茄果實性狀篩選的綜合因素。

主成分分析是將原始的變量進行正規(guī)化的線性組合，主成分里每個性狀載荷值的大小分別呈現(xiàn)了每個性狀在主成分中的重要性。依照每個性狀的相關矩陣的特征向量（表4），分別得到前2個主成分的函數(shù)表達式，如下：

表3 SPSS主成分分析得到的特征值Table 3 Eigenvalues obtained by principal com ponent analysis of SPSS

表4 SPSS主成分分析得到的特征向量Table 4 Feature vectors obtained by principal com ponent analysis of SPSS

由表4及函數(shù)關系式可見，在第1主成分Y1里，可溶性固形物X1、可溶性糖X2、糖酸比X4、維生素C X5、番茄紅素X6都有比較大的正系數(shù)值，其中載荷值最大的是X6，然后是X5、X1；X3的系數(shù)值為負值，但其絕對值比較小，表明第1主成分主要反映了番茄果實的番茄紅素、維生素C和可溶性固形物的品質特性。

在第2主成分Y2中，可滴定酸X3、可溶性固形物X1以及番茄紅素X6這3個性狀的系數(shù)值比較大，其中尤以X3的載荷值最大，而糖酸比X4有相對較大的負系數(shù)值。第2主成分相對較大時，可滴定酸、可溶性固形物及番茄紅素理所當然非常高，而糖酸比的數(shù)值則相應下降，所以第2主成分可看作是以可滴定酸含量為主的果實的內(nèi)在品質。

通過主成分的方差貢獻率以及原始的性狀相關矩陣的特征向量分析，可以明確：可溶性固形物、可滴定酸、番茄紅素、維生素C是影響番茄果實品質的主要因素。

把上述選定的第1、第2主成分的方差貢獻率ɑ1（65.971%）、ɑ2（20.747%）當成權數(shù)，建立綜合評價的標準：F＝ɑ1Y1＋ɑ2Y2，即F＝0.65971Y1＋0.20747Y2。

F為綜合評價指標，應用該模型并結合表2數(shù)據(jù)，計算出不同品種番茄果實的品質綜合評價F值。根據(jù)表5可見，9個櫻桃番茄品種中YT-5的F值最高，9個普通番茄品種中PT-3的F值最高，且YT-5的F值在18個供試材料中最高，這與表2得出的結論基本一致。

表5 不同品種番茄果實的品質綜合評價變量及F值Table 5 Comprehensive quality evaluation variables and F value of tomato fruit of different varieties

3 討論

近年來，主成分分析法在作物品種分類和育種材料篩選中的應用范圍逐步擴大［16］。張靜等［10］在對櫻桃番茄主要品質性狀進行主成分析研究中將12個品質性狀綜合為5個主成分因子，其累積貢獻率達80.234%以上。張傳偉等［17］對不同品種番茄的營養(yǎng)品質進行了綜合分析與鑒定。王曉靜等［9］依據(jù)因子貢獻率的大小篩選出果形因子、硬度因子、風味因子和營養(yǎng)因子等來綜合評定番茄品質，用于番茄品質的快速鑒定。

本研究以18個不同品種番茄果實作樣品，分析了櫻桃番茄和普通番茄果實內(nèi)在品質數(shù)據(jù)，明確了番茄果實的2個主成分函數(shù)式，依照主成分函數(shù)式得到的主成分數(shù)值，可用于評價番茄果實的綜合性狀。從番茄6個品質因子中提取出4個主成分，決定第一主成分大小的重點有番茄紅素、維生素C和可溶性固形物；決定第2主成分大小的重點有可滴定酸。這4個主成分累積百分率達86.718%，可把番茄果實品質86.718%的信息清楚地表達，所以選擇前4個主成分來代表番茄果實品質的綜合評價因素，基本保留了原始數(shù)據(jù)的信息。本試驗表明，番茄果實品質的評價能夠從6個指標縮減至4個，即可溶性固形物、番茄紅素、維生素C、可滴定酸這4個指標可作為番茄果實品質評價的因子。

利用主成分分析法獲得的結果比人工打分選優(yōu)更為快捷，且更具有科學性，不僅可以了解品種的綜合性狀表型，也可以優(yōu)化篩選流程。雖然單項因素同樣能夠基礎地評價番茄品質，但這種方法具有片面性，易導致錯誤的結論。例如，試驗材料中，可溶性固形物含量較高的品種，并不能說明其品質一定較其他品種更好，因為糖酸比相對比較低，真實口感偏淡，風味口感并不好。通過主成分分析法，可以更加合理便捷地篩選綜合品質較好的番茄品種，對進一步的栽培育種起到指導作用，避免選種不當造成不必要的經(jīng)濟損失。

［1］王玥.不同溫度、包裝及擠壓處理對采后番茄品質的影響［D］.天津：天津大學，2010.

［2］WANG F，DU T S，QIU R J.Effects ofwater stress at different growth stage on greenhousemultiple-trusses tomato yield and quality［C］//New Technology of Agricultural Engineering.International Conference on IEEE，2011：282-287.

［3］殷冬梅，張幸果，王允，等.花生主要品質性狀的主成分分析與綜合評價［J］.植物遺傳資源學報，2011，12（4）：507-512，518.

［4］薛香，郜慶爐，楊忠強.小麥品質性狀的主成分分析［J］.中國農(nóng)學通報，2011，27（7）：38-41.

［5］倪志華，張思思，辜青青，等.基于多元統(tǒng)計法的南豐蜜橘品質評價指標的選擇［J］.果樹學報，2011，28（5）：981-923.

［6］劉科鵬，黃春輝，冷建華，等.‘金魁’獼猴桃果實品質的主成分分析與綜合評價［J］.果樹學報，2012，29（5）：867-871.

［7］公麗艷，孟憲軍，劉乃僑，等.基于主成分與聚類分析的蘋果加工品質評價［J］.農(nóng)業(yè)工程學報，2014，30（13）：276-285.

［8］孫亞東.番茄（Solɑnum lycopersicum.L）種質資源主要性狀多元統(tǒng)計分析［D］.楊凌：西北農(nóng)林科技大學，2009.

［9］王曉靜，梁燕，徐加新，等.番茄品質性狀的多元統(tǒng)計分析［J］.西北農(nóng)業(yè)學報，2010，19（9）：103-108.

［10］張靜，常培培，梁燕，等.櫻桃番茄主要品質性狀的主成分分析與綜合評價［J］.北方園藝，2014（21）：1-7.

［11］張憲政，陳風玉，王榮富.植物生理學實驗技術［M］.沈陽：遼寧科學技術出版社，1994：144-151.

［12］李合生，陳翠蓮，洪玉枝，等.植物生理生化實驗原理和技術［M］.北京：高等教育出版社，2000：121-133.

［13］郝建軍，劉延吉.植物生理學實驗技術［M］.沈陽：遼寧科學技術出版社，2001：144-151.

［14］譚延華.紫外分光光度法測定還原型維生素C［J］.藥物分析，1992，11（1）：28.

［15］呂鑫，侯麗霞，張曉明，等.番茄果實成熟過程中番茄紅素含量的變化［J］.中國蔬菜，2009（6）：21-24.

［16］李曉芬，尚慶茂，張志剛，等.多元統(tǒng)計分析方法在辣椒品種耐鹽性評價中的應用［J］.園藝學報，2008，35（3）：351-356.

［17］張傳偉，宋述堯，趙春波，等.不同品種番茄營養(yǎng)品質分析與評價［J］.中國蔬菜，2011（18）：68-73.

（責任編輯：閆其濤）

Selection of internal quality evaluation index of tomato based on principalcom ponent analysis

In this paper，the differences of the quality of cherry tomato and common tomato were compared. Also，principal component analysismethod was used to determinate the different traits of9 cherry tomato varieties and 9 common tomato varieties of 6 fruit quality indicators including soluble sugars，titratable acid，soluble solids，vitamin C，lycopene and so on.The results showed that the cumulative contribution rate of lycopene，vitamin C，soluble solids and titratable acid account for 86.718%.Lycopene，vitamin C and soluble solids determined the size of the first principal component，and titratable acid determined the size of the second principal component.

Tomato；Principal component analysis；Internal quality

S641.2

A

1000-3924（2017）01-088-05

2015-09-06

上海市科技支撐項目（13391901203）；上海市市級農(nóng)口系統(tǒng)青年人才成長計劃［滬農(nóng)青字（2016）第1-23號］

岳冬（1992—），女，在讀碩士，研究方向：設施園藝與無土栽培。E-mail：995861876＠qq.com

*通信作者，E-mail：yyliuna＠163.com

YUE Dong1，2，LU Bo3，LIU Na1*，ZHUWei-min1，GUO Shi-rong2

（1Horticulturɑl Reseɑrch Institute，Shɑnghɑi Acɑdemy of Agriculturɑl Sciences；Shɑnghɑi Key Lɑborɑtory of Protected Horticulturɑl Technology，Shɑnghɑi201403，Chinɑ；2College of Horticulture，Nɑnjing Agriculturɑl University，Nɑnjing 210095，Chinɑ；3Agriculturɑl Informɑtion Institute of Scienceɑnd Technology，Shɑnghɑi Acɑdemy of Agriculturɑl Sciences，Shɑnghɑi201403，Chinɑ）