基于灰色關(guān)聯(lián)度和主成分分析法的桑葚品質(zhì)綜合評價體系構(gòu)建

楊 璐，盧曉麗，程 平，波塔·巴合提汗

(新疆林業(yè)科學(xué)院，烏魯木齊830054)

基于灰色關(guān)聯(lián)度和主成分分析法的桑葚品質(zhì)綜合評價體系構(gòu)建

楊 璐，盧曉麗，程 平，波塔·巴合提汗

(新疆林業(yè)科學(xué)院，烏魯木齊830054)

【目的】研究桑葚主要化學(xué)指標(biāo)之間的相互關(guān)系，建立科學(xué)的化學(xué)指標(biāo)分級標(biāo)準(zhǔn)，確立代表性化學(xué)指標(biāo)，為桑葚化學(xué)品質(zhì)評價奠定基礎(chǔ)?！痉椒ā恳?3個品種的果實為試材，測定總多酚、總多糖等化學(xué)指標(biāo)，利用相關(guān)分析探索指標(biāo)間的相互關(guān)系，利用主成分分析、聚類分析、灰色關(guān)聯(lián)度分析確定代表性化學(xué)指標(biāo)?！窘Y(jié)果】可溶性固形物、總黃酮、總酸、總多糖、VC、總多酚含量5項為桑葚品質(zhì)評價的代表性指標(biāo)?！窘Y(jié)論】綜合運用主成分分析、聚類分析、相關(guān)性分析和灰色關(guān)聯(lián)度分析可以簡化桑葚品質(zhì)評價指標(biāo)。

桑葚;品質(zhì)評價;主成分分析;相關(guān)性分析;聚類分析;灰色關(guān)聯(lián)度分析

0 引言

【研究意義】桑葚Fructus Mori是?？粕俣嗄晟颈局参锷涞墓麑崳诠糯姸嘀嗅t(yī)名著中均有記載［1］。桑葚中含有多種功能性成分如蘆丁、花青素、蘋果酸、黃酮、多種維生素等，具有良好的防癌、抗衰老、抗?jié)?、抗病毒等作用?］?；瘜W(xué)品質(zhì)評價對桑葚的品質(zhì)評價有重要意義，研究桑葚化學(xué)指標(biāo)并對其進(jìn)行進(jìn)行綜合評估，對果用桑葚的選育及品質(zhì)評價有實際意義?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】李升鋒［3］等測定分析了不同果桑品種桑葚的糖酸組成:糖類主要為果糖和葡萄糖，不含有蔗糖;含量較高的3種有機(jī)酸為檸檬酸、蘋果酸和琥珀酸。王振江［4］等分析了25個桑品種桑葚的抗氧化能力與花色苷含量的相關(guān)性，結(jié)果表明，桑葚的總抗氧化能力和清除DPPH自由基能力與其花色苷含量之間呈極顯著正相關(guān)，即桑葚的抗氧化能力與花色苷含量密切相關(guān)。施煥香［5－7］等對桑葚果進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)桑葚果中含水量約為80%～85%，還含有0.91%的粗纖維、0.38%的蛋白質(zhì)、9.19%的轉(zhuǎn)化糖、1.86%游離酸、10.053%的VB、1.02%的VC、蘆丁、花青素、蘋果酸、黃酮、多種維生素、揮發(fā)油、礦物質(zhì)及多種微量元素。吳繼軍［8－10］等的研究表明桑葚汁發(fā)酵進(jìn)程中各營養(yǎng)成分含量有所變化。其中蛋白質(zhì)、氨基酸、維生素含量、花青素含量均下降，總酸有一定程度升高，脯氨酸含量有明顯升高。因此，對桑葚的開發(fā)利用高度關(guān)注，特別是食品研究方面，通過研究，桑葚被加工成桑果醋、桑葚保健酸奶、桑葚果酒、桑葚茶等多種飲品，得到了眾多消費者的青睞。對于醫(yī)藥工業(yè)方面，桑葚常作為中藥材被廣泛使用，除此之外，桑葚還被制成桑葚膏、桑葚沖劑等［11］?！颈狙芯壳腥朦c】桑葚品種眾多，對于品種的優(yōu)化研究相關(guān)文獻(xiàn)較缺乏，未來研究中需要對桑葚品種之間的差異性進(jìn)行更詳細(xì)的分析。研究在對13種桑葚果實化學(xué)指標(biāo)的檢測基礎(chǔ)上，通過相關(guān)性分析探索桑葚中化學(xué)指標(biāo)間的相互關(guān)系、利用主成分分析、聚類分析和灰色關(guān)聯(lián)度分析確立桑葚化學(xué)品質(zhì)的代表性指標(biāo)。通過對各指標(biāo)之間的關(guān)聯(lián)，作為桑葚品質(zhì)評價的依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 桑葚品種供試品種均于2015年5月采自新疆吐魯番地區(qū)亞爾鄉(xiāng)，環(huán)境條件基本一致，管理水平一般。采集13個桑葚品種的成熟果實各1～2 kg，樣品采集當(dāng)天立刻進(jìn)行處理。表1

表113 種桑葚基本情況Table1 Information of 13 varieties of mulberry fruit

1.1.2 試劑與儀器

標(biāo)準(zhǔn)品:蘆丁、沒食子酸、抗壞血酸、山梨酸、蘋果酸、檸檬酸、葡萄糖，實驗所用試劑均為分析純。

ICS－2100離子色譜儀(美國戴安)、高容量陰離子交換柱、UV2600紫外分光光度計(日本島津)、PB－10 pH酸度計(丹佛儀器有限公司)、MULTIFUGEXIR臺式低溫高速離心機(jī)(美國賽默飛世爾)、TW20恒溫水浴鍋(德國julabo)、TP－214萬分之一天平(瑞士賽多利斯)、LB32T阿貝折射儀、B－400樣品勻質(zhì)機(jī)(瑞士步琪)、Mili－QIntegral 3超純水儀(美國MILLI

PORE)

1.2 方法

1.2.1 離子色譜

參照國家標(biāo)準(zhǔn)NY/T2277－2012，柱溫30℃，進(jìn)樣量25 L，流動相:以氫氧化鉀作為淋洗液，流速:1.0 mL/min。

1.2.2 總多糖及各組分測定

總多糖、總黃酮參照張帆［12］的方法，總多酚參照劉順航［13］的方法，紅色素參照唐迪［14］紅色素的測定方法，總酸的測定方法參照GB/ T12456－2008，VC的測定方法參照GB/T5009.86－2003。

1.2.3 可溶性固形物測定及其他化學(xué)指標(biāo)測定

采用折射儀進(jìn)行可溶性固形物測定，用pH計測定桑葚的pH值，用離子色譜測定桑葚的山梨酸、蘋果酸、檸檬酸。并計算糖酸比與固酸比。

1.2.4 評價指標(biāo)的篩選

應(yīng)用主成分分析，從累計方差貢獻(xiàn)率確定核心評價因子的選擇個數(shù)，然后根據(jù)主成分載

荷矩陣和聚類分析法選擇核心評價指標(biāo)。

1.2.5 評判方法

1.2.5.1 構(gòu)建理想品種

根據(jù)灰色系統(tǒng)理論，灰色系統(tǒng)的各個元素需要構(gòu)造一個參考品種即參考數(shù)列進(jìn)行比較。依據(jù)試驗結(jié)果確定理想品種各性狀比較理想的值。

1.2.5.2 數(shù)據(jù)的無量綱化處理

由于系統(tǒng)中各因素的量綱不一樣，所以對原始數(shù)據(jù)需要消除量綱，轉(zhuǎn)換為可以比較的數(shù)據(jù)序列。

1.3 數(shù)據(jù)處理

化學(xué)指標(biāo)數(shù)據(jù)采用Excel 2007;相關(guān)性分析、主成分分析、聚類分析、灰色關(guān)聯(lián)度分析采用SPSS 19.0軟件進(jìn)行處理［15］。

2 結(jié)果與分析

2.1 化學(xué)指標(biāo)相互關(guān)系

研究表明，pH值與紅色素色價、總黃酮、總酸、總多糖、蘋果酸、檸檬酸呈負(fù)相關(guān)，與其他指標(biāo)呈正相關(guān);可溶性固形物與固酸比、糖酸比、山梨酸、蘋果酸呈正相關(guān)，與其他指標(biāo)呈負(fù)相關(guān);固酸比與糖酸比、總多酚、山梨酸呈正相關(guān)，與其他指標(biāo)呈負(fù)相關(guān);VC與總多酚、總多糖呈正相關(guān)，與其他指標(biāo)呈負(fù)相關(guān);糖酸比與山梨酸蘋果酸呈正相關(guān)，與其他指標(biāo)呈負(fù)相關(guān);總多酚與總多糖、總酸、總黃酮呈正相關(guān)，與其他指標(biāo)呈負(fù)相關(guān)。表2

表213 項化學(xué)指標(biāo)的相關(guān)系數(shù)Table2 Correlation coefficient of 13 physicochemical indices

2.2 主成分分析

通過SPSS19.0軟件對13個品種桑葚果實的13項化學(xué)指標(biāo)的主成分分析結(jié)果顯示，前4個主成分的特征值均大于1，累積方差貢獻(xiàn)率高達(dá)到85.491%，可以代表原始數(shù)據(jù)的大部分信息［16］。依據(jù)數(shù)據(jù)特征，制定指標(biāo)載荷值絕對值大于0.600的選擇標(biāo)準(zhǔn)，第1主成分方差貢獻(xiàn)率為48.094%，與總多糖、總酸、檸檬酸含量表現(xiàn)為較高的正相關(guān)性，與pH值、糖酸比為負(fù)相關(guān)，這些指標(biāo)反應(yīng)了果實風(fēng)味品質(zhì);第2主成分方差貢獻(xiàn)率為16.127%，與山梨酸、蘋果酸為正相關(guān)，與VC、總黃酮為負(fù)相關(guān)，屬于果汁營養(yǎng)成分方面的指標(biāo);第3主成分方差貢獻(xiàn)率為12.776%與蘋果酸、總黃酮為正相關(guān);第4主成分方差貢獻(xiàn)率為8.494%，與總多酚正相關(guān)，可以作為抗氧化成分指標(biāo)。表3

表313 項指標(biāo)的主成分Table3 Principal component analysis of 13indices

2.3 聚類分析

根據(jù)主成分分析結(jié)果進(jìn)行聚類分析，對指標(biāo)聚類結(jié)果與主成分分析結(jié)果進(jìn)行一致性驗證。研究表明，根據(jù)主成分分析結(jié)果，前4個主成分累積方差貢獻(xiàn)率達(dá)到85.491%，所以在聚類時可將13項化學(xué)指標(biāo)聚為3類［17］。以0.88為指標(biāo)類別劃分距離，可將13項指標(biāo)聚為3類，即紅色素色價、總酸、總多糖、檸檬酸先聚一類再與總黃酮、蘋果酸聚為一類，這幾個化學(xué)指標(biāo)之間的相關(guān)性大于其他指標(biāo)，可以劃分為一個相似水平類;VC、總多酚聚為一類，劃分為一個相似水平類;pH值、可溶性固形物、固酸比、糖酸比、山梨酸聚為一類，劃分為一個相似水平類。聚類分析結(jié)果與主成分分析結(jié)果一致。由相關(guān)性分析可知，同一類指標(biāo)相關(guān)性較高，可進(jìn)行簡化，用一個指標(biāo)代替其他指標(biāo)。圖1

圖1 桑葚果實品質(zhì)評價指標(biāo)的聚類結(jié)果Fig.1 The cluster on quality evaluation factor of characters of mulberry fruit

2.4 灰色關(guān)聯(lián)度

2.4.1 構(gòu)建理想指標(biāo)

取總酸、固酸比、糖酸比、VC和總多酚各指標(biāo)測量值中的最大值作為理想品種的參考值。即總酸8.047 mg/g，固酸比16.2，糖酸比0.232，VC 13.993 mg/g，總多酚5.156 mg/g。

2.4.2 數(shù)據(jù)處理［18］和關(guān)聯(lián)系數(shù)計算［19］

通過均值法進(jìn)行無綱量化處理，將各指標(biāo)的測定結(jié)果進(jìn)行分析。通過公式計算出各種品種13種指標(biāo)的關(guān)聯(lián)系數(shù)。表4

根據(jù)各品種的加權(quán)關(guān)聯(lián)度，運用層次分析法得到各指標(biāo)的權(quán)重，通過公式計算出各品種的加權(quán)關(guān)聯(lián)度，關(guān)聯(lián)度越大，則該品種與理想品種各項指標(biāo)的相似程度越高，反之則差異大。8號、3號桑葚的品質(zhì)與理想品種的差距最小，品質(zhì)較好;12號桑葚的品質(zhì)較差。表5

表4 各品種13個品質(zhì)指標(biāo)與參考值的關(guān)聯(lián)系數(shù)Table4 Related coefficients of different tested varieties

表5 各試驗品種加權(quán)關(guān)聯(lián)度Table5 Relational degree of different tested varieties

3 討論

3.1 桑葚果實是一種良好的制汁果源，不同品種存在品質(zhì)差異，此次研究在桑葚品質(zhì)評價中，主成分分析的目的主要是簡化、綜合評價指標(biāo)，聚類分析可描述數(shù)據(jù)，衡量不同數(shù)據(jù)源間的相似性，以及把數(shù)據(jù)源分類到不同的簇中，也就是對品種聚類和相似指標(biāo)聚類［20－22］。在果品中主成分分析和聚類分析代表較前端的發(fā)展趨勢［23］。近些年來，灰色系統(tǒng)理論被廣泛應(yīng)用到品質(zhì)評價領(lǐng)域，通過對各品種的灰色關(guān)聯(lián)度分析對其進(jìn)行綜合評價，能對桑葚的品種優(yōu)劣更進(jìn)一步進(jìn)行較全面的評價［24－26］。

3.2 正確進(jìn)行果實品質(zhì)評價的基礎(chǔ)是確定評價因子，在果品評價過程中，評價因子對果實品質(zhì)評價效果起重要作用。研究中桑葚果實品質(zhì)的評價過程中，采用主成分分析方法，以累計貢獻(xiàn)率的大小決定品質(zhì)組成因子的類別個數(shù)，再采用聚類分析法確定各品質(zhì)間相關(guān)，采用灰色關(guān)聯(lián)度分析法綜合評價理想品種。張海英等［27］為了使桃的品質(zhì)評價工作得以簡化，通過主成分分析法和聚類分析法將桃的10個品質(zhì)指標(biāo)簡化為5個品質(zhì)評價的重要指標(biāo)。徐強(qiáng)等［28］通過對加工類型黃瓜的19個品種中的7個品質(zhì)進(jìn)行主成分分析和聚類分析，發(fā)現(xiàn)可3個主成分因子，主成分的累計貢獻(xiàn)率達(dá)89.81%，將19個品種聚為兩類，讓黃瓜品質(zhì)評價優(yōu)簡化。研究采取同類的分析方法，將桑葚的13個品質(zhì)指標(biāo)簡化為5個，這5項指標(biāo)即為桑葚品質(zhì)評價的代表性指標(biāo)，分別代表風(fēng)味、營養(yǎng)成分、色澤方面的指標(biāo)［29－30］。通過比較各品種與理想品種的差距，得出桑葚果實的綜合排名，為桑葚品質(zhì)評價提供可信度較高的評價指標(biāo)，為桑葚品質(zhì)評價最優(yōu)化奠定基礎(chǔ)［31－33］。

4 結(jié)論

4.1 研究采用數(shù)學(xué)統(tǒng)計方法對桑葚13個品種的化學(xué)指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)性分析、主成分分析、聚類分析和灰色關(guān)聯(lián)度分析，根據(jù)各主成分的特征值和累積方差貢獻(xiàn)率，選取了4個主成分代表主要成分的大部分信息，篩選出5個核心指標(biāo):總酸、固酸比、糖酸比、VC和總多酚各指標(biāo)測量值中的最大值作為理想品種的參考值。即總酸8.047 mg/g，固酸比16.2，糖酸比0.232，VC 13.993 mg/g，總多酚5.156 mg/g。

4.2 利用灰色關(guān)聯(lián)度對13個桑葚品種的5個核心指標(biāo)進(jìn)行綜合評價的結(jié)果表明，2號、3號、8號、6號、9號的品質(zhì)與理想品種的差距最小，8號總酸、固酸比、糖酸比、VC和總多酚等指標(biāo)較高，綜合品質(zhì)最接近理想品種，品質(zhì)最好;12號的品質(zhì)較差。

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Establishing Comprehensive Evaluation System for Mulberry Based on Grey Relational Grade Analysis and Principal Component Analysis

YANG Lu，LU Xiao－li，CHENG Ping，Bota Bahetihan
(Xinjiang Academy of Forestry，Urumqi 830054，China)

【Objective】The aim of this study is to clarify the relations among the main indices of mulberry physicochemical quality in order to establish their scientific grading standards and identify the typical indices of mulberry physicochemical quality.【Method】With 13 varieties of fruit as the tested materials to determine total polyphenol，polysaccharide and other chemical indicators and using principal component analysis，cluster analysis，grey correlation analysis to determine the representative physical and chemical index.【Result】Soluble solids，total flavonoids，total acid，total polysaccharide，vitamin C，total polyphenol content were determined as the five representative indicators for mulberry quality evaluation.【Conclusion】The integrated use of principal component analysis，cluster analysis，correlation analysis and grey correlation analysis can simplify the mulberry quality evaluation index.

mulberry;quality evaluation;principal component analysis;correlation analysis;clustering analysis;grey correlation analysis

Yang Lu(1985－)，female，Urumqi，assistant researcher，MA，phone number:18899161201(09914649261)research: Chemical substances and biological activity of plant resources，(E－mail)lycszx_article@163.com

S663

A

1001－4330(2017)05－0862－09

10.6048/j.issn.1001－4330.2017.05.009

2017－02－24

自治區(qū)公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)經(jīng)費資助項目“新疆桑屬植物藥效成分研究”(KY201521)

楊璐(1985－)，女，新疆烏魯木齊人，助理研究員，碩士，研究方向為植物資源化學(xué)與生物活性物質(zhì)，(E－mail)lycszx_article@ 163.com

Supported by:The basic research funds for public welfare research institutes in the Xinjiang Uygur Autonomous Region"Morus plants efficacy composition research in xinjiang"(KY201521)