基于主成分分析的不同種鮮食葡萄品質(zhì)評價

潘 照 周文化 肖玥惠子

(1. 中南林業(yè)科技大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長沙 410004；2. 糧油深加工與品質(zhì)控制湖南省 協(xié)同創(chuàng)新中心，湖南 長沙 410004；3. 特醫(yī)食品加工湖南省重點實驗室，湖南 長沙 410004)

葡萄(VitisviniferaL.)屬于葡萄科葡萄屬藤本植物，其營養(yǎng)豐富，含有多種活性物質(zhì)[1]，因此被世界人民廣泛食用并得以大面積種植。目前，中國葡萄主要集中于東北中北部、西北部、黃土高原、環(huán)渤海灣、黃河固道、云貴川及南方7個葡萄栽培區(qū)，其中鮮食型葡萄占栽培面積的80%左右，余下的為釀酒型葡萄和干制型葡萄[2]。鮮食型葡萄品種眾多，不同品種葡萄之間生態(tài)適應(yīng)性的差異導(dǎo)致果實在不同的栽培環(huán)境下生長的狀態(tài)不同，外觀色澤、風(fēng)味品種也存在差異，品質(zhì)良莠不齊。目前，中國對葡萄的品質(zhì)評價集中于釀酒葡萄[3]、野生葡萄[4]和單一地區(qū)的鮮食型葡萄[5]，國外也局限于葡萄汁[6-7]及葡萄酒[8]，對于南方鮮食型葡萄的品質(zhì)評價尚不完善，需要建立一個相應(yīng)的品質(zhì)評價體系，用以衡量不同品種葡萄的質(zhì)量。

對鮮食型葡萄品質(zhì)進(jìn)行綜合評價時，要選取多項品質(zhì)指標(biāo)，既要考慮葡萄的外觀風(fēng)味，主要是感官評價；還要考慮到營養(yǎng)價值，如酸含量、可溶性固形物含量等，以保證評價信息的全面性[9]?？紤]到評價指標(biāo)的整體性，傳統(tǒng)的方差分析法具有很大的局限性，因此現(xiàn)研究者多采取主成分分析法(PCA)，該方法旨在將原來的指標(biāo)重新組合成幾組新的綜合指標(biāo)，用較少的指標(biāo)來反映原有的數(shù)值[10]。并且該統(tǒng)計學(xué)方法已廣泛應(yīng)用于藍(lán)莓[11]、草莓[12]、土豆[13]等果蔬的質(zhì)量評價。

本試驗擬選取18個南方鮮食型葡萄品種，對其感官品質(zhì)、營養(yǎng)成分等基本理化指標(biāo)進(jìn)行分析比較，并通過主成分分析法挑選具有代表性的成分因子，對鮮食型葡萄品質(zhì)的差異性進(jìn)行合理評價，以篩選出品質(zhì)最優(yōu)的鮮食葡萄品種。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

1.1.1 試驗材料

鮮食葡萄：湖南省長沙市主栽和售賣的，具體見表1。果實于相應(yīng)的成熟季節(jié)進(jìn)行采集，挑取無腐爛、無病害、外觀大小均勻一致的果實進(jìn)行試驗。將果實在采摘當(dāng)日運(yùn)回中南林業(yè)科技大學(xué)食品學(xué)院A406實驗室，預(yù)冷24 h散去田間熱，供試驗用。

1.1.2 儀器與設(shè)備

手持式折光儀：011型，濟(jì)南科翔實驗儀器有限公司；

電子天平：JY2002型，上海浦春計量儀器有限公司；

色差儀： UltraScan Pro型，美國Hunter Lab公司；

紫外可見分光光度計：BlueStar型，北京LabTech公司；

高速冷凍離心機(jī)：Sorvall LYNX 6000型，美國Thermo Fisher Scientific公司；

水分快速測定儀：JH-H系列型，泰州市宜信得儀器儀表有限公司；

質(zhì)構(gòu)儀：TA-XTPlus型，英國Stable Micro System公司。

表1供試品種介紹Table 1 Introduction of tested varieties

1.2 試驗指標(biāo)與方法

1.2.1 單果重測定 各品種葡萄隨機(jī)挑選20個樣本，用電子天平對單個果實逐一稱重，計算平均值。

1.2.2 果形指數(shù)測定 隨機(jī)選取10顆葡萄果實，使用游標(biāo)卡尺測量其縱徑和橫徑，并計算縱徑和橫徑的比值。

1.2.3 質(zhì)構(gòu)測定 采用質(zhì)構(gòu)儀測定，測試參數(shù)：測前速度5 mm/s，測試速度2 mm/s，測后上行速度2 mm/s，兩次壓縮停頓時間5 s，葡萄果肉受壓變形度25%，觸發(fā)力5 g[14]。

1.2.4 色差測定 選取顏色均勻一致的葡萄，將表皮擦拭干凈，使用標(biāo)準(zhǔn)白板對色差儀進(jìn)行校準(zhǔn)，以果皮上下對稱的2個點為測試點，測定果皮的色澤，記錄L、a、b值，分別代表色澤的明亮程度、紅綠度、黃藍(lán)度，并按式(1)計算飽和度C。

(1)

1.2.5 含水量測定 取3～5 g葡萄，切成1 cm厚的均勻薄片，放入已預(yù)熱的水分快速測定儀中，溫度為105 ℃，待葡萄中水分被完全蒸干后，讀取數(shù)據(jù)。

1.2.6 可溶性固形物含量測定 準(zhǔn)確稱取5 g樣品，在研缽中磨成勻漿后，于4 000 r/min離心15 min，取上層果汁清液，用手持式折光儀測定。

1.2.7 可滴定酸含量測定 采用酸堿滴定法[15]。

1.2.8 感官評價 參照NY/T 1986—2011規(guī)定。選取12位食品專業(yè)人士(男女各半)組成感官評價組，通過觀、聞、品嘗的方式，對不同品種的葡萄進(jìn)行評定，并按表2的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行打分。

1.3 分析方法

1.3.1 主成分分析 對不同樣品的相關(guān)品質(zhì)性狀進(jìn)行主成分分析，依照因子性狀的累計方差貢獻(xiàn)率>85%的原則，確定主成分因子個數(shù)。

表2 鮮食型葡萄感官評分標(biāo)準(zhǔn)Table 2 Sensory evaluation criteria forTable grapes

1.3.2 綜合評分 利用SPSS軟件得到不同樣品的主成分分值Fi，按式(2)計算綜合分值F[15]。

(2)

式中：

F——經(jīng)主成分分析后各品種葡萄品質(zhì)的綜合分值；

Fi——第i個特征值>0.9的主成分分值；

Yi——第i個主成分的方差貢獻(xiàn)率；

C——測定的樣品全部主成分因子的累積方差貢獻(xiàn)率。

1.3.3 數(shù)據(jù)處理 每個指標(biāo)進(jìn)行3次平行試驗，結(jié)果取平均值。使用Microsoft Excel 2016、IBM SPSS Statistics 24.0軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同品種葡萄的基本品質(zhì)性狀

不同品種葡萄品質(zhì)性狀的測定結(jié)果見表3。不同品種葡萄的果形指數(shù)為0.98～1.67，縱徑略大于橫徑，呈現(xiàn)出圓形、橢圓形或長圓形，其中黑提的縱橫比最大，為1.67，紅寶石最小，為0.98，接近于圓形。葡萄果實的單果重為5.38～14.43 g，果實重量差距較大(變異系數(shù)為35.38%)，平均單果重為8.02 g。單果重也間接地反映出果實的大小，紅地球的果實較大，平均果實重14.43 g，珍珠提的相對較小，平均果實重3.76 g。

硬度、彈性和回復(fù)性反映了果實的抗壓能力及形變恢復(fù)能力；黏聚性和內(nèi)聚力反映出果實對第二次壓縮的抵抗能力；硬度、彈性和黏聚性共同構(gòu)成了果實的咀嚼特性；黏度則反映了果實的黏著作用[16-17]。黑提在硬度、彈性、咀嚼性、回復(fù)性和黏度等指標(biāo)中都占據(jù)了最大值，分別為3 956.45，86.36，1 385.38，30.52，1 906.81 g；無核白雞心的黏聚性(-0.32 g·s)和內(nèi)聚力(0.69 g)最大，而硬度、咀嚼性和黏度為最小，為723.31，341.82，414.02 g。在質(zhì)構(gòu)測試的7項指標(biāo)中，各指標(biāo)變異程度不同，硬度的變異系數(shù)達(dá)到了51.18%，差異幅度最大，而彈性表現(xiàn)較一致(變異系數(shù)為3.23%)，這與葡萄果實的大小有著一定的關(guān)系。

果實的色澤是果品品質(zhì)和新鮮度的一個重要指標(biāo)[18]，表現(xiàn)為L、a和b值。根據(jù)Hunter Lab表色系統(tǒng)[19]，L值為亮度，其越大表示果實表面越亮，結(jié)果顯示馬奶的L值最大，為61.96，金手指L值最小，為24.92，變異系數(shù)為28.29%。a為紅綠值，b為黃藍(lán)值，不同品種葡萄果皮顏色各異，不能僅僅通過外表顏色判斷其品質(zhì)，因此選取飽和度C作為評價因子。飽和度代表果實的彩度，值越大表明果實的顏色越純正，不同品種葡萄飽和度差異較大(變異系數(shù)為48.92%)，其中，果實亮度最大的馬奶葡萄顏色也相對最純，C值為24.25。

評價鮮食型葡萄品質(zhì)最重要的是其本身固有的風(fēng)味，糖酸含量是影響風(fēng)味的主要因素。由表3可以看出，魏可中可溶性固形物含量達(dá)到了20.91%，比黃香蜜多了6.19%；可滴定酸含量為0.49%，比最小值高出0.21%。對葡萄這種漿果型水果來說，水分的差異并不明顯，變異系數(shù)僅有3.91%，魏可水分含量最高為83.95%，醉金香最低為73.66%。

感官分析是評價果實新鮮度最直觀的方法，通過人體的視覺、觸覺和味覺來代替機(jī)器的檢測，來確定消費(fèi)者的偏好。從外觀、質(zhì)地和風(fēng)味三方面進(jìn)行打分，結(jié)果見圖1，三方面得分都有少許差異，綜合來看，魏可得分最高，金手指得分最低。

綜上所述，不同品種葡萄品質(zhì)指標(biāo)間信息錯綜復(fù)雜，均呈現(xiàn)出不同程度的差異，如果只對指標(biāo)進(jìn)行單一的比較，很難對果實的品質(zhì)做出全面客觀的評價，因此需要對其品質(zhì)進(jìn)一步綜合分析。

2.2 不同葡萄品種基本品質(zhì)的相關(guān)性分析

研究[20]表明，不同品種葡萄的品質(zhì)性狀之間相互影響，存在著密切的關(guān)系。對14個基本品質(zhì)指標(biāo)和感官指標(biāo)進(jìn)行Pearson相關(guān)性分析，結(jié)果見表4。果形指數(shù)和單果重分別與硬度、彈性、咀嚼性、黏度呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)；硬度、彈性、咀嚼性和黏度兩兩之間均呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，與劉春艷[21]對釀酒葡萄的研究結(jié)果相一致；黏聚性和內(nèi)聚力與之呈負(fù)相關(guān)，相關(guān)性不顯著(P>0.05)，表明葡萄的質(zhì)構(gòu)特性主要是由硬度、彈性、咀嚼性和黏度來反映。可滴定酸、可溶性固形物、水分及風(fēng)味評分呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，說明糖酸含量是影響葡萄口感的主要因素。L值和飽和度反映了果實是否發(fā)生褐變，即果實的新鮮程度，與色澤呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，與質(zhì)地、口感等因素的相關(guān)性并不顯著(P>0.05)。直接利用這些指標(biāo)進(jìn)行果實品質(zhì)的分析，容易導(dǎo)致信息的重疊，從而使分析結(jié)果出現(xiàn)偏差，得不到理想的結(jié)果。因此選擇主成分分析法對指標(biāo)繼續(xù)進(jìn)行分析處理。

表3 18種鮮食型葡萄的基本品質(zhì)指標(biāo)Table 3 The basic quality indicators of 18Table grape varieties

表4 18種鮮食型葡萄基本品質(zhì)的Pearson相關(guān)性分析?Table 4 Pearson correlation analysis on the basic quality of 18Table grape varieties

? *表示在0.05水平上相關(guān)性顯著，**表示在0.01水平上相關(guān)性顯著。

2.3 不同品種葡萄主成分分析

2.3.1 不同品種葡萄主成分因子的確定 主成分分析通過降維將原有的多重變量轉(zhuǎn)換為能綜合體現(xiàn)原有指標(biāo)但彼此不相關(guān)的新指標(biāo)[22]，可以保證在原有信息不缺失的情況下選擇盡可能少的新指標(biāo)。將上述14個基本品質(zhì)指標(biāo)和3個感官評分指標(biāo)共同進(jìn)行主成分分析，通過碎石圖可以直觀地看出各因子的特征值，碎石圖中曲線越陡，表示該主成分包含的原始數(shù)據(jù)信息越多，越平緩則表示包含信息越少[23]。由圖2可以看出，前4個主成分特征值較大(λ>1)，曲線陡峭，從第5個主成分開始，碎石圖曲線趨于平緩。并且由表5可知，共有4個>1的特征值，提取出4個主成分，這4個主成分可解釋的方差百分比分別為42.002%，20.419%，16.716%，9.497%，累積貢獻(xiàn)率為88.634%，即這4個主成分已經(jīng)把不同品種葡萄的基本品種性狀指標(biāo)的絕大部分信息表達(dá)出來了，因此選擇提取4個主成分為宜。

主成分載荷矩陣反映了各個品質(zhì)性狀指標(biāo)對此主成分負(fù)荷的相對大小和作用方向，即該指標(biāo)對主成分影響的程度，以0.5原則為判斷依據(jù)[24]。由表6可知，第1主成分有果形指數(shù)、單果重、硬度、彈性、咀嚼性、回復(fù)性、黏度、質(zhì)地，且各指標(biāo)均有較大的正系數(shù)，可定義為質(zhì)量因子；第2主成分為可滴定酸、水分、可溶性固形物、風(fēng)味，可定義為風(fēng)味因子；第3主成分為L值、飽和度和外觀，定義為色澤因子；第4主成分為黏聚性和內(nèi)聚力，對感官并無太大影響。

圖1 18種鮮食型葡萄的感官評價各項得分和綜合得分Figure 1 Sensory evaluation score and comprehensive score of 18Table grape varieties

圖2 18種鮮食型葡萄基本品質(zhì)指標(biāo)主成分分析碎石圖Figure 2 Principal component analysis of 18 kinds ofTable grape’s scree plot表5 18種鮮食型葡萄基本品質(zhì)因子的特征值和解釋變量

Table 5 Eigenvalue and accumulative contribution rate of evaluating factors of 18
Table grape varieties %

表6 18種鮮食型葡萄基本品質(zhì)指標(biāo)主成分分析載荷矩陣

Table 6 Loading matrix of principal components analysis of quality indexes of 18
Table grape varieties

指標(biāo)因子1因子2因子3因子4果形指數(shù)0.757-0.253-0.029-0.193單果重0.8020.114-0.1280.176硬度0.973-0.121-0.0730.091彈性0.9330.026-0.212-0.007咀嚼性0.885-0.047-0.1450.364黏聚性-0.3960.112-0.2150.822回復(fù)性0.889-0.251-0.0030.118內(nèi)聚力-0.4170.362-0.1240.714黏度0.935-0.031-0.1290.257可滴定酸0.2480.9250.147-0.124水分0.3040.883-0.005-0.214可溶性固形物0.4820.7760.052-0.118L值0.107-0.2190.9350.146飽和度0.336-0.1280.9010.121外觀0.223-0.0730.9240.124質(zhì)地0.847-0.353-0.247-0.082風(fēng)味0.2220.8590.2210.079

2.3.2 不同品種葡萄主成分分析得分及綜合評價 表7為各指標(biāo)因子得分系數(shù)矩陣，并以特征向量為權(quán)重構(gòu)建4個主成分的函數(shù)表達(dá)式：

F1=0.106X1+0.112X2+0.136X3+0.131X4+0.124X5-0.055X6+0.125X7-0.058X8+0.131X9+0.035X10+0.043X11+0.067X12+0.015X13+0.047X14+0.031X15+0.119X16+0.031X17，

(3)

F2=-0.073X1+0.033X2-0.035X3+0.008X4-0.013X5+0.032X6-0.072X7+0.104X8-0.009X9+0.267X10+0.254X11+0.224X12-0.063X13-0.037X14-0.021X15-0.102X16+0.247X17，

(4)

F3=-0.010X1-0.045X2-0.026X3-0.075X4-0.051X5-0.076X6-0.001X7-0.044X8-0.046X9+0.052X10-0.002X11+0.018X12+0.329X13+0.317X14+0.325X15-0.087X16+0.078X17，

(5)

F4=-0.120X1+0.109X2+0.057X3-0.004X4+0.225X5+0.509X6+0.073X7+0.442X8+0.159X9-0.077X10-0.133X11-0.073X12+0.090X13+0.075X14+0.077X15-0.051X16+0.049X17。

(6)

以各主成分對應(yīng)的方差貢獻(xiàn)率為權(quán)重，從而建立主成分綜合得分的數(shù)學(xué)模型：

F=0.474F1+0.230F2+0.189F3+0.107F4。

(7)

表7 18種鮮食型葡萄基本品質(zhì)指標(biāo)因子得分系數(shù)矩陣

Table 7 Factor score coefficient matrix of basic quality index for 18
Table grape varieties

指標(biāo)因子1因子2因子3因子4果形指數(shù)(X1)0.106-0.073-0.010-0.120單果重(X2)0.1120.033-0.0450.109硬度(X3)0.136-0.035-0.0260.057彈性(X4)0.1310.008-0.075-0.004咀嚼性(X5)0.124-0.013-0.0510.225黏聚性(X6)-0.0550.032-0.0760.509回復(fù)性(X7)0.125-0.072-0.0010.073內(nèi)聚力(X8)-0.0580.104-0.0440.442黏度(X9)0.131-0.009-0.0460.159可滴定酸(X10)0.0350.2670.052-0.077水分(X11)0.0430.254-0.002-0.133可溶性固形物(X12)0.0670.2240.018-0.073L值(X13)0.015-0.0630.3290.090飽和度(X14)0.047-0.0370.3170.075外觀(X15)0.031-0.0210.3250.077質(zhì)地(X16)0.119-0.102-0.087-0.051風(fēng)味(X17)0.0310.2470.0780.049

由綜合得分的函數(shù)表達(dá)式計算出18個品種葡萄樣品的綜合評價得分，得分越高表明該品種樣品品質(zhì)較好，得分越低表明品質(zhì)相對較差，結(jié)果見表8。綜合品質(zhì)排名前5的依次是黑提、陽光玫瑰、魏可、紅地球和巨玫瑰，且它們的第1主成分因子得分均較高，說明第1主成分因子對綜合得分影響較大。巨峰、紅寶石和金手指綜合得分較低，果實品質(zhì)要低于平均水平。

表8 18種鮮食型葡萄品質(zhì)綜合得分及排名Table 8 Comprehensive quality score and ranking of 18Table grape varieties

3 結(jié)論

本試驗采集了南方種植和售賣的18種鮮食型葡萄進(jìn)行品質(zhì)研究，發(fā)現(xiàn)不同品種葡萄品質(zhì)顯示出了差異性，為準(zhǔn)確地分析各品質(zhì)的差異性，選擇主成分分析法對各指標(biāo)進(jìn)行降維，以期對葡萄品質(zhì)進(jìn)行全面的分析。其結(jié)果表明：

(1) 在15個基本品質(zhì)性狀指標(biāo)中，硬度指標(biāo)的變異系數(shù)最大，為51.18%，表明不同種葡萄硬度差異較大，而彈性表現(xiàn)較一致(變異系數(shù)為3.23%)，與果實的大小和成熟度有著一定的關(guān)系。果實的色澤因品種而異，主要有紅色系和黃色系，因此飽和度存在較大差異(變異系數(shù)為48.92%)?？傻味ㄋ帷⑺?、可溶性固形物在不同品種間的差異較小(變異系數(shù)為15.89%，3.91%，11.14%)。

(2) 在基本品質(zhì)性狀和感官評價的相關(guān)性分析中，外觀和L值、飽和度呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)；質(zhì)地與果形指數(shù)、硬度、彈性、咀嚼性、回復(fù)性、黏度呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，與單果重、內(nèi)聚力呈顯著相關(guān)(P<0.05)；風(fēng)味與可滴定酸、水分、可溶性固形物呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)。

(3) 通過主成分分析法分離出了4個主成分因子，第1主成分有果形指數(shù)、單果重、硬度、彈性、咀嚼性、回復(fù)性、黏度、質(zhì)地，可定義為質(zhì)量因子；第2主成分的影響因子為可滴定酸、水分、可溶性固形物、風(fēng)味，可定義為風(fēng)味因子；第3主成分為L值、飽和度和外觀，定義為色澤因子；第4主成分為黏聚性和內(nèi)聚力。通過各因子得分對不同種葡萄進(jìn)行綜合分析，建立綜合得分?jǐn)?shù)學(xué)模型。通過計算，葡萄品質(zhì)最好的為黑提、陽光玫瑰、魏可、紅地球和巨玫瑰，巨峰、紅寶石和金手指品質(zhì)相對較差。

可見不同品種的鮮食葡萄品質(zhì)存在差異，可以通過外在性狀和內(nèi)在品質(zhì)進(jìn)行綜合評價。本試驗建立的主成分分析模型可以有效地評價鮮食葡萄的品質(zhì)，對鮮食葡萄的研究有一定的理論意義。但本研究所涉及的鮮食葡萄品種及檢測指標(biāo)較少，后續(xù)可以增加指標(biāo)，建立更完善的綜合評價體系。