蘋果品質(zhì)評價模型的建立與驗證

姜雪峰，毛娟，徐巨濤，馬宗桓，王穎，陳佰鴻

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學園藝學院，甘肅 蘭州 730070；2.甘肅省慶城縣果業(yè)局，甘肅 慶城 745100)

蘋果產(chǎn)業(yè)是中國第一大果品產(chǎn)業(yè)，提高果品品質(zhì)是21世紀蘋果生產(chǎn)的主要任務[1].蘋果品質(zhì)由外觀品質(zhì)和內(nèi)在品質(zhì)構成，外觀品質(zhì)包括果實色澤、果形和大小等；內(nèi)在品質(zhì)包括糖酸含量、果實硬度和香氣成分等[2].因此，作為果品選優(yōu)的重要環(huán)節(jié)，采用科學的評價方法評價不同蘋果品種品質(zhì)的優(yōu)劣是亟待解決的問題.

層次分析法(analytic hierarchy process,AHP)是由美國學者薩蒂最早提出的一種定性與定量分析相結(jié)合的多目標評價決策方法.它的優(yōu)點是把系統(tǒng)元素分解歸并為目標、準則、指標等層次，構建一個層次結(jié)構模型，進行定性和定量分析.AHP法已在諸多領域得到了廣泛應用，它的特點是能使復雜的問題得到簡捷而重點突出的分析，是一種簡單、合理、可靠的綜合評價分析方法[3].目前，國內(nèi)外已有許多將AHP應用于品質(zhì)評價方面的研究報道，如劉遵春等[3]利用AHP評價金花梨果實的品質(zhì)；馬啟和等[4]應用層次分析法和灰色關聯(lián)度分析法綜合評價冬棗的果實品質(zhì)；Flavio F S等[5]利用AHP探索分析新產(chǎn)品的品質(zhì)；Rucitra A L等[6]利用AHP分析消費者對菠蘿蜜片質(zhì)量的滿意程度；Zein Kallas等[7]對比分析了AHP與選擇試驗(choice experiment，CE)在消費者偏好試驗中的區(qū)別；張曉煜等[8]對影響枸杞綜合品質(zhì)因子的權重利用層次分析法進行定量評判，建立了寧夏枸杞品質(zhì)的綜合評價系統(tǒng)；陳賢等[9]研究認為層次分析法在番茄果實商品性狀綜合評價中具有較好的適用性；Dirpan A等[10]利用層次分析法進行了柑橘果實采后技術的選擇；Chen H W等[11]研究了層次分析法在長果型黃瓜品種性狀綜合評價中的應用；楊彥伶等[12]應用層次分析法對?？?9個野生紫薇無性系的 9個生物學性狀進行了研究，通過對不同無性系花性狀、生長性狀與抗病蟲害能力等的綜合評價，初次建立了紫薇優(yōu)良無性系選擇體系，為野生紫薇的良種選育工作奠定了基礎.王青等[13]應用層次分析法建立了盆栽多頭小菊株選的綜合評價體系，為快速選育新品種提供了理論依據(jù).白世踐等[14]根據(jù)葡萄外觀、內(nèi)在品質(zhì)指標進行因子分析，并及結(jié)合層次分析法建立了無核葡萄綜合品質(zhì)評價模型，為無核葡萄優(yōu)良品種的篩選提供參考依據(jù).AHP方法在蘋果果實品質(zhì)綜合評價方面的應用較少，白沙沙等[15]只對蘋果的感官品質(zhì)進行綜合評價.

本研究利用層次分析法，按照分析目的將過程分為不同層次，根據(jù)指標對品質(zhì)的重要程度構造判斷矩陣，對23個著色蘋果品種果實品質(zhì)進行了綜合評價，并利用感官品質(zhì)評價對層次分析法的綜合評價進行驗證，篩選出綜合品質(zhì)較優(yōu)的蘋果品種，希望本研究能為新品種的引進和篩選提供評價依據(jù).

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試蘋果品種(‘望香紅’‘成紀1號’‘煙富3號’‘煙富6號’‘瑞陽’‘長富2號’‘秋富1號’‘玉華早富’‘天紅2號’‘秀水’‘陜富6號’‘巖富10號’‘華冠’‘潤奇富士’‘惠民短富’‘皮諾娃’‘2001富士’‘金世紀’‘秦冠’‘新紅星’‘中秋王’‘壽紅’‘禮泉短富’)采自甘肅慶陽慶城縣，選取樹勢基本一致，管理措施基本相同，樹齡為5～7 a，紡錘形樹形，株行距為2 m×3 m的果園.采樣于2016年10月中下旬進行，每個品種按東、西、南、北4個方位各隨機選取大小一致、果形端正、無病蟲害的果實10個，立即運回實驗室，進行果實品質(zhì)相關指標的測定及感官品質(zhì)的評價(果實未經(jīng)過后熟階段).

1.2 試劑

無水乙醇，美國Sigma公司；草酸，美國Fluka公司；甲醇為色譜純，其余試劑均為國產(chǎn)分析純.

1.3 儀器與設備

TU-1900紫外分光光度計，北京普析通用儀器有限責任公司；TL-18m高速冷凍離心機，上海離心機研究所；HH-4數(shù)顯恒溫水浴鍋，國華電器有限公司； PAL-1型數(shù)顯糖度計，日本ATAGO愛宕公司；Fruit Texture Analyser TA-XT2i，英國Stable Micro-Systems公司.

1.4 測定方法

采用精度為0.01g的電子天平稱量單果質(zhì)量；用電子數(shù)顯游標卡尺測量果實縱徑(mm)、橫徑(mm)，并計算果形指數(shù)；用刀片削去果皮，采用Fruit Texture Analyser TA-XT2i進行果肉硬度(kg/cm2)測定；研缽磨碎果實，采用手持日產(chǎn)ATAGO數(shù)顯糖度儀進行可溶性固形物含量測定；將新鮮的蘋果刮去果肉，剪碎果皮，稱取1 g果皮，采用pH示差法進行果皮花青素含量測定，具體過程參照曹建康等[16]的方法；稱取1 g果實，用研缽磨碎，采用NaOH酸堿中和滴定法測定可滴定酸(%)含量，具體過程參照李錫香等[17]的方法.稱取1 g果實，用研缽磨碎，采用 2,6-二氯酚靛酚氧化還原滴定法測定VC含量，具體過程參照陳華緒[18]的方法.

1.5 層次分析法

1.5.1 建立遞階層次結(jié)構 根據(jù)對問題的了解和初步分析，將研究對象所含因素按屬性分組，以形成不同層次.同一層次的元素作為準則，對下一層次的某些元素起支配作用,同時它又受上一層次元素支配，這種從上到下的支配關系形成了一個遞階層次.

1.5.2 構造兩兩比較判斷矩陣 根據(jù)層次分析法理論[19-20]及園藝專家對影響果實品質(zhì)各因素之間重要性的定性評價，運用1～9比例標度法建立判斷矩陣；針對上一層的某元素，在下一層中兩兩元素進行相對重要性的判斷并將其量化，從而構造成矩陣形式，即為判斷矩陣.判斷元素間重要程度的衡量尺度見表1.

1.5.3 計算權重及一致性檢驗 設m階判斷矩陣，計算權重.利用MATLAB數(shù)學軟件求矩陣的最大特征根λmax，再根據(jù)公式求得指標Ci的權重系數(shù)Wj，權重系數(shù)是否合理，需要對判斷矩陣進行一致性檢驗，檢驗采用以下公式：

CI=(λmax-m)/(m-1)

CR=CI/RI

式中：CR為判斷矩陣的隨機一致性比率；m為判斷矩陣的階數(shù)；CI為判斷矩陣的一般一致性指標；RI為判斷矩陣的平均隨機一致性指標.RI的具體值見表2.

表1 1～9比率標度法

表2 1～15階矩陣RI值

計算矩陣最大的特征根λmax及相應的特征向量T= (t1，t2，…，ti)，i=m；對判斷矩陣進行一致性檢驗，求得一致性指標中的隨機一致性比率CR=CI/RI，當CR<0.10時，則認為判斷矩陣A具有較滿意的一致性，否則就應當重新調(diào)整判斷矩陣,直至具有滿意的一致性.

1.5.4 層次排序 層次排序及結(jié)果分析在滿足一致性的前提下，進行層次排序.

1.6 感官評價

通過視覺、嗅覺和味覺來評定鮮食蘋果的感官品質(zhì).組織評審小組進行感官品質(zhì)評審.評價小組成員為8人，男性4人，年齡分別為49、32、30、27歲；女性4人，年齡分別為36、26、24、24歲.本試驗參考《蘋果種植資源描述規(guī)范和數(shù)據(jù)標準》確定感官品質(zhì)的描述詞以及各描述詞對應的感官分值(表3)，最高分值為15分. 去除評審小組成員評分中最高分和最低分，所得平均值即為該品種的最終的感官評價得分.

表3 感官評價描述及評分

1.7 數(shù)據(jù)處理

使用Excel 2010進行數(shù)據(jù)處理，運用MATLAB R2015a軟件計算權重.

2 結(jié)果與分析

2.1 建立綜合評價模型結(jié)構

根據(jù)蘋果果實品質(zhì)指標的基本性質(zhì)、指標之間的相互關聯(lián)以及層次隸屬關系，建立蘋果果實品質(zhì)綜合評價模型結(jié)構.模型層次結(jié)構分為3層：第1層為目標層(O)，即果實品質(zhì)綜合排序；第2層為準則層(C)，即影響果實品質(zhì)的9個指標，記為C=(C1，C2，…，C9)=(果皮著色指數(shù)，可溶性固形物，糖酸比，可滴定酸，花青素，果實硬度，單果重，維生素，果形指數(shù))；第3層為方案層，即23個蘋果品種.

2.2 判斷矩陣的構造及一致性檢驗

表4 著色品種的判斷矩陣及一致性檢驗

C1：果皮著色指數(shù)；C2：可溶性固形物；C3：糖酸比；C4：可滴定酸；C5：花青素；C6：果實硬度；C7：單果質(zhì)量；C8：維生素C；C9：果形指數(shù)；Wj：指標權重.

C1:Peel color index;C2:Soluble solid;C3:Sugar acid ratio;C4:Titratable acid;C5:Anthocyanin;C6:Fruit firmness;C7:Per fruit weight;C8:Vitamin C;C9:Fruit shape index;Wj:Index weight.

2.3 果實品質(zhì)評價指標標準化及綜合評價

供試蘋果品種的各品質(zhì)指標見表5.為排除由于各指標的單位不同及其數(shù)值數(shù)量級間的懸殊差別所帶來的影響，避免不合理現(xiàn)象的發(fā)生，對各指標值作無量綱化處理[14].各指標值無量綱化結(jié)果和綜合得分見表6.

表5 果實品質(zhì)指標平均值

C1：果皮著色指數(shù)；C2：可溶性固形物(%)；C3：糖酸比；C4：可滴定酸(%)；C5：花青素(mg/100g)；C6：果實硬度(kg/cm2)；C7：單果質(zhì)量(g)；C8：維生素C(mg/100g)；C9：果形指數(shù).

C1:Peel color index； C2：Soluble solids (%);C3:Sugar acid ratio;C4:Titratable acid content (%)；C5:Anthocyanin content (mg/100g);C6:Fruit firmness (kg/cm2);C7：Per fruit weight (g);C8:Vitamin C content (mg/100g);C9:Fruit shape index.

根據(jù)23個著色蘋果品種的9項果實品質(zhì)指標值及數(shù)據(jù)標準化后的數(shù)值乘以各因子的權重，計算得出每個樣品果實品質(zhì)的綜合得分，由此用得分的高低進行果實品質(zhì)排名，結(jié)果見表6.由表6可知，Y(綜合得分)=0.244 7×果皮著色指數(shù)+0.207 5×可溶性固形物+0.172 0×固酸比+0.102 5×可滴定酸+0.102 5×花青素+0.067 6×果實硬度+0.044 2×單果質(zhì)量+0.029 4×VC+0.029 4×果形指數(shù)，參與評價的23個著色蘋果品種綜合得分排序如下：‘望香紅’>‘成紀1號’>‘煙富3號’>‘煙富6號’>‘瑞陽’>‘長富2號’>‘秋富1號’>‘玉華早富’>‘天紅2號’>‘秀水’>‘陜富6號’>‘巖富10號’>‘華冠’>‘潤奇富士’>‘惠民短富’>‘皮諾娃’>‘2001富士’>‘金世紀’>‘秦冠’>‘新紅星’>‘中秋王’>‘壽紅’>‘禮泉短富’；其中綜合得分大于0.800 0品質(zhì)較優(yōu)的品種有‘望香紅’‘成紀1號’‘煙富3號’‘煙富6號’‘瑞陽’‘長富2號’‘秋富1號’‘玉華早富’‘天紅2號’；其次為‘秀水’‘陜富6號’‘巖富10號’‘華冠’‘潤奇富士’‘惠民短富’‘皮諾娃’‘2001富士’‘金世紀’‘秦冠’；而‘新紅星’‘中秋王’‘壽紅’‘禮泉短富’果實品質(zhì)較差.

2.4 感官評價得分

評價小組對6個指標的感官評價結(jié)果見表2.

表6 果實品質(zhì)指標的無量綱化結(jié)果與綜合得分

C1：果皮著色指數(shù)；C2：可溶性固形物；C3：糖酸比；C4：可滴定酸；C5：花青素；C6：果實硬度；C7：單果質(zhì)量；C8：維生素C；C9：果形指數(shù).

C1:Peel color index;C2:Soluble solid;C3:Sugar acid ratio;C4:Titratable acid;C5:Anthocyanin;C6:Fruit firmness;C7:Per fruit weight;C8:Vitamin C;C9:Fruit shape index.

表7 感官評價結(jié)果

2.5 綜合評價模型的驗證

為了驗證層次分析法得出的蘋果品質(zhì)綜合評價模型的準確性，對蘋果進行感官評價分析，利用感官得分與模型得分對比來驗證模型準確性.將感官評價結(jié)果與層次分析法模型計算結(jié)果應用回歸分析進行擬合，坐標軸x表示感官評價結(jié)果，y軸表示模型結(jié)果，得到兩者的線性關系：預測值y=0.027 0x+0.468 9，R2=0.839 7(圖1).結(jié)果顯示，感官得分結(jié)果與模型評分結(jié)果有較高的相關系數(shù)，即有較高的擬合程度，表明層次分析法的數(shù)學模型適用于蘋果的品質(zhì)評價.

圖1 感官評價得分與模型得分驗證Figure 1 Fitness test between sensory and model

3 討論

建立蘋果品質(zhì)綜合評價的數(shù)學模型，數(shù)學模型的合理與否關鍵在于數(shù)學方法的處理和指標權重系數(shù)的確定[21]，本試驗對指標權重系數(shù)利用層次分析法進行確定，得出了蘋果品質(zhì)綜合評價得分及排序.白沙沙等[15]研究表明蘋果果皮顏色和著色度不僅是重要的感官品質(zhì)，而且果實表面著色度與其成熟度和內(nèi)部品質(zhì)有著密切的關系，著色度好且著色均勻一致的果實往往能體現(xiàn)較高的商品價值.本研究中果皮著色指數(shù)權重系數(shù)的值最大，即果皮著色指數(shù)是影響蘋果品質(zhì)的一個重要因素.本試驗中可溶性固形物含量的權重值排在第二位，這與董月菊等[22]研究的可溶性固形物是衡量果實營養(yǎng)的一個重要指標，其含量影響著蘋果的口感和風味的結(jié)果基本一致.糖類物質(zhì)的含量及種類對果實的感官品質(zhì)和理化性質(zhì)有直接的影響[23]，糖酸比的大小主要由糖和酸含量的高低共同決定，是影響蘋果品質(zhì)的重要因素，這與梁俊等[24]的研究結(jié)果相一致.蘋果果實硬度的高低，直接影響到鮮食時的口感，對貯藏品質(zhì)也有較大影響.Prange等[25]研究認為果肉硬度小于 4.5 kg/cm2時，果實口感變劣，消費者無購買欲，因此本研究中果實硬度也是一個重要的評價指標.單果質(zhì)量是蘋果果實品質(zhì)評價指標之一，果實質(zhì)量與體積之間有顯著的相關性關系[26].VC又稱抗壞血酸，具有抗氧化作用，有利于防止果實發(fā)生褐化[22]，是蘋果品質(zhì)評價重要的理化指標之一[27].而果形指數(shù)也是果實評價的重要指標，但相對于前幾個品質(zhì)指標，它們的重要性較弱，因此權重系數(shù)相對較小.本文研究得出，蘋果品質(zhì)的單一指標的權重值大小為果皮著色指數(shù)>可溶性固形物>固酸比>可滴定酸>花青素>果實硬度>單果重>維生素>果形指數(shù)，這與葉霜等[28]對黃果柑的研究結(jié)果相似，說明果實著色以及果實的糖酸含量對果實品質(zhì)的影響較大.本文研究結(jié)果表明，利用該方法評價的得出，除‘禮泉短富’外，其余的富士品種的品質(zhì)均優(yōu)于‘秦冠’，這與李鵬等[29]運用綜合指標法的研究結(jié)果相似.本文研究結(jié)果得出，這3個品種的綜合品質(zhì)得分排序為‘巖富10號’>‘華冠’>‘新紅星’，這與徐吉花等[30]的研究結(jié)果一致.

層次分析法綜合了數(shù)學運算以及人為因素，判斷矩陣是對果實品質(zhì)要求的基礎上建立的，可以根據(jù)一致性檢驗的結(jié)果來驗證并進行調(diào)整；通過數(shù)學計算得到評價結(jié)果，并將層次分析的得分作為果實品質(zhì)的得分進行排序[3]，得出評價結(jié)果.利用客觀的數(shù)學方法結(jié)合測定的指標對果實品質(zhì)進行評價，減少了人為主觀因素的影響，是評價得到的結(jié)果與客觀真實值更相接近[31].

4 結(jié)論

本試驗利用層次分析法建立了蘋果品質(zhì)的評價模型，并結(jié)合感官品質(zhì)的評價對該模型進行驗證，驗證結(jié)果表明感官品質(zhì)得分與層次分析法的綜合得分有較高的相關性，即具有較高的擬合度，表明應用層次分析法對蘋果品質(zhì)的綜合評價是合理的、科學的、可行的.