基于主成分分析法的嘉峪關10種釀酒葡萄品種品質評價

魏烈權，盧世雄，馬宗桓，郭銳，毛娟

(1.甘肅農業(yè)大學園藝學院，甘肅 蘭州 730070；2.酒鋼(集團)宏豐實業(yè)分公司葡萄園，甘肅 嘉峪關 735100)

葡萄(Vitisvinifera)屬于葡萄科葡萄屬木質藤本植物，在全世界分布廣泛.葡萄果實中富含糖類、果酸、氨基酸等多種營養(yǎng)物質，具有很高的經濟價值，種植面積和產量僅次于柑橘，是世界第二大水果[1].據聯合國糧農組織統(tǒng)計，2018年世界葡萄種植面積為715.77萬hm2，其中，中國葡萄種植總面積達79.52萬hm2，為世界第二大葡萄種植國.甘肅河西走廊是我國釀酒葡萄種植8大優(yōu)勢區(qū)域之一，該區(qū)域生產的葡萄酒品質優(yōu)良，深受廣大消費者的喜愛，但如何選擇適于區(qū)域種植的優(yōu)良品種一直是困擾區(qū)域葡萄酒產業(yè)發(fā)展的突出問題.葡萄酒品質70%來源于原料，因此對于葡萄品質的評價將對產業(yè)發(fā)展起著重要的作用[2-4].

釀酒葡萄果實品質受可溶性糖、單寧、總酚、抗壞血酸、可溶性固形物等多個指標影響[5].而對一個品種品質優(yōu)劣的評判往往要求將多個指標進行綜合分析后才可確定，目前，關于果實品質評價的方法主要包括主成分分析、相關性分析、聚類分析等[6].主成分分析能夠將原來的多個指標轉化成數目較少的綜合指標，用較少的指標來反映原有的信息，分析結果更簡潔，在果實品質分析中被大量應用[7-10].劉春艷等[5]對寧夏賀蘭山7個葡萄品種的品質進行了主成分分析，篩選出了可溶性總糖、可溶性固形物、總酚、單寧等評價優(yōu)質葡萄的重要性狀指標.趙瀅等[10]對山葡萄果實品質進行了主成分分析，篩選出了綜合品質最優(yōu)的3個山葡萄品系‘200417’‘200306’和‘75113’.蘇鵬飛等[11]通過主成分析法對‘梅鹿輒’品質指標進行綜合評價，從而確定了‘梅鹿輒’的最佳采收期.潘照等[4]對18種鮮食葡萄的14個基本品質指標進行了主成分分析，篩選出了‘黑提’‘陽光玫瑰’‘魏可’‘紅地球’和‘巨玫瑰’等5種品質最好的鮮食葡萄.

嘉峪關位于甘肅省西北部，河西走廊中部，氣候干燥，光熱資源豐富，屬典型的大陸性荒漠氣候，是我國優(yōu)質釀酒葡萄栽培區(qū)域之一.對該區(qū)域葡萄栽培技術、灌溉方式、抗寒性等方面前人研究較多[12-14]，而關于葡萄品質綜合評價方面的報道甚少.因此，本研究嘗試將主成分分析法與相關性分析法相結合，分析在該區(qū)域栽植的不同釀酒葡萄果實品質，以期為嘉峪關篩選優(yōu)良的釀酒葡萄品種提供理論依據.

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況及材料

本試驗在甘肅省酒鋼(集團)宏豐實業(yè)分公司葡萄園進行，該試驗基地位于河西走廊西部，地處N 39°37′～39°58′，E 97°49′～98°31′，自然降水量年均85.30 mm，蒸發(fā)量2 149.00 mm，全年無霜期130 d左右.灌淤土類占耕地總面積的94.13%，占總土地面積的4.19%；土壤pH 8.50，屬于堿性土壤.試驗材料為‘白玉霓’‘北冰紅’‘赤霞珠’‘佳美’‘美樂’‘威代爾’‘霞多麗’‘意斯林’‘左優(yōu)紅’‘黑比諾’10個品種，于2005年定植，栽植行株距4.0 m×1.0 m，南北行向，單臂籬架，采用多主蔓扇形整枝，灌溉方式為滴灌，田間管理方式一致.在果實成熟期，選取長勢基本一致的10株樹，在每株葡萄樹周圍不同方向隨機取樣，不同品種分開包裝后低溫帶回實驗室-80 ℃冷凍保存.

1.2 試驗指標及測定方法

可溶性固形物：采用手持折光儀測定，每個葡萄品種隨機選取30粒果實，求其平均值[15]；pH：采用酸度計測定，每個葡萄品種隨機選取30粒果實，求其平均值；出汁率：每個葡萄品種隨機選取100粒果實，用電子天平稱量并記錄數值，再將稱量后的葡萄果實用壓汁機壓汁，最后稱量壓汁后剩余的果皮殘渣，計算出汁率，重復3次；可滴定酸：采用NaOH滴定法測定[15]；可溶性糖：采用蒽酮比色法測定[16]；糖酸比：可溶性糖含量與對應可滴定酸含量的比值；單寧：采用福林-丹尼斯法測定[15]；總酚：采用福林-肖卡法測定[15]；抗壞血酸：采用分光光度法測定[17].

1.3 主成分分析法

本試驗采用SPSS軟件對10個釀酒葡萄品種的品質指標數據進行標準化處理，然后進行主成分分析，依照因子性狀的累計方差貢獻率大于80%，特征值大于1的原則，確定主成分因子個數.利用SPSS軟件得到不同釀酒葡萄品種的主成分得分值fi，按式(1)計算綜合得分值F.

(1)

式中，F為各釀酒葡萄品種品質的綜合得分值；fi為第i個特征值大于1的主成分得分值；yi為第i個主成分的方差貢獻率.

1.4 數據分析

采用Excel 2010軟件進行數據整理，并采用IBMSPSS Statistics 19軟件進行統(tǒng)計分析與主成分分析.

2 結果與分析

2.1 不同釀酒葡萄品種品質的分析

由不同釀酒葡萄品種的主要品質指標可以看出(表1)，10個釀酒葡萄品種中，各品質性狀指標含量均存在一定的差異.在糖、酸含量方面，‘美樂’可溶性糖含量最高，達到23.56%，顯著高于其他品種，而‘北冰紅’可溶性糖含量最低，僅為15.44%；‘黑比諾’‘佳美’‘美樂’‘白玉霓’‘威代爾’‘赤霞珠’‘意斯林’‘霞多麗’8個品種可溶性糖含量均超過17.00%.‘北冰紅’可滴定酸含量為1.31%，顯著高于其他品種.‘黑比諾’糖酸比達到44.28，顯著高于其他品種，而‘北冰紅’糖酸比最低，僅為11.82，該兩個品種糖酸比差異在10個釀酒葡萄品種中最為顯著.在酚類物質含量方面，‘北冰紅’總酚含量最高，達到23.62 mg/g，其次為‘佳美’，總酚含量為21.55 mg/g，而‘美樂’總酚含量最低，為12.17 mg/g，顯著低于其他品種.‘佳美’單寧含量最高，達到13.21 mg/g，顯著高于其他品種，而‘霞多麗’單寧含量最低，僅為4.97 mg/g.在抗壞血酸含量方面，‘北冰紅’抗壞血酸含量最高，達到10.08 mg/100g，其抗壞血酸含量顯著高于其他品種，而‘赤霞珠’抗壞血酸含量最低，僅為4.55 mg/100g.在可溶性固形物含量方面，‘美樂’可溶性固形物含量最高，達到25.10%，顯著高于其他品種，而‘北冰紅’可溶性固形物含量最低，僅為17.37%.在出汁率方面，‘白玉霓’‘黑比諾’‘意斯林’‘佳美’等4個品種出汁率均高于60%，分別為70.55%、66.87%、63.86%、62.08%，而‘北冰紅’的出汁率最低，僅為47.55%，顯著低于其他品種.

表1 不同釀酒葡萄品種的主要品質指標

2.2 釀酒葡萄品種品質性狀的變異程度分析

由不同釀酒葡萄品種主要性狀的品質分析可知(表2)，不同葡萄品種間各指標變異程度較大，變異系數波動在7.36%～32.00%.變異系數反映了數據的離散程度，其中，可滴定酸的變異系數最大，為32.00%，數據變化范圍為0.50～1.31.其次為糖酸比，變異系數為31.17%，數據變化范圍為11.82～44.28.不同品種之間性狀差異較大，可能與各自遺傳性狀等有關.pH的變異系數較低，為7.36%，數據變化范圍為2.84～3.67，表明各品種酸堿度性狀差異小.

表2 供試釀酒葡萄品種品質指標分析

2.3 釀酒葡萄品種品質性狀的相關性分析

釀酒葡萄品質指標的相關性分析可以直觀的反映出各指標間的相互關系.從不同釀酒葡萄品種主要性狀相關性分析可以看出(表3)，嘉峪關10個釀酒葡萄品種的9個品質指標中可溶性糖含量與可溶性固形物含量、糖酸比、pH呈極顯著正相關，與出汁率呈顯著正相關，與抗壞血酸含量呈顯著負相關，與可滴定酸含量呈極顯著負相關；可滴定酸含量與抗壞血酸含量呈極顯著正相關，與可溶性固形物含量、出汁率、pH、糖酸比呈極顯著負相關；總酚含量與單寧含量呈極顯著正相關；抗壞血酸含量與出汁率、pH、糖酸比呈顯著負相關；可溶性固形物含量與pH、糖酸比呈極顯著正相關，與出汁率呈顯著正相關；出汁率與pH、糖酸比呈顯著正相關；pH與糖酸比呈極顯著正相關.

表3 不同釀酒葡萄品種主要性狀相關性分析

2.4 釀酒葡萄品質的主成分分析

由方差貢獻率分析可知(表4)，前2個主成分累積貢獻率為82.21%，并且這2個主成分的特征值均大于1，表明前2個主成分能夠代表原來9個品質指標的大部分信息.將所提取的主成分因子進行旋轉處理，主成分旋轉成分矩陣(表5)，反映了葡萄果實品質性狀與前2個主成分的關系，第1主成分方差貢獻率為62.99%，主要代表糖酸比、可溶性糖、pH、可溶性固形物、出汁率等指標信息；第2主成分方差貢獻率為19.22%，主要代表單寧、總酚等指標信息.綜上所述，糖酸比、可溶性糖、pH、可溶性固形物、出汁率、單寧、總酚等可作為評價釀酒葡萄品質優(yōu)劣的參考指標.

表4 方差貢獻分析表

2.5 釀酒葡萄品質的綜合評價分析

釀酒葡萄綜合評價可簡單、直觀地反映出某一個品種品質的優(yōu)劣，以便于人們對所需品種的選擇.以主成分f1、f2的貢獻率作為權重，得出葡萄果實的綜合品質評價體系為：F=0.63×f1+0.19×f2.葡萄各品種綜合得分見表6.甘肅河西走廊葡萄酒產區(qū)嘉峪關10個釀酒葡萄品種綜合得分從大到小依次為：‘黑比諾’‘佳美’‘美樂’‘白玉霓’‘威代爾’‘赤霞珠’‘意斯林’‘霞多麗’‘左優(yōu)紅’‘北冰紅’，綜合得分越高，表明其品質特征越好，具有更好的推廣潛力.

表5 主成分旋轉成分矩陣

表6 葡萄各品種綜合得分

3 討論

糖、酸是釀酒葡萄重要的品質指標，其含量的高低對葡萄酒的口感有著舉足輕重的作用[18].研究表明，當果實含糖量超過17.00%，糖酸比即成熟系數等于或大于20，才能釀造出高品質的葡萄酒[19-20].在本試驗中，‘黑比諾’‘佳美’‘美樂’‘白玉霓’‘威代爾’‘赤霞珠’‘意斯林’‘霞多麗’可溶性糖含量超過17.00%，糖酸比即成熟系數大于20，均滿足釀造出高品質葡萄酒的條件.其中，‘美樂’可溶性糖含量最高，達到23.56%，而該品種在寧夏的可溶性糖含量僅為19.91%[5]，相比可知，‘美樂’在甘肅嘉峪關糖分的積累要比寧夏高出許多，這可能與栽培管理和當地氣候環(huán)境有關[21-22].

酚類化合物是葡萄中的次生代謝產物，它對果實的形成及其品質具有至關重要的作用[23].研究結果表明，酚類化合物能夠在葡萄果實生長發(fā)育中不斷累積，從而影響葡萄酒的感官品質，尤其是對葡萄酒的色澤、收斂性等有著極為重要的影響，它可以增強葡萄酒的結構感，產生穩(wěn)定的色素和防止不良風味，對葡萄酒尤其紅葡萄酒質量具有重要意義[24-27].本研究中的10個釀酒葡萄品種總酚含量均超過10 mg/g，其中，‘佳美’總酚、單寧含量在10個品種中分別位居第2位、第1位，而該品種在新疆瑪納斯縣總酚含量不足5 mg/g，這表明嘉峪關的環(huán)境條件更有利于此品種酚類物質的積累[22,28].

本試驗研究發(fā)現，釀酒葡萄果實中可溶性糖含量與可溶性固形物含量呈極顯著正相關，總酚含量與單寧含量呈極顯著正相關，這與前人[5,29-30]研究結果相同.主成分分析法能夠將原來數目較多或彼此相關的指標轉化成新的數目較少或彼此獨立或不相關的綜合指標，通過降維方法把全部指標的表達信息聚集到少數幾個指標(主成分)，減少了信息的交叉，分析評估結果更具有客觀性和準確性[7-9].該方法已在蘋果[31-32]、葡萄[10]、獼猴桃[7]、橄欖[33]等果實品質分析中被廣泛應用.劉春艷等[5]應用主成分分析，篩選出了糖酸比、可溶性糖、可溶性固形物、單寧、總酚等指標來作為評價優(yōu)質釀酒葡萄品種的參考指標，這與本試驗結果一致.本試驗通過主成分的分析方法篩選出了釀酒葡萄品質評價的核心指標，確定了釀酒葡萄綜合品質評價體系，得出了10個葡萄品種的綜合排名.這表明本試驗建立的主成分評價體系能夠有效的評價釀酒葡萄的品質，對嘉峪關優(yōu)質釀酒葡萄品種的篩選有一定的參考價值.

4 結論

主成分分析各葡萄品質指標表明，糖酸比、可溶性糖、pH、可溶性固形物、出汁率、單寧、總酚可以作為評價優(yōu)質釀酒葡萄品種的參考指標.在主成分評價體系中，‘黑比諾’‘佳美’‘美樂’綜合得分分別為0.82、0.63、0.39，在供試的10個品種中居前3位，這表明該3個品種的品質性狀整體優(yōu)于其他7個品種，在嘉峪關表現較佳.