基于主成分和聚類分析的不同品種獼猴桃品質(zhì)指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)

馮勇

摘要：為科學(xué)評(píng)價(jià)不同品種獼猴桃果實(shí)品質(zhì)指標(biāo)，建立獼猴桃品質(zhì)評(píng)價(jià)體系，本試驗(yàn)選取9個(gè)不同品種獼猴桃為原料，采用國標(biāo)和農(nóng)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)測定其外觀品質(zhì)、營養(yǎng)品質(zhì)和重金屬污染等15項(xiàng)指標(biāo)，分析其品質(zhì)指標(biāo)的相關(guān)性，利用主成分分析法和聚類分析法對(duì)獼猴桃品質(zhì)做出綜合評(píng)價(jià)。結(jié)果表明，不同品種獼猴桃品質(zhì)指標(biāo)之間均存在明顯差異，且品質(zhì)指標(biāo)變異系數(shù)各不相同，表明不同品種的獼猴桃品質(zhì)之間呈不同程度的變化。由主成分分析結(jié)果可知，15項(xiàng)品質(zhì)指標(biāo)反映9種不同獼猴桃品質(zhì)指標(biāo)可以用6個(gè)主成分表示，其累計(jì)方差貢獻(xiàn)率為93.182%;根據(jù)聚類分析結(jié)果可知，單果質(zhì)量、維生素C含量、單寧含量、總酸含量、可溶性固形物含量、Ca含量、總黃酮含量、可溶性糖含量作為綜合評(píng)價(jià)獼猴桃品質(zhì)優(yōu)劣的關(guān)鍵性指標(biāo)。在9種不同獼猴桃品種中，以黃金果的綜合品質(zhì)最佳，翠香的綜合品質(zhì)最差。采用主成分分析和聚類分析綜合評(píng)價(jià)方法獲得的試驗(yàn)研究結(jié)果為消費(fèi)有選擇營養(yǎng)價(jià)值高、口感好、品質(zhì)優(yōu)良的獼猴桃品種提供參考依據(jù)，對(duì)獼猴桃栽培、選擇優(yōu)良品種、提升產(chǎn)業(yè)效應(yīng)、促進(jìn)產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有重要意義。

關(guān)鍵詞：獼猴桃;主成分分析;聚類分析;品質(zhì)評(píng)價(jià);優(yōu)良品種

中圖分類號(hào)：S663.401;TS255.2?? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)：1002-1302（2021）22-0180-06

收稿日期：2021-06-30

基金項(xiàng)目：重慶市教育委員會(huì)科學(xué)技術(shù)研究類青年項(xiàng)目（編號(hào)：KJQN201804405）。

作者簡介：馮 勇（1984—），男，四川閬中人，講師，從事烹飪教育改革與飲食文化研究。E-mail：fengyong1984@126.com。

獼猴桃（Actinidia chinensis Planch）別稱藤梨、羊桃、木子，為側(cè)膜胎座目獼猴桃科獼猴桃屬獼猴桃種，落葉藤本植物[1-3]，獼猴桃果汁多、風(fēng)味宜人，富含維生素C、氨基酸、糖、揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)等多種營養(yǎng)成分[4-5]，具有提升免疫功能、治療肝臟疾病、消化不良、抑制腫瘤等功效，對(duì)人體健康具有促進(jìn)作用[6]，因此深受消費(fèi)者喜愛。

目前，關(guān)于獼猴桃果實(shí)品質(zhì)評(píng)價(jià)的方法主要有模糊綜合評(píng)判法[7]、主成分分析法[8]、聚類分析法[9]、合理-滿意度和多維價(jià)值理論評(píng)價(jià)法[10]等。主成分分析是一種通過降低數(shù)據(jù)維數(shù)，實(shí)現(xiàn)綜合評(píng)價(jià)的數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)方法[11]，已被廣泛應(yīng)用于果蔬品質(zhì)指標(biāo)篩選和品質(zhì)綜合評(píng)價(jià)研究中[12]。張夢等采用主成分分析和聚類分析法對(duì)百合花瓣品質(zhì)進(jìn)行了綜合分析與評(píng)價(jià)[13];傅隆生等采用主成分分析和聚類分析法對(duì)海沃德獼猴桃品質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)[14];郭家剛等采用主成分與聚類分析法對(duì)藍(lán)莓品質(zhì)進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)[15]。目前，市場對(duì)高品質(zhì)獼猴桃的需求日益增加，很多研究者致力于新品種的選育和改良，培育出一批新品種，但對(duì)不同主載品種尤其是新品種之間果實(shí)比較的研究還比較缺乏。本試驗(yàn)通過對(duì)9種不同品種獼猴桃果實(shí)品質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行測定和分析，并對(duì)其進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，以期為消費(fèi)者選擇營養(yǎng)價(jià)值高、口感好、品質(zhì)優(yōu)良的獼猴桃品種提供參考依據(jù)。對(duì)獼猴桃栽培、選擇優(yōu)良品種、提升產(chǎn)業(yè)效應(yīng)、促進(jìn)產(chǎn)業(yè)發(fā)展也具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

試驗(yàn)選用獼猴桃鮮果市售9種獼猴桃，分別是紅陽、徐香、翠香、臍紅A、瑞玉X、秦美A、黃金果、袖珍香A、金魁A，隨機(jī)選取無腐爛、無蟲害、無機(jī)械損傷的獼猴桃進(jìn)行品質(zhì)指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)。

主要試劑有甲醇、丙酮、乙腈（均為色譜純，德國Merck公司），偏磷酸、磷酸三鈉、磷酸二氫鉀、磷酸（均為分析純，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司），L-半胱氨酸（優(yōu)級(jí)純，美國Agela公司），十六烷基三甲基溴化銨（色譜純，天津市天新精細(xì)化工開發(fā)中心），沒食子酸、L（+）-抗壞血酸、蕓香苷等標(biāo)準(zhǔn)品（北京貪墨質(zhì)檢標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)中心），多元素標(biāo)準(zhǔn)液（100 μg/mL、50 mL）：Fe、Mg、Zn、Ca、Cd、Pb（國家有色金屬及電子材料分析測試中心）。

高效液相色譜儀（配有二極管陣列檢測器或紫外檢測器），購自日本SHIMADZU公司;JE703梅特勒分析天平，購自瑞士梅特勒公司;SPEX液氮冷凍研磨儀，購自德國萊特公司;CR-400型色差儀，購自日本美能達(dá)公司;UV-2700紫外可見光分光光度計(jì)，購自日本SHIMADZU公司;iCAPRQ 電感耦合等離子體質(zhì)譜儀，購自美國Thermo Fisher公司;ETHOSLP高通量密閉微波消解儀，購自意大利Milestone公司;DS-360SE1智能石墨趕酸儀，購自廣州格丹納儀器有限公司;GenPure Pro超純水儀（電阻率為18.2 MΩ·cm），購自美國 Thermo Fisher公司。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 原料前處理

將市售獼猴桃去梗、洗凈，用濾紙吸取果實(shí)表面水分后，從9種獼猴品種中分別選取50個(gè)，盡量挑選大小均勻和成熟度一致的獼猴桃，使其具有各自代表性，立即進(jìn)行外觀品質(zhì)的測定，分別用SPEX液氮冷凍研磨儀打漿，置于 -40 ℃ 冰箱中冷凍保存?zhèn)溆谩?/p>

1.2.2 不同品種獼猴桃外觀品質(zhì)指標(biāo)的測定

1.2.2.1 單果質(zhì)量測定 獼猴桃單果的質(zhì)量測定參照NY/T 425—2000《綠色食品 獼猴桃》。

1.2.2.2 果實(shí)指數(shù) 從樣品中隨機(jī)選取10個(gè)單果，用水果刀將果實(shí)從果蒂至果頂破開，用游標(biāo)卡尺稱量果實(shí)的橫徑與縱徑，計(jì)算果實(shí)指數(shù)。

果實(shí)指數(shù)=果實(shí)縱徑果實(shí)橫徑。

1.2.2.3 色度值的測定

色度值以L*、a*、b*值表示，求出飽和度（c）、色調(diào)角（h）、色度值（GIRG）。

c=（a*）2+（b*）2;h=arctanb*a*;

GIRG=（180-h）（L*+c）。

1.2.3 不同品種獼猴桃營養(yǎng)指標(biāo)及元素的測定

本研究的項(xiàng)目測定方法均以現(xiàn)行有效的國家標(biāo)準(zhǔn)和農(nóng)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)方法為參照?？扇苄怨绦挝铮╰otal soluble solid，簡稱TSS）含量的測定參照NY/T 2637—2014《水果和蔬菜可溶性固形物含量的測定 折射儀法》;維生素C含量的測定參照GB 5009.86—2016《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 食品中抗壞血酸的測定》中的高效液相色譜法;可溶性糖含量的測定參照NY/T 2742—2015《水果及制品可溶性糖的測定 3，5-二硝基水楊酸比色法》;單寧含量的測定參照NY/T 1600—2008《水果、蔬菜及其制品中單寧含量的測定 分光光度法》;總酸含量的測定參照GB/T 12456—2008《食品中總酸的測定》;總黃酮含量的測定參照SN/T 4592—2016《出口食品中總黃酮的測定》;微量元素含量的測定參照GB 5009.268—2016《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 食品中多元素的測定》。

1.3 數(shù)據(jù)處理

所有數(shù)據(jù)均為3次平行試驗(yàn)的平均值，應(yīng)用Microsoft Excel 2016及SPSS 19.0軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行描述性分析、主成分分析、聚類分析，樣本之間采用歐氏距離平方，得出聚類樹狀圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 獼猴桃品質(zhì)指標(biāo)的測定結(jié)果

由表1可知，不同品種獼猴桃在15項(xiàng)品質(zhì)指標(biāo)中存在差異，其中變異系數(shù)最大的是Zn元素的含量，其變異系數(shù)達(dá)到43.18%，9種獼猴桃Zn元素平均含量為4.87 mg/kg，其中，Zn元素含量最高的獼猴桃品種為袖珍香A，其值為8.45 mg/kg;差異最小的是維生素C的含量，其變異系數(shù)為8.10%，9種不同品種獼猴中維生素C含量最高的是瑞玉X，其值為114.4 mg/100 g;9種獼猴桃品種中金魁A的單果質(zhì)量最大，其果實(shí)指數(shù)接近1，呈圓形;可溶性固形物與可溶性糖的含量以臍紅A品種最高，分別達(dá)到20.17%、16.45%;總黃酮因其具有提高人體免疫系統(tǒng)[16]、清除體內(nèi)自由基[17]及抗氧化作用，是人體必需的化合物，不能在人體內(nèi)合成，只能從外界食物中攝取，試驗(yàn)結(jié)果表明，獼猴桃中含有豐富的總黃酮，9個(gè)獼猴桃品種中以翠香獼猴含量最豐富，其值為159.80%;單寧含量為698.5～986.2 mg/kg，以徐香獼猴品種含量最高。通過對(duì)9種不同獼猴桃品種中6種礦物質(zhì)進(jìn)行測定，其果實(shí)均含有豐富的Ca、Mg、Fe、Ze等4種元素，其中Ca含量最高，其平均值為104.29 mg/kg，9個(gè)獼猴桃品種中Ca含量最豐富的為秦美A，其含量為119.50 mg/kg;此外，還對(duì)有害重金屬元素Pb和Cd進(jìn)行了測定，在部分獼猴桃中雖有檢出，但均小于國家限量標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 不同品種獼猴品質(zhì)指標(biāo)的統(tǒng)計(jì)分析

2.2.1 不同品種獼猴品質(zhì)指標(biāo)的相關(guān)性分析

相關(guān)分析是研究現(xiàn)象之間是否存在某種依存關(guān)系，并對(duì)具體有依存關(guān)系的現(xiàn)象探討其相關(guān)方向以及相關(guān)程度，是研究隨機(jī)變量之間相關(guān)關(guān)系的一種統(tǒng)計(jì)方法[18]。本研究采用Pearson相關(guān)系數(shù)分析9種獼猴桃中15項(xiàng)品質(zhì)指標(biāo)之間的相關(guān)性，表2反映了不同品種獼猴桃品質(zhì)性狀的相關(guān)性，且部分品質(zhì)指標(biāo)之間呈顯著相關(guān)或極顯著差異。果實(shí)單質(zhì)量與果實(shí)指數(shù)呈極顯著負(fù)相關(guān)，而與單寧含量和重金屬Pb含量呈極顯著正相關(guān);果實(shí)指數(shù)與可溶性固形物含量呈顯著正相關(guān)，與總黃酮含量呈顯著負(fù)相關(guān);可溶性固形物含量與Fe元素含量呈極顯著正相關(guān)，與總酸含量呈顯著負(fù)相關(guān);維生素C含量與重金屬Pb含量呈顯著負(fù)相關(guān);可溶性糖含量與總酸含量呈顯著正相關(guān);總酸含量與Zn元素含量呈極顯著正相關(guān)。上述相關(guān)分析結(jié)果表明，獼猴桃外觀品質(zhì)、營養(yǎng)品質(zhì)和重金屬Pb、Cd含量各指標(biāo)之間存在一定的相關(guān)性，且各指標(biāo)測定值的信息出現(xiàn)重疊現(xiàn)象，因此可以應(yīng)用主成分分析和聚類分析的方法對(duì)不同品種獼猴桃的品質(zhì)指標(biāo)通過降維來簡化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，進(jìn)而提高不同品種獼猴桃品質(zhì)特性綜合評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確性。

2.2.2 不同品種獼猴品質(zhì)指標(biāo)主成分分析及綜合評(píng)價(jià)

2.2.2.1 獼猴桃品質(zhì)指標(biāo)主成分分析

一般認(rèn)為，當(dāng)主成分特征值大于1，且累計(jì)方差貢獻(xiàn)率大于85%時(shí)，就可以利用提取的主成分表示原始變量大部分主要信息[19]。對(duì)9種不同品種獼猴桃品質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行測定，其測定值標(biāo)準(zhǔn)化后進(jìn)行主成分分析，其結(jié)果見表3、載荷圖見圖1，由表3可知，前6個(gè)主成分特征值大于1，且累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)到93.182%，其中，第1主成分、第2主成分、第3主成分、第4主成分、第5主成分、第6主成分的方差貢獻(xiàn)率分別為22.972%、21.742%、16.857%、14.744%、9.020%、7.848%，表明前6個(gè)主成分在獼猴桃品質(zhì)指標(biāo)評(píng)價(jià)中起主導(dǎo)作用，且能全面反映獼猴桃品質(zhì)特性綜合評(píng)價(jià)的主要信息。

第1主成分特征值為3.44，單果質(zhì)量、維生素C含量、單寧含量、總酸含量、Mg含量、Pb含量有較高的載荷值，其值分別為0.956、0.349、0.929、0.399、0.883、-0.480;單果質(zhì)量、維生素C含量、單寧含量、總酸含量、Mg含量均在第1主成分中起正向作用，Pb含量在第1主成分中起負(fù)向作用。表明第1主成分很大時(shí)，單果質(zhì)量、維生素C含量、單寧含量、總酸含量、Mg含量在獼猴桃中升高，而Pb含量降低;第2主成分包含了原來信息量的21.742%，

可溶性固形物含量、色度值、Fe元素含量的正向載荷權(quán)數(shù)較大，其值分別為0.407、0.398、0.893，Cd含量負(fù)向載荷權(quán)數(shù)較大，其值為-0.861，正向作用品質(zhì)指標(biāo)數(shù)遠(yuǎn)多于負(fù)向作用品質(zhì)指標(biāo)數(shù)，因此，第2主成分主要反映了果實(shí)營養(yǎng)品質(zhì)，而非重金污染元素;第3主成分包含了原來信息量的16.857%，與果實(shí)指數(shù)呈很大的正相關(guān);第4主成分包含了原來信息量的14.744%，與Zn元素呈很大正相關(guān)，與單

寧含量呈很大負(fù)相關(guān);第5主成分、第6主成分分別包含了原來信息量的9.020%、7.848%。綜合分析6個(gè)主成分主要代表相關(guān)性，已涵蓋了獼猴桃品質(zhì)性狀的所有信息，結(jié)合圖1與表3的分析結(jié)果，應(yīng)選取前6個(gè)主成分作為獼猴桃品質(zhì)評(píng)價(jià)的分析指標(biāo)。

2.2.2.2 主成分得分及綜合評(píng)價(jià)

由表4可知，根據(jù)表4的因子得分系數(shù)矩陣及其對(duì)應(yīng)的主成分，可以計(jì)算出每個(gè)主成分因子得分，其得分表達(dá)式如下：

F1=0.277X1-0.100X2+0.069X3+0.026X4+0.101X5-0.065X6+0.270X7+0.116X8-0.057X9+0.256X10+0.029X11-0.063X12+0.051X13+0.139X14+0.037X15;

F2=-0.024X1-0.011X2+0.122X3+0.094X4+0.094X5-0.231X6-0.109X7-0.050X8-0.100X9+0.069X10+0.026X11+0.274X12-0.130X13+0.149X14+0.264X15;

F3=0.004X1+0.292X2-0.249X3+0.260X4-0.020X5+0.167X6+0.014X7-0.074X8-0.116X9+0.110X10-0.277X11-0.032X12+0.003X13+0.207X14-0.208X15;

F4=-0.100X1+0.069X2+0.026X3+0.101X4-0.100X5+0.347X6-0.139X7+0.331X8+0.023X9+0.041X10+0.037X11+0.143X12+0.325X13+0.039X14+0.197X15;

F5=-0.100X1+0.069X2+0.026X3+0.101X4-0.100X5-0.100X6+0.069X7+0.026X8+0.101X9-0.100X10-0.100X11+0.069X12+0.026X13+0.101X14-0.100X15;

F6=0.085X1-0.010X2+0.022X3+0.470X4+0.341X5+0.028X6-0.038X7+0.081X8+0.525X9+0.054X10+0.022X11+0.165X12-0.396X13-0.177X14+0.033X15。

式中：X1～X15分別表示單果質(zhì)量、果實(shí)指數(shù)、色度值、TSS含量、維生素C含量、可溶性糖含量、單寧含量、總酸含量、總黃酮含量、Mg含量、Ca含量、Fe含量、Zn含量、Pb含量、Cd含量等15個(gè)品質(zhì)指標(biāo);F1～F6分別表示各主成分得分。

結(jié)合主成分因子得分公式并以主成分方差貢獻(xiàn)率為權(quán)重，構(gòu)建獼猴桃品質(zhì)綜合評(píng)價(jià)得分（F）函數(shù)，公式如下：

F=0.229F1+0.217F2+0.168F3+0.147F4+0.902F5+0.0784F6;

式中：F為不同品種獼猴桃品質(zhì)指標(biāo)的綜合得分。

根據(jù)綜合評(píng)價(jià)得分函數(shù)可計(jì)算出不同品種獼猴桃品質(zhì)的綜合得分及其排序，其中F越大，表明該品種獼猴桃品質(zhì)越好。就9種不同獼猴桃綜合品質(zhì)排名（表5）而言，黃金果品種的獼猴桃綜合品質(zhì)得分最高，即其綜合品質(zhì)最好;其次是臍紅A、瑞玉X、徐香， 紅陽、 翠香、 金魁A的綜合品質(zhì)得分均為負(fù)值，且排名靠后，表明這3個(gè)品種的獼猴桃品質(zhì)特性較差，其中翠香的綜合品質(zhì)得分最低，故品質(zhì)最差。

2.3 獼猴桃品質(zhì)的聚類分析

聚類分析是根據(jù)研究對(duì)象的特征按照一定標(biāo)準(zhǔn)對(duì)研究對(duì)象進(jìn)行分類的一種分析方法，其結(jié)果具有綜合性、客觀性和科學(xué)性[20-21]。在聚類分析中對(duì)變量的聚類稱為R型聚類。本試驗(yàn)在主成分分析的基礎(chǔ)上，采用聚類分析方法對(duì)獼猴桃的15個(gè)品質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行R型聚類，采用組間連接法，聚類結(jié)果如圖2所示。

由圖2可知，以歐氏距離平方為準(zhǔn)則采用Between-Groups Linkage連接聚類，當(dāng)聚類距離為15時(shí)，可將獼猴桃品質(zhì)指標(biāo)分為3大類，第1大類為色度值、Fe含量、TSS含量、單果質(zhì)量、Mg含量、單寧含量、可溶性糖含量;第2大類為維生素C含量、Cd含量、果實(shí)指數(shù)、總黃酮含量;第3大類為Ca含量、Zn含量、總酸含量、Pb含量;同時(shí)結(jié)合主成分載荷分析結(jié)果可知，最終選用單果質(zhì)量、維生素C含量、單寧含量、總酸含量、TSS含量、Ca含量、總黃酮含量、可溶性糖含量作為綜合評(píng)價(jià)獼猴桃品質(zhì)優(yōu)劣的關(guān)鍵性指標(biāo)。

3 結(jié)論與討論

通過對(duì)9種不同品種獼猴桃的外觀品質(zhì)、營養(yǎng)品質(zhì)和重金屬污染情況等指標(biāo)進(jìn)行描述性分析和相關(guān)性分析，發(fā)現(xiàn)各項(xiàng)品質(zhì)之間存在顯著差異。同時(shí)，采用主成分分析法和聚類分析法對(duì)9種不同獼猴桃的15項(xiàng)品質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行系統(tǒng)分析，最終確定單果質(zhì)量、維生素C含量、單寧含量、總酸含量、TSS含量、Ca含量、總黃酮含量、可溶性糖含量作為綜合評(píng)價(jià)獼猴桃品質(zhì)優(yōu)劣的關(guān)鍵性指標(biāo)。通過主成分分析，提取了6個(gè)主成分，累計(jì)方差貢獻(xiàn)率為93.182%;結(jié)合獼猴桃品質(zhì)指標(biāo)評(píng)價(jià)函數(shù)分析結(jié)果可知，黃金果品種的獼猴桃綜合品質(zhì)得分最高，即其綜合品質(zhì)最好;其次是臍紅A、瑞玉X、徐香，紅陽、翠香、金魁A的綜合品質(zhì)得分均為負(fù)值，且排名靠后，表明這3個(gè)品種的獼猴桃品質(zhì)特性較差，其中翠香的綜合品質(zhì)得分最低，故品質(zhì)最差。采用主成分分析和聚類分析綜合評(píng)價(jià)方法獲得的試驗(yàn)研究結(jié)果為消費(fèi)者選擇營養(yǎng)價(jià)值高、口感好、品質(zhì)優(yōu)良的獼猴桃品種提供了參考依據(jù)。對(duì)獼猴桃栽培、選擇優(yōu)良品種、提升產(chǎn)業(yè)效應(yīng)、促進(jìn)產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有重要意義。

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