基于主成分分析及聚類分析的不同產(chǎn)地冬棗品質(zhì)特性分析

武琳霞，李 玲，張國光，姜冬梅，歐陽喜輝，王 蒙,*

（1.北京市農(nóng)林科學(xué)院質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)與檢測技術(shù)研究所，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全風(fēng)險評估實驗室（北京），北京 100097；2.北京市農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全中心，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全環(huán)境因子風(fēng)險評估實驗室（北京），北京 100029）

冬棗是我國的特色食用水果，不僅具有鮮脆多汁的口感，還含有豐富的營養(yǎng)物質(zhì)，如環(huán)磷酸腺苷（cyclic adenosine monophosphate，cAMP）、礦物質(zhì)和VC等[1]。我國棗樹種植面積和產(chǎn)量占世界的95%[2]，目前我國冬棗種植規(guī)模較大地區(qū)有新疆和田、山東沾化、河北黃驊、陜西大荔及山西臨猗等。但由于降水、溫度、氣候和土壤等自然環(huán)境條件的差異，造成了不同產(chǎn)地的冬棗在感官品質(zhì)、營養(yǎng)品質(zhì)及食味品質(zhì)等方面存在差異，而這些指標(biāo)是決定冬棗綜合品質(zhì)的重要指標(biāo)。因此，研究不同產(chǎn)地冬棗感官品質(zhì)、營養(yǎng)品質(zhì)及食味品質(zhì)差異，對冬棗的高價值開發(fā)利用具有十分重要的意義。

由于冬棗貯藏期短，目前對其保鮮[3-5]及農(nóng)藥殘留[6]的研究報道較多。對冬棗營養(yǎng)成分的研究分析大多集中于單一產(chǎn)地[7]或者不同品種的差異比較[8-9]，而關(guān)于不同產(chǎn)地冬棗感官指標(biāo)、營養(yǎng)指標(biāo)及食味指標(biāo)的地域差異的全面研究鮮有報道。因此，本實驗以采自我國5個冬棗主產(chǎn)地（新疆和田、山東沾化、河北黃驊、陜西大荔、山西臨猗）的36 份樣品為研究對象，測定其18個品質(zhì)指標(biāo)含量，包括感官品質(zhì)指標(biāo)（單果質(zhì)量和果皮色澤）、營養(yǎng)品質(zhì)指標(biāo)（VC、鈉、鎂、鉀、錳、鐵、銅、鋅、cAMP）和食味品質(zhì)指標(biāo)（可食率、含水量、可溶性固形物含量（soluble solid content，SSC）、硬度、可滴定酸、乙醇和乙醛）。首先對其進行主成分分析（principal component analysis，PCA），得出不同產(chǎn)地冬棗品質(zhì)的綜合得分，并對影響冬棗品質(zhì)的特征指標(biāo)進行篩選確定，進而利用特征指標(biāo)對不同產(chǎn)地建立分類模型，旨在為冬棗品質(zhì)評價和產(chǎn)地溯源提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

采集2020年收獲的冬棗樣品36 份，來自5個主產(chǎn)地，分別為山東沾化10 份、陜西大荔10 份、新疆和田6 份、河北黃驊6 份以及山西臨猗4 份。選半紅時采收，選取果實飽滿、顏色均勻，且無機械損傷和感染的冬棗為原料。

cAMP（色譜純，≥98%），乙醇（色譜純，＞99.8%）、乙醛（色譜純，≥99.5%）、氫氧化鈉（分析純，95%）、偏磷酸（分析純，≥38%）、磷酸三鈉（分析純）、磷酸二氫鉀（分析純，99.5%）、磷酸（分析純，85%）、L-半胱氨酸（優(yōu)級純，99%）、十六烷基三甲基溴化銨（色譜純，99%）、硝酸（優(yōu)級純） 北京索萊寶科技有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

CR-400型色差儀 日本Konica Minolta Sensing公司；PAL-1型糖度計 日本Atago公司；1260 Infinity型高效液相色譜儀 美國Agilent科技有限公司；GC-2010型氣相色譜儀 日本島津公司；T50型電位滴定儀瑞士Mettler-Toledo公司；NEXION 350型電感耦合等離子體質(zhì)譜儀 美國Perkin Elmer公司。

1.3 方法

單果質(zhì)量：稱量1 kg樣品計數(shù)，求單果平均質(zhì)量[10]；果皮色澤：色差儀測定冬棗果皮顏色的L*、a*、b*值，并利用CIELAB色差公式計算總色差[11]；可食率：按公式計算：可食率/%=（全果質(zhì)量-核質(zhì)量）/全果質(zhì)量×100；含水量：直接干燥法[12]；SSC：折射儀法[13]；硬度：硬度計測定[14]；可滴定酸：電位滴定儀測定[15]；乙醇、乙醛：氣相色譜儀、頂空進樣法[16]；VC：高效液相色譜法[17]；微量元素：電感耦合等離子體質(zhì)譜法[18]；cAMP：液相色譜法[19]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 21.0數(shù)據(jù)處理軟件進行多重比較、相關(guān)性分析、PCA與判別分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同地區(qū)冬棗18個品質(zhì)指標(biāo)比較

對采集自5個地區(qū)冬棗的18個品質(zhì)指標(biāo)進行統(tǒng)計，結(jié)果如表1所示。經(jīng)Tukey檢驗，各指標(biāo)均存在顯著的地區(qū)差異，其中新疆和田冬棗的SSC、VC、鈉、鐵含量均為最高，未檢出乙醇。山東沾化冬棗鎂、鉀、銅含量最高。山西臨猗冬棗可食率、錳、鋅含量最高，果皮色澤最為鮮紅。陜西大荔冬棗單果質(zhì)量、cAMP含量最高。河北黃驊冬棗可滴定酸與乙醛含量最低。根據(jù)前人報道的沾化冬棗VC含量[20]、天津大港冬棗VC、總糖、水分、鉀、鎂、鈉、鐵、鋅、錳、銅含量[7]，以及寧夏靈武市的冬棗單果質(zhì)量、縱徑、橫徑、硬度、SSC、可滴定酸、VC含量[8]，表明本實驗結(jié)果均在合理范圍之內(nèi)。

表1 不同地區(qū)冬棗18個品質(zhì)指標(biāo)統(tǒng)計Table 1 Statistics of 18 quality indexes of winter jujube from different production regions

2.2 相關(guān)性分析

由相關(guān)性分析結(jié)果（表2）可知，冬棗各品質(zhì)指標(biāo)間共有153個相關(guān)系數(shù)，在α=0.05水平上存在顯著相關(guān)的有6個，在α=0.01水平上存在顯著相關(guān)的有2個。其中VC和鎂含量呈顯著正相關(guān)（0.881），VC和鉀含量呈顯著正相關(guān)（0.897），含水量和SSC含量呈顯著負相關(guān)（-0.945），鎂和鉀含量呈顯著正相關(guān)（0.942），鉀和可滴定酸含量呈顯著負相關(guān)（-0.911），乙醇和乙醛含量呈顯著正相關(guān)（0.931）。鎂和銅含量呈極顯著正相關(guān)（0.981），錳和乙醛含量呈極顯著負相關(guān)（-0.967）。從相關(guān)性分析結(jié)果可知，各指標(biāo)間均存在不同程度的相關(guān)性，使得冬棗品質(zhì)評價結(jié)果會因品質(zhì)指標(biāo)所反映的信息重疊而不明確，這就需要對各品質(zhì)指標(biāo)進行分類、簡化[21]，從而提高冬棗品質(zhì)綜合評價結(jié)果的準(zhǔn)確性。

表2 冬棗品質(zhì)指標(biāo)相關(guān)性分析Table 2 Correlation analysis of quality indexes of winter jujube

2.3 PCA

PCA不僅能夠降低維度，而且能使變量之間的關(guān)系更加清晰[22]。碎石圖（圖1）可用于確定PC的最佳個數(shù)。PC數(shù)的確定要求既滿足數(shù)據(jù)的降維又能包括原始數(shù)據(jù)的大部分信息，累計方差貢獻率通常反映PC所包含的原始信息的比率。數(shù)據(jù)經(jīng)最大方差法旋轉(zhuǎn)后，各因子的載荷值更接近于0或1，可以更好地解釋歸納出各PC下的因子。旋轉(zhuǎn)后的PCA結(jié)果見表3，本實驗根據(jù)累計貢獻率不低于80%的原則，明確PC數(shù)。因此，由于特征值＞1的前4個PC累計方差貢獻率達100%，基本綜合了原始數(shù)據(jù)的信息，可代表冬棗品質(zhì)指標(biāo)。

圖1 PCA碎石圖Fig.1 Scree plot of principal component analysis

由表3可知，PC1的方差貢獻率為37.689%，其中，貢獻最大的是鉀，其次是鎂、銅、可滴定酸和VC，主要反映冬棗的營養(yǎng)品質(zhì)，也在一定程度上反映了冬棗的酸度。PC2的方差貢獻率為27.329%，綜合乙醇、乙醛、錳和果皮色澤的信息，主要反映冬棗的氣味和色澤。PC3的方差貢獻率為21.311%，綜合了硬度、鈉和單果質(zhì)量的信息。PC4的方差貢獻率為13.670%，綜合了SSC、含水量和cAMP的信息。

表3 PC旋轉(zhuǎn)成分矩陣Table 3 Rotational component matrix

PCA法是利用降維的思想，將多個變量轉(zhuǎn)化為少數(shù)幾個不相關(guān)的綜合變量的多元統(tǒng)計方法，其目的是通過降維，去除眾多信息中相互重疊的信息[23]，已被廣泛應(yīng)用于果蔬、藥材等品質(zhì)指標(biāo)篩選和品質(zhì)綜合評價研究中[23-26]。根據(jù)PCA結(jié)果，以4個PC對應(yīng)的方差相對貢獻率為權(quán)重，將各產(chǎn)地PC得分和相應(yīng)的權(quán)重進行線性加權(quán)求和，計算各地區(qū)冬棗的綜合評價得分，綜合得分越高表示該地區(qū)冬棗品質(zhì)越好[16]。5個地區(qū)冬棗在各PC下的得分、綜合得分及綜合排名結(jié)果見表4?？芍?個冬棗主產(chǎn)地按綜合排序從高到低依次為新疆和田、山東沾化、山西臨猗、陜西大荔和河北黃驊，表明新疆和田和山東沾化是冬棗的優(yōu)勢產(chǎn)區(qū)。

表4 不同地區(qū)冬棗的PC得分Table 4 Principal component scores of winter jujube from different regions

2.4 品質(zhì)指標(biāo)的聚類分析

系統(tǒng)聚類分析是最常用的無監(jiān)督模式識別技術(shù)之一，是一種基于相似性對樣本進行分層分組的方法，無需使用先驗信息[14]。根據(jù)PCA結(jié)果，采用組間聯(lián)接和平方Euclidean距離對冬棗的18個品質(zhì)評價指標(biāo)的載荷系數(shù)進行系統(tǒng)聚類分析，通過聚類把冬棗品質(zhì)指標(biāo)中相關(guān)性較強的指標(biāo)優(yōu)先聚在一起，單獨分為一類的指標(biāo)具有相對獨立性。聚類分析結(jié)果見圖2。結(jié)果表明，在類間距離為15時，上述指標(biāo)被分為5類，第1類包括鎂、銅、鉀、VC、鐵、鈉、SSC；第2類包括可食率、鋅、錳；第3類包括單果質(zhì)量、硬度、cAMP；第4類包括乙醇、乙醛；第5類包括果皮色澤、可滴定酸、含水量。

由相關(guān)性分析可知，同聚為一類的冬棗品質(zhì)指標(biāo)間具有密切的相關(guān)性，可選用一個或幾個指標(biāo)代表其他指標(biāo)，予以簡化；再根據(jù)冬棗有關(guān)指標(biāo)要求和實際情況，分別在每一類中篩選出具有代表性的特征指標(biāo)。在第1類中，VC、鎂、鉀彼此間均呈顯著正相關(guān)，由于鉀貢獻率最大，故排除鎂和VC，鈉、鐵、銅貢獻率相對較低故也排除，SSC是重要的食味品質(zhì)指標(biāo)故保留，最終選擇鉀和SSC為特征指標(biāo)；在第2類中，錳的貢獻率最大，與鉀共同反映冬棗的營養(yǎng)品質(zhì)；在第3類中，單果質(zhì)量與硬度反映冬棗的外觀和口感，故選擇單果質(zhì)量和硬度作為第3類的特征指標(biāo)；在第4類中，乙醇和乙醛含量具有顯著相關(guān)性，乙醛貢獻率相對較低故排除該指標(biāo)，因此選擇乙醇為特征指標(biāo)；第5類中，色澤是決定冬棗外觀品質(zhì)的重要指標(biāo)，含水量反映冬棗的食味品質(zhì)，因此選擇色澤和含水量為第5類的特征指標(biāo)。綜上，可將冬棗品質(zhì)評價指標(biāo)簡化為SSC、鉀、錳、單果質(zhì)量、硬度、乙醇、色澤和含水量8個特征指標(biāo)。

圖218 個品質(zhì)指標(biāo)聚類圖Fig.2 Dendrogram obtained by clustering analysis of 18 quality indexes

2.5 不同產(chǎn)地冬棗中核心品質(zhì)指標(biāo)的判別分析

Fisher線性判別分析廣泛應(yīng)用于不同產(chǎn)地的樣品的區(qū)分，實現(xiàn)產(chǎn)品的溯源[27-30]。本實驗根據(jù)篩選的8個特征指標(biāo)，利用Fisher線性判別分析對2020年我國5個主產(chǎn)區(qū)的冬棗樣品進行產(chǎn)地鑒別（圖3）。由表5可知，8個特征指標(biāo)可以成功區(qū)分山西臨猗、陜西大荔、河北黃驊、新疆和田和山東沾化的冬棗樣品，且該方法對5個地區(qū)冬棗的整體正確判別率為100.0%。交叉驗證結(jié)果顯示，5個地區(qū)的冬棗的正確判別率為97.2%，其中山西臨猗有75.0%的樣品被正確識別，陜西大荔、河北黃驊、新疆和田和山東沾化所有樣品均被正確區(qū)分。交叉檢驗的錯判率為2.8%＜10%，滿足誤判率要求。

圖35 個冬棗主產(chǎn)地的Fisher判別分類圖Fig.3 Fisher discriminant classification of winter jujube from five main production areas

表55 個冬棗主產(chǎn)地的Fisher判別結(jié)果Table 5 Fisher discriminant results of winter jujube from five major production areas

3 結(jié) 論

采集了我國5個主產(chǎn)地的冬棗樣品，并對其18個品質(zhì)指標(biāo)進行分析，通過多重比較得知各指標(biāo)均存在顯著的地區(qū)差異。采用PCA對不同地區(qū)冬棗的18個品質(zhì)性狀進行研究，提取前4個PC，累計貢獻率達到100.0%。PCA對5個地區(qū)冬棗進行品質(zhì)評價，按綜合排序從高到低依次為新疆和田、山東沾化、山西臨猗、陜西大荔和河北黃驊，表明新疆和田和山東沾化是冬棗的優(yōu)勢產(chǎn)區(qū)。對結(jié)果進一步采用系統(tǒng)聚類，結(jié)合相關(guān)性和PCA結(jié)果，篩選出SSC、鉀、錳、單果質(zhì)量、硬度、乙醇、色澤和含水量8個特征指標(biāo)。再利用8個特征指標(biāo)經(jīng)Fisher判別分析對冬棗產(chǎn)地進行區(qū)分，結(jié)果表明整體正確判別率為100.0%，交叉檢驗的正確判別率為97.2%。因此表明篩選的8個特征指標(biāo)可作為山西臨猗、陜西大荔、河北黃驊、新疆和田和山東沾化5個主產(chǎn)地溯源的特征指標(biāo)，這將在冬棗生產(chǎn)實踐中具有重要意義。