基于主成分分析法的不同品種黃瓜綜合品質(zhì)分析與評(píng)價(jià)

高玨曉，郭 瑩，徐蓓蓓，王仁杰，王興翠，李美芹*，張 云

（1.全國(guó)蔬菜質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中心，山東 壽光 262700；2.濰坊科技學(xué)院，山東 壽光 262700；3.壽光日?qǐng)?bào)傳媒有限公司，山東 壽光 262700)

黃瓜（L.），別名胡瓜，屬葫蘆科甜瓜屬1年生攀緣草本植物，以其新鮮的風(fēng)味，酥脆的口感和豐富的營(yíng)養(yǎng)而受到消費(fèi)者的喜愛。當(dāng)前，人們對(duì)黃瓜品質(zhì)的認(rèn)知主要限于商品品質(zhì)，即黃瓜的外觀和形狀，但其風(fēng)味品質(zhì)和營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)其實(shí)更重要。

不同學(xué)者對(duì)黃瓜營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)的看法不盡相同。喬宏宇發(fā)現(xiàn)黃瓜的粗蛋白、維生素C、可溶性糖和可溶性固形物占營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)的94.48%，其中可溶性固形物對(duì)營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)有重要影響?？掠碌日J(rèn)為黃瓜的品質(zhì)指標(biāo)主要包括可溶性固形物、可溶性糖、維生素C、蛋白質(zhì)、干物質(zhì)和硬度。但王立霞等指出，黃瓜的營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)指標(biāo)除了可溶性固形物、可溶性糖、可溶性蛋白、維生素C、游離氨基酸外，還包括可滴定酸、硝酸鹽和鞣質(zhì)。此外，黃瓜風(fēng)味與其獨(dú)特的香氣和一些非揮發(fā)性物質(zhì)密切相關(guān)。影響風(fēng)味的非揮發(fā)性物質(zhì)主要是指可溶性糖、可溶性固形物、有機(jī)酸、維生素C、單寧等。黃瓜風(fēng)味品質(zhì)測(cè)定主要依靠感官評(píng)價(jià)和儀器測(cè)定。感官評(píng)價(jià)可以從香氣、味道和喜好等方面全面評(píng)估果實(shí)品質(zhì)，但存在易受感官評(píng)價(jià)人員主觀因素影響的缺點(diǎn)。儀器測(cè)定主要用于定性和定量分析營(yíng)養(yǎng)元素、色素和有毒物質(zhì)的含量，比如維生素C、有機(jī)酸、礦物質(zhì)、硝酸鹽等。

目前，國(guó)內(nèi)對(duì)黃瓜品質(zhì)的研究重點(diǎn)大多在于施肥方法、砧木嫁接、栽培基質(zhì)等對(duì)果實(shí)品質(zhì)的影響上，很少通過綜合黃瓜的營(yíng)養(yǎng)和風(fēng)味品質(zhì)來(lái)對(duì)黃瓜品質(zhì)開展評(píng)價(jià)。本研究選取10個(gè)不同外形、營(yíng)養(yǎng)、風(fēng)味的黃瓜品種，對(duì)其可溶性糖、果糖、葡萄糖等12個(gè)品質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行儀器測(cè)定，分析各指標(biāo)間的差異性和相關(guān)性，并通過主成分分析對(duì)黃瓜的風(fēng)味品質(zhì)進(jìn)行排名，為初步開展黃瓜品質(zhì)評(píng)價(jià)工作提供了思路和方向。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

1.1.1 供試品種

供試10個(gè)黃瓜品種的名稱、特性及其來(lái)源見表1，統(tǒng)一種植于全國(guó)蔬菜質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中心研發(fā)基地，5月14日起陸續(xù)采收。

表1 供試黃瓜品種特性及來(lái)源

1.1.2 儀器與設(shè)備

日本ATAGO公司PAL-1手持型糖度儀，購(gòu)自廣州市愛宕科學(xué)儀器有限公司；UV5200PC紫外分光光度計(jì)，購(gòu)自上海元析儀器有限公司；YS6060臺(tái)式分光測(cè)色儀，購(gòu)自深圳市三恩時(shí)科技有限公司；氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用分析儀（GC-MS）ISQ，購(gòu)自賽默飛世爾科技公司。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 品質(zhì)指標(biāo)測(cè)定

每個(gè)品種隨機(jī)挑選達(dá)到食用程度的外觀新鮮整齊的10條黃瓜，切塊后用組織搗碎機(jī)攪碎，用于指標(biāo)測(cè)定，每項(xiàng)指標(biāo)重復(fù)3次?？扇苄怨绦挝锖繀⒄誑Y/T 2637—2014測(cè)定；可溶性糖含量參照NY/T 1278—2007測(cè)定；總酸含量參照GB/T 12456—2021測(cè)定；維生素C含量參照GB 5009.86—2016中的2,6-二氯靛酚滴定法測(cè)定；蛋白質(zhì)含量參照GB 5009.5—2016中的分光光度法測(cè)定；單寧含量參照NY/T 1600—2008測(cè)定；葡萄糖、果糖、蔗糖、檸檬酸、蘋果酸以及氨基酸的含量參照張紅艷等的方法測(cè)定。

1.2.2 各指標(biāo)差異性和相關(guān)性分析

利用SPSS 16.0對(duì)黃瓜的12個(gè)品質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行差異顯著性分析，利用Pearson相關(guān)分析法進(jìn)行相關(guān)性分析。

1.2.3 各指標(biāo)主成分分析

指標(biāo)間存在顯著差異且存在一定相關(guān)性，進(jìn)行主成分分析才有意義。將10種黃瓜的9個(gè)風(fēng)味品質(zhì)指標(biāo)利用SPSS 16.0中的因子分析進(jìn)行主成分分析，得到其kmo＝0.586＞0.5，顯著性為0.000，故適合做主成分分析。

為了更好地解釋各品質(zhì)指標(biāo)與主成分因子之間的關(guān)系，將所提取的主成分因子進(jìn)行旋轉(zhuǎn)處理，其載荷值大小反映各變量在主成分中的重要程度。為了消除不同單位和數(shù)據(jù)的影響，必須對(duì)各指標(biāo)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，構(gòu)建2個(gè)主成分模型，用2個(gè)新的綜合指標(biāo)來(lái)代替原來(lái)的9個(gè)品質(zhì)指標(biāo)對(duì)不同品種黃瓜品質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)，得到黃瓜中前2個(gè)主成分的得分函數(shù)表達(dá)式。

式中，F(xiàn)1代表第1主成分，F(xiàn)2代表第2主成分。1代表果糖原始數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化以后的數(shù)值，以此類推，2代表葡萄糖，3代表可溶性糖，4代表蘋果酸，5代表氨基酸，6代表蔗糖，7代表檸檬酸，8代表單寧，9代表維生素C。

對(duì)各得分值與相應(yīng)特征值的方差貢獻(xiàn)率的乘積累加，得出不同黃瓜品種綜合評(píng)價(jià)指數(shù)F（F＝0.656F1＋0.155F2），以此來(lái)評(píng)價(jià)不同黃瓜的綜合品質(zhì)。

1.3 數(shù)據(jù)分析

采用SPSS 16.0和Excel 2010對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 品質(zhì)指標(biāo)差異性分析

從表2可以看出，可溶性固形物所占比重較高，是評(píng)價(jià)黃瓜品質(zhì)的主要指標(biāo)，不同品種黃瓜可溶性固形物含量介于3.7%～5.0%，變異系數(shù)為9.00%，說明品種間有一定差異；可溶性固形物含量最大的是維納斯，其次是托尼102、優(yōu)美和玉女。10種黃瓜可溶性糖含量變化區(qū)間為1.74%～2.36%，果糖含量變化區(qū)間在1 435.04～2 701.88 mg/kg，葡萄糖含量變化區(qū)間是1 385.56～2 960.22 mg/kg，蔗糖含量變化區(qū)間是567.29～712.42 mg/kg，其中果糖含量和葡萄糖含量的變異系數(shù)分別為20.97%和25.13%，都高于20%，說明品種間的差異較大，可溶性糖含量和蔗糖含量變異系數(shù)分別為10.52%和7.37%，說明品種間有一定差異?？扇苄蕴恰⑵咸烟呛凸呛孔罡叩钠贩N均是綠寶，其次是維納斯和托尼102，可溶性糖含量最低的是德瑞特975，葡萄糖、果糖含量最低的均是甘脆1號(hào)；蔗糖含量最高的品種是玉女，其次也是維納斯和托尼102，含量最低的是金童。

反映黃瓜酸味的指標(biāo)包括總酸、蘋果酸、檸檬酸。如表2所示，總酸含量的變化區(qū)間為0.88～1.24 g/kg，變異系數(shù)為9.97%；蘋果酸含量的變化區(qū)間是206.60～398.78 mg/kg，變異系數(shù)為18.36%；檸檬酸的含量變化區(qū)間是155.52～167.76 mg/kg，變異系數(shù)為2.55%。蘋果酸的變異系數(shù)較大，說明品種間差異較大；蘋果酸含量最高的品種是綠寶，其次是玉女和維納斯，含量最低的是甘脆1號(hào)。檸檬酸的變異系數(shù)較小，說明品種間差異很小。

反映黃瓜澀味的指標(biāo)為單寧，單寧含量的變化區(qū)間是96～140 mg/kg，變異系數(shù)為10.25%，說明品種間存在一定差異，單寧含量最高的品種是維納斯，最低的是金童（表2）。

維生素C含量變化區(qū)間是95.4～163.0 mg/kg，變異系數(shù)為16.69%，說明品種間存在一定差異；維生素C含量最高的是維納斯，其次是綠寶和甘脆1號(hào)，含量最低的是傳奇778。蛋白質(zhì)含量的變化區(qū)間是1.02%～1.47%，變異系數(shù)為11.40%，品種間存在一定差異；蛋白質(zhì)含量最高的是優(yōu)美，其次是維納斯和金童，含量最低的是甘脆1號(hào)。氨基酸含量的變化區(qū)間是369.00～450.41 mg/kg，變異系數(shù)為6.95%，品種間有一定差異；含量最高的是綠寶，其次是托尼102和維納斯，含量最低的是甘脆1號(hào)（表2）。

表2 黃瓜品質(zhì)指標(biāo)差異性分析

2.2 品質(zhì)指標(biāo)相關(guān)性分析

如表3所示，首先，可溶性固形物含量與可溶性糖、果糖、葡萄糖、蔗糖含量均呈顯著正相關(guān)，可溶性糖含量與果糖、葡萄糖含量均呈極顯著正相關(guān)，與蔗糖含量呈顯著正相關(guān)，說明糖的各分項(xiàng)與可溶性固形物、可溶性糖密切相關(guān)；其次，蘋果酸含量與可溶性糖、果糖、葡萄糖含量均呈極顯著正相關(guān)，與蔗糖含量呈顯著正相關(guān)，檸檬酸含量?jī)H與可溶性糖呈顯著正相關(guān)，總酸含量與各類糖含量不相關(guān)；維生素C含量與可溶性固形物、可溶性糖、蔗糖均呈顯著正相關(guān)，說明維生素C含量越高的品種，其口感越甜；另外，氨基酸與可溶性糖、果糖、葡萄糖均呈極顯著正相關(guān)，與蘋果酸呈顯著正相關(guān)，說明氨基酸含量與黃瓜甜味有關(guān)的指標(biāo)密切相關(guān)。

表3 黃瓜品質(zhì)指標(biāo)相關(guān)性分析

2.3 品質(zhì)指標(biāo)主成分分析

表4所示的2個(gè)主成分的特征值均大于1，第2主成分F2累計(jì)方差貢獻(xiàn)率為81.157%（＞80%），能夠代表所有指標(biāo)的絕大部分信息，且綜合反映10種黃瓜品種的果實(shí)風(fēng)味特性，可以作為評(píng)價(jià)黃瓜風(fēng)味的綜合指標(biāo)。

表4 主成分的特征值和貢獻(xiàn)率

主成分在各品質(zhì)指標(biāo)上旋轉(zhuǎn)后的成分矩陣分析結(jié)果見表5。第1主成分主要綜合了果糖、葡萄糖、可溶性糖、蘋果酸、氨基酸（＞0.8）等，反映了黃瓜甜鮮味的良好口感品質(zhì)。第2主成分主要是單寧，反映了黃瓜澀味，即不良口感品質(zhì)。

表5 主成分在各品質(zhì)指標(biāo)上旋轉(zhuǎn)后的成分矩陣

為消除不同單位和數(shù)據(jù)的影響，必須對(duì)各指標(biāo)的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，轉(zhuǎn)化成均值為0、標(biāo)準(zhǔn)差為1的無(wú)量綱數(shù)據(jù)，結(jié)果如表6所示。

表6 不同品質(zhì)指標(biāo)原始數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化無(wú)量綱數(shù)據(jù)

不同品種黃瓜品質(zhì)預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)結(jié)果如表7所示，結(jié)果表明綜合評(píng)價(jià)指數(shù)（F）排名前3位的依次是維納斯、綠寶和托尼102，得分最低的品種是德瑞特975。

表7 不同黃瓜品種品質(zhì)預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)結(jié)果

3 結(jié)論與討論

本試驗(yàn)探究了10種黃瓜的營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)和風(fēng)味品質(zhì)的差異性，并對(duì)所有的品質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)性分析，對(duì)反映黃瓜風(fēng)味的指標(biāo)進(jìn)行主成分分析，篩選了最佳風(fēng)味的黃瓜品種。結(jié)果表明，可溶性固形物含量最大的是維納斯，其次是托尼102、玉女和優(yōu)美，最低的是德瑞特975。鮮食黃瓜會(huì)有甜味，是因?yàn)榭扇苄蕴呛枯^高。可溶性糖是部分蔬菜和水果的重要營(yíng)養(yǎng)組成部分，也是衡量果實(shí)甜度和風(fēng)味的一個(gè)重要指標(biāo)?？扇苄蕴堑闹饕煞钟衅咸烟?、果糖和蔗糖。在本試驗(yàn)中，可溶性糖、葡萄糖和果糖含量最高的品種均是綠寶，其次是維納斯和托尼102，最低的分別是德瑞特975、甘脆1號(hào)和甘脆1號(hào)；蔗糖含量最高的品種是玉女，其次也是維納斯和托尼102，最低的是金童。其中，葡萄糖和果糖含量的變異系數(shù)都高于20%，說明品種間的差異較大。相關(guān)性分析結(jié)果表明，可溶性固形物含量與果糖、葡萄糖、蔗糖、可溶性糖含量均呈顯著正相關(guān)，可溶性糖含量與果糖、葡萄糖含量均呈極顯著正相關(guān)，與蔗糖含量呈顯著正相關(guān)。

有機(jī)酸在水果和部分蔬菜中也是重要組成部分。參試10種黃瓜中總酸含量最高的是金童，其次是維納斯和甘脆1號(hào)，最低的是德瑞特975。總酸含量與各類糖含量不存在顯著相關(guān)性，蘋果酸含量在各品種間的差異較大，變異系數(shù)為18.36%，含量最高的品種是綠寶，其次是玉女和維納斯，最低的是甘脆1號(hào)。相關(guān)性分析結(jié)果顯示，蘋果酸含量與果糖、葡萄糖、可溶性糖含量均呈極顯著正相關(guān)，與蔗糖含量呈顯著正相關(guān)；相反，各品種間檸檬酸含量差異不明顯，其僅與可溶性糖呈顯著正相關(guān)。有研究表明檸檬酸高的品種，酸味更加濃郁，而蘋果酸則能夠增強(qiáng)人體口腔對(duì)甜味的感知。單寧含量最高的是維納斯，其次是傳奇778和德瑞特975，最低的是金童。由美千惠認(rèn)為黃瓜果實(shí)呈現(xiàn)澀味是因?yàn)橹参矬w內(nèi)的單寧所導(dǎo)致的，但王立霞等認(rèn)為鞣質(zhì)是鮮食果蔬中澀味的主要來(lái)源。

由于人體不能合成維生素C，因此在日常的飲食中攝入維生素C對(duì)人體非常重要。本試驗(yàn)表明，維生素C含量在各品種間均存在差異。維生素C含量最高的是維納斯，其次是綠寶和甘脆1號(hào)，最低的是傳奇778。相關(guān)性分析顯示，維生素C含量與可溶性固形物、可溶性糖、蔗糖均呈顯著正相關(guān)，說明維生素C含量越高的品種，其口感也越甜。這與張秀榮等對(duì)8個(gè)華南型黃瓜品種的研究結(jié)果正好正相反，這可能與黃瓜品種類型、種植地理位置及土壤環(huán)境不同有關(guān)。

蛋白質(zhì)含量最高的是優(yōu)美，其次是維納斯和金童，最低的是甘脆1號(hào)。氨基酸含量在品種間差異較小，含量最高的是綠寶，最低的也是甘脆1號(hào)。氨基酸不僅維持著人體必要的生理活動(dòng)，而且在食品的風(fēng)味里也占據(jù)不可或缺的位置，呈現(xiàn)出不同的風(fēng)味，從而影響食物口感；另外，氨基酸含量與其蛋白質(zhì)含量存在聯(lián)系，氨基酸含量不足或者過剩會(huì)導(dǎo)致蛋白質(zhì)營(yíng)養(yǎng)作用下降。本試驗(yàn)中氨基酸含量與可溶性糖、葡萄糖、果糖含量均呈極顯著正相關(guān)，與蘋果酸呈顯著正相關(guān)，說明氨基酸含量的高低也影響人們對(duì)黃瓜甜味的感知。這與樊勇等的研究結(jié)果相近。

最后，將反映黃瓜風(fēng)味的品質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行主成分分析后發(fā)現(xiàn)，第1主成分主要綜合了可溶性糖、果糖、葡萄糖、氨基酸等良好口感品質(zhì)，第2主成分為單寧，即不良口感品質(zhì)。通過計(jì)算和綜合排名后，發(fā)現(xiàn)風(fēng)味品質(zhì)前3位的是維納斯、綠寶和托尼102，這3個(gè)品種的可溶性糖、葡萄糖、果糖和氨基酸含量均排名前3；風(fēng)味排名第1的是維納斯，其所有品質(zhì)指標(biāo)值都排名前3，風(fēng)味排名最后的德瑞特975，有5個(gè)品質(zhì)指標(biāo)值都排名最后，說明該評(píng)價(jià)方法和評(píng)價(jià)指數(shù)能在一定程度上反映黃瓜的綜合品質(zhì)。

高佳等對(duì)比分析了8個(gè)黃瓜品種在成都地區(qū)的采后外觀、營(yíng)養(yǎng)和風(fēng)味品質(zhì)性狀，最后經(jīng)隸屬函數(shù)分析進(jìn)行了綜合品質(zhì)排序。苗妍秀等也曾采用隸屬函數(shù)從生長(zhǎng)、葉片和果實(shí)等方面對(duì)黃瓜的綜合品質(zhì)進(jìn)行分析。雖然陳銀根對(duì)黃瓜果實(shí)可溶性糖含量的遺傳效應(yīng)進(jìn)行了初步研究，但目前尚無(wú)對(duì)黃瓜果實(shí)品質(zhì)指標(biāo)中的果糖、蔗糖、蘋果酸、檸檬酸等進(jìn)行差異性和相關(guān)性分析的詳細(xì)研究，也少有研究通過主成分分析的方法分析黃瓜的風(fēng)味指標(biāo)對(duì)綜合品質(zhì)的影響，除可溶性固形物、可溶性糖、維生素C、蛋白質(zhì)等營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)外，本研究重點(diǎn)關(guān)注了影響黃瓜風(fēng)味的各種糖、各種酸、氨基酸和單寧等指標(biāo)，更側(cè)重于從消費(fèi)者口感的角度來(lái)評(píng)價(jià)黃瓜品質(zhì)。在下一步的研究中，若能針對(duì)普通消費(fèi)者開展感官評(píng)價(jià)并進(jìn)行綜合分析，將促使黃瓜果實(shí)品質(zhì)得到更加科學(xué)和全面的評(píng)價(jià)。