基于主成分分析的10個葡萄品種果實營養(yǎng)元素比較

任曉琴，文昊，薛曉琦，王芝學(xué)，楊靜慧，劉艷軍

（1. 天津農(nóng)學(xué)院 園藝園林學(xué)院，天津 300392；2. 天津市農(nóng)業(yè)科學(xué)院果樹研究所，天津 300384）

葡萄（Vitis viniferaL.）是葡萄科葡萄屬藤本植物，在我國分布廣泛，栽培歷史悠久[1]，因富含有機(jī)酸、維生素等具有較高的營養(yǎng)、藥用價值和保健價值[2]，深受消費者青睞。目前葡萄是世界上栽培面積最大、產(chǎn)量最高的果樹之一，2018年世界葡萄總產(chǎn)量維持在2 274.2萬t，我國葡萄種植面積約為80.0萬hm2[3]。隨著天津地區(qū)農(nóng)業(yè)的不斷發(fā)展，葡萄種植成為當(dāng)?shù)氐囊淮笾饕a(chǎn)業(yè)[4]。

主成分分析用少數(shù)幾個綜合指標(biāo)來代表眾多指標(biāo)，彼此間相互獨立，又能綜合反映原來多個指標(biāo)的大部分信息[5]。這是目前對多個指標(biāo)進(jìn)行綜合分析的最廣泛應(yīng)用方法。MILOSˇEVIOˊ等[6]利用主成分分析，對43種歐洲李和12種丹森李的果實品質(zhì)及表型性狀進(jìn)行了研究；李偉等[7]采用主成分分析，評價不同地區(qū)35個品種楊梅的綜合品質(zhì)，篩選出品質(zhì)最佳的楊梅品種；董瓊等[8]采用主成分分析對7個不同種源樹番茄果實品質(zhì)進(jìn)行綜合分析，為樹番茄的良種篩選建立了果實品質(zhì)評價體系。目前國內(nèi)外對葡萄的研究主要在品種、外源處理對葡萄抗性及性狀的影響[9-10]和部分鮮食葡萄口感及風(fēng)味[11]等方面，尚未對不同品種葡萄果實中營養(yǎng)元素含量差異進(jìn)行過報道。

因此，本研究以10個葡萄品種果實為試材，分別測定了葡萄果實中硼、鉀、鈣、鎂、鐵、鋅6種營養(yǎng)元素含量，并運(yùn)用相關(guān)分析、主成分分析對葡萄品種營養(yǎng)元素進(jìn)行綜合評價，以期為葡萄營養(yǎng)診斷提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試葡萄品種為‘巨峰’‘陽光玫瑰’‘金手指’‘美人指’‘葡之夢’‘翡翠無核’‘小蜜蜂’‘紫甜無核’‘紅地球’和‘夏黑’。由天津茶淀葡萄科技園基地提供。

1.2 試驗方法

所選葡萄品種均為8年生露地栽培。試驗采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計，單臂籬架栽植，每個品種選擇10株，重復(fù)3次。株行距0.5 m×1.5 m。夏季多雨多采用搭棚來避雨栽培，冬季用保溫被保溫。

取樣及前處理方法：選擇生長健康、長勢基本一致的種植區(qū)域，采用“五點取樣法”確定樣株，從樣株上取得成熟度、外形基本一致的果實，采下立即放入10.5 cm×10.5 cm×4.5 cm的保鮮盒中，放入小型冰袋中，以備進(jìn)行果實營養(yǎng)元素測定；經(jīng)去離子水洗凈并擦干后的果實在105 ℃下殺青 30 min，降至 80 ℃烘干。烘干后研磨并過0.5 mm篩密封保存，于常溫下備用。

1.3 項目測定

有效鈣、鉀和有效鎂采用乙酸銨提取 ICPOES法測定、有效鐵和有效鋅采用 DTPA浸提ICP-OES法測定[12]；硼用沸水浸提-甲亞胺比色法測定[13]。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2019、SPSS 22.0軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行差異顯著性分析、相關(guān)性分析及主成分分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 10個葡萄品種中營養(yǎng)元素含量分析

由表1可知，10個葡萄品種的營養(yǎng)元素含量間均存在顯著差異。其中，硼含量最高的‘美人指’（46.956 mg/kg）與‘紅地球’（49.112 mg/kg）差異不顯著，而顯著高于其他葡萄品種，‘紫甜無核’的硼含量最低，為30.021 mg/kg。10個葡萄品種中，‘巨峰’果實中鉀含量最高，為4 395.390 mg/kg，且顯著高于其他9個葡萄品種，‘小蜜蜂’‘紫甜無核’‘紅地球’和‘夏黑’中鉀含量無顯著差異；鈣含量最高的為‘葡之夢’（796.253 mg/kg），與‘小蜜蜂’‘紅地球’‘夏黑’間無顯著差異，均顯著高于其他葡萄品種，鈣含量最低為‘翡翠無核’（158.965 mg/kg）；鐵含量最高的為‘夏黑’（11.254 mg/kg），與‘紅地球’（11.086 mg/kg）無顯著差異，均顯著高于其他品種，‘金手指’（4.568 mg/kg）、‘葡之夢’（3.425 mg/kg）、‘小蜜蜂’（1.852 mg/kg）和‘紫甜無核’（1.326 mg/kg）間無顯著差異，且‘紫甜無核’鐵含量最低；鎂含量最高為‘紅地球’（238.619 mg/kg），顯著高于其他品種，最低為‘夏黑’（70.063 mg/kg）；‘金手指’的鋅含量最低，為 1.456 mg/kg，最高為‘夏黑’（9.383 mg/kg），且‘夏黑’與‘紅地球’的鋅含量顯著高于其他葡萄品種。

表1 10個葡萄品種營養(yǎng)元素含量的比較

2.2 10個葡萄品種中營養(yǎng)元素間的相關(guān)性分析

僅通過營養(yǎng)元素的比較很難對10個不同葡萄品種進(jìn)行準(zhǔn)確的營養(yǎng)診斷，因此，繼續(xù)利用SPSS 22.0統(tǒng)計軟件對不同品種的6個營養(yǎng)元素（硼、鉀、鈣、鐵、鎂、鋅）進(jìn)行相關(guān)分析（表2）。其中，硼與鐵、鎂、鋅呈顯著正相關(guān)；鈣與鋅呈顯著正相關(guān)；鐵與鋅呈顯著正相關(guān)；且其他營養(yǎng)元素間差異不顯著。

表2 不同葡萄品種營養(yǎng)元素間相關(guān)性分析

由上得知，10個葡萄品種中所含6個營養(yǎng)元素之間均存在一定的相關(guān)性，因此需要進(jìn)一步采用主成分分析法對10個不同葡萄品種中的營養(yǎng)元素進(jìn)行簡化，從而進(jìn)一步評價。

2.3 10個葡萄品種中營養(yǎng)元素的主成分分析

用少數(shù)幾個綜合指標(biāo)來代表眾多指標(biāo)，綜合指標(biāo)彼此相互獨立，又能綜合反映原來變量的大部分信息。將10個不同葡萄品種的6個營養(yǎng)元素進(jìn)行主成分分析結(jié)果見表3，以特征根≥1為標(biāo)準(zhǔn)，提取了2個主成分，前2個主成分對營養(yǎng)元素的累積貢獻(xiàn)率之和為85.412%＞85%，說明這2個主成分可以涵蓋原始數(shù)據(jù) 85.412%的信息。其中，第1主成分的代表指標(biāo)為鋅（0.913）、硼（0.780）、鐵（0.742），特征值為2.877，貢獻(xiàn)率為57.954%，是最重要的主成分；第2主成分的代表指標(biāo)為鉀（0.664）、鈣（0.623），特征值為 1.467，貢獻(xiàn)率為34.458%。

表3 因子載荷矩陣、方差貢獻(xiàn)率及初始特征值

由圖1可知，前2個主成分的特征根＞1，圖1中前2個點連線較為陡峭，由此可以得出前2個主成分對原來變量的貢獻(xiàn)率最大。因此，進(jìn)一步驗證前2個主成分最為合理，能夠涵蓋10個葡萄品種中6種營養(yǎng)元素的主要信息。

圖1 主成分分析碎石圖

由表4可知，將因子得分以方差貢獻(xiàn)率為權(quán)數(shù)進(jìn)行加權(quán)求和，得到10個不同葡萄品種中營養(yǎng)元素的綜合得分，綜合排名為：‘美人指’＞‘紅地球’＞‘巨峰’＞‘陽光玫瑰’＞‘金手指’＞‘葡之夢’＞‘翡翠無核’＞‘夏黑’＞‘小蜜蜂’＞‘紫甜無核’，‘美人指’和‘紅地球’果實中營養(yǎng)元素含量較高。

表4 主成分因子得分及營養(yǎng)元素綜合得分

3 討論與結(jié)論

果實是果樹的栽培目的和最終的利用器官，果實營養(yǎng)元素的吸收和利用特性對調(diào)節(jié)果樹的營養(yǎng)需求至關(guān)重要[14]。果實中營養(yǎng)元素的含量可直接影響果實硬度、色澤等品質(zhì)指標(biāo)[15]，因此不同葡萄品種果實中營養(yǎng)元素含量的多少是營養(yǎng)診斷主要考慮因素之一。本試驗10個不同葡萄品種果實營養(yǎng)元素均存在一定的差異，主要原因之一是不同品種間營養(yǎng)元素含量本就存在差異；其二是不同品種分別用于樹體生長發(fā)育所消耗的營養(yǎng)量不同，導(dǎo)致在果實生長發(fā)育過程中形成的營養(yǎng)積累不同；其三是不同葡萄品種對土壤營養(yǎng)吸收程度不同，導(dǎo)致果實中的營養(yǎng)元素存在一定的差異。

在果實中不同營養(yǎng)元素都不是孤立存在的，一種元素的存在往往會引起其他元素的變化，元素必須達(dá)到各自平衡的比例關(guān)系，才能發(fā)揮其應(yīng)有的生理功能[16]。在本試驗中，硼與鐵、鎂、鋅呈顯著正相關(guān)；鈣與鋅呈顯著正相關(guān)；鐵與鋅呈顯著正相關(guān)?？梢?，鈣、鋅與鋅、鐵都是葡萄果實中某些酶的組成元素，兩兩間具有協(xié)同性，在一些代謝反應(yīng)中，相互配合，共同完成各項代謝作用，進(jìn)一步促進(jìn)葉綠素和碳水化合物的形成。

經(jīng)主成分分析，將10個葡萄品種的6種果實營養(yǎng)元素進(jìn)行降維，提取了2個主成分，累積方差貢獻(xiàn)率達(dá)到 85.412%。第一主成分以鋅、硼、鐵貢獻(xiàn)最大；第二主成分以鉀、鈣貢獻(xiàn)最大；同時綜合得出葡萄品種中所含營養(yǎng)元素最高的為‘美人指’，其次是‘紅地球’‘巨峰’‘陽光玫瑰’‘金手指’‘葡之夢’‘翡翠無核’‘夏黑’‘小蜜蜂’‘紫甜無核’。本試驗通過比較10個不同葡萄品種的營養(yǎng)元素能夠為葡萄營養(yǎng)診斷提供理論依據(jù)。同時在實際應(yīng)用中，為篩選優(yōu)良葡萄品種和產(chǎn)品加工等方面提供一定的幫助。