香梨質(zhì)地的多面分析及綜合評價

婁來峰，吳杰*，張慧，呂吉光，楊雪梅

（石河子大學機械電氣工程學院/綠洲經(jīng)濟作物生產(chǎn)機械化教育部工程研究中心，新疆 石河子832003）

香梨質(zhì)地的多面分析及綜合評價

婁來峰，吳杰*，張慧，呂吉光，楊雪梅

（石河子大學機械電氣工程學院/綠洲經(jīng)濟作物生產(chǎn)機械化教育部工程研究中心，新疆 石河子832003）

針對市場上香梨質(zhì)地良莠不齊的現(xiàn)狀，為實現(xiàn)香梨質(zhì)地的綜合評價，對不同貯藏期香梨進行了質(zhì)地多面分析，并對測量所得的香梨質(zhì)地參數(shù)進行主成分分析和聚類分析。結(jié)果表明：果肉破裂力、硬度、彈性、黏聚性、咀嚼性、回復性、附著性7項質(zhì)地參數(shù)間具有顯著相關性(P＜0.05)，對質(zhì)地表達具有重復性，可提取3個主成分解釋原質(zhì)地87.39%信息；聚類分析將香梨質(zhì)地參數(shù)分為3個群集時，第1主成分代表群集2的咀嚼性，第2主成分代表群集1的破裂力、硬度，第3主成分代表群集3的附著性、彈性、黏聚性、回復性；通過對3個主成分加權求和計算可得到綜合評價香梨質(zhì)地的指數(shù)，該質(zhì)地指數(shù)隨貯藏時間呈明顯下降趨勢，可為香梨質(zhì)地分級檢測提供策略。

香梨；質(zhì)地多面分析；主成分分析；聚類分析；質(zhì)地指數(shù)；綜合評價

果實質(zhì)地是消費者對其內(nèi)部品質(zhì)感官評價的重要反映，質(zhì)構(gòu)儀可以模擬人咀嚼運動對果實進行兩次壓縮，并通過TPA獲得破裂力、硬度、彈性、黏聚性、附著性、咀嚼性等多項質(zhì)地參數(shù)［1-4］，可以消除傳統(tǒng)品評小組對果實質(zhì)地感官評價主觀性強、誤差較大的問題，而且與常規(guī)果實硬度計穿刺法檢測相比，對果實質(zhì)地評價則更為全面［5］。國內(nèi)外已有許多研究報道采用質(zhì)構(gòu)儀 TPA 法評價蘋果［6-7］、藍莓［8］、梨［9-10］的質(zhì)地。然而，質(zhì)構(gòu)儀測量的質(zhì)地參數(shù)過多，而且可能有部分參數(shù)存在相關性，對果實質(zhì)地表達解釋有重復和信息冗余［11-12］，這給數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析和質(zhì)地檢測模型的構(gòu)建帶來不便。而主成分分析是利用降維技術將多個參數(shù)轉(zhuǎn)化為一個或幾個主成分來代替原始參數(shù)的一種分析方法。而降維得到的這些主成分集中了原始參數(shù)的大部分信息，使其盡可能完整保留信息［13-14］。有研究采用此方法對多個質(zhì)地參數(shù)進行降維已達到對梨［11］、蘋果［15］質(zhì)地性狀的分析，但未采用加權求和的方法對質(zhì)地進行綜合評價。

因此，針對市場上香梨質(zhì)地良莠不齊的現(xiàn)狀，為實現(xiàn)香梨質(zhì)地的綜合評價，本文采用TPA測試方法獲取各質(zhì)地參數(shù)，并采用主成分分析和聚類分析相結(jié)合的方法對具有相關性的質(zhì)地參數(shù)進行降維對香梨質(zhì)地參數(shù)進行降維，再通過對提取的主成分進行加權求和以達到對香梨質(zhì)地進行綜合評價，為香梨質(zhì)地分級檢測提供策略。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

香梨于2016年9月15日青熟期（果肉蠟質(zhì)較厚，果皮呈黃綠色，有芳香）采摘，采自庫爾勒市阿瓦提鄉(xiāng)梨園。剔除有病蟲害、受損傷及畸形果實，采后存放于溫度為（-2-0）℃，相對濕度為（90±5）%的環(huán)境下保鮮待用。試驗前取出試樣并在室溫（23±1）℃下回溫至室溫。

1.2 試驗設備

SPS402F型電子天平（精度0.01 g，上海奧豪斯儀器有限公司）；TA.XT plus型質(zhì)構(gòu)儀與其采集分析軟件Exponent 6.1.7.0（英國SMS公司）；數(shù)據(jù)處理分析軟件 SPSS 19.0、Minitab 16。

1.3 香梨質(zhì)地TPA測試

在香梨赤道部上均布的3個位置，用內(nèi)徑Φ14.7 mm的取樣器取3塊圓柱果肉，然后在果核和果皮間取樣，高度為10 mm。依據(jù)參考文獻［4,16］中的方法，采用Φ36 mm的探頭P36在接觸試樣前以2 mm/s的速度下降，接觸后以1 mm/s的速度進行第1次壓縮，試樣壓縮35%（3.5 mm）后，以2 mm/s的速度返回測試原點，停隔5 s后，再以第1次壓縮相同的條件進行第2次壓縮并返回到測試原點結(jié)束測試。圖1為香梨果肉的典型TPA曲線，通過Exponent 6.1.7.0分析軟件對TPA曲線自動計算獲取香梨果肉的破裂力、硬度、彈性、黏聚性、附著性、咀嚼性、回復性7項質(zhì)地參數(shù)。其中，破裂力反映了樣品的易碎性或脆度，用第1次壓縮產(chǎn)生明顯破裂的力F1表示，N［17］；硬度反映了牙齒擠壓果實時所感覺果肉整體致密和堅實的程度，用第1次壓縮過程的峰值力F2表示，N［16-17］；彈性感官上為人口腔臼齒碾磨果實的力度，用試樣在第1次壓縮結(jié)束到第2次壓縮開始所經(jīng)歷的時間內(nèi)回復的高度表示，mm［18-19］；黏聚性是果肉抵抗咀嚼受損并緊密連接使果實保持完整的性質(zhì)，反映了果肉細胞間結(jié)合力的大小，用面積A4/(A1+A2)表示［18］；附著性感官上為果粒對上顎、牙齒、舌頭等接觸面黏著的性質(zhì)，反映了克服果肉同其它物質(zhì)接觸表面間吸引力所需要的能量，用面積A3表示，N·s［7,18］；咀嚼性反映了咀嚼果實達到可吞咽時所消耗的能量，用硬度、黏聚性和彈性的乘積表示，mJ［16-18］；回復性反映了果實第1次壓縮過程中回彈的能力，是第1次壓縮循環(huán)過程中返回樣品所釋放的彈性能與壓縮時探頭的耗能之比，用面積A2/A1表示［3］。

圖1 香梨果肉的典型質(zhì)地曲線Fig.1 Typical texture curve of pear flesh

1.4 統(tǒng)計分析方法

隨機選取160個香梨試樣，等分為8組。用取樣器在香梨的赤道部取3個樣本（每組總計60個樣本）進行TPA測試取平均值。每3天測試1次每次取一組，每組測試結(jié)果取平均值。

采用SPSS軟件對香梨果肉質(zhì)地參數(shù)進行線性相關性分析。

采用主成分分析對具有相關性的質(zhì)地參數(shù)進行降維，依據(jù)Kaiser準則提取所需的主成分，使其特征值大于1且總方差貢獻率達85%以上，用以集中解釋原始參數(shù)的大部分信息［20］。

采用離差平方和距離算法對質(zhì)地參數(shù)進行聚類分析，并結(jié)合主成分分析的結(jié)果描述所提取出的主成分表達的實際意義，最后通過公式（1）對確定的主成分進行質(zhì)地指數(shù)計算來綜合評價香梨質(zhì)地：

式中：FZ為質(zhì)地指數(shù)；λj為第j個主成分的特征值，p為質(zhì)地參數(shù)的個數(shù)，Sj為第j個主成分的得分。

2 結(jié)果與討論

2.1 香梨質(zhì)地參數(shù)隨時間的變化

結(jié)果如圖2所示，由圖2可見：香梨果肉附著性隨貯藏時間增加呈升高趨勢外，其它6項果肉質(zhì)地參數(shù)都隨貯藏時間增加而減?。▓D2c）；果肉硬度、破裂力、咀嚼性隨貯藏時間都以較為一致的趨勢較快下降（圖 2a、b、f）；果肉黏聚性、回復性在前 6 d變化不明顯，之后短暫驟降后呈逐漸減小趨勢（圖2e、g）；果肉彈性在前15 d內(nèi)變化很小，15 d后快速下降（圖 2d）。

圖2 質(zhì)地參數(shù)隨時間的變化Fig.2 Changes of texture parameters of pear with storage time

2.2 香梨質(zhì)地參數(shù)間的相關性分析

結(jié)果如表1所示，由表1可知：香梨果肉7項質(zhì)地參數(shù)均呈顯著性相關（P＜0.05），其中部分質(zhì)地參數(shù)之間存在極顯著性相關（P＜0.01），黏聚性與回復性相關性最高（r=0.896）。這表明7項質(zhì)地參數(shù)對香梨質(zhì)地存在大量重復性表達，需要通過主成分分析將質(zhì)地參數(shù)降維成較少的主成分來綜合表達香梨的質(zhì)地。

表1 香梨果肉質(zhì)地參數(shù)的相關系數(shù)Tab.1 Correlation coefficients among the texture parameters of pear flesh

2.3 香梨質(zhì)地參數(shù)的主成分分析及聚類分析

由質(zhì)地參數(shù)主成分分析碎石圖（圖3）可以看出，特征值大于1的主成分有3個，此外，主成分解釋總變量表（表 2）也顯示主成分Z1、Z2、Z3的特征值分別為3.77、1.39和 1.02，方差貢獻率分別為 53.80%、19.92%和13.68%。依據(jù)Kaiser準則，提取Z1、Z2、Z3這3個主成分代替破裂力、硬度、附著性、黏聚性、咀嚼性、回復性7項質(zhì)地參數(shù)完成質(zhì)地參數(shù)大部分信息的描述。

圖3 質(zhì)地參數(shù)主成分分析碎石圖Fig.3 Scree plot of principal component analysis of texture parameters

表2 主成分解釋總變量Tab.2 Total variance explained of principal component analysis

為了明確Z1、Z2、Z3這 3個主成分的實際意義，對香梨7項質(zhì)地參數(shù)聚類分析，結(jié)果見圖4。由圖4可知：與3個主成分對應，可將香梨質(zhì)地參數(shù)也分為3個群集，硬度和破裂力聚為群集1，咀嚼性聚為群集2，附著性、彈性、黏聚性和回復性聚為群集3。

圖4 質(zhì)地參數(shù)的聚類分析群集圖Fig.4 Dendrogram of cluster analysis of texture parameters

圖5為主成分分析的載荷圖，結(jié)合聚類分析結(jié)果可知：Z1與群集2的咀嚼性具有較高的相關性，主要反映了香梨果肉咀嚼過程牙齒所感知的果肉致密度和嚼勁［17-18］，Z1越大，香梨果肉越致密、越有嚼勁；Z2與群集1的硬度和破裂力兩個質(zhì)地參數(shù)相關性高，反映了咀嚼初始階段牙齒對果肉酥脆的觸感［17］，Z2越大，香梨酥脆感越強；Z3與群集3的附著性、彈性、黏聚性和回復性4個質(zhì)地參數(shù)相關性較高，反映了果肉柔韌細膩爽口的感覺［18］，Z3越大，香梨果肉越爽口。

圖5 質(zhì)地參數(shù)的主成分載荷圖Fig.5 Loading plot of principal component of texture parameters

2.4 香梨質(zhì)地的綜合評價

表 3為Z1、Z2、Z3這 3個主成分的得分矩陣，采用公式（2）計算確定不同貯藏期香梨的質(zhì)地指數(shù)，結(jié)果如圖6所示。

表3 質(zhì)地參數(shù)的3個主成分的得分矩陣Tab.3 Scores matrix of three principal components of texture parameters

圖6 香梨質(zhì)地指數(shù)隨貯藏時間的變化Fig.6 Change of texture index of pear with storage time

由圖6可以看出：香梨質(zhì)地指數(shù)隨著貯藏時間的增加呈明顯下降趨勢，且此質(zhì)地指數(shù)綜合了各質(zhì)地參數(shù)信息，較單個質(zhì)地參數(shù)表達了更多香梨質(zhì)地信息，因此也更適于綜合評價香梨果肉質(zhì)地的變化。

3 結(jié)論

（1）香梨果肉硬度、脆度、彈性、粘聚性、咀嚼性、回復性隨貯藏時間增加呈下降趨勢，而附著性隨貯藏時間增加呈上升趨勢，且部分質(zhì)地參數(shù)之間存在極顯著性相關（P＜0.01），對質(zhì)地表達具有重復性。

（2）采用主成分分析對參數(shù)進行降維提取表達原信息87.39%的3個主成分，并對提取的主成分進行加權求和得到香梨質(zhì)地指數(shù)，所得的質(zhì)地指數(shù)隨著貯藏時間的增加明顯呈下降趨勢，因此可實現(xiàn)對香梨質(zhì)地的綜合評價，并為香梨質(zhì)地分級檢測分類及育種提供策略。

［1］Nadulski R.Methodological aspects of food texture measurements using TPA test ［J］.International Agrophysics,2000,14(2):207-214.

［2］Chen L,Opara U L.Approaches to analysis and modeling texture in fresh and processed foods–a review［J］.Journal of Food Engineering,2013,119(3):497-507.

［3］孫彩玲,田紀春,張永祥.TPA質(zhì)構(gòu)分析模式在食品研究中的應用［J］.實驗科學與技術,2007,5(2):1-4.

Sun C L,Tian J C,Zhang Y X.Application of TPA test mode in the study of food［J］.Experiment Science&Technology,2007,5(2):1-4.

［4］劉亞平,李紅波.物性分析儀及TPA在果蔬質(zhì)構(gòu)測試中的應用綜述［J］.山西農(nóng)業(yè)大學學報（自然科學版）,2010,30(2):188-192.

Liu Y P,Li H B.Review on the application of texture analyzer and TPA in the assessment for fruits and vegetables texture［J］.Journal of Shanxi Agricultural University(Nature Science Edition),2010,30(2):188-192.

［5］Contador L,Shinya P,Infante R.Texture phenotyping in fresh fleshy fruit［J］.Scientia Horticulture,2015,193:40-46.

［6］Li G,Ren Y,Ren X,et al.Non-destructive measurement of fracturability and chewiness of apple by FT-NIRS［J］.Journal of Food Science and Technology,2015,52(1):258-266.

［7］潘秀娟,屠康.質(zhì)構(gòu)儀質(zhì)地多面分析（TPA）方法對蘋果采后質(zhì)地變化的檢測［J］.農(nóng)業(yè)工程學報,2005,21(3):166-170.

Pan X J,Tu K.Comparison of texture properties of postharvested apples using texture profile analysis［J］.Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE),2005,21(3):166-170.

［8］Hu M H,Dong Q L,Liu B L,et al.Estimating blueberry mechanical properties based on random frog selected hyperspectral data［J］.Postharvest Biology and Technology,2015,106(10):1-10.

［9］孟陸麗,張謙益,吳洪華,等.TPA試驗測試梨果肉質(zhì)地研究［J］.食品科技,2006,4(10):283-286.

Meng L L,Zhang Q Y,Wu H H,et al.Study on pear′s texture by TPA test ［J］.Food Science and Technology,2006,4(10):283-286.

［10］高海生,賈艷茹,魏建梅,等.用物性分析儀檢測鴨梨和京白梨果實采后質(zhì)地的變化［J］.園藝學報,2012,39(7):1359-1364.

Gao H S,Jia Y R,Wei J M,et al.Studies on the postharvested fruit texture changes of‘Yali’and‘Jingbaili’pears using texture analyzer ［J］.Acta Horticulturae Sinica,2012,39(7):1359-1364.

［11］王艷霞,王曉曼,關軍鋒.梨果肉質(zhì)地性狀分析［J］.中國農(nóng)業(yè)科學,2014,47(20):4056-4066.

Wang Y X,Wang X M,Guan J F.Flesh texture characteristic analysis of pear ［J］.Scientia Agricultura Sinica,2014,47(20):4056-4066.

［12］Costa F,Cappellin L,Longhi S,et al.Assessment of apple(Malus×domestica Borkh.)fruit texture by a combined acoustic-mechanical profiling strategy［J］.Postharvest Biology and Technology,2011,61(1):21-28.

［13］杜強,賈艷麗,嚴先鋒.SPSS 統(tǒng)計分析從入門到精通［M］.北京:人民郵電出版社,2014:155-165.

［14］薛香,郜慶爐,楊忠強.小麥品質(zhì)性狀的主成分分析［J］.中國農(nóng)學通報,2011,27(7):38-41.

Xue X,Gao Q L,Yang Z Q.Principal components analysis on major quality traits of winter wheat［J］.Chinese Agricultural Science Bulletin,2011,27(7):38-41

［15］公麗艷,孟憲軍,劉乃僑,等.基于主成分與聚類分析的蘋果加工品質(zhì)評價［J］.農(nóng)業(yè)工程學報,2014,30(13):276-285.

Gong L Y,Meng X J,Liu N Q,et al.Evaluation of apple quality based on principal component and hierarchicalcluster analysis［J］.Transactions of the CSAE,2014,30(13):276-285.

［16］殷冬梅,張幸果,王允,等.花生主要品質(zhì)性狀的主成分分析與綜合評價［J］.植物遺傳資源學報,2011,12(4):507-512.

Yin D M,Zhang X G,Wang Y,et al.Principal component analysis and comprehensive evaluation on quality traits of peanut parents［J］.Journal of Plant Genetic Resources,2011,12(4):507-512

［17］宋江峰,李大婧,劉春泉,等.甜糯玉米軟罐頭主要揮發(fā)性物質(zhì)主成分分析和聚類分析［J］.中國農(nóng)業(yè)科學,2010,43(10):2122-2131.

Song J F,Li D J,Liu C Q,et al.Principal components analysis and cluster analysis of flavor compositions in waxy corn soft can［J］.Scientia Agricultura Sinica,2010,43(10):2122-2131.

［18］楊玲,肖龍,王強,等.質(zhì)地多面分析（TPA）法測定蘋果果肉質(zhì)地特性［J］.果樹學報,2014,31(5):977-985.

Yang L,Xiao L,Wang Q,et al.Study on texture properties of apple flesh by using texture profile analysis［J］.Journal of Fruit Science,2014,31(5):977-985.

［19］周祖鍔.農(nóng)業(yè)物料學［M］.北京:農(nóng)業(yè)出版社,1990:64

［20］Franklin S B,Gibson D J,Robertson P A,et al.Parallel analysis:a method for determining significant principal components［J］.Journal of Vegetation Science,1995,6(1):99-106.

Principal component analysis and comprehensive evaluation of Korla pear texture

LOU Laifeng,WU Jie*,ZHANG Hui,LV Jiguang,YANG Xuemei
(1 College of Mechanical and Electrical Engineering/Research Center of Agricultural Mechanization for Economic Crop in Oasis,Ministry of Education,Shihezi University,Shihezi,Xinjiang 832003,China)

Texture profile analysis (TPA)was conducted for pears at different storage period.Then,principal component analysis and cluster analysis method were combined to comprehensively evaluate texture of Korla pear.The results showed that the 7 texture parameters had a decreasing tendency significantly with the storage time excepted adhesiveness and there had significant correlations(P＜0.05)among 7 texture parameters of fracturability,hardness,springiness,cohesiveness,chewiness,resilience and adhesiveness,indicating that 7 parameters expressed repetitively about pear texture.Three principal components were extracted to explain texture of Korla pear,which could reflect 87.39%of the information of original variables.When the TPA parameters were divided into 3 cluster by cluster analysis,the first principal component was related to Cluster 2,representing chewiness.The second principal component was related to Cluster 1,representing fracturability and hardness.The third principal component was related to Cluster 3,representing adhesiveness,springiness,cohesiveness and resilience.The comprehensive evaluation texture index of Korla pear was calculated with the weighted sum of three principal components,which showed a decreasing tendency significantly with the storage time.It can provide the basis for the destructive grading of Korla pear texture.

Korla pear;texture profile analysis;principal component analysis;cluster analysis;texture index;comprehensive evaluation

TS255.1

A

10.13880/j.cnki.65-1174/n.2017.03.0018

1007-7383(2017)03-0373-05

2017-01-14

國家自然科學基金項目（31560476）

婁來峰（1990-），男，碩士研究生，專業(yè)方向為農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)檢測。

*通信作者：吳杰（1972-），教授，從事農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)安全與檢測研究，e-mail：wjshz@126.com。