基于主成分分析法評價巫山脆李食用品質

郝麒麟，黃先智，賀燕，韋錚，丁曉雯*

1(西南大學 食品科學學院，重慶, 400716) 2(西南大學 科技處，重慶, 400716)

李子，薔薇科李屬植物，是我國最古老的果樹樹種之一。據(jù)世界糧農組織統(tǒng)計，2017年，我國李子種植面積達198.7萬hm2，占全球總和的75.8%；產量達680.4萬t，占全球的57.8%，均位列世界第一[1]。重慶地處長江中上游，氣候溫和濕潤，地理條件適宜，已有上千年的李子栽種歷史，目前重慶的李子種植面積達7.63萬hm2，產量52.3萬t，是重慶第二大水果[1]。巫山縣地處渝東北，為亞熱帶季風性濕潤氣候，年均氣溫18.4 ℃，年均降水量1 041 mm，氣候溫和，降水充足[2]。巫山脆李是巫山縣的特色水果，是由青脆李品種經長期自然馴化培育而成，因其脆甜可口、汁多味香而深受廣大消費者喜愛。目前關于李子的研究主要集中在活性成分功能探究[3-4]、保鮮貯藏[5-6]等方面，在品質評價方面研究報道較少[7-8]，且評價指標不夠全面。前期工作從維生素、礦質元素、主要抗氧化活性物質等方面評價巫山脆李營養(yǎng)品質[9]。

主成分分析(principal component analysis，PCA)法在損失較少信息的前提下，把多個指標轉化為幾個綜合指標，使降維后的綜合指標信息互不相關[10-11]。目前PCA廣泛應用在藍莓[12]、棗[13]、桃[14]和櫻桃[15]等水果品質評價方面，為水果品種優(yōu)選、品質優(yōu)劣分級等提供了參考。鄭麗靜等[16]采用PCA確定可滴定酸、固酸比和可溶性固形物作為評價蘋果風味的主要指標，并對蘋果樣本進行風味分級；劉碩等[17]研究了李屬8個主要種的李果實的糖、酸組分及含量，采用PCA評價了李果實中主要的糖酸指標。本研究測定重慶巫山5個脆李主要種植區(qū)域55份樣本的硬度、色澤和糖酸比等18個與食用品質相關的理化指標，從形、色、味及口感方面評價巫山脆李的食用品質，應用PCA評價并比較巫山5個區(qū)域的脆李食用品質，分析出反映巫山脆李食用品質的綜合指標，為當?shù)剞r戶及企業(yè)提供參考。以數(shù)字對巫山脆李食用品質進行科學評價，充分體現(xiàn)巫山脆李的特色，為巫山脆李產業(yè)發(fā)展、提高巫山脆李的知名度和經濟效益提供數(shù)據(jù)支持。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

選擇重慶巫山5個管理條件基本一致的主要脆李種植區(qū)域，按照海拔高度依次記為：G區(qū)域(采集15份樣本，海拔300～400 m)、Q區(qū)域(采集15份樣本，海拔350～400 m)、P區(qū)域(采集5份樣本，海拔550～700 m)、S區(qū)域(采集10份樣本，海拔800～900 m)和L區(qū)域(采集10份樣本，海拔850～1 000 m)；G與Q區(qū)域位于巫山西部，地處長江沿岸，P區(qū)域位于巫山西部，地處長江沿岸，S與L區(qū)域位于巫山西南部，遠離長江，地形起伏較大，屬于典型的喀斯特地貌。在重慶市巫山縣科委的大力協(xié)助下，于2018年7月中旬巫山脆李的最佳成熟期在上述區(qū)域隨機采摘無病害、完整的脆李果實樣本55份，冷藏運回實驗室，將脆李樣本清洗干凈，自然晾干表面水分，去核、打碎，置于-20 ℃冰箱保存?zhèn)溆谩?/p>

葡萄糖、果糖、抗壞血酸,上海源葉生物科技有限公司；酒石酸、蘋果酸、檸檬酸、琥珀酸,南通飛宇生物科技有限公司；乙腈,美國Sigma公司；苯酚、H2SO4、NaOH等試劑均為分析純。

1.2 主要儀器與設備

SW-LB32T型糖度計，廣州市速為電子科技有限公司；Ultra Scan PRO型測色儀，美國Hunter Lab公司；CT3型質構儀，美國Brookfield公司；LC20A型高效液相色譜儀，日本島津公司。

1.3 實驗方法

可食率用果實可食部分質量占全果質量的百分比表示[18]；色澤(L*、a*和b*)采用測色儀測定[18]、可溶性固形物采用糖度計測定[19]；水分、可滴定酸和可溶性糖分別參照GB 5009.3—2016《食品安全國家標準 食品中水分的測定》、GB/T 12456—2008《食品中總酸的測定》和NY/T 2742—2015《水平及制品可溶性糖的測定》測定[20-22]；固酸比用可溶性固形物與可滴定酸比值表示[18]；糖酸比用可溶性糖與可滴定酸比值表示[18]。

硬度采用質構儀測定[23]，測定條件為：TPA模式，TP4/1000型探頭，距離目標4.0 mm，觸發(fā)點5 g，測試速度1.0 mm/s。

葡萄糖、果糖采用對氨基苯甲酸衍生化進行高效液相色譜法測定[24]。測定條件為：C18柱；流速1.0 mL/min；柱溫35 ℃；進樣體積10 μL；熒光檢測波長λex=313 nm，λem=358 nm; 流動相V(乙腈)∶V(0.05 mol/L磷酸緩沖溶液)=1∶9 (磷酸緩沖溶液含20 mmol/L四丁基硫酸氫銨，pH 2.5)。

有機酸采用高效液相色譜法測定[25]。測定條件為：C18柱;流速1.0 mL/min;柱溫40 ℃;進樣量20 μL;檢測波長210 nm;流動相0.02 mol/L KH2PO4-H3PO4緩沖液(pH 3.0)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

2 結果與分析

2.1 巫山不同區(qū)域脆李食用品質指標

在水果的品質評價指標中，可食率、硬度和色澤是基本的物性指標，硬度不僅影響水果鮮食口感和質地特性，也是判斷水果成熟度和影響貯運品質的重要指標之一[26]。水果的色澤對消費者的選擇有一定影響，果皮顏色越黃、亮度越高越受消費者青睞[18]。色澤指標L*值代表亮度，取值0～100；a*值代表紅綠偏向，正值表示偏向于紅色，負值表示偏向于綠色；b*值代表黃藍偏向，正值表示偏向于黃色，負值表示偏向于藍色。NY/T 839—2004《鮮李》中規(guī)定，可溶性固形物含量、總酸量和固酸比這3個理化指標是評價李子質量的基本指標，可溶性糖和糖酸比是評價水果風味品質的代表性指標[18，27]。水果中糖和酸的含量及比例是決定水果風味的重要條件，有機酸在水果酸感中發(fā)揮著重要作用，對酸感有重要作用的主要是蘋果酸、檸檬酸、琥珀酸和酒石酸4種有機酸[28]；糖的組分中，果糖甜度最高，蔗糖次之，而葡萄糖口感最好[29]，因此選擇測定上述4種有機酸與葡萄糖、果糖、蔗糖作為評價巫山脆李甜酸口感的指標。測定的18個指標從形、色、味及口感方面能較全面反映巫山脆李的食用品質。巫山不同種植區(qū)域脆李食用品質評價指標測定結果如表1所示。

表1 巫山不同區(qū)域脆李食用品質評價指標比較Table 1 Comparison of edible quality evaluation indexes of plums in different areas of Wushan

由表1可知，巫山不同種植區(qū)域的脆李食用品質存在一定差異，可食率、水分和L*值變異系數(shù)均<10%，離散程度小，表明巫山脆李的這3個指標差異小。巫山脆李的可食率在(96.35±1.88)%～(97.23±1.41)%，G和Q區(qū)域的脆李可食率均顯著高于其他3個區(qū)域(P<0.05)；水分質量分數(shù)范圍是(84.90±1.99)%～(86.87±1.20)%，S和L區(qū)域脆李的水分含量顯著高于其他3個區(qū)域(P<0.05)；L*值為(42.72±5.50)～(47.46±4.09)，G區(qū)域脆李的L*值顯著高于其他4個區(qū)域(P<0.05)；其余15個指標的變異系數(shù)均>10%，其中硬度、a*值和檸檬酸的變異系數(shù)均>50%，說明離散程度較大，表明巫山脆李的這3個指標差異較大。脆李硬度為(18.17±12.37)～(40.22±16.91),N、S區(qū)域的脆李硬度顯著高于其他4個區(qū)域(P<0.05)；a*值和b*值分別為(-5.57±2.04)～(-2.19±3.58)和(45.02±11.28)～(54.63±11.06)，S區(qū)域脆李的a*值和b*值顯著低于其他4個區(qū)域(P<0.05)。

巫山脆李的可滴定酸為(0.53±0.10)%～(0.72±0.10)%，G區(qū)域脆李的可滴定酸含量顯著低于其他4個區(qū)域(P<0.05)；可溶性固形物和固酸比分別是(13.26±1.70)%～(15.13±2.39)%和(18.59±4.00)～(30.34±7.77)，G和Q區(qū)域的脆李可溶性固形物含量顯著高于S和L區(qū)域(P<0.05)，G和Q區(qū)域脆李的固酸比顯著高于其他3個區(qū)域(P<0.05)；巫山脆李可滴定酸、可溶性固形物和固酸比的平均值分別為0.62%、14.30%和24.46，滿足NY/T 839—2004《鮮李》中“特級青脆李”的要求：可滴定酸≤1.45%、可溶性固形物≥11.5%、固酸比≥7.9，說明巫山脆李整體品質較好。可溶性糖和糖酸比分別是(14.06±1.74)～(15.65±1.84)g/100 g、(20.34±3.17)～(31.15±5.45)，G和Q區(qū)域脆李的糖酸比顯著高于其他3個區(qū)域(P<0.05)。巫山脆李可溶性糖和糖酸比的平均值分別為15.38 g/100 g和26.16。有研究表明,梨[30]糖酸比在25.1～60、蘋果[31]在20～60時風味酸甜適口，以此為參考可知G和Q區(qū)域脆李的風味酸甜適口，風味品質相對較好。

巫山脆李的葡萄糖、果糖和蔗糖含量由高到低依次為：蔗糖>葡萄糖>果糖，分別是(3.89±1.05)～(5.54±1.21)、(0.89±0.17)～(1.19±0.40)、(5.80±1.18)～(7.87±2.10) g/100 g；有機酸含量由高到低依次為：蘋果酸>酒石酸>檸檬酸>琥珀酸，說明巫山脆李的有機酸主要以蘋果酸為主，4種有機酸分別是(8.84±2.49)～(10.39±2.30)、(1.96±0.47)～(2.65±0.73)、(0.47±0.40)～(1.38±0.45)、(0.30±0.03)～(0.49±0.14) mg/g，與劉碩等[17]測得中國李的糖、酸含量相當。參照姚改芳等[32]、趙尊行等[33]的方法計算甜度值和甜度值/總酸值，得到巫山脆李的平均甜度值和平均甜度值/總酸值分別為121.17、9.06。G、Q、P、S和L區(qū)域的脆李甜度值依次為121.88、126.29、108.98、119.42和120.26，甜度值/總酸值依次為8.59、10.03、9.30、8.80和8.61，可以看出Q區(qū)域的脆李甜度值、甜度值/總酸值都高于其他4個區(qū)域，說明Q區(qū)域脆李的風味品質相對較好。

總的來說，5個種植區(qū)域的巫山脆李各具特點，G和Q區(qū)域脆李的可溶性固形物、固酸比、可溶性糖、糖酸比和甜度值都高于其他3個區(qū)域，說明G和Q區(qū)域的脆李在口感風味方面相對較好。

2.2 巫山脆李食用品質評價指標的相關性分析及綜合評價

由表2可知，海拔與硬度、水分和可滴定酸呈極顯著正相關(P<0.01)，與可食率、可溶性固形物、固酸比和糖酸比呈極顯著負相關(P<0.01)，與L*值、a*值和琥珀酸呈顯著負相關(P<0.05)，即海拔越高，脆李的硬度、水分和可滴定酸含量越高，可溶性固形物、固酸比、糖酸比和琥珀酸含量越低，說明海拔對脆李口感、風味等品質有極大影響。海拔越高，脆李的口感、風味品質越差，這可能是海拔不同導致氣候條件、土壤質地等條件不同，從而影響植物生長發(fā)育。

巫山脆李在口感、色、味方面存在一定相關性。巫山脆李的硬度與水分、可滴定酸呈極顯著正相關(P<0.01)，與a*值、可溶性固形物、固酸比、糖酸比和葡萄糖呈極顯著負相關(P<0.01)，與琥珀酸呈顯著負相關(P<0.05)，說明硬度越大，可滴定酸含量越高，可溶性固形物、固酸比、糖酸比、葡萄糖和琥珀酸含量越低，脆李果皮顏色越偏向于綠色。在色澤方面，L*值與b*值、葡萄糖呈極顯著負相關(P<0.01)；a*值與固酸比呈極顯著正相關(P<0.01)，與水分、可滴定酸和蘋果酸呈極顯著負相關(P<0.01)，與可溶性固形物、糖酸比呈顯著正相關(P<0.05)，說明a*值越大，即脆李果皮顏色越偏向于紅色，脆李的固酸比、可溶性固形物和糖酸比越高，水分、可滴定酸和蘋果酸含量越低。在風味方面，固酸比與糖酸比、琥珀酸呈極顯著正相關(P<0.01)，與蘋果酸呈顯著負相關(P<0.05)，說明固酸比越高，脆李糖酸比、琥珀酸含量越高，蘋果酸含量越低；糖酸比與蔗糖、琥珀酸呈極顯著正相關(P<0.01)，說明糖酸比越高，脆李蔗糖、琥珀酸含量越高，其他糖、酸指標間也存在一定相關性。

通過脆李食用品質評價指標的相關性分析，可以看出一些指標所反映的信息有所重疊，可通過進一步統(tǒng)計分析對各指標進行歸類和簡化，以提高評價脆李食用品質評價及比較的簡化性與準確性。

2.3 PCA評價巫山脆李食用品質指標

由于巫山脆李食用品質評價各指標間存在量綱和數(shù)量級的差異，為避免彼此的影響，參照KAVDIR等[34]的方法，對所測定55份巫山脆李樣本的原始數(shù)據(jù)進行標準化處理，使得各指標的評價數(shù)值處于相同數(shù)量級，再進行后續(xù)的統(tǒng)計分析。對巫山脆李18個評價指標進行主成分分析，結果如表3、表4、圖1所示。

表2 巫山脆李食用品質評價指標相關性分析Table 2 Correlation analysis of edible quality evaluation indexes of Wushan plums

表3 巫山脆李食用品質評價指標主成分特征值與方差貢獻率 單位：%

參考相關標準[11]，提取因子的特征值>1的6個主成分，如表3所示，它們的方差貢獻率依次為27.430%、14.018%、12.504%、7.982%、7.447%和6.097%，累計方差貢獻率達75.478%，反映了原始評價指標75.478%的信息，將巫山脆李的18個評價指標降維成6個相對獨立的綜合性評價指標[11]。

主成分的載荷矩陣反映各評價指標對主成分負荷的作用大小與方向，將各指標在主成分中載荷值的絕對值>0.5的指標組合成綜合性指標[13]。結合表3和圖1可知，PC1主要綜合了固酸比、可溶性固形物、可滴定酸、水分、可食率和硬度6個指標，方差貢獻率為27.430%，固酸比、可溶性固形物和可食率在PC1正方向與PC1呈正相關，可滴定酸、水分和硬度在PC1負方向與PC1呈正相關，可滴定酸、水分和硬度與PC1呈負相關。其中固酸比的載荷值為0.908，在PC1中最大，說明固酸比對PC1影響較大，因此選擇固酸比代表PC1。PC2綜合了蔗糖、可溶性糖和糖酸比3個指標，方差貢獻率為14.018%，蔗糖的載荷值為0.886，在PC2中最大，說明蔗糖對PC2影響較大，因此選擇蔗糖代表PC2。PC3綜合了葡萄糖和果糖2個指標，方差貢獻率為12.504%，其中葡萄糖在PC3中的載荷值為0.930，在PC3中最大，說明葡萄糖對PC3影響較大，因此選擇葡萄糖代表PC3。PC4綜合了酒石酸、蘋果酸和a*值3個指標，方差貢獻率為7.982%，酒石酸在PC4中的載荷值是0.869，在PC4中最大，說明酒石酸對PC4影響較大，選擇酒石酸代表PC4。PC5綜合了b*值和L*值2個色度指標，方差貢獻率為7.447%，其中b*值在PC5中的載荷值比L*值的大，說明b*值對PC5影響較大，因此選擇b*值代表PC5。PC6綜合了琥珀酸和檸檬酸2個指標，方差貢獻率為6.097%，其中琥珀酸在PC6中的載荷值比檸檬酸的大，說明琥珀酸對PC6影響較大，因此選擇琥珀酸代表PC6。上述分析表明，評價巫山脆李食用品質的6個核心指標是：固酸比、蔗糖、葡萄糖、酒石酸、b*值和琥珀酸。

表4 巫山脆李主成分分析旋轉成分矩陣Table 4 Rotated component matrix of principal component analysis of Wushan plums

圖1 巫山脆李食用品質評價指標的主成分載荷Fig.1 Principal component loading of edible quality evaluation indexes of Wushan plums

依據(jù)PCA所得的巫山脆李評價指標得分系數(shù)矩陣和各成分的方差貢獻率，建立了食用品質綜合評價模型方程，將標準化處理后的指標數(shù)據(jù)帶入食用品質綜合評價模型方程，計算巫山不同區(qū)域脆李食用品質評價得分，如表5所示，分數(shù)越高表示樣本的綜合食用品質越好[35-36]。

表5 巫山不同區(qū)域脆李食用品質評價得分情況Table 5 Edible quality evaluation scores of plums in different areas of Wushan

將巫山脆李食用品質評價PC1與PC2分別作為X、Y軸制得主成分因子得分圖，由圖2可知，G、Q區(qū)域的脆李得分為正值，其他3個區(qū)域脆李的得分為負值；5個區(qū)域的脆李食用品質得分分布比較分散，在一定程度上反映了5個區(qū)域的脆李食用品質存在一定差異，結合表5可知，5個區(qū)域的脆李食用品質得分由高到低依次是：G區(qū)域>Q區(qū)域>P區(qū)域>L區(qū)域>S區(qū)域，即處于低海拔(300～400 m)的脆李綜合食用品質比中海拔(550～700 m)、高海拔(800～1 000 m)好。

圖2 巫山不同區(qū)域脆李PCA得分圖Fig.2 PCA score plot of plums in different areas of Wushan

3 結論與討論

研究表明，果實生長發(fā)育及品質主要與樹體本身生長狀況有關，也受外界條件等因素影響。其中，海拔是一個重要的影響因素，海拔的變化影響著光照強度、氣溫、氣壓等氣候和環(huán)境變化，從而影響植物的生長，影響果實的食用品質[37-38]。本研究發(fā)現(xiàn)海拔高度對巫山脆李的可食率、硬度、水分、可滴定酸、可溶性固形物、固酸比和糖酸比都有極顯著影響(P<0.01)，海拔越高，脆李可滴定酸含量越高，可溶性固形物、固酸比和糖酸比越低，脆李口感風味品質相對較差，與邱利娜等[8]研究結果基本一致，說明海拔是影響巫山脆李食用品質的重要因素。

通過PCA將評價巫山脆李食用品質的18個指標降維成6個綜合性指標，進一步選出固酸比、蔗糖、葡萄糖、酒石酸、b*值和琥珀酸6個核心指標。通過脆李食用品質綜合評價模型方程，得到巫山脆李綜合食用品質由高到低排序為：G區(qū)域>Q區(qū)域>P區(qū)域>L區(qū)域>S區(qū)域，即處于低海拔(300～400 m)的G和Q區(qū)域脆李的綜合食用品質比中海拔(550～700 m)的P區(qū)域和高海拔(800～1 000 m)的S、L區(qū)域好。

綜合分析結果表明，巫山脆李食用品質總體較好，其中G區(qū)域脆李的綜合食用品質最好，Q區(qū)域次之。結果表明，低海拔(300～400 m)區(qū)域的脆李食用品質高于中(550～700 m)、高海拔(800～1 000 m)區(qū)域，因此，在今后的脆李種植中，農戶可根據(jù)海拔高度進行種植，政府和企業(yè)可進一步開發(fā)優(yōu)選出適宜高海拔種植的高品質脆李資源，進而提高巫山脆李整體品質，提高農戶與脆李企業(yè)的收益。