基于主成分分析的不同種鮮食葡萄品質評價

潘 照 周文化 肖玥惠子

(1. 中南林業科技大學食品科學與工程學院，湖南 長沙 410004；2. 糧油深加工與品質控制湖南省 協同創新中心，湖南 長沙 410004；3. 特醫食品加工湖南省重點實驗室，湖南 長沙 410004)

葡萄(VitisviniferaL.)屬于葡萄科葡萄屬藤本植物，其營養豐富，含有多種活性物質[1]，因此被世界人民廣泛食用并得以大面積種植。目前，中國葡萄主要集中于東北中北部、西北部、黃土高原、環渤海灣、黃河固道、云貴川及南方7個葡萄栽培區，其中鮮食型葡萄占栽培面積的80%左右，余下的為釀酒型葡萄和干制型葡萄[2]。鮮食型葡萄品種眾多，不同品種葡萄之間生態適應性的差異導致果實在不同的栽培環境下生長的狀態不同，外觀色澤、風味品種也存在差異，品質良莠不齊。目前，中國對葡萄的品質評價集中于釀酒葡萄[3]、野生葡萄[4]和單一地區的鮮食型葡萄[5]，國外也局限于葡萄汁[6-7]及葡萄酒[8]，對于南方鮮食型葡萄的品質評價尚不完善，需要建立一個相應的品質評價體系，用以衡量不同品種葡萄的質量。

對鮮食型葡萄品質進行綜合評價時，要選取多項品質指標，既要考慮葡萄的外觀風味，主要是感官評價；還要考慮到營養價值，如酸含量、可溶性固形物含量等，以保證評價信息的全面性[9]。考慮到評價指標的整體性，傳統的方差分析法具有很大的局限性，因此現研究者多采取主成分分析法(PCA)，該方法旨在將原來的指標重新組合成幾組新的綜合指標，用較少的指標來反映原有的數值[10]。并且該統計學方法已廣泛應用于藍莓[11]、草莓[12]、土豆[13]等果蔬的質量評價。

本試驗擬選取18個南方鮮食型葡萄品種，對其感官品質、營養成分等基本理化指標進行分析比較，并通過主成分分析法挑選具有代表性的成分因子，對鮮食型葡萄品質的差異性進行合理評價，以篩選出品質最優的鮮食葡萄品種。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

1.1.1 試驗材料

鮮食葡萄：湖南省長沙市主栽和售賣的，具體見表1。果實于相應的成熟季節進行采集，挑取無腐爛、無病害、外觀大小均勻一致的果實進行試驗。將果實在采摘當日運回中南林業科技大學食品學院A406實驗室，預冷24 h散去田間熱，供試驗用。

1.1.2 儀器與設備

手持式折光儀：011型，濟南科翔實驗儀器有限公司；

電子天平：JY2002型，上海浦春計量儀器有限公司；

色差儀： UltraScan Pro型，美國Hunter Lab公司；

紫外可見分光光度計：BlueStar型，北京LabTech公司；

高速冷凍離心機：Sorvall LYNX 6000型，美國Thermo Fisher Scientific公司；

水分快速測定儀：JH-H系列型，泰州市宜信得儀器儀表有限公司；

質構儀：TA-XTPlus型，英國Stable Micro System公司。

表1供試品種介紹Table 1 Introduction of tested varieties

1.2 試驗指標與方法

1.2.1 單果重測定 各品種葡萄隨機挑選20個樣本，用電子天平對單個果實逐一稱重，計算平均值。

1.2.2 果形指數測定 隨機選取10顆葡萄果實，使用游標卡尺測量其縱徑和橫徑，并計算縱徑和橫徑的比值。

1.2.3 質構測定 采用質構儀測定，測試參數：測前速度5 mm/s，測試速度2 mm/s，測后上行速度2 mm/s，兩次壓縮停頓時間5 s，葡萄果肉受壓變形度25%，觸發力5 g[14]。

1.2.4 色差測定 選取顏色均勻一致的葡萄，將表皮擦拭干凈，使用標準白板對色差儀進行校準，以果皮上下對稱的2個點為測試點，測定果皮的色澤，記錄L、a、b值，分別代表色澤的明亮程度、紅綠度、黃藍度，并按式(1)計算飽和度C。

(1)

1.2.5 含水量測定 取3～5 g葡萄，切成1 cm厚的均勻薄片，放入已預熱的水分快速測定儀中，溫度為105 ℃，待葡萄中水分被完全蒸干后，讀取數據。

1.2.6 可溶性固形物含量測定 準確稱取5 g樣品，在研缽中磨成勻漿后，于4 000 r/min離心15 min，取上層果汁清液，用手持式折光儀測定。

1.2.7 可滴定酸含量測定 采用酸堿滴定法[15]。

1.2.8 感官評價 參照NY/T 1986—2011規定。選取12位食品專業人士(男女各半)組成感官評價組，通過觀、聞、品嘗的方式，對不同品種的葡萄進行評定，并按表2的標準進行打分。

1.3 分析方法

1.3.1 主成分分析 對不同樣品的相關品質性狀進行主成分分析，依照因子性狀的累計方差貢獻率>85%的原則，確定主成分因子個數。

表2 鮮食型葡萄感官評分標準Table 2 Sensory evaluation criteria forTable grapes

1.3.2 綜合評分 利用SPSS軟件得到不同樣品的主成分分值Fi，按式(2)計算綜合分值F[15]。

(2)

式中：

F——經主成分分析后各品種葡萄品質的綜合分值；

Fi——第i個特征值>0.9的主成分分值；

Yi——第i個主成分的方差貢獻率；

C——測定的樣品全部主成分因子的累積方差貢獻率。

1.3.3 數據處理 每個指標進行3次平行試驗，結果取平均值。使用Microsoft Excel 2016、IBM SPSS Statistics 24.0軟件對數據進行分析處理。

2 結果與分析

2.1 不同品種葡萄的基本品質性狀

不同品種葡萄品質性狀的測定結果見表3。不同品種葡萄的果形指數為0.98～1.67，縱徑略大于橫徑，呈現出圓形、橢圓形或長圓形，其中黑提的縱橫比最大，為1.67，紅寶石最小，為0.98，接近于圓形。葡萄果實的單果重為5.38～14.43 g，果實重量差距較大(變異系數為35.38%)，平均單果重為8.02 g。單果重也間接地反映出果實的大小，紅地球的果實較大，平均果實重14.43 g，珍珠提的相對較小，平均果實重3.76 g。

硬度、彈性和回復性反映了果實的抗壓能力及形變恢復能力；黏聚性和內聚力反映出果實對第二次壓縮的抵抗能力；硬度、彈性和黏聚性共同構成了果實的咀嚼特性；黏度則反映了果實的黏著作用[16-17]。黑提在硬度、彈性、咀嚼性、回復性和黏度等指標中都占據了最大值，分別為3 956.45，86.36，1 385.38，30.52，1 906.81 g；無核白雞心的黏聚性(-0.32 g·s)和內聚力(0.69 g)最大，而硬度、咀嚼性和黏度為最小，為723.31，341.82，414.02 g。在質構測試的7項指標中，各指標變異程度不同，硬度的變異系數達到了51.18%，差異幅度最大，而彈性表現較一致(變異系數為3.23%)，這與葡萄果實的大小有著一定的關系。

果實的色澤是果品品質和新鮮度的一個重要指標[18]，表現為L、a和b值。根據Hunter Lab表色系統[19]，L值為亮度，其越大表示果實表面越亮，結果顯示馬奶的L值最大，為61.96，金手指L值最小，為24.92，變異系數為28.29%。a為紅綠值，b為黃藍值，不同品種葡萄果皮顏色各異，不能僅僅通過外表顏色判斷其品質，因此選取飽和度C作為評價因子。飽和度代表果實的彩度，值越大表明果實的顏色越純正，不同品種葡萄飽和度差異較大(變異系數為48.92%)，其中，果實亮度最大的馬奶葡萄顏色也相對最純，C值為24.25。

評價鮮食型葡萄品質最重要的是其本身固有的風味，糖酸含量是影響風味的主要因素。由表3可以看出，魏可中可溶性固形物含量達到了20.91%，比黃香蜜多了6.19%；可滴定酸含量為0.49%，比最小值高出0.21%。對葡萄這種漿果型水果來說，水分的差異并不明顯，變異系數僅有3.91%，魏可水分含量最高為83.95%，醉金香最低為73.66%。

感官分析是評價果實新鮮度最直觀的方法，通過人體的視覺、觸覺和味覺來代替機器的檢測，來確定消費者的偏好。從外觀、質地和風味三方面進行打分，結果見圖1，三方面得分都有少許差異，綜合來看，魏可得分最高，金手指得分最低。

綜上所述，不同品種葡萄品質指標間信息錯綜復雜，均呈現出不同程度的差異，如果只對指標進行單一的比較，很難對果實的品質做出全面客觀的評價，因此需要對其品質進一步綜合分析。

2.2 不同葡萄品種基本品質的相關性分析

研究[20]表明，不同品種葡萄的品質性狀之間相互影響，存在著密切的關系。對14個基本品質指標和感官指標進行Pearson相關性分析，結果見表4。果形指數和單果重分別與硬度、彈性、咀嚼性、黏度呈極顯著正相關(P<0.01)；硬度、彈性、咀嚼性和黏度兩兩之間均呈極顯著正相關(P<0.01)，與劉春艷[21]對釀酒葡萄的研究結果相一致；黏聚性和內聚力與之呈負相關，相關性不顯著(P>0.05)，表明葡萄的質構特性主要是由硬度、彈性、咀嚼性和黏度來反映。可滴定酸、可溶性固形物、水分及風味評分呈極顯著正相關(P<0.01)，說明糖酸含量是影響葡萄口感的主要因素。L值和飽和度反映了果實是否發生褐變，即果實的新鮮程度，與色澤呈極顯著正相關(P<0.01)，與質地、口感等因素的相關性并不顯著(P>0.05)。直接利用這些指標進行果實品質的分析，容易導致信息的重疊，從而使分析結果出現偏差，得不到理想的結果。因此選擇主成分分析法對指標繼續進行分析處理。

表3 18種鮮食型葡萄的基本品質指標Table 3 The basic quality indicators of 18Table grape varieties

表4 18種鮮食型葡萄基本品質的Pearson相關性分析?Table 4 Pearson correlation analysis on the basic quality of 18Table grape varieties

? *表示在0.05水平上相關性顯著，**表示在0.01水平上相關性顯著。

2.3 不同品種葡萄主成分分析

2.3.1 不同品種葡萄主成分因子的確定 主成分分析通過降維將原有的多重變量轉換為能綜合體現原有指標但彼此不相關的新指標[22]，可以保證在原有信息不缺失的情況下選擇盡可能少的新指標。將上述14個基本品質指標和3個感官評分指標共同進行主成分分析，通過碎石圖可以直觀地看出各因子的特征值，碎石圖中曲線越陡，表示該主成分包含的原始數據信息越多，越平緩則表示包含信息越少[23]。由圖2可以看出，前4個主成分特征值較大(λ>1)，曲線陡峭，從第5個主成分開始，碎石圖曲線趨于平緩。并且由表5可知，共有4個>1的特征值，提取出4個主成分，這4個主成分可解釋的方差百分比分別為42.002%，20.419%，16.716%，9.497%，累積貢獻率為88.634%，即這4個主成分已經把不同品種葡萄的基本品種性狀指標的絕大部分信息表達出來了，因此選擇提取4個主成分為宜。

主成分載荷矩陣反映了各個品質性狀指標對此主成分負荷的相對大小和作用方向，即該指標對主成分影響的程度，以0.5原則為判斷依據[24]。由表6可知，第1主成分有果形指數、單果重、硬度、彈性、咀嚼性、回復性、黏度、質地，且各指標均有較大的正系數，可定義為質量因子；第2主成分為可滴定酸、水分、可溶性固形物、風味，可定義為風味因子；第3主成分為L值、飽和度和外觀，定義為色澤因子；第4主成分為黏聚性和內聚力，對感官并無太大影響。

圖1 18種鮮食型葡萄的感官評價各項得分和綜合得分Figure 1 Sensory evaluation score and comprehensive score of 18Table grape varieties

圖2 18種鮮食型葡萄基本品質指標主成分分析碎石圖Figure 2 Principal component analysis of 18 kinds ofTable grape’s scree plot表5 18種鮮食型葡萄基本品質因子的特征值和解釋變量

Table 5 Eigenvalue and accumulative contribution rate of evaluating factors of 18
Table grape varieties %

表6 18種鮮食型葡萄基本品質指標主成分分析載荷矩陣

Table 6 Loading matrix of principal components analysis of quality indexes of 18
Table grape varieties

指標因子1因子2因子3因子4果形指數0.757-0.253-0.029-0.193單果重0.8020.114-0.1280.176硬度0.973-0.121-0.0730.091彈性0.9330.026-0.212-0.007咀嚼性0.885-0.047-0.1450.364黏聚性-0.3960.112-0.2150.822回復性0.889-0.251-0.0030.118內聚力-0.4170.362-0.1240.714黏度0.935-0.031-0.1290.257可滴定酸0.2480.9250.147-0.124水分0.3040.883-0.005-0.214可溶性固形物0.4820.7760.052-0.118L值0.107-0.2190.9350.146飽和度0.336-0.1280.9010.121外觀0.223-0.0730.9240.124質地0.847-0.353-0.247-0.082風味0.2220.8590.2210.079

2.3.2 不同品種葡萄主成分分析得分及綜合評價 表7為各指標因子得分系數矩陣，并以特征向量為權重構建4個主成分的函數表達式：

F1=0.106X1+0.112X2+0.136X3+0.131X4+0.124X5-0.055X6+0.125X7-0.058X8+0.131X9+0.035X10+0.043X11+0.067X12+0.015X13+0.047X14+0.031X15+0.119X16+0.031X17，

(3)

F2=-0.073X1+0.033X2-0.035X3+0.008X4-0.013X5+0.032X6-0.072X7+0.104X8-0.009X9+0.267X10+0.254X11+0.224X12-0.063X13-0.037X14-0.021X15-0.102X16+0.247X17，

(4)

F3=-0.010X1-0.045X2-0.026X3-0.075X4-0.051X5-0.076X6-0.001X7-0.044X8-0.046X9+0.052X10-0.002X11+0.018X12+0.329X13+0.317X14+0.325X15-0.087X16+0.078X17，

(5)

F4=-0.120X1+0.109X2+0.057X3-0.004X4+0.225X5+0.509X6+0.073X7+0.442X8+0.159X9-0.077X10-0.133X11-0.073X12+0.090X13+0.075X14+0.077X15-0.051X16+0.049X17。

(6)

以各主成分對應的方差貢獻率為權重，從而建立主成分綜合得分的數學模型：

F=0.474F1+0.230F2+0.189F3+0.107F4。

(7)

表7 18種鮮食型葡萄基本品質指標因子得分系數矩陣

Table 7 Factor score coefficient matrix of basic quality index for 18
Table grape varieties

指標因子1因子2因子3因子4果形指數(X1)0.106-0.073-0.010-0.120單果重(X2)0.1120.033-0.0450.109硬度(X3)0.136-0.035-0.0260.057彈性(X4)0.1310.008-0.075-0.004咀嚼性(X5)0.124-0.013-0.0510.225黏聚性(X6)-0.0550.032-0.0760.509回復性(X7)0.125-0.072-0.0010.073內聚力(X8)-0.0580.104-0.0440.442黏度(X9)0.131-0.009-0.0460.159可滴定酸(X10)0.0350.2670.052-0.077水分(X11)0.0430.254-0.002-0.133可溶性固形物(X12)0.0670.2240.018-0.073L值(X13)0.015-0.0630.3290.090飽和度(X14)0.047-0.0370.3170.075外觀(X15)0.031-0.0210.3250.077質地(X16)0.119-0.102-0.087-0.051風味(X17)0.0310.2470.0780.049

由綜合得分的函數表達式計算出18個品種葡萄樣品的綜合評價得分，得分越高表明該品種樣品品質較好，得分越低表明品質相對較差，結果見表8。綜合品質排名前5的依次是黑提、陽光玫瑰、魏可、紅地球和巨玫瑰，且它們的第1主成分因子得分均較高，說明第1主成分因子對綜合得分影響較大。巨峰、紅寶石和金手指綜合得分較低，果實品質要低于平均水平。

表8 18種鮮食型葡萄品質綜合得分及排名Table 8 Comprehensive quality score and ranking of 18Table grape varieties

3 結論

本試驗采集了南方種植和售賣的18種鮮食型葡萄進行品質研究，發現不同品種葡萄品質顯示出了差異性，為準確地分析各品質的差異性，選擇主成分分析法對各指標進行降維，以期對葡萄品質進行全面的分析。其結果表明：

(1) 在15個基本品質性狀指標中，硬度指標的變異系數最大，為51.18%，表明不同種葡萄硬度差異較大，而彈性表現較一致(變異系數為3.23%)，與果實的大小和成熟度有著一定的關系。果實的色澤因品種而異，主要有紅色系和黃色系，因此飽和度存在較大差異(變異系數為48.92%)。可滴定酸、水分、可溶性固形物在不同品種間的差異較小(變異系數為15.89%，3.91%，11.14%)。

(2) 在基本品質性狀和感官評價的相關性分析中，外觀和L值、飽和度呈極顯著正相關(P<0.01)；質地與果形指數、硬度、彈性、咀嚼性、回復性、黏度呈極顯著正相關(P<0.01)，與單果重、內聚力呈顯著相關(P<0.05)；風味與可滴定酸、水分、可溶性固形物呈極顯著正相關(P<0.01)。

(3) 通過主成分分析法分離出了4個主成分因子，第1主成分有果形指數、單果重、硬度、彈性、咀嚼性、回復性、黏度、質地，可定義為質量因子；第2主成分的影響因子為可滴定酸、水分、可溶性固形物、風味，可定義為風味因子；第3主成分為L值、飽和度和外觀，定義為色澤因子；第4主成分為黏聚性和內聚力。通過各因子得分對不同種葡萄進行綜合分析，建立綜合得分數學模型。通過計算，葡萄品質最好的為黑提、陽光玫瑰、魏可、紅地球和巨玫瑰，巨峰、紅寶石和金手指品質相對較差。

可見不同品種的鮮食葡萄品質存在差異，可以通過外在性狀和內在品質進行綜合評價。本試驗建立的主成分分析模型可以有效地評價鮮食葡萄的品質，對鮮食葡萄的研究有一定的理論意義。但本研究所涉及的鮮食葡萄品種及檢測指標較少，后續可以增加指標，建立更完善的綜合評價體系。