基于主成分與聚類分析的藍莓品質綜合評價研究

郭家剛，楊松，伍玉菡，陳敏

（安徽省農業科學院農產品加工研究所，安徽合肥230001）

藍莓（blueberry）又名篤斯，原生于北美洲與東亞，為杜鵑花科（Ericaceae）越橘屬（Vaccinium spp.）多年生落葉灌木植物[1]。世界現有藍莓栽培品種450余種，種植國家超過58個，栽培生產遍及北美、南美、歐洲和亞太等地區[2-3]。目前我國栽培的藍莓品種主要有北高叢、南高叢、矮叢和兔眼等四大類群，分布于長白山、遼東半島、山東半島、長江流域和云貴地區等五大藍莓主產區[4-5]。藍莓果實色澤誘人、果肉細膩、風味獨特、且營養價值高，素有“漿果之王”的美譽[6-7]?，F代醫學研究表明，藍莓果實中含有豐富的營養成分，尤其富含花色苷、類黃酮、多酚類等活性物質[8]，不僅具有良好的營養保健作用，還具有促進視紫質再合成、抗氧化、軟化血管和增強人體免疫[9-10]等生理功能，被世界糧農組織推薦為人類五大健康食品之一[11]，在食品、醫藥以及化妝品等領域具有廣闊的應用前景。

近年來，隨著藍莓栽培面積和產量逐年增加，藍莓產業迅速發展壯大，市場對高品質藍莓的需求量日趨擴大。目前藍莓果實品質和加工適宜性尚沒有建立統一的評價方法，對藍莓品質評價研究中涉及的品質指標少，評價方法單一，多運用聚類分析法[12-14]。主成分分析是利用降維思維，將多個變量簡化成少數綜合變量的一種統計分析方法，采用主成分分析（principal component analysis，PCA）和聚類分析（cluster analysis，CA）相結合的綜合評價方法已廣泛應用于獼猴桃[15]、蘋果[16]、西洋梨[17]、蘋果梨[18]、葡萄[19]、碧螺春[20]等產品品質性狀評價，但是在藍莓中，尚無基于主成分分析法結合聚類分析對藍莓品質的綜合評價報道，而有關不同品種藍莓品質的綜合評價鮮有報道。為了對藍莓品質性狀建立綜合評價模型，本文以皖南丘陵地區主栽的8個品種藍莓為研究對象，分析不同品種藍莓的單果質量、出汁率、可溶性固形物、花色苷、VC含量等18個主要品質指標，通過比較分析不同品種藍莓感官指標、理化指標和營養成分，評價不同藍莓品種間品質的差異性，并利用主成分分析和聚類分析建立綜合評價方法，對藍莓果實鮮食、品種選育和加工原料選擇具有一定的指導意義。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

試驗材料為安徽省主栽的8個藍莓品種，包括夏普藍（sharpblue）、奧尼爾（o’Neal）、綠寶石（emeralds）等南高叢系和巴爾德溫（baldwin）、燦爛（brightwell）、圓藍（gardenblue）、粉藍（powderblue）、杰兔（premier）等兔眼系列，各品種鮮果于2018年6～7月采自懷寧縣獨秀谷藍莓種植基地。所有品種藍莓均在果實九成熟時采摘，每個品種選取3～5顆樹采摘3 kg，無病蟲害和無機械傷的果實于保鮮盒分裝后，帶回實驗室用于各試驗指標測定。

甲醇、乙醇均為色譜純：美國Tedia公司；氫氧化鈉、鹽酸、硫酸、氯化鉀、乙酸鈉、亞硝酸鈉、三氯化鋁、碳酸鈉、福林酚、蘆丁（標準品）、沒食子酸（標準品）、苯酚等化學試劑均為分析純：上海阿拉丁試劑公司。

1.2 儀器與設備

PHS-3C型pH計：上海儀電科學儀器股份有限公司；CNT65手持數顯糖度計：杭州陸恒生物科技有限公司；SP-752型紫外-可見分光光度計：上海光譜儀器有限公司；SC-3610低速離心機；安徽中科中佳科學儀器有限公司；HH型恒溫水浴設備：金壇市金城國勝實驗儀器廠；JYL-Y92高速破壁料理機：九陽股份有限公司；DGF-9070A型鼓風干燥箱：上?；菘齐娮佑邢薰?；TA.XT Plus型質構儀：英國Smsta公司；Milli-Q去離子水發生器：美國Millipore公司；JA1003B型電子天平：上海越平學儀器有限公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 藍莓理化性狀指標的測定

1）單果質量：每次稱取100個藍莓果實質量，計算平均單果重，重復3次，計算平均值。

2）密度：測量100個藍莓果實體積，計算藍莓果實密度；重復3次，計算平均值。

3）果形指數：用電子游標卡尺測量50個果實的縱、橫直徑，二者比值為果形指數。

4）硬度：隨機選取20個藍莓果實，利用質構分析儀，對不同品種藍莓果實質地進行分析，選用直徑為2 mm的圓形探頭P/2，測試速度2 mm/s，穿越距離為5 mm。

5）水分含量：根據GB 5009.3-2016《食品安全國家標準食品中水分的測定》，采用恒質量法測定。

6）出汁率和果實籽含量：取適量藍莓果實制漿，準確稱取20 g果漿于50 mL離心管中，在5 000 r/min下離心15 min，稱量上層果汁質量，出汁率采用上層果汁質量/果漿質量，將離心后的果渣浸入水中沖洗，收集藍莓籽，用濾紙吸干水分，稱取果實籽質量，果實籽含量采用果實籽質量/果漿質量。

7）總酸（以檸檬酸計）含量測定：按GB/T 12456-2008《食品中總酸的測定》酸堿滴定法測定，含量以檸檬酸計。

8）pH值：將藍莓果實打漿，在5 000 r/min下離心15 min，取上清果汁，采用數顯pH計直接測定。

1.3.2 藍莓營養成分的測定

1）總酚含量測定：采用Folin-Ciocalten比色法[21]，含量以沒食子酸計，單位mg/100 g。

2）黃酮含量測定：采用比色法[22]，含量以蘆丁計，單位mg/100 g。

3）花色苷含量測定：采用pH值示差法[23]，結果以矢車菊素-3-葡萄糖表示，單位mg/100 g。

4）可溶性固形物測定：使用手持數顯糖度計直接測定。

5）VC含量測定：參照 GB 5009.86-2016《食品安全國家標準食品中抗壞血酸的測定》第二法測定，單位mg/100 g。

6）還原糖含量測定：參照GB 5009.7-2016《食品安全國家標準食品中還原糖的測定》，含量以葡萄糖計，單位g/100 g。

7）單寧含量測定：參照NY/T 1600-2008《水果、蔬菜及其制品中單寧含量的測定分光光度法》，含量以沒食子酸計，單位g/kg。

8）果膠含量測定：參照NY/T 2016-2011《水果及其制品中果膠含量的測定分光光度法》，含量以半乳糖醛酸計，單位g/kg。

1.4 數據處理與分析

樣品各指標測定重復5次，檢測結果表示為平均值+標準差。利用Microsoft Excel 2010建立藍莓各品質指標原始數據表，運用SPSS Statistics 23.0（IBM Company，New York，USA）軟件進行主成分計分析和聚類分析。

2 結果與分析

2.1 不同品種藍莓品質性狀分析

選擇8個藍莓品種，測定18個品質性狀，研究統一種植管理條件下，藍莓品種間品質性狀差異，表1為不同品種藍莓果實品質的測定結果。

由于藍莓品種遺傳的多樣性，18個品質性狀指標存在不同程度的差異。由表1可知，單果質量、體積、果實籽含量、果汁pH值、總酸含量、糖酸比、果膠含量、總酚含量、黃酮含量和花色苷含量等指標變異系數大于10.00%，品種間存在顯著性差異；硬度、密度、果形指數、水分含量、出汁率、可溶性固形物、還原糖、VC含量和單寧含量等指標變異系數小于10.00%。藍莓果實中黃酮含量變異程度最大，變異系數為80.34%，黃酮含量最高的圓藍達到627.53 mg/100 g，最低的杰兔僅為108.18 mg/100 g，品種間黃酮含量極差高達519.35 mg/100 g；總酚含量的品種間變異也較大，8個品種總酚含量最低的有151.30 mg/100 g，最高的為566.50 mg/100 g；總酸含量和糖酸比在品種間變異較大，變異系數分別為42.78%和40.31%；果形指數、出汁率、可溶性固形物和單寧含量品種間變異相對較小，變異系數分別為5.43%、5.91%、7.32%和6.11%；水分含量和VC含量變異系數非常小，均在2%以下，其中變異系數最小的僅為1.28%，品種間幾乎不存在差異。

2.2 藍莓品質性狀的相關性分析

各藍莓品質指標間相關性分析見表2。

表1 不同品種藍莓品質性狀及分布Table 1 Quality traits and distribution of different varieties of blueberries

表2 各藍莓品質指標間相關性分析Table 2 Correlation analysis of quality indicators of various blueberries

由表2可知，各藍莓品質性狀之間既存在正相關也存在負相關，選取相關系數大于0.5的品質性狀進行分析，且多數品質指標間相關系數的絕對值大于0.5，表明各品質性狀之間存在較強的相關性。單果質量、體積、可溶性固形物和總酚含量等品質性狀之間相關性達到較高水平。單果質量與體積和水分含量、果形指數與總酚含量、可溶性固形物與總酚含量和黃酮含量、糖酸比與還原糖含量、總酚含量與黃酮和花色苷含量等之前成正相關。體積與總酚含量和可溶性固形物含量、水分含量與總酚含量和黃酮含量、總酸含量與糖酸比間有較強的負相關。

2.3 藍莓品質性狀的主成分分析

采用SPSS Statistics 23.0軟件對不同品種藍莓品質性狀進行主成分分析，根據藍莓品種的18個品質性狀測定結果，通過主成分分析得到原始數據相關的特征向量、特征值、方差貢獻率及累計方差貢獻率，結果見表3。

由表3結果選取特征值λ大于1的前5個主成分，其累計方差貢獻率達到92.261%，表明前5個主成分已經能夠代表了藍莓原18個品質性狀的全部（92.261%）信息，可用前5個主成分對藍莓綜合品質進行評價。在前5個主成分中，第1主成分的方差貢獻率為36.318%，決定第1主成分的品質指標主要是單果質量、體積、果實籽含量、水分含量、可溶性固形物、總酚含量、黃酮含量和花色苷含量，第1主成分主要反映藍莓形態大小和營養成分的綜合指標；第2主成分貢獻率為25.796，%，決定其大小的主要是果形指數、果汁pH值、總酸含量、糖酸比和還原糖含量，該主成分主要反映了藍莓的內在品質；第3主成分貢獻率為13.297%，決定第3主成分的主要是出汁率和單寧含量，果實籽含量也有一定影響，該主成分主要反映了藍莓果汁的品質特性；第4主成分貢獻率為9.109%，決定該主成分的主要是硬度和果膠含量；第5主成分貢獻率為7.741%，決定第5主成分的主要是果汁pH值和VC含量，該主成分主要反映了果汁口感品質。

表3 5個主成分的特征向量、特征值、方差貢獻率及累計貢獻率Table 3 Characteristic vector，eigenvalue，variance contribution rate and cumulative contribution rate of five principal components

續表3 5個主成分的特征向量、特征值、方差貢獻率及累計貢獻率Continue table 3 Characteristic vector，eigenvalue，variance contribution rate and cumulative contribution rate of five principal components

2.4 藍莓品質性狀的綜合評價

用 F1、F2、F3、F4、F5分別代表這 5 個主成分，X1、X2、X3……X16、X17、X18分別代表 18 個品質指標，根據主成分分析原理，得出5個主成分的線性組合分別是：

F1=-0.937X1+0.187X2-0.938X3-0.383X4+0.606X5-0.872X6-0.028X7+0.050X8+0.912X9-0.129X10+0.052X11+0.477X12+0.341X13+0.911X14+0.884X15+0.657X16+0.378X17+0.299X18

F2=0.038X1-0.230X2+0.074X3+0.838X4-0.131X5-0.161X6+0.131X7-0.602X8-0.256X9+0.973X10-0.951X11-0.171X12-0.831X13+0.402X14+0.449X15+0.570X16-0.095X17+0.355X18

F3=-0.080X1+0.045X2-0.096X3-0.180X4-0.724X5+0.067X6+0.814X7+0.155X8+0.180X9-0.104X10+0.230X11-0.408X12+0.073X13-0.004X14-0.038X15+0.217X16-0.383X17+0.816X18

F4=0.075X1-0.730X2+0.101X3-0.179X4-0.016X5+0.170X6+0.470X7-0.344X8-0.214X9+0.003X10-0.099X11+0.618X12+0.392X13+0.043X14+0.008X15-0.026X16+0.300X17+0.086X18

F5=-0.026X1-0.420X2-0.059X3+0.234X4+0.254X5+0.019X6+0.110X7+0.595X8-0.142X9-0.004 3X10-0.059X11+0.041X12+0.176X13+0.066X14+0.011X15+0.360X16-0.669X17-0.295X18

同時分別以第1、2、3、4、5主成分對應的方差貢獻率 a1、a2、a3、a4、a5作為權數，構建的綜合評價模型為：Z=a1F1+a2F2+a3F3+a4F4+a5F5

將8個藍莓品種中的18個品質指標的試驗數據帶入對應的表達式中，得到每個品種品質指標的綜合得分值（Z值）和排序，結果見表4。綜合評價得到8個藍莓品種中較好的藍莓品種為圓藍和粉藍。

表4 不同藍莓的主成分得分及綜合評價Table 4 Principal component scores and comprehensive evaluation of different blueberries

2.5 藍莓品質性狀的聚類分析

采用IBM.SPSS Statistics 23.0對這8個品種藍莓的品質性狀進行聚類分析，聚類采用歐式距離，聚類方法采用最短距離法得到冰狀圖和樹狀圖，如圖1所示。

圖1 不同藍莓品種聚類分析Fig.1 Cluster analysis dendrogram of different blueberry cultivars

當距離為15時，將8種藍莓品種聚為4類，圓藍和粉藍聚為第一類，這一類聚集了可溶性固形物、還原糖、果膠、總酚、黃酮、花色苷和單寧含量最高與糖酸比和VC含量較高的品種。杰兔和巴爾德溫聚為第二類，這一類聚集了單果質量、體積和含水率最高，果汁pH值最低與總酚和單寧含量較高的品種。第一類和第二類聚類結果與主成分分析綜合評價得分較高的品種基本一致，果實品質相對較好。奧尼爾和綠寶石聚為第三類，該類聚集了還原糖含量最高、出汁率和糖酸比相對較高，黃酮和VC含量較低的品種。夏普藍和燦爛聚為第四類，果實籽和總酸含量較高，出汁率和單寧含量較低的品種，第四類聚類結果與主成分分析綜合評價得分較低的品種基本一致，果實品質相對不高。

3 結論

本研究通過對不同品種藍莓的各品質指標之間的顯著性差異進行分析，采用主成分分析法對藍莓的品質指標進行了綜合和簡化，并采用聚類分析對不同藍莓品種進行了聚類，結果表明，在相同種植管理條件下，皖南丘陵地區主栽的8個品種藍莓的品質性狀之間存在不同程度的性狀差異。單果質量、體積、果實籽含量、果汁pH值、總酸、糖酸比、果膠、總酚、黃酮和花色苷含量等指標（變異系數＞10.00%）品種間存在顯著性差異；硬度、果形指數、水分含量、出汁率、可溶性固形物、還原糖、VC和單寧含量等指標（變異系數＜10.00%）差異較小。通過主成分分析，將測定藍莓果實品質性狀的18個指標簡化成為5個綜合品質性狀指標，其累計方差貢獻率達到92.261%，基本反映了原始數據的全部信息。利用聚類分析，將8個藍莓品種分為4類。研究應用主成分分析和聚類分析建立一套藍莓綜合評價方法，簡化了數據統計，避免了原始數據丟失和主觀因素干擾，對8個品種藍莓品質性狀進行綜合評價，優選出了圓藍和粉藍等藍莓品種，綜合評價結果可觀、合理。藍莓品質性狀差異源于自身遺傳因素和生長環境等多因素相互作用的結果，該項研究可為藍莓果實品質分級、品種資源選育、種植和加工原料選擇奠定理論基礎。