基于主成分分析的芝麻品質(zhì)綜合評(píng)價(jià)

嚴(yán) 圭 ，李輝婕，華之夢(mèng)，蘇如奇，王 敏，舒金貴，石 銳，方 圣*，吳自明*

（1.江西農(nóng)業(yè)大學(xué)作物生理生態(tài)與遺傳育種教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/江西省作物生理生態(tài)與遺傳育種重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西南昌 330045；2.江西省鄱陽(yáng)縣農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，江西鄱陽(yáng) 333100）

【研究意義】芝麻（Sesamum indicumL）屬胡麻科1年生草本植物，是世界上古老的特色優(yōu)質(zhì)油料作物[1]。按照芝麻利用途徑，可將其劃分為油用、副食品用、工業(yè)用、藥用及飼料用5大適用類型，其中油用型和副食品用型為主要類型[2]。不同適用類型芝麻品種籽粒成分特征不同，用于生產(chǎn)芝麻醬等副食品的芝麻往往要求含有較高的粗蛋白含量、較高的纖維素含量及較低的粗脂肪含量，以維持芝麻醬的穩(wěn)定性，避免出現(xiàn)“固液分離”現(xiàn)象[3]。優(yōu)質(zhì)的油用型芝麻則通常要求其籽粒中具有較高含量的不飽和脂肪酸及芝麻素、芝麻酚林等抗氧化活性物質(zhì)，不飽和脂肪酸是人體不能合成的必須脂肪酸，對(duì)降低膽固醇、預(yù)防血管硬化具有良好效果。芝麻中特有的芝麻素、芝麻林素在加工中可轉(zhuǎn)化為芝麻酚和芝麻素酚，可以預(yù)防高血壓、延緩皮膚細(xì)胞衰老，利用優(yōu)質(zhì)的油用型芝麻壓榨得到的芝麻油具有很高的營(yíng)養(yǎng)與保健價(jià)值[4]。因此選育出優(yōu)質(zhì)的油用型芝麻品種對(duì)于高品質(zhì)芝麻油的開發(fā)具有重要意義。【前人研究進(jìn)展】柳家榮等[5]對(duì)410份芝麻種質(zhì)的油分、蛋白質(zhì)含量及脂肪酸組分進(jìn)行了分析，篩選出18個(gè)油酸含量高于45%的品種，110個(gè)亞油酸含量高于45%的品種。張秀榮等[6]對(duì)48份我國(guó)芝麻育成品種及高代品系的主要品質(zhì)成分的含量進(jìn)行了分析，篩選出7個(gè)含油量大于60%的高油資源、2個(gè)蛋白質(zhì)含量大于24%的高蛋白資源及3個(gè)木質(zhì)素含量大于1.1%的高木質(zhì)素資源。賈斌等[7]對(duì)317份國(guó)內(nèi)芝麻的芝麻素及芝麻酚林含量進(jìn)行測(cè)定，結(jié)果表明，白芝麻種質(zhì)的芝麻素及芝麻酚林含量均顯著高于黑芝麻。以上研究表明，不同芝麻品種間油分、脂肪酸組分、芝麻素、芝麻酚林含量等均存在差異，可以通過(guò)測(cè)定芝麻的品質(zhì)指標(biāo)，明確不同芝麻品種的適用類型。【本研究切入點(diǎn)】前人有關(guān)芝麻油用品質(zhì)的綜合分析報(bào)道較少，現(xiàn)有的芝麻油用品質(zhì)評(píng)價(jià)方法往往孤立地考察脂肪酸組分、芝麻素、芝麻酚林等品質(zhì)指標(biāo)，而未能將這些指標(biāo)進(jìn)行綜合分析，因此難以準(zhǔn)確地對(duì)芝麻的油用品質(zhì)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。主成分分析法（PCA,Principle Component Analysis）將多個(gè)變量通過(guò)降維處理整合成幾個(gè)較少的綜合變量，盡可能地反映原有變量的信息，既達(dá)到化繁為簡(jiǎn)的目的，又可以對(duì)多個(gè)品質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行綜合分析[8]。本研究利用近紅外光譜儀對(duì)31份芝麻資源的品質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行測(cè)定，采用主成分分析法建立芝麻油用品質(zhì)優(yōu)劣評(píng)價(jià)模型。【擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題】以該模型對(duì)31份芝麻資源的油用品質(zhì)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，篩選出油用品質(zhì)較優(yōu)良的芝麻資源，并為油用高品質(zhì)芝麻品種的選育提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)采用收集自5個(gè)省份、21個(gè)縣市區(qū)的31個(gè)栽培面積較大的芝麻品種，其中地方品種28個(gè)，育成品種3個(gè)（表1）。

表1 31種芝麻品種與產(chǎn)地Tab.1 31 Sesame varieties and origins

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)于2018年8月至10月在江西農(nóng)業(yè)大學(xué)生態(tài)園進(jìn)行，試驗(yàn)地土壤理化性質(zhì)為：pH值6.1、有機(jī)質(zhì)22.5 g/kg、堿解氮67.0 mg/kg、有效磷9.76 mg/kg、速效鉀72.68 mg/kg、全氮1.16 g/kg。按品種編號(hào)依次條播，每品種播種4行，行長(zhǎng)2 m，行距40 cm，兩對(duì)真葉期按照株距15 cm間苗。播種前每公頃施用300 kg三元復(fù)合肥（N∶P∶K=15∶15∶15）作底肥，后期栽培管理均按當(dāng)?shù)馗髁?xí)慣和水平進(jìn)行。成熟期收獲籽粒，并利用DS2500F型近紅外光譜儀（美國(guó)Foss公司）對(duì)樣品進(jìn)行檢測(cè)，重復(fù)3次。檢測(cè)品質(zhì)指標(biāo)包括芝麻素、芝麻酚林、棕櫚酸、棕櫚烯酸、十七烷酸、十七碳烯酸、硬脂酸、油酸、亞油酸、亞麻酸、花生酸、花生烯酸、粗脂肪含量共13個(gè)性狀。

1.3 數(shù)據(jù)處理

利用Excel 2010軟件整理數(shù)據(jù)并進(jìn)行變異分析，利用SPSS Statistics22.0軟件進(jìn)行相關(guān)性分析、主成分分析及聚類分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 品質(zhì)性狀的變異分析

表2為不同品種芝麻品質(zhì)的測(cè)定結(jié)果，各品質(zhì)性狀在不同材料間的含量差異較大，遺傳變異比較豐富。13個(gè)品質(zhì)性狀的變異幅度在3.63%～40.74%，其中芝麻素含量變異系數(shù)最大，為40.74%，棕櫚酸含量變異系數(shù)最小，為3.63%。

2.2 品質(zhì)性狀的相關(guān)性分析

從相關(guān)系數(shù)矩陣可知，各性狀之間存在一定的相關(guān)性。其中，芝麻素含量與亞麻酸含量、棕櫚烯酸含量與硬脂酸含量、硬脂酸含量與亞麻酸含量、油酸含量與亞油酸含量、亞麻酸含量與花生烯酸含量間均存在極顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，而芝麻素含量與硬脂酸含量，芝麻酚林含量與亞麻酸含量，棕櫚烯酸含量與亞油酸含量，十七烷酸含量與十七碳烯酸、油酸含量，亞麻酸含量與花生酸含量間均存在極顯著的正相關(guān)關(guān)系（表3）。指標(biāo)上的相關(guān)性說(shuō)明所得的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)反映的信息在一定程度上有所重疊，因此有必要通過(guò)主成分分析對(duì)13項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行簡(jiǎn)化來(lái)提高綜合評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確性。

表2 31種芝麻的品質(zhì)指標(biāo)Tab.2 Quality indexes of 31 kinds of sesame

續(xù)表2

2.3 品質(zhì)性狀的主成分分析

對(duì)31個(gè)芝麻品種的13個(gè)品質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行主成分分析，提取出3個(gè)特征值大于1的主成分，其累計(jì)方差貢獻(xiàn)率達(dá)到85.385%，可以解釋絕大部分原始信息（表4）。其中第一主成分的特征值6.730，貢獻(xiàn)率51.770%，第一主成分載荷較高的為亞麻酸，其次是芝麻素和硬脂酸，因此將第一主成分稱為亞麻酸因子。第二主成分的特征值3.222，貢獻(xiàn)率24.782%，在第二主成分中，油酸的載荷最大，其次是亞油酸和十七烷酸，因此將第二主成分稱為油酸因子。第三主成分的特征值1.148，方差貢獻(xiàn)率8.833%，第三主成分中，芝麻酚林的載荷最大，將第三主成分稱為芝麻酚林因子（表5）。3個(gè)主成分因子累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)到85.385%，較全面地反映了芝麻的13個(gè)品質(zhì)性狀。

表3 芝麻品質(zhì)指標(biāo)間的相關(guān)性分析Tab.3 Correlation analysis of quality indexes of sesame

表4 主成分的特征值、方差貢獻(xiàn)率和累計(jì)方差貢獻(xiàn)率Tab.4 Eigenvalue，variance contribution rate and cumulative variance contribution rate of principal components

用各品質(zhì)指標(biāo)的主成分載荷除以主成分相對(duì)應(yīng)的特征值開平方根，得到3個(gè)主成分中每個(gè)品質(zhì)指標(biāo)所對(duì)應(yīng)的系數(shù)即特征向量，以特征向量為權(quán)重構(gòu)建3個(gè)主成分得分的函數(shù)表達(dá)式：（F1為第一主成分得分；F2為第二主成分得分；F3為第三主成分得分）

表5 主成分在各品質(zhì)指標(biāo)上的因子載荷矩陣Tab.5 Rotated component matrix of the principle component analysis

以3個(gè)主成分中每個(gè)主成分的貢獻(xiàn)率占所有提取主成分的貢獻(xiàn)率之和的比值為權(quán)重，構(gòu)建綜合評(píng)價(jià)模型：S（品質(zhì)綜合得分）=0.606F1+0.290F2+0.103F3。對(duì)各品種芝麻的品質(zhì)指標(biāo)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理后，根據(jù)綜合得分模型可計(jì)算出不同品種芝麻的綜合得分（表6），得分越高，品質(zhì)越優(yōu)。31個(gè)芝麻品種中品質(zhì)較優(yōu)的依次為鄱陽(yáng)黑芝麻、鄱陽(yáng)對(duì)夾烏芝麻、鄱陽(yáng)千層塔、上饒車輪芝麻、星子芝麻。

表6 芝麻主成分得分及排名Tab.6 Principal components value of sesame varieties

續(xù)表6

2.4 品質(zhì)性狀的聚類分析

將13個(gè)品質(zhì)性狀指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化轉(zhuǎn)換后，采用歐氏距離離差平方和法對(duì)31份芝麻資源進(jìn)行系統(tǒng)聚類，結(jié)果如圖1所示。結(jié)果表明，在歐式距離9.0處可將31份芝麻資源聚為4大類群。其中第I類群包含12份資源，該類群的芝麻具有亞麻酸含量最高、油酸含量與芝麻酚林含量均較高、粗脂肪含量較低的特點(diǎn)，綜合品質(zhì)得分排名靠前，品質(zhì)較優(yōu)。第二類群包含2份資源，該類群的芝麻粗脂肪含量高、芝麻素含量較高、亞麻酸含量低，綜合品質(zhì)較差；第三類群包含15份資源，該類群的芝麻具有粗脂肪含量高、亞麻酸含量低特點(diǎn)，綜合品質(zhì)排名靠后，品質(zhì)較差；第四類群包含2份資源，該類群的芝麻具有含油量中等、亞麻酸含量中等的特點(diǎn)，綜合品質(zhì)排名中等。

圖1 31份芝麻資源的品質(zhì)聚類分析Fig.1 Cluster analysis of quality of 31 sesame varieties

3 討論與結(jié)論

我國(guó)豐富的芝麻種質(zhì)資源，是進(jìn)行高品質(zhì)芝麻育種的重要材料[9?10]。對(duì)現(xiàn)有的芝麻種質(zhì)資源進(jìn)行鑒定、評(píng)價(jià)，有利于種質(zhì)資源的高效利用，對(duì)于芝麻育種工作具有重大意義[11]。近年來(lái)興起的近紅外光譜技術(shù)具有快速、無(wú)污染、不破壞樣本等優(yōu)點(diǎn)[12?16]，在農(nóng)作物品質(zhì)分析上應(yīng)用廣泛，但在芝麻品質(zhì)檢測(cè)上仍報(bào)道較少[17?18]。本研究利用近紅外光譜儀測(cè)定不同芝麻品種的品質(zhì)指標(biāo)，發(fā)現(xiàn)不同芝麻品種間品質(zhì)差異較大。其中芝麻素含量、芝麻酚林含量、亞麻酸含量的變異系數(shù)均大于10%，芝麻素含量的變異系數(shù)甚至達(dá)到40.74%，而棕櫚酸、粗脂肪等變異系數(shù)均小于10%，這與劉盼等[19]的研究結(jié)果一致。因此在選育新品種時(shí)，芝麻素的選擇空間較大，而棕櫚酸、粗脂肪的選擇難度較大。相關(guān)性分析表明，芝麻籽粒中芝麻素含量與粗脂肪含量呈極顯著正相關(guān)，與梅鴻獻(xiàn)等[20]的研究結(jié)果一致，棕櫚酸含量與硬脂酸含量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，而與亞油酸含量呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，油酸含量與亞油酸含量呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，與汪學(xué)德[21]等先前的研究結(jié)果一致。這些脂肪酸含量間的相關(guān)性可能與芝麻的生長(zhǎng)環(huán)境及生長(zhǎng)過(guò)程中的脂肪酸合成路徑有關(guān)[22?24]。

現(xiàn)有的芝麻油用品質(zhì)評(píng)價(jià)方法往往較多地使用變異分析和相關(guān)性分析，這些方法仍存在片面性強(qiáng)、主觀性強(qiáng)的問(wèn)題，難以客觀、準(zhǔn)確地反映芝麻的油用綜合品質(zhì)[25?26]。而主成分分析可將多個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)簡(jiǎn)化為少量的幾個(gè)綜合指標(biāo)，去除不重要部分，保證原信息損失小且變量數(shù)目盡可能少[27?29]，可對(duì)農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，已在花生、紅麻、柑橘、蘋果等多種農(nóng)產(chǎn)品的品質(zhì)評(píng)價(jià)上得到應(yīng)用[30?31]。本研究采用主成分分析方法從31份芝麻資源的13個(gè)油用品質(zhì)指標(biāo)中提取3個(gè)主成分，可反映所有品質(zhì)指標(biāo)85.385%的信息，同時(shí)篩選出對(duì)芝麻品質(zhì)影響最大的3個(gè)核心指標(biāo)：亞麻酸含量、油酸含量、芝麻酚林含量。以主成分的特征向量為權(quán)重構(gòu)建主成分的函數(shù)公式，以所選主成分對(duì)應(yīng)的貢獻(xiàn)率占累計(jì)貢獻(xiàn)率的比例為權(quán)重，得到芝麻油用品質(zhì)綜合評(píng)價(jià)模型，將原始數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化后，代入到上述公式中即可求得品質(zhì)綜合得分。參試品種中綜合得分最高的前5個(gè)品種依次為鄱陽(yáng)黑芝麻、鄱陽(yáng)千層塔、鄱陽(yáng)對(duì)夾烏、上饒車輪芝麻、星子芝麻。以31份芝麻資源的油用品質(zhì)參數(shù)為指標(biāo)，利用歐式距離離差平方和法對(duì)這些品種進(jìn)行系統(tǒng)聚類，可將31份芝麻資源劃分為4大類群，其中上述綜合得分最高的5個(gè)品種均被聚為第I類群中，聚在該類群的品種具有高芝麻酚林、高亞麻酸含量的特點(diǎn)，油用綜合品質(zhì)較高，可作為高品質(zhì)芝麻油的生產(chǎn)原料；懶漢白芝麻、青縣白芝麻被聚為第IV類群，該類群油用綜合品質(zhì)中等，但懶漢白芝麻和青縣白芝麻中油酸含量高，可作為選育高油酸芝麻的親本加以利用；其余品種被聚為第II、III類群，這些芝麻的油用綜合品質(zhì)較差，但該類群中有些品種某一方面的品質(zhì)較為突出，如武昌竹竿青早麻、扶綏白芝麻的芝麻素含量較高，分別達(dá)到5.65 mg/g、6.07 mg/g，襄陽(yáng)米黃芝麻、武昌轉(zhuǎn)股麻的粗脂肪分別達(dá)到56.33%和56.83%，這些品種可作為選育專用型品種如高芝麻素、高含油量芝麻的親本加以利用。

本研究應(yīng)用近紅外光譜儀測(cè)定31份芝麻資源的13個(gè)油用品質(zhì)指標(biāo)，并利用主成分分析法構(gòu)建了芝麻油用品質(zhì)優(yōu)劣綜合評(píng)價(jià)模型，依據(jù)該模型對(duì)31份芝麻資源的油用品質(zhì)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，油用品質(zhì)較優(yōu)的5個(gè)芝麻品種依次為鄱陽(yáng)黑芝麻、鄱陽(yáng)千層塔、鄱陽(yáng)對(duì)夾烏、上饒車輪芝麻、星子芝麻。試驗(yàn)結(jié)果可為芝麻新品種的選育、芝麻產(chǎn)品的開發(fā)利用提供參考。