基于主成分分析和聚類分析的李子果實品質綜合評價

李 可，林籽汐，劉 佳，廖茂雯，袁懷瑜，梁鈺梅，潘翠萍，郭南濱，朱永清，張國薇，李華佳,*

（1.四川省農業科學院農產品加工研究所，四川成都 610000；2.四川省農業科學院園藝研究所，四川成都 610000；3.四川省葡萄酒與果酒行業協會，四川成都 610000）

李子（PrunussalicinaLindl.），又名嘉慶子、布霖，為雙葉子植物綱（Dicotyledoneae），薔薇科（Rosaceae），李屬（PrunusL.）植物[1]。李子果實飽滿，色澤亮麗，口感細膩，富含人體所需的多種維生素、氨基酸和微量元素，具有抗氧化、抗衰老、增強人體免疫力的功效，享有“五果”之首的稱號[2-4]。李子在中國具有悠久的栽培歷史，現已有1000 余個品種和類型[5]。研究表明，李子作為一種水果，常常會因為品種、產地氣候等因素不同而造成品質差異[6-7]。四川作為李子大省，目前已經規模化種植的品種包括青脆李、蜂糖李、巨早李、酥李、蘋果李等十多個品種，同時還有一些最新培育的新品種如紫皇、圣雪珀等，然而，目前對四川地區相關品種李子品質特征的研究卻鮮有報道。

果實品質包括外在品質和內在品質，外在品質主要指果形指數、色澤等指標，內在品質包括可溶性固形物、可滴定酸、多酚、黃酮等指標[8]，且這些指標之間存在相對獨立性和密切相關性。因此，依據單個指標或少數相關聯的一般指標來評價果實品質優劣存在一定的片面性[9-10]。為了更加全面地分析和比較不同品種水果品質，近幾年，主成分分析與聚類分析相結合的綜合性評價方法已被廣泛應用于果實的品質分析和綜合評價[11-13]。該方法避免了感官評價主觀性強、可比性差等不足，簡化了評價程序，更利于綜合評價多項品質指標。張芳等[14]利用主成分分析和聚類分析方法對貴州省15 份野生桑果實的品質進行綜合分析，并基于此篩選出綜合品質優良的資源作為桑葚品種選育的參考。姜璐等[15]采用主成分分析、相關性分析等方法明確了18 個品種藍靛果的品質特征，并進一步根據品質特征提出了不同品種適宜的開發利用途徑。以上研究均為李子品質評價提供了科學參考。

本研究以12 個品種李子為研究對象，對其外觀特性、理化指標及糖酸組成等進行測定，并結合主成分分析和聚類分析，解析12 個品種李子的品質特征，以期為李子品質評價、不同用途優質專用品種篩選和品種選育提供一定的理論依據。

1 材料和方法

1.1 材料與儀器

李子 2022 年6 月下旬到8 月上旬采集于四川省德陽市李子種質資源圃（30°31′～31°42′N，103°45′～105°15′E），每個品種選取5 株栽培條件一致、長勢良好、產量較一致的果樹進行采樣，于不同品種的樹冠外圍不同方向隨機采摘成熟果實[16]，泡沫箱+冰袋包裝后立刻運回實驗室測量其指標。供試的李子品種名稱及采摘時間詳見表1；氫氧化鈉、3,5-二硝基水楊酸、鹽酸、福林酚試劑、無水碳酸鈉、亞硝酸鈉、甲醇、硝酸鋁、2,6-二氯靛酚、氯化鉀、硝酸鋁 均為分析純，成都市科隆化學品有限公司；葡萄糖、蔗糖、果糖、琥珀酸、蘋果酸、草酸、奎寧酸 色譜純標準品，上海麥克林生化科技有限公司。

表1 供試李子的采摘時間Table 1 Date of sampling in plum resources

855 型全自動滴定儀 瑞士萬通中國有限公司；PHS-3C 型數顯pH 計 上海雷磁公司；CR-400 色差儀 柯尼卡美能達；JJ-1000 型電子分析天平 上海佑科儀器儀表有限公司；1260 HPLC 高效液相色譜 美國安捷倫技術公司；SpectraMax iD3 多功能酶標儀 美谷分子儀器有限公司；DHG-9070 電熱鼓風干燥箱 上海一恒科學儀器有限公司；KQ5200 DE 數控超聲儀 昆山市超聲儀器公司；DKS-14 恒溫水浴鍋 江蘇金壇市金城國勝實驗儀器廠；蘇泊爾SJ30 渣汁分離果汁機 浙江蘇泊爾股份有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 果實外觀品質測定

1.2.1.1 果實質量及密度 參考安伯義等[17]的方法。

1.2.1.2 果型指數 使用游標卡尺測量其橫徑、縱徑，果型指數=縱徑/橫徑。

1.2.1.3 色差 用色差儀測定李子果實赤道線上分布均勻的3 個部位（L*、a*、b*值）。

1.2.2 果實理化指標測定

1.2.2.1 出汁率 稱取100 g 果肉用打漿機勻漿2～4 min 得到果漿，8000 r/min 離心10 min，取上清液稱量果汁質量，并按照如下公式計算出汁率。

1.2.2.2 可溶性固形物 采用手持數顯糖度計測定可溶性固形物含量，結果以%表示。

1.2.2.3 pH 測定 采用pH 計測定。

1.2.2.4 可滴定酸含量測定 用全自動滴定儀測定可滴定酸含量[18]，滴定溶液為0.1 mol/L NaOH 標準溶液，滴定終點為pH8.2，結果以蘋果酸當量計，結果以%表示。

1.2.2.5 總酚含量 采用Folin-ciocalteau 法測定[19]，2 mL 新鮮配制的Folin-Ciocalteu（1:1 v/v）加入到200 μL 果汁中，加入2 mL 75 g/L 的碳酸鈉混勻1 min，25 ℃保溫40 min，760 nm 檢測總酚含量。以沒食子酸為標準品繪制標準曲線，結果以mg GAE/100 g 表示。

1.2.2.6 總黃酮含量 采用AlCl3顯色法測定[19]，1 mL 果汁中加入300 μL NaNO2（50 g/L）和4 mL 蒸餾水，混勻1 min，5 min 后加入1 mL AlCl3（100 g/L），混勻后放置5 min，加入2 mL 1 mol 的NaOH 和2.4 mL 的蒸餾水，25 ℃條件下振蕩2 min，10 min后510 nm 檢測類黃酮含量。以蘆丁繪制標準曲線，結果以mg RE/100 g 表示。

1.2.3 糖酸組成分析

1.2.3.1 蔗糖、葡萄糖、果糖含量分析 采用HPLC法，取0.2 g 果汁，稀釋200 倍后過0.22 μm 微孔濾膜過濾后備用[20]。采用外標法對糖組分進行定量分析，標準溶液的配制如下：分別稱取0.1000 g 葡萄糖、蔗糖、果糖。用超純水定容至100 mL，配制成1 mg/mL 的混合糖標準儲備液，再依次稀釋成5、10、20、50、100 μg/mL 的標準使用液，經0.22 μm濾膜過濾后備用。HPLC 條件參照色譜柱說明書：色譜柱為安捷倫Hiplex-Ca 分析柱（300 mm×7.8 mm），流動相為超純水，流速0.6 mL/min，進樣量20 μL，柱溫80 ℃。蒸發光檢測器條件為氮氣流速2 mL/min，漂移管溫度60 ℃，蒸發管溫度80 ℃。參考孟祥春等[21]的方法，每次實驗測定3 次并取平均值。

1.2.3.2 甜度值 甜度值的計算參考穆茜等[22]方法。

1.2.3.3 有機酸組成測定 有機酸采用HPLC 測定，取0.2 g 果汁，稀釋20 倍后過0.22 μm 微孔濾膜過濾后備用。采用外標法對酸組分進行定量分析，標準溶液的配制如下：分別稱取0.1000 g 蘋果酸、草酸、奎寧酸、琥珀酸。用超純水定容至100 mL，配制成1 mg/mL 的混合酸標準儲備液、再依次稀釋成5、10、20、50、100 μg/mL 的標準使用液，經0.22 μm濾膜過濾后備用。HPLC 條件參照色譜柱說明書：色譜柱為 Aminex HPX-87H（300 mm×7.8 mm），流動相為0.005 mol/L H2SO4，流速0.6 mL/min，紫外檢測波長210 nm，進樣量10 μL，柱溫30 ℃。

1.2.3.4 有機酸總含量測定 有機酸總含量計算參照穆茜等[22]的方法。

1.2.3.5 糖酸比與甜酸比 甜酸比和糖酸比計算公式如下：

1.3 數據處理

利用Excel 2016 對數據進行收集處理，使用GraphPad Prism 9、SPSS.26 統計軟件、Chiplot 線上分析平臺（https://www.chiplot.online）對數據進行單因素方差分析（P<0.05）、主成分分析和聚類分析。采用隸屬函數法和反隸屬函數法對原始數據進行標準化以處理消除各指標異向性對綜合評價的影響，根據以下公式計算出不同李子資源綜合得分并進行排序[6,23]：

式中：Ain表示n 品系i 指標的正相關隸屬函數值；Xin表示第n 個品種的第i 個性狀指標；Ximin和Xjmax分別表示樣品i 指標的最小值和最大值；Bin表示n 品系i 指標的負相關隸屬函數值；m 表示主成分貢獻率大于>85%的個數；Cij表示第j 個主成分第i 個的特征向量；Dj表示第j 個主成分的特征值。

2 結果與分析

2.1 不同品種果實外觀品質差異分析

外觀品質作為評價李子果實經濟價值的重要性狀，主要體現在單果重、果形指數和色澤等方面，是消費者選擇的最直觀評價標準[24]。由表2 可知，不同品種李子平均單果質量分布在18.36～94.86 g，參照陳守一等[24]的單果重分級方法，12 個李子品種被分為極大果（單果重≥90 g）品種1 個SXP，大果（90 g>單果重≥60 g）品種2 個ZXT、ALS，中果（60 g>單果重≥30 g）品種4 個YG、XL、ZH、QH，小果（30 g>單果重≥20 g）品種3 個CH、QC、CC，極小果（單果重<20 g）品種2 個XTL、FH。由表2 可知，12 個品種李子果實密度在0.96～1.05 g·cm-3，雖然不同品種之間有差異，但變化較小。果形指數是用來描述果實的形狀，參照蘋果果形指數劃分標準[25]，0.6～0.8 為扁圓形，0.8～0.9 為圓形，0.9～1.0 為橢圓形或圓錐形，1.0 以上為長圓形可知，12 個品種李子果實形狀可分為三種類型，其中CC 果實形狀為圓形、YG 果實形狀為長圓型，其它大多數李子品種果實形狀為橢圓形或圓錐形。色差L*、a*、b*值變化范圍分別為22.28～58.32、-12.93～17.91、8.60～45.95。色差L*、a*、b*值分別代表亮度、紅綠度和黃藍度方面變化，由表可知，QH、ALS、ZH 色差a*最高果且為正值，為典型的紅色系果實，其中ALS 果實表面表現為紅青色且表面不光亮，其L*和b*值顯著（P<0.05）低于其它品種，QH 和ZH 果實表面表現為紅黃色、表面較光亮，其L*和b*值相對較高。XL、CC、ZXT、SXP 和QC5 個品種果實表面以黃色為主、略帶紅色、表面較光亮，其色差a*值為正值，L*和b*高；YG、FH、XTL、CH4 個品種為青黃色水果，表面光亮，因此其色差a*值為負值，但L*和b*高。

表2 不同品種的李子果實外觀品質差異分析Table 2 Analysis of appearance quality of different plum varieties

2.2 不同品種果實理化指標分析

由表3 可知，供試12 個品種的平均出汁率在32.92%～58.92%，其中SXP 和ZH 出汁率最高，均在50%以上，YG、FH、ALS、QC、CH、ZXT 次之，出汁率在40%～50%之間，XL、XTL、CC 出汁率較低在30%～40%之間，QH 最低為26.10%。出汁率是影響果實加工品質的重要指標，與果肉細胞成熟度及果膠含量密切相關，自然條件下的出汁率影響果汁類產品加工難易程度和成本，通過比較不同品種李子出汁率可知，SXP 和ZH 具有較好的加工潛力。

表3 不同品種李子果實的營養成分分析Table 3 Analysis of fruit nutrients of different plum varieties

pH、可溶性固形物和可滴定酸是反映果實內在品質的理化指標。由表3 可知，12 個李子品種pH分布在3.17～3.85，可滴定酸含量變化范圍在0.69%～1.39%之間，可溶性固形物含量在10.4～19.67 之間，其中FH、ZH、QC、CH、SXP 的pH 較高，CC 果實pH 最低；SXP 可滴定酸含量最高，QC 可滴定酸含量最低；ZH、SXP、XL 可溶性固形物含量較高，均大于15%，QC 可溶性固形物含量最低。與陳守一等[24]、周忠雨[26]的研究結果比較可知，不同品種李子果實pH、可滴定算含量變化范圍較為一致，但本研究首次報道的一些品種如SXP、ZH 的可溶性固形物含量顯著（P<0.05）高于其它品種。

研究表明，多酚和黃酮類物質是李子果實中重要的活性物質，賦予果實豐富的營養成分和抗氧化的功能特性[2-4]。本研究表明，12 個品種李子總多酚含量在78.00～204.80 mg GAE/100 g 之間，總黃酮含量在106.05～272.30 mg RE/100 g 之間，總酚含量和黃酮含量存在一定相關性，總酚含量高的品種，其黃酮含量往往也較高，該研究結果與周忠雨[26]的研究結果一致。其中，FH 和ZH 的總黃酮和總酚含量均較高，ZXT 的總黃酮和總酚含量均最低。

2.3 不同品種果實糖、酸組分及甜酸風味分析

多數研究認為，蔗糖、葡萄糖和果糖是李子、桃等果實中含量較高的糖類[27-28]，Liu 等[29]研究表明，‘歐洲李’‘野生歐洲李’和‘黑刺李’三個品種中糖種類包括蔗糖、葡萄糖、果糖及山梨醇，且以葡萄糖為主，山梨醇次之。圖1A 表示，12 個品種李子中以蔗糖、葡萄糖和果糖為主，不同品種李子蔗糖、葡萄糖和果糖總含量變化范圍在32.89～141.38 mg?g-1，其中ALS、ZH 和SXP 的總含量較高，分別為141.38、128.65、和108.11 mg?g-1，ZXT 和QC 的總含量較低。同時許多研究還根據含量最高的可溶性糖類，將水果分為蔗糖積累型、葡萄糖積累型和果糖積累型，基于此，QH、SXP、ZH、CC、CH、FH、XTL、YG、ZXT 等9 個品種蔗糖占主要比例，為蔗糖積累性果實，QC、ALS 兩個品種葡萄糖占比最高，為葡萄糖積累型，XL 中果糖占比最高為果糖積累型。

圖1 不同品種李子果實糖酸組成及酸甜品質分析Fig.1 Sugars,organic acids,sweet and sour flavor in different plum varieties

有機酸的種類和構成對果實的酸味密切相關，目前關于不同品種李子中有機酸組成研究也較多，但研究結果卻有所差異。周忠雨[26]的研究認為‘青脆李’‘脆紅李’‘茵紅李’‘西瓜李’和‘蜂糖李’等品種有機酸種類包含蘋果酸、酒石酸、草酸、莽草酸等五種酸，且所有品種均以蘋果酸為主，蘋果酸占比均在80%以上。而Liu 等[29]則認為，‘歐洲李’以奎寧酸和蘋果酸為主，‘櫻桃李’‘美洲李’‘加拿大李’‘黑刺李’和‘野生歐洲李’等果實中以蘋果酸為主。Celik 等[30]則研究認為‘櫻桃李’總有機酸含量最高，其次是‘歐洲李’和‘黑刺李’，‘烏蘇李’含量最低，‘歐洲李’‘櫻桃’‘黑刺李’等品種有機酸種類包含檸檬酸、蘋果酸、琥珀酸和富馬酸。其中‘歐洲李’和‘黑刺李’均以檸檬酸為主，‘櫻桃李’中以檸檬酸、琥珀酸和富馬酸為主。由圖1B 可知，本研究結果與Liu 等[29]的研究結果較為一致，12 個品種李子中有機酸種類包括蘋果酸、奎尼酸、草酸和琥珀酸等，且均以蘋果酸和奎寧酸為主，總含量為11.92～32.58 mg·g-1，含量從大到小依序為：CC>ZH>SXP>YG>FH>QH>CH>ALS>QC>XTL>XL>ZXT。蘋果酸的平均含量為6.68～14.15 mg·g-1，占比32.6%～58.1%，含量較高的品種為SXP 和YG，含量最低的品種為QC；奎寧酸的平均含量為2.48～15.91 mg·g-1，占比20.8%～60.6%，含量最高的品種為CC、ZH，含量最低的為ZXT；琥珀酸的平均含量為1.17～4.89 mg·g-1，占比6.7%～20.4%；草酸的平均含量為0.04～0.43 mg·g-1，占有機酸總量的比例均低于1.5%。由此可以看出，不同品種李子酸的種類和組成存在較大差異，研究表明這種差異往往會帶來口感的差異，影響消費者體驗及其商品性[29]。

水果的甜酸風味是由糖和有機酸產生，但并不是甜味和酸味的簡單疊加，而是糖和酸共同作用的綜合結果，既取決于糖和酸的含量水平，也取決于糖和酸的種類和比例，固酸比、甜度/總酸是評價水果酸甜風味的常用指標[31-32]。由圖1C～圖1D 可知，通過對12 個品種李子甜度值、固酸比、糖酸比等研究結果表明，12 種李子果實甜度值由高到低依次為ALS>ZH>SXP>XTL>XL>CH>CC>QH>YG>ZXT>QC。不同品種果實糖酸比和甜酸比值順序一致，大小順序為：ALS>XL>XTL>ZH>SXP>CH>ZXT>FH>QH>CC>QC>YG。

2.4 不同品種果實品質主成分分析

對12 個品種李子果實的24 個品質指標的主成分分析結果顯示（表4），前5 個主成分的特征值均大于1，累計方差貢獻率達到82.586%，說明所提取的主成分對評價李子品種綜合品質具有一定的代表性。由表4 可知，主成分1 的方差貢獻率為30.556%，主要與總糖、總甜度、果糖、葡萄糖、甜酸比、糖酸比、蔗糖、可溶性固形物等表現為較高相關性且正相關，這些指標反映了果實甜酸風味品質；主成分2 的方差貢獻率為19.903%，與總酚、b*、總黃酮、a*相關程度高，其中與總酚、b*、總黃酮呈正相關，與a*呈負相關。研究表明，總多酚和總黃酮與色澤密切相關，因此主成分2 可代表果實色澤品質；主成分3 的方差貢獻率為12.790%，主要與蘋果酸、可滴定酸和總酸呈正相關，可以作為反映果實酸味的指標；主成分4 的方差貢獻率為12.592%，與單果質量正相關；主成分5 的方差貢獻率為6.745%，與果形指數、果實密度相關性較大且呈正相關。由此可知，本文所提取的五個主成分分別代表了果實的糖和甜味品質、色澤、酸及酸味、單果重、果實密度和果形指數。

表4 主成分在各品質指標上的因子載荷矩陣Table 4 Rotated component matrix of the principle component analysis

2.5 不同品種果實品質綜合評價

以各主成分的貢獻率為權重，由相對應的主成分得分和權重加權求和得到綜合評價函數，即Z=0.2628y1+0.1636y2+0.1499y3+0.1370y4+0.0930y5。通過函數計算出12 個李子品種的果實品質綜合得分和排序結果，綜合評分越高說明該品種在測量的多個指標中綜合品質越佳。由表5 可知，12 種李子品種中ZH、SXP 和ASL 的主成分綜合得分較高，分別為0.81、0.53、0.45，其次為XL、XTL，綜合得分為正值，說明這5 種李子果實的綜合品質較好；CC、YG、FH、CH、QH、ZXT 和QC 的綜合分值較低，均為負值，表示這7 種李子在測量的多個指標中綜合品質較差。

表5 綜合成分得分及排序Table 5 Scores and ranking of principal component

2.6 不同品種果實品質指標相關性及聚類分析

將12 種李子果實品質標準化處理后進行系統聚類，同時對各項指標與李子各品種間的相關性進行分析，結果如圖2 所示。12 種李子果實被聚成2 個大類，其中ZH、SXP、ALS、XL、XTL、CC、YG 分為第一個大類，在該大類中又可以分為幾個亞類。其中，ZH 和SXP 被歸為同一個亞類，表明這兩種果實的品質特征相似，相關性分析也顯示，這兩類果實與大部分品質指標呈正相關，同時在綜合品質評價中分數排名靠前，分別為0.81 和0.53，進一步證實了ZH 和SXP 的綜合品質佳，這類果實因出汁率、可溶性固形物、總糖含量高，是加工果汁果酒的優質資源；ALS 被單獨聚為一類，在外觀與營養品質中優勢并不突出，但與影響李子果實品質品種評價的酸甜風味指標顯示強相關，使得在綜合評分中排名靠前，該品種的總糖、總甜度、甜酸比和糖酸比最高，表明果實整體口感好，是作為鮮食的備選資源；XL 和XTL 被歸為另一個亞類，這類果實可溶性固形物含量最高，糖酸比和甜酸比高，表明風味好、酸甜適中，但出汁率低，是適宜加工成果脯和果干的資源[15]。另一個大類中的6 個品種，與大部分品質指標呈負相關，主成分分析綜合評價得分均為負值，其中ZXT和QC 的分數最低，表明這類果實的各項指標大多處于較低水平。

圖2 不同李子品種果實品質指標相關性及聚類分析Fig.2 Cluster pedigree diagram of different plum varieties

3 討論與結論

果實品質評價是對不同品種果實品質特性的解析，為生產者和消費者品種選擇提供科學依據，是育種工作中的重要一環。通過對‘青脆李’‘脆紅李’等12 個品種李子的外觀指標、色澤、理化指標及甜酸風味物質組成進行比較分析，并結合主成分分析和聚類分析，對12 個品種綜合品質進行了排序與聚類。結果表明，12 個品種李子的品質特征存在差異，通過主成分分析提取的五個主成分分別代表了果實的甜味及糖、色澤、酸及酸味、單果重、果實密度和果形指數，根據指標結合統計分析方法可解析品種特性及適宜的用途。

綜合品質得分排序由高到低依次為：ZH、SXP、ASL、XL、XTL、CC、YG、FH、CH、QH、ZXT、QC。通過聚類分析，按照品質將李子分為2 個大類，第一大類得分較高，品質優良，其中，ZH、SXP 綜合得分較高，出汁率、可溶性固形物、總糖含量高，是加工果汁果酒的優質資源；ALS 總糖、總甜度、甜酸比和糖酸比最高，是作為鮮食的備選資源；XL 和XTL 可溶性固形物含量最高，糖酸比和甜酸比高，但出汁率低，是適宜加工成果脯和果干的良好品種資源；第二大類的7 個品種綜合評價品質較低，有待通過栽培管理進一步提升其品質。該研究為消費者根據需求選擇適宜的品種以及李子栽培、貯藏保鮮等提供參考，對促進李子總體品質提升具有重要指導意義。

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