基于主成分分析的不同种鲜食葡萄品质评价

潘 照 周文化 肖玥惠子

(1. 中南林业科技大学食品科学与工程学院，湖南 长沙 410004；2. 粮油深加工与品质控制湖南省 协同创新中心，湖南 长沙 410004；3. 特医食品加工湖南省重点实验室，湖南 长沙 410004)

葡萄(VitisviniferaL.)属于葡萄科葡萄属藤本植物，其营养丰富，含有多种活性物质[1]，因此被世界人民广泛食用并得以大面积种植。目前，中国葡萄主要集中于东北中北部、西北部、黄土高原、环渤海湾、黄河固道、云贵川及南方7个葡萄栽培区，其中鲜食型葡萄占栽培面积的80%左右，余下的为酿酒型葡萄和干制型葡萄[2]。鲜食型葡萄品种众多，不同品种葡萄之间生态适应性的差异导致果实在不同的栽培环境下生长的状态不同，外观色泽、风味品种也存在差异，品质良莠不齐。目前，中国对葡萄的品质评价集中于酿酒葡萄[3]、野生葡萄[4]和单一地区的鲜食型葡萄[5]，国外也局限于葡萄汁[6-7]及葡萄酒[8]，对于南方鲜食型葡萄的品质评价尚不完善，需要建立一个相应的品质评价体系，用以衡量不同品种葡萄的质量。

对鲜食型葡萄品质进行综合评价时，要选取多项品质指标，既要考虑葡萄的外观风味，主要是感官评价；还要考虑到营养价值，如酸含量、可溶性固形物含量等，以保证评价信息的全面性[9]。考虑到评价指标的整体性，传统的方差分析法具有很大的局限性，因此现研究者多采取主成分分析法(PCA)，该方法旨在将原来的指标重新组合成几组新的综合指标，用较少的指标来反映原有的数值[10]。并且该统计学方法已广泛应用于蓝莓[11]、草莓[12]、土豆[13]等果蔬的质量评价。

本试验拟选取18个南方鲜食型葡萄品种，对其感官品质、营养成分等基本理化指标进行分析比较，并通过主成分分析法挑选具有代表性的成分因子，对鲜食型葡萄品质的差异性进行合理评价，以筛选出品质最优的鲜食葡萄品种。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

1.1.1 试验材料

鲜食葡萄：湖南省长沙市主栽和售卖的，具体见表1。果实于相应的成熟季节进行采集，挑取无腐烂、无病害、外观大小均匀一致的果实进行试验。将果实在采摘当日运回中南林业科技大学食品学院A406实验室，预冷24 h散去田间热，供试验用。

1.1.2 仪器与设备

手持式折光仪：011型，济南科翔实验仪器有限公司；

电子天平：JY2002型，上海浦春计量仪器有限公司；

色差仪： UltraScan Pro型，美国Hunter Lab公司；

紫外可见分光光度计：BlueStar型，北京LabTech公司；

高速冷冻离心机：Sorvall LYNX 6000型，美国Thermo Fisher Scientific公司；

水分快速测定仪：JH-H系列型，泰州市宜信得仪器仪表有限公司；

质构仪：TA-XTPlus型，英国Stable Micro System公司。

表1供试品种介绍Table 1 Introduction of tested varieties

1.2 试验指标与方法

1.2.1 单果重测定 各品种葡萄随机挑选20个样本，用电子天平对单个果实逐一称重，计算平均值。

1.2.2 果形指数测定 随机选取10颗葡萄果实，使用游标卡尺测量其纵径和横径，并计算纵径和横径的比值。

1.2.3 质构测定 采用质构仪测定，测试参数：测前速度5 mm/s，测试速度2 mm/s，测后上行速度2 mm/s，两次压缩停顿时间5 s，葡萄果肉受压变形度25%，触发力5 g[14]。

1.2.4 色差测定 选取颜色均匀一致的葡萄，将表皮擦拭干净，使用标准白板对色差仪进行校准，以果皮上下对称的2个点为测试点，测定果皮的色泽，记录L、a、b值，分别代表色泽的明亮程度、红绿度、黄蓝度，并按式(1)计算饱和度C。

(1)

1.2.5 含水量测定 取3～5 g葡萄，切成1 cm厚的均匀薄片，放入已预热的水分快速测定仪中，温度为105 ℃，待葡萄中水分被完全蒸干后，读取数据。

1.2.6 可溶性固形物含量测定 准确称取5 g样品，在研钵中磨成匀浆后，于4 000 r/min离心15 min，取上层果汁清液，用手持式折光仪测定。

1.2.7 可滴定酸含量测定 采用酸碱滴定法[15]。

1.2.8 感官评价 参照NY/T 1986—2011规定。选取12位食品专业人士(男女各半)组成感官评价组，通过观、闻、品尝的方式，对不同品种的葡萄进行评定，并按表2的标准进行打分。

1.3 分析方法

1.3.1 主成分分析 对不同样品的相关品质性状进行主成分分析，依照因子性状的累计方差贡献率>85%的原则，确定主成分因子个数。

表2 鲜食型葡萄感官评分标准Table 2 Sensory evaluation criteria forTable grapes

1.3.2 综合评分 利用SPSS软件得到不同样品的主成分分值Fi，按式(2)计算综合分值F[15]。

(2)

式中：

F——经主成分分析后各品种葡萄品质的综合分值；

Fi——第i个特征值>0.9的主成分分值；

Yi——第i个主成分的方差贡献率；

C——测定的样品全部主成分因子的累积方差贡献率。

1.3.3 数据处理 每个指标进行3次平行试验，结果取平均值。使用Microsoft Excel 2016、IBM SPSS Statistics 24.0软件对数据进行分析处理。

2 结果与分析

2.1 不同品种葡萄的基本品质性状

不同品种葡萄品质性状的测定结果见表3。不同品种葡萄的果形指数为0.98～1.67，纵径略大于横径，呈现出圆形、椭圆形或长圆形，其中黑提的纵横比最大，为1.67，红宝石最小，为0.98，接近于圆形。葡萄果实的单果重为5.38～14.43 g，果实重量差距较大(变异系数为35.38%)，平均单果重为8.02 g。单果重也间接地反映出果实的大小，红地球的果实较大，平均果实重14.43 g，珍珠提的相对较小，平均果实重3.76 g。

硬度、弹性和回复性反映了果实的抗压能力及形变恢复能力；黏聚性和内聚力反映出果实对第二次压缩的抵抗能力；硬度、弹性和黏聚性共同构成了果实的咀嚼特性；黏度则反映了果实的黏着作用[16-17]。黑提在硬度、弹性、咀嚼性、回复性和黏度等指标中都占据了最大值，分别为3 956.45，86.36，1 385.38，30.52，1 906.81 g；无核白鸡心的黏聚性(-0.32 g·s)和内聚力(0.69 g)最大，而硬度、咀嚼性和黏度为最小，为723.31，341.82，414.02 g。在质构测试的7项指标中，各指标变异程度不同，硬度的变异系数达到了51.18%，差异幅度最大，而弹性表现较一致(变异系数为3.23%)，这与葡萄果实的大小有着一定的关系。

果实的色泽是果品品质和新鲜度的一个重要指标[18]，表现为L、a和b值。根据Hunter Lab表色系统[19]，L值为亮度，其越大表示果实表面越亮，结果显示马奶的L值最大，为61.96，金手指L值最小，为24.92，变异系数为28.29%。a为红绿值，b为黄蓝值，不同品种葡萄果皮颜色各异，不能仅仅通过外表颜色判断其品质，因此选取饱和度C作为评价因子。饱和度代表果实的彩度，值越大表明果实的颜色越纯正，不同品种葡萄饱和度差异较大(变异系数为48.92%)，其中，果实亮度最大的马奶葡萄颜色也相对最纯，C值为24.25。

评价鲜食型葡萄品质最重要的是其本身固有的风味，糖酸含量是影响风味的主要因素。由表3可以看出，魏可中可溶性固形物含量达到了20.91%，比黄香蜜多了6.19%；可滴定酸含量为0.49%，比最小值高出0.21%。对葡萄这种浆果型水果来说，水分的差异并不明显，变异系数仅有3.91%，魏可水分含量最高为83.95%，醉金香最低为73.66%。

感官分析是评价果实新鲜度最直观的方法，通过人体的视觉、触觉和味觉来代替机器的检测，来确定消费者的偏好。从外观、质地和风味三方面进行打分，结果见图1，三方面得分都有少许差异，综合来看，魏可得分最高，金手指得分最低。

综上所述，不同品种葡萄品质指标间信息错综复杂，均呈现出不同程度的差异，如果只对指标进行单一的比较，很难对果实的品质做出全面客观的评价，因此需要对其品质进一步综合分析。

2.2 不同葡萄品种基本品质的相关性分析

研究[20]表明，不同品种葡萄的品质性状之间相互影响，存在着密切的关系。对14个基本品质指标和感官指标进行Pearson相关性分析，结果见表4。果形指数和单果重分别与硬度、弹性、咀嚼性、黏度呈极显著正相关(P<0.01)；硬度、弹性、咀嚼性和黏度两两之间均呈极显著正相关(P<0.01)，与刘春艳[21]对酿酒葡萄的研究结果相一致；黏聚性和内聚力与之呈负相关，相关性不显著(P>0.05)，表明葡萄的质构特性主要是由硬度、弹性、咀嚼性和黏度来反映。可滴定酸、可溶性固形物、水分及风味评分呈极显著正相关(P<0.01)，说明糖酸含量是影响葡萄口感的主要因素。L值和饱和度反映了果实是否发生褐变，即果实的新鲜程度，与色泽呈极显著正相关(P<0.01)，与质地、口感等因素的相关性并不显著(P>0.05)。直接利用这些指标进行果实品质的分析，容易导致信息的重叠，从而使分析结果出现偏差，得不到理想的结果。因此选择主成分分析法对指标继续进行分析处理。

表3 18种鲜食型葡萄的基本品质指标Table 3 The basic quality indicators of 18Table grape varieties

表4 18种鲜食型葡萄基本品质的Pearson相关性分析†Table 4 Pearson correlation analysis on the basic quality of 18Table grape varieties

† *表示在0.05水平上相关性显著，**表示在0.01水平上相关性显著。

2.3 不同品种葡萄主成分分析

2.3.1 不同品种葡萄主成分因子的确定 主成分分析通过降维将原有的多重变量转换为能综合体现原有指标但彼此不相关的新指标[22]，可以保证在原有信息不缺失的情况下选择尽可能少的新指标。将上述14个基本品质指标和3个感官评分指标共同进行主成分分析，通过碎石图可以直观地看出各因子的特征值，碎石图中曲线越陡，表示该主成分包含的原始数据信息越多，越平缓则表示包含信息越少[23]。由图2可以看出，前4个主成分特征值较大(λ>1)，曲线陡峭，从第5个主成分开始，碎石图曲线趋于平缓。并且由表5可知，共有4个>1的特征值，提取出4个主成分，这4个主成分可解释的方差百分比分别为42.002%，20.419%，16.716%，9.497%，累积贡献率为88.634%，即这4个主成分已经把不同品种葡萄的基本品种性状指标的绝大部分信息表达出来了，因此选择提取4个主成分为宜。

主成分载荷矩阵反映了各个品质性状指标对此主成分负荷的相对大小和作用方向，即该指标对主成分影响的程度，以0.5原则为判断依据[24]。由表6可知，第1主成分有果形指数、单果重、硬度、弹性、咀嚼性、回复性、黏度、质地，且各指标均有较大的正系数，可定义为质量因子；第2主成分为可滴定酸、水分、可溶性固形物、风味，可定义为风味因子；第3主成分为L值、饱和度和外观，定义为色泽因子；第4主成分为黏聚性和内聚力，对感官并无太大影响。

图1 18种鲜食型葡萄的感官评价各项得分和综合得分Figure 1 Sensory evaluation score and comprehensive score of 18Table grape varieties

图2 18种鲜食型葡萄基本品质指标主成分分析碎石图Figure 2 Principal component analysis of 18 kinds ofTable grape’s scree plot表5 18种鲜食型葡萄基本品质因子的特征值和解释变量

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

表6 18种鲜食型葡萄基本品质指标主成分分析载荷矩阵

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

指标因子1因子2因子3因子4果形指数0.757-0.253-0.029-0.193单果重0.8020.114-0.1280.176硬度0.973-0.121-0.0730.091弹性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回复性0.889-0.251-0.0030.118内聚力-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饱和度0.336-0.1280.9010.121外观0.223-0.0730.9240.124质地0.847-0.353-0.247-0.082风味0.2220.8590.2210.079

2.3.2 不同品种葡萄主成分分析得分及综合评价 表7为各指标因子得分系数矩阵，并以特征向量为权重构建4个主成分的函数表达式：

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)

以各主成分对应的方差贡献率为权重，从而建立主成分综合得分的数学模型：

F=0.474F1+0.230F2+0.189F3+0.107F4。

(7)

表7 18种鲜食型葡萄基本品质指标因子得分系数矩阵

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

指标因子1因子2因子3因子4果形指数(X1)0.106-0.073-0.010-0.120单果重(X2)0.1120.033-0.0450.109硬度(X3)0.136-0.035-0.0260.057弹性(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回复性(X7)0.125-0.072-0.0010.073内聚力(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饱和度(X14)0.047-0.0370.3170.075外观(X15)0.031-0.0210.3250.077质地(X16)0.119-0.102-0.087-0.051风味(X17)0.0310.2470.0780.049

由综合得分的函数表达式计算出18个品种葡萄样品的综合评价得分，得分越高表明该品种样品品质较好，得分越低表明品质相对较差，结果见表8。综合品质排名前5的依次是黑提、阳光玫瑰、魏可、红地球和巨玫瑰，且它们的第1主成分因子得分均较高，说明第1主成分因子对综合得分影响较大。巨峰、红宝石和金手指综合得分较低，果实品质要低于平均水平。

表8 18种鲜食型葡萄品质综合得分及排名Table 8 Comprehensive quality score and ranking of 18Table grape varieties

3 结论

本试验采集了南方种植和售卖的18种鲜食型葡萄进行品质研究，发现不同品种葡萄品质显示出了差异性，为准确地分析各品质的差异性，选择主成分分析法对各指标进行降维，以期对葡萄品质进行全面的分析。其结果表明：

(1) 在15个基本品质性状指标中，硬度指标的变异系数最大，为51.18%，表明不同种葡萄硬度差异较大，而弹性表现较一致(变异系数为3.23%)，与果实的大小和成熟度有着一定的关系。果实的色泽因品种而异，主要有红色系和黄色系，因此饱和度存在较大差异(变异系数为48.92%)。可滴定酸、水分、可溶性固形物在不同品种间的差异较小(变异系数为15.89%，3.91%，11.14%)。

(2) 在基本品质性状和感官评价的相关性分析中，外观和L值、饱和度呈极显著正相关(P<0.01)；质地与果形指数、硬度、弹性、咀嚼性、回复性、黏度呈极显著正相关(P<0.01)，与单果重、内聚力呈显著相关(P<0.05)；风味与可滴定酸、水分、可溶性固形物呈极显著正相关(P<0.01)。

(3) 通过主成分分析法分离出了4个主成分因子，第1主成分有果形指数、单果重、硬度、弹性、咀嚼性、回复性、黏度、质地，可定义为质量因子；第2主成分的影响因子为可滴定酸、水分、可溶性固形物、风味，可定义为风味因子；第3主成分为L值、饱和度和外观，定义为色泽因子；第4主成分为黏聚性和内聚力。通过各因子得分对不同种葡萄进行综合分析，建立综合得分数学模型。通过计算，葡萄品质最好的为黑提、阳光玫瑰、魏可、红地球和巨玫瑰，巨峰、红宝石和金手指品质相对较差。

可见不同品种的鲜食葡萄品质存在差异，可以通过外在性状和内在品质进行综合评价。本试验建立的主成分分析模型可以有效地评价鲜食葡萄的品质，对鲜食葡萄的研究有一定的理论意义。但本研究所涉及的鲜食葡萄品种及检测指标较少，后续可以增加指标，建立更完善的综合评价体系。