基于主成分分析的茶油品质综合评价研究

王彦花，张 云，王 容，梁 攀，刘 芳，吴立潮

（1.中南林业科技大学 a.特医食品加工湖南省重点实验室；b.粮油深加工与品质控制湖南省重点实验室；c.食品科学与工程学院，湖南 长沙 410004；2.广西壮族自治区国有三门江林场，广西 柳州 545006）

茶油是我国特有的一种健康食用植物油，不饱和脂肪酸含量高，富含角鲨烯、维生素E、多酚等抗氧化活性成分，长期食用有利于维持人体心血管功能、提高免疫力、降低胆固醇，预防高血压[1-5]。随着人们生活水平的提高以及对茶油认识的逐步深入，尤其是近年来国家出台了《全国茶油产业发展规划(2009—2020年)》，各地也相继出台了相关的文件、政策，并采取了积极的补贴扶持等措施，油茶种植及茶油产业步入了发展的快车道[6]。但是，目前我国油茶产业存在高产高抗新品种较少、附加值低、尚未形成集约化规模化种植和经营等问题[7]，茶油在市场中的占有率很低，且目前市场上茶油品质良莠不齐，价格差别很大，品牌效应尚未形成，亟需建立一套茶油品质综合评价方法。

立地又称立地条件，是林业用地中体现土壤、地质、气候、水文、植被、地貌、生物等对林木的生存、生长有重要意义的生态因子的综合[8]。不同立地条件对植物的生长会产生不同影响，油茶也有类似的表现[9]。近年来有关油茶立地的研究集中在立地对土壤养分及油茶生长、结实、出油率等方面[10-11]，茶油品质的研究集中在提取方式等因素对茶油品质的影响以及从脂肪酸组成、抗氧化活性成分、氧化稳定性等方面进行茶油品质的分析[12-15]，但是关于不同立地茶油品质的研究以及茶油品质综合评价方法的研究鲜见报道。

本研究以广西三门江林场有机山茶树种植基地9 个不同立地的“湘林系列”霜降籽茶油为试材，通过对出油率、气味滋味得分、透明度得分、颜色得分、碘值、过氧化值、酸值、皂化值、角鲨烯、维生素E、氧化诱导时间、折光指数、不饱和脂肪酸含量、总酚含量14 项指标的测定，运用主成分分析法简化茶油品质评价指标，建立适合茶油品质综合评价的数学模型，并根据主成分得分及综合品质得分进行优良度排序，旨在为油茶种植的立地选择及茶油品牌建设提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况与试验材料

试验地位于广西壮族自治区国有三门江林场有机山茶树种植基地（109°44′E，25°45′N），中低山丘陵地带，砂页岩红壤性土壤。该地区属亚热带南岭湿润气候区，雨量充沛，年平均气温18.3 ℃，活动积温5 691.4，年平均日照总时数1 334.3 h，平均无霜期320 d。试验地相对高度311～384 m，坡度23°，北坡栽植有桉树防风林。试验地采用水平梯级整地法，栽种行距约2.2 m×3.0 m，油茶品种为7年生湘林系列霜降籽。

油茶果采摘自同一地区不同坡向（东坡、南坡、西坡）坡位（上坡、中坡、下坡）的9 个立地，采用蛇形采样法多点取样，每个样地均匀分散采集成熟油茶果5～8 kg。茶油样品是经低温压榨、过滤后所得的毛油。

1.2 样品制备

油茶果采后室内堆放3～4 d，再翻开摊晾至自然开裂后取出油茶籽，经55 ℃烘箱干燥后去壳，直接用榨油机压榨，经过滤后得到茶油毛油，装入具塞锥形瓶中置于冰箱4 ℃保存备用。

1.3 测定方法

出油率(%)=茶油的质量/油茶籽仁的质量× 100；气味滋味得分、透明度得分、颜色得分采用十分制打分法[16]；碘值采用中和滴定法（GB/T5532—2008）；过氧化值采用硫代硫酸钠滴定法（GB/T 5538—2005）；酸值采用热乙醇滴定法（GB/T 5530—2005）；皂化值采用中和滴定法（GB/T5534—2008）；折光指数采用2W 双目阿贝折射仪；氧化诱导时间采用Rancimat 法[17]；总酚采用Folin-Ciocalten 法[18]，以没食子酸为标准品。

1.4 脂肪酸测定

脂肪酸测定：油样经KOH-甲醇溶液甲酯化、正庚烷提取后进行气相色谱分析。根据与各种脂肪酸标样保留时间的对比确定脂肪酸组成，根据峰面积以归一化法计算各脂肪酸的相对含量[19]。气相色谱条件：检测器：FID；柱类型及规格：SP2340 色谱柱（60 m×0.25 mm×0.2 μm）；升温程序：初始温度50 ℃，保持2 min，以10 ℃/min升至170 ℃，保持10 min，然后以2 ℃/min 升至180 ℃，保持10 min，然后以4 ℃/min 升至220 ℃；进样量1 μL，进样口250 ℃，检测器温度300 ℃。

1.5 功能性成分测定方法

角鲨烯及维生素E 测定：油样经KOH-乙醇溶液皂化后，用石油醚提取不皂化物，浓缩后进行气相色谱-质谱测定，根据外标法计算试样中维生素E 和角鲨烯的含量。气相色谱条件：色谱柱为DB-5（60 m×0.25 mm×0.25 μm）；进样口温度：300 ℃；柱流速：1 mL/min；载气为He，分流不分流进样；进样方式：8400 自动进样器；升温程序：柱温50 ℃保持1 min，以20 ℃/min 的速度升到180 ℃保持2 min，再以5 ℃/min 的速度升到280 ℃保持15 min。质谱条件：EI 源，电离条件70 eV，离子源温度：250 ℃，质谱范围：45～400 Amu。

1.6 主成分分析法

主成分分析是多指标综合评价中一种常见的分析方法，其基本思想是利用降维的方法将多个指标转化为少数几个相互独立的综合指标（即主成分），且尽可能多地保留众多指标的信息从而使评价结果更加科学、客观、准确[20]。茶油品质指标间的相关性很强，采用主成分分析法进行综合评价时能消除过多的重叠信息，较准确地反映茶油品质的真实情况。

采用主成分分析法进行综合评价的步骤如下：

原始数据标准化，以消除变量在数量级或量纲上的影响。

根据主分量累积贡献率确定主成分的个数。

为了更明确地解释各主成分代表的实际意义，采用最常用的正交旋转方法——方差最大旋转对初始的因子进行旋转，进而对各主成分作出合理的解释。

根据因子得分，利用式（1）计算出主成分得分（Fi）：

式中：bi为因子得分，X 为各主成分的特征值（表3）的算术平方根。

根据主成分得分，利用式（2）计算出不同坡向坡位的综合得分：

式中：（Vi/P）为各主成分特征值的贡献率，Fi为各主成分得分。

根据主成分得分和综合得分，对9 个样地进行排序。

1.7 统计方法

采用Excel 及SPSS 20.0 软件进行数据统计分析。采用单因素方差分析（ANOVA）和Tukey后置检验法进行方差分析和差异显著性检验（a=0.05）；采用主成分分析计算因子得分；采用Excel 软件计算主成分得分及综合得分。

2 结果与分析

2.1 不同立地茶油品质指标分析

9 个立地的茶油品质测定（表1）表明不同立地茶油品质指标间存在显著性差异（P ＜ 0.05）。尽管茶油皂化值、折光指数、不饱和脂肪酸含量差别较小，变异系数分别为0.01、0.00 和0.01，但过氧化值、角鲨烯、维生素E 及总酚含量差异相对较大，变异系数分别为0.43、0.29、0.27 和0.24。由表1可知，不同立地茶油品质指标普遍具有显著性差异，说明立地条件对茶油品质具有重要影响。

表1 茶油主要品质性状测定结果†Table 1 Characters of camellia oil quality

续表1Continuation of table 1

2.2 不同立地茶油品质性状的相关性分析

9 个立地茶油的14 项指标间的相关性表明各品质指标间存在着密切关联，直接利用这些指标进行茶油品质评价会产生信息的重叠。由表2可知，9 个立地茶油的14 项指标间均表现有复杂重叠的相关性。其中，出油率与气味滋味得分、角鲨烯及维生素E 含量呈显著正相关（P ＜0.05），与总酚含量呈显著负相关（P ＜0.05）；气味滋味得分与皂化值、不饱和脂肪酸呈显著正相关（P ＜0.05），与酸值、过氧化值呈显著负相关（P ＜0.05）；透明度得分与碘值、过氧化值、角鲨烯含量呈显著正相关（P ＜0.05），与皂化值、不饱和脂肪酸含量呈显著负相关（P ＜0.05）；茶油颜色得分与氧化诱导时间呈显著正相关（P ＜0.05），与过氧化值、角鲨烯、维生素E 及总酚含量呈显著负相关（P ＜0.05）；碘值与过氧化值呈显著正相关（P ＜0.05），与皂化值、氧化诱导时间呈显著负相关（P ＜0.05）；过氧化值与总酚含量呈显著正相关（P ＜0.05），与皂化值、不饱和脂肪酸含量呈显著负相关（P ＜0.05）；皂化值与不饱和脂肪酸含量呈显著正相关（P ＜0.05），与角鲨烯含量呈显著负相关（P ＜0.05）；角鲨烯含量与维生素E 含量呈显著正相关（P ＜0.05）。由此可见，这些品质指标间存在着密切关系，直接利用这些指标进行茶油品质评价会产生信息的重叠，因此需要对其进行进一步的降维分析。

2.3 不同立地茶油品质性状的主成分分析

主成分分析时，对各指标的原始数据采用标准化法转化为标准化数据，再采用主成分分析提取4 个特征值＞1 的主成分（表3）。由表3可知，前4 个主成分的累积方差贡献率为85.065%，说明在变量不丢失的前提下，这4 个主成分可以包含原始数据85.065%的信息，可以用这4 个主成分代表原来的14 个品质指标进行茶油品质的分析和评价。其中第1主成分的代表指标为气味滋味得分、透明度得分、过氧化值、皂化值、氧化诱导时间、不饱和脂肪酸及总酚含量，特征值为5.272，贡献率为37.656%，是最重要的主成分，反映了茶油感官品质、氧化稳定性及脂肪酸不饱和度；第2 主成分的代表指标为出油率、角鲨烯及维生素E，特征值为2.877，贡献率为20.547%，反映了出油率及茶油功能性成分含量；第3 主成分的代表指标为碘值、酸值及折光指数，特征值为2.390，贡献率为17.073%，反映了油脂的理化品质；第4 主成分的代表指标为颜色得分、氧化诱导时间及总酚含量，特征值为1.371，贡献率为9.789%，反映了茶油的色泽；其中氧化诱导时间和总酚均在第1、4 主成分中出现。

2.4 不同立地茶油品质性状的综合评价

将主成分分析的因子得分代入式（1）计算出各主成分得分，进而以各主成分的贡献率为权重，将主成分得分代入式（2）建立茶油综合品质得分的数学模型为f=(5.272×F1＋2.877×F2＋2.390×F3＋1.371×F4)/11.910，利用该模型计算9 个立地的茶油综合品质得分，并根据各主成分得分及综合品质得分从高到低进行茶油品质优良度排序（表4）。

由表4可知，9 个立地茶油的各主成分得分排序与综合品质得分排序间存在差异。第1 主成分的优良度排序依次为：西坡中坡＞西坡下坡＞西坡上坡＞南坡下坡＞南坡中坡＞南坡上坡＞东坡中坡＞东坡下坡＞东坡上坡。西坡茶油的第1 主成分得分最高，而东坡茶油的第1主成分得分最低，说明西坡茶油在感官品质、氧化稳定性及脂肪酸不饱和度方面最优，南坡次之，东坡较差，与综合得分规律相同。第2主成分的优良度排序依次为：东坡下坡＞南坡下坡＞西坡上坡＞西坡中坡＞东坡中坡＞西坡下坡＞东坡上坡＞南坡中坡＞南坡上坡。不同坡位的第2 主成分得分总体表现为下坡优于中坡优于上坡，说明在出油率及茶油抗氧化活性成分的积累方面，土壤水分及肥力因素具有重要作用。第3 主成分的优良度排序依次为：南坡下坡＞南坡中坡＞东坡中坡＞西坡下坡＞南坡上坡＞东坡下坡＞西坡中坡＞东坡上坡＞西坡上坡，未表现出明显的规律性。第4 主成分的优良度排序依次为：南坡上坡＞东坡下坡＞西坡下坡＞西坡中坡＞南坡下坡＞东坡上坡＞南坡中坡＞西坡上坡＞东坡中坡，未表现出明显的规律性。

表2 茶油品质指标的相关性分析†Table 2 Correlation analysis of camellia oil quality index

表3 主成分分析结果Table 3 Principal component analysis results of the indices

表4 茶油品质的各主成分得分、综合得分及优良度排序Table 4 Scores of PCAs,general scores and excellent sort of camellia oil

由表4可知，9 个立地茶油的综合品质得分从高到低依次为：西坡中坡＞南坡下坡＞西坡下坡＞西坡上坡＞南坡中坡＞东坡下坡＞南坡上坡＞东坡中坡＞东坡上坡。其中，西坡茶油的综合品质得分最高，南坡其次，东坡最低，说明茶油综合品质表现为西坡优于南坡优于东坡，下坡优于中坡优于上坡。这是因为西坡光照强度大、时间长，积累的有机物多，但是花芽少、座果率低，而东坡花芽多、落果少，平均光照时间及强度小[21]，从而西坡所得茶油中营养物质更丰富，品质更好；而同一坡向的油茶林从上坡到下坡光照强度、风力逐渐减小，但是土层逐渐增厚，土壤水分和肥力逐步增加[22]，因此茶油品质表现为下坡优于中坡优于上坡。

3 结论与讨论

茶油品质主要体现在感官品质、脂肪酸组成、氧化稳定性及角鲨烯、维生素E、多酚等抗氧化活性成分等方面，本研究测定了茶油的感官指标、理化指标、脂肪酸组成、氧化诱导时间、角鲨烯等活性成分，共计14 项品质指标，基本反映了茶油品质的各个方面。立地对茶油品质的影响主要是通过造成水肥条件和光照条件的差异引起的，温度、水分、日照、土壤肥力等因子影响油茶果实的生长发育及油脂转化，本研究主要从立地角度对茶油品质进行综合评价模型的建立及优良度排序，有利于对不同立地的茶油进行有针对性的选择和利用，并为油茶的集约化规模化种植提供理论依据。

研究表明，茶油品质的综合得分从高到低依次为：西坡中坡＞南坡下坡＞西坡下坡＞西坡上坡＞南坡中坡＞东坡下坡＞南坡上坡＞东坡中坡＞东坡上坡。整体表现为西坡优于南坡优于东坡，下坡优于中坡优于上坡。这可能是因为油茶性喜温暖，生长过程中需要充足的日照和水分，虽然人工抚育油茶林可尽量避免干旱对油茶产量及茶油品质的影响，但东坡日照充足，温度适宜，花芽多、坐果率高，油茶产量最高；而西坡日照时间短，结果少，产量不高[23]。韦祖明等[21]研究表明，油茶产量东坡高于南坡高于西坡，而土壤肥力条件西坡优于东坡和南坡，因此西坡可能更有利于茶油营养物质的积累，在茶油品质方面则表现为西坡茶油品质较好，南坡次之，东坡较差。上坡土壤因长期遭受冲刷，土层浅薄，肥力较低；下坡承受上坡流失的土壤和养分，土层厚度和土壤肥力明显增加，因此下坡油茶植株生长旺盛，单株产量高[24]。曾爱平等[22]研究表明，同一坡向的油茶林，从上坡到下坡光照强度、风力逐渐减小，土层逐渐增厚，土壤水分和肥力逐步增加，因此下坡可能更有利于油脂转化及茶油营养物质的积累，在茶油品质方面表现为下坡品质较好，中坡次之，上坡较差。

各主成分得分排序与综合得分排序间存在差异，茶油的感官品质、氧化稳定性及脂肪酸不饱和度方面大体上与综合品质得分排序一致，茶油出油率及功能性成分含量总体表现为下坡优于中坡优于上坡，而茶油的理化品质及色泽没有表现出明显的规律性。从茶油品质角度来看，坡向中的西坡及坡位中的下坡在综合品质得分及茶油感官品质、氧化稳定性及脂肪酸不饱和度方面表现较好，因此在进行茶油选优时可优先选择西坡及下坡的茶油。从出油率及茶油抗氧化活性成分方面来看，东坡下坡及南坡下坡表现较好，因此在综合考虑出油率及茶油抗氧化活性成分含量时可优先选择东坡下坡及南坡下坡进行油茶种植。

本研究的试验地位于成熟油茶种植区，北坡栽植有桉树防风林，因此对于不同立地茶油品质的研究在坡向因子方面不够完善，若是增加北坡茶油品质数据进行综合的分析，预计得到的茶油品质综合评价分析会更合理、更科学，对指导油茶种植更有意义。由于不同油茶品种特性及不同地区气候条件存在差异，在今后的研究中可着重对不同油茶品种在不同地区气候条件下的茶油品质展开系统性研究，为油茶种植及茶油品牌建设提供理论依据。