基于主成分和聚类分析的不同品种猕猴桃品质指标综合评价

冯勇

摘要：为科学评价不同品种猕猴桃果实品质指标，建立猕猴桃品质评价体系，本试验选取9个不同品种猕猴桃为原料，采用国标和农业标准测定其外观品质、营养品质和重金属污染等15项指标，分析其品质指标的相关性，利用主成分分析法和聚类分析法对猕猴桃品质做出综合评价。结果表明，不同品种猕猴桃品质指标之间均存在明显差异，且品质指标变异系数各不相同，表明不同品种的猕猴桃品质之间呈不同程度的变化。由主成分分析结果可知，15项品质指标反映9种不同猕猴桃品质指标可以用6个主成分表示，其累计方差贡献率为93.182%;根据聚类分析结果可知，单果质量、维生素C含量、单宁含量、总酸含量、可溶性固形物含量、Ca含量、总黄酮含量、可溶性糖含量作为综合评价猕猴桃品质优劣的关键性指标。在9种不同猕猴桃品种中，以黄金果的综合品质最佳，翠香的综合品质最差。采用主成分分析和聚类分析综合评价方法获得的试验研究结果为消费有选择营养价值高、口感好、品质优良的猕猴桃品种提供参考依据，对猕猴桃栽培、选择优良品种、提升产业效应、促进产业发展具有重要意义。

关键词：猕猴桃;主成分分析;聚类分析;品质评价;优良品种

中图分类号：S663.401;TS255.2   文献标志码： A

文章编号：1002-1302（2021）22-0180-06

收稿日期：2021-06-30

基金項目：重庆市教育委员会科学技术研究类青年项目（编号：KJQN201804405）。

作者简介：冯 勇（1984—），男，四川阆中人，讲师，从事烹饪教育改革与饮食文化研究。E-mail：fengyong1984@126.com。

猕猴桃（Actinidia chinensis Planch）别称藤梨、羊桃、木子，为侧膜胎座目猕猴桃科猕猴桃属猕猴桃种，落叶藤本植物[1-3]，猕猴桃果汁多、风味宜人，富含维生素C、氨基酸、糖、挥发性风味物质等多种营养成分[4-5]，具有提升免疫功能、治疗肝脏疾病、消化不良、抑制肿瘤等功效，对人体健康具有促进作用[6]，因此深受消费者喜爱。

目前，关于猕猴桃果实品质评价的方法主要有模糊综合评判法[7]、主成分分析法[8]、聚类分析法[9]、合理-满意度和多维价值理论评价法[10]等。主成分分析是一种通过降低数据维数，实现综合评价的数学统计方法[11]，已被广泛应用于果蔬品质指标筛选和品质综合评价研究中[12]。张梦等采用主成分分析和聚类分析法对百合花瓣品质进行了综合分析与评价[13];傅隆生等采用主成分分析和聚类分析法对海沃德猕猴桃品质指标进行了综合评价[14];郭家刚等采用主成分与聚类分析法对蓝莓品质进行了综合评价[15]。目前，市场对高品质猕猴桃的需求日益增加，很多研究者致力于新品种的选育和改良，培育出一批新品种，但对不同主载品种尤其是新品种之间果实比较的研究还比较缺乏。本试验通过对9种不同品种猕猴桃果实品质指标进行测定和分析，并对其进行综合评价，以期为消费者选择营养价值高、口感好、品质优良的猕猴桃品种提供参考依据。对猕猴桃栽培、选择优良品种、提升产业效应、促进产业发展也具有重要意义。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

试验选用猕猴桃鲜果市售9种猕猴桃，分别是红阳、徐香、翠香、脐红A、瑞玉X、秦美A、黄金果、袖珍香A、金魁A，随机选取无腐烂、无虫害、无机械损伤的猕猴桃进行品质指标综合评价。

主要试剂有甲醇、丙酮、乙腈（均为色谱纯，德国Merck公司），偏磷酸、磷酸三钠、磷酸二氢钾、磷酸（均为分析纯，国药集团化学试剂有限公司），L-半胱氨酸（优级纯，美国Agela公司），十六烷基三甲基溴化铵（色谱纯，天津市天新精细化工开发中心），没食子酸、L（+）-抗坏血酸、芸香苷等标准品（北京贪墨质检标准物质中心），多元素标准液（100 μg/mL、50 mL）：Fe、Mg、Zn、Ca、Cd、Pb（国家有色金属及电子材料分析测试中心）。

高效液相色谱仪（配有二极管阵列检测器或紫外检测器），购自日本SHIMADZU公司;JE703梅特勒分析天平，购自瑞士梅特勒公司;SPEX液氮冷冻研磨仪，购自德国莱特公司;CR-400型色差仪，购自日本美能达公司;UV-2700紫外可见光分光光度计，购自日本SHIMADZU公司;iCAPRQ 电感耦合等离子体质谱仪，购自美国Thermo Fisher公司;ETHOSLP高通量密闭微波消解仪，购自意大利Milestone公司;DS-360SE1智能石墨赶酸仪，购自广州格丹纳仪器有限公司;GenPure Pro超纯水仪（电阻率为18.2 MΩ·cm），购自美国 Thermo Fisher公司。

1.2 试验方法

1.2.1 原料前处理

将市售猕猴桃去梗、洗净，用滤纸吸取果实表面水分后，从9种猕猴品种中分别选取50个，尽量挑选大小均匀和成熟度一致的猕猴桃，使其具有各自代表性，立即进行外观品质的测定，分别用SPEX液氮冷冻研磨仪打浆，置于 -40 ℃ 冰箱中冷冻保存备用。

1.2.2 不同品种猕猴桃外观品质指标的测定

1.2.2.1 单果质量测定 猕猴桃单果的质量测定参照NY/T 425—2000《绿色食品 猕猴桃》。

1.2.2.2 果实指数 从样品中随机选取10个单果，用水果刀将果实从果蒂至果顶破开，用游标卡尺称量果实的横径与纵径，计算果实指数。

果实指数=果实纵径果实横径。

1.2.2.3 色度值的测定

色度值以L*、a*、b*值表示，求出饱和度（c）、色调角（h）、色度值（GIRG）。

c=（a*）2+（b*）2;h=arctanb*a*;

GIRG=（180-h）（L*+c）。

1.2.3 不同品种猕猴桃营养指标及元素的测定

本研究的项目测定方法均以现行有效的国家标准和农业标准方法为参照。可溶性固形物（total soluble solid，简称TSS）含量的测定参照NY/T 2637—2014《水果和蔬菜可溶性固形物含量的测定 折射仪法》;维生素C含量的测定参照GB 5009.86—2016《食品安全國家标准 食品中抗坏血酸的测定》中的高效液相色谱法;可溶性糖含量的测定参照NY/T 2742—2015《水果及制品可溶性糖的测定 3，5-二硝基水杨酸比色法》;单宁含量的测定参照NY/T 1600—2008《水果、蔬菜及其制品中单宁含量的测定 分光光度法》;总酸含量的测定参照GB/T 12456—2008《食品中总酸的测定》;总黄酮含量的测定参照SN/T 4592—2016《出口食品中总黄酮的测定》;微量元素含量的测定参照GB 5009.268—2016《食品安全国家标准 食品中多元素的测定》。

1.3 数据处理

所有数据均为3次平行试验的平均值，应用Microsoft Excel 2016及SPSS 19.0软件对试验数据进行描述性分析、主成分分析、聚类分析，样本之间采用欧氏距离平方，得出聚类树状图。

2 结果与分析

2.1 猕猴桃品质指标的测定结果

由表1可知，不同品种猕猴桃在15项品质指标中存在差异，其中变异系数最大的是Zn元素的含量，其变异系数达到43.18%，9种猕猴桃Zn元素平均含量为4.87 mg/kg，其中，Zn元素含量最高的猕猴桃品种为袖珍香A，其值为8.45 mg/kg;差异最小的是维生素C的含量，其变异系数为8.10%，9种不同品种猕猴中维生素C含量最高的是瑞玉X，其值为114.4 mg/100 g;9种猕猴桃品种中金魁A的单果质量最大，其果实指数接近1，呈圆形;可溶性固形物与可溶性糖的含量以脐红A品种最高，分别达到20.17%、16.45%;总黄酮因其具有提高人体免疫系统[16]、清除体内自由基[17]及抗氧化作用，是人体必需的化合物，不能在人体内合成，只能从外界食物中摄取，试验结果表明，猕猴桃中含有丰富的总黄酮，9个猕猴桃品种中以翠香猕猴含量最丰富，其值为159.80%;单宁含量为698.5～986.2 mg/kg，以徐香猕猴品种含量最高。通过对9种不同猕猴桃品种中6种矿物质进行测定，其果实均含有丰富的Ca、Mg、Fe、Ze等4种元素，其中Ca含量最高，其平均值为104.29 mg/kg，9个猕猴桃品种中Ca含量最丰富的为秦美A，其含量为119.50 mg/kg;此外，还对有害重金属元素Pb和Cd进行了测定，在部分猕猴桃中虽有检出，但均小于国家限量标准。

2.2 不同品种猕猴品质指标的统计分析

2.2.1 不同品种猕猴品质指标的相关性分析

相关分析是研究现象之间是否存在某种依存关系，并对具体有依存关系的现象探讨其相关方向以及相关程度，是研究随机变量之间相关关系的一种统计方法[18]。本研究采用Pearson相关系数分析9种猕猴桃中15项品质指标之间的相关性，表2反映了不同品种猕猴桃品质性状的相关性，且部分品质指标之间呈显著相关或极显著差异。果实单质量与果实指数呈极显著负相关，而与单宁含量和重金属Pb含量呈极显著正相关;果实指数与可溶性固形物含量呈显著正相关，与总黄酮含量呈显著负相关;可溶性固形物含量与Fe元素含量呈极显著正相关，与总酸含量呈显著负相关;维生素C含量与重金属Pb含量呈显著负相关;可溶性糖含量与总酸含量呈显著正相关;总酸含量与Zn元素含量呈极显著正相关。上述相关分析结果表明，猕猴桃外观品质、营养品质和重金属Pb、Cd含量各指标之间存在一定的相关性，且各指标测定值的信息出现重叠现象，因此可以应用主成分分析和聚类分析的方法对不同品种猕猴桃的品质指标通过降维来简化数据结构，进而提高不同品种猕猴桃品质特性综合评价的准确性。

2.2.2 不同品种猕猴品质指标主成分分析及综合评价

2.2.2.1 猕猴桃品质指标主成分分析

一般认为，当主成分特征值大于1，且累计方差贡献率大于85%时，就可以利用提取的主成分表示原始变量大部分主要信息[19]。对9种不同品种猕猴桃品质指标进行测定，其测定值标准化后进行主成分分析，其结果见表3、载荷图见图1，由表3可知，前6个主成分特征值大于1，且累计贡献率达到93.182%，其中，第1主成分、第2主成分、第3主成分、第4主成分、第5主成分、第6主成分的方差贡献率分别为22.972%、21.742%、16.857%、14.744%、9.020%、7.848%，表明前6个主成分在猕猴桃品质指标评价中起主导作用，且能全面反映猕猴桃品质特性综合评价的主要信息。

第1主成分特征值为3.44，单果质量、维生素C含量、单宁含量、总酸含量、Mg含量、Pb含量有较高的载荷值，其值分别为0.956、0.349、0.929、0.399、0.883、-0.480;单果质量、维生素C含量、单宁含量、总酸含量、Mg含量均在第1主成分中起正向作用，Pb含量在第1主成分中起负向作用。表明第1主成分很大时，单果质量、维生素C含量、单宁含量、总酸含量、Mg含量在猕猴桃中升高，而Pb含量降低;第2主成分包含了原来信息量的21.742%，

可溶性固形物含量、色度值、Fe元素含量的正向载荷权数较大，其值分别为0.407、0.398、0.893，Cd含量负向载荷权数较大，其值为-0.861，正向作用品质指标数远多于负向作用品质指标数，因此，第2主成分主要反映了果实营养品质，而非重金污染元素;第3主成分包含了原来信息量的16.857%，与果实指数呈很大的正相关;第4主成分包含了原来信息量的14.744%，与Zn元素呈很大正相关，与单

宁含量呈很大负相关;第5主成分、第6主成分分别包含了原来信息量的9.020%、7.848%。综合分析6个主成分主要代表相关性，已涵盖了猕猴桃品质性状的所有信息，结合图1与表3的分析结果，应选取前6个主成分作为猕猴桃品质评价的分析指标。

2.2.2.2 主成分得分及综合评价

由表4可知，根据表4的因子得分系数矩阵及其对应的主成分，可以计算出每个主成分因子得分，其得分表达式如下：

F1=0.277X1-0.100X2+0.069X3+0.026X4+0.101X5-0.065X6+0.270X7+0.116X8-0.057X9+0.256X10+0.029X11-0.063X12+0.051X13+0.139X14+0.037X15;

F2=-0.024X1-0.011X2+0.122X3+0.094X4+0.094X5-0.231X6-0.109X7-0.050X8-0.100X9+0.069X10+0.026X11+0.274X12-0.130X13+0.149X14+0.264X15;

F3=0.004X1+0.292X2-0.249X3+0.260X4-0.020X5+0.167X6+0.014X7-0.074X8-0.116X9+0.110X10-0.277X11-0.032X12+0.003X13+0.207X14-0.208X15;

F4=-0.100X1+0.069X2+0.026X3+0.101X4-0.100X5+0.347X6-0.139X7+0.331X8+0.023X9+0.041X10+0.037X11+0.143X12+0.325X13+0.039X14+0.197X15;

F5=-0.100X1+0.069X2+0.026X3+0.101X4-0.100X5-0.100X6+0.069X7+0.026X8+0.101X9-0.100X10-0.100X11+0.069X12+0.026X13+0.101X14-0.100X15;

F6=0.085X1-0.010X2+0.022X3+0.470X4+0.341X5+0.028X6-0.038X7+0.081X8+0.525X9+0.054X10+0.022X11+0.165X12-0.396X13-0.177X14+0.033X15。

式中：X1～X15分别表示单果质量、果实指数、色度值、TSS含量、维生素C含量、可溶性糖含量、单宁含量、总酸含量、总黄酮含量、Mg含量、Ca含量、Fe含量、Zn含量、Pb含量、Cd含量等15个品质指标;F1～F6分别表示各主成分得分。

结合主成分因子得分公式并以主成分方差贡献率为权重，构建猕猴桃品质综合评价得分（F）函数，公式如下：

F=0.229F1+0.217F2+0.168F3+0.147F4+0.902F5+0.0784F6;

式中：F為不同品种猕猴桃品质指标的综合得分。

根据综合评价得分函数可计算出不同品种猕猴桃品质的综合得分及其排序，其中F越大，表明该品种猕猴桃品质越好。就9种不同猕猴桃综合品质排名（表5）而言，黄金果品种的猕猴桃综合品质得分最高，即其综合品质最好;其次是脐红A、瑞玉X、徐香， 红阳、 翠香、 金魁A的综合品质得分均为负值，且排名靠后，表明这3个品种的猕猴桃品质特性较差，其中翠香的综合品质得分最低，故品质最差。

2.3 猕猴桃品质的聚类分析

聚类分析是根据研究对象的特征按照一定标准对研究对象进行分类的一种分析方法，其结果具有综合性、客观性和科学性[20-21]。在聚类分析中对变量的聚类称为R型聚类。本试验在主成分分析的基础上，采用聚类分析方法对猕猴桃的15个品质指标进行R型聚类，采用组间连接法，聚类结果如图2所示。

由图2可知，以欧氏距离平方为准则采用Between-Groups Linkage连接聚类，当聚类距离为15时，可将猕猴桃品质指标分为3大类，第1大类为色度值、Fe含量、TSS含量、单果质量、Mg含量、单宁含量、可溶性糖含量;第2大类为维生素C含量、Cd含量、果实指数、总黄酮含量;第3大类为Ca含量、Zn含量、总酸含量、Pb含量;同时结合主成分载荷分析结果可知，最终选用单果质量、维生素C含量、单宁含量、总酸含量、TSS含量、Ca含量、总黄酮含量、可溶性糖含量作为综合评价猕猴桃品质优劣的关键性指标。

3 结论与讨论

通过对9种不同品种猕猴桃的外观品质、营养品质和重金属污染情况等指标进行描述性分析和相关性分析，发现各项品质之间存在显著差异。同时，采用主成分分析法和聚类分析法对9种不同猕猴桃的15项品质指标进行系统分析，最终确定单果质量、维生素C含量、单宁含量、总酸含量、TSS含量、Ca含量、总黄酮含量、可溶性糖含量作为综合评价猕猴桃品质优劣的关键性指标。通过主成分分析，提取了6个主成分，累计方差贡献率为93.182%;结合猕猴桃品质指标评价函数分析结果可知，黄金果品种的猕猴桃综合品质得分最高，即其综合品质最好;其次是脐红A、瑞玉X、徐香，红阳、翠香、金魁A的综合品质得分均为负值，且排名靠后，表明这3个品种的猕猴桃品质特性较差，其中翠香的综合品质得分最低，故品质最差。采用主成分分析和聚类分析综合评价方法获得的试验研究结果为消费者选择营养价值高、口感好、品质优良的猕猴桃品种提供了参考依据。对猕猴桃栽培、选择优良品种、提升产业效应、促进产业发展具有重要意义。

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