纽荷尔脐橙果实品质评价系统的建立与应用*

郭紫晶，李 娜,2，张 雅,2，张 阳,2，李大志,2

（1 湖南农业大学园艺学院，长沙 410128）（2 国家柑橘改良中心长沙分中心）

脐橙为我国主要鲜食橙类，主栽品种多为纽荷尔脐橙，以其果大、无核、肉质脆嫩的优良品质，深受消费者喜爱[1]。自1984 年以来，纽荷尔脐橙品种被引入国内驯化种植[2-3]。近年由于黄龙病的危害，纽荷尔脐橙品质受到严重影响[4-5]，脐橙产区北扩，湖南境内常德、湘西等地现也有纽荷尔脐橙分布[6]，各地纽荷尔果品质量评价标准不一，导致不同产区纽荷尔脐橙价格存在差异[7]。纽荷尔果实评价系统的标准化，有助于合理评价各产区纽荷尔脐橙的品质。现今，果实评价系统多采用主成分分析法[8]，即将多项数据指标去除相关性影响，在不损失果品主要信息的前提下，将大量指标降维为少量的主成分[9]，通过加权计算达到综合评价果品的目的。在柚[10]、橙类[11]、枣[12]、猕猴桃[13]、甜樱桃[14]等果实品质评价中多有应用。然而消费者具有主观性，每类果实有其品种特性，指标的数值降维往往不能完全反映某个果品的品质[15]。本研究引入唐帅等[16]在冰糖橙中使用的标准化值加权法，结合纽荷尔脐橙的品种特性，设计纽荷尔脐橙果实评价系统，评价各地区的纽荷尔脐橙品质，对比主成分分析法及专家品鉴会评价结果进行验证分析，开发纽荷尔脐橙果实评价应用软件，以期为脐橙果实品质评价体系提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

2020 年，采集湖南省不同产区的28 份纽荷尔脐橙构建纽荷尔脐橙果实品质评价系统，采用30份脐橙果品进行评价系统应用，随机取样法采样，每份样品采集15 个成熟的果实，采样后当天邮回实验室，48 h 内完成样品测定。

1.2 试验方法

1.2.1 果实品质测定

选取完全成熟的15 个果实，分成3 组，每组5个，分别测定单果重、果皮厚度、果实纵横径，计算果形指数（纵横径之比）；采用手动型榨汁机，榨取果汁，果皮去除囊衣等残留，用天平称量果汁重、果皮重，计算出汁率、可食率。可溶性固形物含量采用手持糖酸仪测定[9]，用酸碱滴定法[17]测定可滴定酸含量，采用2,6-二氯靛酚滴定法[18]测定维生素C 含量。

出汁率（%）＝（果汁重/单果重）×100

可食率（%）＝［（单果重－果皮重）/单果重］×100

1.2.2 纽荷尔脐橙果实品质评价系统

（1）指标趋向性调整，指标最优值a 的确定。每个指标最优值a，根据国家标准《脐橙》（GB/T 21488—2008）中纽荷尔脐橙特等果的标准带入最优值，若无法确定的指标则采用算术平均值作为最优值，通过最优值与数值的距离确定各个指标数据的位序。

将各个指标根据纽荷尔脐橙的固有品种特性[1]进行趋向性调整。其中，趋大指标为可溶性固形物含量、固酸比、可食率、出汁率及维生素C 含量；趋中指标为单果重、果形指数，通过公式Y＝-1×｜Xi－a｜（Y 为趋向性调整后的值，Xi为第i 个样本指标观测值，a 为最优值）调整为趋大指标；趋小指标有果皮厚度、可滴定酸含量，通过公式Wi＝-1×Xi调整为趋大指标。

（2）果实品质数据标准化。不改变原标准值大小位序，减去指标间的因不同单位而产生的误差，将数据标准化。标准化计算公式为：Z＝（xi－）/σ，其中，Z 为标准化值，xi为第i 个样本指标观测值，为观测值的平均数，σ为指标的标准差。

（3）分配权重，综合评价。纽荷尔脐橙果实品质总分100 分，采用外观品质∶内在品质＝3∶7的比例分配，其中外观品质指标中单果重、果形指数、果皮厚度各10 分；内在品质指标中可溶性固形物含量15 分，可滴定酸含量15 分，固酸比15分，维生素C 含量10 分，可食率10 分及出汁率10分。

根据权重的分配计算每个地区脐橙果品的最后得分，F总＝Z单果重×权重＋Z果形指数×权重＋Z果皮厚度×权重＋Z可溶性固形物含量×权重＋Z可滴定酸含量×权重＋Z维生素C含量×权重＋Z可食率×权重+Z出汁率×权重。

1.2.3 主成分分析法

主成分分析前先对原始数据进行标准化处理。标准化数据后，将9 个指标进行相关性分析。在去除各个指标的相关性后，提取出能够将大部分指标信息反映的几个主成分。其中，每个主成分的方差即特征值，表示对应成分能够描述原有信息的多少。根据每个指标的贡献值，带入标准化数据进行每个主成分计算，综合每个主成分得分，对果实品质进行综合评价。

1.2.4 专家品鉴

采用传统的果实评价方法，开展专家品鉴会，专家根据纽荷尔脐橙品鉴评分标准（表1）对果品外观和内在品质进行打分，统计得出果品得分及排名。

表1 纽荷尔脐橙果实品质评价评分标准

于2020 年冬季开展专家品鉴会。品鉴会邀请7位多年从事柑橘育种工作的专家，采用“双盲”的方式评价果品。

1.3 数据分析与处理

分别采用专家品鉴、主成分分析法及评价系统对纽荷尔脐橙品质进行评价。采用Excel 2016 软件统计与整理数据，用SPSS 26.0 软件进行差异显著性分析、相关性分析及主成分分析。

2 结果与分析

2.1 湖南省各地区纽荷尔脐橙果实外观品质分析

由于各地区不同果园的栽培环境不同，将28份纽荷尔脐橙按地区划分，取相应指标数据的平均值，得到12 份不同地区的纽荷尔脐橙果实品质数据，以此减弱人为及其他因素等影响，综合反映各个地区纽荷尔脐橙的果品质量[19]。由表2 可知，纽荷尔脐橙在湖南省不同地区种植果实外观品质稍有差异，其中，可食率、出汁率并无显著性差异，单果重、果形指数和果皮厚度存在显著性差异，娄底市涟源市、邵阳市新宁县及株洲市茶陵县的果皮较薄。

表2 湖南省各地区纽荷尔脐橙果实外观品质

2.2 湖南省各地区纽荷尔脐橙果实内在品质分析

由表3 可以看出，湖南省不同地区种植的纽荷尔脐橙果实内在品质存在一定差异，可滴定酸含量、固酸比及维生素C 含量具显著性差异。其中，可溶性固形物含量多集中在11.00%左右，可滴定酸含量集中在0.65%～0.75%，固酸比集中在16～17，维生素C 含量多集中在550～600 mg/L。

表3 湖南省各地区纽荷尔脐橙果实内在品质

2.3 纽荷尔脐橙果实品质评价系统样品果实品质指标趋向性调整

根据纽荷尔脐橙固有的品种特性，将趋小指标果皮厚度、可滴定酸含量，通过公式Wi＝-1×Xi调整为趋大指标；趋中指标单果重、果形指数，通过公式Y＝-1×｜Xi－a｜调整为趋大指标，结果详见表4。

表4 纽荷尔脐橙果实品质评价系统样品果实品质指标趋向性调整

2.4 纽荷尔脐橙果实品质评价系统样品果实品质数据标准化

将趋向性调整后数据根据数值标准化对应的公式（参考1.2.2），将各指标数值差去除单位，进行标准化处理，转换为以0 为中心的标准化值（纯数值），详见表5。

表5 纽荷尔脐橙果实品质评价系统样品果实品质数据标准化

2.5 纽荷尔脐橙果实品质评价系统样品果实品质综合评价

综合评分等于标准化值乘以权重，得出该量化模型的综合评价。由表6 可知，纽荷尔脐橙在不同地区栽植果实品质具有一定的差异，纽荷尔脐橙果实品质评价系统中永州市及娄底市各产区的纽荷尔脐橙果实品质表现优良，多排在前列；株洲市由于各果园栽培环境的不同，果品质量有所起伏。总体来看，永州市各地区的纽荷尔脐橙性状表现相对稳定。

表6 纽荷尔脐橙果实品质评价系统样品果实品质综合评价

2.6 纽荷尔脐橙果实品质主成分分析法

纽荷尔脐橙的9 个果实品质指标在数据标准化、去除指标相关性后，得出4 个主成分，其特征值、贡献率、累积贡献率等如表7 所示。其中，每个主成分的方差即特征值，表示对应成分能够描述原有信息的多少。据公有特征值大于1 的原则，取特征值大于1 的4 个公因子，其累积贡献率为82.688%，说明这4 个主成分已反映了果实品质性状的大部分信息。

主成分载荷矩阵反映了果实品质指标对此主成分负荷相对大小与作用的方向，即该指标对主成分的影响程度。由表7 可知，第1 主成分包含了原始信息量的23.827%，其中，绝对值较高的正向特征向量指标有单果重、果皮厚度，主成分1 可称为果实外观指标；第2 主成分包含了原始信息量的21.164%，可滴定酸含量、维生素C 含量有较大的系数值，对主成分2 产生正向影响，主成分2 可称为果实酸度指标；第3 主成分包含了原始信息量的20.356%，其中，固酸比及可溶性固形物含量是主要的正向特征向量，主成分3 可称为风味指标；第4 主成分包含了原始信息量的17.341%，出汁率及可食率占有较大的正系数值。

2.7 主成分分析法及专家品鉴果实品质排名结果及多种评价方式结果分析

根据每个果实品质指标对各主成分的贡献值，计算每份纽荷尔脐橙在主成分分析法评价系统的得分。结合表6、表8 可以看出，3 种评价方法所得的结果相似，基本拟合。通过排名比较，主成分分析法与专家品鉴的结果差异较大的样品有5、6、12、14、16、17、25、26 号；纽荷尔脐橙果实品质评价系统与主成分分析法的排名结果差异较大的样品有2、8、9、10、12、21、25、26、27 号。对果品信息进行溯源：2 号样品的果皮较厚、可滴定酸含量较高，专家品鉴的排名相对靠后，但考虑到固酸比、维生素C 含量较高，纽荷尔脐橙果实品质评价系统与主成分分析法将其排在较前的位置；8号样品的可滴定酸含量、可溶性固形物含量相对较低，纽荷尔脐橙果实品质评价系统及专家品鉴的排名结果靠前。此外，12、26 号样品用纽荷尔脐橙果实品质评价系统与专家品鉴的排名结果趋势一致。

表8 纽荷尔脐橙采用主成分分析法及专家品鉴的果实品质排名

将3 种评鉴方法的果实品质排名结果进行聚类，其中F1 类果实表现优质，F2 类果实品质良好，F3 类果实品质一般。如图1 所示，3 种评鉴方法的结果拟合度大体相似，果实品质表现优质（F1）、一般（F3）的排名相对固定，差异大多集中在果实品质良好（F2）的区域。对排名结果进行相关性分析，主成分分析法排名与专家品鉴排名呈显著正相关（r＝0.520，P＜0.05），纽荷尔脐橙果实品质评价系统排名与专家品鉴排名呈显著正相关（r＝0.610，P＜0.05），纽荷尔脐橙果实品质评价系统排名与主成分分析法排名呈显著正相关（r＝0.668，P＜0.05）。

图1 3 种评鉴方法果实品质排名对比

2.8 纽荷尔脐橙果实品质评价软件的开发与应用

纽荷尔脐橙果实品质评价软件是基于纽荷尔脐橙果实品质评价系统原理进行设计开发的应用软件，集成纽荷尔脐橙果实品质评价系统算法，基于Visual Studio 2019 开发环境下，C#语言编写实现，界面由数据存储区、菜单栏、功能设置栏组成。数据存储区实现脐橙果品原始数据录入、计算结果显示等功能。功能设置栏实现品种和产地信息录入、趋向性调整设置及权重设置等基本功能。菜单栏是软件内由按钮控件构成，实现参数设置、数据保存、导出文档等I/O 操作接口。由于需要大量数据的录入及存储，采用本地的数据库较为安全，msi 文件具有本地数据存储数据库回滚的特性，能实现各平台的Windows 版本下的兼容，故而采用将其封装成msi 文件。

为简化计算过程，集成纽荷尔脐橙果实品质评价的各个数据处理算法，即前端添加表单、按钮及文本框控件，分别提供录入数据、指标趋向性调整数据及最优值输入入口，后台对前端接收到的数值进行趋向性调整，标准化，据纽荷尔脐橙果实品质评价系统算法逐步处理，赋予权重后得出总分，将数值总分返回前端表单控件中显示。

将30 个不同品种及不同产地脐橙的果实品质数据输入纽荷尔脐橙果实品质评价软件，得到每份脐橙的品质值得分（图2）。排名靠前的脐橙品种多为纽荷尔，大部分地区的纽荷尔脐橙品质优良，较其他品种仍具有优势。由于气候、栽培管理的不同，果实品质有一定的差异[20]。郴州市宜章县的纽荷尔脐橙品质优良，维生素C、可溶性固形物含量较高。纽荷尔脐橙果实品质评价系统能够真实反映果品品质，亦可用于评价与纽荷尔脐橙具有相同评价标准的脐橙果品。

图2 纽荷尔脐橙果实品质评价软件运行结果

3 讨论与结论

采用数据算法综合评价果品的方式，能够简化果实评鉴流程，提高果实评价效率。传统主成分评价法将多指标评价简化为几个综合性指标，综合性评价果实品质[21]。然而由于主成分分析法选取的主成分会随贡献率的变化，结果呈现一定的波动性[22]。唐帅等[16]采用特有的冰糖橙量化模型，对湖南省各个产区及多年的不同冰糖橙品种进行了统一评价。本研究在综合分析纽荷尔脐橙果形较长，可滴定酸含量、维生素C 含量及固酸比均较高，果皮稍厚等品种特性后[23]，开发并优化了纽荷尔脐橙果实品质评价系统，该评价系统可用于与纽荷尔脐橙具有相同评价标准的脐橙果品评价。

本研究结果表明，主成分分析法、纽荷尔脐橙果实品质评价系统及专家品鉴3 种评价方法的结果相似，优质果及表现一般的果品排名一致，差异大多集中在表现良好的果实中，纽荷尔脐橙果实品质评价系统排名与主成分分析法排名呈显著正相关。由于纽荷尔脐橙性状表现稳定，多是果皮厚度等外观品质指标存在显著差异，果实内在品质差异不显著。此外，个人喜好、口味不一[24-25]等因素导致主成分分析法和专家品鉴排名结果差距较大，三者排名结果有一定的出入。总体来看，纽荷尔脐橙果实品质评价系统能够更为客观地评价脐橙果品品质。

果实评价系统在评价果实品质时需要具有一致性、可重复性及可靠性[26]。结合纽荷尔脐橙果品特性，构建纽荷尔脐橙果实品质评价系统，开发应用纽荷尔脐橙果实品质评价软件，纽荷尔脐橙果实品质评价软件基于C/S 框架，采用C#语言[27]，整合果实趋向性、标准化、权重赋予的算法，提供相关功能接口，开发并应用了纽荷尔脐橙果实品质评价。该软件通过键入纽荷尔果实品质数据，可得到相应果品综合排名，直观反映果品品质评价结果，极大地简化了果实评价工作流程，且可以有效利用多年多地区多品种的果实品质分析大量数据，以同一标准对其进行综合评价，有利于推动果实品质综合评价系统的标准化，筛选出最适应各个地区的优势品种，为品种选育、适地适栽提供参考。