基于主成分分析的核桃品种油用性状综合评价

徐梦婷，王 强，郝艳宾，齐建勋, ，张赟齐，丁保淼，陈永浩,4,

（1.北京市农林科学院林业果树研究所，北京 100093；2.长江大学生命科学学院，湖北荆州 434025；3.中国农业科学院农产品加工研究所，北京 100193；4.北京市落叶果树工程技术研究中心，北京 100097）

核桃是世界重要的木本油料树种。近年来，我国核桃产业发展迅速，核桃产量约占世界总量的60%[1-2]。2021 年我国核桃种植总面积约745.49 万hm2，总产量540.35 万吨，位居世界之首[3]，主要产区有云南（159.9 万吨）、新疆维吾尔自治区（119.7 万吨）、四川（88.9 万吨）、陕西（36.8 万吨）、河北（18.2 万吨）、山东（13.1 万吨）、甘肃（12.9 万吨）和湖北省（10.0 万吨）[4]。核桃品种选育是核桃产业的基础，近年来，核桃新品种也在不断增加，据统计，近五年新审定或授权植物新品种权的核桃品种有20 余个。众多核桃品种的选育主要考虑了抗逆性、果壳薄厚等特性，对其加工特性缺乏充分考虑。而在深加工拉动核桃产业发展的当下，对核桃品种进行加工适宜性评价并开展适宜加工品种的筛选就显的尤为重要。

主成分分析（PCA）是将多个变量通过线性变换以选出较少个数重要变量的一种多元统计分析方法，又称主分量分析。该分析方法可将初始变量转换为新的有效主成分，以识别数据集中最显著的特征[5-6]。聚类分析是一组将研究对象分为相对同质的群组的统计分析技术，是采用k-均值、k-中心点等算法的聚类分析工具进行数据建模、简化数据的一种方法。基于主成分分析和聚类分析相结合的方法，已被广泛应用于不同品种核桃的种质资源评价和筛选，例如Swati 等[7]对来自查谟克什米尔地区37 个地点的225 份核桃种质资源开展了形态性状分析，采用主成分分析和聚类分析等多变量分析筛选出具有良好坚果和核仁潜力的优良核桃种质资源。薛岩晟等[8]通过对西藏加查48 株核桃遗传资源的果实特性及品质指标进行综合分析筛选，最终得到了10 株优质核桃品种。

核桃由于含油量高，有“树上油库”的美誉，作为我国重要的木本粮油，对于保障我国油料安全、满足人们对高品质植物油的需求均发挥着重要作用。各地主栽品种的核桃油含量和品质差异较大，对核桃油用性状进行综合评价，筛选适宜油用加工的核桃品种对于提高核桃油品质，缓解我国植物油大量依赖进口的现状具有重要意义。但对核桃品种的油用性状综合评价研究刚刚起步，国内外报道尚不多见。耿阳阳等[9]为筛选贵州不同加工用途的核桃品种，对贵州不同地区289 份核桃样品的单果重、三径均值、出仁率、壳厚、粗脂肪和蛋白质进行统计分析，同时结合内褶壁、横膈膜和取仁难易评分共9 个农艺性状进行相关性、主成分分析与中心聚类分析，将贵州核桃初步归为5 类用途，对适合油用加工原料指标进行了评价，但仍存在取样范围和代表性不足、指标人为评价准确性等问题。本研究在对我国主栽区域的代表性核桃良种、种质资源进行初步调查的基础上，收集、筛选出26 个核桃品种进行油用性状的综合评价，通过对各核桃品种的表观性状和理化、营养特性进行测定，并对各品种核桃的油用性状指标进行主成分分析和综合评价，以期为筛选适宜加工制油的优良核桃品种提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

核桃 2022 年，从我国主要核桃产区9 个省（市）（云南、新疆、四川、陕西、河北、山东、甘肃、湖北省和北京市）收集了26 个主栽核桃品种（表1）。将收集的带青皮的核桃放置在阴凉处风干，待青皮自然脱落后手工去除青皮并清洗，然后自然干燥至水分含量8%以下，编号备用。

表1 26 个核桃品种名称及来源Table 1 Name and origin of 26 walnut varieties

YP5002 电子天平 上海佑科仪器仪表有限公司；JA1003 分析天平 上海越平科学仪器有限公司；HH-2 数显恒温水浴锅 金坛市鸿科仪器厂；GC-2010 Plus 气相色谱仪GC-2010 Plus 日本岛津；Thermo Dionex Ultimate 3000 HPLC-MS/MS 美国赛默飞世尔科技有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 核桃坚果表观性状测定 核桃的横径、纵径、侧径用电子游标卡尺进行测量，单位均为cm；壳厚用电子游标卡尺测量核壳胴部的厚度，精确到0.01 mm；核桃坚果单果重和仁重用天平称量，精确到0.01 g[10]。通过测量的单果重和仁重指标参照GB/T 20398-2021 计算出单果的出仁率[11]。

1.2.2 核桃理化与营养品质测定 水分参照GB 5009.3-2016 进行测定[12]；粗纤维参照GB 5009.10-2003 进行测定[13]；灰分参照GB 5009.4-2016 进行测定[14]；粗脂肪参照GB 5009.6-2016 进行测定[15]；粗蛋白参照GB 5009.5-2016 进行测定[16]；脂肪酸组成及含量参照GB 5009.168-2016 进行测定[17]；生育酚参照Wang 等[18]方法略作修改；植物甾醇参照Vu 等[19]方法略作修改。

1.3 数据处理

采用Excel 2016 进行数据汇编和整理，在进行分析之前计算各核桃品质特性的平均值、标准差和变异系数。所有实验至少进行三次，采用SPSS21.0软件分析核桃品质特性的差异情况，其中应用Duncan’s multiple range test 方法（P＜0.05）估计统计差异、应用Pearson 方法分析核桃品质特性指标的相关性、以及应用主成分分析法对核桃油用性状进行降维分析。采用Origin 2018 以欧氏距离结合离差平方和法对核桃油用性状进行系统聚类分析。

2 结果与分析

2.1 核桃表观性状分析

对26 个主栽核桃品种的7 项表观性状指标进行了统计分析（表2）。由表2 可知，表观性状中单果重的变化范围最大为7.76～20.62 g，变异系数最大为23.53%，说明不同品种核桃的单果重差异较大；其次为仁重，变异系数为23.18%，变化范围为3.42～9.75 g；壳厚的变异系数为17.79%，超过10.00%，说明不同品种的壳厚具有较高的离散程度。单果重、壳厚、仁重的变异系数大也进一步说明我国核桃品种在表观性状方面具有较大差异。

表2 26 个核桃品种表观性状的统计分析Table 2 Data analysis of phenotypic traits of 26 walnuts varieties

对核桃坚果7 个表观性状进行相关性分析（表3）发现，出仁率与壳厚呈高度负相关，张赟齐等[20]的研究结果与本研究结果一致。坚果横经、坚果纵经、坚果侧径、单果重、仁重相互之间呈极显著正相关，Khadivi 等[21]的研究结果与本研究结果一致。出仁率与单果重相关性不显著，表明出仁率受单果重的影响较小。

表3 26 个核桃品种表观性状的相关性分析Table 3 Correlation analysis of phenotypic traits of 26 walnut varieties

2.2 核桃理化与营养品质分析

各核桃品种中水分都低于8%（表4），说明所有核桃品种的水分含量都在安全水分含量范围之内。26 个核桃品种的灰分含量为1.4%～2.4%，与Erdogan等[22]报道结果相似；总脂肪含量为49.40%～62.90%，平均值为55.30%，变异系数（4.96%）小于10%，说明各核桃品种间总脂肪含量变异较小。在各脂肪酸组分中，油酸、亚油酸、亚麻酸是最常见的脂肪酸组分，其中变异系数最大的油酸含量为5.20～15.9 mg/100 g，占总脂肪酸含量为9.38%～27.85%，变异系数最小的棕榈酸含量为1.87～3.74 mg/100 g，占总脂肪含量为3.31%～6.54%。蛋白含量的变化范围为14.70%～23.10%，平均值为19.78%，高于Geng 等[23]报道的不同产区的粗蛋白平均含量。总生育酚的变化范围为14.20～30.50 mg/100 g，变异系数为16.77%，其中γ-生育酚含量最高，变化范围为12.00～27.20 mg/100 g，低于Li 等[24]报道的我国主要核桃种植区域中γ-生育酚含量。总甾醇的变化范围为80.00～148.00 mg/100 g，其中β-谷甾醇是核桃仁中最丰富的甾醇，变化范围为64.60～135.00 mg/100 g，低于Ribeieo 等[25]报道的巴西南部11 个薄壳山核桃中β-谷甾醇含量。

表4 26 个核桃品种理化与营养品质的统计分析Table 4 Data analysis of chemical quality of 26 walnut varieties

对核桃坚果19 个理化与营养品质进行相关性分析（表5）发现，粗脂肪与粗蛋白呈高度负相关（P＜0.01）；油酸与粗脂肪、硬脂酸呈显著正相关（P＜0.05），与粗纤维呈显著负相关（P＜0.05），与α-生育酚呈高度负相关（P＜0.01）；亚油酸与棕榈酸、硬脂酸呈高度正相关（P＜0.01）；亚麻酸与粗纤维呈高度正相关（P＜0.01），与δ-生育酚呈显著正相关（P＜0.05），与γ-生育酚呈显著负相关（P＜0.05）；总生育酚与γ-生育酚呈高度正相关（P＜0.01），与豆甾醇呈显著负相关（P＜0.05）；总甾醇与β-谷甾醇呈高度正相关（P＜0.01），与Δ5-燕麦甾醇呈显著正相关。由此可见，核桃理化与营养品质间存在着不同程度的相关性。

核桃性状间的相关性反映了核桃种质资源的油用潜力，为育种家确定亲本选择和育种目标提供了依据[26]。因此需要进一步对所有核桃品质指标进行相关性分析，以便找到与油用密切相关的主要支撑指标。

2.3 核桃油用性状的主成分分析

主成分分析的方法可以降低数据的维度，将原始变量转换为新的有效主成分，并在少数主成分中尽可能多地保留数据的总变化[27-28]。由于评价核桃品质指标比较多，很难简单通过一个指标来评价一个核桃样品优异程度。在对油用性状的研究中，通过因子分析选择与油用密切相关的17 个品质特性指标进行主成分分析（表6）。由表6 可知，提取了5 个特征值大于1.0 的主成分，累计方差贡献率达83.85%，能够较为准确的反映油用核桃性状的大部分信息。

表6 核桃油用性状的主成分分析Table 6 Principal component analysis of characteristics of walnut for oil

第1 主成分方差贡献率最大（29.09%），特征根也最大，为4.945。特征向量中正向载荷较高的性状有坚果三径、单果重、仁重，其特征向量值均大于0.7，反映了核桃的大小。第2 主成分方差贡献率为19.70%，特征根为3.349，特征向量中正向载荷比较高的性状有棕榈酸、总甾醇，反映核桃油氧化稳定性。第3 主成分特征根为2.382，解释14.01%的油用性状变异，正向载荷较高的性状为硬脂酸，负向载荷较高的性状有粗脂肪、总生育酚，这类性状与出油率有关。第4 主成分特征根为1.945，解释11.44%的油用性状变异，正向载荷较高的性状为出仁率，负向载荷较高的性状为壳厚，属于坚果的经济性状。第5 主成分方差贡献率为9.565%，特征根为1.626，正向载荷较高的性状为油酸，负向载荷较高的性状为亚麻酸，而不同脂肪酸比例对于氧化稳定性有一定影响，故这类性状可作为衡量核桃油品质的重要指标。

2.4 核桃油用性状的聚类分析

聚类分析是一种工具，根据欧氏距离计算各个数据点之间的相似度，并将两个最近的数据点按顺序组合，生成层次嵌套的聚类树[1,29]。将核桃坚果的油用品质指标数据标准化后，对26 个核桃品种进行聚类分析，在欧氏距离为10 时，可以分为5 个类型（图1）。第一类包括了10 个核桃品种，分别为云南漾濞泡核桃、山东清香、四川盐源早、北京礼品1 号、新疆新新2 号、新早丰、新萃丰、扎343、陕西西洛3 号、陕西香玲，这类核桃平均壳厚较薄（1.10±0.13 mm），平均出仁率较高（52.96%±3.44%），平均粗脂肪含量较高（55.66%±2.05%），平均总生育酚含量较高（21.38±2.56 mg/100 g），平均总甾醇含量最低（106.80±14.64 mg/100 g）；第二类包括了3 个核桃品种，分别为云南华宁大白壳、四川硕星和甘肃清香，这类核桃平均壳厚较厚（1.35±0.26 mm），平均出仁率较高（51.00%±6.58%），平均粗脂肪含量较高（57.07%±0.65%），平均总生育酚含量最高（24.13±5.82 mg/100 g），平均总甾醇含量较高（125.67±12.50 mg/100 g）；第三类包括了5 个核桃品种，分别为河北香玲、河北辽宁1 号、甘肃强特勒、元林、北京辽宁1 号，这类核桃平均壳厚略厚（1.16±0.14 mm），平均出仁率较高（51.80%±3.26%），平均粗脂肪含量最低（52.04%±1.85%），平均总生育酚含量最低（18.42±2.37 mg/100 g），平均总甾醇含量略低（112.20±9.93 mg/100 g）；第四类包括了5 个品种，分别为云南三台、细香、新疆温81、新疆温185、山东鲁果2 号，这类核桃平均壳厚最薄（1.07±0.95 mm），平均出仁率（56.22%±5.20%）最高，平均粗脂肪含量（57.48%±3.16%）最高，平均总生育酚含量较高（21.08±4.31 mg/100 g），平均总甾醇含量较高（131.80±14.06 mg/100 g）；第五类包括了3 个核桃品种，分别为湖北辽核4 号、湖北清香、湖北香玲，这类核桃平均壳厚最厚（1.47±0.08 mm），为中厚壳核桃，剥壳取仁较难，平均出仁率（44.61%±1.81%）最低，平均粗脂肪含量略低（54.13%±1.39%），平均总生育酚含量略低（19.13±1.93 mg/100 g），总甾醇含量最高（132.00±3.60 mg/100 g）。

图1 基于油用性状指标对26 个核桃品种进行聚类分析Fig.1 Cluster analysis of 26 walnut varieties based on oil characters indicators

2.5 核桃油用性状的综合评价结果

将油用密切相关的17 个品质特性指标数据标准化，根据5 个主成分的贡献率和隶属函数模型，计算出核桃油用性状的综合得分并进行排序。综合得分越高，表明核桃油用性状的综合表现越好，综合得分排序情况见表7。26 个核桃品种的油用性状综合分值范围为-1.59～1.26，华宁大白壳的油用性状综合表现最佳（1.26），而湖北香玲的油用性状综合得分最低（-1.59）。根据综合得分，并结合聚类分析的结果，经过排序得到5 个类型中综合表现最佳的核桃品种；在第一类中云南漾濞核桃的油用性状综合得分最高（0.43）；在第二类中云南华宁大白壳的油用性状综合得分最高（1.26）；在第三类中河北香玲的油用性状综合得分最高（0.87）；在第四类中温185 的油用性状综合得分最高（1.21）；在第五类中湖北清香的油用性状综合得分最高（-0.40）。

表7 核桃油用性状综合得分排序表Table 7 Ranking list of composite scores of walnut oil characters

3 结论

我国核桃主要种植省份的26 个主栽品种核桃坚果的品质性状指标间存在一定的相关性。其中出仁率与壳厚呈极显著负相关（P＜0.01），意味着核桃果壳厚度增加，出仁率会出现明显的下降趋势；油酸与粗脂肪、硬脂酸的正相关性显著（P＜0.05）；亚油酸与棕榈酸、硬脂酸呈极显著正相关（P＜0.01）；亚麻酸与δ-生育酚正相关性显著（P＜0.05），与γ-生育酚负相关性显著（P＜0.05）。主成分分中的5 个主成分解释了83.81%的总变异，反映了核桃油用性状的绝大部分信息，第1 主成分反映了核桃的大小，对方差的贡献率最大；第2 主成分反映核桃油氧化稳定性；第3 主成分与出油率有关；第4 主成分属于坚果的经济性状；第5 主成分可作为衡量核桃油品质的重要指标。综合相关性分析和主成分分析从26 个核桃品质性状中筛选出了17 个有代表性的主要油用性状，对与油用密切相关的17 个性状进行主成分分析，并结合隶属函数法经过综合评价得到前6 名为云南华宁大白壳、新疆温185、北京辽宁1 号、云南细香、甘肃清香、河北香玲。

本研究收集了我国核桃主要种植省份的26 个主栽品种，对其油用性状进行综合评价，以期为充分利用我国核桃资源，筛选适宜油用加工的品种，提高核桃油品质和稳定性提供理论参考，并为防范国家粮油供给风险提供种质资源保障。但本研究仍存在一些不足之处：a.只收集了同一年的核桃品种，而各地因每年天气和栽培管理水平的差异会造成果实相关数据的波动；b.各地区核桃品种的选择仍存在一定局限性，可能还有更合适的品种未被选入分析队列，因采样地域跨度大，在样品品种数量方面仍存在不足；c.本文仅从核桃坚果品质与油用品质相关性方面进行了分析，而氧化稳定性作为核桃油用加工的重要品质指标，在后续研究中需要进一步重点考虑。