基于主成分分析和聚类分析的李子果实品质综合评价

李 可，林籽汐，刘 佳，廖茂雯，袁怀瑜，梁钰梅，潘翠萍，郭南滨，朱永清，张国薇，李华佳,*

（1.四川省农业科学院农产品加工研究所，四川成都 610000；2.四川省农业科学院园艺研究所，四川成都 610000；3.四川省葡萄酒与果酒行业协会，四川成都 610000）

李子（PrunussalicinaLindl.），又名嘉庆子、布霖，为双叶子植物纲（Dicotyledoneae），蔷薇科（Rosaceae），李属（PrunusL.）植物[1]。李子果实饱满，色泽亮丽，口感细腻，富含人体所需的多种维生素、氨基酸和微量元素，具有抗氧化、抗衰老、增强人体免疫力的功效，享有“五果”之首的称号[2-4]。李子在中国具有悠久的栽培历史，现已有1000 余个品种和类型[5]。研究表明，李子作为一种水果，常常会因为品种、产地气候等因素不同而造成品质差异[6-7]。四川作为李子大省，目前已经规模化种植的品种包括青脆李、蜂糖李、巨早李、酥李、苹果李等十多个品种，同时还有一些最新培育的新品种如紫皇、圣雪珀等，然而，目前对四川地区相关品种李子品质特征的研究却鲜有报道。

果实品质包括外在品质和内在品质，外在品质主要指果形指数、色泽等指标，内在品质包括可溶性固形物、可滴定酸、多酚、黄酮等指标[8]，且这些指标之间存在相对独立性和密切相关性。因此，依据单个指标或少数相关联的一般指标来评价果实品质优劣存在一定的片面性[9-10]。为了更加全面地分析和比较不同品种水果品质，近几年，主成分分析与聚类分析相结合的综合性评价方法已被广泛应用于果实的品质分析和综合评价[11-13]。该方法避免了感官评价主观性强、可比性差等不足，简化了评价程序，更利于综合评价多项品质指标。张芳等[14]利用主成分分析和聚类分析方法对贵州省15 份野生桑果实的品质进行综合分析，并基于此筛选出综合品质优良的资源作为桑葚品种选育的参考。姜璐等[15]采用主成分分析、相关性分析等方法明确了18 个品种蓝靛果的品质特征，并进一步根据品质特征提出了不同品种适宜的开发利用途径。以上研究均为李子品质评价提供了科学参考。

本研究以12 个品种李子为研究对象，对其外观特性、理化指标及糖酸组成等进行测定，并结合主成分分析和聚类分析，解析12 个品种李子的品质特征，以期为李子品质评价、不同用途优质专用品种筛选和品种选育提供一定的理论依据。

1 材料和方法

1.1 材料与仪器

李子 2022 年6 月下旬到8 月上旬采集于四川省德阳市李子种质资源圃（30°31′～31°42′N，103°45′～105°15′E），每个品种选取5 株栽培条件一致、长势良好、产量较一致的果树进行采样，于不同品种的树冠外围不同方向随机采摘成熟果实[16]，泡沫箱+冰袋包装后立刻运回实验室测量其指标。供试的李子品种名称及采摘时间详见表1；氢氧化钠、3,5-二硝基水杨酸、盐酸、福林酚试剂、无水碳酸钠、亚硝酸钠、甲醇、硝酸铝、2,6-二氯靛酚、氯化钾、硝酸铝 均为分析纯，成都市科隆化学品有限公司；葡萄糖、蔗糖、果糖、琥珀酸、苹果酸、草酸、奎宁酸 色谱纯标准品，上海麦克林生化科技有限公司。

表1 供试李子的采摘时间Table 1 Date of sampling in plum resources

855 型全自动滴定仪 瑞士万通中国有限公司；PHS-3C 型数显pH 计 上海雷磁公司；CR-400 色差仪 柯尼卡美能达；JJ-1000 型电子分析天平 上海佑科仪器仪表有限公司；1260 HPLC 高效液相色谱 美国安捷伦技术公司；SpectraMax iD3 多功能酶标仪 美谷分子仪器有限公司；DHG-9070 电热鼓风干燥箱 上海一恒科学仪器有限公司；KQ5200 DE 数控超声仪 昆山市超声仪器公司；DKS-14 恒温水浴锅 江苏金坛市金城国胜实验仪器厂；苏泊尔SJ30 渣汁分离果汁机 浙江苏泊尔股份有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 果实外观品质测定

1.2.1.1 果实质量及密度 参考安伯义等[17]的方法。

1.2.1.2 果型指数 使用游标卡尺测量其横径、纵径，果型指数=纵径/横径。

1.2.1.3 色差 用色差仪测定李子果实赤道线上分布均匀的3 个部位（L*、a*、b*值）。

1.2.2 果实理化指标测定

1.2.2.1 出汁率 称取100 g 果肉用打浆机匀浆2～4 min 得到果浆，8000 r/min 离心10 min，取上清液称量果汁质量，并按照如下公式计算出汁率。

1.2.2.2 可溶性固形物 采用手持数显糖度计测定可溶性固形物含量，结果以%表示。

1.2.2.3 pH 测定 采用pH 计测定。

1.2.2.4 可滴定酸含量测定 用全自动滴定仪测定可滴定酸含量[18]，滴定溶液为0.1 mol/L NaOH 标准溶液，滴定终点为pH8.2，结果以苹果酸当量计，结果以%表示。

1.2.2.5 总酚含量 采用Folin-ciocalteau 法测定[19]，2 mL 新鲜配制的Folin-Ciocalteu（1:1 v/v）加入到200 μL 果汁中，加入2 mL 75 g/L 的碳酸钠混匀1 min，25 ℃保温40 min，760 nm 检测总酚含量。以没食子酸为标准品绘制标准曲线，结果以mg GAE/100 g 表示。

1.2.2.6 总黄酮含量 采用AlCl3显色法测定[19]，1 mL 果汁中加入300 μL NaNO2（50 g/L）和4 mL 蒸馏水，混匀1 min，5 min 后加入1 mL AlCl3（100 g/L），混匀后放置5 min，加入2 mL 1 mol 的NaOH 和2.4 mL 的蒸馏水，25 ℃条件下振荡2 min，10 min后510 nm 检测类黄酮含量。以芦丁绘制标准曲线，结果以mg RE/100 g 表示。

1.2.3 糖酸组成分析

1.2.3.1 蔗糖、葡萄糖、果糖含量分析 采用HPLC法，取0.2 g 果汁，稀释200 倍后过0.22 µm 微孔滤膜过滤后备用[20]。采用外标法对糖组分进行定量分析，标准溶液的配制如下：分别称取0.1000 g 葡萄糖、蔗糖、果糖。用超纯水定容至100 mL，配制成1 mg/mL 的混合糖标准储备液，再依次稀释成5、10、20、50、100 µg/mL 的标准使用液，经0.22 µm滤膜过滤后备用。HPLC 条件参照色谱柱说明书：色谱柱为安捷伦Hiplex-Ca 分析柱（300 mm×7.8 mm），流动相为超纯水，流速0.6 mL/min，进样量20 µL，柱温80 ℃。蒸发光检测器条件为氮气流速2 mL/min，漂移管温度60 ℃，蒸发管温度80 ℃。参考孟祥春等[21]的方法，每次实验测定3 次并取平均值。

1.2.3.2 甜度值 甜度值的计算参考穆茜等[22]方法。

1.2.3.3 有机酸组成测定 有机酸采用HPLC 测定，取0.2 g 果汁，稀释20 倍后过0.22 µm 微孔滤膜过滤后备用。采用外标法对酸组分进行定量分析，标准溶液的配制如下：分别称取0.1000 g 苹果酸、草酸、奎宁酸、琥珀酸。用超纯水定容至100 mL，配制成1 mg/mL 的混合酸标准储备液、再依次稀释成5、10、20、50、100 µg/mL 的标准使用液，经0.22 µm滤膜过滤后备用。HPLC 条件参照色谱柱说明书：色谱柱为 Aminex HPX-87H（300 mm×7.8 mm），流动相为0.005 mol/L H2SO4，流速0.6 mL/min，紫外检测波长210 nm，进样量10 µL，柱温30 ℃。

1.2.3.4 有机酸总含量测定 有机酸总含量计算参照穆茜等[22]的方法。

1.2.3.5 糖酸比与甜酸比 甜酸比和糖酸比计算公式如下：

1.3 数据处理

利用Excel 2016 对数据进行收集处理，使用GraphPad Prism 9、SPSS.26 统计软件、Chiplot 线上分析平台（https://www.chiplot.online）对数据进行单因素方差分析（P<0.05）、主成分分析和聚类分析。采用隶属函数法和反隶属函数法对原始数据进行标准化以处理消除各指标异向性对综合评价的影响，根据以下公式计算出不同李子资源综合得分并进行排序[6,23]：

式中：Ain表示n 品系i 指标的正相关隶属函数值；Xin表示第n 个品种的第i 个性状指标；Ximin和Xjmax分别表示样品i 指标的最小值和最大值；Bin表示n 品系i 指标的负相关隶属函数值；m 表示主成分贡献率大于>85%的个数；Cij表示第j 个主成分第i 个的特征向量；Dj表示第j 个主成分的特征值。

2 结果与分析

2.1 不同品种果实外观品质差异分析

外观品质作为评价李子果实经济价值的重要性状，主要体现在单果重、果形指数和色泽等方面，是消费者选择的最直观评价标准[24]。由表2 可知，不同品种李子平均单果质量分布在18.36～94.86 g，参照陈守一等[24]的单果重分级方法，12 个李子品种被分为极大果（单果重≥90 g）品种1 个SXP，大果（90 g>单果重≥60 g）品种2 个ZXT、ALS，中果（60 g>单果重≥30 g）品种4 个YG、XL、ZH、QH，小果（30 g>单果重≥20 g）品种3 个CH、QC、CC，极小果（单果重<20 g）品种2 个XTL、FH。由表2 可知，12 个品种李子果实密度在0.96～1.05 g·cm-3，虽然不同品种之间有差异，但变化较小。果形指数是用来描述果实的形状，参照苹果果形指数划分标准[25]，0.6～0.8 为扁圆形，0.8～0.9 为圆形，0.9～1.0 为椭圆形或圆锥形，1.0 以上为长圆形可知，12 个品种李子果实形状可分为三种类型，其中CC 果实形状为圆形、YG 果实形状为长圆型，其它大多数李子品种果实形状为椭圆形或圆锥形。色差L*、a*、b*值变化范围分别为22.28～58.32、-12.93～17.91、8.60～45.95。色差L*、a*、b*值分别代表亮度、红绿度和黄蓝度方面变化，由表可知，QH、ALS、ZH 色差a*最高果且为正值，为典型的红色系果实，其中ALS 果实表面表现为红青色且表面不光亮，其L*和b*值显著（P<0.05）低于其它品种，QH 和ZH 果实表面表现为红黄色、表面较光亮，其L*和b*值相对较高。XL、CC、ZXT、SXP 和QC5 个品种果实表面以黄色为主、略带红色、表面较光亮，其色差a*值为正值，L*和b*高；YG、FH、XTL、CH4 个品种为青黄色水果，表面光亮，因此其色差a*值为负值，但L*和b*高。

表2 不同品种的李子果实外观品质差异分析Table 2 Analysis of appearance quality of different plum varieties

2.2 不同品种果实理化指标分析

由表3 可知，供试12 个品种的平均出汁率在32.92%～58.92%，其中SXP 和ZH 出汁率最高，均在50%以上，YG、FH、ALS、QC、CH、ZXT 次之，出汁率在40%～50%之间，XL、XTL、CC 出汁率较低在30%～40%之间，QH 最低为26.10%。出汁率是影响果实加工品质的重要指标，与果肉细胞成熟度及果胶含量密切相关，自然条件下的出汁率影响果汁类产品加工难易程度和成本，通过比较不同品种李子出汁率可知，SXP 和ZH 具有较好的加工潜力。

表3 不同品种李子果实的营养成分分析Table 3 Analysis of fruit nutrients of different plum varieties

pH、可溶性固形物和可滴定酸是反映果实内在品质的理化指标。由表3 可知，12 个李子品种pH分布在3.17～3.85，可滴定酸含量变化范围在0.69%～1.39%之间，可溶性固形物含量在10.4～19.67 之间，其中FH、ZH、QC、CH、SXP 的pH 较高，CC 果实pH 最低；SXP 可滴定酸含量最高，QC 可滴定酸含量最低；ZH、SXP、XL 可溶性固形物含量较高，均大于15%，QC 可溶性固形物含量最低。与陈守一等[24]、周忠雨[26]的研究结果比较可知，不同品种李子果实pH、可滴定算含量变化范围较为一致，但本研究首次报道的一些品种如SXP、ZH 的可溶性固形物含量显著（P<0.05）高于其它品种。

研究表明，多酚和黄酮类物质是李子果实中重要的活性物质，赋予果实丰富的营养成分和抗氧化的功能特性[2-4]。本研究表明，12 个品种李子总多酚含量在78.00～204.80 mg GAE/100 g 之间，总黄酮含量在106.05～272.30 mg RE/100 g 之间，总酚含量和黄酮含量存在一定相关性，总酚含量高的品种，其黄酮含量往往也较高，该研究结果与周忠雨[26]的研究结果一致。其中，FH 和ZH 的总黄酮和总酚含量均较高，ZXT 的总黄酮和总酚含量均最低。

2.3 不同品种果实糖、酸组分及甜酸风味分析

多数研究认为，蔗糖、葡萄糖和果糖是李子、桃等果实中含量较高的糖类[27-28]，Liu 等[29]研究表明，‘欧洲李’‘野生欧洲李’和‘黑刺李’三个品种中糖种类包括蔗糖、葡萄糖、果糖及山梨醇，且以葡萄糖为主，山梨醇次之。图1A 表示，12 个品种李子中以蔗糖、葡萄糖和果糖为主，不同品种李子蔗糖、葡萄糖和果糖总含量变化范围在32.89～141.38 mg∙g-1，其中ALS、ZH 和SXP 的总含量较高，分别为141.38、128.65、和108.11 mg∙g-1，ZXT 和QC 的总含量较低。同时许多研究还根据含量最高的可溶性糖类，将水果分为蔗糖积累型、葡萄糖积累型和果糖积累型，基于此，QH、SXP、ZH、CC、CH、FH、XTL、YG、ZXT 等9 个品种蔗糖占主要比例，为蔗糖积累性果实，QC、ALS 两个品种葡萄糖占比最高，为葡萄糖积累型，XL 中果糖占比最高为果糖积累型。

图1 不同品种李子果实糖酸组成及酸甜品质分析Fig.1 Sugars,organic acids,sweet and sour flavor in different plum varieties

有机酸的种类和构成对果实的酸味密切相关，目前关于不同品种李子中有机酸组成研究也较多，但研究结果却有所差异。周忠雨[26]的研究认为‘青脆李’‘脆红李’‘茵红李’‘西瓜李’和‘蜂糖李’等品种有机酸种类包含苹果酸、酒石酸、草酸、莽草酸等五种酸，且所有品种均以苹果酸为主，苹果酸占比均在80%以上。而Liu 等[29]则认为，‘欧洲李’以奎宁酸和苹果酸为主，‘樱桃李’‘美洲李’‘加拿大李’‘黑刺李’和‘野生欧洲李’等果实中以苹果酸为主。Celik 等[30]则研究认为‘樱桃李’总有机酸含量最高，其次是‘欧洲李’和‘黑刺李’，‘乌苏李’含量最低，‘欧洲李’‘樱桃’‘黑刺李’等品种有机酸种类包含柠檬酸、苹果酸、琥珀酸和富马酸。其中‘欧洲李’和‘黑刺李’均以柠檬酸为主，‘樱桃李’中以柠檬酸、琥珀酸和富马酸为主。由图1B 可知，本研究结果与Liu 等[29]的研究结果较为一致，12 个品种李子中有机酸种类包括苹果酸、奎尼酸、草酸和琥珀酸等，且均以苹果酸和奎宁酸为主，总含量为11.92～32.58 mg·g-1，含量从大到小依序为：CC>ZH>SXP>YG>FH>QH>CH>ALS>QC>XTL>XL>ZXT。苹果酸的平均含量为6.68～14.15 mg·g-1，占比32.6%～58.1%，含量较高的品种为SXP 和YG，含量最低的品种为QC；奎宁酸的平均含量为2.48～15.91 mg·g-1，占比20.8%～60.6%，含量最高的品种为CC、ZH，含量最低的为ZXT；琥珀酸的平均含量为1.17～4.89 mg·g-1，占比6.7%～20.4%；草酸的平均含量为0.04～0.43 mg·g-1，占有机酸总量的比例均低于1.5%。由此可以看出，不同品种李子酸的种类和组成存在较大差异，研究表明这种差异往往会带来口感的差异，影响消费者体验及其商品性[29]。

水果的甜酸风味是由糖和有机酸产生，但并不是甜味和酸味的简单叠加，而是糖和酸共同作用的综合结果，既取决于糖和酸的含量水平，也取决于糖和酸的种类和比例，固酸比、甜度/总酸是评价水果酸甜风味的常用指标[31-32]。由图1C～图1D 可知，通过对12 个品种李子甜度值、固酸比、糖酸比等研究结果表明，12 种李子果实甜度值由高到低依次为ALS>ZH>SXP>XTL>XL>CH>CC>QH>YG>ZXT>QC。不同品种果实糖酸比和甜酸比值顺序一致，大小顺序为：ALS>XL>XTL>ZH>SXP>CH>ZXT>FH>QH>CC>QC>YG。

2.4 不同品种果实品质主成分分析

对12 个品种李子果实的24 个品质指标的主成分分析结果显示（表4），前5 个主成分的特征值均大于1，累计方差贡献率达到82.586%，说明所提取的主成分对评价李子品种综合品质具有一定的代表性。由表4 可知，主成分1 的方差贡献率为30.556%，主要与总糖、总甜度、果糖、葡萄糖、甜酸比、糖酸比、蔗糖、可溶性固形物等表现为较高相关性且正相关，这些指标反映了果实甜酸风味品质；主成分2 的方差贡献率为19.903%，与总酚、b*、总黄酮、a*相关程度高，其中与总酚、b*、总黄酮呈正相关，与a*呈负相关。研究表明，总多酚和总黄酮与色泽密切相关，因此主成分2 可代表果实色泽品质；主成分3 的方差贡献率为12.790%，主要与苹果酸、可滴定酸和总酸呈正相关，可以作为反映果实酸味的指标；主成分4 的方差贡献率为12.592%，与单果质量正相关；主成分5 的方差贡献率为6.745%，与果形指数、果实密度相关性较大且呈正相关。由此可知，本文所提取的五个主成分分别代表了果实的糖和甜味品质、色泽、酸及酸味、单果重、果实密度和果形指数。

表4 主成分在各品质指标上的因子载荷矩阵Table 4 Rotated component matrix of the principle component analysis

2.5 不同品种果实品质综合评价

以各主成分的贡献率为权重，由相对应的主成分得分和权重加权求和得到综合评价函数，即Z=0.2628y1+0.1636y2+0.1499y3+0.1370y4+0.0930y5。通过函数计算出12 个李子品种的果实品质综合得分和排序结果，综合评分越高说明该品种在测量的多个指标中综合品质越佳。由表5 可知，12 种李子品种中ZH、SXP 和ASL 的主成分综合得分较高，分别为0.81、0.53、0.45，其次为XL、XTL，综合得分为正值，说明这5 种李子果实的综合品质较好；CC、YG、FH、CH、QH、ZXT 和QC 的综合分值较低，均为负值，表示这7 种李子在测量的多个指标中综合品质较差。

表5 综合成分得分及排序Table 5 Scores and ranking of principal component

2.6 不同品种果实品质指标相关性及聚类分析

将12 种李子果实品质标准化处理后进行系统聚类，同时对各项指标与李子各品种间的相关性进行分析，结果如图2 所示。12 种李子果实被聚成2 个大类，其中ZH、SXP、ALS、XL、XTL、CC、YG 分为第一个大类，在该大类中又可以分为几个亚类。其中，ZH 和SXP 被归为同一个亚类，表明这两种果实的品质特征相似，相关性分析也显示，这两类果实与大部分品质指标呈正相关，同时在综合品质评价中分数排名靠前，分别为0.81 和0.53，进一步证实了ZH 和SXP 的综合品质佳，这类果实因出汁率、可溶性固形物、总糖含量高，是加工果汁果酒的优质资源；ALS 被单独聚为一类，在外观与营养品质中优势并不突出，但与影响李子果实品质品种评价的酸甜风味指标显示强相关，使得在综合评分中排名靠前，该品种的总糖、总甜度、甜酸比和糖酸比最高，表明果实整体口感好，是作为鲜食的备选资源；XL 和XTL 被归为另一个亚类，这类果实可溶性固形物含量最高，糖酸比和甜酸比高，表明风味好、酸甜适中，但出汁率低，是适宜加工成果脯和果干的资源[15]。另一个大类中的6 个品种，与大部分品质指标呈负相关，主成分分析综合评价得分均为负值，其中ZXT和QC 的分数最低，表明这类果实的各项指标大多处于较低水平。

图2 不同李子品种果实品质指标相关性及聚类分析Fig.2 Cluster pedigree diagram of different plum varieties

3 讨论与结论

果实品质评价是对不同品种果实品质特性的解析，为生产者和消费者品种选择提供科学依据，是育种工作中的重要一环。通过对‘青脆李’‘脆红李’等12 个品种李子的外观指标、色泽、理化指标及甜酸风味物质组成进行比较分析，并结合主成分分析和聚类分析，对12 个品种综合品质进行了排序与聚类。结果表明，12 个品种李子的品质特征存在差异，通过主成分分析提取的五个主成分分别代表了果实的甜味及糖、色泽、酸及酸味、单果重、果实密度和果形指数，根据指标结合统计分析方法可解析品种特性及适宜的用途。

综合品质得分排序由高到低依次为：ZH、SXP、ASL、XL、XTL、CC、YG、FH、CH、QH、ZXT、QC。通过聚类分析，按照品质将李子分为2 个大类，第一大类得分较高，品质优良，其中，ZH、SXP 综合得分较高，出汁率、可溶性固形物、总糖含量高，是加工果汁果酒的优质资源；ALS 总糖、总甜度、甜酸比和糖酸比最高，是作为鲜食的备选资源；XL 和XTL 可溶性固形物含量最高，糖酸比和甜酸比高，但出汁率低，是适宜加工成果脯和果干的良好品种资源；第二大类的7 个品种综合评价品质较低，有待通过栽培管理进一步提升其品质。该研究为消费者根据需求选择适宜的品种以及李子栽培、贮藏保鲜等提供参考，对促进李子总体品质提升具有重要指导意义。

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