引進16個鮮食棗品種品質性狀的主成分分析和綜合評價

段卞慧，馮一峰，林敏娟,2，吳翠云,2

(1.塔里木大學植物科學學院/南疆特色果樹高效優質栽培與深加工技術國家地方聯合工程實驗室，新疆阿拉爾 843300； 2.新疆生產建設兵團塔里木盆地生物資源保護與利用重點實驗室，新疆阿拉爾 843300)

0 引 言

【研究意義】棗(ZiziphusjujubeMill.)屬于鼠李科(Rhamnaceae)棗屬(Zizyhpus)植物，是我國特有的經濟果樹樹種[1]，具有悠久的栽培歷史[2]，分布在世界的 5 大洲，30 多個國家中，每個國家的棗品種資源都是從我國間接或直接引進的[3]，在我國很多地區也有較廣泛栽培。鮮食棗以其果實皮薄肉脆[4]，汁液適中，酸甜可口，風味獨特[5]等優勢，在新疆南疆果品市場中占有重要地位，因此引進鮮食棗種質資源對新疆具有重要的經濟價值和現實意義。【前人研究進展】主成分分析是常被國內外學者應用于對多指標進行綜合評價的一種分析方法[6-7]，近年來，一些學者采用主成分分析對桑葚[8]、杏[9]、蘋果[10]、葡萄[11]、獼猴桃[12]、香梨[13]、杧果[14]、楊梅[15]、薄皮核桃[16]、棗[17-19]等的果實品質評價指標選擇進行了研究。聚類分析在種質資源分類和果實品質評價方面的應用廣泛[20]，在對分類的數目和結構不做約束的情況下，可以將所選分類對象按照一定的規則聚類為若干個類別，劃分在同一類別的對象具有較高的相似性，可以真實地反映品種的綜合性狀。【本研究切入點】自20世紀60、70年代起，新疆開始陸續從內地引進一些優良品種，尤其是南疆獨特的地理環境和晝夜溫差大的氣候條件為紅棗的種植提供了良好的外界條件，曲澤洲等[1]在90年代就提出，同一品種栽種在新疆的紅棗果實無論從品質還是其他方面都比國內其他地區要好。隨著不同種植區紅棗品種的引種，具有不同優良品質的鮮食棗在新疆得以大面積推廣種植，其中具有優良品質的果實脫穎而出，但是反復大量的化學測定工作給果實品質的綜合評價帶來了諸多不便。研究建立一種基于現有引進鮮食棗品種果實品質的快速評價引進鮮食棗果實品質的方法。【擬解決的關鍵問題】研究運用相關性分析、主成分分析和聚類分析對16種引進鮮食棗品種果實品質進行綜合評價，篩選出品質較好的鮮食棗品種，基于當前引種的16種鮮食棗品種建立一個多指標的引進鮮食棗果品品質綜合評價及分級模型，為當前引種的16種鮮食棗果實品質理化品質的研究和等級劃分提供了一種科學、客觀、可行的途徑。

1 材料與方法

1.1 材 料

1.1.1 鮮食棗品種

以塔里木大學園藝試驗站棗種質資源圃內引進的16個鮮食棗品種為研究對象，分別為:狗頭棗、金絲蜜棗、贊1、贊皇鮮食、金絲新4號、晉矮1號、永城長紅、陜西雞蛋棗、圓鈴1號、郎家園棗、大荔知棗、核桃紋、贊晶、蜂蜜罐、延川條棗和葫蘆棗。嫁接后2a樹齡，株行距為5 m×5 m，田間管理水平一致。于各品種果實脆熟期采樣，每品種選取樹勢一致、相同二次枝同一部位棗吊上果實30粒，取樣后混合裝袋，帶回實驗室內低溫(-1～0℃)保存，對果實進行品質指標測定。單株為一個實驗小區，重復3次。

1.1.2 儀器與設備

JA21002電子天平；DK-8D 數顯恒溫水浴鍋；sigma-16K 臺式高速冷凍離心機；UPT-1-10T 超純水儀；0～150 mm電子數顯卡尺；SHZ-82A 水浴恒溫振蕩器；YP402N 電子分析天平；UV1800紫外可見分光光度計；美國HunterLab UltraScan PRO色差儀；GT200+SS200 多樣品組織研磨機；GZX-9420 MBE 電熱恒溫鼓風干燥箱；MC-SH2116 電磁爐。

1.2 方 法

果實樣品采集后擦去果實表面塵土、污漬，然后使用色彩色差儀測定果皮色度(L)值、紅綠(a)值、黃藍(b)值，每個果實選取向陽面和被陰面測定三個指標，每個品種測定20個果實，取平均值。L值越大表示果實的果面亮度越高；a值代表紅綠軸的色品指數，a值越大表明果皮顏色越偏向紅色；b值代表黃藍軸的色品指數，b值越大表明果皮顏色越偏向黃色[21]。每個品種果實樣品單果重量采用JA21002電子天平稱量20個果實，求其平均值，計算單果重量；果形指數的測定采取隨機選取20粒果實，分別用電子數顯卡尺測量果實一次縱徑，兩次橫徑，記錄數據，計算每個品種果實樣品的果形指數(果形指數=縱徑/橫徑)；果實樣品可溶性總糖含量測定采用蒽酮硫酸比色法[22]；蛋白質含量測定采用考馬斯亮藍法[23]；VC含量測定采用鉬藍比色法[24]；有機酸含量測定采用NaOH酸堿中和滴定法[25]；果實含水率的測定方法采用烘干法[26]；

1.3 數據處理

數據分析采用DPS7.05統計分析軟件進行主成分分析和聚類分析，同時使用Excel輔助數據收集、處理以及圖表的繪制。

2 結果與分析

2.1 不同鮮食棗品種果實的主要品質性狀

研究表明，不同鮮食棗品種之間果實品質性狀的差異幅度在5.08%～45.41%，除果皮色度L和含水量的變異系數較小外，其余10種果實品質性狀的變異系數均超過10%。果實表型性狀中以單果重(變異系數為26.63%)和果皮顏色b的變異程度最大(變異系數為24.32%)，其次為a/b(變異系數為19.35%)、果皮顏色a(變異系數為18.52%)和果形指數(變異系數為15.11%)；果實內在品質性狀中VC含量的變異程度最大(變異系數為45.41%)，其次為可滴定酸含量(變異系數為40.08%)、糖酸比(變異系數為39.05%)、蛋白質含量(變異系數為28.44%)、可溶性總糖含量(變異系數為14.63%)，變異程度最小的是果實含水率指標(變異系數為5.08%)。不同鮮食棗品種果實品質性狀之間的差異較大。表1

2.2 不同鮮食棗品種果實品質性狀的相關性

研究表明，不同鮮食棗品種果實品質性狀彼此之間存在著密切的關系，其中單果重與果皮顏色指標呈現著負相關；果皮色度與a/b值呈顯著負相關；果皮顏色a與果皮顏色b呈極顯著正相關；可滴定酸含量與糖酸比呈極顯著負相關；蛋白質含量與VC含量呈極顯著負相關；VC含量與果實含水率呈顯著正相關。這些果實品質性狀之間相關性的存在，若直接利用這些指標進行不同鮮食棗品種果實品質狀況的評價會因指標信息的重疊而使得評價結果出現一定的偏差，導致評價結果的不理想。表2

2.3 不同鮮食棗品種果實品質性狀的主成分

將表1中的12個果實品質性狀指標進行標準化處理之后進行主成分分析，研究表明，第1主成分的特征值為3.184，方差貢獻率為26.536%，是最重要的主成分；第2、3、4、5、6、7主成分的重要性依次降低，前7個主成分的累計方差貢獻率為91.856%，即這7個主成分已經把不同鮮食棗品種的12個品質性狀指標的絕大部分信息表述出來，因此可以選取這7個主成分作為不同鮮食棗品種果實品質性狀的綜合評價指標。表3

表3 不同鮮食棗品種果實品質性狀主成分的方差貢獻率
Table 3 Contribution rate of variance of principal component of fruit quality traits of different fresh jujube varieties

成分Ingredients初始特征值 Initialeigenvalue特征值Eigenvalues方差貢獻率(%)Variancecontributionrate累積方差貢獻率(%)Cumulativevariancecontributionrate1318426536265362237519793463293179014918612474125310438716855098582117989660886738287278705494578918568051943289618490304253198715100114094799662110029024599907120011009310000

研究表明，不同鮮食棗品種12個品質性狀的主成分載荷矩陣，它反映了各個品質性狀指標對此主成分負荷的相對大小和作用方向，即該指標對主成分影響的程度。研究表明，在第1主成分中，果皮顏色a和果皮顏色b具有較大的正系數值，這兩個指標對第1主成分產生正向影響；a/b具有較大的負系數值，它對第1主成分產生負向影響。說明第1主成分大時，果皮顏色a和果皮顏色b兩個指標會增大，而a/b則會減小。果皮顏色a、果皮顏色b和a/b指標主要反映了果實的外觀色澤，因此可將第1主成分稱為果實色澤指標。

在第2主成分中，可溶性糖和糖酸比具有較大的正系數值，它對第2主成分產生正向影響；可滴定酸具有較大的負系數值，它對第2主成分產生負向影響。說明第2主成分大時，可溶性糖和糖酸比兩個指標會增大，而可滴定酸含量則會減小。第2主成分主要反映了果實的風味，因此可將第2主成分稱為風味指標。

在第3主成分中，含水率具有較大的正系數值，對第3主成分產生正向影響；果皮色度L具有較大的負系數值，它對第3主成分產生負向影響。說明第3主成分大時，含水率指標會增大，而果皮色度L則會減小。由于含水率直接反映果實的水分含量，因此可將第3主成分稱為果實水分指標。

在第4主成分中，果形指數具有較大的正系數值，對第4主成分產生正向影響。說明第4主成分大時，果形指數指標會增大，而果形指數反映了果實的外觀形狀。因此可將第4主成分稱為果實形狀指標。

在第5主成分中， VC含量具有較大的負系數值，這個指標對第5主成分產生負向影響。說明第5主成分大時， VC含量會減小。因此可將第5主成分稱為果實VC指標。

在第6主成分中，蛋白質含量指標具有較大的負系數值，它對第6主成分產生負向影響。說明第6主成分大時，蛋白質含量指標則會減小。可將第6主成分稱為果實蛋白質指標。

在第7主成分中，單果重具有較大的正系數值，這個指標對第7主成分產生正向影響。說明第7主成分大時，單果重指標會增大，因此可將第7主成分稱為果實大小指標。表4

表4 不同鮮食棗品種果實品質性狀的主成分載荷矩陣
Table 4 The main component load matrix of fruit quality traits of different fresh jujube varieties

品質性狀Qualitytraits主成分1Mainingredient1主成分2Mainingredient2主成分3Mainingredient3主成分4Mainingredient4主成分5Mainingredient5主成分6Mainingredient6主成分7Mainingredient7單果重Singlefruitweight-07230162-0108-0131-007300730415果形指數Fruitshapeindex01040074-00840781-01800517-0184果皮色度LPeelbrightness05320325-0556-0031-031000590261果皮顏色aPeelcolor0667-0024049703370202-01030361果皮顏色bPeelcolor08670087-008201560392-01340114a/b-0470-023006780104-033500650226可溶性總糖Totalsolublesugar-01090544-0085-0334043305520105可滴定酸Titratableacid-0250-0817-0268-0007029402910061糖酸比Sugar-acidratio008809300118-0023-02540062-0030蛋白質含量Proteincontent-06140425-028302250239-0406-0109VC含量VCcontent0646-0375-0263-0420-03720039-0044含水率Moisturecontent027201670712-037201110130-0227

2.4 不同鮮食棗品種果實品質性狀的主成分因子得分和品質性狀評價

由初始因子載荷矩陣及表3中各主成分的特征值可以計算得到不同鮮食棗品種果實品質性狀相關矩陣的特征向量，研究表明，其中X1表示單果重、X2表示果形指數、X3表示果皮色度L、X4表示果皮顏色a、X5表示果皮顏色b、X6表示a/b、X7表示可溶性總糖、X8表示可滴定酸、X9表示糖酸比、X10表示蛋白質含量、X11表示VC含量、X12表示含水率。以F1表示第1主成分、F2表示第2主成分、F3表示第3主成分、F4表示第4主成分、F5表示第5主成分、F6表示第6主成分、F7表示第7主成分，以特征向量為權重，結合標準化處理后的數據，得到7個主成分的函數表達式(式中ZX表示標準化處理后的數據)。表5

表5 不同鮮食棗品種果實品質性狀相關矩陣的特征向量
Table 5 Eigenvectors of fruit quality traits related matrices of different fresh jujube varieties

品質性狀Qualitytraits主成分1Mainingredient1主成分2Mainingredient2主成分3Mainingredient3主成分4Mainingredient4主成分5Mainingredient5主成分6Mainingredient6主成分7Mainingredient7X1-0352-00080495-0205031103260384X200750036-000209740028-00170105X301080394-04010072-043401060578X40962009100490078-0122-0104-0141X507550062-06090011-017100120007X6-0010-0045091600320054-0164-0198X7-00840150-0125-001401040931-0086X8-0146-096300510057-008900640102X9-00350925-0021010800910281-0014X10-03120162-0113-01010848-00210238X11-0010-0072-0319-0156-0874-02070073X12020702630114-0159-02070178-0776

F1=-0.352ZX1+0.075ZX2+0.108ZX3+0.962ZX40.755ZX5-0.010ZX6-0.084ZX7-0.146ZX8-0.035ZX9-0.312ZX10-0.010ZX11+0.207ZX12

F2=-0.008ZX1+0.036ZX2+0.394ZX3+0.091ZX4+0.062ZX5-0.045ZX6+0.150ZX7-0.963ZX8+0.925ZX9-0.162ZX10-0.072ZX11+0.263ZX12

F3=0.495ZX1-0.002ZX2-0.401ZX3+0.049ZX4-0.609ZX5+0.916ZX6-0.125ZX7+0.051ZX8-0.021ZX9-0.113ZX10-0.319ZX11+0.114ZX12

F4=-0.205ZX1+0.974ZX2+0.072ZX3+0.078ZX4+0.011ZX5+0.032ZX6-0.014ZX7+0.057ZX8+0.108ZX9-0.101ZX10-0.156ZX11-0.159ZX12

F5=0.311ZX1+0.028ZX2-0.434ZX3-0.122ZX4-0.171ZX5+0.054ZX6+0.104ZX7-0.089ZX8+0.091ZX9+0.848ZX10-0.874ZX11-0.207ZX12

F6=0.326ZX1-0.017ZX2+0.106ZX3-0.104ZX4+0.012ZX5-0.164ZX6+0.931ZX7+0.064ZX8+0.281ZX9-0.021ZX10-0.207ZX11+0.178ZX12

F7=0.384ZX1+0.105ZX2+0.578ZX3-0.141ZX4+0.007ZX5-0.198ZX6-0.086ZX7+0.102ZX8-0.014ZX9+0.238ZX10+0.073ZX11-0.776ZX12

以各主成分所對應的方差貢獻率作為權重，根據主成分得分和對應的權重線性加權求和得到主成分的綜合得分模型：

F=0.318F1+0.238F2+0.179F3+0.125F4+0.099F5+0.089F6+0.055F7

根據各主成分的函數表達式計算出16個引進鮮食棗品種各主成分得分值和排序結果，然后再以主成分綜合得分模型計算出16個鮮食棗品種果實品質性狀的綜合得分和綜合排名。

綜合排名前5位的鮮食棗品種依次為葫蘆棗、贊1、贊晶、贊皇鮮食和陜西雞蛋棗，延川條棗、圓鈴1號和金絲蜜棗排名居后。表6

2.5 不同類型鮮食棗果實品質評價的聚類分析

將表1中的數據經過標準化變換后，采用歐氏距離，并根據主成分分析結果將各果實品質指標采用類平均法(UPGMA)進行聚類分析，12項指標的聚類分析。研究表明，依據聚類距離和聚類的先后順序可以看出，果皮顏色a和果皮顏色b首先聚為1個亞類，說明兩個變量的相關性較強，再和果皮色度L、可溶性總糖、單果重聚為第一類；果形指數、a/b、蛋白質含量和可滴定酸含量聚為第二類；糖酸比單獨聚為第三類；含水率聚為第四類；VC含量可單獨聚為第五類，說明該指標具有相對獨立性。圖1

根據主成分分析結果和聚類分析結果以及《中國棗種質資源》描述規范標準有關指標的要求，將上述12種品質評價指標簡化為：果皮色澤、可滴定酸含量、糖酸比或含水率、VC含量。上述16種鮮食棗果實品質評價指標可以用這4個品質指標基本反映。

根據圖1確定的評價體系，選取果皮色度、可滴定酸含量、含水率、VC含量4個品質指標，綜合評價16種引進鮮食棗果實品質，研究表明，在遺傳距離為20時，可將16種引進鮮食棗劃分為三大類群，第一類圓鈴1號、大荔知棗、贊皇鮮食等，第一類的特征是酸度小，含水率高；第二類永城長虹、核桃紋、金絲新4號等，第二類的特征是酸度大，VC含量高；第三類狗頭棗、延川條棗，第三類的特征是果實色澤好，VC含量高。圖2，表7

圖1 鮮食棗12個果實品質指標聚類
Fig.1 Cluster analysis of 12 fruit quality indexes of fresh jujube

圖2 基于果實品質的16種引進鮮食棗系統聚類
Fig.2 Cluster analysis of 16 introduced fresh jujube systems based on fruit quality
表7 不同鮮食棗品種果實品質性狀類間比較
Table 7 Comparison of fruit quality traits between different fresh jujube varieties

果皮色澤LPeelcolor可滴定酸含量Titratableacidcontent含水率MoisturecontentVC含量VCcontent品質Quality第一類Thefirstsort3312±18704±0196839±54714408±7995酸度小，含水率高第二類Thesecondcategory3275±1330805±01156454±08125032±2523酸度大，VC含量高第三類Thethirdcategory3518±591039±0146938±53629540±16347果實色澤好，VC含量高

3 討 論

16種鮮食棗品種果實品質存在明顯差異，果實的風味、果實大小和內含物含量等指標存在種間差異。通過主成分分析得出16種鮮食棗品種綜合評價指標的7個主成分因子，累計方差貢獻率達到91.856%，代表了樣本原始理化性質品質的絕大部分信息，用主成分作為鮮食棗品質評價的標準較單一性狀更為快捷、準確，同時避免了性狀間的相關性對評價結果的影響，較人為打分評價更具準確性和科學性[27]。

12項指標品質在各個主成分因子中所占的負荷均不相同，基于主成分分析建立了紅棗果實綜合品質評價函數[28]，可以對16種鮮食棗品種果實綜合品質從高到低進行綜合排序，直觀的反映紅棗果實的綜合品質。綜合排名前5位的鮮食棗品種依次為葫蘆棗、贊1、贊晶、贊皇鮮食和陜西雞蛋棗，延川條棗、圓鈴1號和金絲蜜棗排名居后。

在相關的文獻中，主成分分析、相關分析和聚類分析已廣泛地應用于評價果品指標中，謝輝等[29]將該方法應用于葡萄10個理化指標簡化為可溶性固形物、總酸、固酸比、果膠和纖維素5項指標來評價葡萄的的酸甜度、甜度、澀味品質。聶繼云等[30]利用聚類分析將白梨品質7個評價指標簡化為可溶性固形物含量、全糖含量、可滴定酸含量、果肉硬度和單果重5項。結合主成分分析結果和聚類分析結果以及《中國棗種質資源》描述規范標準有關指標的要求，將16種引進鮮食棗果實品質的12種主要品質評價指標簡化為：果皮色澤、可滴定酸含量、VC含量和含水率4項指標。

4 結 論

影響鮮食棗果實品質評價的關鍵因子是：果實色澤指標、風味指標、果實水分指標、果實形狀指標、果實VC指標、果實蛋白質指標以及果實大小，其中果實色澤、風味以及水分含量是主要因子，其次是果實形狀、大小及營養指標。通過進一步評價，初步確定試驗所采用16種引進鮮食棗果實品質之間的差異，聚類方法采用組間聯接，度量標準區間為平方Euclidean距離，根據因子分析的簡化指標將供試16種引進鮮食棗果實進行聚類。結果表明，可將16種引進鮮食棗的果實分為三大類群，其中第一類為酸度小，含水率高的品種資源，第二類為酸度大，VC含量高的品種資源，第三類為果實色澤好，VC含量高的品種資源。供試的16種引進鮮食棗品種果實品質綜合排名前5位的鮮食棗品種依次為葫蘆棗、贊1、贊晶、贊皇鮮食和陜西雞蛋棗，延川條棗、圓鈴1號和金絲蜜棗排名居后。

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