基于主成分分析的藍莓果實質地品質評價

劉丙花 王開芳 王小芳 梁 靜 白瑞亮 謝小鋒 孫 蕾,*

(1 山東省林業科學研究院，山東 濟南 250014；2 國家林業局經濟林產品質量檢驗檢測中心，山東 濟南 250014;3山東省經濟林管理站，山東 濟南 250014)

藍莓(Vacciniumspp.)是一種經濟價值較高的新興果品，其色澤宜人、果肉細膩、酸甜適口、富含維生素、微量元素、花青素等營養成分和抗氧化物質，極具營養保健和經濟價值，深受廣大消費者喜愛，是聯合國糧農組織錄入的人類五大健康食品之一，被譽為“漿果之王”[1-3]。但藍莓果實較軟，易受病原菌侵染，導致品質劣變，影響其貯藏、流通和銷售。藍莓果實在生長、發育、成熟、貯藏過程中，經歷一系列復雜的生理生化變化，其中質地改變是果實成熟最顯著的變化之一[4-5]。果實的許多感官指標(如硬度、脆性、咀嚼性等)與質地密切相關，直接影響其貯運特性，已成為檢測果實品質的重要指標，是評價果品可接受程度的首要因素[6-8]。因此，研究不同藍莓品種果實質地特征及各質地參數間的相關性，建立藍莓果實質地品質優劣評價模型，對豐富藍莓果實品質評價體系，選育高品質藍莓品種及其采后儲運、加工和銷售具有重要的指導意義。

近年來，物性分析儀被廣泛應用于水果質地檢測，該方法避免了人為因子干擾，評價結果更加客觀、準確。本研究擬應用物性分析儀整果穿刺和質地多面分析(texture profile analysis，TPA)的方法對22個藍莓品種果實的質地參數進行測定，分析各質地參數間的相關性，并采用主成分分析法建立藍莓果實質地品質優劣評價模型，對22個藍莓品種的果實質地品質進行綜合評價，旨在為藍莓果實質地品質評價提供科學準確、可行的技術，進一步完善藍莓果實質地品質評價體系，為高品質藍莓品種選育和良種采后儲運、加工及銷售提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗材料為山東省引種的22個藍莓品種(表1)，各品種果實均于2016年6月采自沃林農業(青島)有限公司日照市陳疃鎮藍莓生產基地。選擇大小一致、果面完全著均勻藍色，且無病、蟲、傷害的果實，分別進行采收分裝并置于4℃聚乙烯保鮮盒中帶回實驗室用于質地品質指標測定。

表1 試驗所用藍莓品種特性及其來源Table 1 Characteristics and origins of the blueberry cultivars used in the study

1.2 試驗方法

1.2.1 整果穿刺試驗 參考Costa等[9]的方法。取完整的藍莓果實采用TA-XT Plus物性分析儀(英國Stable Micro Systems公司)P/5探頭(直徑5 mm)在果實的赤道部位取點進行整果穿刺試驗，得到果皮強度、果皮脆性、果皮韌性和果皮破裂距離等質地參數。測試參數：測前速度5 mm·s-1，下壓速度1 mm·s-1、測后速度5 mm·s-1、穿刺深度10 mm。

1.2.2 TPA試驗 參考Hu等[10]的方法。取完整的藍莓果實采用物性分析儀P/75探頭(直徑75 mm)在果實的赤道部位進行TPA試驗，由質地特征曲線得到藍莓果實硬度、粘附性、彈性、內聚性、咀嚼性和回復性等質地參數。測試參數：測前速度5 mm·s-1。測試速度2 mm·s-1。測后上行速度2 mm·s-1，果實受壓變形為25%，2次壓縮停頓時間為5 s，觸發力為5.0 g。

1.3 數據處理

試驗數據以平均值±標準方差表示。每個品種重復測定30個果實，取平均值。采用IBM.SPSS Statistics 20.0對主要質地品質指標進行相關性分析和主成分分析。

2 結果與分析

2.1 不同藍莓品種整果穿刺試驗質地參數及其相關性

由表2可知，藍莓果皮強度為131.31 ～ 225.96 g，變異系數為8.28%，果皮強度最大和最小的品種分別為大粒藍金(225.96 g)和路寶(131.31 g)。藍莓果皮破裂距離為2.34 ～ 4.39 mm，變異系數為11.97%，果皮破裂距離超過3.00 mm的品種有16個，其中藍鳥和塞拉的果皮破裂距離較大，分別為4.39和4.36 mm；奧尼爾的果皮破裂距離最小，僅為2.34 mm。藍莓果皮脆性為31.89 ～ 62.39 g·s-1，變異系數為15.25%，果皮脆性大于50.00 g·s-1的品種有11個，其中米德、克瑞頓和布萊登的果皮破裂距離較大分別為62.39、61.54、61.39和60.92 g·s-1；藍鳥和塞拉的果皮脆性較小，分別為31.89和32.65 g·s-1。藍莓果皮韌性為248.41 ～ 484.41 g·s，變異系數為12.05%，果皮韌性大于300.00 g·s的品種有13個，其中大粒藍金的果皮韌性最大(484.41 g·s)，其次是陶柔(412.22 g·s)；藍線和克瑞頓的果皮韌性較小，分別為248.41和249.04 g·s。

Pearson相關系數分析結果表明，果皮破裂距離與果皮強度、果皮韌性均呈極顯著正相關(P< 0.01)，與果皮脆性呈顯著負相關(P< 0.05)；果皮脆性與果皮韌性呈極顯著負相關(P< 0.01)；果皮強度與果皮脆性、果皮韌性均無顯著相關性(P> 0.05)(表3)。

表2 不同藍莓品種果實整果穿刺試驗質地參數Table 2 Textural parameters of different blueberry cultivars in puncture test

表3 不同藍莓品種果實整果穿刺試驗質地參數相關性Table 3 Correlation among textural parameters of the puncture test on different blueberry cultivars

注：*表示差異顯著(P< 0.05)；**表示差異極顯著(P< 0.01)。下同。

Note:*and**indicate significant difference at 0.05 and 0.01 level, respectively. The same as following.

2.2 不同藍莓品種TPA試驗質地參數及其相關性

硬度反映藍莓果實在外力作用下發生形變所需要的屈服力大小。由表4可知，藍莓果實硬度范圍為265.50 ～ 576.87 N，變異系數為19.23%，其中克瑞頓、大粒藍金和布萊登藍莓的果實硬度大于500.00 N，分別為576.87、526.49、513.74 N；藍鳥、路寶、塞拉和北陸藍莓的果實硬度小于300.00 N，分別為265.50、267.98、283.55、296.40 N。粘附性是評價咀嚼果肉時口腔克服果肉表面吸引力所需的能量。藍莓果實的粘附性為0.10 ～ 0.61 N·s，變異系數為32.68%，粘附性大于0.50 N·s的品種有6個，其中布萊登和克瑞頓藍莓的最高，均為0.61 N·s；粘附性小于0.20 N·s的品種有3個，分別為北陸(0.10 N·s)、瑞卡(0.14 N·s)和納爾遜(0.18 N·s)。彈性反映藍莓果實經第1次壓縮變形后，去除變形力后所能恢復的程度。本研究中藍莓果實彈性為0.62 ～ 0.77，變異系數為5.45%，果實彈性大于0.70的品種有6個，分別為夏普藍(0.77)、北陸(0.74)、奧尼爾(0.73)、翰伯特(0.73)、藍鳥(0.73)和澤西(0.71)；布萊登、米德和努益藍莓的果實彈性最小，均為0.62。

表4 不同藍莓品種果實TPA試驗質地參數Table 4 Textural parameters of different blueberry cultivars in TPA test

內聚性指咀嚼藍莓果肉時，果肉抵抗牙齒咀嚼破壞而表現出的內部結合力，反映了細胞間結合力的大小和果實保持完整性的能力。本研究中藍莓果實內聚力為0.35 ～ 0.53，變異系數為9.62%，內聚力超過0.40的品種有16個，其中大于0.50的品種有藍鳥(0.53)和奧尼爾(0.51)；克瑞頓和米德的內聚性最小，均為0.35。咀嚼性反映牙齒將藍莓果實咀嚼成吞咽狀態時所需要的能量，是硬度、凝聚性和彈性三者的乘積，綜合反映了果實對咀嚼的持續抵抗性。藍莓果實咀嚼性為78.36 ～ 149.40 N，變異系數為13.16%，咀嚼性大于140.00 N的品種有3個，分別為夏普藍(149.40 N)、陶柔(145.80 N)和大粒藍金(140.30 N)；咀嚼性小于100.00 N的品種有4個，分別為路寶(78.36 N)、藍豐(91.60 N)、塞拉(92.55 N)和日出(96.02 N)?；貜托苑从沉斯麑嵤軌和瑫r迅速恢復變形的能力。藍莓果實回復性為0.08 ～ 0.26，變異系數為14.75%，其中回復性大于0.20的品種有10個，大粒藍金的回復性最大(0.26)，其次是克瑞頓(0.25)，翰伯特藍莓的回復性最小(0.08)(表4)。

Pearson相關系數分析表明(表5)，藍莓果實硬度與果實彈性呈顯著負相關(P< 0.05)，與咀嚼性呈極顯著正相關(P< 0.01)；咀嚼性與粘附性、彈性均呈顯著正相關(P< 0.05)；回復性與內聚性呈極顯著正相關(P< 0.01)。

表5 不同藍莓品種果實TPA質地參數相關性Table 5 Correlation among textural parameters of the TPA test on different blueberry cultivars

2.3 主成分分析

由表6可知，將22個藍莓品種的10個質地參數轉化為10個主成分，根據各主成分的特征值和貢獻率進行主成分提取，前4個主成分的累計方差貢獻率達87.638%，能夠代表所有指標的絕大部分信息，綜合反映藍莓的果實質地品質特性，可以作為藍莓選優、評價的綜合指標。第1主成分的特征值為4.114 ，方差貢獻率為41.142%，代表了全部信息的41.142%，是最主要的主成分；第2主成分的特征值為2.269 ，方差貢獻率為22.629%，是僅次于第1主成分的主成分；第3主成分的特征值為1.394，方差貢獻率為13.943%；第4主成分的特征值是0.986 ，方差貢獻率為9.861%。

表6 主成分的特征值、方差貢獻率和累計方差貢獻率Table 6 Eigenvalue, variance contribution rate and cumulative variance contribution rate of principal components

為了更好地解釋各質地參數與成分因子之間的關系，將所提取的主成分因子進行旋轉處理，使一個變量在較少的幾個因子上有較高的載荷，其載荷值的大小反映各變量在主成分中的重要程度(表7)。第1主成分主要綜合了果實硬度和果皮脆性的信息，作為第1主成分的代表指標。第2主成分中，果皮韌性的正系數最大，作為第2主成分的代表指標。第3主成分中，果實彈性的正系數最大，作為第3主成分的代表指標。第4主成分中，回復性的正系數最大，作為第4主成分的代表指標。

綜合分析4個主成分主要代表指標的相關性及其變異系數：果皮脆性與果皮韌性成極顯著的負相關(P< 0.01)，果實硬度與果實彈性呈顯著負相關(P< 0.05)；果皮脆性的變異系數大于果皮韌性，果實硬度的變異系數大于果實彈性(表2～表5)。因此，將果實硬度、果皮脆性和果實回復性作為不同藍莓品種果實質地品質評價的核心指標。

表7 主要質地參數相關矩陣的規格化特征向量Table 7 Eigenvectors of correlation matrix of main textural parameters in blueberry

表8 不同藍莓品種的主成分值與綜合評價指數值Table 8 Values of principal components and synthetic analysis indexes in different blueberry cultivars

上述4個主成分能綜合反映22個藍莓品種果實的質地品質。將主要品質指標原始數據標準化后，計算4個主成分的得分，以所選主成分對應的特征值占4個特征值總和的比例為權重，計算出不同藍莓品種的綜合評價得分值(Y)，各得分值與相應特征值的方差貢獻百分率的乘積累加得出不同藍莓品種的綜合評價指數(S=Y1× 0.411 42 +Y2× 0.226 29 +Y3× 0.139 43 +Y4× 0.098 61)，以此來評價不同藍莓品種的果實質地性狀優劣。由表8可知，22個藍莓品種質地綜合品質排名前10位的依次為大粒藍金、克瑞頓、布萊登、陶柔、夏普藍、萊格西、奧尼爾、澤西、米德、雙迪。

3 討論

整果穿刺法能夠根據果實自身特點選取測試探頭和編輯運行程序，反映整個果實的流變學特征，該法能同時準確獲得果皮強度、韌性、脆性等多項指標，避免了人為干擾，克服了傳統檢測方法的缺點，更能客觀準確的反映果實的質地品質特征[11-13]。本研究中整果穿刺試驗結果表明，不同藍莓品種間果皮質地差異較大，其中果皮破裂距離、果皮脆性和果皮韌性的變異系數均大于10.00%，品種間差異較大；果皮強度變異系數為8.28%，品種間差異較小。

物性分析儀TPA法是通過模擬人的口腔咀嚼運動，利用力學方法判斷樣品質地狀況和組織結構，能夠全面反映樣品硬度、彈性、咀嚼性等質地特性，是評價樣品貯藏和運輸品質的有效方法[5,14-15]。TPA 測試已在國外食品領域得到廣泛應用[14,16-17]，但在我國起步較晚。近年來，TPA法在水果[11,18-22]、蔬菜[23]上的應用不斷增多，但在藍莓上的研究報道較少。本研究采用TPA法測定不同藍莓品種果實質地品質，發現不同藍莓品種TPA質地參數差別較大，其中硬度、粘附性、咀嚼性和回復性的變異系數均大于10.00%，品種間差異較大；彈性和內聚性的變異系數均小于10.00%，品種間差異較小。

研究表明，果實質地參數間具有較高的相關性[14-16,22,24]。本研究中，藍莓果實硬度與果實彈性呈顯著負相關，與咀嚼性呈極顯著正相關性，這與在克瑞森無核葡萄[18]、京白梨[24]和蘋果[21,25-26]上的研究結果一致，說明硬度、彈性和咀嚼性與果肉的適口感關系極為密切，可以作為評價藍莓質地的重要參數。藍莓果實回復性與內聚性呈極顯著的正相關性，咀嚼性與粘附性、彈性均呈顯著的正相關性，與蘋果[9,21,27]、楊梅[22]和冬棗[11]上的研究結果一致，說明粘附性、內聚性、彈性、回復性、咀嚼性可以反映不同藍莓品種的質地品質差異。

主成分分析是將多個評價指標簡化為少量綜合評價指標的一種統計分析方法，剔除不重要部分，保留重要信息，用少數變量盡可能多地反映原來變量的信息，保證原信息損失小且變量數目盡可能少[28-29]。目前，主成分分析已成為果蔬、食品品質綜合評價的主要方法之一[30-34]，是選育專用型果蔬品種及合理加工利用的重要理論支持。本研究利用主成分分析法從22個藍莓品種的10個果實質地品質指標中提取了4個主成分，可反映所有質地品質指標的87.638%信息，綜合分析4個主成分的主要特征指標的相關性及其變異系數，最終將果實硬度、果皮脆性和果實回復性作為不同藍莓品種果實質地品質評價的核心指標。將主要質地指標數據標準化后，計算4個主成分的得分，以所選主成分對應的特征值占4個特征值總和的比例為權重，計算出不同藍莓品種的綜合評價得分值，各得分值與相應特征值的方差貢獻百分率的乘積累加得出不同藍莓品種的綜合評價指數，以此來評價不同藍莓品種果實質地品質的優劣。依據綜合評價指數明確了果實質地品質優良的藍莓品種依次為大粒藍金、克瑞頓、布萊登、陶柔、夏普藍、萊格西、奧尼爾、澤西、米德、雙迪。

4 結論

不同藍莓品種的果實質地品質參數存在品種間差異，整果穿刺和TPA法能夠很好的反映不同藍莓品種的果實質地差異，客觀評價藍莓果實品質。本研究創新性采用主成分分析和相關性分析相結合的方法對22個藍莓品種的10個質地參數進行了綜合評價，篩選出綜合評價藍莓質地品質的3個核心參數(果實硬度、果皮脆性和果實回復性)，提高了藍莓質地品質評價的準確性和方便性，進一步豐富了藍莓果實質地品質評價體系。本研究僅對藍莓果實質地品質進行了評價，但藍莓果實質地參數與感官評價還存在一定的差異，因此，研究果實質地指標與感官分析之間的相關性，建立科學的藍莓果實質量等級分類標準是今后的研究重點。