基于主成分分析與聚類分析的中、早熟桃品種制汁品質評價

張春嶺，劉 慧，劉杰超，呂真真，楊文博，王力榮，焦中高*

（中國農業科學院鄭州果樹研究所，河南 鄭州 450009）

桃樹（Prunus persicaL.）屬薔薇科（Rosaceae）李屬（PrunusL.）桃亞屬（AmygdalusL.），是多年落葉生果樹，原產于中國，栽培歷史長達4 000 年之久[1]。桃作為鮮食水果味美多汁，含有多種營養物質和礦質元素，深受人們喜愛。近年來，桃在我國種植面積和產量迅速增加，聯合國糧食及農業組織統計數據顯示，截至2016年，世界桃種植面積和產量分別達到了164萬 hm2和2 498萬 t，中國分別占51.1%和57.9%，均為世界第一[2]。但是桃采收期相對集中，且在采收后由于微生物及內源酶等因素的影響容易腐爛變質[3-4]，給貯藏、運輸和銷售造成很大困難，制約了桃產業的發展。發展桃的深加工，延伸桃產業鏈，對促進桃產業可持續發展具有重要作用。目前國內桃加工產品眾多，其中以桃汁為主[5]。桃汁含有糖類、蛋白質、果膠、膳食纖維和多種維生素等營養物質，還含有多種礦質元素，有補中益氣、養陰生津、潤腸通便的功效，深受消費者喜愛。但是目前桃產業品種結構不合理，缺少適宜加工的品種[6]，開展桃制汁品質評價，篩選適宜制汁的桃品種顯得尤為迫切。

目前，國內外關于桃汁的研究主要集中在桃汁加工貯藏過程中的品質變化[7-8]以及加工工藝的優化改良方面[9-11]。品種差異對制汁品質影響較大，所以選擇適宜的制汁品種對桃汁加工具有重要意義。關于不同桃品種制汁適宜性的研究亦有報道，王力榮等對制汁用桃的質量指標進行了研究[12]，并且對制汁用桃品種進行了初步評價[13]，但沒有涉及桃汁品質的多指標綜合評價。焦藝等對不同品種油桃[14]和蟠桃[15]的制汁特性分別進行了評價；Lyu Jian等[16]研究了18 個品種白肉桃的品質特性，但是所選品種以晚熟品種居多，而且沒有對不同果肉顏色以及不同成熟度的桃汁品質進行對比研究。我國桃品種多樣，現有栽培品種達200 個以上，其中尤以早、中熟桃居多，約占桃樹栽培面積的70%以上[17]。而早、中熟桃成熟時正值高溫季節，銷售不及時極易造成腐爛變質，采后損失嚴重。因此，開展早、中熟桃品種制汁適宜性評價，對于桃的合理加工利用具有重要意義。本研究對15 個早、中熟桃品種的3 個成熟度共計45 個桃汁樣品的15 項品質指標進行測定分析，利用主成分分析和聚類分析對桃制汁品質進行評價，篩選適宜制汁的桃品種，為桃加工產業的發展提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

本研究中15 個品種3 個成熟度的桃果實于2017年5月—8月采自鄭州果樹研究所新鄉實驗基地，各品種試驗樹的栽植株行距為2 m×4 m，南北行向，立地條件、栽培方式和田間管理水平一致，采樣時間及名稱見表1。為保證所采樣品的均勻一致，每個品種從3 株果樹的不同部位選取40 個共約10 kg的果實。參考王力榮等[12]的調查標準分為3 個采樣成熟度，分別標記為I、II、III。

表1 桃品種及采樣時間Table 1 Cultivars of peach and sampling time

蔗糖、葡萄糖、果糖標準品 美國Sigma公司；甲醇、乙腈（均為色譜純） 北京迪馬科技有限公司；其他試劑均為國產分析純。

1.2 儀器與設備

JYL-C52V打漿機 九陽股份有限公司；L-550離心機 湖南湘儀離心機儀器有限公司；SPECORD 50紫外-可見分光光度計 德國耶拿分析儀器股份公司；Re-52A旋轉蒸發儀 上海亞榮生化儀器廠；X-Rite SP62色差計 美國愛色麗公司；Acquity超高效液相色譜儀美國Waters公司。

1.3 方法

1.3.1 桃汁的制備

參考Garza等[18]的方法，略有改動。桃果實清洗，去皮、去核，切成5 mm3左右的小塊，90 ℃熱燙60 s滅酶，打漿機打漿，冷卻后加入質量分數0.1%果膠酶，50 ℃水浴40 min。冷卻至室溫后加入質量分數10%硅藻土攪拌均勻，4 000 r/min離心10 min，上清液即為桃汁樣品。

1.3.2 出汁率的測定

采用1.3.1節的方法制汁，所得果汁質量與樣品質量之比即為出汁率。

1.3.3 色澤指標、褐變度的測定

色澤指標測定參考Onsekizoglu等[19]的方法，結果以L*、a*、b*值表示。

褐變度的測定參考Meydav等[20]的方法。取適量果汁樣品，于9 000 r/min離心20 min，用0.45 μm濾膜過濾，以蒸餾水為空白，在420 nm波長處測定吸光度。

1.3.4 桃汁組分的測定

可溶性固形物質量分數（soluble solid content，SSC）[21]、可滴定酸質量分數[22]、總糖質量濃度[23]、單體糖質量濃度[24]、有機酸質量濃度[25]、氨基酸態氮質量濃度[26]參照相應行業標準和國家標準方法測定。總酚質量濃度的測定參考Abid等[27]的方法，采用Folin-Ciocalteu法，結果以沒食子酸質量計。

1.4 數據統計與分析

除特殊說明外，所有指標測定均重復3 次，結果均為3 次平行實驗的平均值。參考Tian You等[28]的方法，采用Excel 2007、SPSS 19.0軟件對數據進行描述性分析、主成分分析和聚類分析。

2 結果與分析

2.1 桃汁品質指標描述性分析

對45 個桃汁樣本的品質指標按照成熟度（I、II、III）進行分類，結果分別見表2（成熟度I）、表3（成熟度II）和表4（成熟度III）。從表2可以看出，在成熟度I的各個樣品中，‘中油桃8號’-I（37）具有最高的褐變度、出汁率、b*值、SSC和總糖、氨基酸態氮、蔗糖質量濃度；‘中油桃11號’-I（1）具有最高的總酚質量濃度和可滴定酸質量分數以及最低的褐變度、L*值和總糖、蔗糖、葡萄糖、果糖、檸檬酸質量濃度；‘風味皇后’-I（34）具有最高的L*值和葡萄糖、果糖和蘋果酸質量濃度以及最低的a*值；‘中油桃14號’-I（22）a*值最高；‘美洲佳甜’-I（40）b*值最低。從表3可以看出，在成熟度II的各個樣品中，‘風味皇后’-II（35）具有最高的b*值、SSC和氨基酸態氮、葡萄糖、果糖、蘋果酸、檸檬酸質量濃度；‘中油桃8號’-II（38）具有最高的褐變度、出汁率和L*值；‘中油桃12號’-II（14）具有最高的總糖、蔗糖質量濃度以及最低的出汁率；‘中油桃11號’-II（2）具有最高的總酚質量濃度和可滴定酸質量分數，以及最低的褐變度和總糖、蔗糖、葡萄糖、果糖、檸檬酸質量濃度；‘中油桃14號’-II（23）具有最高的a*值以及最低的b*值、總酚質量濃度和可滴定酸質量分數；‘晚艷紅’-II（44）具有最低的氨基酸態氮質量濃度；‘紅芒果’-II（8）具有最低的L*值和果糖質量濃度；‘中桃1號’-II（5）具有最低的a*值、SSC和蘋果酸質量濃度。從表4可以看出，在成熟度III的各個樣品中，‘風味皇后’-III（36）具有最高的氨基酸態氮、葡萄糖、果糖、蘋果酸和檸檬酸質量濃度；‘中油桃14號’-III（24）具有最高的褐變度、a*值以及最低的可滴定酸質量分數；‘中油桃12號’-III（15）具有最高的總糖、總酚質量濃度以及最低的出汁率；‘紅芒果’-III（9）具有最高的b*值、SSC和蔗糖質量濃度；‘中油桃11號’-III（3）具有最高的可滴定酸質量分數以及最低的b*值和蘋果酸質量濃度；‘中油桃4號’-III（18）和‘中油桃8號’-III（39）分別具有最高的出汁率和L*值；‘中桃1號’-III（6）具有最低的褐變度、SSC和總糖、蔗糖、葡萄糖和果糖質量濃度；‘春蜜’-III（12）具有最低的L*值和總酚質量濃度；‘美洲佳甜’-III（42）、‘紅芒果’-III（9）和‘蟠桃36-3’-III（33）分別具有最低的氨基酸態氮質量濃度、檸檬酸質量濃度和a*值。以上結果表明，不同品種和成熟度的桃汁各項品質指標之間均存在差異性。總體來說，隨著成熟度的增加，桃汁出汁率、L*值、SSC和總糖、氨基酸態氮、蔗糖、葡萄糖、果糖質量濃度增加，可滴定酸質量分數和總酚、蘋果酸、檸檬酸質量濃度減小，而褐變度、a*值、b*值在不同成熟度之間的變化無規律，這可能與所選實驗材料包含不同果肉顏色的品種有關。通過描述性分析結果可以看出，實驗所選桃汁樣本品質指標測定值離群點較少，桃汁品質特性差異較大，具有一定的廣泛性和代表性。

表2 不同品種桃汁品質指標（成熟度I）Table 2 Quality indicators of peach juice from different cultivars harvested at maturity I

表3 不同品種桃汁品質指標（成熟度II）Table 3 Quality indicators of peach juice from different cultivars harvested at maturity II

2.2 桃汁品質指標主成分分析

2.2.1 桃汁品質指標主成分提取

在對樣品品質進行評價時，不能只考慮單一特性或幾個特性的優劣，而應該對其進行全面、系統、科學的綜合評價[29]。主成分分析是利用降維的思想，將多指標轉化為少數綜合指標，且能夠解釋較多的原來眾多變量信息[30]。本研究以45 個桃汁樣品的15 個品質指標構成45×15的矩陣，利用SPSS 19.0軟件進行主成分分析。相關矩陣的主成分分析結果見表5、6。共提取出5 個主成分，累計方差貢獻率達到80.333%，綜合了桃汁品質指標的大部分信息，因此可以用前5 個主成分代替上述15 個品質指標對不同品種和成熟度的桃汁品質進行評價與判斷。

表4 不同品種桃汁品質指標（成熟度III）Table 4 Quality indicators of peach juice from different cultivars harvested at maturity III

表5 桃汁品質指標的主成分分析Table 5 Principal component analysis of quality attributes of peach juice

表6 主成分分析旋轉后的成分載荷矩陣Table 6 Rotated component matrix of principal component analysis

由表5、6可知，PC1的方差貢獻率為40.088%，主要綜合了SSC、可滴定酸質量分數和總糖、蔗糖質量濃度的信息，其中SSC和總糖、蔗糖質量濃度在PC1上呈正向分布，可滴定酸質量分數在PC1上呈負向分布，即PC1取值大時，SSC和總糖、蔗糖質量濃度高，可滴定酸質量分數低，主要反映了桃汁的口感品質。第二主成分主要綜合了果糖、葡萄糖、蘋果酸、檸檬酸和氨基酸態氮質量濃度的信息，葡萄糖和果糖質量濃度對PC2的取值產生重要影響，其能夠在一定程度上反映出桃汁的口感品質。第三主成分主要綜合了出汁率和L*值的信息，這兩個指標是桃汁加工過程中的重要指標，因此第三主成分主要反映了桃汁的加工品質。第四主成分主要綜合了a*值和b*值的信息，反映了桃汁的色澤品質。第五主成分主要包含褐變度和總酚質量濃度的信息，PC5取值越大，桃汁的褐變度越高，總酚質量濃度越低，主要反映了桃汁的褐變品質。

2.2.2 不同品種桃汁主成分分析和綜合評價

根據主成分的特征值及相應的特征向量，計算各主成分得分，公式如式（1）～（5）所示。

式中：X1～X15分別對應褐變度、總糖質量濃度、總酚質量濃度、可滴定酸質量分數、氨基酸態氮質量濃度、出汁率、L*值、a*值、b*值、SSC、蔗糖質量濃度、葡萄糖質量濃度、果糖質量濃度、蘋果酸質量濃度、檸檬酸質量濃度15 個品質指標。

以5 個主成分對應的方差貢獻率作為權重，得到主成分綜合評價模型（式（6））。

表7 桃汁主成分得分及排名Table 7 Scores and ranking of principal components in peach juice

續表7

在主成分分析的基礎上，根據綜合評價模型計算不同品種和成熟度桃汁的綜合得分和排名（表7），綜合得分越高說明樣品綜合品質越好。‘中油桃12號’-III（15）、‘紅芒果’-III（9）、‘風味皇后’-III（36）、‘中桃5號’-III（30）、‘中油桃12號’-II（14）分別居綜合得分的前5 名，說明這5 個桃汁樣品的綜合品質最好；‘中油桃11號’（1、2、3）、‘中桃1號’（4、5、6）綜合得分排名靠后，說明這兩個品種的桃汁綜合品質最差。

圖1 不同品種桃汁主成分分析PC1、PC2得分圖Fig. 1 PC1 versus PC2 score plot for peach juice from different cultivars

主成分分析得分圖已經被廣泛應用于反映樣品與品質指標之間的關系[31-32]，由圖1能夠看出，綜合得分較高的品種‘中油桃12號’（14、15）、‘紅芒果’（8、9）、‘中桃5號’-III（30）、‘風味皇后’（35、36）、‘中油桃8號’（37、39）以及得分排名靠后的品種‘中油桃11號’（1、2）、‘中桃1號’（4、5、6）、‘春美’-I（19）與其他樣品都有明顯的區分。排名前5 位的樣品‘中油桃12號’（14、15）、‘紅芒果’-III（9）、‘中桃5號’-III（30）和‘風味皇后’-III（36）均在PC1的正向區間（第一象限和第四象限），其中‘中油桃12號’（14、15）、‘中桃5號’-III（30）和‘風味皇后’-III（36）位于第一象限，說明這些樣品的SSC和總糖、蔗糖質量濃度較高，而可滴定酸質量分數低，糖、酸以及氨基酸態氮的質量濃度適中，因此綜合得分排名靠前。而‘紅芒果’（8、9）雖然位于第四象限，但由于其在PC1上得分較高（表7），而且PC1的方差貢獻率是PC2的2 倍多（表5），因此其在PC2上得分雖然為負值，但是PC1上的得分抵消了PC2的負向影響，綜合排名也比較靠前。‘中油桃13號’（25、26、27）、‘春蜜’-I（10）、‘美洲佳甜’（40、41）位于第二象限，說明這些樣品SSC和總糖、蔗糖質量濃度低，而可滴定酸質量分數和糖、酸、氨基酸態氮質量濃度相對較高，因此綜合得分排名位于中等偏下。‘中油桃11號’（1、2）、‘中桃1號’（4、5、6）和‘春美’-I（19）位于第三象限，說明PC1和PC2的相關指標得分均較低，綜合品質較差，綜合得分排名在最后幾位。位于中心圓環內的樣品占總樣品的30%以上，這些樣品在得分圖上的位置相對集中，品質指標比較接近，基本位于綜合得分排名的中部。總體而言，以第二和第四象限的45°角為界，位于該直線上半部分的樣品綜合品質較好，得分排名位于中等及以上；位于該直線下半部分的樣品綜合品質較差，得分排名位于中等及以下。

圖2 不同品種桃汁主成分分析PC1、PC3得分圖Fig. 2 PC1 versus PC3 score plot for peach juice from different cultivars

與圖1相比可以看出，圖2中各樣品在得分圖上的位置發生改變，由于各樣品PC1上的得分沒有改變，其位置的改變是由各樣品在PC3上得分的改變引起的。PC3主要包含了出汁率和L*值的信息，由圖2中PC3得分軸自下而上可以大概分為3 個區域，這3 個區域分別包含了成熟度I、II、III的樣品。說明隨著成熟度的增加，各樣品的出汁率和L*值增大，在PC3上的得分增加，這與表7中綜合評價結果一致。

其余主成分得分圖不再列出。由PC4和PC1得分圖可知，位于第一象限的大部分樣品為‘紅芒果’（8、9）、‘風味皇后’（34、36）、‘中油桃8號’（37、38、39）以及‘晚艷紅’（43、45）等黃肉和紅肉品種，不僅SSC和總糖、蔗糖質量濃度高，而且果汁色澤品質較好。位于第二象限的為‘中油桃11號’（1、2）、‘中桃1號’（4、5）、‘中油桃4號’-I（16）、‘中油桃13號’-I（25）等樣品，雖然在PC4上得分為正值，但是由于其PC1得分較低，綜合品質較差。位于第三象限的‘春蜜’-I（10）、‘中油桃13號’（26、27）、‘美洲佳甜’（40、41、42）等樣品，SSC和總糖、蔗糖質量濃度低，且色澤品質差，綜合排名靠后。位于第四象限的‘中油桃12號’（13、14、15）、‘中油桃14號’（23、24）、‘春蜜’（11、12）等樣品雖然色澤品質指標較低，但是SSC和總糖、蔗糖質量濃度高，因此綜合排名比較靠前。由PC5和PC1得分圖可知，‘中油桃12號’-III（15）、‘風味皇后’-III（36）、‘紅芒果’-II（8）位于主成分得分圖的第四象限，即PC1的正值區間和PC5的負值區間，說明這些樣品SSC和總糖、蔗糖、總酚質量濃度高，褐變度低，品質較好，綜合得分排名也較靠前。‘春蜜’-I（10）、‘春美’-I（19）、‘美洲佳甜’-I（40）落在主成分得分圖的第二象限，說明SSC和總糖、蔗糖、總酚質量濃度低，褐變度高，品質較差，綜合得分排名靠后。

2.2.3 不同品種桃汁的聚類分析

圖3 45 個桃汁樣品的聚類分析譜系圖Fig. 3 Dendrogram of HCA of 45 peach juices

本實驗以桃汁樣品的15 個品質指標為依據，對15 個品種、3 個成熟度共計45 個桃汁樣品進行聚類分析。聚類分析結果可以提供多個可能的解（圖3），歐氏距離超過10時，綜合得分較高的‘紅芒果’（7、8）與較差的‘中油桃11號’-II（2）和‘中桃1號’（4、5、6）聚為一類，不能很好地區分；而歐氏距離不超過8時，聚類過多，綜合得分較高的‘中油桃12號’-III（15）和‘紅芒果’-III（9）也被分別聚類。因此根據上述分析和判斷，在歐氏距離為9時，45 個樣品可以聚為6 類，第I類和第III類聚集了‘中油桃11號’-I（1）、‘中油桃11號’-II（2）和‘中桃1號’3 個成熟度（4、5、6）的樣品，這些樣品都屬于極早熟品種，SSC、出汁率和總糖、蔗糖質量濃度都較低，綜合品質較差，排名在后5 位，這與PC1和PC2的主成分得分圖第三象限結果基本一致。第II類包含了‘中油桃8號’和‘風味皇后’兩個品種3 個成熟度的6 個樣品（34、35、36、37、38、39），這兩個品種屬于中熟黃肉品種，SSC和總糖、蔗糖質量濃度高，可滴定酸質量分數低，果汁色澤好，綜合品質較好，綜合得分排名在前11 位。這一結果與PC1和PC2的主成分得分圖第一象限基本一致。第IV類聚集了‘紅芒果’-I（7）、‘紅芒果’-II（8）兩個樣品，SSC和總糖、蔗糖質量濃度高，但是出汁率較低，這與PC1和PC3的主成分得分圖的第四象限基本一致。第V類聚集了‘中油桃12號’-III（15）、‘紅芒果’-III（9）兩個樣品，這兩個樣品綜合品質優，綜合得分排名在前兩位。第VI類聚集了其余的30 個樣品，除了‘中桃5號’-III（30）、‘中油桃12號’-II（14）以外，其余樣品綜合品質居中，排名在12～40 位之間，基本位于圖1主成分得分圖的中部。

3 討 論

本研究對15 個品種、3 個成熟度共計45 個桃汁樣品的褐變度、總糖質量濃度、總酚質量濃度、可滴定酸質量分數等15 個品質指標進行了分析。與牛景[33]的研究結果相比，所測桃汁樣品的總糖、有機酸質量濃度均偏低，可能是由于環境條件、栽培條件以及品種差異所致。從描述性分析結果可以看出，蔗糖、果糖、葡萄糖質量濃度的變異系數在20%左右，表明不同品種的桃汁糖組分存在差異，這與Moriguchi[34]和趙劍波[35]等的研究結果一致。a*值的變異系數最大，褐變度次之，出汁率最低，這可能是由于基因表達調控的影響[36]，導致不同品種和成熟度的桃汁樣品在糖、酸組分和色澤品質方面均存在明顯差異。因此在品種選育的過程中，發掘控制風味和色澤品質的基因對優異制汁品種的選育具有重要作用。

利用主成分分析將15 個品質指標綜合成為5 個主成分，這5 個主成分反映了原變量80.333%的信息，從而達到簡化和綜合的目的。在主成分分析的基礎上結合綜合評價結果可以看出：就品種而言，在極早熟的品種中除了‘紅芒果’以外，‘中油桃11號’和‘中桃1號’的桃汁綜合品質排名都很靠后，說明成熟期早的品種綜合品質較差；在排名前10 位的品種中，黃肉桃品種（‘紅芒果’、‘風味皇后’、‘中油桃8號’）占70%，本實驗所選的黃肉桃品種除了‘紅芒果’以外均屬于中熟品種，生長周期相對較長，在糖、酸質量濃度適宜的情況下，果汁的出汁率以及顏色指標在相應主成分上的載荷也較高，因此黃肉桃果汁的綜合品質較好，以上品種在PC1和PC2得分圖上與其他品種可以明顯區分。就成熟度而言，除個別品種（‘中油桃14號’、‘中油桃8號’、‘晚艷紅’）外，成熟度越高的桃汁樣品排名越靠前，在PC1和PC3得分圖上3 個成熟度可以很好地區分。提取的5 個主成分主要包括了桃汁的糖、酸等信息，這與Versari等[37]的研究結果一致。糖、酸等風味物質的組成和質量濃度對果汁品質有著重要影響，桃汁的甜酸風味并非糖和酸的簡單疊加，而是糖、酸共同作用的結果[38]，果汁中糖、酸質量濃度的差異主要與品種和生長期長短相關[39-40]，早熟品種和成熟度低的果實由于生長期短，糖積累較少，而酸還未完全轉化[41]，所以得到的桃汁樣品綜合品質較差。

關于果汁的評價方法主要有兩種：一是通過儀器或者化學方法測定相關理化指標，通過多元統計方法建立綜合評價模型對果汁質量進行評價[42]；二是對果汁進行感官評價。兩種方法各有優劣，對理化指標的分析檢測只能了解果汁的主要組分和質量濃度及它們之間的相互關系，很難準確地反映口感優劣[43]；而感官評價受評價人員的主觀因素影響較大[15]。固酸比是果汁風味品質評價的重要感官指標之一，與果汁的感官品質密切相關。有研究表明果汁的理化指標與感官特性之間存在相關性[43-44]。本研究暫未涉及以上內容，后續會對桃汁的理化特性與固酸比等感官品質以及感官評價結果的相關性進行系統研究，以建立更加科學、合理的評價體系，對桃汁綜合品質進行評價和預測。