貴州不同地區核桃果實特性分析及加工適宜性分類

耿陽陽，胡伯凱，王紀輝，劉亞娜，何佳麗，胡譯文，梁美，吳華麗

1(貴州省核桃研究所，貴州 貴陽，550005) 2(貴州省林業科學研究院，貴州 貴陽，550005)

貴州是我國核桃堅果傳統產區，全省核桃品種類型較為多樣，其境內主要有核桃(JuglansregiaL.)和泡核桃(JuglanssigillataDode)兩大類群分布[1]。據2006～2018年貴州統計年鑒數據，2006年貴州核桃總產量僅為8 136 t[2]，到2018年則猛增到142 398 t[3]。盡管產量激增，但貴州核桃堅果類型的多樣性以及參差不齊的核桃堅果品質嚴重阻礙了貴州核桃標準化、規?；纳鲜?，也影響了省內核桃加工企業對本地區核桃資源的利用。

核桃堅果的果實特性和營養品質與核桃加工技術、工藝、產品相輔相成?；谫F州核桃的多樣性，對核桃堅果進行加工適宜性分類，篩選加工適用品種，使核桃原料物盡其用，對于促進貴州全省核桃加工產業轉型升級具有積極參考意義。在核桃加工方面，國內研究主要集中在核桃產品的加工工藝、配方及生產設備的研發等[4-5]，而針對不同產地核桃堅果的加工適宜性分類研究報道較少。本研究針對貴州省豐富多樣的核桃資源進行果實特性分析和加工適宜性分類，重點分析省內現有核桃原料的適宜加工路徑，初步制定出不同加工用途的各類核桃果實標準，以期為貴州核桃種質資源的合理利用提供參考依據。

1 材料與方法

1.1 樣品采集與處理

收集了貴州19個縣市區種植的289個核桃單株，每個單株采集樣品50個，采集時間為2015～2017年，樣品具體采集地區及數量見表1。

表1 樣品采集地及采樣數量Table 1 Sampling number of 19 regions

樣品采集標準為青果皮由深綠色變為淡黃，部分外皮裂口，青果皮易剝離，個別果實脫落即可采摘。核桃樣品采集后立即送至實驗室并進行脫青皮處理，隨后在40 ℃下熱風干燥至水分含量8%以下[6]。

1.2 儀器與試劑

雙五金101-3鼓風干燥箱，上海市實驗儀器總廠；Brand Titrette?50 mL數字瓶口滴定器，德國普蘭德公司；100～1 000 μL單道移液器，德國Eppendorf公司；KDN-08(SX)凱氏定氮消化爐，上海嘉定糧油儀器有限公司；RE-52-AA旋轉蒸發儀，上海亞榮金葉；150 mm數顯游標卡尺，臺灣寶工公司。

石油醚，天津富宇精細化工有限公司；K2SO4、硼酸，成都金山化學試劑有限公司；甲基紅、亞甲基藍，天津致遠化學試劑有限公司；NaOH，天津永大化學試劑有限公司；濃H2SO4，國藥集團化學試劑有限公司；CuSO4·5H2O，廣東省化學試劑工程技術研究開發中心。

1.3 分析方法

1.3.1 核桃果實特性

隨機選取30個核桃堅果，用于測量核桃單果重、橫徑、縱經、側徑和核殼厚度。

核桃三徑：橫徑(核桃堅果中部縫合線之間的距離)、縱徑(核桃堅果頂部與底部之間的距離)、側徑(核桃堅果中部胴部之間的距離)，單位均為mm。

核殼厚度：游標卡尺測量核殼胴部的厚度，求其平均值，精確到0.1 mm。

出仁率：各樣品隨機選取30個堅果，稱其總果質量和總果仁質量，出仁率按公式(1)計算:

(1)

式中：m1,總果仁質量,g;m2,總堅果質量,g。

1.3.2 核桃主要營養成分分析

粗脂肪采用GB 5009.6—2016《食品中脂肪的測定》中的第一法“索氏抽提法”測定(含量以干基計)。蛋白質采用GB 5009.5—2016《食品中蛋白質的測定》中的第一法“凱氏定氮法”測定(含量以干基計)。

1.3.3 核桃果實感官評價

核桃內褶壁(退化、革質、骨質)、橫膈膜(膜質、革質、骨質)和取仁難易(易取整仁、易取半仁、取1/4仁、取碎仁、難取仁)的感官評分標準參照表2。隨后統計不同地區核桃果實內褶壁、橫膈膜和取仁難易在各分級指標中的占比，通過各級得分乘以各自占比，計算各級評分總和,得出該地區總體(內褶壁、橫膈膜、取仁難易)感官評分。

表2 核桃果實感官評分參考標準Table 2 Reference standard for sensory grading of walnut fruit

1.4 數據處理

采用Excel 2016軟件對實驗數據進行整理，運用SPSS 24.0軟件中Duncan’s multiple range test方法分析不同地區核桃品質指標差異顯著性(P<0.05)，利用Pearson積矩相關系數分析核桃果實9個感官品質指標的相關性。將19個縣市區的核桃9個因子數值進行數據標準化后，進行主成分分析[7]和K-中心聚類分析。

2 結果與分析

2.1 核桃基礎數據分析

2.1.1 不同地區核桃品質描述性分析

核桃的堅果性狀直接影響其利用領域和加工方向，核桃仁的營養組分決定著其加工制品類型和品質[8]。針對全省每個縣市區的樣品進行核桃主要品質指標的均值計算和差異顯著性分析，從各地區核桃主要品質指標看，每個縣市區的核桃堅果單果重數據無顯著性差異，其他指標的差異顯著性也沒有明顯規律。對照核桃堅果質量分級標準(GB/T 20398—2006),依據核桃主要品質指標均值判斷，貴州核桃堅果體型均較大，至少超半數核桃堅果符合《堅果質量等級》標準中的“特級”，核桃出仁率主要集中在“Ⅰ級”和“Ⅱ級”。貴州核桃營養組分很高，尤其是蛋白質，各地區核桃仁蛋白質含量基本在20%以上，遠超國標“特級”標準中的14%。通過進一步對比發現，畢節和六盤水等高海拔溫涼地區的核桃蛋白質含量相對較高，這可能是由于溫涼地區延緩了核桃青皮開裂進程，延長了核桃營養物質(特別是蛋白質)積累的時間[9-10]。蛋白質含量高也可能是“貴州核桃香而不膩”的原因。

樣品特征均值只能反映樣本部分特征信息，因此實驗對各市州核桃單株的6項指標進行SPSS的描述性分析，結果見表4。

表3 不同地區核桃主要品質指標均值Table 3 The average of main quality indicators of walnut from different regions

由表4可見，貴州各地區核桃單株的特征極值差距較大，通過6項指標的變異系數進一步分析得知，貴州核桃離散程度較大的指標依次為殼厚、單果重和出仁率。根據生產經驗，殼厚、單果重和出仁率能一定程度反映出核桃破殼難易和果實飽滿程度，其中殼厚為貴州核桃相對離散較大指標，這可能由于貴州地理海拔高差大，立體氣候突出導致的[11]，而貴州民間“核桃夾殼有大小年”的說法也間接表明核桃殼厚可能與其生長環境的氣候變化有關[12]。單果重和出仁率離散程度大也進一步證明貴州核桃品種參差不齊、復雜多樣。

2.1.2 不同地區核桃感官評價描述

核桃感官描述主要評價其內褶壁是否革質并突起深入核仁皺褶，橫膈膜是否發達并與核殼長為一體，導致核桃取仁困難，最后通過取仁難易總體描述核桃是否夾殼。內褶壁、橫膈膜和取仁難易都是評分越小，核桃越好取仁，評分越高核桃越難取仁。核桃不同地區感官評價描述如圖1所示，核桃內褶壁和橫膈膜評分較低的主要分布在普安、興義、七星關、威寧、赫章、水城和盤州等地，這與熊華等[13]利用地理信息系統(geoinformation system,GIS)技術對貴州核桃種植生態適宜性區劃結論一致，說明感官評價對于核桃分級具有一定的參考性和可靠性，也證明這些地區核桃感官品質較好，易于取仁。

2.1.3 感官品質指標相關性分析

針對核桃感官品質中的9個指標進一步進行相關性分析，結果見表5。結果表明，取仁難易與內褶壁和橫膈膜呈極顯著正相關，說明內褶壁嵌入核仁越深、橫膈膜越發達，核桃取仁越難；單果重與殼厚、脂肪、三徑均值呈極顯著正相關，與出仁率呈極顯著負相關，說明核桃體型越大、脂肪含量越高和殼越厚的核桃，其單果重越大；此外橫膈膜、取仁難易與單果重也呈極顯著正相關，這說明核桃越夾仁、取仁越難，核桃單果重也越大。殼厚是衡量核桃取仁難易的主要量化指標[4]，但并不能直觀反映核桃取仁難易。根據實際生產經驗判斷，相同殼厚的大果核桃或相同體型的厚殼核桃相對更重，這類情況適用于容易取仁、不夾殼的核桃；在核桃殼和橫膈膜密度較大的情況下，橫膈膜發達、難以取仁的核桃單果相對更重，如夾綿核桃、鐵夾核桃等。值得注意的是單果重與出仁率呈顯著負相關，根據經驗判斷，出仁率較高的一般都是小果核桃，出仁率較低的有可能是夾仁核桃或大果不飽滿泡核桃。

總體來看，核桃9個指標由于彼此間相互影響，易造成整體信息發生干擾重疊，指標間正負相關關系也會造成評價體系的不確定性。因此有必要提取有代表性、彼此不相關的綜合變量來降低冗余和評價負擔[14-16]。

2.2 核桃主成分分析

利用SPSS軟件對289個核桃單株堅果的9個感官及品質指標進行主成分分析，將原來有一定相關性的指標重新組合成一組相互無關的綜合指標來明確度量各個指標的重要性，分析得出評價因子特征值和累計方差貢獻率(表6)，以找出核桃感官品質的主要貢獻因子。

表6 評價因子的特征值和累計方差貢獻率Table 6 Eigenvalue and cumulative contributionof evaluation factors

碎石圖主要體現所提取因子數與其他剩余因子的區別度，斜率越大，主成分因子間的區別度越高。由表6和圖2可知，前3個主成分因子的斜率絕對值較大，呈直線下降趨勢，且在第3個主成分因子處形成比較明顯的轉折。但是表6顯示，盡管前3個主成分因子提取特征值大于1，但3個主成分因子累計方差貢獻率僅為60.17%，說明前3個主成分因子難以有效涵蓋貴州核桃的大部分信息，因此根據表6中的累計方差貢獻率，確定提取前5個主成分因子(累計方差貢獻率達80.06%)。

圖2 主成分分析碎石圖Fig.2 Screen plot of principal component analysis

提取5個主成分的初始因子載荷矩陣見表7，由表7可知，橫膈膜、內褶壁在第1主成分上具有較高的載荷，說明第1主成分主要涵蓋與核桃是否夾仁或泡殼特征相關的信息，可稱為核桃取仁信息(貢獻率為25.55%)；單果重、殼厚在第2主成分上具有較高的載荷，說明第2主成分主要涵蓋與核桃果重特征相關的信息，可稱為核桃果重信息(方差貢獻率為21.05%)；蛋白質在第3主成分上具有較高載荷，說明第3主成分主要涵蓋核桃營養成分中蛋白質含量信息，可稱為蛋白質信息(方差貢獻率13.56%)；脂肪在第4主成分上具有較高載荷，說明第四主成分主要涵蓋核桃營養成分中脂肪含量信息，可稱為脂肪信息(方差貢獻率10.61%)；第5主成分上具有較高載荷的初始因子為三徑均值和出仁率，說明該成分主要涵蓋與核桃感官特征(取仁、大小)有關的信息，可稱為感官信息(方差貢獻率9.28%)。

表7 初始因子載荷矩陣Table 7 Principal component matrix

用X1～X9來分別代表單果重、出仁率、殼厚、蛋白質、脂肪、三徑均值、內褶壁、橫膈膜和取仁難易共9個初始自變量指標，經主成分分析，計算特征向量系數矩陣，再將X1～X9線性變換，得出5個互不相關的主成分因子表達式PC1～PC5。

PC1=0.236×X1-0.006×X2+0.148×X3+0.008×X4-0.158×X5+0.256×X6+0.305×X7+0.337×X8+0.245×X9

PC2=0.045×X1-0.291×X2+0.420×X3+0.162×X4+0.076×X5-0.118×X6-0.188×X7-0.131×X8-0.069×X9

PC3=-0.146×X1-0.427×X2-0.337×X3+0.562×X4+0.078×X5-0.057×X6-0.032×X7+0.035×X8+0.418×X9

PC4=0.024×X1+0.055×X2+0.061×X3-0.182×X4+0.863×X5-0.319×X6+0.246×X7+0.278×X8+0.149×X9

PC5=0.138×X1+0.499×X2+0.016×X3+0.295×X4+0.419×X5+0.677×X6-0.330×X7-0.254×X8+0.185×X9

根據主成分分析的初始載荷矩陣和特征向量系數矩陣綜合分析，推測PC1(取仁因子)正向取值越大，核桃夾殼程度越高，取仁越難；PC2(果重因子)正向取值越大，核桃殼越厚，核桃堅果越重；PC3(蛋白質因子)正向取值越大，核桃仁中蛋白質含量越高；PC4(脂肪因子)正向取值越大，核桃仁中脂肪含量越高；PC5包含的因子較為復雜，從初始載荷矩陣看，PC5正向取值越大，核桃堅果體型越大，出仁率越高。

由于任意主成分因子表達式(PC1～PC5)均難以較為全面的直觀反映不同單株核桃與感官品質指標間的關系，因此針對核桃夾殼程度、破殼難易(PC1∩PC2)和核桃主要營養組成蛋白質、脂肪(PC3∩PC4)2組重要信息繪制主成分因子得分圖(圖3)，以此來進一步直觀展示不同單株核桃感官品質信息。

a-PC1∩PC2綜合得分圖；b-PC3∩PC4綜合得分圖圖3 289株核桃單株主成分分析因子得分圖Fig.3 Principal component analysis scores of 289 walnutplants

PC1∩PC2綜合得分圖可用于確定核桃原料用途(圖3-a)。第一、二象限核桃類型夾殼程度較高，占比為50.52%(表8)，取仁較為困難，建議可作為核桃油加工原料(核桃帶殼榨油)[17]。其中第一象限由于核桃殼較厚，可能不易破殼(占比19.03%)，第二象限由于核桃殼較薄，可能易于破殼(占比31.49%)，加工這兩類核桃時應注意破殼設備的類型和去殼網篩的孔徑。第三、四象限核桃類型內褶壁和橫膈膜不發達(占比49.48%)，泡殼程度較高，取仁較容易，建議作為核桃堅果、整/半核桃仁或核桃仁所需深加工產品的原料。其中第四象限核桃殼較厚(占比30.10%)，能夠較好的保護好內部核桃仁[18]，因此建議作為核桃堅果進行銷售，第三象限核桃殼較薄(占比19.38%)，不耐貯藏，建議作為核桃仁所需加工原料，極少部分紙皮或露仁核桃可用作鮮食核桃仁原料[19]，此類宜當年利用，否則會導致核桃仁品質劣變或貯藏成本升高。

表8 主成分因子得分象限分布Table 8 The quadrant distribution of PCA scores

PC3∩PC4綜合得分圖可為核桃營養成分分級作參考。由圖3-b可知，貴州核桃營養成分信息(脂肪、蛋白質)離散程度相對較低，圖中第一、二象限核桃蛋白質含量較為豐富(占比48.10%)。其中第一象限脂肪含量也較高(占比24.57%)，在第一象限的核桃可作為休閑堅果類食品；第二象限核桃由于脂肪含量較低(占比23.53%)，特別適用于蛋白粉(肽)的加工原料[20]，是否適用于核桃乳要看其脂肪含量能否達到GB/T 31325—2014《植物蛋白飲料核桃乳(露)》的相關要求。第三、四象限的核桃蛋白質含量較低(占比51.90 %)，其中第四象限核桃脂肪含量較高，可用于核桃高端食用油原料。特別需要注意的是第三象限，從象限分布圖中可知，在第三象限的核桃脂肪和蛋白質含量均不高，可能是由于這類核桃含豐富的淀粉、礦物質元素等其他物質，這對于需要低脂、低蛋白的特殊人群來講可能是不錯的選擇[21]，但這類核桃具體的營養組成需要進一步分析。

2.3 核桃中心聚類分析

由于主成分分析仍難以明確核桃加工適宜性分類標準，因此進一步采用K-中心聚類來驗證核桃單株樣品聚類情況，選取聚類數為5個。將聚類出來的各類樣品均值與總體均值進行比較，結果見表9。由表9可知，聚類出的第Ⅰ類核桃最大特點為出仁率最高(高達60.43%)，殼厚最小，達到了紙皮核桃[22]的標準，其他指標差異不明顯，較薄的殼厚決定了該類核桃不耐貯藏，建議作為鮮食核桃使用；第Ⅱ類核桃的單果重和三徑均值為5類中最大，出仁率最低，內褶壁和橫膈膜評分相對總體均值稍低，由此判斷第Ⅱ類核桃為典型的大果泡核桃，建議可取仁用作核桃仁類相關產品；第Ⅲ類核桃內褶壁、橫膈膜和取仁難易評分均為最高，且核桃仁中脂肪含量最高，由此判斷第Ⅲ類核桃為典型的夾仁核桃，建議該類核桃用作核桃帶殼榨油原料；第Ⅳ類核桃蛋白質含量最高，蛋白質均值高達23.35%，內褶壁、橫膈膜評分為5類中最低，表明該類核桃內褶壁和橫膈膜相對退化，易于取仁，建議該類核桃用作乳(粉)類核桃產品加工原料；第Ⅴ類核桃最為明顯的特征是其脂肪含量最低，僅有47.97%，這類核桃口感香而不膩，且其單果重僅為7.69 g，三徑也較小，特別適合作為堅果直接銷售，建議作為休閑類堅果進行開發。

表9 各類別樣品均值與總體均值比較Table 9 Comparison between mean value of each clusteringand all samples

2.4 核桃加工適宜性評價標準

按照核桃現有產品類型及加工用途，本研究初步將貴州核桃加工適宜性劃分為5類。借助主成分和中心聚類分析，根據各類別核桃樣品中具有明顯差異的品質指標測量值分布情況，結合樣品總體均值大小，初步判定殼厚直接影響核桃破殼難易及耐貯性，出仁率直接影響加工經濟利益，出仁率與內褶壁和取仁難易顯著相關，兩者可以作為鮮食核桃的主要判定標準；內褶壁和橫膈膜可以直接反映核桃取仁難易程度，兩者可以作為核桃是否為夾仁核桃的主要判定標準；脂肪含量直接影響核桃口感是否油膩，可以作為直接食用核桃堅果的參考依據；蛋白質是核桃乳(粉)制品的重要標準，而取仁難易(判定分值1～5分)受評價個體影響較大，暫不予考慮。因此根據這幾項指標，結合研究人員自身生產經驗和GB/T 20398—2006《核桃堅果質量等級》標準，本研究初步擬定貴州核桃加工適宜性評價標準，如表10所示。

表10 貴州核桃加工適宜性評價標準Table 10 Evaluation standard for suitability of walnut processing

3 結論與討論

核桃營養價值極高，其主要營養物質為不飽和脂肪酸和蛋白質，核桃仁的營養組分極大影響核桃口感和加工產品品質[23-24]，但最阻礙其加工或食用的因素卻是核桃取仁難易。本研究針對貴州289株單株核桃樣品進行感官及理化品質的分析和評價，利用主成分和中心聚類分析研究貴州核桃加工適宜性評價標準的可行性，通過數據統計分析得到如下結論：(1)貴州核桃普遍營養品質較好，尤其是蛋白質含量較高，但各地區核桃樣品的相關指標特征極值差異較大，且核桃品質與其所在地理環境和當年氣候有密切關系。(2)核桃泡夾程度可由取仁難易直接反映，取仁難易與內褶壁和橫膈膜呈極顯著正相關；單果重與出仁率呈極顯著負相關，與殼厚、三徑均值、脂肪含量、橫膈膜、取仁難易呈顯著正相關，據此推斷，出仁率較低的有可能是夾仁核桃或大果不飽滿泡核桃，出仁率較高的一般為小果泡核桃。(3)主成分分析發現核桃主成分因子復雜多樣，需要5個主成分因子才能有效涵蓋貴州核桃大部分信息(累計方差貢獻率達80.06%)，5個主成分因子代表的信息依次為取仁信息、果重信息、蛋白質信息、脂肪信息、感官信息。利用建立的核桃主成分因子表達式和因子得分圖可初步確定核桃的用途。(4)中心聚類將貴州核桃初步歸為5類用途，分別為鮮食核桃、仁用核桃、油用核桃、乳(粉)用核桃、休閑堅果用核桃。(5)初步擬定貴州核桃加工適宜性評價標準，對貴州核桃規?；庸ぞ哂幸欢ń梃b意義。

該研究針對貴州核桃感官品質進行了歸類分析，并提出了具有一定借鑒意義的核桃加工適宜性評價標準，但該研究仍存在諸多不足之處：(1)受客觀因素影響，各地區核桃取樣仍有一定片面性，采樣團隊基本以道路通暢的村寨附近的核桃進行采樣，而遠離人居的采樣數較少，部分縣區采樣過少(如黔南、松桃等)，所采樣品不具有地方代表性。(2)相關性和主成分分析發現，核桃各指標間相互關系復雜，造成信息干擾重疊，難以找出具有代表性的主成分，聚類后也難以明確各類別之間的數值差異，造成各類別之間相關指標部分重疊。(3)取仁難易、內褶壁和橫膈膜與核桃是否夾仁密切相關，但這些指標是人為感官評價出來的，存在個體差異，作為核桃加工適宜性分類仍存在諸多不確定性。

針對以上研究的不足，將在下一步健全全省不同地區核桃采樣信息，力求均衡覆蓋，并著重研究如何使核桃感官評價指標客觀數值化，以更客觀地評價核桃是否夾仁及夾仁程度，為貴州乃至全國提供更精準的核桃加工適宜性分類標準。