基于主成分分析法的秋月梨果實品質評價因子篩選

魏樹偉,熊馳,李同茂,劉萬亮,趙鍇,胡連昌

(1.山東省果樹研究所,山東泰安 271000;2.淮陰工學院化學工程學院,江蘇淮安 223001;3.梁山縣林業保護和發展服務中心,山東梁山 272600;4.萊陽市農業技術推廣中心,山東萊陽 265200;5.臨朐縣農業技術推廣中心,山東臨朐 262600;6.濟寧市林業保護和發展服務中心,山東濟寧 272000)

秋月梨(Akizuki)是1998年由日本農林水產省果樹試驗場雜交選育的砂梨品種,親本為162-29(新高×豐水)×幸水,2001年進行了品種登記[1]。因其果形美觀、汁多味甜、品質上乘等優點[2,3],深受消費者喜愛。

前人采用聚類分析法對獼猴桃[4]、核桃[5]、蘋果[6]等果實品質進行了分析。主成分分析法[7]、層次分析法[8]、賦值多維價值理論[9]、多因子模糊評審法[10]等多種研究方法也在果實品質評價中應用。筆者在應用主成分分析法的基礎上,結合系統聚類分析法,對秋月梨果實品質因子進行分析測定,篩選出可代表秋月梨果實品質的主要因子,為秋月梨果實品質評價提供參考。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料及樣品采集

在秋月梨成熟期(九月中旬),在山東省萊陽市和梁山縣的12個生產園分別采集樣品。每個園隨機選取5棵樹,每棵樹在樹冠外圍東、南、西、北4個方位分別隨機采摘成熟度一致、無病蟲害、無機械損傷的果實10個,帶回實驗室待測品質。

1.2 測定方法

秋月梨單果重使用精度為1%的電子天平稱量;果實縱徑、橫徑用游標卡尺測定,計算果形指數;采用硬度計(GY-4數顯硬度計,測量直徑8 mm)測定去皮后果實硬度;果實可溶性固形物含量和總酸含量采用ATAGO(愛拓)PAL-BX/ACID 14糖酸度計測定;可溶性糖含量采用蒽酮比色法[11]測定。取平均值。

將完好無損的6個果實切塊混合取樣保存,測量可溶性固形物、總酸、可溶性糖時,將樣品使用研磨機磨碎,稱取樣品測量,每個樣品重復測定3次。

1.3 數據處理與分析

試驗數據用Excel 2021軟件進行處理,后通過SPSS(IBM SPSS Statistics 25)軟件依次進行果實品質指標的差異顯著性分析、果實品質因子的相關性分析、主成分分析和系統聚類分析。后兩項分析中,對原始數據進行標準化處理,每一變量中的各元素值與平均值之差除以該變量的標準差,將各指標數據轉化為均值為0,標準差為1的無量綱數據[12],消除量綱以及數量級的影響。

設有m個對象,每個對象測n個指標,相關系數矩陣(n*n)指各個指標之間的相關系數組成的一個矩陣,λ特征值是矩陣的一種特殊值,可以衡量矩陣中變量之間的相關性。將相關系數矩陣轉換為特征方程,再代入公式Ax=λx(x為特征向量,A為相關矩陣),即可求解λ與x。方差百分比即主成分i保留的原始數據信息占總原始數據的比例。

2 結果與分析

2.1 不同園地秋月梨果實品質分析

秋月梨12個園的果實品質因子差異較大,單果重289.4～683.5 g,果形指數0.81～0.88,果實去皮硬度2.99～4.12 kg/cm2,可溶性固形物含量11.70%～15.68%,可溶性糖含量7.65%～9.75%,總酸含量0.38%～0.64%,糖酸比15.35～25.54,固酸比23.01～34.20。

2.2 秋月梨品質因子的相關性分析

如表1,秋月梨10個品質因子之間,存在顯著相關性或獨立性。單果重與橫徑、縱徑呈極顯著正相關,與果形指數呈顯著負相關;硬度與可溶性糖含量呈顯著負相關;可溶性固形物含量與總酸含量呈顯著正相關;總酸含量與糖酸比和固酸比均呈極顯著負相關;糖酸比與固酸比呈極顯著正相關。秋月梨果實的一些品質因子在一定程度上互相反映。

表1 秋月梨品質因子相關系數

2.3 果實品質性狀的主成分分析

利用SPSS軟件對表1中除縱、橫徑之外的8個品質因子進行標準化處理并進行主成分分析。主成分提取結果如表2所示,特征值λ>1的成分數目有3個為主成分,其貢獻率之和達89.827%,因此選取這3個主成分描述秋月梨果實品質。其中,第1個主成分貢獻率達42.882%,是最主要的成分。

表2 秋月梨果實品質主成分的方差百分比

表3為秋月梨8個品質因子與3個主成分之間的相關性分析結果。可知第1主成分與總酸含量、可溶性固形物含量、糖酸比、固酸比關聯極大;第2主成分與可溶性糖含量、果實硬度關聯較大;第3主成分與單果重、果形指數密切相關。總酸含量與可溶性固形物含量對第1主成分產生正向影響,糖酸比與固酸比則產生負向影響,主要反映了果實的風味,可將第1主成分稱為果實風味指標,第2主成分中可溶性糖含量有正向影響作用,稱為可溶性糖含量指標,第3主成分中影響較大的有果形指數和單果重,稱為果實質量指標。

表3 秋月梨果實品質主成分相關矩陣

2.4 果實品質性狀的聚類分析

根據主成分分析結果,結合表3主成分相關矩陣,對前3個主成分的各個特征向量數據進行標準化特征向量轉換(表4)。以此結果為基礎,采用平方歐氏距離法作系統聚類分析(圖1)。結果表明,在最長距離10時,8個品質因子可劃分為三大類別。其中,固酸比、總酸、可溶性固形物先聚為一類,然后與糖酸比聚為一類;可溶性糖和硬度聚為二類;果形指數與單果重聚為三類。由此,8個果實品質指標可以簡化為3個指標:①總酸、固酸比、可溶性固形物含量和糖酸比中選擇1個指標;②可溶性糖含量和果實硬度之間選擇1個指標;③單果重和果形指數之間選擇1個指標。

圖1 秋月梨果實品質評價因子聚類圖譜

表4 相關矩陣的特征向量

對選出的3個品質因子進行簡化。在第一大類總酸、可溶性固形物、固酸比、糖酸比中,可溶性固形物和總酸的相關系數為0.701(表1查看),且均出現在第1主成分中,特征向量分別為0.434、0.561,根據主成分特征向量大小,選擇總酸作為該類的評價因子。

第二大類中可溶性糖和果實硬度之間具有顯著相關性,且都對第2主成分有較大影響,兩者特征向量分別為0.660、-0.553,其中果實硬度對第2主成分產生負向影響,因此選擇可溶性糖作為該類評價因子。

第三大類單果重和果形指數之間具有顯著相關性,且均出現在第3主成分中,由于果形指數為-0.662對第3主成分產生負向影響,選擇單果重作為該類的評價因子。在相關性分析的基礎上,結合主成分分析和系統聚類分析的結果,將秋月梨果實品質評價因子簡化為總酸含量、可溶性糖含量、單果重。

3 小結與討論

主成分分析是通過分析因子間的相互關系,在多個數據變量中依靠少數幾個互不相關的綜合變量便能完整反映樣品信息的方法。趙瓊玲[13]等對不同地區的12份余甘子的各項品質指標進行主成分分析和聚類分析,最終將18個品質指標簡化為4個品質指標,大幅簡化了余甘子品質評價工作。孫亞強[14]等對野生酸棗果實16個品質因子進行因子分析和聚類分析,簡化為單果質量、果核指數、可溶性糖含量等7個品質評價指標。位杰[15]等將庫爾勒香梨及其芽變和雜交品種的11項果實品質評價指標簡化為5個品質評價指標。

本研究利用主成分分析法從秋月梨品質因子中提取出的3個主成分綜合貢獻率達到89.827%,基本可以反映秋月梨果實品質的綜合信息。在此基礎上應用系統聚類法分析,最終確定秋月梨果實品質評價因子為單果重、總酸含量、可溶性糖含量3個具有較好代表性的指標,減少了秋月梨品質優選的工作量,提高了工作效率,可為科學評價秋月梨果實品質提供一定理論參考。