基于主成分分析的板栗堅果品質評價研究

摘 要：為建立一種適宜的板栗資源果實品質評價方法，并為優質資源快速篩選及品種選育提供理論參考，利用果實主要品質指標，使用主成分分析法對13個不同的板栗品種（系）進行了綜合評價和分類。結果表明：13個板栗品種（系）的堅果性狀變異程度不同，其中€%[-胡蘿卜素含量變異系數最大為57.49%，淀粉含量的變異系數最小為4.53%。經主成分分析提取出7個特征根大于 1 的公因子，累計方差貢獻率為 92.593%，根據綜合得分對供試品種（系）進行排序，結果表明‘燕寶’綜合品質最佳，其次為‘燕奎’，綜合得分最低的是‘燕山短枝’。聚類分析結果表明在歐氏距離10處可將13個板栗品種（系）分成4類，聚類結果與主成分分析的綜合性狀得分排序結果基本一致。

關鍵詞：板栗；主成分分析；堅果品質；系統聚類；綜合評價

中圖分類號：S664.2 文獻標識碼：A DOI編碼：10.19440/j.cnki.1006-9402.2023.01.007

板栗（Castanea mollissima Blume），殼斗科，栗屬，原產于我國，種植歷史悠久，在食用、民俗、祭祀和作為行道樹等多種領域有所應用 [1]。板栗美味可口，營養價值高，富含蛋白質、維生素、胡蘿卜素、淀粉和脂肪等，經常食用具有益氣健脾、補腎強筋等保健作用，被稱為“鐵桿莊稼”“木本糧食”[2-3]。我國板栗種質資源豐富，廣泛分布于26個省份，南北方均有分布。中國的板栗種植面積和產量均位于世界第1位，是名副其實的板栗第一生產大國[4]和出口大國，在國際市場上具有很強的競爭力[5-6]。國內板栗最佳主產區為燕山產區，主要集中在河北的遷西、遵化、青龍、寬城、興隆、撫寧、遷安，北京的密云、懷柔、昌平，天津的薊縣等地[7-8]。隨著板栗產業的快速發展，人們對板栗品質的要求越來越高，很多學者致力于新品種的選育和改良，培育出了一批新品種，但對于已有主栽品種和新品種品質評價和比較研究較少。

1933 年主成分分析被首次提出，由于多個變量之間都存在著相關性，通過將原來的變量重新線性組合成若干個互不相關的綜合指標來代替原來的變量，并盡可能提取原來變量的信息來解釋原有變量的協方差結構，即通過原來變量的少數幾個線性組合來解釋原來變量以實現降維的多元統計方法[9]；這種方法不僅保留了絕大部分信息，且主成分間相互獨立，避免信息重復[10]，同時具備較強的代表性，增加了分析的可信度[11]。而聚類分析是在不刪減信息的前提下，根據一批樣品的多個觀測指標，找出能夠具體度量樣品或指標間相似程度的統計量，以這些統計量為劃分類型的依據，把一些相似程度較大的樣品聚為一類[12-13]。利用主成分分析法與聚類分析相結合的綜合評價方法廣泛地用于果實品質評價，如南豐蜜桔[14]、夏橙[15]、獼猴桃[16]、蘋果[17]、桃[18]、黃肉獼猴桃[19]等果樹的綜合品質評價。

目前關于板栗品種的綜合評價報道還不多。本文擬利用13個板栗品種（系）的17個品質指標，運用主成分分析法與聚類分析相結合的方法，構建一個科學合理果實品質評價方法，為板栗種質資源品質評價、快速篩選和新品種選育提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料 試驗材料采自河北省秦皇島市撫寧區淼源試驗合作基地，選取‘大板紅’、‘撫寧8號’、‘懷九’、‘遷西42號’、‘興隆1號’、‘燕寶’、‘燕奎’、‘燕麗’、‘燕龍’、‘燕山短枝’、‘燕山早豐’、‘燕紫’和‘一天光’13個燕山板栗品種（系）。供試材料為砧木相同的10年生嫁接樹，產量相近，栽植于丘陵山地。每個品種選取長勢相對一致的15棵樹作為試驗用樹，5株小區，3次重復。每棵樹采集500 g成熟板栗堅果，同一小區內板栗混勻放入冷庫后熟30 d，然后進行品質測定。

1.2 試驗方法 用電子秤稱量單果質量。可溶性糖和

淀粉采用蒽酮比色法測定；水分采用烘干測重法測定；脂肪采用索氏提取法測定；蛋白質采用凱氏定氮法測定；維生素 C 含量采用 2，6－二氯靛酚法測定；類胡蘿卜素含量用分光光度計進行測定；微量元素采用原子吸收分光光度法（AAS法）測定[20]。

1.3 數據處理 利用Excel 2010對數據進行整理和相關性分析，利用SPSS 24.0進行主成分分析，得到各樣品的主成分分值，以所選主成分對應的貢獻率占所提取的7個主成分的貢獻率總和的比例為權重，計算各樣品前7個主成分的分值與相應權重的乘積累加，得到綜合分值F，以此來評價不同品種板栗綜合品質的優劣[21]。綜合評價得分函數：

F=0.31 F1+0.20F2+0.14F3+0.11F4+0.09F5+0.08F6+0.07F7

利用SPSS 24.0進行聚類分析，采用瓦爾德分析方法，將果實性狀相近的品種（系）聚到一起。

2 結果與分析

2.1 果實品質差異性分析 通過采用 Duncan 法對13個板栗品種（系）果實主要性狀進行差異分析（表1和續表1）可知，板栗單果質量、水分、淀粉、蛋白質、脂肪、可溶性糖、鎂、鈣、鐵、鋅、錳、銅、鉀、磷、鈉、 -胡蘿卜素在0.05的顯著水平上存在差異性，灰分無顯著性差異。

所測13個板栗品種果實單果質量在6.2～10.7 g之間，其中最大的為‘燕紫’，最小的為‘燕山早豐’。錳的變化范圍為10.0～93.4 mg/kg，最大的為‘大板紅’，最小的為‘一天光’，‘大板紅’的含量是‘一天光’的14倍。 -胡蘿卜素的變化范圍為0.01～0.16 mg/kg，最大的為‘大板紅’，最小的為‘燕紫’，‘大板紅’的含量是‘燕紫’的16倍。通過對這17個主要果實性狀的分析得出：各指標在不同品種（系）間存在著差異，同時也體現了板栗的遺傳多樣性。‘燕寶’的蛋白質、銅、 -胡蘿卜素、鐵、錳、鉀和磷含量在13個品種（系）中最高。‘燕山早豐’的淀粉和鈣的含量最高，單果質量最低。‘燕山短枝’水分、可溶性糖、灰分、鉀和鈉的含量都是最低的。‘大板紅’的脂肪、可溶性糖的含量在13個板栗品種中是最高的。‘燕麗’的水分含量最高，‘遷西42號’和‘燕山短枝’的鋅含量最高，‘燕奎’的鈉含量最高。

變異系數反映的是物種進化保守性或遺傳可塑性方面的不同差異程度，對13個板栗品種（系）主要果實性狀的變異系數進行分析（表2）可以看出，13個板栗品種（系）果實17個性狀的變異系數變化范圍較大。其中變異系數最大的是 -胡蘿卜素（57.49%），其次是錳、銅、脂肪、蛋白質、鋅、鈣、單果質量、鐵、磷、鈉、鉀、可溶性糖、灰分、鎂、水分和淀粉（4.53%），說明不同板栗品種（系）的果實品質存在很大差異，且變異范圍比較廣。

2.2 13個板栗品種（系）品質的主成分分析 利用SPSS 24.0對17個試驗品質指標進行主成分分析，分別計算了17性狀的特征向量、特征值及貢獻率（表3）和成分矩陣（表4）。

前7個主成分（特征值＞1）的累計貢獻率達到92.593%，即前7個主成分可以代表所測定板栗堅果品質的92.593%的信息量，解釋了絕大部分的原始信息（表3）。由各特征向量和貢獻率可以得出，第1主成分的貢獻率最大，達到了29.165%，特征值為4.958，主要由鈣、銅、鉀、鐵和磷等因子決定；第2主成分的貢獻率為18.208%，特征值為3.095，主要由水分和鋅等因子決定；第3主成分的貢獻率為13.051%，特征值為2.219，主要由淀粉和鎂等因子決定；第4主成分的貢獻率為10.042%，特征值為1.707，主要由單果質量、蛋白質和可溶性糖等因子決定；第5主成分的貢獻率為8.304%，特征值為1.412，主要由脂肪、灰分、錳等因子決定；第6主成分的貢獻率為7.766%，特征值為1.320，主要由單果質量、脂肪、鈣和 -胡蘿卜素等因子決定；第7主成分的貢獻率6.059%，特征值為1.030，主要由鋅和鈉等因子決定。其中單果質量是主成分4和主成分6的公共決定因子；脂肪是主成分5和主成分6的公共決定因子；灰分是主成分2和主成分5的公共決定因子；鈣是主成分1和主成分6的公共決定因子；鋅是主成分2和主成分8的公共決定因子。

2.3 13個品種板栗堅果品質指標的綜合評價 由表5得分系數可以計算出7個主成分的得分，最終就算出綜合得分F。

從綜合品質性狀上看，綜合分值F越高，該品種的綜合品質表現越好。不同品種（系）板栗的主成分得分及綜合評價的分析結果顯示（表6），其中綜合分值排名前5位的分別為‘燕寶’、‘燕奎’、‘燕龍’、‘燕山早豐’和‘興隆1號’，說明這幾個品種綜合品質表現較好；‘遷西24號’、‘撫寧8號’、‘一天光’和‘懷九’得分居中，說明這幾個品種的綜合品質一般；‘大板紅’、‘燕紫’、‘燕麗’和‘燕山短枝’評分較低，綜合品質表現較差。

2.4 13個品種（系）板栗17品質指標的系統聚類 將品質指標標準化，綜合不同品種板栗17品質指標，采用SPSS對其進行聚類分析。采用 Ward 法進行系統聚類分析并繪制樹狀圖，根據不同品種間不同指標的差異，將距離相近的品種聚為一類，從而對板栗品種進行分類，聚類結果如圖1。

從圖1可以看出，在歐式距離為20時，13個品種（系）被分為兩大類，第一類為‘燕寶’、‘燕龍’、‘燕奎’、‘燕山早豐’和‘懷九’，第二類為‘大板紅’、‘燕麗’、‘一天光’、‘燕紫’、‘撫寧8號’、‘遷西42號’、‘興隆1號’和‘燕山短枝’。

當歐式距離為10時，13個品種被分成了4類，第一類為‘燕寶’、‘燕龍’和‘懷九’，鉀、磷、鈣、鎂和鐵等因子含量最高，且蛋白質和可溶性糖含量較高，鈉的含量較低；第二類為‘燕奎’和‘燕山早豐’，淀粉、可溶性糖、灰分、銅和鈉等因子含量高，鎂和鋅含量低；第三類為‘撫寧8號’、‘遷西42號’、‘興隆1號’和‘燕山短枝’，淀粉、可溶性糖、灰分等含量較低， -胡蘿卜素含量較高；第四類為‘大板紅’、‘燕麗’、‘一天光’和‘燕紫’，這一類水分和蛋白質等因子含量較高，淀粉、鈣、鐵、鋅、錳、銅、鉀和 -胡蘿卜素等因子含量較低。

聚類結果和綜合評價結果基本一致，第一類和第二類這5個品種（系）品質較高，營養豐富，口感好，且微量元素含量高。第三類4個品種（系）各因子含量居中，品質一般。第四類4個品種（系）微量元素和營養物質含量較低，口感較差，品質一般。

3 結論

本研究先采用相關性分析，得出各品種（系）間各因子的差異性及相關性，然后通過主成分分析得出13個板栗品種（系）的綜合排名，最后用聚類分析根據果實性狀的相似性測度來區分評價因素的類別[22]。聚類分析與主成分分析綜合得分排名對13個板栗品種分類的判定結果較為一致，這也表明利用主成分分析和聚類分析可以進行果實品質的綜合評價。將這三者結合分析能夠更科學地評價果實品質。

通過對13個板栗品種的17個性狀指標進行比較分析，并結合了主成分分析和聚類分析，結果顯示，不同品種（系）的板栗的主要果實性狀存在較大差異。通過主成分分析，對13個板栗品種（系）果實的主要性狀指標進行綜合和簡化，從17個指標中提取7個主成分，利用權重線性加權求和的方法對這7個主成分的得分進行累加，在客觀上反映了不同果實品質的綜合情況，綜合得分最高為‘燕寶’，其次為‘燕奎’，第三為‘燕龍’，這3個品種可溶性糖、淀粉和蛋白質含量較高，口感較好，可作為優良種質資源進一步選育。

另外，聚類分析將13個板栗品種在歐氏距離10處分成4類，第1類為‘燕寶’、‘燕奎’、‘燕龍’、‘燕山早豐’和‘懷九’，這5個品種前4個主成分分析排名為前4名，‘懷九’排名靠后，主要由于其可溶性糖含量較低，但是其他因子含量較高。由此表明主成分分析綜合評分低的品種（系）也存有個別優良的品質性狀，主成分分析法除了可以客觀地篩選出綜合品質優良的資源，還可以根據主成分得分的差異對各份資源作出適當評價，避免了將個別品質性狀優良類型淘汰。在今后的雜交育種過程中，利用這些資源的各自優勢培育出高營養價值、高糖的新品種是板栗育種工作的主要目標。

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