基于主成分分析的核桃品種油用性狀綜合評價

徐夢婷，王 強，郝艷賓，齊建勛, ，張赟齊，丁保淼，陳永浩,4,

（1.北京市農(nóng)林科學(xué)院林業(yè)果樹研究所，北京 100093；2.長江大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，湖北荊州 434025；3.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品加工研究所，北京 100193；4.北京市落葉果樹工程技術(shù)研究中心，北京 100097）

核桃是世界重要的木本油料樹種。近年來，我國核桃產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，核桃產(chǎn)量約占世界總量的60%[1-2]。2021 年我國核桃種植總面積約745.49 萬hm2，總產(chǎn)量540.35 萬噸，位居世界之首[3]，主要產(chǎn)區(qū)有云南（159.9 萬噸）、新疆維吾爾自治區(qū)（119.7 萬噸）、四川（88.9 萬噸）、陜西（36.8 萬噸）、河北（18.2 萬噸）、山東（13.1 萬噸）、甘肅（12.9 萬噸）和湖北?。?0.0 萬噸）[4]。核桃品種選育是核桃產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)，近年來，核桃新品種也在不斷增加，據(jù)統(tǒng)計，近五年新審定或授權(quán)植物新品種權(quán)的核桃品種有20 余個。眾多核桃品種的選育主要考慮了抗逆性、果殼薄厚等特性，對其加工特性缺乏充分考慮。而在深加工拉動核桃產(chǎn)業(yè)發(fā)展的當(dāng)下，對核桃品種進(jìn)行加工適宜性評價并開展適宜加工品種的篩選就顯的尤為重要。

主成分分析（PCA）是將多個變量通過線性變換以選出較少個數(shù)重要變量的一種多元統(tǒng)計分析方法，又稱主分量分析。該分析方法可將初始變量轉(zhuǎn)換為新的有效主成分，以識別數(shù)據(jù)集中最顯著的特征[5-6]。聚類分析是一組將研究對象分為相對同質(zhì)的群組的統(tǒng)計分析技術(shù)，是采用k-均值、k-中心點等算法的聚類分析工具進(jìn)行數(shù)據(jù)建模、簡化數(shù)據(jù)的一種方法?；谥鞒煞址治龊途垲惙治鱿嘟Y(jié)合的方法，已被廣泛應(yīng)用于不同品種核桃的種質(zhì)資源評價和篩選，例如Swati 等[7]對來自查謨克什米爾地區(qū)37 個地點的225 份核桃種質(zhì)資源開展了形態(tài)性狀分析，采用主成分分析和聚類分析等多變量分析篩選出具有良好堅果和核仁潛力的優(yōu)良核桃種質(zhì)資源。薛巖晟等[8]通過對西藏加查48 株核桃遺傳資源的果實特性及品質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行綜合分析篩選，最終得到了10 株優(yōu)質(zhì)核桃品種。

核桃由于含油量高，有“樹上油庫”的美譽，作為我國重要的木本糧油，對于保障我國油料安全、滿足人們對高品質(zhì)植物油的需求均發(fā)揮著重要作用。各地主栽品種的核桃油含量和品質(zhì)差異較大，對核桃油用性狀進(jìn)行綜合評價，篩選適宜油用加工的核桃品種對于提高核桃油品質(zhì)，緩解我國植物油大量依賴進(jìn)口的現(xiàn)狀具有重要意義。但對核桃品種的油用性狀綜合評價研究剛剛起步，國內(nèi)外報道尚不多見。耿陽陽等[9]為篩選貴州不同加工用途的核桃品種，對貴州不同地區(qū)289 份核桃樣品的單果重、三徑均值、出仁率、殼厚、粗脂肪和蛋白質(zhì)進(jìn)行統(tǒng)計分析，同時結(jié)合內(nèi)褶壁、橫膈膜和取仁難易評分共9 個農(nóng)藝性狀進(jìn)行相關(guān)性、主成分分析與中心聚類分析，將貴州核桃初步歸為5 類用途，對適合油用加工原料指標(biāo)進(jìn)行了評價，但仍存在取樣范圍和代表性不足、指標(biāo)人為評價準(zhǔn)確性等問題。本研究在對我國主栽區(qū)域的代表性核桃良種、種質(zhì)資源進(jìn)行初步調(diào)查的基礎(chǔ)上，收集、篩選出26 個核桃品種進(jìn)行油用性狀的綜合評價，通過對各核桃品種的表觀性狀和理化、營養(yǎng)特性進(jìn)行測定，并對各品種核桃的油用性狀指標(biāo)進(jìn)行主成分分析和綜合評價，以期為篩選適宜加工制油的優(yōu)良核桃品種提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

核桃 2022 年，從我國主要核桃產(chǎn)區(qū)9 個?。ㄊ校ㄔ颇稀⑿陆⑺拇?、陜西、河北、山東、甘肅、湖北省和北京市）收集了26 個主栽核桃品種（表1）。將收集的帶青皮的核桃放置在陰涼處風(fēng)干，待青皮自然脫落后手工去除青皮并清洗，然后自然干燥至水分含量8%以下，編號備用。

表1 26 個核桃品種名稱及來源Table 1 Name and origin of 26 walnut varieties

YP5002 電子天平 上海佑科儀器儀表有限公司；JA1003 分析天平 上海越平科學(xué)儀器有限公司；HH-2 數(shù)顯恒溫水浴鍋 金壇市鴻科儀器廠；GC-2010 Plus 氣相色譜儀GC-2010 Plus 日本島津；Thermo Dionex Ultimate 3000 HPLC-MS/MS 美國賽默飛世爾科技有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 核桃堅果表觀性狀測定 核桃的橫徑、縱徑、側(cè)徑用電子游標(biāo)卡尺進(jìn)行測量，單位均為cm；殼厚用電子游標(biāo)卡尺測量核殼胴部的厚度，精確到0.01 mm；核桃堅果單果重和仁重用天平稱量，精確到0.01 g[10]。通過測量的單果重和仁重指標(biāo)參照GB/T 20398-2021 計算出單果的出仁率[11]。

1.2.2 核桃理化與營養(yǎng)品質(zhì)測定 水分參照GB 5009.3-2016 進(jìn)行測定[12]；粗纖維參照GB 5009.10-2003 進(jìn)行測定[13]；灰分參照GB 5009.4-2016 進(jìn)行測定[14]；粗脂肪參照GB 5009.6-2016 進(jìn)行測定[15]；粗蛋白參照GB 5009.5-2016 進(jìn)行測定[16]；脂肪酸組成及含量參照GB 5009.168-2016 進(jìn)行測定[17]；生育酚參照Wang 等[18]方法略作修改；植物甾醇參照Vu 等[19]方法略作修改。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2016 進(jìn)行數(shù)據(jù)匯編和整理，在進(jìn)行分析之前計算各核桃品質(zhì)特性的平均值、標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)。所有實驗至少進(jìn)行三次，采用SPSS21.0軟件分析核桃品質(zhì)特性的差異情況，其中應(yīng)用Duncan’s multiple range test 方法（P＜0.05）估計統(tǒng)計差異、應(yīng)用Pearson 方法分析核桃品質(zhì)特性指標(biāo)的相關(guān)性、以及應(yīng)用主成分分析法對核桃油用性狀進(jìn)行降維分析。采用Origin 2018 以歐氏距離結(jié)合離差平方和法對核桃油用性狀進(jìn)行系統(tǒng)聚類分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 核桃表觀性狀分析

對26 個主栽核桃品種的7 項表觀性狀指標(biāo)進(jìn)行了統(tǒng)計分析（表2）。由表2 可知，表觀性狀中單果重的變化范圍最大為7.76～20.62 g，變異系數(shù)最大為23.53%，說明不同品種核桃的單果重差異較大；其次為仁重，變異系數(shù)為23.18%，變化范圍為3.42～9.75 g；殼厚的變異系數(shù)為17.79%，超過10.00%，說明不同品種的殼厚具有較高的離散程度。單果重、殼厚、仁重的變異系數(shù)大也進(jìn)一步說明我國核桃品種在表觀性狀方面具有較大差異。

表2 26 個核桃品種表觀性狀的統(tǒng)計分析Table 2 Data analysis of phenotypic traits of 26 walnuts varieties

對核桃堅果7 個表觀性狀進(jìn)行相關(guān)性分析（表3）發(fā)現(xiàn)，出仁率與殼厚呈高度負(fù)相關(guān)，張赟齊等[20]的研究結(jié)果與本研究結(jié)果一致。堅果橫經(jīng)、堅果縱經(jīng)、堅果側(cè)徑、單果重、仁重相互之間呈極顯著正相關(guān)，Khadivi 等[21]的研究結(jié)果與本研究結(jié)果一致。出仁率與單果重相關(guān)性不顯著，表明出仁率受單果重的影響較小。

表3 26 個核桃品種表觀性狀的相關(guān)性分析Table 3 Correlation analysis of phenotypic traits of 26 walnut varieties

2.2 核桃理化與營養(yǎng)品質(zhì)分析

各核桃品種中水分都低于8%（表4），說明所有核桃品種的水分含量都在安全水分含量范圍之內(nèi)。26 個核桃品種的灰分含量為1.4%～2.4%，與Erdogan等[22]報道結(jié)果相似；總脂肪含量為49.40%～62.90%，平均值為55.30%，變異系數(shù)（4.96%）小于10%，說明各核桃品種間總脂肪含量變異較小。在各脂肪酸組分中，油酸、亞油酸、亞麻酸是最常見的脂肪酸組分，其中變異系數(shù)最大的油酸含量為5.20～15.9 mg/100 g，占總脂肪酸含量為9.38%～27.85%，變異系數(shù)最小的棕櫚酸含量為1.87～3.74 mg/100 g，占總脂肪含量為3.31%～6.54%。蛋白含量的變化范圍為14.70%～23.10%，平均值為19.78%，高于Geng 等[23]報道的不同產(chǎn)區(qū)的粗蛋白平均含量?？偵拥淖兓秶鸀?4.20～30.50 mg/100 g，變異系數(shù)為16.77%，其中γ-生育酚含量最高，變化范圍為12.00～27.20 mg/100 g，低于Li 等[24]報道的我國主要核桃種植區(qū)域中γ-生育酚含量?？傜薮嫉淖兓秶鸀?0.00～148.00 mg/100 g，其中β-谷甾醇是核桃仁中最豐富的甾醇，變化范圍為64.60～135.00 mg/100 g，低于Ribeieo 等[25]報道的巴西南部11 個薄殼山核桃中β-谷甾醇含量。

表4 26 個核桃品種理化與營養(yǎng)品質(zhì)的統(tǒng)計分析Table 4 Data analysis of chemical quality of 26 walnut varieties

對核桃堅果19 個理化與營養(yǎng)品質(zhì)進(jìn)行相關(guān)性分析（表5）發(fā)現(xiàn)，粗脂肪與粗蛋白呈高度負(fù)相關(guān)（P＜0.01）；油酸與粗脂肪、硬脂酸呈顯著正相關(guān)（P＜0.05），與粗纖維呈顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.05），與α-生育酚呈高度負(fù)相關(guān)（P＜0.01）；亞油酸與棕櫚酸、硬脂酸呈高度正相關(guān)（P＜0.01）；亞麻酸與粗纖維呈高度正相關(guān)（P＜0.01），與δ-生育酚呈顯著正相關(guān)（P＜0.05），與γ-生育酚呈顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.05）；總生育酚與γ-生育酚呈高度正相關(guān)（P＜0.01），與豆甾醇呈顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.05）；總甾醇與β-谷甾醇呈高度正相關(guān)（P＜0.01），與Δ5-燕麥甾醇呈顯著正相關(guān)。由此可見，核桃理化與營養(yǎng)品質(zhì)間存在著不同程度的相關(guān)性。

核桃性狀間的相關(guān)性反映了核桃種質(zhì)資源的油用潛力，為育種家確定親本選擇和育種目標(biāo)提供了依據(jù)[26]。因此需要進(jìn)一步對所有核桃品質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)性分析，以便找到與油用密切相關(guān)的主要支撐指標(biāo)。

2.3 核桃油用性狀的主成分分析

主成分分析的方法可以降低數(shù)據(jù)的維度，將原始變量轉(zhuǎn)換為新的有效主成分，并在少數(shù)主成分中盡可能多地保留數(shù)據(jù)的總變化[27-28]。由于評價核桃品質(zhì)指標(biāo)比較多，很難簡單通過一個指標(biāo)來評價一個核桃樣品優(yōu)異程度。在對油用性狀的研究中，通過因子分析選擇與油用密切相關(guān)的17 個品質(zhì)特性指標(biāo)進(jìn)行主成分分析（表6）。由表6 可知，提取了5 個特征值大于1.0 的主成分，累計方差貢獻(xiàn)率達(dá)83.85%，能夠較為準(zhǔn)確的反映油用核桃性狀的大部分信息。

表6 核桃油用性狀的主成分分析Table 6 Principal component analysis of characteristics of walnut for oil

第1 主成分方差貢獻(xiàn)率最大（29.09%），特征根也最大，為4.945。特征向量中正向載荷較高的性狀有堅果三徑、單果重、仁重，其特征向量值均大于0.7，反映了核桃的大小。第2 主成分方差貢獻(xiàn)率為19.70%，特征根為3.349，特征向量中正向載荷比較高的性狀有棕櫚酸、總甾醇，反映核桃油氧化穩(wěn)定性。第3 主成分特征根為2.382，解釋14.01%的油用性狀變異，正向載荷較高的性狀為硬脂酸，負(fù)向載荷較高的性狀有粗脂肪、總生育酚，這類性狀與出油率有關(guān)。第4 主成分特征根為1.945，解釋11.44%的油用性狀變異，正向載荷較高的性狀為出仁率，負(fù)向載荷較高的性狀為殼厚，屬于堅果的經(jīng)濟(jì)性狀。第5 主成分方差貢獻(xiàn)率為9.565%，特征根為1.626，正向載荷較高的性狀為油酸，負(fù)向載荷較高的性狀為亞麻酸，而不同脂肪酸比例對于氧化穩(wěn)定性有一定影響，故這類性狀可作為衡量核桃油品質(zhì)的重要指標(biāo)。

2.4 核桃油用性狀的聚類分析

聚類分析是一種工具，根據(jù)歐氏距離計算各個數(shù)據(jù)點之間的相似度，并將兩個最近的數(shù)據(jù)點按順序組合，生成層次嵌套的聚類樹[1,29]。將核桃堅果的油用品質(zhì)指標(biāo)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化后，對26 個核桃品種進(jìn)行聚類分析，在歐氏距離為10 時，可以分為5 個類型（圖1）。第一類包括了10 個核桃品種，分別為云南漾濞泡核桃、山東清香、四川鹽源早、北京禮品1 號、新疆新新2 號、新早豐、新萃豐、扎343、陜西西洛3 號、陜西香玲，這類核桃平均殼厚較?。?.10±0.13 mm），平均出仁率較高（52.96%±3.44%），平均粗脂肪含量較高（55.66%±2.05%），平均總生育酚含量較高（21.38±2.56 mg/100 g），平均總甾醇含量最低（106.80±14.64 mg/100 g）；第二類包括了3 個核桃品種，分別為云南華寧大白殼、四川碩星和甘肅清香，這類核桃平均殼厚較厚（1.35±0.26 mm），平均出仁率較高（51.00%±6.58%），平均粗脂肪含量較高（57.07%±0.65%），平均總生育酚含量最高（24.13±5.82 mg/100 g），平均總甾醇含量較高（125.67±12.50 mg/100 g）；第三類包括了5 個核桃品種，分別為河北香玲、河北遼寧1 號、甘肅強特勒、元林、北京遼寧1 號，這類核桃平均殼厚略厚（1.16±0.14 mm），平均出仁率較高（51.80%±3.26%），平均粗脂肪含量最低（52.04%±1.85%），平均總生育酚含量最低（18.42±2.37 mg/100 g），平均總甾醇含量略低（112.20±9.93 mg/100 g）；第四類包括了5 個品種，分別為云南三臺、細(xì)香、新疆溫81、新疆溫185、山東魯果2 號，這類核桃平均殼厚最?。?.07±0.95 mm），平均出仁率（56.22%±5.20%）最高，平均粗脂肪含量（57.48%±3.16%）最高，平均總生育酚含量較高（21.08±4.31 mg/100 g），平均總甾醇含量較高（131.80±14.06 mg/100 g）；第五類包括了3 個核桃品種，分別為湖北遼核4 號、湖北清香、湖北香玲，這類核桃平均殼厚最厚（1.47±0.08 mm），為中厚殼核桃，剝殼取仁較難，平均出仁率（44.61%±1.81%）最低，平均粗脂肪含量略低（54.13%±1.39%），平均總生育酚含量略低（19.13±1.93 mg/100 g），總甾醇含量最高（132.00±3.60 mg/100 g）。

圖1 基于油用性狀指標(biāo)對26 個核桃品種進(jìn)行聚類分析Fig.1 Cluster analysis of 26 walnut varieties based on oil characters indicators

2.5 核桃油用性狀的綜合評價結(jié)果

將油用密切相關(guān)的17 個品質(zhì)特性指標(biāo)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化，根據(jù)5 個主成分的貢獻(xiàn)率和隸屬函數(shù)模型，計算出核桃油用性狀的綜合得分并進(jìn)行排序。綜合得分越高，表明核桃油用性狀的綜合表現(xiàn)越好，綜合得分排序情況見表7。26 個核桃品種的油用性狀綜合分值范圍為-1.59～1.26，華寧大白殼的油用性狀綜合表現(xiàn)最佳（1.26），而湖北香玲的油用性狀綜合得分最低（-1.59）。根據(jù)綜合得分，并結(jié)合聚類分析的結(jié)果，經(jīng)過排序得到5 個類型中綜合表現(xiàn)最佳的核桃品種；在第一類中云南漾濞核桃的油用性狀綜合得分最高（0.43）；在第二類中云南華寧大白殼的油用性狀綜合得分最高（1.26）；在第三類中河北香玲的油用性狀綜合得分最高（0.87）；在第四類中溫185 的油用性狀綜合得分最高（1.21）；在第五類中湖北清香的油用性狀綜合得分最高（-0.40）。

表7 核桃油用性狀綜合得分排序表Table 7 Ranking list of composite scores of walnut oil characters

3 結(jié)論

我國核桃主要種植省份的26 個主栽品種核桃堅果的品質(zhì)性狀指標(biāo)間存在一定的相關(guān)性。其中出仁率與殼厚呈極顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.01），意味著核桃果殼厚度增加，出仁率會出現(xiàn)明顯的下降趨勢；油酸與粗脂肪、硬脂酸的正相關(guān)性顯著（P＜0.05）；亞油酸與棕櫚酸、硬脂酸呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01）；亞麻酸與δ-生育酚正相關(guān)性顯著（P＜0.05），與γ-生育酚負(fù)相關(guān)性顯著（P＜0.05）。主成分分中的5 個主成分解釋了83.81%的總變異，反映了核桃油用性狀的絕大部分信息，第1 主成分反映了核桃的大小，對方差的貢獻(xiàn)率最大；第2 主成分反映核桃油氧化穩(wěn)定性；第3 主成分與出油率有關(guān)；第4 主成分屬于堅果的經(jīng)濟(jì)性狀；第5 主成分可作為衡量核桃油品質(zhì)的重要指標(biāo)。綜合相關(guān)性分析和主成分分析從26 個核桃品質(zhì)性狀中篩選出了17 個有代表性的主要油用性狀，對與油用密切相關(guān)的17 個性狀進(jìn)行主成分分析，并結(jié)合隸屬函數(shù)法經(jīng)過綜合評價得到前6 名為云南華寧大白殼、新疆溫185、北京遼寧1 號、云南細(xì)香、甘肅清香、河北香玲。

本研究收集了我國核桃主要種植省份的26 個主栽品種，對其油用性狀進(jìn)行綜合評價，以期為充分利用我國核桃資源，篩選適宜油用加工的品種，提高核桃油品質(zhì)和穩(wěn)定性提供理論參考，并為防范國家糧油供給風(fēng)險提供種質(zhì)資源保障。但本研究仍存在一些不足之處：a.只收集了同一年的核桃品種，而各地因每年天氣和栽培管理水平的差異會造成果實相關(guān)數(shù)據(jù)的波動；b.各地區(qū)核桃品種的選擇仍存在一定局限性，可能還有更合適的品種未被選入分析隊列，因采樣地域跨度大，在樣品品種數(shù)量方面仍存在不足；c.本文僅從核桃堅果品質(zhì)與油用品質(zhì)相關(guān)性方面進(jìn)行了分析，而氧化穩(wěn)定性作為核桃油用加工的重要品質(zhì)指標(biāo)，在后續(xù)研究中需要進(jìn)一步重點考慮。