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        基于主成分分析及聚類分析的不同產(chǎn)地冬棗品質(zhì)特性分析

        2022-05-09 09:40:14武琳霞張國光姜冬梅歐陽喜輝
        食品科學(xué) 2022年8期
        關(guān)鍵詞:質(zhì)量

        武琳霞,李 玲,張國光,姜冬梅,歐陽喜輝,王 蒙,*

        (1.北京市農(nóng)林科學(xué)院質(zhì)量標準與檢測技術(shù)研究所,農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全風險評估實驗室(北京),北京 100097;2.北京市農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全中心,農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全環(huán)境因子風險評估實驗室(北京),北京 100029)

        冬棗是我國的特色食用水果,不僅具有鮮脆多汁的口感,還含有豐富的營養(yǎng)物質(zhì),如環(huán)磷酸腺苷(cyclic adenosine monophosphate,cAMP)、礦物質(zhì)和VC等[1]。我國棗樹種植面積和產(chǎn)量占世界的95%[2],目前我國冬棗種植規(guī)模較大地區(qū)有新疆和田、山東沾化、河北黃驊、陜西大荔及山西臨猗等。但由于降水、溫度、氣候和土壤等自然環(huán)境條件的差異,造成了不同產(chǎn)地的冬棗在感官品質(zhì)、營養(yǎng)品質(zhì)及食味品質(zhì)等方面存在差異,而這些指標是決定冬棗綜合品質(zhì)的重要指標。因此,研究不同產(chǎn)地冬棗感官品質(zhì)、營養(yǎng)品質(zhì)及食味品質(zhì)差異,對冬棗的高價值開發(fā)利用具有十分重要的意義。

        由于冬棗貯藏期短,目前對其保鮮[3-5]及農(nóng)藥殘留[6]的研究報道較多。對冬棗營養(yǎng)成分的研究分析大多集中于單一產(chǎn)地[7]或者不同品種的差異比較[8-9],而關(guān)于不同產(chǎn)地冬棗感官指標、營養(yǎng)指標及食味指標的地域差異的全面研究鮮有報道。因此,本實驗以采自我國5個冬棗主產(chǎn)地(新疆和田、山東沾化、河北黃驊、陜西大荔、山西臨猗)的36 份樣品為研究對象,測定其18個品質(zhì)指標含量,包括感官品質(zhì)指標(單果質(zhì)量和果皮色澤)、營養(yǎng)品質(zhì)指標(VC、鈉、鎂、鉀、錳、鐵、銅、鋅、cAMP)和食味品質(zhì)指標(可食率、含水量、可溶性固形物含量(soluble solid content,SSC)、硬度、可滴定酸、乙醇和乙醛)。首先對其進行主成分分析(principal component analysis,PCA),得出不同產(chǎn)地冬棗品質(zhì)的綜合得分,并對影響冬棗品質(zhì)的特征指標進行篩選確定,進而利用特征指標對不同產(chǎn)地建立分類模型,旨在為冬棗品質(zhì)評價和產(chǎn)地溯源提供科學(xué)依據(jù)。

        1 材料與方法

        1.1 材料與試劑

        采集2020年收獲的冬棗樣品36 份,來自5個主產(chǎn)地,分別為山東沾化10 份、陜西大荔10 份、新疆和田6 份、河北黃驊6 份以及山西臨猗4 份。選半紅時采收,選取果實飽滿、顏色均勻,且無機械損傷和感染的冬棗為原料。

        cAMP(色譜純,≥98%),乙醇(色譜純,>99.8%)、乙醛(色譜純,≥99.5%)、氫氧化鈉(分析純,95%)、偏磷酸(分析純,≥38%)、磷酸三鈉(分析純)、磷酸二氫鉀(分析純,99.5%)、磷酸(分析純,85%)、L-半胱氨酸(優(yōu)級純,99%)、十六烷基三甲基溴化銨(色譜純,99%)、硝酸(優(yōu)級純) 北京索萊寶科技有限公司。

        1.2 儀器與設(shè)備

        CR-400型色差儀 日本Konica Minolta Sensing公司;PAL-1型糖度計 日本Atago公司;1260 Infinity型高效液相色譜儀 美國Agilent科技有限公司;GC-2010型氣相色譜儀 日本島津公司;T50型電位滴定儀瑞士Mettler-Toledo公司;NEXION 350型電感耦合等離子體質(zhì)譜儀 美國Perkin Elmer公司。

        1.3 方法

        單果質(zhì)量:稱量1 kg樣品計數(shù),求單果平均質(zhì)量[10];果皮色澤:色差儀測定冬棗果皮顏色的L*、a*、b*值,并利用CIELAB色差公式計算總色差[11];可食率:按公式計算:可食率/%=(全果質(zhì)量-核質(zhì)量)/全果質(zhì)量×100;含水量:直接干燥法[12];SSC:折射儀法[13];硬度:硬度計測定[14];可滴定酸:電位滴定儀測定[15];乙醇、乙醛:氣相色譜儀、頂空進樣法[16];VC:高效液相色譜法[17];微量元素:電感耦合等離子體質(zhì)譜法[18];cAMP:液相色譜法[19]。

        1.4 數(shù)據(jù)處理

        采用SPSS 21.0數(shù)據(jù)處理軟件進行多重比較、相關(guān)性分析、PCA與判別分析。

        2 結(jié)果與分析

        2.1 不同地區(qū)冬棗18個品質(zhì)指標比較

        對采集自5個地區(qū)冬棗的18個品質(zhì)指標進行統(tǒng)計,結(jié)果如表1所示。經(jīng)Tukey檢驗,各指標均存在顯著的地區(qū)差異,其中新疆和田冬棗的SSC、VC、鈉、鐵含量均為最高,未檢出乙醇。山東沾化冬棗鎂、鉀、銅含量最高。山西臨猗冬棗可食率、錳、鋅含量最高,果皮色澤最為鮮紅。陜西大荔冬棗單果質(zhì)量、cAMP含量最高。河北黃驊冬棗可滴定酸與乙醛含量最低。根據(jù)前人報道的沾化冬棗VC含量[20]、天津大港冬棗VC、總糖、水分、鉀、鎂、鈉、鐵、鋅、錳、銅含量[7],以及寧夏靈武市的冬棗單果質(zhì)量、縱徑、橫徑、硬度、SSC、可滴定酸、VC含量[8],表明本實驗結(jié)果均在合理范圍之內(nèi)。

        表1 不同地區(qū)冬棗18個品質(zhì)指標統(tǒng)計Table 1 Statistics of 18 quality indexes of winter jujube from different production regions

        2.2 相關(guān)性分析

        由相關(guān)性分析結(jié)果(表2)可知,冬棗各品質(zhì)指標間共有153個相關(guān)系數(shù),在α=0.05水平上存在顯著相關(guān)的有6個,在α=0.01水平上存在顯著相關(guān)的有2個。其中VC和鎂含量呈顯著正相關(guān)(0.881),VC和鉀含量呈顯著正相關(guān)(0.897),含水量和SSC含量呈顯著負相關(guān)(-0.945),鎂和鉀含量呈顯著正相關(guān)(0.942),鉀和可滴定酸含量呈顯著負相關(guān)(-0.911),乙醇和乙醛含量呈顯著正相關(guān)(0.931)。鎂和銅含量呈極顯著正相關(guān)(0.981),錳和乙醛含量呈極顯著負相關(guān)(-0.967)。從相關(guān)性分析結(jié)果可知,各指標間均存在不同程度的相關(guān)性,使得冬棗品質(zhì)評價結(jié)果會因品質(zhì)指標所反映的信息重疊而不明確,這就需要對各品質(zhì)指標進行分類、簡化[21],從而提高冬棗品質(zhì)綜合評價結(jié)果的準確性。

        表2 冬棗品質(zhì)指標相關(guān)性分析Table 2 Correlation analysis of quality indexes of winter jujube

        2.3 PCA

        PCA不僅能夠降低維度,而且能使變量之間的關(guān)系更加清晰[22]。碎石圖(圖1)可用于確定PC的最佳個數(shù)。PC數(shù)的確定要求既滿足數(shù)據(jù)的降維又能包括原始數(shù)據(jù)的大部分信息,累計方差貢獻率通常反映PC所包含的原始信息的比率。數(shù)據(jù)經(jīng)最大方差法旋轉(zhuǎn)后,各因子的載荷值更接近于0或1,可以更好地解釋歸納出各PC下的因子。旋轉(zhuǎn)后的PCA結(jié)果見表3,本實驗根據(jù)累計貢獻率不低于80%的原則,明確PC數(shù)。因此,由于特征值>1的前4個PC累計方差貢獻率達100%,基本綜合了原始數(shù)據(jù)的信息,可代表冬棗品質(zhì)指標。

        圖1 PCA碎石圖Fig.1 Scree plot of principal component analysis

        由表3可知,PC1的方差貢獻率為37.689%,其中,貢獻最大的是鉀,其次是鎂、銅、可滴定酸和VC,主要反映冬棗的營養(yǎng)品質(zhì),也在一定程度上反映了冬棗的酸度。PC2的方差貢獻率為27.329%,綜合乙醇、乙醛、錳和果皮色澤的信息,主要反映冬棗的氣味和色澤。PC3的方差貢獻率為21.311%,綜合了硬度、鈉和單果質(zhì)量的信息。PC4的方差貢獻率為13.670%,綜合了SSC、含水量和cAMP的信息。

        表3 PC旋轉(zhuǎn)成分矩陣Table 3 Rotational component matrix

        PCA法是利用降維的思想,將多個變量轉(zhuǎn)化為少數(shù)幾個不相關(guān)的綜合變量的多元統(tǒng)計方法,其目的是通過降維,去除眾多信息中相互重疊的信息[23],已被廣泛應(yīng)用于果蔬、藥材等品質(zhì)指標篩選和品質(zhì)綜合評價研究中[23-26]。根據(jù)PCA結(jié)果,以4個PC對應(yīng)的方差相對貢獻率為權(quán)重,將各產(chǎn)地PC得分和相應(yīng)的權(quán)重進行線性加權(quán)求和,計算各地區(qū)冬棗的綜合評價得分,綜合得分越高表示該地區(qū)冬棗品質(zhì)越好[16]。5個地區(qū)冬棗在各PC下的得分、綜合得分及綜合排名結(jié)果見表4??芍?個冬棗主產(chǎn)地按綜合排序從高到低依次為新疆和田、山東沾化、山西臨猗、陜西大荔和河北黃驊,表明新疆和田和山東沾化是冬棗的優(yōu)勢產(chǎn)區(qū)。

        表4 不同地區(qū)冬棗的PC得分Table 4 Principal component scores of winter jujube from different regions

        2.4 品質(zhì)指標的聚類分析

        系統(tǒng)聚類分析是最常用的無監(jiān)督模式識別技術(shù)之一,是一種基于相似性對樣本進行分層分組的方法,無需使用先驗信息[14]。根據(jù)PCA結(jié)果,采用組間聯(lián)接和平方Euclidean距離對冬棗的18個品質(zhì)評價指標的載荷系數(shù)進行系統(tǒng)聚類分析,通過聚類把冬棗品質(zhì)指標中相關(guān)性較強的指標優(yōu)先聚在一起,單獨分為一類的指標具有相對獨立性。聚類分析結(jié)果見圖2。結(jié)果表明,在類間距離為15時,上述指標被分為5類,第1類包括鎂、銅、鉀、VC、鐵、鈉、SSC;第2類包括可食率、鋅、錳;第3類包括單果質(zhì)量、硬度、cAMP;第4類包括乙醇、乙醛;第5類包括果皮色澤、可滴定酸、含水量。

        由相關(guān)性分析可知,同聚為一類的冬棗品質(zhì)指標間具有密切的相關(guān)性,可選用一個或幾個指標代表其他指標,予以簡化;再根據(jù)冬棗有關(guān)指標要求和實際情況,分別在每一類中篩選出具有代表性的特征指標。在第1類中,VC、鎂、鉀彼此間均呈顯著正相關(guān),由于鉀貢獻率最大,故排除鎂和VC,鈉、鐵、銅貢獻率相對較低故也排除,SSC是重要的食味品質(zhì)指標故保留,最終選擇鉀和SSC為特征指標;在第2類中,錳的貢獻率最大,與鉀共同反映冬棗的營養(yǎng)品質(zhì);在第3類中,單果質(zhì)量與硬度反映冬棗的外觀和口感,故選擇單果質(zhì)量和硬度作為第3類的特征指標;在第4類中,乙醇和乙醛含量具有顯著相關(guān)性,乙醛貢獻率相對較低故排除該指標,因此選擇乙醇為特征指標;第5類中,色澤是決定冬棗外觀品質(zhì)的重要指標,含水量反映冬棗的食味品質(zhì),因此選擇色澤和含水量為第5類的特征指標。綜上,可將冬棗品質(zhì)評價指標簡化為SSC、鉀、錳、單果質(zhì)量、硬度、乙醇、色澤和含水量8個特征指標。

        圖218 個品質(zhì)指標聚類圖Fig.2 Dendrogram obtained by clustering analysis of 18 quality indexes

        2.5 不同產(chǎn)地冬棗中核心品質(zhì)指標的判別分析

        Fisher線性判別分析廣泛應(yīng)用于不同產(chǎn)地的樣品的區(qū)分,實現(xiàn)產(chǎn)品的溯源[27-30]。本實驗根據(jù)篩選的8個特征指標,利用Fisher線性判別分析對2020年我國5個主產(chǎn)區(qū)的冬棗樣品進行產(chǎn)地鑒別(圖3)。由表5可知,8個特征指標可以成功區(qū)分山西臨猗、陜西大荔、河北黃驊、新疆和田和山東沾化的冬棗樣品,且該方法對5個地區(qū)冬棗的整體正確判別率為100.0%。交叉驗證結(jié)果顯示,5個地區(qū)的冬棗的正確判別率為97.2%,其中山西臨猗有75.0%的樣品被正確識別,陜西大荔、河北黃驊、新疆和田和山東沾化所有樣品均被正確區(qū)分。交叉檢驗的錯判率為2.8%<10%,滿足誤判率要求。

        圖35 個冬棗主產(chǎn)地的Fisher判別分類圖Fig.3 Fisher discriminant classification of winter jujube from five main production areas

        表55 個冬棗主產(chǎn)地的Fisher判別結(jié)果Table 5 Fisher discriminant results of winter jujube from five major production areas

        3 結(jié) 論

        采集了我國5個主產(chǎn)地的冬棗樣品,并對其18個品質(zhì)指標進行分析,通過多重比較得知各指標均存在顯著的地區(qū)差異。采用PCA對不同地區(qū)冬棗的18個品質(zhì)性狀進行研究,提取前4個PC,累計貢獻率達到100.0%。PCA對5個地區(qū)冬棗進行品質(zhì)評價,按綜合排序從高到低依次為新疆和田、山東沾化、山西臨猗、陜西大荔和河北黃驊,表明新疆和田和山東沾化是冬棗的優(yōu)勢產(chǎn)區(qū)。對結(jié)果進一步采用系統(tǒng)聚類,結(jié)合相關(guān)性和PCA結(jié)果,篩選出SSC、鉀、錳、單果質(zhì)量、硬度、乙醇、色澤和含水量8個特征指標。再利用8個特征指標經(jīng)Fisher判別分析對冬棗產(chǎn)地進行區(qū)分,結(jié)果表明整體正確判別率為100.0%,交叉檢驗的正確判別率為97.2%。因此表明篩選的8個特征指標可作為山西臨猗、陜西大荔、河北黃驊、新疆和田和山東沾化5個主產(chǎn)地溯源的特征指標,這將在冬棗生產(chǎn)實踐中具有重要意義。

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