基于主成分分析法评价巫山脆李食用品质

李子，蔷薇科李属植物，是我国最古老的果树树种之一。据世界粮农组织统计，2017年，我国李子种植面积达198.7万hm2，占全球总和的75.8%；产量达680.4万t，占全球的57.8%，均位列世界第一[1]。重庆地处长江中上游，气候温和湿润，地理条件适宜，已有上千年的李子栽种历史，目前重庆的李子种植面积达7.63万hm2，产量52.3万t，是重庆第二大水果[1]。巫山县地处渝东北，为亚热带季风性湿润气候，年均气温18.4 ℃，年均降水量1 041 mm，气候温和，降水充足[2]。巫山脆李是巫山县的特色水果，是由青脆李品种经长期自然驯化培育而成，因其脆甜可口、汁多味香而深受广大消费者喜爱。目前关于李子的研究主要集中在活性成分功能探究[3-4]、保鲜贮藏[5-6]等方面，在品质评价方面研究报道较少[7-8]，且评价指标不够全面。前期工作从维生素、矿质元素、主要抗氧化活性物质等方面评价巫山脆李营养品质[9]。

主成分分析(principal component analysis，PCA)法在损失较少信息的前提下，把多个指标转化为几个综合指标，使降维后的综合指标信息互不相关[10-11]。目前PCA广泛应用在蓝莓[12]、枣[13]、桃[14]和樱桃[15]等水果品质评价方面，为水果品种优选、品质优劣分级等提供了参考。郑丽静等[16]采用PCA确定可滴定酸、固酸比和可溶性固形物作为评价苹果风味的主要指标，并对苹果样本进行风味分级；刘硕等[17]研究了李属8个主要种的李果实的糖、酸组分及含量，采用PCA评价了李果实中主要的糖酸指标。本研究测定重庆巫山5个脆李主要种植区域55份样本的硬度、色泽和糖酸比等18个与食用品质相关的理化指标，从形、色、味及口感方面评价巫山脆李的食用品质，应用PCA评价并比较巫山5个区域的脆李食用品质，分析出反映巫山脆李食用品质的综合指标，为当地农户及企业提供参考。以数字对巫山脆李食用品质进行科学评价，充分体现巫山脆李的特色，为巫山脆李产业发展、提高巫山脆李的知名度和经济效益提供数据支持。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

选择重庆巫山5个管理条件基本一致的主要脆李种植区域，按照海拔高度依次记为：G区域(采集15份样本，海拔300～400 m)、Q区域(采集15份样本，海拔350～400 m)、P区域(采集5份样本，海拔550～700 m)、S区域(采集10份样本，海拔800～900 m)和L区域(采集10份样本，海拔850～1 000 m)；G与Q区域位于巫山西部，地处长江沿岸，P区域位于巫山西部，地处长江沿岸，S与L区域位于巫山西南部，远离长江，地形起伏较大，属于典型的喀斯特地貌。在重庆市巫山县科委的大力协助下，于2018年7月中旬巫山脆李的最佳成熟期在上述区域随机采摘无病害、完整的脆李果实样本55份，冷藏运回实验室，将脆李样本清洗干净，自然晾干表面水分，去核、打碎，置于-20 ℃冰箱保存备用。

葡萄糖、果糖、抗坏血酸,上海源叶生物科技有限公司；酒石酸、苹果酸、柠檬酸、琥珀酸,南通飞宇生物科技有限公司；乙腈,美国Sigma公司；苯酚、H2SO4、NaOH等试剂均为分析纯。

1.2 主要仪器与设备

SW-LB32T型糖度计，广州市速为电子科技有限公司；Ultra Scan PRO型测色仪，美国Hunter Lab公司；CT3型质构仪，美国Brookfield公司；LC20A型高效液相色谱仪，日本岛津公司。

1.3 实验方法

可食率用果实可食部分质量占全果质量的百分比表示[18]；色泽(L*、a*和b*)采用测色仪测定[18]、可溶性固形物采用糖度计测定[19]；水分、可滴定酸和可溶性糖分别参照GB 5009.3—2016《食品安全国家标准食品中水分的测定》、GB/T 12456—2008《食品中总酸的测定》和NY/T 2742—2015《水平及制品可溶性糖的测定》测定[20-22]；固酸比用可溶性固形物与可滴定酸比值表示[18]；糖酸比用可溶性糖与可滴定酸比值表示[18]。

硬度采用质构仪测定[23]，测定条件为：TPA模式，TP4/1000型探头，距离目标4.0 mm，触发点5 g，测试速度1.0 mm/s。

葡萄糖、果糖采用对氨基苯甲酸衍生化进行高效液相色谱法测定[24]。测定条件为：C18柱；流速1.0 mL/min；柱温35 ℃；进样体积10 μL；荧光检测波长λex=313 nm，λem=358 nm; 流动相 V(乙腈)∶V(0.05 mol/L磷酸缓冲溶液)=1∶9 (磷酸缓冲溶液含20 mmol/L四丁基硫酸氢铵，pH 2.5)。

有机酸采用高效液相色谱法测定[25]。测定条件为：C18柱;流速1.0 mL/min;柱温40 ℃;进样量20 μL;检测波长210 nm;流动相0.02 mol/L KH2PO4-H3PO4缓冲液(pH 3.0)。

1.4 数据处理

各项指标均重复测定3次以上，结果用

表示，采用Excel 2016和SPSS 21.0软件进行统计分析和差异显著性分析(P<0.05表示差异显著)，采用PCA评价巫山脆李食用品质。

2 结果与分析

2.1 巫山不同区域脆李食用品质指标

在水果的品质评价指标中，可食率、硬度和色泽是基本的物性指标，硬度不仅影响水果鲜食口感和质地特性，也是判断水果成熟度和影响贮运品质的重要指标之一[26]。水果的色泽对消费者的选择有一定影响，果皮颜色越黄、亮度越高越受消费者青睐[18]。色泽指标L*值代表亮度，取值0～100；a*值代表红绿偏向，正值表示偏向于红色，负值表示偏向于绿色；b*值代表黄蓝偏向，正值表示偏向于黄色，负值表示偏向于蓝色。NY/T 839—2004《鲜李》中规定，可溶性固形物含量、总酸量和固酸比这3个理化指标是评价李子质量的基本指标，可溶性糖和糖酸比是评价水果风味品质的代表性指标[18，27]。水果中糖和酸的含量及比例是决定水果风味的重要条件，有机酸在水果酸感中发挥着重要作用，对酸感有重要作用的主要是苹果酸、柠檬酸、琥珀酸和酒石酸4种有机酸[28]；糖的组分中，果糖甜度最高，蔗糖次之，而葡萄糖口感最好[29]，因此选择测定上述4种有机酸与葡萄糖、果糖、蔗糖作为评价巫山脆李甜酸口感的指标。测定的18个指标从形、色、味及口感方面能较全面反映巫山脆李的食用品质。巫山不同种植区域脆李食用品质评价指标测定结果如表1所示。

由表1可知，巫山不同种植区域的脆李食用品质存在一定差异，可食率、水分和L*值变异系数均<10%，离散程度小，表明巫山脆李的这3个指标差异小。巫山脆李的可食率在(96.35±1.88)%～(97.23±1.41)%，G和Q区域的脆李可食率均显著高于其他3个区域(P<0.05)；水分质量分数范围是(84.90±1.99)%～(86.87±1.20)%，S和L区域脆李的水分含量显著高于其他3个区域(P<0.05)；L*值为(42.72±5.50)～(47.46±4.09)，G区域脆李的L*值显著高于其他4个区域(P<0.05)；其余15个指标的变异系数均>10%，其中硬度、a*值和柠檬酸的变异系数均>50%，说明离散程度较大，表明巫山脆李的这3个指标差异较大。脆李硬度为(18.17±12.37)～(40.22±16.91),N、S区域的脆李硬度显著高于其他4个区域(P<0.05)；a*值和b*值分别为(-5.57±2.04)～(-2.19±3.58)和(45.02±11.28)～(54.63±11.06)，S区域脆李的a*值和b*值显著低于其他4个区域(P<0.05)。

巫山脆李的可滴定酸为(0.53±0.10)%～(0.72±0.10)%，G区域脆李的可滴定酸含量显著低于其他4个区域(P<0.05)；可溶性固形物和固酸比分别是(13.26±1.70)%～(15.13±2.39)%和(18.59±4.00)～(30.34±7.77)，G和Q区域的脆李可溶性固形物含量显著高于S和L区域(P<0.05)，G和Q区域脆李的固酸比显著高于其他3个区域(P<0.05)；巫山脆李可滴定酸、可溶性固形物和固酸比的平均值分别为0.62%、14.30%和24.46，满足NY/T 839—2004《鲜李》中“特级青脆李”的要求：可滴定酸≤1.45%、可溶性固形物≥11.5%、固酸比≥7.9，说明巫山脆李整体品质较好。可溶性糖和糖酸比分别是(14.06±1.74)～(15.65±1.84)g/100 g、(20.34±3.17)～(31.15±5.45)，G和Q区域脆李的糖酸比显著高于其他3个区域(P<0.05)。巫山脆李可溶性糖和糖酸比的平均值分别为15.38 g/100 g和26.16。有研究表明,梨[30]糖酸比在25.1～60、苹果[31]在20～60时风味酸甜适口，以此为参考可知G和Q区域脆李的风味酸甜适口，风味品质相对较好。

巫山脆李的葡萄糖、果糖和蔗糖含量由高到低依次为：蔗糖>葡萄糖>果糖，分别是(3.89±1.05)～(5.54±1.21)、(0.89±0.17)～(1.19±0.40)、(5.80±1.18)～(7.87±2.10) g/100 g；有机酸含量由高到低依次为：苹果酸>酒石酸>柠檬酸>琥珀酸，说明巫山脆李的有机酸主要以苹果酸为主，4种有机酸分别是(8.84±2.49)～(10.39±2.30)、(1.96±0.47)～(2.65±0.73)、(0.47±0.40)～(1.38±0.45)、(0.30±0.03)～(0.49±0.14) mg/g，与刘硕等[17]测得中国李的糖、酸含量相当。参照姚改芳等[32]、赵尊行等[33]的方法计算甜度值和甜度值/总酸值，得到巫山脆李的平均甜度值和平均甜度值/总酸值分别为121.17、9.06。G、Q、P、S和L区域的脆李甜度值依次为121.88、126.29、108.98、119.42和120.26，甜度值/总酸值依次为8.59、10.03、9.30、8.80和8.61，可以看出Q区域的脆李甜度值、甜度值/总酸值都高于其他4个区域，说明Q区域脆李的风味品质相对较好。

总的来说，5个种植区域的巫山脆李各具特点，G和Q区域脆李的可溶性固形物、固酸比、可溶性糖、糖酸比和甜度值都高于其他3个区域，说明G和Q区域的脆李在口感风味方面相对较好。

2.2 巫山脆李食用品质评价指标的相关性分析及综合评价

由表2可知，海拔与硬度、水分和可滴定酸呈极显著正相关(P<0.01)，与可食率、可溶性固形物、固酸比和糖酸比呈极显著负相关(P<0.01)，与L*值、a*值和琥珀酸呈显著负相关(P<0.05)，即海拔越高，脆李的硬度、水分和可滴定酸含量越高，可溶性固形物、固酸比、糖酸比和琥珀酸含量越低，说明海拔对脆李口感、风味等品质有极大影响。海拔越高，脆李的口感、风味品质越差，这可能是海拔不同导致气候条件、土壤质地等条件不同，从而影响植物生长发育。

巫山脆李在口感、色、味方面存在一定相关性。巫山脆李的硬度与水分、可滴定酸呈极显著正相关(P<0.01)，与a*值、可溶性固形物、固酸比、糖酸比和葡萄糖呈极显著负相关(P<0.01)，与琥珀酸呈显著负相关(P<0.05)，说明硬度越大，可滴定酸含量越高，可溶性固形物、固酸比、糖酸比、葡萄糖和琥珀酸含量越低，脆李果皮颜色越偏向于绿色。在色泽方面，L*值与b*值、葡萄糖呈极显著负相关(P<0.01)；a*值与固酸比呈极显著正相关(P<0.01)，与水分、可滴定酸和苹果酸呈极显著负相关(P<0.01)，与可溶性固形物、糖酸比呈显著正相关(P<0.05)，说明a*值越大，即脆李果皮颜色越偏向于红色，脆李的固酸比、可溶性固形物和糖酸比越高，水分、可滴定酸和苹果酸含量越低。在风味方面，固酸比与糖酸比、琥珀酸呈极显著正相关(P<0.01)，与苹果酸呈显著负相关(P<0.05)，说明固酸比越高，脆李糖酸比、琥珀酸含量越高，苹果酸含量越低；糖酸比与蔗糖、琥珀酸呈极显著正相关(P<0.01)，说明糖酸比越高，脆李蔗糖、琥珀酸含量越高，其他糖、酸指标间也存在一定相关性。

通过脆李食用品质评价指标的相关性分析，可以看出一些指标所反映的信息有所重叠，可通过进一步统计分析对各指标进行归类和简化，以提高评价脆李食用品质评价及比较的简化性与准确性。

2.3 PCA评价巫山脆李食用品质指标

由于巫山脆李食用品质评价各指标间存在量纲和数量级的差异，为避免彼此的影响，参照KAVDIR等[34]的方法，对所测定55份巫山脆李样本的原始数据进行标准化处理，使得各指标的评价数值处于相同数量级，再进行后续的统计分析。对巫山脆李18个评价指标进行主成分分析，结果如表3、表4、图1所示。

参考相关标准[11]，提取因子的特征值>1的6个主成分，如表3所示，它们的方差贡献率依次为27.430%、14.018%、12.504%、7.982%、7.447%和6.097%，累计方差贡献率达75.478%，反映了原始评价指标75.478%的信息，将巫山脆李的18个评价指标降维成6个相对独立的综合性评价指标[11]。

主成分的载荷矩阵反映各评价指标对主成分负荷的作用大小与方向，将各指标在主成分中载荷值的绝对值>0.5的指标组合成综合性指标[13]。结合表3和图1可知，PC1主要综合了固酸比、可溶性固形物、可滴定酸、水分、可食率和硬度6个指标，方差贡献率为27.430%，固酸比、可溶性固形物和可食率在PC1正方向与PC1呈正相关，可滴定酸、水分和硬度在PC1负方向与PC1呈正相关，可滴定酸、水分和硬度与PC1呈负相关。其中固酸比的载荷值为0.908，在PC1中最大，说明固酸比对PC1影响较大，因此选择固酸比代表PC1。PC2综合了蔗糖、可溶性糖和糖酸比3个指标，方差贡献率为14.018%，蔗糖的载荷值为0.886，在PC2中最大，说明蔗糖对PC2影响较大，因此选择蔗糖代表PC2。PC3综合了葡萄糖和果糖2个指标，方差贡献率为12.504%，其中葡萄糖在PC3中的载荷值为0.930，在PC3中最大，说明葡萄糖对PC3影响较大，因此选择葡萄糖代表PC3。PC4综合了酒石酸、苹果酸和a*值3个指标，方差贡献率为7.982%，酒石酸在PC4中的载荷值是0.869，在PC4中最大，说明酒石酸对PC4影响较大，选择酒石酸代表PC4。PC5综合了b*值和L*值2个色度指标，方差贡献率为7.447%，其中b*值在PC5中的载荷值比L*值的大，说明b*值对PC5影响较大，因此选择b*值代表PC5。PC6综合了琥珀酸和柠檬酸2个指标，方差贡献率为6.097%，其中琥珀酸在PC6中的载荷值比柠檬酸的大，说明琥珀酸对PC6影响较大，因此选择琥珀酸代表PC6。上述分析表明，评价巫山脆李食用品质的6个核心指标是：固酸比、蔗糖、葡萄糖、酒石酸、b*值和琥珀酸。

依据PCA所得的巫山脆李评价指标得分系数矩阵和各成分的方差贡献率，建立了食用品质综合评价模型方程，将标准化处理后的指标数据带入食用品质综合评价模型方程，计算巫山不同区域脆李食用品质评价得分，如表5所示，分数越高表示样本的综合食用品质越好[35-36]。

将巫山脆李食用品质评价PC1与PC2分别作为X、Y轴制得主成分因子得分图，由图2可知，G、Q区域的脆李得分为正值，其他3个区域脆李的得分为负值；5个区域的脆李食用品质得分分布比较分散，在一定程度上反映了5个区域的脆李食用品质存在一定差异，结合表5可知，5个区域的脆李食用品质得分由高到低依次是：G区域>Q区域>P区域>L区域>S区域，即处于低海拔(300～400 m)的脆李综合食用品质比中海拔(550～700 m)、高海拔(800～1 000 m)好。

3 结论与讨论

研究表明，果实生长发育及品质主要与树体本身生长状况有关，也受外界条件等因素影响。其中，海拔是一个重要的影响因素，海拔的变化影响着光照强度、气温、气压等气候和环境变化，从而影响植物的生长，影响果实的食用品质[37-38]。本研究发现海拔高度对巫山脆李的可食率、硬度、水分、可滴定酸、可溶性固形物、固酸比和糖酸比都有极显著影响(P<0.01)，海拔越高，脆李可滴定酸含量越高，可溶性固形物、固酸比和糖酸比越低，脆李口感风味品质相对较差，与邱利娜等[8]研究结果基本一致，说明海拔是影响巫山脆李食用品质的重要因素。

通过PCA将评价巫山脆李食用品质的18个指标降维成6个综合性指标，进一步选出固酸比、蔗糖、葡萄糖、酒石酸、b*值和琥珀酸6个核心指标。通过脆李食用品质综合评价模型方程，得到巫山脆李综合食用品质由高到低排序为：G区域>Q区域>P区域>L区域>S区域，即处于低海拔(300～400 m)的G和Q区域脆李的综合食用品质比中海拔(550～700 m)的P区域和高海拔(800～1 000 m)的S、L区域好。

综合分析结果表明，巫山脆李食用品质总体较好，其中G区域脆李的综合食用品质最好，Q区域次之。结果表明，低海拔(300～400 m)区域的脆李食用品质高于中(550～700 m)、高海拔(800～1 000 m)区域，因此，在今后的脆李种植中，农户可根据海拔高度进行种植，政府和企业可进一步开发优选出适宜高海拔种植的高品质脆李资源，进而提高巫山脆李整体品质，提高农户与脆李企业的收益。

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