占敏宣,魏清江,林雄,李宏祥,陈金印,2,马巧利*

1(江西农业大学 农学院,江西省果蔬保鲜与无损检测重点实验室,江西省果蔬采后处理关键技术与质量安全协同创新中心,江西 南昌,330045)2(萍乡学院,江西 萍乡,337055)

桃溪蜜柚是江西省地方特色柚类——井冈蜜柚的代表性品种之一,成熟期为每年9月中下旬,具有早结丰产、果肉脆嫩、化渣,汁多,风味甜爽适口等突出优点[1],近年来栽培面积和产量不断上升[2]。尽管栽培体量大,但由于生产上对其采收成熟度及其贮藏特性认识不够,采后处理措施不当等原因,造成了严重的经济损失。因此,利用科学的方法合理地评价不同成熟度的桃溪蜜柚果实品质及耐贮性差异,可为适时采收、贮藏、出库、销售等决策提供理论参考。

前期研究对不同采收成熟度的3个井冈蜜柚代表品种——桃溪蜜柚、金沙柚和安福金兰柚果实品质相关指标做了检测,并比较分析了不同成熟度果实在贮藏期间的品质变化[3-5]。发现不同采收成熟度的果实其腐烂率、失重率、色泽、风味、抗氧化性能等均表现出明显的差异,总体应根据鲜销、短期贮藏或长期贮藏等目的选择合适的采收成熟度[5]。但由于评价贮藏品质的指标多样,如外观品质、内在风味品质及抗性生理等相关理化指标体系,且每个指标代表的生物学含义及其变化规律纷繁芜杂,独立分析某一或某些相关指标往往缺乏系统性,难以全面直观地反映整体差异情况[3]。主成分分析法(principal components analysis,PCA)是一种通过数据压缩对多维数据进行降维的多元统计分析方法,它的优势在于操作简单,没有参数限制,应用范围较广,常被用于人脸识别、图像压缩、特征提取等领域[6],近年来,这一方法在果蔬品质分析中的应用也越来越多[7-11]。

选择适宜成熟度进行采收、贮藏和出库是保证桃溪蜜柚果实品质和实现产值提升的首要步骤。前期李宏祥等[4]采集了盛花后 178 d(成熟度Ⅰ)、盛花后 192 d(成熟度Ⅱ)和盛花后 208 d(成熟度Ⅲ)的桃溪蜜柚果实,并于常温贮藏后0、30、60、90、120、150和180 d,定期检测了失重率、腐烂率、L*、a*、b*、C*、Ho、色泽指数(color contribution index，CCI)、总糖、可溶性固形物(total soluble solids ，TSS)、可滴定酸(titratable acidity，TA)固酸比(TSS/TA)、抗坏血酸、可食率、出汁率、MDA含量、多酚氧化酶(polyphenol oxidase,PPO)活性、总酚含量、总黄酮含量等19个贮藏特性相关指标。但由于实验因素水平和检测指标较多的原因(采收成熟度3个水平、贮藏周期7个水平、贮藏特性指标19个),导致数据量大且关系复杂,尽管逐一对各指标变化趋势进行了具体分析,但未能明确阐释采收成熟度对贮藏特性的总体影响。因此,为进一步了解盛花后 178、192和208 d采收的桃溪蜜柚贮藏特性的差异,本试验通过PCA将19个指标浓缩为5个主成分,在此基础上分析了品质指标变化规律,并对3个采收成熟度的果实品质进行了综合评分。以分值为依据,对不同成熟度果实的适宜贮藏周期和出库时间提出了意见。

1 材料与方法

1.1 材料

实验原始数据来源于李宏祥等[4]已发表的文章,详见表1。

1.2 数据处理

所有原始数据利用Microsoft Excel 2010进行预处理；利用SPSS 26.0 对数据进行单因素方差分析及主成分分析；利用Graphpad Prism 8.0对数据统计分析和作图。

2 结果与分析

盛花后 178 d(成熟度Ⅰ)、192 d(成熟度Ⅱ)和208 d(成熟度Ⅲ)的桃溪蜜柚果实,常温贮藏0、30、60、90、120、150和180 d内的失重率、腐烂率、L*、a*、b*、C*、Ho、CCI、总糖、TSS、TA、固酸比、抗坏血酸、可食率、出汁率、MDA含量、PPO活性、总酚含量、总黄酮含量等19个贮藏特性相关指标原始数据如表1所示。

2.1 原始数据均一化预处理

为消除所检测的19个品质指标原始数据量纲和数量级的差异,首先利用SPSS 26.0将21组(3个采收成熟度×7个贮藏时期)原始数据进行均一化预处理。均一化公式：X=(原始值-平均值)/标准偏差,最终使各个指标的平均数为0,标准偏差为1。各指标数据均一化结果如表2所示。

2.2 PCA综合分析3个采收成熟度果实贮藏特性差异

2.2.1 主成分提取

为判断均一化后的21组原始数据是否适合PCA聚类分析,首先对均一化后的数据进行KMO和Bartlett检验。结果见表3,尽管Bartlett球形度检验对应的P值(8.6 E-55)<0.05,说明此组数据适合进行主成分分析,但KMO值仅为 0.322,且降维旋转在25次迭代之后无法收敛。因此,为提高数据模型的可靠性,剔除“可食率”和“出汁率”2个统计学上差异较小的指标,将剩余17个指标进行下一步主成分分析。

17个维度的品质指标数据KMO和巴利特检验结果如表3所示,KMO值为0.487,显著性为0.000,说明这17个指标可以较好地进行主成分分析。

表3 KMO和巴利特检验Table 3 KMO and Bartlett test

利用PCA降维,将贮藏期品质变化的总和划分为若干个主成分,每个主成分的特征值均反映了原始变量信息的数量,表4展示了方差贡献率较大的几个主成分。其中主成分1(PC1)和主成分2(PC2)中的方差贡献率最大,其特征值分别为7.73和3.42,分别可以解释总方差45.46%和20.12%的信息量,累积解释总方差65.58%的信息量。

表4 主成分的特征值和方差贡献率Table 4 Eigenvalue of the principal components and their contribution and cumulative contribution

2.2.2 基于主成分得分分析不同贮藏周期及果实品质指标变化

根据各个品质指标在PC1和PC2上的得分绘制二维散点图(图1),分布在PC1 [0,1] 区间的指标有：失重率、腐烂率、L*、a*、b*、C*、CCI、TSS、固酸比、MDA、总酚、总黄酮,代表了较高的失重率、腐烂率、膜脂过氧化、总酚、总黄酮和较好的色泽；分布在PC1 [-1,0] 区间的指标有Ho、总糖、TA、抗坏血酸、PPO活性,代表了较低的PPO活性和抗坏血酸含量。分布在PC2 [0,1] 区间的指标有L*、a*、b*、C*、CCI、总糖、TSS、TA、抗坏血酸,代表了较高的糖酸含量和较好的色泽；分布在PC2 [-1,0] 区间的指标有失重率、腐烂率、Ho、固酸比、MDA、PPO活性、总酚、总黄酮,代表了较低的失重率、腐烂率、固酸比、膜脂过氧化、总酚、总黄酮。

将3个采收成熟度果实在不同贮藏时期的得分情况映射到图1中。可以看出,3个采收成熟度的0 d均分布于第3象限,180 d均分布于第4象限,两者分别游离于其他几个时期,且附近无品质参数分布,说明不同成熟度果实在采收初期(0 d)和贮藏末期(180 d)品质总体差异较小。成熟度Ⅰ的 30 d与0 d聚在一起,成熟度Ⅱ和Ⅲ的30 d则均分布于第2象限,说明成熟度Ⅰ果实贮藏30 d与贮藏0 d品质相近,贮藏30 d时成熟度Ⅱ和Ⅲ果实品质间差异较小。成熟度Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ果实在贮藏60～150 d 各自聚为一簇(如图1绿色、红色和黄色虚线范围所示),且均与30 d距离较远(成熟度Ⅲ除外)；值得注意的是,在60～150 d内,成熟度Ⅱ和Ⅲ两簇截然分离,两者品质差异主要表现在PC1上；而成熟度Ⅰ则与Ⅱ和Ⅲ各有交叉,与其他2个成熟度果实的差异主要体现在PC2上,结合品质指标分布可知,成熟度Ⅰ果实拥有较低的可滴定酸和固酸比。总体而言,采收成熟度Ⅰ表现出较低的PC1和PC2；采收成熟度Ⅱ表现出较低的PC1和较高的PC2；采收成熟度Ⅲ表现出较高的PC1和较低的PC2。结合每个主成分的代表性品质指标及其生物学意义可知,成熟度Ⅱ果实拥有最好的糖酸风味和色泽,但腐烂率和失重率也相对较高。

图1 不同采收成熟度桃溪蜜柚品质参数和贮藏期PCA聚类图Fig.1 PCA clusters of quality parameters and storage periods of Taoxi Pomelo with different harvesting maturities

2.2.3 基于PCA比较3个采收成熟度果实贮藏品质变化差异

为分析不同采收成熟度的桃溪蜜柚果实在贮藏周期内品质变化趋势,分别将采收成熟度Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ的品质参数进行PCA聚类,结果如图2所示。每个采收成熟度果实在不同贮藏期品质性状的总差异主要集中在前2个维度主成分1(PC1)和主成分2(PC2)上,其中采收成熟度Ⅰ的品质参数降维后PC1(45.12%)和PC2(20.91%)代表了总差异的66.03%；采收成熟度Ⅱ的品质参数降维后PC1(49.87%)和PC2(29.23%)代表了总差异的79.10%；采收成熟度Ⅲ的品质参数降维后PC1(52.74%)和PC2(23.36%)代表了总差异的76.10%。

3个采收成熟度果实的贮藏品质差异在PC1上(特征值差异幅度>0.7)主要体现为参数：L*、总糖、TA、固酸比、抗坏血酸的差异；在PC2上(特征值差异幅度>1.2)主要体现为参数：L*、TA、TSS、固酸比、抗坏血酸、总酚的差异；总黄酮、PPO差异较小；而腐烂率、失重率、a*、b*、C*、Ho、CCI 和MDA含量变化规律相对一致。这些结果表明采收成熟度不同,果实光泽度、糖酸风味和抗氧化能力有较大差异,但着色变化差异相对较小。

对3个采收成熟度果实贮藏期综合表现进行聚类发现：成熟度Ⅰ和Ⅱ果实品质变化模式相近,7个贮藏时间点均可聚成3簇(图2-a和2-b):0～30 d、60～90 d 和 120～150 d,表明成熟度Ⅰ和Ⅱ果实贮藏品质变化模式均可分为4个阶段：贮藏初期(0～30 d)、贮藏中期(60～90 d)、贮藏晚期(120～150 d)、贮藏终期(180 d)。成熟度Ⅲ 的7个贮藏时间点可聚成两大簇(图2-c):30～90 d、120～150 d,而0 d和180 d分别游离于两簇之外,表明成熟度Ⅲ果实贮藏品质变化模式可分为0、30～60、90～150和180 d 4个阶段。对成熟度Ⅰ而言,抗坏血酸、总糖：分布在60～90 d附近；TA、TSS、L*、总酚4个指标分布在120～150 d附近。对成熟度Ⅱ而言：指标Ho和PPO分布在0～30 d附近；指标TA、抗坏血酸、TSS、L*分布在60～90 d附近；指标总糖、总酚分布在120～150 d附近。对成熟度Ⅲ而言：指标L*、TA、抗坏血酸、总糖、TSS分布在30～90 d附近；总酚分布在120～150 d附近。固酸比指标游离于各个贮藏期外。以上结果说明：TSS、TA、L*变化由成熟度Ⅰ的120～150 d提前至成熟度Ⅱ和Ⅲ的60～90 d。总糖变化在成熟度Ⅱ中推迟至120～150 d。3个采收成熟度果实的抗坏血酸变化主要发生在60～90 d内,总酚变化主要发生在120～150 d。

a-成熟度Ⅰ;a-成熟度Ⅱ;c-成熟度Ⅲ图2 不同采收成熟度桃溪蜜柚品质参数和贮藏周期PCA聚类图Fig.2 PCA cluster diagram of the quality parameters and storage periods of Taoxi pomelo with different maturities

2.3 PCA综合得分评价不同采收成熟度桃溪蜜柚贮藏品质

为直观地展示3个采收成熟度的桃溪蜜柚贮藏性能的优劣,根据PCA得到的数据计算3个采收成熟度果实品质的综合得分。首先提取PCA特征值>1的前5个主成分作为数据分析的有效成分,其累计方差贡献率达到90.72%,基本反映了所有变量的初始信息。然后根据17个品质指标的荷载系数及特征值计算得到17个因子的特征向量(表5)。以特征向量为系数构建前5个主成分的线性方程,如下所示：

Y1=0.342X1+0.249X2+0.070X3+0.335X4+…+0.313X14-0.146X15+0.247X16+0.217X17

Y2=-0.058X1-0.059X2+0.333X3+0.111X4+…-0.112X14-0.160X15-0.005X16-0.116X17

Y3=0.046X1-0.082X2+0.524X3+0.143X4+…+0.018X14+0.444X15-0.044X16-0.183X17

Y4=0.046X1-0.051X2-0.220X3-0.174X4+…+0.090X14+0.200X15+0.473X16+0.333X17

Y5=-0.052X1+0.565X2-0.123X3-0.001X4+…+0.117X14-0.381X15-0.174X16-0.460X17

将前5个主成分的方差贡献率(表4)作为系数代入,得到综合得分评价方程为：Y=0.454 59Y1+0.201 21Y2+0.094 79Y3+0.087 28Y4+0.069 33Y5。然后将不同采收成熟度果实贮藏期的品质指标测定值标准化后代入上述方程,计算不同采收成熟度桃溪蜜柚在每个贮藏周期内的品质得分Y,Y值越大品质越好。3个成熟度果实品质得分变化趋势如图3所示。

图3 不同成熟度桃溪蜜柚在常温贮藏期间品质综合得分Fig.3 Comprehensive quality scores of Taoxi pomelo with different maturities during ambient storage

3个采收成熟度果实贮藏品质综合得分整体呈上升趋势,说明桃溪蜜柚采后存在后熟过程。除成熟度Ⅲ 150 d外,采收成熟度Ⅱ得分在60～180 d内均显著高于其他2个时期,表明成熟度Ⅱ果实的贮藏表现总体最优。0～30 d内,三者综合得分均为负值；贮藏60 d时,成熟度Ⅱ的综合得分达到正值(0.77)；90 d时,成熟度Ⅰ和Ⅲ的综合得分达到正值,此时Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ得分分别为1.28、0.34和0.44,随后略有增加,说明贮藏90 d左右品质已达到最佳。根据3个采收成熟度的综合得分可知：桃溪蜜柚采后存在后熟现象,盛花后192 d(成熟度Ⅱ)为桃溪蜜柚的最佳采收成熟度,该时期采收的果实在贮藏90 d时品质达最佳,但考虑到长时间贮藏腐烂率不断增加,因此宜在贮藏90 d后及时出库销售。

表5 主成分的荷载矩阵和特征向量Table 5 Principal loading matrix and component eigenvectors

3 结论与讨论

随着检测手段的进步,各种果蔬品质指标的测定越来越高效,获得的数据量越来越大,相应地在多变量数据分析中,主成分分析法的应用不可或缺[6,12-15],利用主成分分析可更加简单有效地呈现原多维数据的差异性[8]。

前期李宏祥等采集了盛花后178、192和208 d(成熟度Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ)的桃溪蜜柚果实,定期检测了贮藏180 d过程中的19个品质指标,并对这19个品质指标在3种成熟度果实中的差异进行了逐一比较分析,最终认为花后 208 d(采收期Ⅲ)是桃溪蜜柚的最佳采收成熟度,并建议贮存120 d时上市,最晚不要超过150 d[4]。但由于常规ANOVA技术仅能分析不同成熟度果实单个品质指标间的差异,并不能综合表现各个品质指标间的内在关联性和总体差异,这可能导致对桃溪蜜柚的最佳采收成熟度和最佳贮藏期的判断有一定主观偏差。

本文利用主成分分析法,对3个采收成熟度、7个贮藏周期的19个品质参数相关数据重新进行了分析。将19个品质指标相关信息浓缩成5个主成分,代表了总差异的90.72%(表4)。通过前2个主成分(代表总差异的65.58%)直观地展示了3个采收成熟度的桃溪蜜柚贮藏品质的总体差异和其代表性品质指标(图1)。基于品质参数和贮藏周期主成分得分,两两比较不同采收成熟度果实的贮藏品质,展示了不同成熟度果实品质变化的时间模式差异,及其代表性品质指标(图2)。参照金沙柚[5]和金兰柚[3]的PCA综合得分法,利用前5个主成分对不同采收成熟度的桃溪蜜柚贮藏品质进行综合打分,可以明显看出果实品质得分前期呈上升趋势,这与金沙柚和金兰柚结果类似,说明桃溪蜜柚也具有后熟现象在贮藏早期品质逐步改善。但与其他2个井冈蜜柚后期品质得分下降不同的是,桃溪蜜柚的综合得分在90 d后保持稳定,造成这一现象的原因有待进一步探讨。但与李宏祥等[4]结论不同的是：利用PCA综合得分研究发现,成熟度Ⅱ得分在60～180 d内(>1)显著高于成熟度Ⅰ和Ⅲ(<0.7)(图3),据此判断成熟度Ⅱ(盛花后192 d)采收的桃溪蜜柚果实整体品质优于其他2个时期,且在贮藏90 d后达到最佳品质。以PCA综合得分为依据,选择桃溪蜜柚的最适采收期和最佳贮藏周期摒弃了主观偏差,使结论更为客观。

此外,研究表明不同采收成熟度的果实外观、糖酸风味、抗性品质等与耐贮藏性相关的指标有较大差异[9,16-17],适宜的采收期有利于维持果实品质和耐贮藏性[18-21]。本课题组对不同采收成熟度的井冈蜜柚果实贮藏期内品质差异做了相关研究报道[3-5],也发现采收成熟度不同,果实着色、糖酸风味、抗氧化性、腐烂率等贮藏性能差异较大。根据PCA聚类结果可知,成熟度Ⅱ和Ⅲ品质差异明显,在PC1上截然分离；成熟度Ⅰ则介于Ⅱ和Ⅲ之间,分别与Ⅱ和Ⅲ交叉于PC1的不同区域(图1)。与之对应的品质指标聚类结果则进一步展示了不同成熟度桃溪蜜柚果实品质的差异,总体来讲成熟度Ⅰ果实可滴定酸和固酸比较低；成熟度Ⅱ果实糖酸、风味和色泽较好,但腐烂率和失重率也高；与成熟度Ⅱ相反成熟度Ⅲ果实糖酸、风味和色泽较差,但腐烂率和失重率较低(图1)。不同成熟度果实的品质指标在不同贮藏期内的变化模式差异主要体现为：TSS、TA和L*变化由成熟度Ⅰ的120～150 d提前至成熟度Ⅱ和Ⅲ的60～90 d。总糖在成熟度Ⅱ中推迟至120～150 d,这进一步证明了上述观点。

基于主成分分析,桃溪蜜柚存在后熟现象,且采收成熟度不同果实光泽度、糖酸风味和抗氧化能力差异显著。盛花后192 d采收的(成熟度Ⅱ)果实贮藏表现最佳,为桃溪蜜柚的最适采收成熟度,该时期采收的果实在贮藏90 d时品质达最佳,但考虑到更长时间贮藏腐烂增加,因此宜在贮藏90 d后及时出库销售。