PCA再分析采收成熟度對桃溪蜜柚貯藏品質變化模式的影響

占敏宣,魏清江,林雄,李宏祥,陳金印,2,馬巧利*

1(江西農業大學 農學院,江西省果蔬保鮮與無損檢測重點實驗室,江西省果蔬采后處理關鍵技術與質量安全協同創新中心,江西 南昌,330045)2(萍鄉學院,江西 萍鄉,337055)

桃溪蜜柚是江西省地方特色柚類——井岡蜜柚的代表性品種之一,成熟期為每年9月中下旬,具有早結豐產、果肉脆嫩、化渣,汁多,風味甜爽適口等突出優點[1],近年來栽培面積和產量不斷上升[2]。盡管栽培體量大,但由于生產上對其采收成熟度及其貯藏特性認識不夠,采后處理措施不當等原因,造成了嚴重的經濟損失。因此,利用科學的方法合理地評價不同成熟度的桃溪蜜柚果實品質及耐貯性差異,可為適時采收、貯藏、出庫、銷售等決策提供理論參考。

前期研究對不同采收成熟度的3個井岡蜜柚代表品種——桃溪蜜柚、金沙柚和安福金蘭柚果實品質相關指標做了檢測,并比較分析了不同成熟度果實在貯藏期間的品質變化[3-5]。發現不同采收成熟度的果實其腐爛率、失重率、色澤、風味、抗氧化性能等均表現出明顯的差異,總體應根據鮮銷、短期貯藏或長期貯藏等目的選擇合適的采收成熟度[5]。但由于評價貯藏品質的指標多樣,如外觀品質、內在風味品質及抗性生理等相關理化指標體系,且每個指標代表的生物學含義及其變化規律紛繁蕪雜,獨立分析某一或某些相關指標往往缺乏系統性,難以全面直觀地反映整體差異情況[3]。主成分分析法(principal components analysis,PCA)是一種通過數據壓縮對多維數據進行降維的多元統計分析方法,它的優勢在于操作簡單,沒有參數限制,應用范圍較廣,常被用于人臉識別、圖像壓縮、特征提取等領域[6],近年來,這一方法在果蔬品質分析中的應用也越來越多[7-11]。

選擇適宜成熟度進行采收、貯藏和出庫是保證桃溪蜜柚果實品質和實現產值提升的首要步驟。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)的桃溪蜜柚果實,并于常溫貯藏后0、30、60、90、120、150和180 d,定期檢測了失重率、腐爛率、L*、a*、b*、C*、Ho、色澤指數(color contribution index，CCI)、總糖、可溶性固形物(total soluble solids ，TSS)、可滴定酸(titratable acidity，TA)固酸比(TSS/TA)、抗壞血酸、可食率、出汁率、MDA含量、多酚氧化酶(polyphenol oxidase,PPO)活性、總酚含量、總黃酮含量等19個貯藏特性相關指標。但由于實驗因素水平和檢測指標較多的原因(采收成熟度3個水平、貯藏周期7個水平、貯藏特性指標19個),導致數據量大且關系復雜,盡管逐一對各指標變化趨勢進行了具體分析,但未能明確闡釋采收成熟度對貯藏特性的總體影響。因此,為進一步了解盛花后 178、192和208 d采收的桃溪蜜柚貯藏特性的差異,本試驗通過PCA將19個指標濃縮為5個主成分,在此基礎上分析了品質指標變化規律,并對3個采收成熟度的果實品質進行了綜合評分。以分值為依據,對不同成熟度果實的適宜貯藏周期和出庫時間提出了意見。

1 材料與方法

1.1 材料

實驗原始數據來源于李宏祥等[4]已發表的文章,詳見表1。

1.2 數據處理

所有原始數據利用Microsoft Excel 2010進行預處理；利用SPSS 26.0 對數據進行單因素方差分析及主成分分析；利用Graphpad Prism 8.0對數據統計分析和作圖。

2 結果與分析

盛花后 178 d(成熟度Ⅰ)、192 d(成熟度Ⅱ)和208 d(成熟度Ⅲ)的桃溪蜜柚果實,常溫貯藏0、30、60、90、120、150和180 d內的失重率、腐爛率、L*、a*、b*、C*、Ho、CCI、總糖、TSS、TA、固酸比、抗壞血酸、可食率、出汁率、MDA含量、PPO活性、總酚含量、總黃酮含量等19個貯藏特性相關指標原始數據如表1所示。

2.1 原始數據均一化預處理

為消除所檢測的19個品質指標原始數據量綱和數量級的差異,首先利用SPSS 26.0將21組(3個采收成熟度×7個貯藏時期)原始數據進行均一化預處理。均一化公式：X=(原始值-平均值)/標準偏差,最終使各個指標的平均數為0,標準偏差為1。各指標數據均一化結果如表2所示。

2.2 PCA綜合分析3個采收成熟度果實貯藏特性差異

2.2.1 主成分提取

為判斷均一化后的21組原始數據是否適合PCA聚類分析,首先對均一化后的數據進行KMO和Bartlett檢驗。結果見表3,盡管Bartlett球形度檢驗對應的P值(8.6 E-55)<0.05,說明此組數據適合進行主成分分析,但KMO值僅為 0.322,且降維旋轉在25次迭代之后無法收斂。因此,為提高數據模型的可靠性,剔除“可食率”和“出汁率”2個統計學上差異較小的指標,將剩余17個指標進行下一步主成分分析。

17個維度的品質指標數據KMO和巴利特檢驗結果如表3所示,KMO值為0.487,顯著性為0.000,說明這17個指標可以較好地進行主成分分析。

表3 KMO和巴利特檢驗Table 3 KMO and Bartlett test

利用PCA降維,將貯藏期品質變化的總和劃分為若干個主成分,每個主成分的特征值均反映了原始變量信息的數量,表4展示了方差貢獻率較大的幾個主成分。其中主成分1(PC1)和主成分2(PC2)中的方差貢獻率最大,其特征值分別為7.73和3.42,分別可以解釋總方差45.46%和20.12%的信息量,累積解釋總方差65.58%的信息量。

表4 主成分的特征值和方差貢獻率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貯藏周期及果實品質指標變化

根據各個品質指標在PC1和PC2上的得分繪制二維散點圖(圖1),分布在PC1 [0,1] 區間的指標有：失重率、腐爛率、L*、a*、b*、C*、CCI、TSS、固酸比、MDA、總酚、總黃酮,代表了較高的失重率、腐爛率、膜脂過氧化、總酚、總黃酮和較好的色澤；分布在PC1 [-1,0] 區間的指標有Ho、總糖、TA、抗壞血酸、PPO活性,代表了較低的PPO活性和抗壞血酸含量。分布在PC2 [0,1] 區間的指標有L*、a*、b*、C*、CCI、總糖、TSS、TA、抗壞血酸,代表了較高的糖酸含量和較好的色澤；分布在PC2 [-1,0] 區間的指標有失重率、腐爛率、Ho、固酸比、MDA、PPO活性、總酚、總黃酮,代表了較低的失重率、腐爛率、固酸比、膜脂過氧化、總酚、總黃酮。

將3個采收成熟度果實在不同貯藏時期的得分情況映射到圖1中?？梢钥闯?3個采收成熟度的0 d均分布于第3象限,180 d均分布于第4象限,兩者分別游離于其他幾個時期,且附近無品質參數分布,說明不同成熟度果實在采收初期(0 d)和貯藏末期(180 d)品質總體差異較小。成熟度Ⅰ的 30 d與0 d聚在一起,成熟度Ⅱ和Ⅲ的30 d則均分布于第2象限,說明成熟度Ⅰ果實貯藏30 d與貯藏0 d品質相近,貯藏30 d時成熟度Ⅱ和Ⅲ果實品質間差異較小。成熟度Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ果實在貯藏60～150 d 各自聚為一簇(如圖1綠色、紅色和黃色虛線范圍所示),且均與30 d距離較遠(成熟度Ⅲ除外)；值得注意的是,在60～150 d內,成熟度Ⅱ和Ⅲ兩簇截然分離,兩者品質差異主要表現在PC1上；而成熟度Ⅰ則與Ⅱ和Ⅲ各有交叉,與其他2個成熟度果實的差異主要體現在PC2上,結合品質指標分布可知,成熟度Ⅰ果實擁有較低的可滴定酸和固酸比?？傮w而言,采收成熟度Ⅰ表現出較低的PC1和PC2；采收成熟度Ⅱ表現出較低的PC1和較高的PC2；采收成熟度Ⅲ表現出較高的PC1和較低的PC2。結合每個主成分的代表性品質指標及其生物學意義可知,成熟度Ⅱ果實擁有最好的糖酸風味和色澤,但腐爛率和失重率也相對較高。

圖1 不同采收成熟度桃溪蜜柚品質參數和貯藏期PCA聚類圖Fig.1 PCA clusters of quality parameters and storage periods of Taoxi Pomelo with different harvesting maturities

2.2.3 基于PCA比較3個采收成熟度果實貯藏品質變化差異

為分析不同采收成熟度的桃溪蜜柚果實在貯藏周期內品質變化趨勢,分別將采收成熟度Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ的品質參數進行PCA聚類,結果如圖2所示。每個采收成熟度果實在不同貯藏期品質性狀的總差異主要集中在前2個維度主成分1(PC1)和主成分2(PC2)上,其中采收成熟度Ⅰ的品質參數降維后PC1(45.12%)和PC2(20.91%)代表了總差異的66.03%；采收成熟度Ⅱ的品質參數降維后PC1(49.87%)和PC2(29.23%)代表了總差異的79.10%；采收成熟度Ⅲ的品質參數降維后PC1(52.74%)和PC2(23.36%)代表了總差異的76.10%。

3個采收成熟度果實的貯藏品質差異在PC1上(特征值差異幅度>0.7)主要體現為參數：L*、總糖、TA、固酸比、抗壞血酸的差異；在PC2上(特征值差異幅度>1.2)主要體現為參數：L*、TA、TSS、固酸比、抗壞血酸、總酚的差異；總黃酮、PPO差異較??；而腐爛率、失重率、a*、b*、C*、Ho、CCI 和MDA含量變化規律相對一致。這些結果表明采收成熟度不同,果實光澤度、糖酸風味和抗氧化能力有較大差異,但著色變化差異相對較小。

對3個采收成熟度果實貯藏期綜合表現進行聚類發現：成熟度Ⅰ和Ⅱ果實品質變化模式相近,7個貯藏時間點均可聚成3簇(圖2-a和2-b):0～30 d、60～90 d 和 120～150 d,表明成熟度Ⅰ和Ⅱ果實貯藏品質變化模式均可分為4個階段：貯藏初期(0～30 d)、貯藏中期(60～90 d)、貯藏晚期(120～150 d)、貯藏終期(180 d)。成熟度Ⅲ 的7個貯藏時間點可聚成兩大簇(圖2-c):30～90 d、120～150 d,而0 d和180 d分別游離于兩簇之外,表明成熟度Ⅲ果實貯藏品質變化模式可分為0、30～60、90～150和180 d 4個階段。對成熟度Ⅰ而言,抗壞血酸、總糖：分布在60～90 d附近；TA、TSS、L*、總酚4個指標分布在120～150 d附近。對成熟度Ⅱ而言：指標Ho和PPO分布在0～30 d附近；指標TA、抗壞血酸、TSS、L*分布在60～90 d附近；指標總糖、總酚分布在120～150 d附近。對成熟度Ⅲ而言：指標L*、TA、抗壞血酸、總糖、TSS分布在30～90 d附近；總酚分布在120～150 d附近。固酸比指標游離于各個貯藏期外。以上結果說明：TSS、TA、L*變化由成熟度Ⅰ的120～150 d提前至成熟度Ⅱ和Ⅲ的60～90 d?？偺亲兓诔墒於娶蛑型七t至120～150 d。3個采收成熟度果實的抗壞血酸變化主要發生在60～90 d內,總酚變化主要發生在120～150 d。

a-成熟度Ⅰ;a-成熟度Ⅱ;c-成熟度Ⅲ圖2 不同采收成熟度桃溪蜜柚品質參數和貯藏周期PCA聚類圖Fig.2 PCA cluster diagram of the quality parameters and storage periods of Taoxi pomelo with different maturities

2.3 PCA綜合得分評價不同采收成熟度桃溪蜜柚貯藏品質

為直觀地展示3個采收成熟度的桃溪蜜柚貯藏性能的優劣,根據PCA得到的數據計算3個采收成熟度果實品質的綜合得分。首先提取PCA特征值>1的前5個主成分作為數據分析的有效成分,其累計方差貢獻率達到90.72%,基本反映了所有變量的初始信息。然后根據17個品質指標的荷載系數及特征值計算得到17個因子的特征向量(表5)。以特征向量為系數構建前5個主成分的線性方程,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

將前5個主成分的方差貢獻率(表4)作為系數代入,得到綜合得分評價方程為：Y=0.454 59Y1+0.201 21Y2+0.094 79Y3+0.087 28Y4+0.069 33Y5。然后將不同采收成熟度果實貯藏期的品質指標測定值標準化后代入上述方程,計算不同采收成熟度桃溪蜜柚在每個貯藏周期內的品質得分Y,Y值越大品質越好。3個成熟度果實品質得分變化趨勢如圖3所示。

圖3 不同成熟度桃溪蜜柚在常溫貯藏期間品質綜合得分Fig.3 Comprehensive quality scores of Taoxi pomelo with different maturities during ambient storage

3個采收成熟度果實貯藏品質綜合得分整體呈上升趨勢,說明桃溪蜜柚采后存在后熟過程。除成熟度Ⅲ 150 d外,采收成熟度Ⅱ得分在60～180 d內均顯著高于其他2個時期,表明成熟度Ⅱ果實的貯藏表現總體最優。0～30 d內,三者綜合得分均為負值；貯藏60 d時,成熟度Ⅱ的綜合得分達到正值(0.77)；90 d時,成熟度Ⅰ和Ⅲ的綜合得分達到正值,此時Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ得分分別為1.28、0.34和0.44,隨后略有增加,說明貯藏90 d左右品質已達到最佳。根據3個采收成熟度的綜合得分可知：桃溪蜜柚采后存在后熟現象,盛花后192 d(成熟度Ⅱ)為桃溪蜜柚的最佳采收成熟度,該時期采收的果實在貯藏90 d時品質達最佳,但考慮到長時間貯藏腐爛率不斷增加,因此宜在貯藏90 d后及時出庫銷售。

表5 主成分的荷載矩陣和特征向量Table 5 Principal loading matrix and component eigenvectors

3 結論與討論

隨著檢測手段的進步,各種果蔬品質指標的測定越來越高效,獲得的數據量越來越大,相應地在多變量數據分析中,主成分分析法的應用不可或缺[6,12-15],利用主成分分析可更加簡單有效地呈現原多維數據的差異性[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)的桃溪蜜柚果實,定期檢測了貯藏180 d過程中的19個品質指標,并對這19個品質指標在3種成熟度果實中的差異進行了逐一比較分析,最終認為花后 208 d(采收期Ⅲ)是桃溪蜜柚的最佳采收成熟度,并建議貯存120 d時上市,最晚不要超過150 d[4]。但由于常規ANOVA技術僅能分析不同成熟度果實單個品質指標間的差異,并不能綜合表現各個品質指標間的內在關聯性和總體差異,這可能導致對桃溪蜜柚的最佳采收成熟度和最佳貯藏期的判斷有一定主觀偏差。

本文利用主成分分析法,對3個采收成熟度、7個貯藏周期的19個品質參數相關數據重新進行了分析。將19個品質指標相關信息濃縮成5個主成分,代表了總差異的90.72%(表4)。通過前2個主成分(代表總差異的65.58%)直觀地展示了3個采收成熟度的桃溪蜜柚貯藏品質的總體差異和其代表性品質指標(圖1)?；谄焚|參數和貯藏周期主成分得分,兩兩比較不同采收成熟度果實的貯藏品質,展示了不同成熟度果實品質變化的時間模式差異,及其代表性品質指標(圖2)。參照金沙柚[5]和金蘭柚[3]的PCA綜合得分法,利用前5個主成分對不同采收成熟度的桃溪蜜柚貯藏品質進行綜合打分,可以明顯看出果實品質得分前期呈上升趨勢,這與金沙柚和金蘭柚結果類似,說明桃溪蜜柚也具有后熟現象在貯藏早期品質逐步改善。但與其他2個井岡蜜柚后期品質得分下降不同的是,桃溪蜜柚的綜合得分在90 d后保持穩定,造成這一現象的原因有待進一步探討。但與李宏祥等[4]結論不同的是：利用PCA綜合得分研究發現,成熟度Ⅱ得分在60～180 d內(>1)顯著高于成熟度Ⅰ和Ⅲ(<0.7)(圖3),據此判斷成熟度Ⅱ(盛花后192 d)采收的桃溪蜜柚果實整體品質優于其他2個時期,且在貯藏90 d后達到最佳品質。以PCA綜合得分為依據,選擇桃溪蜜柚的最適采收期和最佳貯藏周期摒棄了主觀偏差,使結論更為客觀。

此外,研究表明不同采收成熟度的果實外觀、糖酸風味、抗性品質等與耐貯藏性相關的指標有較大差異[9,16-17],適宜的采收期有利于維持果實品質和耐貯藏性[18-21]。本課題組對不同采收成熟度的井岡蜜柚果實貯藏期內品質差異做了相關研究報道[3-5],也發現采收成熟度不同,果實著色、糖酸風味、抗氧化性、腐爛率等貯藏性能差異較大。根據PCA聚類結果可知,成熟度Ⅱ和Ⅲ品質差異明顯,在PC1上截然分離；成熟度Ⅰ則介于Ⅱ和Ⅲ之間,分別與Ⅱ和Ⅲ交叉于PC1的不同區域(圖1)。與之對應的品質指標聚類結果則進一步展示了不同成熟度桃溪蜜柚果實品質的差異,總體來講成熟度Ⅰ果實可滴定酸和固酸比較低；成熟度Ⅱ果實糖酸、風味和色澤較好,但腐爛率和失重率也高；與成熟度Ⅱ相反成熟度Ⅲ果實糖酸、風味和色澤較差,但腐爛率和失重率較低(圖1)。不同成熟度果實的品質指標在不同貯藏期內的變化模式差異主要體現為：TSS、TA和L*變化由成熟度Ⅰ的120～150 d提前至成熟度Ⅱ和Ⅲ的60～90 d?？偺窃诔墒於娶蛑型七t至120～150 d,這進一步證明了上述觀點。

基于主成分分析,桃溪蜜柚存在后熟現象,且采收成熟度不同果實光澤度、糖酸風味和抗氧化能力差異顯著。盛花后192 d采收的(成熟度Ⅱ)果實貯藏表現最佳,為桃溪蜜柚的最適采收成熟度,該時期采收的果實在貯藏90 d時品質達最佳,但考慮到更長時間貯藏腐爛增加,因此宜在貯藏90 d后及時出庫銷售。