基于多元統計分析對芥菜營養品質的綜合評價

李建忠，戴昀，葉鑫雨，李國亮，章時蕃，李菲，張慧，袁凌云，陳國戶，汪承剛，張淑江*

（1 中國農業科學院蔬菜花卉研究所，蔬菜生物育種全國重點實驗室，北京 100081；2 安徽農業大學園藝學院，安徽省園藝作物育種工程實驗室，安徽合肥 230036）

芥菜（Brassicajuncea）是十字花科蕓薹屬一二年生草本植物，是中國的特色蔬菜，在全國各地均有栽培，富含多種營養成分和礦物質，營養價值高。Oram 等（2005）依據地理來源將芥菜分為中國-東歐類型和印度-巴基斯坦類型，中國北方地區栽培的主要為中國-東歐類型。劉淑艷等（2007）對1 284 份中國芥菜種質進行品質性狀測定時發現，在芥菜優異種質資源中，中國北方地區的芥菜品種類型特點是低芥酸。目前，研究者們大多利用分子或生物技術對芥菜種子種皮顏色或種子農藝性狀進行改良進而選育種子含油量高的芥菜新品種，例如Mahmood 等（2006）研究表明黃色的芥菜種子含油量顯著高于棕色/黑色種子；Kinay和Kayacetin（2023）對芥菜品種的物候期、形態、產量和品質特征等相關方面的參數進行研究分析，發現芥菜和白菜作為生物柴油生產的原料更具潛力。近年來關于黃瓜（高玨曉 等，2022）、番茄（李偉明 等，2022）、菠菜（李晗懿 等，2022）、辣椒（彭澤 等，2023）等蔬菜作物的相關品質評價都有所報道，而對食用芥菜營養品質和感官品質評價方面的報道較少，且芥菜品質和栽培環境之間的關系尚不明確，因此對芥菜種質資源品質性狀的測定和分析顯得尤為迫切。

本試驗將14 份芥菜材料的干物質、粗纖維、粗蛋白、葡萄糖、VC、果糖、草酸、蘋果酸、檸檬酸含量等9 個品質指標作為評價指標，采用相關性分析、主成分分析、模糊數學隸屬函數分析和聚類分析等多元聯合統計分析方法對芥菜營養品質進行評價和等級劃分，以期為芥菜營養品質評價標準體系的建立和優質芥菜新品種的培育提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試14 份芥菜種質資源均由中國農業科學院蔬菜花卉研究所白菜課題組提供，材料編號分別為1917040、1917012、1915246、1915256、1915270、1915279、1917152、祥瑞182、1917343、1917326、1917351、1917381、1917396、1917397，種質類型和系譜來源詳見表1，表型特征如圖1 所示。

圖1 供試14 份芥菜材料的表型特征

表1 供試14 份芥菜材料的種質類型及系譜來源

1.2 試驗方法

1.2.1 材料種植 14 份芥菜材料均于2019 年8 月初采用50 孔穴盤進行育苗，8 月下旬定植于中國農業科學院蔬菜花卉研究所順義楊鎮試驗基地，溫室高壟栽培，采取單因素完全隨機設計，小區面積7 m2（畦長7 m、寬1 m），每小區種植2 行，每行15 株，株、行距均為0.5 m；每份芥菜材料3 次重復，每重復2 個小區。常規田間管理，定期進行防病殺蟲處理，確保芥菜產品的品質不受蟲害和病害的影響。

1.2.2 取樣及樣品處理 在芥菜商品成熟期進行采樣，每份芥菜材料隨機選取6 株。葉用芥去掉外部老化葉，取新鮮健康可食部分（包括葉柄部位）切碎混勻；包心芥剝除外葉，直至漏出白色葉球，掰下可食葉切碎混勻；莖用芥取莖部可食部位，切碎混勻；根芥采用四分法在食用部位取樣，切碎混勻；均設置3 次生物學重復。

取切碎混勻的樣品分成3 份，第1 份稱取鮮樣100 g，用于VC 含量的測定；第2 份用破壁機打成勻漿，用于有機酸含量以及糖組分含量的測定；第3 份經65 ℃烘干至恒重，然后用研磨粉碎機研磨，自封袋裝好密封，置于干燥器中保存待用。

1.2.3 測定指標及方法 VC 含量采用GB 5009.86—2016《食品安全國家標準：食品中抗壞血酸的測定》中的2，6-二氯靛酚滴定法測定；粗蛋白含量采用GB 5009.5—2016《食品安全國家標準：食品中蛋白質的檢測》中的燃燒法測定；粗纖維含量采用GB 5009.10—2003《食品安全國家標準：食品中纖維素的測定》中的酸堿洗滌法測定；草酸、蘋果酸、檸檬酸含量采用NY/T 2277—2012《水果蔬菜中有機酸和陰離子的測定》中的離子色譜法測定；葡萄糖、果糖含量采用高效陰離子交換色譜法測定（馬朝陽 等，2012），選用Dionex Carbopac PA20 陰離子交換柱，柱溫20 ℃，以0.25 mol · L-1NaOH 和水為淋洗液進行梯度洗脫；干物質含量ω=ωC/ωA× 100%，其中ωA為樣品鮮質量，ωC為樣品烘干至恒重后的質量。

1.3 數據統計分析

采用Microsoft Excel 2010 軟件對試驗數據進行處理；采用SPSS 27.0 軟件進行描述性統計、相關性分析、主成分分析及聚類分析。運用變異系數（CV）對不同芥菜材料單一品質指標的差異進行評估；運用主成分分析法提取各材料品質指標主成分，獲得主成分初始特征值、方差貢獻率及累積貢獻率；采用模糊數學隸屬函數分析法獲得各綜合指標隸屬函數值，從而對芥菜材料的綜合品質進行評價。

式中，y為芥菜綜合品質得分，t1、t2、t3 分別表示第1～3 主成分的特征值，y1、y2、y3 分別表示第1～3 主成分的特征向量權重值。

不同芥菜材料各品質成分指標的隸屬函數值：當某一品質成分指標與綜合品質呈正相關時，用公式（4）進行計算；當某一品質成分指標與綜合品質呈負相關時，用公式（5）進行計算。

式中，Xi表示第i個品質成分指標的測量值；Xmax表示第i個品質成分指標的最大值；Xmin表示第i個品質成分指標的最小值。

式中，pi表示經主成分分析所得第i個成分指標的貢獻率。

2 結果與分析

2.1 14 份芥菜材料的9 個品質指標含量的差異

對不同芥菜材料的單一品質進行比較分析可知（表2），不同芥菜材料的各品質指標之間具有顯著差異。14 份芥菜材料的干物質含量在5.22%～11.30% 之間， 平均含量為7.59%， 其中含量大于10.5%的芥菜材料有3 份，分別是1917381、1917396、1917397，且這3 份材料間無顯著差異，但均顯著高于其他材料；含量在5.5%以下的有2 份，分別是1917152、祥瑞182，這2份材料間無顯著差異，均顯著低于除1917343、1917326 外的其他材料。VC 含量在156.51～605.79 mg · kg-1（FW）之間，平均含量為389.61 mg ·kg-1（FW），其中含量最高的是1917040，其次是1915246，1917040 除與1915246 之間無顯著差異外，顯著高于其他材料；含量最低的是1917343，其次是祥瑞182、1917326，這3 份材料之間無顯著差異，但均顯著低于其他材料。粗蛋白含量在19.22%～31.78%之間，平均含量為23.93%，其中含量最高的是1915270，顯著高于其他材料；含量最低的是1917351，其次是1917326、1917397、1917381、1917396、1917343，這6 份材料之間無顯著差異，但均顯著低于其他材料。粗纖維含量在6.70%～36.63%之間，平均含量為13.29%，其中含量最高的是1917351，顯著高于其他材料；含量最低的是1917397，顯著低于其他材料。葡萄糖含量在3.38～14.38 g · kg-1之間，平均含量為10.50 g ·kg-1，其中含量最高的是1915256，其次是1917351和1915279，這3 份材料之間無顯著差異；含量最低的是1917381，其次是1917396、1917397，這3份材料之間無顯著差異，但均顯著低于其他材料。果糖含量在1.50～16.19 g · kg-1之間，平均含量為9.65 g · kg-1，其中含量最高的是1915246，其次是1915256，這2 份材料之間無顯著差異，但顯著高于除1917343、1917351 外的其他材料；含量最低的是1917396，其次是1917397、1917381，這3 份材料之間無顯著差異，但均顯著低于其他材料。蘋果酸含量在0.34～2.17 g · kg-1之間，平均含量為1.23 g · kg-1，其中含量最高的是1917012，顯著高于除1915279、1917381 外的其他材料；含量最低的是祥瑞182，其次是1917326，這2 份材料之間無顯著差異。草酸含量在0.05～0.20 g · kg-1之間，平均含量為0.11 g · kg-1，其中含量最高的是1917381，其次是1917396，這2 份材料之間無顯著差異，但1917381 顯著高于除1917396 外的其他材料；含量最低的是祥瑞182、1915270、1917326。檸檬酸含量在0.04～0.64 g · kg-1之間，平均含量為0.27 g · kg-1，其中含量最高的是1917012，其次是1915256、1917040，這3 份材料之間無顯著差異，但均顯著高于除1915270、1915279 外的其他材料；含量最低的是祥瑞182，其次是1917326，這2 份材料之間無顯著差異。

表2 14 份芥菜材料的品質指標測定結果

由表3 可知，14 份芥菜材料9 個品質指標的變異系數在16.46%～66.67%之間，說明不同芥菜材料的大部分品質指標存在較大的差異，各指標含量變異系數從大到小依次為檸檬酸＞粗纖維＞果糖＞VC ＞草酸＞蘋果酸＞葡萄糖＞干物質＞粗蛋白。說明不同芥菜材料之間檸檬酸含量差異較大；而粗蛋白含量差異較小，較為穩定。

表3 14 份芥菜材料9 個品質指標的統計分析結果

2.2 14 份芥菜材料9 個品質指標間的相關性分析

對14 份芥菜材料9 個品質指標進行相關性分析的結果表明（圖2），9 個品質指標間存在不同程度的相關性，其中干物質含量與VC 含量（0.61）、草酸含量（0.62）呈顯著正相關，但與葡萄糖含量（-0.86）、果糖含量（-0.83）卻呈極顯著負相關；VC 含量與粗纖維含量（-0.38）、果糖含量（-0.35）、葡萄糖含量（-0.31）呈負相關，但未達到顯著水平；粗蛋白含量與檸檬酸含量（0.55）呈顯著正相關，而與粗纖維含量（-0.39）、草酸含量（-0.32）呈負相關；葡萄糖含量與果糖含量（0.91）呈極顯著正相關，與草酸含量（-0.54）呈顯著負相關；蘋果酸含量與檸檬酸含量（0.77）呈極顯著正相關，與草酸含量（0.57）呈顯著正相關；其他品質指標之間也存在不同程度的相關性，但未達到顯著或者極顯著水平。由此可見，不同芥菜材料品質指標之間存在不同程度的差異，且各品質指標之間的相關程度也不同，因此只用單一品質指標的優劣評價芥菜的營養品質不夠全面、客觀，缺乏說服力和參考價值。

圖2 14 份芥菜材料9 個品質指標間的相關性分析結果

2.3 14 份芥菜材料品質的主成分分析

2.3.1 主成分分析 由相關性分析可知芥菜材料各品質指標間存在相關關系，部分指標信息有一定程度的重疊，需選取具有代表性的指標作為評價指標，去消減變量間的相關性，一定程度上降低評價負擔（李思夢 等，2021）。主成分分析（PCA）可以將多個指標轉換為多個綜合指標，以確定其相對重要性，并確保降維后的信息量保持在足夠高的水平上，從而對芥菜營養品質做出綜合評價（田藝心等，2020；Shi et al.，2021）。

對14 份芥菜材料的9 個品質指標進行主成分分析，得到各成分特征值、方差貢獻率及累積貢獻率，按照主成分個數提取原則為主成分對應的特征值大于1 的前n 個主成分，從中提取對營養品質影響較大的主成分（韓麗麗，2020）。由表4 可知，第1 主成分的方差貢獻率為42.819%，第2 主成分的方差貢獻率為27.243%，第3 主成分的方差貢獻率為13.310%，前3 個特征值的累積貢獻率為83.372%，且特征值均大于1，可代表原始數據的大部分信息。而其他主成分特征值小于1 且方差貢獻率趨向平緩，代表性不足，故選取前3 個因子作為評價芥菜營養品質的重要成分。

表4 14 份芥菜材料品質指標主成分載荷矩陣及特征值和貢獻率

2.3.2 主成分綜合性評價 利用公式（2）計算得出每個主成分特征向量系數后，構建得到第1～3主成分的得分函數表達式。

式中，y1、y2、y3分別表示第1～3 主成分的特征向量權重值；x1、x2、x3、x4、x5、x6、x7、x8、x9分別代表每份芥菜材料標準化后干物質、VC、粗蛋白、粗纖維、葡萄糖、果糖、蘋果酸、草酸、檸檬酸含量的結果。

將上述所得數據分別代入公式（3）式中，即得芥菜綜合品質得分。

最后，通過SPSS 軟件將標準化后的品質指標數據代入進行變量計算，即代入y1、y2、y3的函數公式中，得到主成分因子得分，然后利用該得分進行y的計算，得到14 份芥菜材料品質指標的綜合得分，并進行排序，如表5 所示。

表5 14 份芥菜材料品質指標主成分因子得分及排序

根據以上數據處理結果，從主成分得分方程可知，第1 主成分主要是干物質、草酸、果糖、葡萄糖、VC 這5 個指標共同影響，其中干物質含量的正向載荷最大，其次是草酸、VC 含量，對芥菜營養品質綜合評價起正向作用；而果糖、葡萄糖含量為負向載荷，對芥菜的營養品質綜合評價有負向作用。因此，第1 主成分主要是反映芥菜中干物質、草酸、VC 的含量因子。第2 主成分主要是粗蛋白、粗纖維、蘋果酸、檸檬酸這4 個指標共同影響，其中檸檬酸含量的正向載荷最大，其次是粗蛋白、蘋果酸含量，這3 個指標都是正向載荷，對芥菜營養品質綜合評價起正向作用；粗纖維含量是負向載荷，對芥菜營養品質綜合評價有負向作用。因此，第2 主成分主要是反映芥菜中檸檬酸、粗蛋白、蘋果酸的含量因子。第3 主成分主要是粗蛋白、粗纖維、蘋果酸、草酸這4 個指標共同影響，其中粗蛋白含量是負向載荷，而正向載荷最大的是粗纖維含量，因此第3 主成分主要是反映芥菜中粗纖維的含量因子。

由芥菜綜合品質得分方程知，第1 主成分在芥菜營養品質綜合評價中占據主要作用，而第2、3主成分的占比不大，即干物質、草酸、果糖、葡萄糖、VC 含量對芥菜營養品質的評價影響較大。由表5可知，1917012、1917396、1917381 這3 份材料綜合品質得分排名靠前，營養品質較好；而1917351和祥瑞182 排名靠后，營養品質較差。

2.4 14 份芥菜材料的聚類分析

2.4.1 隸屬函數分析 根據模糊數學隸屬函數計算公式分別對14 份芥菜材料主成分綜合指標隸屬函數值進行計算，因粗纖維含量與綜合指標呈負相關，故干物質含量和檸檬酸含量使用公式（4）進行計算，粗纖維含量使用公式（5）進行計算；根據3 個綜合指標貢獻率的大小，利用公式（6）計算其權重值分別為0.58、0.28、0.14；利用公式（7）計算得到芥菜材料的品質綜合評價值（D 值）。

由表6 可知，單就干物質含量而言，1917396的隸屬函數值最大，為1.00，說明該材料干物質含量高，其次為1917397、1917381；1917152 的隸屬函數值最小，為0，說明該材料干物質含量最低，其次為祥瑞182。而對檸檬酸含量和粗纖維含量而言，分別是1917012 和1917397 隸屬函數值最大。從各指標的綜合評價值來看，1917396、1917397、1917381 的D 值較大，說明這3 份芥菜材料的營養品質優良；1917152 和祥瑞182 的D 值較小，營養品質較差。

表6 14 份芥菜材料的主成分綜合指標隸屬函數值和D 值

2.4.2 聚類分析 在對多個樣本進行品質綜合評價時，單個指標的高低不能作為評判該品種品質是否優良的標準，需要從多個方面進行綜合性描述和分類。依據隸屬函數分析法對14 份芥菜材料綜合指標的D 值進行標準化后，采用系統聚類法進行聚類分析（圖3），在歐氏距離（ED）5 處將14 份芥菜材料分為3 類，第Ⅰ類有3 份材料，分別是1917396、1917397、1917381；第Ⅱ類有9 份材料，分別是1915256、1915246、1915279、1915270、1917012、1917040、1917351、1917326、1917343；第Ⅲ類有2 份材料，分別是1917152、祥瑞182。

圖3 14 份芥菜材料的D 值聚類分析結果

3 討論與結論

芥菜因自身具有辛辣味而得名，又因其加工水解可產生多種氨基酸，使得味道鮮美、馨香馥郁，深受人們喜愛，從而在我國蔬菜周年供應中占有重要的地位（葉靜淵，1993）。隨著生活水平的提高，蔬菜生產已由數量型向品質型轉變，人們逐漸開始關注蔬菜的營養品質以及對人體健康有益的生理功能。而前人對芥菜的研究主要集中在利用激素或者化學物質對芥菜生理及采后貯藏方面進行優化，或者揭示芥菜某種生理特性的分子表達等（Di et al.，2022；Lin et al.，2022；Shah et al.，2022；Tandayu et al.，2022），鮮有對芥菜營養品質形成和評價研究的報道。

蔬菜的品質不僅與營養和感官等相關指標有關，而且與生長環境、品種特性和加工方式等多種因素有關（Arah et al.，2015）。本試驗中參試芥菜材料處于同一栽培管理條件下，避免了外界條件不同造成系統誤差影響某一品種的品質評價結果；且每個品質指標含量進行多次測定，減少了實驗誤差。植物品質評價具有復雜性和綜合性，優良品質的遺傳受多基因的共同調控，且品質指標之間存在相互影響和制約（van Inghelandt et al.，2019），因此，如何科學準確地評價芥菜品質是優質芥菜種質培育的基礎條件（蘇小雨 等，2023）。目前作物品質評價多采用模糊數學隸屬函數分析法或主成分分析法和聚類分析法相結合等，如賴佳等（2022）、粱昕景等（2022）、周福平等（2022）使用隸屬函數分析法分別對白菜、甜瓜、高粱進行了評價，公麗艷等（2014）、喻華平等（2022）使用主成分分析法和聚類分析法分別對蘋果、黃皮進行了評價。

本試驗采用多種分析方法（相關性分析、主成分分析、模糊數學隸屬函數分析和聚類分析）相結合，對芥菜營養品質進行評價，最大程度上保證評價結果具有科學性和準確性。描述統計分析結果表明，參試14 份芥菜材料的9 個品質指標變異系數在16.46%～66.67%之間，變異系數從大到小依次為檸檬酸、粗纖維、果糖、VC、草酸、蘋果酸、葡萄糖、干物質、粗蛋白含量，由此可見不同芥菜材料之間檸檬酸含量差異較大，粗蛋白含量差異較小。相關性分析表明，果糖含量、葡萄糖含量與干物質含量、VC 含量均呈負相關，這與徐義康等（2018）對大白菜品種性狀評價結果一致；粗纖維含量與VC 含量也呈負相關，與黎庭耀等（2017）對不同豇豆品種資源營養品質分析的結果一致。通過主成分分析將9 個品質指標轉換為3 個綜合指標，其中對芥菜品質影響最大的是干物質含量；綜合品質得分較高的3 份芥菜材料是1917012、1917396、1917381，而1917351 和祥瑞182 排名最后。根據3 個綜合指標進行隸屬函數分析和品質綜合評價，由此得出各芥菜材料品質的優劣；利用歐氏距離法根據D 值進行聚類分析，將14 份芥菜材料劃分為3 類，營養品質優良的芥菜材料為1917396、1917397、1917381，較差的為1917152、祥瑞182。綜合以上結果，芥菜材料1917381、1917396 表現良好，營養品質高。此外還可以看出，兩種評價方法結果雖有共同之處，但仍有個別材料會出現差異，這可能是由于兩種評價方法計算方式的不同造成一定偏向性所引起的。同時也側面說明利用多元統計方法對芥菜品質進行評價具有合理性，能夠充分說明14 份芥菜材料的品質特征，也進一步說明了該評價體系具有科學性和準確性，可為芥菜品質評價和芥菜優勢育種奠定基礎。