基于主成分分析法的嘉峪关10种酿酒葡萄品种品质评价

魏烈权，卢世雄，马宗桓，郭锐，毛娟

(1.甘肃农业大学园艺学院，甘肃 兰州 730070；2.酒钢(集团)宏丰实业分公司葡萄园，甘肃 嘉峪关 735100)

葡萄(Vitisvinifera)属于葡萄科葡萄属木质藤本植物，在全世界分布广泛.葡萄果实中富含糖类、果酸、氨基酸等多种营养物质，具有很高的经济价值，种植面积和产量仅次于柑橘，是世界第二大水果[1].据联合国粮农组织统计，2018年世界葡萄种植面积为715.77万hm2，其中，中国葡萄种植总面积达79.52万hm2，为世界第二大葡萄种植国.甘肃河西走廊是我国酿酒葡萄种植8大优势区域之一，该区域生产的葡萄酒品质优良，深受广大消费者的喜爱，但如何选择适于区域种植的优良品种一直是困扰区域葡萄酒产业发展的突出问题.葡萄酒品质70%来源于原料，因此对于葡萄品质的评价将对产业发展起着重要的作用[2-4].

酿酒葡萄果实品质受可溶性糖、单宁、总酚、抗坏血酸、可溶性固形物等多个指标影响[5].而对一个品种品质优劣的评判往往要求将多个指标进行综合分析后才可确定，目前，关于果实品质评价的方法主要包括主成分分析、相关性分析、聚类分析等[6].主成分分析能够将原来的多个指标转化成数目较少的综合指标，用较少的指标来反映原有的信息，分析结果更简洁，在果实品质分析中被大量应用[7-10].刘春艳等[5]对宁夏贺兰山7个葡萄品种的品质进行了主成分分析，筛选出了可溶性总糖、可溶性固形物、总酚、单宁等评价优质葡萄的重要性状指标.赵滢等[10]对山葡萄果实品质进行了主成分分析，筛选出了综合品质最优的3个山葡萄品系‘200417’‘200306’和‘75113’.苏鹏飞等[11]通过主成分析法对‘梅鹿辄’品质指标进行综合评价，从而确定了‘梅鹿辄’的最佳采收期.潘照等[4]对18种鲜食葡萄的14个基本品质指标进行了主成分分析，筛选出了‘黑提’‘阳光玫瑰’‘魏可’‘红地球’和‘巨玫瑰’等5种品质最好的鲜食葡萄.

嘉峪关位于甘肃省西北部，河西走廊中部，气候干燥，光热资源丰富，属典型的大陆性荒漠气候，是我国优质酿酒葡萄栽培区域之一.对该区域葡萄栽培技术、灌溉方式、抗寒性等方面前人研究较多[12-14]，而关于葡萄品质综合评价方面的报道甚少.因此，本研究尝试将主成分分析法与相关性分析法相结合，分析在该区域栽植的不同酿酒葡萄果实品质，以期为嘉峪关筛选优良的酿酒葡萄品种提供理论依据.

1 材料与方法

1.1 试验区概况及材料

本试验在甘肃省酒钢(集团)宏丰实业分公司葡萄园进行，该试验基地位于河西走廊西部，地处N 39°37′～39°58′，E 97°49′～98°31′，自然降水量年均85.30 mm，蒸发量2 149.00 mm，全年无霜期130 d左右.灌淤土类占耕地总面积的94.13%，占总土地面积的4.19%；土壤pH 8.50，属于碱性土壤.试验材料为‘白玉霓’‘北冰红’‘赤霞珠’‘佳美’‘美乐’‘威代尔’‘霞多丽’‘意斯林’‘左优红’‘黑比诺’10个品种，于2005年定植，栽植行株距4.0 m×1.0 m，南北行向，单臂篱架，采用多主蔓扇形整枝，灌溉方式为滴灌，田间管理方式一致.在果实成熟期，选取长势基本一致的10株树，在每株葡萄树周围不同方向随机取样，不同品种分开包装后低温带回实验室-80 ℃冷冻保存.

1.2 试验指标及测定方法

可溶性固形物：采用手持折光仪测定，每个葡萄品种随机选取30粒果实，求其平均值[15]；pH：采用酸度计测定，每个葡萄品种随机选取30粒果实，求其平均值；出汁率：每个葡萄品种随机选取100粒果实，用电子天平称量并记录数值，再将称量后的葡萄果实用压汁机压汁，最后称量压汁后剩余的果皮残渣，计算出汁率，重复3次；可滴定酸：采用NaOH滴定法测定[15]；可溶性糖：采用蒽酮比色法测定[16]；糖酸比：可溶性糖含量与对应可滴定酸含量的比值；单宁：采用福林-丹尼斯法测定[15]；总酚：采用福林-肖卡法测定[15]；抗坏血酸：采用分光光度法测定[17].

1.3 主成分分析法

本试验采用SPSS软件对10个酿酒葡萄品种的品质指标数据进行标准化处理，然后进行主成分分析，依照因子性状的累计方差贡献率大于80%，特征值大于1的原则，确定主成分因子个数.利用SPSS软件得到不同酿酒葡萄品种的主成分得分值fi，按式(1)计算综合得分值F.

(1)

式中，F为各酿酒葡萄品种品质的综合得分值；fi为第i个特征值大于1的主成分得分值；yi为第i个主成分的方差贡献率.

1.4 数据分析

采用Excel 2010软件进行数据整理，并采用IBMSPSS Statistics 19软件进行统计分析与主成分分析.

2 结果与分析

2.1 不同酿酒葡萄品种品质的分析

由不同酿酒葡萄品种的主要品质指标可以看出(表1)，10个酿酒葡萄品种中，各品质性状指标含量均存在一定的差异.在糖、酸含量方面，‘美乐’可溶性糖含量最高，达到23.56%，显著高于其他品种，而‘北冰红’可溶性糖含量最低，仅为15.44%；‘黑比诺’‘佳美’‘美乐’‘白玉霓’‘威代尔’‘赤霞珠’‘意斯林’‘霞多丽’8个品种可溶性糖含量均超过17.00%.‘北冰红’可滴定酸含量为1.31%，显著高于其他品种.‘黑比诺’糖酸比达到44.28，显著高于其他品种，而‘北冰红’糖酸比最低，仅为11.82，该两个品种糖酸比差异在10个酿酒葡萄品种中最为显著.在酚类物质含量方面，‘北冰红’总酚含量最高，达到23.62 mg/g，其次为‘佳美’，总酚含量为21.55 mg/g，而‘美乐’总酚含量最低，为12.17 mg/g，显著低于其他品种.‘佳美’单宁含量最高，达到13.21 mg/g，显著高于其他品种，而‘霞多丽’单宁含量最低，仅为4.97 mg/g.在抗坏血酸含量方面，‘北冰红’抗坏血酸含量最高，达到10.08 mg/100g，其抗坏血酸含量显著高于其他品种，而‘赤霞珠’抗坏血酸含量最低，仅为4.55 mg/100g.在可溶性固形物含量方面，‘美乐’可溶性固形物含量最高，达到25.10%，显著高于其他品种，而‘北冰红’可溶性固形物含量最低，仅为17.37%.在出汁率方面，‘白玉霓’‘黑比诺’‘意斯林’‘佳美’等4个品种出汁率均高于60%，分别为70.55%、66.87%、63.86%、62.08%，而‘北冰红’的出汁率最低，仅为47.55%，显著低于其他品种.

表1 不同酿酒葡萄品种的主要品质指标

2.2 酿酒葡萄品种品质性状的变异程度分析

由不同酿酒葡萄品种主要性状的品质分析可知(表2)，不同葡萄品种间各指标变异程度较大，变异系数波动在7.36%～32.00%.变异系数反映了数据的离散程度，其中，可滴定酸的变异系数最大，为32.00%，数据变化范围为0.50～1.31.其次为糖酸比，变异系数为31.17%，数据变化范围为11.82～44.28.不同品种之间性状差异较大，可能与各自遗传性状等有关.pH的变异系数较低，为7.36%，数据变化范围为2.84～3.67，表明各品种酸碱度性状差异小.

表2 供试酿酒葡萄品种品质指标分析

2.3 酿酒葡萄品种品质性状的相关性分析

酿酒葡萄品质指标的相关性分析可以直观的反映出各指标间的相互关系.从不同酿酒葡萄品种主要性状相关性分析可以看出(表3)，嘉峪关10个酿酒葡萄品种的9个品质指标中可溶性糖含量与可溶性固形物含量、糖酸比、pH呈极显著正相关，与出汁率呈显著正相关，与抗坏血酸含量呈显著负相关，与可滴定酸含量呈极显著负相关；可滴定酸含量与抗坏血酸含量呈极显著正相关，与可溶性固形物含量、出汁率、pH、糖酸比呈极显著负相关；总酚含量与单宁含量呈极显著正相关；抗坏血酸含量与出汁率、pH、糖酸比呈显著负相关；可溶性固形物含量与pH、糖酸比呈极显著正相关，与出汁率呈显著正相关；出汁率与pH、糖酸比呈显著正相关；pH与糖酸比呈极显著正相关.

表3 不同酿酒葡萄品种主要性状相关性分析

2.4 酿酒葡萄品质的主成分分析

由方差贡献率分析可知(表4)，前2个主成分累积贡献率为82.21%，并且这2个主成分的特征值均大于1，表明前2个主成分能够代表原来9个品质指标的大部分信息.将所提取的主成分因子进行旋转处理，主成分旋转成分矩阵(表5)，反映了葡萄果实品质性状与前2个主成分的关系，第1主成分方差贡献率为62.99%，主要代表糖酸比、可溶性糖、pH、可溶性固形物、出汁率等指标信息；第2主成分方差贡献率为19.22%，主要代表单宁、总酚等指标信息.综上所述，糖酸比、可溶性糖、pH、可溶性固形物、出汁率、单宁、总酚等可作为评价酿酒葡萄品质优劣的参考指标.

表4 方差贡献分析表

2.5 酿酒葡萄品质的综合评价分析

酿酒葡萄综合评价可简单、直观地反映出某一个品种品质的优劣，以便于人们对所需品种的选择.以主成分f1、f2的贡献率作为权重，得出葡萄果实的综合品质评价体系为：F=0.63×f1+0.19×f2.葡萄各品种综合得分见表6.甘肃河西走廊葡萄酒产区嘉峪关10个酿酒葡萄品种综合得分从大到小依次为：‘黑比诺’‘佳美’‘美乐’‘白玉霓’‘威代尔’‘赤霞珠’‘意斯林’‘霞多丽’‘左优红’‘北冰红’，综合得分越高，表明其品质特征越好，具有更好的推广潜力.

表5 主成分旋转成分矩阵

表6 葡萄各品种综合得分

3 讨论

糖、酸是酿酒葡萄重要的品质指标，其含量的高低对葡萄酒的口感有着举足轻重的作用[18].研究表明，当果实含糖量超过17.00%，糖酸比即成熟系数等于或大于20，才能酿造出高品质的葡萄酒[19-20].在本试验中，‘黑比诺’‘佳美’‘美乐’‘白玉霓’‘威代尔’‘赤霞珠’‘意斯林’‘霞多丽’可溶性糖含量超过17.00%，糖酸比即成熟系数大于20，均满足酿造出高品质葡萄酒的条件.其中，‘美乐’可溶性糖含量最高，达到23.56%，而该品种在宁夏的可溶性糖含量仅为19.91%[5]，相比可知，‘美乐’在甘肃嘉峪关糖分的积累要比宁夏高出许多，这可能与栽培管理和当地气候环境有关[21-22].

酚类化合物是葡萄中的次生代谢产物，它对果实的形成及其品质具有至关重要的作用[23].研究结果表明，酚类化合物能够在葡萄果实生长发育中不断累积，从而影响葡萄酒的感官品质，尤其是对葡萄酒的色泽、收敛性等有着极为重要的影响，它可以增强葡萄酒的结构感，产生稳定的色素和防止不良风味，对葡萄酒尤其红葡萄酒质量具有重要意义[24-27].本研究中的10个酿酒葡萄品种总酚含量均超过10 mg/g，其中，‘佳美’总酚、单宁含量在10个品种中分别位居第2位、第1位，而该品种在新疆玛纳斯县总酚含量不足5 mg/g，这表明嘉峪关的环境条件更有利于此品种酚类物质的积累[22,28].

本试验研究发现，酿酒葡萄果实中可溶性糖含量与可溶性固形物含量呈极显著正相关，总酚含量与单宁含量呈极显著正相关，这与前人[5,29-30]研究结果相同.主成分分析法能够将原来数目较多或彼此相关的指标转化成新的数目较少或彼此独立或不相关的综合指标，通过降维方法把全部指标的表达信息聚集到少数几个指标(主成分)，减少了信息的交叉，分析评估结果更具有客观性和准确性[7-9].该方法已在苹果[31-32]、葡萄[10]、猕猴桃[7]、橄榄[33]等果实品质分析中被广泛应用.刘春艳等[5]应用主成分分析，筛选出了糖酸比、可溶性糖、可溶性固形物、单宁、总酚等指标来作为评价优质酿酒葡萄品种的参考指标，这与本试验结果一致.本试验通过主成分的分析方法筛选出了酿酒葡萄品质评价的核心指标，确定了酿酒葡萄综合品质评价体系，得出了10个葡萄品种的综合排名.这表明本试验建立的主成分评价体系能够有效的评价酿酒葡萄的品质，对嘉峪关优质酿酒葡萄品种的筛选有一定的参考价值.

4 结论

主成分分析各葡萄品质指标表明，糖酸比、可溶性糖、pH、可溶性固形物、出汁率、单宁、总酚可以作为评价优质酿酒葡萄品种的参考指标.在主成分评价体系中，‘黑比诺’‘佳美’‘美乐’综合得分分别为0.82、0.63、0.39，在供试的10个品种中居前3位，这表明该3个品种的品质性状整体优于其他7个品种，在嘉峪关表现较佳.