基于主成分分析的芝麻品质综合评价

严 圭 ，李辉婕，华之梦，苏如奇，王 敏，舒金贵，石 锐，方 圣*，吴自明*

（1.江西农业大学作物生理生态与遗传育种教育部重点实验室/江西省作物生理生态与遗传育种重点实验室，江西南昌 330045；2.江西省鄱阳县农业农村局，江西鄱阳 333100）

【研究意义】芝麻（Sesamum indicumL）属胡麻科1年生草本植物，是世界上古老的特色优质油料作物[1]。按照芝麻利用途径，可将其划分为油用、副食品用、工业用、药用及饲料用5大适用类型，其中油用型和副食品用型为主要类型[2]。不同适用类型芝麻品种籽粒成分特征不同，用于生产芝麻酱等副食品的芝麻往往要求含有较高的粗蛋白含量、较高的纤维素含量及较低的粗脂肪含量，以维持芝麻酱的稳定性，避免出现“固液分离”现象[3]。优质的油用型芝麻则通常要求其籽粒中具有较高含量的不饱和脂肪酸及芝麻素、芝麻酚林等抗氧化活性物质，不饱和脂肪酸是人体不能合成的必须脂肪酸，对降低胆固醇、预防血管硬化具有良好效果。芝麻中特有的芝麻素、芝麻林素在加工中可转化为芝麻酚和芝麻素酚，可以预防高血压、延缓皮肤细胞衰老，利用优质的油用型芝麻压榨得到的芝麻油具有很高的营养与保健价值[4]。因此选育出优质的油用型芝麻品种对于高品质芝麻油的开发具有重要意义。【前人研究进展】柳家荣等[5]对410份芝麻种质的油分、蛋白质含量及脂肪酸组分进行了分析，筛选出18个油酸含量高于45%的品种，110个亚油酸含量高于45%的品种。张秀荣等[6]对48份我国芝麻育成品种及高代品系的主要品质成分的含量进行了分析，筛选出7个含油量大于60%的高油资源、2个蛋白质含量大于24%的高蛋白资源及3个木质素含量大于1.1%的高木质素资源。贾斌等[7]对317份国内芝麻的芝麻素及芝麻酚林含量进行测定，结果表明，白芝麻种质的芝麻素及芝麻酚林含量均显著高于黑芝麻。以上研究表明，不同芝麻品种间油分、脂肪酸组分、芝麻素、芝麻酚林含量等均存在差异，可以通过测定芝麻的品质指标，明确不同芝麻品种的适用类型。【本研究切入点】前人有关芝麻油用品质的综合分析报道较少，现有的芝麻油用品质评价方法往往孤立地考察脂肪酸组分、芝麻素、芝麻酚林等品质指标，而未能将这些指标进行综合分析，因此难以准确地对芝麻的油用品质进行综合评价。主成分分析法（PCA,Principle Component Analysis）将多个变量通过降维处理整合成几个较少的综合变量，尽可能地反映原有变量的信息，既达到化繁为简的目的，又可以对多个品质指标进行综合分析[8]。本研究利用近红外光谱仪对31份芝麻资源的品质指标进行测定，采用主成分分析法建立芝麻油用品质优劣评价模型。【拟解决的关键问题】以该模型对31份芝麻资源的油用品质进行综合评价，筛选出油用品质较优良的芝麻资源，并为油用高品质芝麻品种的选育提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验采用收集自5个省份、21个县市区的31个栽培面积较大的芝麻品种，其中地方品种28个，育成品种3个（表1）。

表1 31种芝麻品种与产地Tab.1 31 Sesame varieties and origins

1.2 试验方法

试验于2018年8月至10月在江西农业大学生态园进行，试验地土壤理化性质为：pH值6.1、有机质22.5 g/kg、碱解氮67.0 mg/kg、有效磷9.76 mg/kg、速效钾72.68 mg/kg、全氮1.16 g/kg。按品种编号依次条播，每品种播种4行，行长2 m，行距40 cm，两对真叶期按照株距15 cm间苗。播种前每公顷施用300 kg三元复合肥（N∶P∶K=15∶15∶15）作底肥，后期栽培管理均按当地耕作习惯和水平进行。成熟期收获籽粒，并利用DS2500F型近红外光谱仪（美国Foss公司）对样品进行检测，重复3次。检测品质指标包括芝麻素、芝麻酚林、棕榈酸、棕榈烯酸、十七烷酸、十七碳烯酸、硬脂酸、油酸、亚油酸、亚麻酸、花生酸、花生烯酸、粗脂肪含量共13个性状。

1.3 数据处理

利用Excel 2010软件整理数据并进行变异分析，利用SPSS Statistics22.0软件进行相关性分析、主成分分析及聚类分析。

2 结果与分析

2.1 品质性状的变异分析

表2为不同品种芝麻品质的测定结果，各品质性状在不同材料间的含量差异较大，遗传变异比较丰富。13个品质性状的变异幅度在3.63%～40.74%，其中芝麻素含量变异系数最大，为40.74%，棕榈酸含量变异系数最小，为3.63%。

2.2 品质性状的相关性分析

从相关系数矩阵可知，各性状之间存在一定的相关性。其中，芝麻素含量与亚麻酸含量、棕榈烯酸含量与硬脂酸含量、硬脂酸含量与亚麻酸含量、油酸含量与亚油酸含量、亚麻酸含量与花生烯酸含量间均存在极显著的负相关关系，而芝麻素含量与硬脂酸含量，芝麻酚林含量与亚麻酸含量，棕榈烯酸含量与亚油酸含量，十七烷酸含量与十七碳烯酸、油酸含量，亚麻酸含量与花生酸含量间均存在极显著的正相关关系（表3）。指标上的相关性说明所得的统计数据反映的信息在一定程度上有所重叠，因此有必要通过主成分分析对13项指标进行简化来提高综合评价的准确性。

表2 31种芝麻的品质指标Tab.2 Quality indexes of 31 kinds of sesame

续表2

2.3 品质性状的主成分分析

对31个芝麻品种的13个品质指标进行主成分分析，提取出3个特征值大于1的主成分，其累计方差贡献率达到85.385%，可以解释绝大部分原始信息（表4）。其中第一主成分的特征值6.730，贡献率51.770%，第一主成分载荷较高的为亚麻酸，其次是芝麻素和硬脂酸，因此将第一主成分称为亚麻酸因子。第二主成分的特征值3.222，贡献率24.782%，在第二主成分中，油酸的载荷最大，其次是亚油酸和十七烷酸，因此将第二主成分称为油酸因子。第三主成分的特征值1.148，方差贡献率8.833%，第三主成分中，芝麻酚林的载荷最大，将第三主成分称为芝麻酚林因子（表5）。3个主成分因子累计贡献率达到85.385%，较全面地反映了芝麻的13个品质性状。

表3 芝麻品质指标间的相关性分析Tab.3 Correlation analysis of quality indexes of sesame

表4 主成分的特征值、方差贡献率和累计方差贡献率Tab.4 Eigenvalue，variance contribution rate and cumulative variance contribution rate of principal components

用各品质指标的主成分载荷除以主成分相对应的特征值开平方根，得到3个主成分中每个品质指标所对应的系数即特征向量，以特征向量为权重构建3个主成分得分的函数表达式：（F1为第一主成分得分；F2为第二主成分得分；F3为第三主成分得分）

表5 主成分在各品质指标上的因子载荷矩阵Tab.5 Rotated component matrix of the principle component analysis

以3个主成分中每个主成分的贡献率占所有提取主成分的贡献率之和的比值为权重，构建综合评价模型：S（品质综合得分）=0.606F1+0.290F2+0.103F3。对各品种芝麻的品质指标原始数据进行标准化处理后，根据综合得分模型可计算出不同品种芝麻的综合得分（表6），得分越高，品质越优。31个芝麻品种中品质较优的依次为鄱阳黑芝麻、鄱阳对夹乌芝麻、鄱阳千层塔、上饶车轮芝麻、星子芝麻。

表6 芝麻主成分得分及排名Tab.6 Principal components value of sesame varieties

续表6

2.4 品质性状的聚类分析

将13个品质性状指标进行标准化转换后，采用欧氏距离离差平方和法对31份芝麻资源进行系统聚类，结果如图1所示。结果表明，在欧式距离9.0处可将31份芝麻资源聚为4大类群。其中第I类群包含12份资源，该类群的芝麻具有亚麻酸含量最高、油酸含量与芝麻酚林含量均较高、粗脂肪含量较低的特点，综合品质得分排名靠前，品质较优。第二类群包含2份资源，该类群的芝麻粗脂肪含量高、芝麻素含量较高、亚麻酸含量低，综合品质较差；第三类群包含15份资源，该类群的芝麻具有粗脂肪含量高、亚麻酸含量低特点，综合品质排名靠后，品质较差；第四类群包含2份资源，该类群的芝麻具有含油量中等、亚麻酸含量中等的特点，综合品质排名中等。

图1 31份芝麻资源的品质聚类分析Fig.1 Cluster analysis of quality of 31 sesame varieties

3 讨论与结论

我国丰富的芝麻种质资源，是进行高品质芝麻育种的重要材料[9−10]。对现有的芝麻种质资源进行鉴定、评价，有利于种质资源的高效利用，对于芝麻育种工作具有重大意义[11]。近年来兴起的近红外光谱技术具有快速、无污染、不破坏样本等优点[12−16]，在农作物品质分析上应用广泛，但在芝麻品质检测上仍报道较少[17−18]。本研究利用近红外光谱仪测定不同芝麻品种的品质指标，发现不同芝麻品种间品质差异较大。其中芝麻素含量、芝麻酚林含量、亚麻酸含量的变异系数均大于10%，芝麻素含量的变异系数甚至达到40.74%，而棕榈酸、粗脂肪等变异系数均小于10%，这与刘盼等[19]的研究结果一致。因此在选育新品种时，芝麻素的选择空间较大，而棕榈酸、粗脂肪的选择难度较大。相关性分析表明，芝麻籽粒中芝麻素含量与粗脂肪含量呈极显著正相关，与梅鸿献等[20]的研究结果一致，棕榈酸含量与硬脂酸含量呈极显著正相关关系，而与亚油酸含量呈极显著负相关关系，油酸含量与亚油酸含量呈极显著负相关关系，与汪学德[21]等先前的研究结果一致。这些脂肪酸含量间的相关性可能与芝麻的生长环境及生长过程中的脂肪酸合成路径有关[22−24]。

现有的芝麻油用品质评价方法往往较多地使用变异分析和相关性分析，这些方法仍存在片面性强、主观性强的问题，难以客观、准确地反映芝麻的油用综合品质[25−26]。而主成分分析可将多个评价指标简化为少量的几个综合指标，去除不重要部分，保证原信息损失小且变量数目尽可能少[27−29]，可对农产品品质进行综合评价，已在花生、红麻、柑橘、苹果等多种农产品的品质评价上得到应用[30−31]。本研究采用主成分分析方法从31份芝麻资源的13个油用品质指标中提取3个主成分，可反映所有品质指标85.385%的信息，同时筛选出对芝麻品质影响最大的3个核心指标：亚麻酸含量、油酸含量、芝麻酚林含量。以主成分的特征向量为权重构建主成分的函数公式，以所选主成分对应的贡献率占累计贡献率的比例为权重，得到芝麻油用品质综合评价模型，将原始数据标准化后，代入到上述公式中即可求得品质综合得分。参试品种中综合得分最高的前5个品种依次为鄱阳黑芝麻、鄱阳千层塔、鄱阳对夹乌、上饶车轮芝麻、星子芝麻。以31份芝麻资源的油用品质参数为指标，利用欧式距离离差平方和法对这些品种进行系统聚类，可将31份芝麻资源划分为4大类群，其中上述综合得分最高的5个品种均被聚为第I类群中，聚在该类群的品种具有高芝麻酚林、高亚麻酸含量的特点，油用综合品质较高，可作为高品质芝麻油的生产原料；懒汉白芝麻、青县白芝麻被聚为第IV类群，该类群油用综合品质中等，但懒汉白芝麻和青县白芝麻中油酸含量高，可作为选育高油酸芝麻的亲本加以利用；其余品种被聚为第II、III类群，这些芝麻的油用综合品质较差，但该类群中有些品种某一方面的品质较为突出，如武昌竹竿青早麻、扶绥白芝麻的芝麻素含量较高，分别达到5.65 mg/g、6.07 mg/g，襄阳米黄芝麻、武昌转股麻的粗脂肪分别达到56.33%和56.83%，这些品种可作为选育专用型品种如高芝麻素、高含油量芝麻的亲本加以利用。

本研究应用近红外光谱仪测定31份芝麻资源的13个油用品质指标，并利用主成分分析法构建了芝麻油用品质优劣综合评价模型，依据该模型对31份芝麻资源的油用品质进行综合评价，油用品质较优的5个芝麻品种依次为鄱阳黑芝麻、鄱阳千层塔、鄱阳对夹乌、上饶车轮芝麻、星子芝麻。试验结果可为芝麻新品种的选育、芝麻产品的开发利用提供参考。