基于3 种分析方法的板栗果实营养品质综合评价

魏 源，吕梦炀，马亚特，刘 静，4，王 旋，4 ，王东升，4

（1.河北科技师范学院 园艺科技学院，河北 秦皇岛 066000；2.板栗产业技术教育部工程研究中心，河北 秦皇岛066000；3.河北省特色园艺种质挖掘与创新利用重点实验室，河北 秦皇岛 066000；4.河北省板栗产业协同创新中心，河北 秦皇岛 066000）

板栗（Castanea mollissimaBlume）是我国传统的特色坚果和木本粮食树种，多分布于山地丘陵地区，抗逆性强，果实营养价值高[1-3]。作为乡土树种，板栗在全国均有分布，并被划分为华北、西北、东南、西南、东北、长江中下游6 个品种群。我国板栗资源丰富，选种潜力巨大，充分挖掘我国优良板栗种质资源并对其品质进行综合评价是板栗资源保护、选育和开发利用的重要保障[4]。

学者们曾对不同的板栗资源进行评价，为板栗品种选育和资源开发利用提供了诸多参考。常用的评价方法有等距分级评价法[5]、模糊数学法[6]等。孙鲁平等[7]用品质指数来表示燕山板栗的综合品质，认为土壤pH 值与板栗品质（QI 值）呈显著的负相关，1～2 mm 土壤颗粒含量与板栗品质呈显著正相关，而土壤Fe、Mn、Cu、Zn以及P、K 含量等与板栗品质呈不显著负相关；陈在新等[8]以模糊综合决策的数学模型M（·＋）对各优系（品种）板栗的营养品质进行了综合评判，认为在果实中营养品质以淀粉及糖类为主，并含有较为丰富的蛋白质、脂肪、维生素。景芸等[9]通过对25个不同无性系锥栗果实的蛋白质、脂肪、可溶性糖和淀汾等4个营养成分含量测定后，Q型系统聚类分析结果表明，蛋白质含量在中等以上的有9 个无性系，脂肪含量在中等以上的有16 个无性系，可溶性糖含量在中等以上的有21 个无性系，淀粉含量在中等以上的有11 个无性系；刘艳等[5]采用等距分级评价法对燕山地区板栗主栽和引种品种的营养品质进行了评价，认为怀九、怀黄、怀柔短花栗、北峪2号、燕山魁栗及山东红栗最适合炒食加工；阚黎娜等[10]采用SPSS 对38 个不同产地、品种板栗进行了主成分分析和聚类分析，认为湖北罗田乌壳栗、河北遵化遵达栗、河北迁西燕山短枝和北京怀柔燕红4 个品种综合质量较高，38 个不同的板栗品种被分成了4 类，总体情况是同一或相似品种群的品种分到了一类，表明板栗品种间的遗传变异与地理分布有一定的关系；朱灿灿等[11]根据最大隶属原则对34 个不同板栗品种（系）进行了排序，尖顶油栗（358 号）、汪字头7 号（283 号）、岑口大栗（374 号）、桂花香（25 号）及双合大红袍（216号）等品种的果实品质最佳；肖丽静等[12]对13 个板栗品种（系）经主成分分析提取出7 个特征根大于1的公因子，累计方差贡献率为92.593%，根据综合得分对供试品种（系）进行排序，结果表明，燕宝的综合品质最佳，其次为燕奎，综合得分最低的是燕山短枝。虽然评价方法众多却少有研究对不同方法进行对比分析，探讨不同分析方法对板栗营养品质综合评价的影响。燕山板栗遗传多样性丰富，具有香、甜、糯的优异品质，对栗疫病、栗瘿蜂有较好的抗性[13]，是栗类植物遗传改良的重要亲本[14]。为了充分利用燕山地区的特有板栗资源，进一步开展种质资源创新，分别使用主成分分析法、隶属函数法、K-均值聚类法对12 个燕山板栗品种（系）品质进行多维度分析和对比评价，旨在分析不同方法在评价板栗坚果品质上的异同，以期为燕山地区优良板栗品种选育提供一定参考。

1 材料和方法

1.1 供试材料

供试板栗品种（系）共有12 个，分别为燕宝、燕龙、抚宁12 号、兴隆4 号、燕京8 号、青龙47 号、兴隆5 号、兴隆1 号、青龙62 号、抚宁8 号、青龙66 号、迁西42 号，其中，燕宝和燕龙为河北科技师范学院板栗育种栽培组选育的实生品种，其余的为该课题组选育的优良品系。所有板栗品种（系）均以燕山短枝为砧木，嫁接于河北科技师范学院试验基地，5年生。每份资源分别选定3株树采收自然成熟坚果，每株采收30 个坚果，带回实验室，进行后续指标测定。

1.2 测定方法

对板栗坚果去壳后，采用烘干恒质量法测定含水量；采用蒽酮比色法测定可溶性糖、淀粉含量；采用称质量法测定单粒质量；采用索式抽提法测定脂肪含量；采用凯氏定氮法测定蛋白质含量[15]。

1.3 板栗品质的综合评价方法

1.3.1 模糊评价方法 板栗品质模糊评价采用隶属函数法，将各指标的最小值和最大值隶属度分别赋值为0.6 和1.0（其中单粒质量标准差最小值、最大值的隶属度分别为1.0、0.6）。根据一级、二级栗单粒质量的标准[16]，将单粒质量不足5.30 g 的隶属度定为0.6，单粒质量大于7.00 g 而小于等于10.51 g的隶属度计为1.0，由此建立各个指标的线性隶属函数；然后将每个品种不同指标的测定值Xi（i＝1，2，3，4，5，6，7）代入相应线性隶属函数，计算各自的隶属度Yi（i＝1，2，3，4，5，6，7）。为各指标赋上权重，单粒质量和可溶性糖含量均为0.25，单粒质量标准差为0.125，淀粉含量、蛋白质含量、脂肪含量、含水量均为0.025[8]。根据各指标的权重，利用公式y=0.25（Y1+Y3）+0.125Y2+0.025（Y4+Y5+Y6+Y7）计算出各品种的平均隶属度（其中，Y1—Y7分别代表单粒质量、单粒质量标准差、可溶性糖含量、淀粉含量、蛋白质含量、脂肪含量、含水量的隶属度）。最后依据平均隶属度大小对各品种（系）品质进行排序。

1.3.2 主成分分析法 将板栗果实的各指标测定数据导入DPS后进行标准化处理，再运用SPSS计算相关系数矩阵、特征值、单位特征向量以及主成分的方差贡献率和累积方差贡献率，得出主成分数学模型和综合得分，并按得分高低对不同板栗品种（系）进行排序和综合分析[17]。

1.3.3 K-均值聚类法 将测定数据导入SPSS 后进行K-均值聚类分析，根据品质优质与否将12 个品种（系）聚类组数设置为2，对板栗果实品质指标进行聚类分析，同时计算不同组别各指标平均值，根据聚类情况以及聚类后的均值进行分析对比。

2 结果与分析

2.1 不同板栗品种（系）果实营养品质

由表1 可知，12 个板栗品种（系）的7 项指标均存在显著差异。单粒质量最大的是兴隆1 号，为10.51 g，其次为兴隆4 号，为9.45 g，最小的为迁西42 号，仅为6.90 g。单粒质量标准差是反映果实整齐度的重要指标，整齐度最高的是迁西42 号，而青龙47 号的栗实整齐度最差。可溶性糖含量介于8.80%～16.88%，其中，抚宁12 号含量最高，是兴隆5号的1.92 倍。淀粉含量是影响板栗糯性的关键品质，燕宝的淀粉含量最高，为42.88%，而青龙66 号仅为19.48%。不同品种（系）间脂肪含量有所差异，青龙47 号的脂肪含量达到3.04%，其次是燕龙，为2.63%，兴隆4 号仅为1.14%。蛋白质含量介于7.09%～10.92%，蛋白质含量前2 名分别为兴隆5 号和青龙47号，均超过10%，含量最低的是迁西42号。所有试验品种（系）含水量均在50%左右。

2.2 不同板栗品种（系）果实营养品质的隶属函数建立及隶属度排序

根据隶属度建立各指标的线性隶属函数（表2），然后将每个品种（系）不同指标的测定值代入相应线性隶属函数，计算各自的隶属度，同时根据各指标的权重计算出各品种（系）的平均隶属度。最后依据平均隶属度大小对各品种（系）品质进行排序（表3）。结果表明，前5名依次为迁西42号、抚宁12号、燕宝、燕龙、兴隆1号。

表2 板栗果实营养品质的线性隶属函数Tab.2 Linear membership functions of the fruit nutritional quality of chestnut

表3 板栗果实营养品质的隶属度及排序结果Tab.3 Subdegree and order of the fruit nutritional quality of chestnut

2.3 不同板栗品种（系）果实营养品质的主成分分析

对板栗种质资源的品质指标进行相关性分析（表4），品质指标之间存在一定的相关性，淀粉与脂肪含量之间存在极显著正相关，相关系数为0.728，可溶性糖含量和含水量之间存在显著负相关，相关系数为-0.690，表明板栗果实中淀粉含量随脂肪含量的增加而增加，可溶性糖含量随着含水量的增加而减少。可溶性糖和淀粉含量之间相关系数为0.015，相关性极低，含量互不影响。

主成分分析结果显示（表5），3个主成分特征值大于1，其中第1主成分的特征值为2.641，贡献率达到44.015%，第2主成分的特征值为1.320，贡献率达22.000%，第3 主成分特征值为1.118，贡献率为18.632%，累计方差贡献率达84.647%，说明提取到的3 个主成分可以解释原有指标。结合表6 和图1可知，主成分1 主要综合了脂肪含量和含水量2 项指标；主成分2 主要综合了淀粉含量和蛋白质含量2 项指标；主成分3 主要综合了单粒质量和可溶性糖含量。根据矩阵系数和标准化后的数据可得到3个主成分的得分函数表达式：

图1 板栗果实营养品质主成分分析图Fig.1 PCA plot of the fruit nutritional quality of chestnut

表5 板栗果实营养品质主成分分析总解释方差Tab.5 Total explained variance in the principal component analysis of the fruit nutritional quality of chestnut

表6 成分矩阵和成分系数矩阵Tab.6 Component matrix and component coefficient matrix

以各主成分对应的方差贡献率为权重，可得到综合评价函数：F=0.519 9F1+0.259 9F2+0.220 1F3。根据主成分综合得分公式，计算12种板栗品种（系）的综合得分，由表7可知，不同板栗品种综合评价前5名顺序依次为燕宝、兴隆1 号、青龙47 号、迁西42号、抚宁12号。

表7 不同品种（系）板栗果实品质主成分综合评价Tab.7 Comprehensive evaluation of the fruit nutritional quality of different chestnut varieties（lines）by PCA

2.4 不同板栗品种（系）果实营养品质的K-均值聚类分析

运用K-均值聚类法对12 个品种（系）的品质指标进行聚类分析（表8），结果发现，燕龙、抚宁8 号、燕京8 号、青龙47 号、燕宝、兴隆一号、迁西42 号聚为一类；抚宁12 号、兴隆4 号、青龙66 号、兴隆5 号、青龙62 号聚为另一类。通过指标均值计算可以发现，第1类品质指标多高于第2类（表9）。由此可初步判断，燕龙、抚宁8号、燕京8号、青龙47号、燕宝、兴隆1号、迁西42号板栗坚果品质较高。

表8 不同品种（系）板栗果实品质K-均值聚类分析结果Tab.8 K-means clustering analysis results of the fruit nutritional quality of different chestunt varieties（lines）

表9 不同聚类板栗果实营养品质对比Tab.9 Comparison of the fruit nutritional quality of chestnut in different clusters

3 结论与讨论

通过品质评价进而指导板栗优良种质资源筛选和品种选育具有重要意义[18]。虽然评价方法众多，却少有报道对不同方法进行对比分析，探讨不同分析方法对板栗营养品质综合评价的影响。本研究分别通过隶属函数法、主成分分析法、K-均值聚类法对12个板栗品种（系）进行评价，对比不同方法对板栗综合评价的影响，进而为燕山地区选育优良板栗品种提供一定参考。本研究使用了7个常用指标进行板栗品质对比，其中含水率与储藏的时间密切相关，可溶性糖含量能够直接影响板栗的甜度与口感风味，同时一定程度上影响植物的抗逆性[19-20]，蛋白质是维持免疫机能最重要的营养素，脂肪含量对板栗的香气有着至关重要的作用。3种方法均认为品质优良的是燕宝、兴隆1 号和迁西42 号3个品种（系），其他的品种（系）仅在1种或2种方法中排名靠前。分析认为，主要是因为方法不同，其算法和评价侧重点有所不同，导致排名有所差异。

隶属函数法通过对试验品种（系）指标的最小值和最大值设置对应的隶属度，建立各指标的隶属函数，通过隶属函数计算出所有试验品种（系）的隶属度，确定权重后，最后根据平均隶属度进行排序。结果发现，前5 名依次为迁西42 号、抚宁12 号、燕宝、燕龙、兴隆1 号。由权重可知，隶属函数法主要侧重于单粒质量和可溶性糖含量这2 项指标，其次是板栗坚果的整齐度，最后是淀粉含量、蛋白质含量、脂肪含量、含水量等营养品质，该分析方法对糖炒板栗的综合评价具有显著优势，同时，单粒质量最大的品种（系）具有一定的优势。按照《坚果类名特优新果品产销指南》［16］，将板栗按单粒质量分为3个等级：一级栗共9个品种，其单粒质量≥7.00 g，分别为抚宁12 号、兴隆4 号、燕龙、燕京8 号、青龙47号、燕宝、兴隆5 号、兴隆1 号、青龙62 号；二级栗3个品种，分别为抚宁8号、青龙66号、迁西42号，其单粒质量为7.00～5.30 g；三级栗标准为单粒质量在5.30 g以下，试验品种（系）中无三级栗。排名前5位的资源，全部属于一级果。

主成分分析法已广泛应用于荔枝[21]、杧果[22]、杏[23]、苹果[24]等种质资源遗传多样性分析。主成分分析法是将多个指标转化为少数几个综合指标的一种统计分析方法。通过找出几个综合因子（主成分）来代表原来众多的变量，使这些综合因子尽可能地反映原来变量的信息量，而且彼此之间互不相关，即采用降维方法，从而达到简化的目的来进行统计学分析[20]。本研究在分析过程中提取了特征值大于1 的3 个主成分，累积贡献率达到了84.647%，可以认定其可以代表所有信息量，通过分析可知，第一主成分贡献率达到44.015%，第二主成分贡献率达22.000%，第三主成分贡献率为18.632%。通过贡献率的多少确定主成分分析法指标的权重，本研究中第一主成分包含含水量和脂肪2 项指标，所以主成分分析法主要侧重于含水量和脂肪含量这2项指标，其次是淀粉含量和蛋白质含量，最后是单粒质量和可溶性糖含量等营养指标，该分析方法比较全面地综合评价板栗品种，为选育优质新品种和品种评价提供较为科学的参考。结果显示，排名前5位的分别是燕宝、兴隆1号、青龙47号、迁西42号、抚宁12号。

K-均值聚类法是一种动态的聚类方法，在原始图像集合（N个图像）中随机选择K个原始的图像作为K个类，逐个分析剩余图像，计算该图像与K个类之间的距离，将图像归入与之最邻近的类，重新计算该类的类平均图，以此类推直至分析完剩余的所有图像，之后再逐个对集合中的所有图像依次重复上面的计算和归类，直到K 个类平均图收敛为止。本研究根据营养品质指标对12 个品种（系）进行聚类，最终聚成两类，对2个聚类的品种（系）分别进行均值计算，认为燕龙、抚宁8 号、燕京8 号、青龙47号、燕宝、兴隆1 号、迁西42 号这一类板栗坚果品质较高。该研究方法可以将相似度极高的品种（系）快速、准确地归为一类，不同类别有较大的区分，对处理大数据集，K-均值聚类分析具有很强的可伸缩性和高效性。

本研究以抚宁12号、兴隆4号、燕龙、燕京8号、青龙47 号、燕宝、兴隆5 号、兴隆1 号、青龙62 号、抚宁8号、青龙66号、迁西42号为试验材料，分别通过隶属函数法、主成分分析法、K-均值聚类分析法对其营养指标进行综合评价。结果表明，3 种分析方法对不同板栗品种（系）的算法和评价侧重点有所不同，在3 种评价方法中综合品质均可算作优质的有燕宝、兴隆1号和迁西42号3个品种（系），在实际生产生活中，使用3种方法相互结合、互相验证进行板栗坚果品质的综合评价，或许可以获得一个更加准确的结论。