基于主成分分析法研究维科生物制剂的施用对葡萄果实品质的影响

1、基于主成分分析法研究维科生物制剂的施用对葡萄果实品质的影响摘 要：本试验通过对三个不同品种的葡萄（醉金香、夏黑和红不拉多）施用维科生物制剂，并对其单果重、果形指数、可食率、可溶性固形物、可滴定酸、维生素C、总酚等10个主要果实品质指标进行了测定，用于研究维科生物制剂对葡萄品质性状的影响。初步研究结果表明，维科生物制剂能够增加葡萄果实的单果重和提高葡萄果实的品质。通过主成分分析法（PCA）对不同品种葡萄的品质指标进行评价。主成分分析结果表明，10个果实品质指标的3个主成分特征值的累积贡献率达96.33%，可反映葡萄品质的绝大部分信息。运用以上3个主成分构建数学模型，得到三个不同品种葡萄果实品质的

2、综合评价优劣排序是：夏黑高浓度组醉金香高浓度组夏黑低浓度组红不拉多高浓度组醉金香低浓度组红不拉多低浓度组夏黑对照组醉金香对照组红不拉多对照组；将试验组别因素统一考虑后，高浓度组优于低浓度组，对照组最差。本研究为科学培植高质美味的水果作物打下坚实的基础。关键词：维科生物制剂；葡萄；果实品质；主成分分析Investigate the effects of applying WIC natural biologic on the quality of grapes by using Principal Component AnalysisAbstract：In this experiment, we

3、 used the powder and liquid of WIC natural biologic to plant three species of grapes(zuijinxiang, xiahei, hongbuladuo). And investigated the effects of WIC on the yield and quality of grapes by measuring the 10 typical indicators, such as single fruit weight, fruit shape index, edible rate, tot

4、al soluble solids, titratable acid, vitamin C, total phenols. The results indicated that, WIC could really increase the yield and quality of grapes. Evaluating different qualities of grapes was analyzed by principal component analysis (PCA). PCA results showed that, the cumu

5、lative contribution rate of three main components eigenvalues in the 10 typical indicators reached 96.33 %, which could reflect the vast majority of information for quality of grapes. We got the comprehensive evaluation order of the three quality of grapes from the mathematical model built by the th

6、ree main components above, which was: high concentration of xiahei > high concentration of zuijinxiang > low concentration of xiahei > high concentration of hongbuladuo low concentration of zuijinxiang > low concentration of hongbuladuo control group of xiahei control group of zuijinxian

7、g control group of hongbuladuo. After considering the factors of different groups, high concentration was better than low concentration and control group was worst. This study can provide a foothold for planting fruits with high-quality and good taste.Key words: WIC Natural Biologics; grape; fr

8、uit quality; principal component analysis中图分类号：TS255.1 文献标志码：A在新的时代背景下，随着社会的发展和技术的进步，人们的生活水平不断提高，食品消费也从注重数量向注重质量转变。优质水果在饮食生活中的所占比例日益上升，特别是具有强抗衰老作用的葡萄作为世界上栽培最早、分布最广的水果之一1，受到广大消费者的普遍欢迎。近年来我国对于葡萄及其加工产品的消费量越来越大，人们对葡萄品质的要求越来越高2。因此提高葡萄的单果重以及改善葡萄的品质具有很重要的意义。维科生物制剂是一种以甜叶菊为主要原料的新型天然生物制剂3。它是集多糖、多酚、多种微量维生素和微量元

9、素的综合天然植物制剂；对改良土壤，改善农作物的品质有良好的效果4。甜叶菊是原产于南美洲巴拉圭的一种菊科植物5，目前国内外对甜叶菊的研究主要是关于其糖甙的提取纯化和应用6，以及其生物发酵制剂抗氧化活性的研究7,8。另外国内一些研究人员将甜叶菊作为饲料添加剂9和烟草专用肥10，用于探索甜叶菊对动物的生长效果、烤烟生长影响等。而到目前为止,我国将甜叶菊运用到水果、蔬菜以及农作物种植上仅有洪怡蓝一人3，洪怡蓝的实验结果表明维科生物制剂不仅能够提高水果、蔬菜和农作物的最终产量，而且能够改善其品质。主成分分析法(principal component analysis, PCA)是通过寻找一组变量的若干个

10、线性组合来尽可能充分地解释这组变量的方差和协方差结构（即整体变异信息），以达到简化数据的目的，可用于不同样本的定性分析11,12、定量建模等方面。主成分分析法作为优良的多元统计算法，在食品分析、生物检测等各个领域已经得到广泛应用13,14。张瑞莲15等人将主成分分析法运用到不同工艺原料茶制成茶饮料的过程中，准确筛选出最佳原料茶制作工艺及技术参数。张强16等人已经将主成分分析应用于茶淀玫瑰香葡萄的品质评价。Violeta Ivanova-Petropulos等人运用主成分分析法分析马其顿葡萄酒中酚类和抗氧化活性物质17。本试验对不同品种葡萄施用维科生物制剂的颗粒与液体，以确定维科生物制剂在种植过

11、程中对葡萄植株生长以及葡萄果实品质的作用。据我们所知，目前国内还没有关于使用维科生物制剂种植葡萄的报道。试验中，对葡萄果实的物理指标和品质指标进行测定，以主成分分析法进行数据处理，旨在找出对“葡萄高品质”贡献显著的指标，为今后进一步评价葡萄品质提供理论指导，并找到一种新型的，广谱型的，安全的，无化肥污染的能保证食品源头安全的适合于优质果树栽培的新型农法。1 材料与方法1.1 材料与试剂维科生物制剂由日本维科株式会社提供。供试葡萄品种为醉金香、夏黑和红不拉多三个品种的葡萄，于2014年8月9日采于江苏省南通市爱久发展有限公司。葡萄园栽培和管理措施、品种和生长年限一致，每个葡萄品种采样点6个，从各

12、个方位随机采摘果穗，装入样品袋中立即带回实验室进行试验。氢氧化钠、酚酞、草酸、抗坏血酸、2，6-二氯酚靛酚、碳酸氢钠、无水碳酸钠、甲醇、无水乙醇、焦性没食子酸和olin-Ciocalteu，试剂均为分析纯，购于上海国药集团化学试剂有限公司。1.2 仪器与设备ALC-210.4电子分析天平 上海精密仪器仪表有限公司；DD7-A型马弗炉 上海沪粤明科学仪器有限公司；ATC-0-32型折光仪 上海天垒仪器仪表有限公司；HSS-11-6电热恒温水浴锅 上海沪粤明科学仪器有限公司；8012 0-150 mm游标卡尺 上海赛拓五金工具有限公司；GZX-9146 MBE数显鼓风干燥箱 上海博讯实业有限公司医

13、疗设备厂；SK5210HP超声波清洗仪 上海科导超声仪器有限公司；80-5微电脑离心机 江苏国华电器有限公司；I10/10G组织匀浆机 上海依肯机械设备有限公司；SHZD（）型循环水真空泵 杭州明远仪器有限公司；UV-3000PC型紫外分光光度计 上海尤尼柯仪器有限公司。1.3 方法1.3.1 种植方法本试验分为对照组和试验组，试验组又分为高浓度组和低浓度组。其中对照组实施常规葡萄生长的施肥、灌溉等操作，具体种植技术根据试验园区的常规种植技术决定。高浓度组于2014年5月15日对每株葡萄植株根部周围施用120g 的颗粒；在完成颗粒施用后，将维科生物制剂液体稀释300倍，每株喷洒1400ml稀释

14、液，于2014年6月10日进行叶面喷洒；自坐果稳定至收获前，根据实际肥料使用情况，将维科生物制剂液体稀释1000倍，每株喷洒900ml，对试验组进行3次叶面喷洒，分别于2014年6月20日、7月5日和7月20日进行喷洒；其它种植技术与对照组相同。浓度组设计为用80g的颗粒播撒于每株葡萄植株根部周围；在完成颗粒施用后，将维科生物制剂液体稀释300倍，每株喷洒900ml稀释液；自坐果稳定至收获前，根据实际肥料使用情况，将维科生物制剂液体稀释1000倍，每株喷洒600ml，对试验组进行3次叶面喷洒；其它种植技术与对照组相同，所有喷洒时间均与高浓度组相同。1.3.2 果实品质测定方法单果重的测定采用电

15、子分析天平直接测定；横径和纵径的测定采用游标卡尺直接测定；果形指数是纵径与横径之比；可食率是果实可食部分重量与果实单果重之比；水分含量的测定参照GB5009.32010食品中水分的测定的直接干燥法；灰分含量的测定参照GB5009.42010食品中灰分的测定；可溶性固形物含量测定参照GB12295-1990水果、蔬菜制品可溶性固形物含量的测定；可滴定酸含量测定采用NaOH酸碱中和滴定法测定；固酸比是指可溶性固形物和可滴定酸的比例；维生素C含量的测定采用2,6-二氯酚靛酚滴定法测定；总酚含量的测定参照洪怡蓝18的测定方法。1.4 数据分析方法葡萄果实品质以随机样品测定的平均值进行分析。本文评价三种

16、不同品种葡萄果实品质所涉及到的可滴定酸和果形指数均为负指标，取其倒数将其转化为正向指标19。以单果重（X1）、果形指数（X2）、可食率（X3）、水分（X4）、灰分（X5）、可溶性固形物（X6）、可滴定酸（X7）、固酸比（X8）、维生素C（X9）和总酚（X10）构建数据矩阵，因为各变量的单位不同，或者单位相同但变量间的数值大小相差较大时，需要将各原始变量做标准化处理，以便消除变量间的量纲关系，使数据具有可比性。应用SPSS19统计分析软件对数据进行主成分分析，确定实验葡萄品质评价的指标类别个数，对试验葡萄品质评价的指标进行分析。2 结果与分析2.1 不同品种葡萄果实品质指标分析三种不同品种葡萄主

17、要果实品质指标测定结果见表1，表中基本上反应了不同品种葡萄品质基本指标。表1 三种不同品种葡萄果实品质成分含量Table1 The quality ingredients of three species of grapes葡萄品质醉金香夏黑红不拉多高浓度组低浓度组对照组高浓度组低浓度组对照组高浓度组低浓度组对照组单果重（g）7.34*7.096.056.276.235.967.036.836.09果形指数1.171.161.141.151.131.121.141.131.13可食率（%）76.7876.2074.6878.5576.8374.5584.6284.3482.29水分（%）84.

18、32*84.5185.0883.18*83.3583.9085.1385.6486.07灰分（%）0.500.520.460.750.740.710.570.540.52可溶性固形物（%）15.67*15.47*14.9316.67*16.5316.0014.67*14.33*13.73可滴定酸（%）0.210.24*0.290.180.24*0.290.18*0.18*0.24固酸比（%）74.62*64.46*51.4892.61*68.88*55.1781.5079.61*57.21维生素C（mg/100g）10.82*10.71*9.8213.84*13.67*12.1414.23*1

19、3.8911.73总酚（%）4.35*4.343.603.97*3.90*3.243.13*3.092.49注：用t检验法进行分析。同一葡萄品种的高浓度组、低浓度组与对照组分别相比，*表示差异极显著（p0.01），*表示差异显著（p0.05）。表2为三种不同品种葡萄品质的增长率。试验结果表明对不同品种的葡萄施用维科生物制剂，葡萄果实的单果重有一定程度的增长，三个品种的葡萄高浓度组相对于对照组单果重的增长率为21.32%、5.2%和15.44%，同时低浓度组的增长率是17.19%、4.53%和12.15%，从单果重的增长率可以看出，高浓度组的增长率高于低浓度组，这表明对葡萄施用维科生物制剂能够促

20、进试验组葡萄单果重的增加，而且高浓度组的增长率仅分别高出低浓度组4.13%、0.67%和3.29%，且高浓度组和低浓度组的指标不存在显著性差异，这表明高浓度组和低浓度组对于葡萄单果重影响效果相近。因此，从节约成本的角度看，低浓度组更适用于实际的种植过程。洪怡蓝3对蓝莓、鸡毛菜和水稻施用维科生物制剂，试验结果表明，维科生物制剂的施用能够增加蓝莓、鸡毛菜和水稻的总产量；董越勇20将含甜叶菊甙叶面肥料施用于春大豆、秋大豆和西瓜等农作物进行试验，结果表明春大豆、秋大豆和西瓜分别增产7%、11%和13%，与本试验结果相一致。葡萄果实的风味品质指标也有一定程度的增长。相对于对照组，高浓度组的固酸比分别增长

21、44.96%、67.86%和42.46%，低浓度组分别增加25.21%、24.85%和39.15%；维生素C高浓度组增长率是10.18%、14%和21.31%，低浓度组增长率是9.06%、12.6%和18.41%；总酚高浓度组增长率是20.83%、22.53%和25.7%，低浓度组增长率是20.56%、20.37%和24.10%；这些风味品质指标的增长说明了对葡萄施用维科生物制剂能够改善不同品质葡萄的风味品质。同时，我们可以看出，试验高浓度组对于改善葡萄的品质略高于试验低浓度组，但高浓度组和低浓度组的指标之间不存在显著性差异。因此，在实际种植过程中，建议选择低浓度组维科生物制剂的浓度。早在19

22、83年日本宫本久对果树喷洒涂抹甜菊提取物，试验结果表明试验区比对照区果实肥大，含糖量增加，酸味降低21；洪怡蓝3对蓝莓和鸡毛菜施用维科生物制剂的试验结果表明，维科生物制剂的施用能够增加其可溶性固形物、多酚等风味品质指标的含量，这些试验结果与本文得到的实验结果相同。表2 三种不同品种葡萄品质增长率Table2 The increasing rate of the quality of three species of grapes增长率(%)醉金香夏黑红不拉多高浓度组低浓度组高浓度组低浓度组高浓度组低浓度组单果重21.3217

23、.195.204.5315.4412.15果形指数2.631.752.680.890.880可食率2.812.045.373.062.832.49水分-0.89-0.67-0.86-0.66-1.09-0.50灰分8.7013.045.634.239.623.85可溶性固形物4.963.624.193.316.854.37可滴定酸-27.59-17.24-37.93-17.24-25.00-25.00固酸比44.9625.2167.8624.8542.4639.15维生素C10.189.0614.0012.6021.3118.41总酚20.8320.5622.5320.3725.724.10注

24、：高浓度的增长率表示试验高浓度组相对于对照组的增长率，同理低浓度的增长率表示试验低浓度组相对于对照组的增长率。2.2 不同品种葡萄果实品质主成分分析葡萄果实品质的构成指标较多，不同的品质指标之间存在着密切的相关性和相对独立性。对试验的葡萄主要品质指标，应用SPSS19中的主成分分析，选择出葡萄品质评价的主要因子22。将试验得到的葡萄品质指标进行主成分分析，他们之间的相关系数矩阵请见表3。两个指标之间联系系数的绝对值越大，则这两个指标之间的联系越紧密23。表3中可以看出可滴定酸和固酸比相关系数绝对值0.968，相对其它值是最大的，说明可滴定酸和固酸比之间有着较大的相关性；而可食率和果形指数相关数

25、绝对值0.018，相对其它值是最小的，说明总酚和灰分之间相关性最差。指标间相关系数的绝对值大于0.5，表明各品质性状之间有较强相关性24。由表3可知，单果重和总酚，可食率和可滴定酸、固酸比、维生素C，灰分和可溶性固形物、固酸比、维生素C，可溶性固形物和总酚，可滴定酸和固酸比、维生素C，固酸比和维生素C，呈一定程度的正相关关系；单果重和果形指数，果形指数和总酚，可食率和可溶性固形物、总酚，水分和灰分、可溶性固形物，呈一定程度的负相关关系。表3 三种不同品种葡萄品质性状间的相关系数矩阵Table3 The correlation matrix of grapes of thre

26、e speciesX1X2X3X4X5X6X7X8X9X10X11.000X2-0.8101.000X3-0.119-0.0241.000X40.369-0.2630.4711.000X5-0.3840.1100.208-0.6821.000X6-0.043-0.235-0.527-0.8730.6041.000X70.136-0.3660.8190.3240.384-0.2101.000X80.120-0.4390.7170.1080.5430.0370.9681.000X9-0.2780.0380.713-0.1700.8150.1230.7600.8081.000X100.57

27、6-0.721-0.621-0.375-0.0180.702-0.223-0.051-0.3511.000注：表中加粗的数据表示相关系数的绝对值0.5。根据主成分分析的理论，若前R个主成分分析的累积贡献率达85%，则这R个主成分能反映足够的信息16。通过对不同品种葡萄10个品质性状的主成分分析，可以确定3个主成分，累计贡献率见表4为96.33%，从而可用3个彼此不相关的综合指标分别综合存在与原有的10个葡萄品质指标的各类信息，且各综合指标代表的信息不重叠。其中第一主成分的特征根为3.554，方差贡献率为35.54%；第二主成分的特征根为3.363，方差贡献率为33.63%；第三主成分的特征根为

28、2.716，方差贡献率为27.16%。表4 主成分的特征根及方差贡献率Table4 Eigenvalues of principal components and their variance contributions主成分特征根方差贡献率（%）累计方差贡献率（%）13.55435.5435.5423.36333.6369.1732.71627.1696.33从表5可以看出，第一主成分以水分、灰分和可溶性固形物的载荷值较大，体现了果实的加工品质和果实风味。第二主成分大小的主要是可滴定酸、固酸比、维生素C以及可食率，反映了果实的风味和营养价值。第三主成分大小的主要是果形指数、单果重和总酚，表明

29、了果实大小、果实形状和抗氧化活性。这些性状在葡萄的评价方面起着非常重要的作用，在加工葡萄的过程中要注意对它们的选择。表5 主成分的特征向量和载荷矩阵Table5 Eigenvectors and loading matrix of principal components葡萄品质第一主成分第二主成分第三主成分特征向量载荷特征向量载荷特征向量载荷单果重-0.081-0.2130.0950.3560.3130.841果形指数-0.003-0.0990.0150.013-0.353-0.958可食率-0.164-0.6030.2310.780-0.042-0.129水分-0.280-0.995-0.

30、012-0.0270.001-0.070灰分0.2420.8080.1060.325-0.196-0.458可溶性固形物0.2780.992-0.001-0.0140.0160.114可滴定酸-0.260-0.0830.2780.9470.0890.266固酸比0.0690.2590.2650.8980.0940.302维生素C0.0700.1990.2710.890-0.154-0.371总酚0.1570.628-0.055-0.1630.2600.739注：表中加粗的数据表示贡献率较大的品质性状。由表4可以知道，3个主成分已经基本解释了葡萄中10种品质性状的96.33%变异信息，而表5也显

31、示了这10种品质性状在三个主成分上的特征向量。因此，根据主成分分析原理，得出3个主成分的线性组合分别为：PC1=-0.081X1-0.003X2-0.164X3-0.28X4+0.242X5+0.278X6-0.26X7+0.069X8+0.07X9+0.157X10PC2=0.095X1+0.015X2+0.231X3-0.012X4+0.106X5-0.001X6+0.278X7+0.265X8+0.271X9-0.055X10PC3=0.313X1-0.353X2-0.042X3+0.001X4-0.196X5+0.016X6+0.089X7+0.094X8-0.154X9+0.260X

32、10式中，X1、X2、X10对应的数据为10类品质性状经Z-Score标准化后的数值。将第一、第二和第三主成分的方差贡献率作为权重系数1,2,3，建立葡萄果实品质性状的综合评价模型S=1×PC1+2×PC2+3×PC3，计算综合评价指标的分值S（见表6）。由表6可见，第一主成分中得分最高的是夏黑高浓度组，第二主成分中得分最高的是红不拉多高浓度组，第三主成分中得分最高的是醉金香高浓度组。9种葡萄果实样品的主成分综合得分从高到低排列次序为：夏黑高浓度组醉金香高浓度组夏黑低浓度组红不拉多高浓度组醉金香低浓度组红不拉多低浓度组夏黑对照组醉金香对照组红不拉多对照组。表6 主

33、成分综合得分表Table6 Comprehensive scores of principal components序号样品PC1PC2PC3S排名1醉金香高浓度组0.08565-0.229281.876900.463122醉金香低浓度组0.03970-0.681591.286210.134253醉金香对照组-0.44891-1.55886-0.17715-0.731984夏黑高浓度组1.414901.08925-0.006370.867415夏黑低浓度组1.279320.05627-0.601080.310336夏黑对照组0.76783-0.83661-1.27639-0.355177红不拉

34、多高浓度组-0.700951.32284-0.077970.216948红不拉多低浓度组-0.996031.14778-0.14424-0.007269红不拉多对照组-1.44153-0.30980-0.87982-0.85559注：S表示6种葡萄果实样品的主成分综合得分。由表7可知，通过比较三个品种葡萄试验组和对照组的主成分综合得分（S）后发现：高浓度组低浓度组对照组，表明统一考虑三个品种葡萄的试验组别，高浓度组的品质性状好于低浓度组，对照组最差。从此结果可知，对于这三种施用维科生物制剂的葡萄，施用高浓度的试验组试验结果好于低浓度。因此，今后我们可以更进一步证实维科生物制剂对于葡萄的作用，探

35、索最佳施用维科生物制剂的浓度。表7 实验组别性状综合得分排名Table7 Rank of comprehensive scores of traits of different groups试验组别S排名高浓度组1.54751低浓度组0.43742对照组-1.94253注：S为两个试验组别的综合得分（S= S醉金香+S夏黑+S红不拉多）。3 结论通过对维科生物制剂种植的三个不同品种葡萄品质的测定，从单果重的增长率可以看出，高浓度组高于低浓度组，这表明对葡萄施用维科生物制剂能够促进试验组葡萄单果重的增加，而且高浓度组和低浓度组对于葡萄单果重作用效果相近。并且葡萄果实的风味品质指标也有一定程度的改

36、善，固酸比、维生素C和总酚等指标的增长说明在葡萄生长过程中施用维科生物制剂能够改善葡萄的风味与品质；同时，高浓度组对于改善葡萄品质的效果优于低浓度组。运用主成分的统计方法分析影响葡萄品质的主成分，通过相关性分析对葡萄品质的指标进行研究，筛选出能够客观反应葡萄品质的简化指标，为快速、准确地判断葡萄品质打下很好的基础，对今后的葡萄培育工作有很积极的现实意义。通过分析，可以从不同品种葡萄的10个品质因子中提取出三个主成分，获得葡萄品质累积方差贡献率是96.33%。将试验组别因素统一考虑后，高浓度组优于低浓度组，对照组最差。根据对葡萄果实品质指标的鉴定结果，完全证实了本文中对葡萄施用维科生物制剂是切实

37、有效的。介于本文中试验的葡萄品种较少，将来可以对更多的葡萄品种进行试验；再者试验对象比较单一，将来可以尝试不同种类的果树实验，以便得到更加普遍的试验结果。同时需要设置不同浓度的试验组别，确定既经济又高效的施用方法。期待在不久的将来能将维科生物制剂运用到各种农作物以及蔬菜的种植上，解决目前不使用农药，不施用化肥就难以农耕的怪现象。从根本上解决食品源头安全的问题，让广大人民群众都能享受到绿色安全食品给大家带来的美味与健康！参考文献1 朱丹实. 葡萄彩后软化机制及风味劣变得研究D. 沈阳农业大学 2014.2 李琛, 刘颖, 等. 贮运环境对葡萄品质的影响J. 现代食品科技, 2013,29(2):

38、230-235.3 洪怡蓝.维科生物制剂抗氧化活性物质的响应面优化及其在保障农产品安全上的应用D.上海海洋大学2013.4 马磊,石岩.甜叶菊的综合开发利用J.中国糖科,2009,1:68-70.5 Angela Periche, Georgios Koutsidis, et al. Composition of Antioxidants and Amino Acids in Stevia Leaf Infusions J. Plant Foods for Human Nurtrition, 2014, 69: 17.6 谢捷,刘小景,等.壳聚糖澄清甜叶菊水提取液及其澄清机理探讨J.食品科学,2011,32(20):1-6.7 于慧, 王锡昌, 奚印慈. 甜叶菊废弃物制得生物制剂的抗氧化活性研究J. 食品科学, 2008, 29(8): 65-69.8 奚印慈, 山口敏