基于多元统计分析对芥菜营养品质的综合评价

李建忠，戴昀，叶鑫雨，李国亮，章时蕃，李菲，张慧，袁凌云，陈国户，汪承刚，张淑江*

（1 中国农业科学院蔬菜花卉研究所，蔬菜生物育种全国重点实验室，北京 100081；2 安徽农业大学园艺学院，安徽省园艺作物育种工程实验室，安徽合肥 230036）

芥菜（Brassicajuncea）是十字花科芸薹属一二年生草本植物，是中国的特色蔬菜，在全国各地均有栽培，富含多种营养成分和矿物质，营养价值高。Oram 等（2005）依据地理来源将芥菜分为中国-东欧类型和印度-巴基斯坦类型，中国北方地区栽培的主要为中国-东欧类型。刘淑艳等（2007）对1 284 份中国芥菜种质进行品质性状测定时发现，在芥菜优异种质资源中，中国北方地区的芥菜品种类型特点是低芥酸。目前，研究者们大多利用分子或生物技术对芥菜种子种皮颜色或种子农艺性状进行改良进而选育种子含油量高的芥菜新品种，例如Mahmood 等（2006）研究表明黄色的芥菜种子含油量显著高于棕色/黑色种子；Kinay和Kayacetin（2023）对芥菜品种的物候期、形态、产量和品质特征等相关方面的参数进行研究分析，发现芥菜和白菜作为生物柴油生产的原料更具潜力。近年来关于黄瓜（高珏晓 等，2022）、番茄（李伟明 等，2022）、菠菜（李晗懿 等，2022）、辣椒（彭泽 等，2023）等蔬菜作物的相关品质评价都有所报道，而对食用芥菜营养品质和感官品质评价方面的报道较少，且芥菜品质和栽培环境之间的关系尚不明确，因此对芥菜种质资源品质性状的测定和分析显得尤为迫切。

本试验将14 份芥菜材料的干物质、粗纤维、粗蛋白、葡萄糖、VC、果糖、草酸、苹果酸、柠檬酸含量等9 个品质指标作为评价指标，采用相关性分析、主成分分析、模糊数学隶属函数分析和聚类分析等多元联合统计分析方法对芥菜营养品质进行评价和等级划分，以期为芥菜营养品质评价标准体系的建立和优质芥菜新品种的培育提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试14 份芥菜种质资源均由中国农业科学院蔬菜花卉研究所白菜课题组提供，材料编号分别为1917040、1917012、1915246、1915256、1915270、1915279、1917152、祥瑞182、1917343、1917326、1917351、1917381、1917396、1917397，种质类型和系谱来源详见表1，表型特征如图1 所示。

图1 供试14 份芥菜材料的表型特征

表1 供试14 份芥菜材料的种质类型及系谱来源

1.2 试验方法

1.2.1 材料种植 14 份芥菜材料均于2019 年8 月初采用50 孔穴盘进行育苗，8 月下旬定植于中国农业科学院蔬菜花卉研究所顺义杨镇试验基地，温室高垄栽培，采取单因素完全随机设计，小区面积7 m2（畦长7 m、宽1 m），每小区种植2 行，每行15 株，株、行距均为0.5 m；每份芥菜材料3 次重复，每重复2 个小区。常规田间管理，定期进行防病杀虫处理，确保芥菜产品的品质不受虫害和病害的影响。

1.2.2 取样及样品处理 在芥菜商品成熟期进行采样，每份芥菜材料随机选取6 株。叶用芥去掉外部老化叶，取新鲜健康可食部分（包括叶柄部位）切碎混匀；包心芥剥除外叶，直至漏出白色叶球，掰下可食叶切碎混匀；茎用芥取茎部可食部位，切碎混匀；根芥采用四分法在食用部位取样，切碎混匀；均设置3 次生物学重复。

取切碎混匀的样品分成3 份，第1 份称取鲜样100 g，用于VC 含量的测定；第2 份用破壁机打成匀浆，用于有机酸含量以及糖组分含量的测定；第3 份经65 ℃烘干至恒重，然后用研磨粉碎机研磨，自封袋装好密封，置于干燥器中保存待用。

1.2.3 测定指标及方法 VC 含量采用GB 5009.86—2016《食品安全国家标准：食品中抗坏血酸的测定》中的2，6-二氯靛酚滴定法测定；粗蛋白含量采用GB 5009.5—2016《食品安全国家标准：食品中蛋白质的检测》中的燃烧法测定；粗纤维含量采用GB 5009.10—2003《食品安全国家标准：食品中纤维素的测定》中的酸碱洗涤法测定；草酸、苹果酸、柠檬酸含量采用NY/T 2277—2012《水果蔬菜中有机酸和阴离子的测定》中的离子色谱法测定；葡萄糖、果糖含量采用高效阴离子交换色谱法测定（马朝阳 等，2012），选用Dionex Carbopac PA20 阴离子交换柱，柱温20 ℃，以0.25 mol · L-1NaOH 和水为淋洗液进行梯度洗脱；干物质含量ω=ωC/ωA× 100%，其中ωA为样品鲜质量，ωC为样品烘干至恒重后的质量。

1.3 数据统计分析

采用Microsoft Excel 2010 软件对试验数据进行处理；采用SPSS 27.0 软件进行描述性统计、相关性分析、主成分分析及聚类分析。运用变异系数（CV）对不同芥菜材料单一品质指标的差异进行评估；运用主成分分析法提取各材料品质指标主成分，获得主成分初始特征值、方差贡献率及累积贡献率；采用模糊数学隶属函数分析法获得各综合指标隶属函数值，从而对芥菜材料的综合品质进行评价。

式中，y为芥菜综合品质得分，t1、t2、t3 分别表示第1～3 主成分的特征值，y1、y2、y3 分别表示第1～3 主成分的特征向量权重值。

不同芥菜材料各品质成分指标的隶属函数值：当某一品质成分指标与综合品质呈正相关时，用公式（4）进行计算；当某一品质成分指标与综合品质呈负相关时，用公式（5）进行计算。

式中，Xi表示第i个品质成分指标的测量值；Xmax表示第i个品质成分指标的最大值；Xmin表示第i个品质成分指标的最小值。

式中，pi表示经主成分分析所得第i个成分指标的贡献率。

2 结果与分析

2.1 14 份芥菜材料的9 个品质指标含量的差异

对不同芥菜材料的单一品质进行比较分析可知（表2），不同芥菜材料的各品质指标之间具有显著差异。14 份芥菜材料的干物质含量在5.22%～11.30% 之间， 平均含量为7.59%， 其中含量大于10.5%的芥菜材料有3 份，分别是1917381、1917396、1917397，且这3 份材料间无显著差异，但均显著高于其他材料；含量在5.5%以下的有2 份，分别是1917152、祥瑞182，这2份材料间无显著差异，均显著低于除1917343、1917326 外的其他材料。VC 含量在156.51～605.79 mg · kg-1（FW）之间，平均含量为389.61 mg ·kg-1（FW），其中含量最高的是1917040，其次是1915246，1917040 除与1915246 之间无显著差异外，显著高于其他材料；含量最低的是1917343，其次是祥瑞182、1917326，这3 份材料之间无显著差异，但均显著低于其他材料。粗蛋白含量在19.22%～31.78%之间，平均含量为23.93%，其中含量最高的是1915270，显著高于其他材料；含量最低的是1917351，其次是1917326、1917397、1917381、1917396、1917343，这6 份材料之间无显著差异，但均显著低于其他材料。粗纤维含量在6.70%～36.63%之间，平均含量为13.29%，其中含量最高的是1917351，显著高于其他材料；含量最低的是1917397，显著低于其他材料。葡萄糖含量在3.38～14.38 g · kg-1之间，平均含量为10.50 g ·kg-1，其中含量最高的是1915256，其次是1917351和1915279，这3 份材料之间无显著差异；含量最低的是1917381，其次是1917396、1917397，这3份材料之间无显著差异，但均显著低于其他材料。果糖含量在1.50～16.19 g · kg-1之间，平均含量为9.65 g · kg-1，其中含量最高的是1915246，其次是1915256，这2 份材料之间无显著差异，但显著高于除1917343、1917351 外的其他材料；含量最低的是1917396，其次是1917397、1917381，这3 份材料之间无显著差异，但均显著低于其他材料。苹果酸含量在0.34～2.17 g · kg-1之间，平均含量为1.23 g · kg-1，其中含量最高的是1917012，显著高于除1915279、1917381 外的其他材料；含量最低的是祥瑞182，其次是1917326，这2 份材料之间无显著差异。草酸含量在0.05～0.20 g · kg-1之间，平均含量为0.11 g · kg-1，其中含量最高的是1917381，其次是1917396，这2 份材料之间无显著差异，但1917381 显著高于除1917396 外的其他材料；含量最低的是祥瑞182、1915270、1917326。柠檬酸含量在0.04～0.64 g · kg-1之间，平均含量为0.27 g · kg-1，其中含量最高的是1917012，其次是1915256、1917040，这3 份材料之间无显著差异，但均显著高于除1915270、1915279 外的其他材料；含量最低的是祥瑞182，其次是1917326，这2 份材料之间无显著差异。

表2 14 份芥菜材料的品质指标测定结果

由表3 可知，14 份芥菜材料9 个品质指标的变异系数在16.46%～66.67%之间，说明不同芥菜材料的大部分品质指标存在较大的差异，各指标含量变异系数从大到小依次为柠檬酸＞粗纤维＞果糖＞VC ＞草酸＞苹果酸＞葡萄糖＞干物质＞粗蛋白。说明不同芥菜材料之间柠檬酸含量差异较大；而粗蛋白含量差异较小，较为稳定。

表3 14 份芥菜材料9 个品质指标的统计分析结果

2.2 14 份芥菜材料9 个品质指标间的相关性分析

对14 份芥菜材料9 个品质指标进行相关性分析的结果表明（图2），9 个品质指标间存在不同程度的相关性，其中干物质含量与VC 含量（0.61）、草酸含量（0.62）呈显著正相关，但与葡萄糖含量（-0.86）、果糖含量（-0.83）却呈极显著负相关；VC 含量与粗纤维含量（-0.38）、果糖含量（-0.35）、葡萄糖含量（-0.31）呈负相关，但未达到显著水平；粗蛋白含量与柠檬酸含量（0.55）呈显著正相关，而与粗纤维含量（-0.39）、草酸含量（-0.32）呈负相关；葡萄糖含量与果糖含量（0.91）呈极显著正相关，与草酸含量（-0.54）呈显著负相关；苹果酸含量与柠檬酸含量（0.77）呈极显著正相关，与草酸含量（0.57）呈显著正相关；其他品质指标之间也存在不同程度的相关性，但未达到显著或者极显著水平。由此可见，不同芥菜材料品质指标之间存在不同程度的差异，且各品质指标之间的相关程度也不同，因此只用单一品质指标的优劣评价芥菜的营养品质不够全面、客观，缺乏说服力和参考价值。

图2 14 份芥菜材料9 个品质指标间的相关性分析结果

2.3 14 份芥菜材料品质的主成分分析

2.3.1 主成分分析 由相关性分析可知芥菜材料各品质指标间存在相关关系，部分指标信息有一定程度的重叠，需选取具有代表性的指标作为评价指标，去消减变量间的相关性，一定程度上降低评价负担（李思梦 等，2021）。主成分分析（PCA）可以将多个指标转换为多个综合指标，以确定其相对重要性，并确保降维后的信息量保持在足够高的水平上，从而对芥菜营养品质做出综合评价（田艺心等，2020；Shi et al.，2021）。

对14 份芥菜材料的9 个品质指标进行主成分分析，得到各成分特征值、方差贡献率及累积贡献率，按照主成分个数提取原则为主成分对应的特征值大于1 的前n 个主成分，从中提取对营养品质影响较大的主成分（韩丽丽，2020）。由表4 可知，第1 主成分的方差贡献率为42.819%，第2 主成分的方差贡献率为27.243%，第3 主成分的方差贡献率为13.310%，前3 个特征值的累积贡献率为83.372%，且特征值均大于1，可代表原始数据的大部分信息。而其他主成分特征值小于1 且方差贡献率趋向平缓，代表性不足，故选取前3 个因子作为评价芥菜营养品质的重要成分。

表4 14 份芥菜材料品质指标主成分载荷矩阵及特征值和贡献率

2.3.2 主成分综合性评价 利用公式（2）计算得出每个主成分特征向量系数后，构建得到第1～3主成分的得分函数表达式。

式中，y1、y2、y3分别表示第1～3 主成分的特征向量权重值；x1、x2、x3、x4、x5、x6、x7、x8、x9分别代表每份芥菜材料标准化后干物质、VC、粗蛋白、粗纤维、葡萄糖、果糖、苹果酸、草酸、柠檬酸含量的结果。

将上述所得数据分别代入公式（3）式中，即得芥菜综合品质得分。

最后，通过SPSS 软件将标准化后的品质指标数据代入进行变量计算，即代入y1、y2、y3的函数公式中，得到主成分因子得分，然后利用该得分进行y的计算，得到14 份芥菜材料品质指标的综合得分，并进行排序，如表5 所示。

表5 14 份芥菜材料品质指标主成分因子得分及排序

根据以上数据处理结果，从主成分得分方程可知，第1 主成分主要是干物质、草酸、果糖、葡萄糖、VC 这5 个指标共同影响，其中干物质含量的正向载荷最大，其次是草酸、VC 含量，对芥菜营养品质综合评价起正向作用；而果糖、葡萄糖含量为负向载荷，对芥菜的营养品质综合评价有负向作用。因此，第1 主成分主要是反映芥菜中干物质、草酸、VC 的含量因子。第2 主成分主要是粗蛋白、粗纤维、苹果酸、柠檬酸这4 个指标共同影响，其中柠檬酸含量的正向载荷最大，其次是粗蛋白、苹果酸含量，这3 个指标都是正向载荷，对芥菜营养品质综合评价起正向作用；粗纤维含量是负向载荷，对芥菜营养品质综合评价有负向作用。因此，第2 主成分主要是反映芥菜中柠檬酸、粗蛋白、苹果酸的含量因子。第3 主成分主要是粗蛋白、粗纤维、苹果酸、草酸这4 个指标共同影响，其中粗蛋白含量是负向载荷，而正向载荷最大的是粗纤维含量，因此第3 主成分主要是反映芥菜中粗纤维的含量因子。

由芥菜综合品质得分方程知，第1 主成分在芥菜营养品质综合评价中占据主要作用，而第2、3主成分的占比不大，即干物质、草酸、果糖、葡萄糖、VC 含量对芥菜营养品质的评价影响较大。由表5可知，1917012、1917396、1917381 这3 份材料综合品质得分排名靠前，营养品质较好；而1917351和祥瑞182 排名靠后，营养品质较差。

2.4 14 份芥菜材料的聚类分析

2.4.1 隶属函数分析 根据模糊数学隶属函数计算公式分别对14 份芥菜材料主成分综合指标隶属函数值进行计算，因粗纤维含量与综合指标呈负相关，故干物质含量和柠檬酸含量使用公式（4）进行计算，粗纤维含量使用公式（5）进行计算；根据3 个综合指标贡献率的大小，利用公式（6）计算其权重值分别为0.58、0.28、0.14；利用公式（7）计算得到芥菜材料的品质综合评价值（D 值）。

由表6 可知，单就干物质含量而言，1917396的隶属函数值最大，为1.00，说明该材料干物质含量高，其次为1917397、1917381；1917152 的隶属函数值最小，为0，说明该材料干物质含量最低，其次为祥瑞182。而对柠檬酸含量和粗纤维含量而言，分别是1917012 和1917397 隶属函数值最大。从各指标的综合评价值来看，1917396、1917397、1917381 的D 值较大，说明这3 份芥菜材料的营养品质优良；1917152 和祥瑞182 的D 值较小，营养品质较差。

表6 14 份芥菜材料的主成分综合指标隶属函数值和D 值

2.4.2 聚类分析 在对多个样本进行品质综合评价时，单个指标的高低不能作为评判该品种品质是否优良的标准，需要从多个方面进行综合性描述和分类。依据隶属函数分析法对14 份芥菜材料综合指标的D 值进行标准化后，采用系统聚类法进行聚类分析（图3），在欧氏距离（ED）5 处将14 份芥菜材料分为3 类，第Ⅰ类有3 份材料，分别是1917396、1917397、1917381；第Ⅱ类有9 份材料，分别是1915256、1915246、1915279、1915270、1917012、1917040、1917351、1917326、1917343；第Ⅲ类有2 份材料，分别是1917152、祥瑞182。

图3 14 份芥菜材料的D 值聚类分析结果

3 讨论与结论

芥菜因自身具有辛辣味而得名，又因其加工水解可产生多种氨基酸，使得味道鲜美、馨香馥郁，深受人们喜爱，从而在我国蔬菜周年供应中占有重要的地位（叶静渊，1993）。随着生活水平的提高，蔬菜生产已由数量型向品质型转变，人们逐渐开始关注蔬菜的营养品质以及对人体健康有益的生理功能。而前人对芥菜的研究主要集中在利用激素或者化学物质对芥菜生理及采后贮藏方面进行优化，或者揭示芥菜某种生理特性的分子表达等（Di et al.，2022；Lin et al.，2022；Shah et al.，2022；Tandayu et al.，2022），鲜有对芥菜营养品质形成和评价研究的报道。

蔬菜的品质不仅与营养和感官等相关指标有关，而且与生长环境、品种特性和加工方式等多种因素有关（Arah et al.，2015）。本试验中参试芥菜材料处于同一栽培管理条件下，避免了外界条件不同造成系统误差影响某一品种的品质评价结果；且每个品质指标含量进行多次测定，减少了实验误差。植物品质评价具有复杂性和综合性，优良品质的遗传受多基因的共同调控，且品质指标之间存在相互影响和制约（van Inghelandt et al.，2019），因此，如何科学准确地评价芥菜品质是优质芥菜种质培育的基础条件（苏小雨 等，2023）。目前作物品质评价多采用模糊数学隶属函数分析法或主成分分析法和聚类分析法相结合等，如赖佳等（2022）、粱昕景等（2022）、周福平等（2022）使用隶属函数分析法分别对白菜、甜瓜、高粱进行了评价，公丽艳等（2014）、喻华平等（2022）使用主成分分析法和聚类分析法分别对苹果、黄皮进行了评价。

本试验采用多种分析方法（相关性分析、主成分分析、模糊数学隶属函数分析和聚类分析）相结合，对芥菜营养品质进行评价，最大程度上保证评价结果具有科学性和准确性。描述统计分析结果表明，参试14 份芥菜材料的9 个品质指标变异系数在16.46%～66.67%之间，变异系数从大到小依次为柠檬酸、粗纤维、果糖、VC、草酸、苹果酸、葡萄糖、干物质、粗蛋白含量，由此可见不同芥菜材料之间柠檬酸含量差异较大，粗蛋白含量差异较小。相关性分析表明，果糖含量、葡萄糖含量与干物质含量、VC 含量均呈负相关，这与徐义康等（2018）对大白菜品种性状评价结果一致；粗纤维含量与VC 含量也呈负相关，与黎庭耀等（2017）对不同豇豆品种资源营养品质分析的结果一致。通过主成分分析将9 个品质指标转换为3 个综合指标，其中对芥菜品质影响最大的是干物质含量；综合品质得分较高的3 份芥菜材料是1917012、1917396、1917381，而1917351 和祥瑞182 排名最后。根据3 个综合指标进行隶属函数分析和品质综合评价，由此得出各芥菜材料品质的优劣；利用欧氏距离法根据D 值进行聚类分析，将14 份芥菜材料划分为3 类，营养品质优良的芥菜材料为1917396、1917397、1917381，较差的为1917152、祥瑞182。综合以上结果，芥菜材料1917381、1917396 表现良好，营养品质高。此外还可以看出，两种评价方法结果虽有共同之处，但仍有个别材料会出现差异，这可能是由于两种评价方法计算方式的不同造成一定偏向性所引起的。同时也侧面说明利用多元统计方法对芥菜品质进行评价具有合理性，能够充分说明14 份芥菜材料的品质特征，也进一步说明了该评价体系具有科学性和准确性，可为芥菜品质评价和芥菜优势育种奠定基础。