苹果特征性营养品质指标筛选

Screening study of apple nutritional quality indexes

摘要

针对水果营养品质分级指标缺乏的问题，以新疆阿克苏红富士、山东栖霞红富士、陕西洛川红富士、新西兰爱妃、新西兰乐淇及大宁县秦脆6种苹果为研究对象，采用单因素方差分析（ANOVA）和计算营养品质指标变异系数的方法，对苹果中糖、酸、果胶、膳食纤维、维生素C、矿物质、原花青素、总花色苷、总酚和总黄酮含量进行差异性分析；采用双变量相关性分析、主分分析和聚类分析方法，对以上11个特征性营养品质指标进行降维筛选研究。结果表明：1）6种苹果在口感、色泽、营养物质方面均存在较大差异，特别是维生素C、原花青素和总花色苷的含量，其变异系数分别为64.39%、51.84%和48.93%；2）苹果营养指标具有相关性和可分级性，11个营养指标降维后得到的前4类因子对苹果营养品质的积累贡献率为99.795%，可反映原始指标99.795%的信息；3）4类因子中各筛选出1个核心指标，分别为总酚（因子权重0.941）、水溶性糖（因子权重0.926）、维生素C（因子权重0.836）和总矿物质（因子权重0.16），可作为苹果营养品质分级指标。采用水果特征性营养品质指标筛选的方法在水果的质量分级工作中具有可行性。

Abstract

In order to solve the problem of the lack of fruit nutrition quality grading index， six apple varieties， Xinjiang Aksu red Fuji， Shandong Qixia red Fuji and Shaanxi Luochuan red Fuji， New Zealand Envy， New Zealand Rockit and Daning Qincui were taken as study materials. One-way analysis of variance （ANOVA） and calculation of the coefficient of variation of nutritional quality indexes were used to analyze the differences in the contents of sugar， acid， pectin， dietary fiber， vitamin C， minerals， proanthocyanidins， total anthocyanins， total phenols and total flavonoids in apples. The bivariate correlation analysis， principal fraction analysis and cluster analysis were used to screen the dimensionality reduction of the above 11 characteristic nutritional quality indicators. The results showed that： 1） There were great differences in the taste， color and nutrients among the six apple varieties， especially the contents of vitamin C， proanthocyanidins and total anthocyanins， and the coefficients of variation reached 64.39%， 51.84% and 48.93%， respectively. 2） The nutritional indexes of apples were correlated and classifiable， and the contribution rate of the first four types of factors obtained after the dimension reduction of 11 nutritional indicators to the nutritional quality of apples was 99.795%， which could reflect the original index of 99.795%. 3） One core index was identified from each of the four types of factors， namely total phenols （factor weight 0.941）， water-soluble sugar （factor weight 0.926）， vitamin C （factor weight 0.836） and total minerals （factor weight 0.16）， which could be used as apple nutrition quality grading indicators. In conclusion， the method of screening characteristic nutritional quality indexes of fruits is feasible in the quality grading of fruits.

Graphical abstract

关键词

苹果 / 营养品质 / 质量分级 / 指标筛选

Key words

apple / nutritional quality / quality grading / index screening

近年来，消费者对农产品营养品质愈发关注，膳食结构以营养为导向转型升级。大部分消费者期望水果可以按营养指标进行分级，但目前水果质量分级标准中规定的分级方式主要为规格大小和外观感官，有些分级标准仅涉及糖酸含量和硬度，很少涉及水果的营养理化指标。现有水果分级方式难以满足生产环节及市场销售的新趋势，特征性营养品质指标的筛选有助于推进水果品质提升和优质优价。

目前针对苹果的研究更多是关于栽培育种^［1-2］、加工工艺^［3-4］、品质检测^［5-7］等方向。在营养品质方面，已有研究^［8-9］测定了不同品种苹果的营养指标，并采用隶属函数、主成分分析等方法对其营养品质进行综合评价^［10-11］，涉及的营养指标多以糖酸含量和维生素C为主^［12］，个别涉及钾、钙、铁、锌等矿物质元素含量及其相关性分析^［13］，或针对苹果中黄酮、多酚等抗氧化物质的性质功能进行研究^［14］，但针对水果分级方式和分级指标的研究较少，不能满足水果质量分级及其标准制修订的需求，因此有必要对其可分级的特征性营养品质指标进行筛选。

苹果是世界四大水果之一，在中国乃至全世界的果品行业中占据重要地位，同时因其清香的风味和丰富的营养物质，是公认的营养价值较高的水果。本研究拟以苹果为例，采用单因素ANOVA检验、变异系数、双变量相关性分析、主成分分析和聚类分析方法，对苹果的各类营养指标进行检测分析，筛选特征性营养指标，以期为进一步质量分级和品质评价提供参考。

1　材料与方法

1.1　试验材料

在市场购买新鲜、成熟、完整、无机械损伤、无虫害、符合市场销售或贮藏要求的6种苹果：新疆阿克苏红富士、山东栖霞红富士、陕西洛川红富士、新西兰爱妃、新西兰乐淇、大宁县秦脆。每种苹果各采集3 kg，在4 ℃贮藏以待测定。

1.2　试验方法

1.2.1　试验设计

1）苹果样品的制备。取苹果样品的可食部分，用四分法取样，放入组织捣碎机中制成匀浆。

2）口感相关物质含量测定。糖的测定参照张磊等^［15］的方法，采用离子色谱法进行。有机酸的测定参照GB 5009.157—2016《食品安全国家标准 食品中有机酸的测定》^［16］。果胶的测定参照NY/T 2016—2011《水果及其制品中果胶含量的测定分光光度法》^［17］。

3）营养物质含量测定。膳食纤维的测定参照GB/T 5009.88—2014《食品安全国家标准 食品中膳食纤维的测定》^［18］。矿物质的测定参照GB 5009.268—2016《食品安全国家标准 食品中多元素的测定》^［19］。维生素C的测定参照王辉等^［20］的方法，利用高效液相色谱技术。原花青素的测定参照谭永鹏等^［21］的方法，采用超声细胞破碎法对原花青素进行提取。总花色苷的测定参照王叶^［22］的方法，分别测定pH 1.0的缓冲提取液和pH 4.5的缓冲提取液在510、700 nm处的吸光值，按示差法公式计算花色苷含量。总酚的测定参照严娟等^［23］的方法，采用超声波辅助提取和福林-酚（Folin-Ciocaileu）比色的方法进行测定。总黄酮的测定参照薛红等^［24］的方法，利用NaNO₂-Al（NO₃）₃紫外分光光度比色法进行测定。

4）甜度值、糖酸比计算。甜度值参照姚改芳等^［25］的方法，蔗糖、果糖、葡萄糖甜度值系数设为1、1.75和0.7。

\begin{array}{c}\mathrm{甜度}\mathrm{值}=\mathrm{果糖}\mathrm{含量}\times \mathrm{1.75}+\mathrm{蔗糖}\mathrm{含量}\times \mathrm{1}+\\ \mathrm{葡萄}\mathrm{糖含}\mathrm{量}\times \mathrm{0.7}\\ \mathrm{糖酸}\mathrm{比}=\mathrm{水溶}\mathrm{性糖}\mathrm{含量}/\mathrm{总酸}\mathrm{含量}\end{array}

1.2.2　精密仪器及试剂

试验仪器：UV-2550全波长扫描紫外分光光度计、LC-20A液相色谱仪、GCMS-TQ8050NX气相色谱-质谱联用仪，岛津企业管理（中国）有限公司。ICS-5000+离子色谱仪、ICP-6300电感耦合等离子体发射光谱仪，赛默飞世尔科技（中国）有限公司。

主要试剂：葡萄糖、果糖、蔗糖、半乳糖醛酸、抗坏血酸、香草醛、原花青素、没食子酸、芦丁、酒石酸、苹果酸、柠檬酸、丁二酸、乳酸，北京百灵威科技有限公司。福林-酚，北京索莱宝科技有限公司。2-（N-吗啉代）、乙烷磺酸、三羟甲基氨基甲烷、草酸、硝酸、磷酸，上海麦克林生化科技股份有限公司。所有标准品均为色谱纯，其他试剂为分析纯。

1.2.3　统计分析

采用Excel 2019进行数据整理和计算，采用SPSS 27.0软件对数据进行处理。

1）差异性分析。利用单因素ANOVA检验分析单一控制变量影响下的多组样本的均值是否存在显著性差异。

2）变异系数计算。变异系数可通过标准偏差与平均值的比值计算得到，变异系数越大说明该指标受产地、气候、品种基因等因素影响越大，计算公式为：

\mathrm{变异}\mathrm{系数}=(\mathrm{标准}\mathrm{偏差}/\mathrm{平均}\mathrm{值})\times \mathrm{100}\mathrm{\%}

3）相关性分析。相关性分析是指对2个或多个变量元素进行密切程度和关联度分析，数值越大说明两个变量间相关性越大。

4）主成分分析。不同品质指标之间存在一定的相关性和重叠性，且在不同程度上反映了苹果的品质问题，主成分分析法借助正交变化对多维指标进行降维处理，通过指标贡献率筛选核心指标。

5）聚类分析。将不同指标根据特征相关性通过聚类分析进行划分，不同组之间相对独立，同组之间具有较大相似性。指标数据经标准化转换后，用平方欧式距离进行系统聚类。

2　结果与分析

2.1　营养物质含量差异性分析

2.1.1　糖酸含量差异性分析

糖酸含量是影响苹果口感的重要物质，苹果糖酸组分主要由葡萄糖、果糖、蔗糖、苹果酸组成。糖中葡萄糖含量最低，果糖和蔗糖的比例因品种和产地不同出现差异性。本研究对6种苹果中的葡萄糖、果糖、蔗糖、苹果酸、酒石酸、乳酸、柠檬酸、丁二酸和总酸含量进行测定，对甜度值和糖酸比进行计算，结果见表1。

6种苹果中山东栖霞红富士苹果的葡萄糖含量最高为22.18 mg/g，新西兰乐淇苹果的果糖质量分数最高为42.42 mg/g，秦脆苹果的蔗糖质量分数最高为70.74 mg/g；新疆阿克苏红富士、新西兰爱妃、秦脆苹果的蔗糖质量分数高于果糖，其余3种苹果则是果糖质量分数最高。

有机酸中占比最高的为苹果酸（>70%），其次是酒石酸和丁二酸，其他有机酸则占比较低。其中新疆阿克苏红富士苹果的总酸质量分数最高为4.74 mg/g，苹果酸质量分数最高为4.10 mg/g，秦脆苹果的酒石酸质量分数最高为0.41 mg/g，山东栖霞红富士苹果的乳酸质量分数最高为0.17 mg/g，山东栖霞红富士苹果和新疆阿克苏红富士苹果的柠檬酸质量分数最高，均为0.04 mg/g，新西兰乐淇苹果的丁二酸质量分数最高为0.29 mg/g。新西兰爱妃苹果的总酸质量分数最低为2.12 mg/g，苹果酸质量分数最低为1.50 mg/g，乳酸质量分数最低为0.04 mg/g；新疆阿克苏红富士苹果中苹果酸和总酸质量分数均为6种苹果中最高的，显著高于同为红富士的陕西洛川红富士苹果和山东栖霞红富士苹果，新西兰爱妃苹果中有机酸质量分数整体偏低。

不同糖对果蔬甜味的贡献不同，其中果糖甜度>蔗糖甜度>葡萄糖甜度，因此可计算甜度值综合反映各品种苹果的甜味口感。秦脆苹果的甜度值最高为141.01，其余依次为新疆阿克苏红富士苹果>新西兰爱妃苹果>陕西洛川红富士苹果>新西兰乐淇苹果，甜度值均大于110，山东栖霞红富士苹果甜度值最低为94.85。

对于新鲜水果，糖酸比越大，水果味道以甜为主；糖酸比越小，水果味道以酸为主。新西兰爱妃苹果的糖酸比最高为45.46，其余依次为秦脆苹果>陕西洛川红富士苹果>新西兰乐淇苹果>新疆阿克苏红富士苹果，糖酸比为22.59~34.14，山东栖霞红富士苹果糖酸比最低为18.66。

2.1.2　果胶、维生素C、膳食纤维含量差异性分析

本研究对6种苹果中果胶、维生素C、膳食纤维含量进行测定，结果见表2。

苹果的果肉质地主要是由其果胶含量以及果胶分子的差异决定，总果胶含量越高，苹果口感越硬，咀嚼性越强，但化渣性越差。6种苹果中陕西洛川红富士苹果果胶质量分数最高为4.30 g/kg，其余依次为新疆阿克苏红富士苹果>新西兰乐淇苹果>秦脆苹果>新西兰爱妃苹果，山东栖霞红富士苹果果胶含量最低为3.33 g/kg。

苹果中的维生素以维生素C为主，其他维生素的含量较低。苹果与猕猴桃、枣、山楂等富含维生素C的果品相比，维生素C含量相对较低，为0.1~10.5 mg/100 g，平均为2.8 mg/100 g^［21］。6种苹果中新西兰爱妃苹果维生素C质量分数最高为5.92 mg/100 g，其余依次为秦脆苹果>新疆阿克苏红富士苹果>陕西洛川红富士苹果>新西兰乐淇苹果>山东栖霞红富士苹果。其中新西兰爱妃苹果和秦脆苹果的维生素C含量均高于平均值。

6种苹果膳食纤维质量分数不同，均为1.87~2.02 g/100 g，其中秦脆苹果膳食纤维质量分数最高为2.02 g/100 g，其余依次为新西兰爱妃苹果>陕西洛川红富士苹果>新西兰乐淇苹果>新疆阿克苏红富士苹果>山东栖霞红富士苹果。

2.1.3　矿物质含量差异性分析

对6种苹果中的钙、钾、铁、锌元素含量进行测定，结果见表3。山东栖霞红富士苹果钙质量分数最高为64.57 mg/kg，新疆阿克苏红富士苹果钾质量分数最高为1 471.00 mg/kg，新西兰乐淇苹果中铁、锌质量分数最高，分别为1.41和0.86 mg/kg，4种矿物质总质量分数最高的是新疆阿克苏红富士苹果，为1 512.57 mg/kg。整体看，6种苹果中矿物质含量虽不同，但每种矿物质的含量占比有一定规律性，4种矿物质中钾的含量最高，其余依次为钙>铁>锌，2种微量元素中铁含量最高，这与聂继云等^［26］的研究结论一致。

2.1.4　酚类物质含量差异性分析

对6种苹果中原花青素、总花色苷、总酚、总黄酮含量进行测定，结果见表4。

新西兰爱妃苹果原花青素质量分数最高为0.665 mg/g，其余依次为新西兰乐淇苹果>山东栖霞红富士苹果>秦脆苹果>新疆阿克苏红富士苹果>陕西洛川红富士苹果。

花色苷可使苹果呈现由红、紫红到蓝等不同颜色，是决定苹果果实着红色的色素。6种苹果中新西兰爱妃苹果总花色苷质量分数最高为0.494 mg/g，其余依次为新西兰乐淇苹果>山东栖霞红富士苹果>秦脆苹果，总花色苷质量分数均高于0.230 mg/g，陕西洛川红富士苹果和新疆阿克苏红富士苹果的总花色苷质量分数约0.100 mg/g，含量较低。

陕西洛川红富士苹果总酚质量分数最高为1.600 mg/g，其余依次为新疆阿克苏红富士苹果>秦脆苹果>山东栖霞红富士苹果>新西兰乐淇苹果>新西兰爱妃苹果。

陕西洛川红富士苹果总黄酮质量分数最高为1.140 mg/g，其余依次为秦脆苹果>新疆阿克苏红富士苹果>山东栖霞红富士苹果>新西兰乐淇苹果>新西兰爱妃苹果。

2.2　特征性营养品质指标筛选

2.2.1　变异系数分析

对6种苹果营养品质指标进行变异系数计算。变异系数高于30%的指标有3个，其中维生素C的变异系数最大为64.39%，其后为原花青素、总花色苷，分别为51.84%、48.93%；变异系数为20%~30%的指标有4个，依次为糖酸比>总酸>总黄酮>总酚，变异系数分别为29.74%、24.18%、22.66%、20.07%；变异系数低于20%的指标有4个，其中水溶性糖、总矿物质、果胶的变异系数分别为14.8%、10.89%和9.75%，变异系数最小的是膳食纤维为2.62%。

对6种苹果营养品质指标进行正态检验，概率值P≥0.05即判定符合正态分布。检验结果显示：水溶性糖、总酸、糖酸比、总花色苷、总酚、总黄酮、膳食纤维含量均符合正态分布；果胶和原花青素的概率值与0.05极为接近，视同符合正态分布；维生素C、总矿物质均有明显拖尾，但去掉拖尾值后（维生素C去掉大于3.80 mg/100 g的4个数值，矿物质去掉大于1 500.00 mg/kg的2个数值后），2个指标均符合正态分布。

2.2.2　相关性分析

对6种苹果营养品质指标进行双变量相关性分析，结果见表5。总酸与糖酸比、膳食纤维呈极显著负相关（P<0.01），与原花青素和总花色苷呈显著负相关（P<0.05），即总酸含量越高，糖酸比越小，膳食纤维、原花青素和总花色苷含量越低。糖酸比与膳食纤维呈极显著正相关（P<0.01），与总矿物质、原花青素、总花色苷呈显著正相关（P<0.05），即糖酸比含量越高，维生素C、膳食纤维、原花青素、总花色苷含量越高。果胶与总酚呈极显著正相关（P<0.01），与总矿物质、原花青素、总花色苷呈显著负相关（P<0.05），即果胶含量越高，总矿物质、原花青素、总花色苷含量越低。维生素C与总黄酮呈显著正相关（P<0.05），即维生素C含量越高，总黄酮含量越高。总矿物质与膳食纤维呈显著正相关（P<0.05），即矿物质总含量越高，膳食纤维含量越高。原花青素与总酚、总黄酮呈极显著负相关（P<0.01），即原花青素含量越高，总酚、总黄酮含量越低；与总花色苷呈极显著正相关（P<0.01），即原花青素含量越高，总花色苷含量越高。总花色苷与总酚、总黄酮呈极显著负相关（P<0.01），即总花色苷含量越高，总酚、总黄酮含量越低。总酚与总黄酮呈极显著正相关（P<0.01），即总酚含量越高，总黄酮含量越高。

2.2.3　主成分分析

由于原花青素和总花色苷均被包含在总酚和总黄酮中，且彼此之间相关性极显著，所以后续不再对原花青素和总花色苷进行单独分析。对其余9种苹果营养品质指标进行主成分分析，结果见表6。其中因子1的贡献率为60.181%，代表性指标（即权重绝对值较大的指标）为总酸、总黄酮和总酚，均与因子1呈正相关；因子2的贡献率为20.490%，代表性指标为水溶性糖，与因子2呈正相关；因子3的贡献率为18.506%，代表性指标为维生素C，与因子3呈正相关；因子4的贡献率为0.617%，代表性指标为总矿物质，与因子4呈正相关。前4种因子的积累贡献率为99.794%，可反映原始指标99.794%的信息，并将原有9个指标降维成4种相对独立的综合性评价因子。

2.2.4　聚类分析

对6种苹果营养品质指标进行系统聚类分析，结果见图1。总酚与总黄酮距离最近，仅为0.776；其次为糖酸比与膳食纤维，距离为2.092。以7.5为指标类别划分距离，可将9项指标分为4类，即总酚、总黄酮、总酸为第I类，维生素C单独一类为第Ⅱ类，水溶性糖和果胶为第Ⅲ类，糖酸比、膳食纤维、总矿物质为第Ⅳ类。该结果与主成分分析因子分类具有一致性。

结合主成分分析结果，在因子1中，由于该研究主要目的为筛选特征性营养指标，总黄酮与总酚之间高度相关且均为聚类分析第I类，因总酚中的类黄酮和酚酸是苹果中重要的营养物质，因此选择总酚为因子1的核心指标，可反映苹果的功能性营养成分；在因子2中，水溶性糖因子权重明显高于其他物质且属于聚类分析第Ⅱ类，因此水溶性糖为因子2的核心指标，除了营养还可以反映苹果的甜度；在因子3中，综合考虑主成分分析和聚类分析的结果，选择维生素C为核心指标，反映苹果在维生素C方面的营养品质；在因子4中，总矿物质因子权重最高且位于聚类分析第Ⅳ类中，因此选择总矿物质为因子4核心指标，虽然因子4的贡献率不突出，但考虑到水果是矿物质元素的重要来源，因此将总矿物质筛选为核心指标之一。

3　讨　论

3.1　营养物质含量差异性分析

通过对6种苹果的营养物质含量进行差异性分析，发现6种苹果在口感、色泽、营养物质方面均存在差异性，特别是在维生素C、原花青素、总花色苷的含量上，变异系数较大。造成这种差异性的原因，一是不同产地果实品质受气象因子（如海拔、降水量、日照、气温等）及栽培管理等条件影响^［8］，二是由于不同品种间受基因调控的影响^［9］。

在口感、色泽和营养品质方面，国内3个不同产区的红富士中新疆阿克苏红富士苹果糖酸含量较高，富含多种营养物质且含量较高；山东栖霞红富士苹果口感松软化渣性好，含有较多的钙、总酚、总黄酮；陕西洛川红富士苹果富含果胶，质地硬脆咀嚼性好。新西兰2个品种中爱妃苹果呈深红色，口感清甜，酸味偏淡，糖酸比最高，富含维生素C、膳食纤维、原花青素、花色苷；乐淇苹果中微量元素铁、锌的含量最高；国内新杂交品种秦脆苹果口感酸甜，甜度值最高，营养品质较好，这与之前相关研究基本一致^{［10-11，27-28］}。

3.2　特征性营养品质指标筛选

从技术层面看，总酚、水溶性糖、维生素C和总矿物质4种物质均有成熟的检测方法，且数据结果显示4种物质在6种苹果间都具有明显的差异性，尤其是维生素C变异系数高达60%以上，其余3种物质变异系数也均大于10%，同时不同物质间又存在相关性可以进行分类和筛选，这说明苹果间营养品质在原则上有可分级性。

在营养品质方面，苹果营养物质丰富，具有极高的营养价值，总酚、水溶性糖、维生素C和矿物质均是苹果中极具代表性的营养素^［29］。维生素C是苹果维生素中较为主要的一类，具有极强的抗氧化性，可以防治坏血病，对人体有很高的营养价值；水溶性糖不仅能够提供能量，还是苹果甜味的主要来源，是苹果口感品质的重要占比成分；矿物质是构成机体组织和促进人体新陈代谢的重要营养素，苹果是人体摄入矿物质的重要食物来源，苹果中的矿物质元素钾的含量最高，其次是钙、铁。在名特优新农产品中常用水溶性糖、维生素C作为苹果鉴定指标，有些也会涵盖矿物质元素^［30］。虽然目前研究中很少将功能活性成分作为苹果营养品质评价指标，但苹果中的酚类物质具有多种生理功能，可以抗氧化、抑制癌细胞增殖、抗菌消炎、预防心脑血管疾病和糖尿病，是苹果中重要的营养物质^［31］。

根据变异系数、主成分分析和聚类分析可将原有指标筛选简化为总酚、水溶性糖、维生素C和总矿物质这4个品质评价指标，作为苹果特征性营养品质指标进行质量分级，反映苹果的营养品质。虽然总酚、水溶性糖、维生素C和总矿物质是本研究确定的苹果营养品质评价适宜指标，但这4项指标并不是不可改变的，考虑到检测技术、评价时间、物质成本等因素，也可以用其他营养指标来替换其中的某些指标。

4　结　论

本研究对6种苹果的11个营养品质评价指标进行含量测定，采用计算变异系数、双变量相关性分析、主分分析和聚类分析的方法对其进行分析。根据变异系数计算和双变量相关性分析可看出，受光照、温度、土壤养分、基因等因素的影响，11个评价指标间存在不同程度的差异性和相关性，利用主成分分析将原有指标降维成4种相对独立的综合性评价因子，分别为因子1、2、3、4，后综合考虑主成分分析和聚类分析的结果筛选出因子1的核心指标为总酚，因子2的核心指标为水溶性糖，因子3的核心指标为维生素C，因子4的核心指标为总矿物质。因此可将原有11个指标筛选简化为总酚、溶性总糖、维生素C和总矿物质这4个特征性营养品质指标来代表苹果的营养品质，以便满足后续质量分级和营养品质评价工作的需求。同时，本研究表明筛选特征性营养品质指标在水果的质量分级工作中具有可行性。

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基金资助

中国农业科学院科技创新工程青年英才专项(ASTIP2022B-3)

中国农业科学院科技创新工程重大科研任务项目(CAAS-XTCX20190025)