基于主成分分析的油茶果經(jīng)濟(jì)性狀及茶油脂肪酸組成

王彥花，王 容，張 云，吳立潮，劉 芳，*

(1.鄭州科技學(xué)院，河南鄭州450000;2.中南林業(yè)科技大學(xué)，湖南長(zhǎng)沙410004)

油茶(Camellia oleifera)是中國(guó)特有的山茶科木本食用油料植物，與油橄欖、油棕、椰子并稱為世界“四大木本油料作物”，廣泛種植于我國(guó)亞熱帶地區(qū)［1］。油茶的綜合利用價(jià)值很高，除生產(chǎn)茶油外，茶粕及茶籽殼等殘余產(chǎn)物經(jīng)開(kāi)發(fā)后也可廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥、化妝品、紡織、化工等領(lǐng)域［2］。近年來(lái)，國(guó)家及各省市地區(qū)相繼出臺(tái)了相關(guān)的文件、政策，并采取了積極的補(bǔ)貼扶持等措施，油茶產(chǎn)業(yè)步入了發(fā)展的快車道［3］。

立地是指植物生長(zhǎng)發(fā)育的各種自然及人工環(huán)境因子的總和，不同立地條件下植物的生長(zhǎng)狀況不同，油茶也有類似的表現(xiàn)［4］。油茶果實(shí)性狀、出仁率、出油率、脂肪酸組成等指標(biāo)不僅與品種有關(guān)，而且與油茶林的立地環(huán)境及氣候條件有關(guān)［5－6］，坡向坡位等立地因子關(guān)系到油茶的生長(zhǎng)、產(chǎn)量、果實(shí)有機(jī)質(zhì)的合成和積累、茶油成分的變化［7－8］。在油茶種植中，立地選擇是制約油茶林經(jīng)濟(jì)效益的關(guān)鍵要素之一，近年來(lái)科研工作者對(duì)不同品種、不同立地條件下油茶的產(chǎn)量、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)及茶油品質(zhì)進(jìn)行了較多研究［9－12］，但是不同條件下油茶果經(jīng)濟(jì)性狀及茶油脂肪酸組成的綜合分析及評(píng)價(jià)鮮見(jiàn)報(bào)道。

在油茶種植中，立地選擇是制約油茶林經(jīng)濟(jì)效益的關(guān)鍵要素之一，坡向坡位等立地因子關(guān)系到油茶的生長(zhǎng)、產(chǎn)量、果實(shí)有機(jī)質(zhì)的合成和積累、茶油成分的變化，因此研究不同立地的油茶品質(zhì)有助于在油茶種植時(shí)更有針對(duì)性地進(jìn)行立地選擇。本研究以廣西三門江林場(chǎng)有機(jī)山茶樹(shù)種植基地9個(gè)立地的“湘林系列”油茶果及壓榨茶油為研究對(duì)象，運(yùn)用主成分分析法簡(jiǎn)化評(píng)價(jià)指標(biāo)，結(jié)合主成分的二維排序圖及各立地的綜合得分，對(duì)9個(gè)立地進(jìn)行了分析及排序，較為全面地分析了同一地區(qū)不同立地條件下油茶果經(jīng)濟(jì)性狀及茶油脂肪酸組成的變化，旨在了解立地條件對(duì)油茶及茶油品質(zhì)的影響，為合理利用林地資源、提高林農(nóng)經(jīng)濟(jì)收益、篩選出更適宜油茶種植的立地類型提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

油茶果樣品 采摘自廣西壯族自治區(qū)國(guó)有三門江林場(chǎng)有機(jī)山茶樹(shù)種植基地，油茶品種為7年生湘林系列霜降籽。

TP－214型電子分析天平 美國(guó)丹福公司;CA59型榨油機(jī) 德國(guó)Komet公司;101型電熱鼓風(fēng)干燥箱 上海一恒科學(xué)儀器有限公司;HH－6數(shù)顯恒溫水浴鍋 常州市園旺儀器制造有限公司;ST310型索氏抽提儀 福斯賽諾分析儀器蘇州有限公司;GC－2014型氣相色譜儀 島津公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

試驗(yàn)地位于廣西壯族自治區(qū)國(guó)有三門江林場(chǎng)有機(jī)山茶樹(shù)種植基地(25°45'N，109°44'E)，中低山丘陵地帶，砂頁(yè)巖紅壤性土壤。該地區(qū)屬亞熱帶南嶺濕潤(rùn)氣候區(qū)，雨量充沛，年平均氣溫18.3℃，活動(dòng)積溫5691.4，年平均日照總時(shí)數(shù)1334.3 h，平均無(wú)霜期320 d。試驗(yàn)地相對(duì)高度311～384 m，坡度23°，北坡栽植有桉樹(shù)防風(fēng)林。試驗(yàn)地采用水平梯級(jí)整地法，栽種行距約2.2 m×3 m。

1.2.1 油茶果的采集及茶油的制備 油茶果采自東坡上坡(MY1)、東坡中坡(MY2)、東坡下坡(MY3)、南坡上坡(MY4)、南坡中坡(MY5)、南坡下坡(MY6)、西坡上坡(MY7)、西坡中坡(MY8)、西坡下坡(MY9)9個(gè)油茶林樣地，采用蛇形采樣法多點(diǎn)取樣，每個(gè)樣地均勻分散采集成熟油茶果5～8 kg。

油茶果采后室內(nèi)堆放3～4 d，再翻開(kāi)攤晾至自然開(kāi)裂后取出油茶籽，經(jīng)55℃烘箱干燥后去殼，直接用榨油機(jī)低溫壓榨，經(jīng)過(guò)濾后得到茶油毛油，裝入具塞錐形瓶中置于冰箱4℃保存?zhèn)溆谩?/p>

1.2.2 指標(biāo)測(cè)定方法

1.2.2.1 油茶果經(jīng)濟(jì)性狀的測(cè)定 果實(shí)橫徑、果實(shí)縱徑、果皮厚度采用游標(biāo)卡尺測(cè)量;單果均重采用電子天平測(cè)量;單果籽粒數(shù)為人工計(jì)數(shù)，每個(gè)立地選取20個(gè)果實(shí)，計(jì)算平均數(shù);鮮籽百粒重、干籽百粒重參照GB/T 5519－2008;干籽出仁率參照 SN/T 0803.10－1999;干仁出油率參照GB/T 5512－2008;果形指數(shù)=果實(shí)縱徑(cm)/果實(shí)橫徑(cm);鮮果出油率(%)=干籽出油率×干出籽率×100。

1.2.2.2 脂肪酸的測(cè)定 油樣經(jīng)KOH－甲醇溶液甲酯化，再經(jīng)正庚烷提取后入氣相色譜儀進(jìn)行分析。根據(jù)與各種脂肪酸標(biāo)樣保留時(shí)間的對(duì)比確定脂肪酸的組成，再根據(jù)峰面積，采用面積歸一化法計(jì)算茶油中棕櫚酸、硬脂酸、油酸、亞油酸、亞麻酸5種脂肪酸的相對(duì)含量。氣相色譜條件:色譜柱類型:SP2340(60 m×0.25 mm，0.2μm);檢測(cè)器:FID;升溫程序:初始溫度50℃，保持2 min，以10℃/min升至170℃，保持10 min，然后以2℃/min升至180℃，保持10 min，再以4℃/min升至220℃;進(jìn)樣量:1μL，進(jìn)樣口250℃，檢測(cè)器溫度300℃［13］。

1.2.3 主成分分析 主成分分析前，將各指標(biāo)的原始數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化，以消除變量在數(shù)量級(jí)或量綱上的影響。采用SPSS進(jìn)行主成分分析，根據(jù)主分量累積貢獻(xiàn)率確定主成分的個(gè)數(shù)，采用并根據(jù)因子得分計(jì)算出主成分得分Fi(下式1)。根據(jù)主成分得分計(jì)算出不同坡向坡位的綜合得分(下式2)，再根據(jù)主成分得分和綜合得分，對(duì)9個(gè)樣地進(jìn)行排序。

式中:bi為因子得分;i=1，2，3;X為各主成分的特征值(表3)的算術(shù)平方根。

式中:(Vi/P)為各主成分特征值的貢獻(xiàn)率;i=1，2，3;Fi為各主成分得分。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

采用Excel及SPSS 20.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析。采用單因素方差分析(ANOVA)和Tukey后置檢驗(yàn)法進(jìn)行方差分析和差異顯著性檢驗(yàn)(α=0.05);采用主成分分析計(jì)算因子得分;采用Excel軟件計(jì)算主成分得分及綜合得分。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同立地油茶果經(jīng)濟(jì)性狀及茶油脂肪酸組成分析

9個(gè)立地的油茶果經(jīng)濟(jì)性狀及茶油脂肪酸組成的測(cè)定(表1)表明，不同立地指標(biāo)間存在顯著性差異(p＜0.05)。其中，果實(shí)橫徑、果實(shí)縱徑、單果均重、鮮籽百粒重、干籽百粒重及干仁出油率為MY9最高，但MY9的果形指數(shù)及果皮厚度最小，且干籽出仁率較小，說(shuō)明西坡下坡的油茶果果實(shí)較大、單果及單籽較重、干仁出油率高但是干籽出仁率低，這是因?yàn)槲髌鹿庹諒?qiáng)度大、時(shí)間長(zhǎng)，積累的有機(jī)物多，但是花芽少、座果率低［15］，而下坡的土壤較厚、水分充足、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)豐富，有利于油茶果實(shí)的生長(zhǎng)和油脂的積累［16］;單果籽粒數(shù)、干籽出仁率及鮮果出油率為MY5最高，但MY5的果皮厚度較小、鮮籽百粒重及干籽百粒重較小，說(shuō)明南坡中坡的油茶果皮薄、籽粒多、出仁率及出油率高，但籽粒較小，這是因?yàn)槟掀略诨ㄑ糠只诩肮麑?shí)生長(zhǎng)期光溫水條件優(yōu)越，從而花芽多、出籽率及座果率高［15］，且在光照適宜的條件下，陽(yáng)坡的中坡土壤肥力較好且水分含量適宜［17］;果實(shí)縱徑、單果均重、鮮籽百粒重、干籽百粒重、干仁出油率、鮮果出油率及不飽和脂肪酸含量為MY2最小，但MY2的多不飽和脂肪酸含量最高，且果皮厚度較大，說(shuō)明東坡中坡的油茶果實(shí)較小，單果及單籽較輕，出油率低，總不飽和脂肪酸含量低但多不飽和脂肪酸含量高，這是因?yàn)?，油茶種子油酸與亞油酸含量存在極顯著負(fù)相關(guān)［18］，且東坡花芽多、落果少、平均光照時(shí)間及強(qiáng)度小［15］。

表1 油茶果經(jīng)濟(jì)性狀及茶油脂肪酸組成的測(cè)定結(jié)果Table 1 Results of economic indexes of Camellia oleifera fruits and fatty acid composition of Camellia oil

2.2 不同立地油茶果經(jīng)濟(jì)性狀及茶油脂肪酸組成的主成分分析

進(jìn)行主成分分析時(shí)，對(duì)各指標(biāo)的原始數(shù)據(jù)采用標(biāo)準(zhǔn)化法轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)，再采用主成分分析提取3個(gè)特征值大于1的主成分(表2)。由表2可知，前3個(gè)主成分(F1、F2、F3)的累積方差貢獻(xiàn)率為84.608%，說(shuō)明在變量不丟失的前提下，這3個(gè)公因子可以包含原始數(shù)據(jù)84.608%的信息，可以用這3個(gè)主成分代表原來(lái)的13項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)，進(jìn)行油茶果經(jīng)濟(jì)性狀及茶油脂肪酸組成的分析和評(píng)價(jià)。

由表2可知，在第1主成分上具有較高載荷的指標(biāo)為果實(shí)橫徑、果實(shí)縱徑、果皮厚度、單果均重、干仁出油率、多不飽和脂肪酸含量，特征值為5.478，貢獻(xiàn)率為42.136%，主要反映了油茶果的果實(shí)性狀、籽仁含油率及茶油多不飽和脂肪酸含量。在第2主成分上具有較高載荷的指標(biāo)為單果籽粒數(shù)、鮮籽百粒重、干籽百粒重、干籽出仁率、不飽和脂肪酸含量，特征值為3.363，貢獻(xiàn)率為25.870%，主要反映了油茶籽的數(shù)量和質(zhì)量，以及茶油不飽和脂肪酸含量。在第3主成分上具有較高載荷的指標(biāo)有果形指數(shù)、鮮果出油率，特征值為2.158，貢獻(xiàn)率為16.602%，主要反映了油茶果外形及出油率。

表2 主成分分析結(jié)果Table 2 The results of principal component analysis

2.3 不同立地油茶果經(jīng)濟(jì)性狀及茶油脂肪酸組成的綜合評(píng)價(jià)比較

將主成分分析的因子得分代入式(1)計(jì)算出各主成分得分，進(jìn)而以第1主成分得分為橫坐標(biāo)，分別以第2、第3主成分得分為縱坐標(biāo)繪制散點(diǎn)圖(圖1)，可以直觀地看出各立地在前3個(gè)主成分的油茶品質(zhì)分布狀況，主成分得分越高品質(zhì)越好。

由圖1可知，不同立地在3個(gè)主成分上的得分排序存在差異。第1主成分的優(yōu)良度排序依次為:MY9＞MY4＞MY5＞MY3＞MY8＞MY7＞MY1＞MY6＞MY2，因此可認(rèn)為西坡下坡及南坡上坡在油茶果實(shí)性狀、籽仁含油率及茶油多不飽和脂肪酸含量方面現(xiàn)較好，東坡中坡及南坡下坡較差，其他立地居中;第2主成分的優(yōu)良度排序依次為:MY8＞MY6＞MY1＞MY7＞MY9＞MY3＞MY2＞MY4＞MY5，因此可認(rèn)為西坡中坡及南坡下坡在油茶籽數(shù)量和質(zhì)量以及茶油不飽和脂肪酸含量方面表現(xiàn)較好，南坡中坡及南坡上坡較差，其他立地居中。第3主成分的優(yōu)良度排序依次為:MY6＞MY5＞MY7＞MY8＞MY4＞MY3＞MY9＞MY2＞MY1，因此可認(rèn)為南坡下坡及南坡中坡在油茶果外形及鮮果出油率方面表現(xiàn)較好，東坡上坡及東坡中坡較差，其他立地居中。圖1直觀地反映了各立地在前3個(gè)主成分的油茶品質(zhì)分布狀況，根據(jù)圖1可以選擇在第1、第2主成分綜合表現(xiàn)突出或者在第1、第3主成分綜合表現(xiàn)突出的立地，有利于對(duì)不同立地的油茶果及茶油的進(jìn)行有針對(duì)性的選擇和利用。但由于各主成分的方差貢獻(xiàn)率不同，因此在進(jìn)行不同立地油茶果經(jīng)濟(jì)性狀及茶油脂肪酸的綜合分析時(shí)應(yīng)考慮各主成分的貢獻(xiàn)率，才能使分析結(jié)果更科學(xué)、客觀、準(zhǔn)確。

圖1 不同立地前3個(gè)主成分二維排序Fig.1 Scatter plot based on 3 former principal component analysis

以各主成分的貢獻(xiàn)率為權(quán)重，將主成分得分代入式(2)計(jì)算出不同坡向坡位的綜合得分，并根據(jù)綜合得分對(duì)9個(gè)立地進(jìn)行排序(表3)。

表3 主成分得分、綜合得分及排序Table 3 Principal component score，comprehensive score and site ranking

由表3可知，9個(gè)立地的綜合得分從高到低依次為MY9＞MY8＞MY6＞MY7＞MY4＞MY5＞MY1＞MY3＞MY2，因此可認(rèn)為西坡下坡、西坡中坡在油茶果經(jīng)濟(jì)性狀及茶油脂肪酸組成方面綜合表現(xiàn)較好，東坡中坡、東坡下坡較差，其他立地居中，這與原始數(shù)據(jù)分析結(jié)果及各主成分排序得出的結(jié)論基本吻合，說(shuō)明主成分分析的結(jié)果與客觀實(shí)際接近，評(píng)價(jià)結(jié)果可靠有效。其中，西坡的三個(gè)坡位綜合得分分別排在第4、第2、第1，南坡的三個(gè)坡位綜合得分分別排在第5、第6、第3，東坡的三個(gè)坡位綜合得分分別排在第7、第9、第8，說(shuō)明從油茶果經(jīng)濟(jì)性狀及茶油脂肪酸組成的綜合得分來(lái)看，西坡優(yōu)于南坡，南坡優(yōu)于東坡，下坡優(yōu)于中坡及上坡，因此從油茶果經(jīng)濟(jì)性狀及茶油脂肪酸組成方面來(lái)考慮，油茶種植時(shí)可優(yōu)先選擇坡向中的西坡、南坡及坡位中的下坡。

3 結(jié)論

本研究通過(guò)主成分分析對(duì)不同立地的油茶果經(jīng)濟(jì)性狀及茶油脂肪酸組成進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)及排序，結(jié)果表明:各主成分的優(yōu)良度排序表明西坡下坡及南坡上坡在油茶果實(shí)性狀、籽仁含油率及茶油多不飽和脂肪酸含量方面現(xiàn)較好，西坡中坡及南坡下坡在油茶籽數(shù)量和質(zhì)量以及茶油不飽和脂肪酸含量方面表現(xiàn)較好，南坡下坡及南坡中坡在油茶果外形及鮮果出油率方面表現(xiàn)較好;9個(gè)立地的綜合得分從高到低依次為西坡下坡＞西坡中坡＞南坡下坡＞西坡上坡＞南坡上坡＞南坡中坡＞東坡上坡＞東坡下坡＞東坡中坡，說(shuō)明西坡下坡、西坡中坡在油茶果經(jīng)濟(jì)性狀及茶油脂肪酸組成方面綜合表現(xiàn)較好，東坡中坡及東坡下坡表現(xiàn)較差，其他立地居中;油茶果經(jīng)濟(jì)性狀及茶油脂肪酸組成整體表現(xiàn)為西坡優(yōu)于南坡優(yōu)于東坡，下坡優(yōu)于中坡及上坡，因此油茶種植時(shí)可優(yōu)先選擇坡向中的西坡、南坡及坡位中的下坡。

由于試驗(yàn)地處于成熟的油茶栽種區(qū)，北坡栽植有桉樹(shù)防風(fēng)林，因此對(duì)于不同立地茶油品質(zhì)的研究在坡向因子方面不夠完善，若是增加北坡數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，預(yù)計(jì)得到的綜合評(píng)價(jià)分析將會(huì)更合理、更科學(xué)，對(duì)指導(dǎo)油茶種植更有意義。由于不同油茶品種特性及不同地區(qū)氣候條件存在差異，因此今后的研究中可著重對(duì)不同品種在不同地區(qū)氣候條件下的油茶立地品質(zhì)展開(kāi)系統(tǒng)性研究，為油茶種植的立地選擇提供理論依據(jù)。