甘蔗品质指标的通径分析和因子分析

高三基 傅华英 陈如凯 徐良年 张华

(福建农林大学/农业部甘蔗生理生态与遗传改良重点开放实验室; 农业部甘蔗及制品质量监督检验测试中心  福州 350002

摘要:应用通径分析和因子分析方法,对72份甘蔗材料的11品质指标数据进行分析。简单相关分析结果表明,甘蔗蔗糖分除了与蔗渣蒸煮液失水量没有显著相关外,与其他9个品质指标均有显著或极显著的相关性。甘蔗纤维分与甘蔗出汁率、蔗汁折光锤度、蔗汁旋光读数、蔗汁直接转光度、蔗汁间接转光度和蔗渣含水量有极显著相关性,而与蔗渣蒸煮液失水量、蒸煮液的折光锤度和蒸煮液的旋光读数的相关性不显著。通径分析结果表明,甘蔗蔗糖分主要受甘蔗出汁率、蔗汁直接转光度、蔗汁间接转光度、蔗渣蒸煮液失水量和蒸煮液的旋光读数等5个指标影响较大,而甘蔗纤维分主要受甘蔗出汁率、蔗渣含水量、蔗渣蒸煮液失水量和蒸煮液的折光锤度等4个指标影响较大。因子分析结果表明,9个甘蔗品质指标可由4个主因子所代表,其特征值的累计贡献率达94.30%。前3个主因子分别为蔗汁糖分指标因子、蔗渣糖分指标因子和蔗渣水分因子,其特征值的累计贡献率达83.06%,第4个主因子只有蔗渣蒸煮液失水量载荷值较大。

关键词:甘蔗;品质指标;通径分析;因子分析

Path and Factor Analysis for Quality Indexes of Sugarcane

GAO San-ji, FU Hua-ying, CHEN Ru-kai, XU Liang-nian ZHANG Hua

(Key Lab of Eco-physiology & Genetic Improvement for Sugarcane, Ministry of Agriculture; Cane and Sugar Products Quality Inspection Centre, Ministry of Agriculture, Fujian Agriculture and Forestry University,  Fuzhou 350002)

Abstract: Eleven quality indexes of sugarcane from seventy-two sugarcane varieties were performed by path and factor analysis in this study. Sucrose content in cane was significantly associated with the nine quality indexes except loss of water in boiling liquid of bagasse by simple correlation analysis. Fiber percent cane was extremely significantly related with juice extraction percentage, brix in juice, polarimeter reading (PR) of juice, PR by sodium chloride solution, PR by hydrochloric acid and water content in bagassse, however, it was not significantly associated with loss of water, brix and polarimeter reading of boiling liquid of bagass. The results of path analysis suggested that sucrose content in cane were primarily controlled by juice extraction percentage, PR by sodium chloride solution, PR by hydrochloric acid, loss of water in boiling liquid of bagasse and PR of boiling liquid of bagass. Fiber percent cane was mainly influenced by juice extraction percentage, water content in bagasse, loss of water in boiling liquid of bagasse and brix of boiling liquid of bagass. The nine quality indexes of sugarcane could be divided into four factors and cumulative variance contribution of the four factor reached 94.30% by factor analysis. The former three factors were sugar indexes of juice, sugar indexes of bagasse and water index of bagasse, respectively. The cumulative variance contribution of them reached 83.06%. Only loss of water in boiling liquid of bagasse had significant load in the fourth factor.

Key words: Sugarcane; Quality indexes; Path analysis; Factor analysis

甘蔗品质指标化验是甘蔗育种工作中不能缺少的重要环节。常规甘蔗品质化验测定步骤较为繁琐,需要测定9个一级原始指标,然后根据公式计算出甘蔗品质指标。 如何保证甘蔗品质化验的准确性、科学性,探讨这些一级原始指标与甘蔗蔗糖分和纤维分的关系,对指导甘蔗品质检测具有重要意义。这方面研究已有一些报道,黄久凯和杨荣仲 [1]采用偏相关分析研究甘蔗出汁率、蔗汁锤度、蔗渣水分、蒸煮液失水量及旋光读数等指标与甘蔗蔗糖分和纤维分的相关性,高三基等 [2]研究蔗汁锤度、旋光读数及蔗汁转光度与蔗汁蔗糖分的相关性,并建立蔗汁蔗糖分的回归模型。傅华英等 [3]以恒温水浴锅为热源,探讨不同蒸煮时间引起蒸煮液失水量差异是否对品质指标有影响,以确定合适的蔗渣蒸煮时间。本文拟通过通径分析研究甘蔗出汁率、蔗汁折光锤度、蔗汁旋光读数、蔗汁直接转光度、蔗汁间接转光度、蔗渣含水量、蔗渣蒸煮液失水量、蒸煮液的折光锤度、蒸煮液的旋光读数等指标对甘蔗纤维分和甘蔗蔗糖分的影响,然后利用因子分析筛选出影响甘蔗品质化验的主因子,以期为甘蔗高糖育种和品质化验提供借鉴。

1  材料与方法

1.1  材料

选用种植于本实验室试验田内的第四轮国家甘蔗新品种区域试验、农业部948项目甘蔗新品种联合试验以及本实验室甘蔗新品系品比试验中36个品种(系)为供试材料。

1.2  方法

1.2.1  甘蔗品质指标的化验    200412月份分别在3套试验材料的新植和宿根蔗中选取生长正常、无病虫害的蔗茎进行甘蔗品质化验,每个基因型取6条蔗茎。样品在甘蔗压榨机上榨取蔗汁,取蔗汁约300 ml两份,利用美国Rudolph公司的J157自动折光仪测得20℃下折光锤度(Brix%),随后加入适量的澄清剂,摇匀过滤,滤液用美国AUTOPOL 880自动旋光仪测定蔗汁旋光读数(PR0Z),然后采用二次旋光法测定蔗汁蔗糖分。即吸取2份滤液50ml,分别经氯化钠和盐酸溶液处理后,摇匀过滤,在自动旋光仪上观测其旋光读数压榨后的蔗渣取两个平行样,以恒温水浴锅为热源,蒸煮2.5 h后,测定蒸煮液的失水重,挤出蒸煮液测得蒸煮液的旋光读数和折光锤度。每个样品另取2份蔗渣,于电热烘干箱105℃条件下烘干至恒重,测定蔗渣含水量。按照《甘蔗制糖化学管理分析方法》中公式计算出甘蔗蔗糖分和甘蔗纤维分[4]

1.2.2  统计分析  测定的2次平行样数据取平均值后进行统计分析。数据经标准化转换后进行简单回归分析、通径分析和因子分析,所有统计分析过程通过SAS软件完成[5]

2  结果与分析

2.1  简单相关分析

1列出了甘蔗出汁率、蔗汁折光锤度、蔗汁旋光读数、蔗汁直接转光度、蔗汁间接转光度、蔗渣含水量、蔗渣蒸煮液失水量、蒸煮液的折光锤度、蒸煮液的旋光读数、甘蔗纤维分和甘蔗蔗糖分等11个甘蔗品质化验指标间的相关系数。从表1可见,甘蔗出汁率、蔗汁折光锤度、蔗汁旋光读数、蔗汁直接转光度和蔗汁间接转光度5个品质指标间存在密切关系,相关性达极显著水平。蔗渣含水量除了与蒸煮液的失水量、蒸煮液的折光锤度和蒸煮液的旋光读数关系不显著外,与其


1  甘蔗品质指标间的相关系数

Table Coefficient of correlation among quality indexes of sugarcane

 

X2

X3

X4

X5

X6

X7

X8

X9

X10

X11

X1

-0.32599**

-0.33971**

-0.34649**

0.31512**

-0.38337**

-0.04939

-0.24292*

-0.40186**

-0.55505**

-0.26985*

X2

 

0.97866**

0.97572**

-0.93318**

-0.33925**

0.09274

0.50320**

0.68456**

0.36197**

0.96783**

X3

 

 

0.99865**

-0.94624**

-0.34928**

0.05042

0.43913**

0.64256**

0.40480**

0.97944**

X4

 

 

 

-0.94581**

-0.34462**

0.04449

0.43058**

0.6372**

0.40997**

0.97900**

X5

 

 

 

 

0.29269*

-0.06173

-0.37303**

-0.59905**

-0.37040**

-0.94844**

X6

 

 

 

 

 

0.04749

-0.02172

-0.04059

-0.44445**

-0.34954**

X7

 

 

 

 

 

 

0.58977**

0.46244**

0.03209

0.01294

X8

 

 

 

 

 

 

 

0.90689**

-0.08648

0.49140**

X9

 

 

 

 

 

 

 

 

0.09074

0.70132**

X10

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0.29135*

备注:X1X2X3X4X5X6X7X8X9X10X11分别表示出汁率、蔗汁折光锤度、蔗汁旋光读数、蔗汁直接转光度、蔗汁间接转光度、蔗渣含水量、蔗渣蒸煮液失水量、蒸煮液的折光锤度、蒸煮液的旋光读数、甘蔗纤维分、甘蔗蔗糖分。***分别表示差异达显著和极显著水平,下同。

Note X1X2X3X4X5X6X7X8X9X10 and X11 stand for juice extraction percentage, brix, polarimeter reading in juice, polarimeter reading by sodium chloride solution, polarimeter reading by hydrochloric acid, water content in bagasse, loss of water in boiling liquid of bagasse, brix of boiling liquid of bagass, polarimeter reading of boiling liquid of bagass, fiber percent  cane and sucrose content in cane, respectively. * and ** stand for significant difference at 0.05 and 0.01 levels, respectively. The same below.

 

 

2  甘蔗品质指标间的通径系数

Table 2  Path-coefficients among quality indexes of sugarcane

 

X1

X2

X3

X4

X5

X6

X7

X8

X9

X10

-1.01178**

-0.00661

0.10727

-0.10058

0.00960

-0.86366**

0.34751**

-0.52838**

-0.02700

X11

0.13312**

-0.03125

-0.0638

0.71965**

-0.23613**

0.00481

-0.15309**

-0.00805

0.29549**

 


他品质指标的相关系数达显著或极显著水平。蔗渣蒸煮液失水量与蒸煮液的折光锤度和蒸煮液的旋光读数呈极显著正相关,与其他指标关系不密切。从甘蔗纤维分指标来看,甘蔗纤维分与甘蔗出汁率、蔗汁间接转光度和蔗渣含水量呈极显著负相关;与蔗汁折光锤度、蔗汁旋光读数和蔗汁直接转光度极显著正相关;与甘蔗蔗糖分呈显著正相关。从甘蔗蔗糖分指标来看,甘蔗蔗糖分与甘蔗出汁率的相关性达显著负相关,与蔗汁间接转光度和蔗渣含水量呈极显著负相关;与蔗汁折光锤度、蔗汁旋光读数、蔗汁直接转光度、蒸煮液的折光锤度和蒸煮液的旋光读数呈极显著正相关。

2.2        通径分析

通径分析结果表明,蔗汁旋光读数、蔗汁间接转光度和蔗渣蒸煮液失水量甘蔗纤维分有正效应,且后者对甘蔗纤维分的影响达极显著水平(表2)。其他6个指标对甘蔗纤维分有负效应,且甘蔗出汁率、蔗渣含水量和蒸煮液的折光锤度甘蔗纤维分影响程度达极显著水平,效应值的大小依次为甘蔗出汁率、蔗渣含水量和蒸煮液的折光锤度。蔗渣含水量对甘蔗蔗糖分有微弱的正效应,甘蔗出汁率、蔗汁直接转光度和蒸煮液的旋光读数对甘蔗蔗糖分有极显著的正效应;蔗汁折光锤度、蔗汁旋光读数和蒸煮液的折光锤度对甘蔗蔗糖分微弱的负效应,蔗汁间接转光度和蔗渣蒸煮液失水量对甘蔗蔗糖分有极显著的负效应。

2.3        因子分析

3  方差极大正交旋转因子载荷矩阵

Table 3  The factor loading matrix after varimax rotation

指标 Indexes

                           因子 Factors                         

第一主因子F1

第一主因子F2

第一主因子F3

第一主因子F4

X1

-0.36151

-0.09363

0.83890

0.03125

X2

0.93751

0.30191

0.01678

-0.01199

X3

0.96544

0.23059

0.00648

0.00580

X4

0.96692

0.22167

-0.00139

0.00887

X5

-0.95102

-0.15531

0.02061

0.03523

X6

-0.39830

0.05484

-0.81688

0.00839

X7

-0.02843

0.34699

-0.01341

-0.93655

X8

0.23988

0.90962

-0.05156

-0.30189

X9

0.48093

0.81820

-0.15616

-0.20386

特征值 Eigenvalue

4.22936

1.84661

1.39902

1.01236

累计贡献率 Cumulative variance contribution

0.46993

0.67511

0.83055

0.94304

备注:X1X2X3X4X5X6X7X8X9同表1NoteX1X2X3X4X5X6X7X8 and X9 were the same as table 1.

 

甘蔗9个品质指标的前4个主因子的方差极大旋转因子载荷矩阵见表3。4个主因子特征值的累计贡献率达94.30%说明这4个主因子对这10个性状有较好的代表性。从表3可见,第1主因子中起主要作用的指标是蔗汁品质指标,即,蔗汁折光锤度、蔗汁旋光读数、蔗汁直接转光度和蔗汁间接转光度,因此称为蔗汁糖分指标因子,3个指标的载荷为正值,蔗汁间接转光度的载荷为

负正值。2主因子载荷值较大是蒸煮液的折光锤度和蒸煮液的旋光读数故称为蔗渣糖分指标因子;第3主因子中,起主要作用为甘蔗出汁率和蔗渣含水量,分别对3主因子起正向、负向作用,主要与蔗渣水分有关,故将第3主因子称为蔗渣水分因子。第4主因子只有蔗渣蒸煮液失水量载荷值较大。

文本框: 表4  斜交参考因子相关矩阵
Table 4  The factor correlation matrix of promax rotation
	F1	F2	F3	F4
F1	1.00000	0.50396**	-0.02742	-0.07859
F2		1.00000	-0.20481	-0.54274**
F3			1.00000	0.05366
F4				1.00000

主因子间相关系数的大小可能反映了一个因子所直接作用的性状与另一个因子所直接作用的性状间的间接作用的大小。由表4可以看出,因子l与因子2的相关系数较大,达极显著正相关,表明因子l与因子2的间接作用较大,这2个因子分别为蔗汁和蔗渣糖分指标因子。因子2与因子4有较大的负相关性,且达极显著水平,表明蔗渣糖分指标与蔗渣蒸煮液失水量指标间接作用存在负面影响。

3             讨论

甘蔗常规化验的品质检测主要分为蔗汁和蔗渣2部分,涉及到甘蔗出汁率、蔗汁折光锤度、蔗汁旋光读数、蔗汁直接转光度、蔗汁间接转光度、蔗渣含水量、蔗渣蒸煮液失水量、蒸煮液的折光锤度、蒸煮液的旋光读数等9个一级原始指标,然后通过复杂的公式计算出甘蔗蔗糖分和甘蔗纤维分。甘蔗蔗糖分由蔗汁蔗糖分和蔗渣蔗糖分构成,计算公式为甘蔗蔗糖=蔗汁蔗糖分×出汁率+蔗渣蔗糖分×(1-出汁率)。计算甘蔗纤维分首先要计算出蔗渣纤维分,即,蔗渣纤维分=100-蔗渣含水分-蔗渣蔗糖分,然后按甘蔗纤维分=蔗渣纤维分×(1-出汁率)公式算出甘蔗纤维分。本试验通径分析结果表明甘蔗蔗糖分的化验主要受甘蔗出汁率、蔗汁直接转光度、蔗汁间接转光度、蔗渣蒸煮液失水量和蒸煮液的旋光读数等5个指标影响较大,而甘蔗纤维分主要受甘蔗出汁率、蔗渣含水量、蔗渣蒸煮液失水量和蒸煮液的折光锤度等4个指标影响较大,由此可见,甘蔗品质化验应注意甘蔗蔗渣压榨的次数与均匀度,同时也应注意控制蔗渣蒸煮液失水量。因子分析结果表明,9个一级原始指标可由4个主因子表示,其特征值的累计贡献率达94.30%,前3个主因子分别为蔗汁糖分指标因子、蔗渣糖分指标因子和蔗渣水分因子,特征值的累计贡献率达83.06%,已具有很好的代表性。

甘蔗品质化验过程注意减少环境误差,甘蔗压榨过程尽量将蔗茎中蔗汁榨出,压榨后的蔗渣应细小、均匀。蔗汁糖分化验时应严格控制盐酸(转化剂)的浓度、水浴温度和时间,且转化旋光读数与直接旋光读数温度之差不宜太大,控制在1℃之内。加入蔗渣蒸煮盅的蒸馏水温度应保持一致,一般为70,以免不同品种因温差而影响蒸煮液的失水量。

参考文献

[1] 黄久凯, 杨荣仲. 对甘蔗品质检测的几点建议. 广西蔗糖. 2003, 3: 35

[2] 高三基, 陈如凯, 张华, . 甘蔗蔗汁品质性状的回归分析及模型. 植物遗传资源学报, 2005, 6(1): 8487,90

[3] 傅华英, 高三基, 张华, . 甘蔗蔗渣不同蒸煮时间对品质指标化验的影响. 江西农业大学学报(自然科学版),2005274:535537

[4] 李墉. 甘蔗制糖化学管理分析方法. 广东: 中国轻工业总会甘蔗糖业质量监督检测中心编. 1995, 3336, 7073

[5] 洪楠, 侯军. SAS for Windows 统计分析系统教程. 北京: 电子工业出版社, 2001,138146, 211221

  

作者注:文献4是由李墉主持编著,书名为《甘蔗制糖化学管理分析方法》,没有出版社,只注明单位中国轻工业总会甘蔗糖业质量监督检测中心