《食品科学》：河北大学赵志磊教授、北京市农林科学院武琳霞博士等：3个品种柑橘的多维度品质分析及鉴别模型构建

柑橘是芸香科柑橘属及其近缘属植物的统称，全球最重要的经济水果作物之一，广泛分布于热带和亚热带地区，以其丰富的品种、高营养价值和经济价值著称。中国是全球最大柑橘生产国，根据国家统计局数据显示，2024年中国柑橘总产量达6 791.49万 t，较2023年增长5.56%，继续保持稳健发展态势。柑橘基础感官品质涵盖横纵径、果脐直径、色差、质量、皮厚度、硬度等，共同决定果实的外观商品性与消费者食用体验。柑橘中富含维生素、多酚、类黄酮、类胡萝卜素、膳食纤维和钾矿物质等生物活性成分，已被证明具有抗氧化、增强免疫力等功效，并且能够抵御主要的慢性疾病如癌症、心血管疾病和肥胖等。目前，柑橘中已被鉴别出200多种挥发性成分，其中种类最多的为萜烯类，不论在果皮和果肉中，单一物质含量最高的均为柠檬烯。

顶空固相微萃取技术作为近年来热门的前处理技术，具有操作简便、无需添加有机溶剂、富集效率高、可原位捕获挥发性成分的优势，已成为果蔬香气物质前处理的优选方法。在现代农业和食品科学研究中，多元统计方法因其强大的数据分析能力，被广泛应用于作物品质评价、品种分类和指标优化等领域。Kong Xiabing等使用相关性分析、主成分分析（PCA）和层次聚类分析对冬枣的46 项品质指标进行综合评价，结果显示运城冬枣感官品质最好，滨州冬枣的功能成分和抗氧化活性最好。Zheng Pufan等对华北地区9 个梨品种共15 个指标进行品质评价，方差分析、PCA和层次聚类分析，将指标简化为可滴定酸（TA）、糖酸比、色相角H和果形指数4 个指标。Zhang Haipeng等鉴定4 个品种柑橘的66 种挥发性物质，使用PCA和偏最小二乘判别分析（PLS-DA）结合变量投影重要性（VIP）实现了柑橘、甜橙、柚子和柠檬品种的准确分类。

为应对多样化市场需求，开展系统科学的柑橘果实品质研究显得尤为必要。以往研究多聚焦于柑橘个别品质指标或者果皮的挥发性物质，缺乏对果实各维度指标的综合评价和系统解析。然而消费者对柑橘果实的感官判断是多维度的，仅依靠个别指标难以全面反映果实的品质特性。河北大学质量技术监督学院的方琳、赵志磊*，北京市农林科学院质量标准与检测技术研究所的武琳霞*等人从传统-杂交-特色的角度出发，以湖北地区纽荷尔、爱媛和九月红3 个典型品种柑橘果实为研究对象，通过系统测定柑橘基础感官品质、非挥发性营养成分和挥发性物质等多维度指标，探究品种间品质指标的种类与差异，结合多元统计分析与PLS-DA分类预测模型综合评价柑橘果实品质指标特征，旨在为柑橘品质评价、品种分类与消费者选购提供数据支撑。

01

不同品种柑橘感官及非挥发性营养指标分析与关键成分筛选

1.1 不同品种柑橘基础感官指标及非挥发性营养成分分析

如表1所示，爱媛纵径最小，为65.87 mm，九月红横径最大，为76.19 mm。纽荷尔的果脐直径最大，为8.01 mm，其次为九月红，二者差异显著（P＜0.05）。爱媛单果质量和去皮质量均最小，但可食率高达0.82，3 种柑橘均属于无籽品种，影响可食率的因素主要为皮厚度。纽荷尔果皮最厚，爱媛最薄，仅为1.74 mm。爱媛果肉硬度最小，为1.26 kg/cm2。纽荷尔SSC最高，3 个品种均大于10%且差异显著（P＜0.05）。爱媛的SSC和酸度均最低，分别为10.14%和0.62%。爱媛的固酸比最高，纽荷尔的固酸比最低，为13.99。3 个品种固酸比差异显著 （P＜0.05）。柑橘品种特性决定了基础感官指标的差异，纽荷尔果皮偏厚，果肉硬度较高，风味呈现经典的酸甜平衡，口感扎实有嚼劲，适合偏爱传统脐橙风味、追求口感层次感的消费人群，且果实耐贮藏的品质也能满足长期囤果的消费需求；爱媛果皮极薄易剥，不耐贮藏，适合即时鲜食。但果肉硬度低、入口细嫩，同时可食率和固酸比高，风味清甜少酸，适合喜高甜低酸、追求便捷食用体验的消费者；九月红果形圆润规整，皮厚度适中，果肉紧实且风味甜中带微酸，既能满足大众对鲜食脐橙的口感需求，天然红色果肉的独特品质还可适配追求特色鲜果的消费者。

L*值代表亮度，值越大色泽越明亮。九月红果皮亮度L*值最高（63.04），爱媛最低（61.68），且差异显著（P＜0.05）。a*正负值分别表示红、绿色，b*正负值分别表示黄、蓝色，绝对值越大色泽越深。九月红果皮a*和b*值均最大，分别为36.25和70.33。CI量化果实表面红色或黄色的显色强度，综合反映类胡萝卜素、番茄红素等的积累程度。爱媛果肉CI最高，为4.02。3 种柑橘果肉CI的区别可能与柑橘的橘络有关，爱媛剥皮后留下的橘络较少，色差仪可直接度量果肉表面色度值，而纽荷尔和九月红脐橙剥皮后果肉表面仍附着大量橘络，影响了CI。H值表示颜色在色轮上的角度，H值越小，a*值显著增加，果皮呈橙红色。九月红果皮H值最小，为62.7°，对应其果皮a*值最大，表明橙红色越深。一般来说，成熟柑橘的H值会接近60°，3 个品种柑橘均属于成熟期采摘的果实，因此色相角的差异不显著（P＞0.05）。

对柑橘果实营养品质测定结果表明，九月红葡萄糖含量最高，为4.81 g/100 g。3 个品种蔗糖含量均在4 g/100 g以上且差异不显著（P＞0.05）。九月红的果糖含量最高，为5.61 g/100 g，其次是纽荷尔，最低的是爱媛，分别为4.94 g/100 g和2.99 g/100 g，3 个品种差异显著（P＜0.05）。爱媛总酚含量最低，只有0.67 mg/g， 纽荷尔和九月红总酚含量差异不显著（P＞0.05）。纽荷尔的总黄酮含量最高，为0.46 mg/g，九月红和爱媛含量差异不显著（P＞0.05）。九月红的总类胡萝卜素含量最高，为0.83 mg/100 g，纽荷尔的含量最低，为0.52 mg/100 g。九月红的高类胡萝卜素含量可能与该品种特色的红肉有关。柠檬酸是主要的有机酸，纽荷尔的柠檬酸含量显著高于其他两个品种（P＜0.05），达563.11 mg/100 g。柑橘属于柠檬酸积累型果实，李文云等检测6 个柑橘品种成熟果实的有机酸含量，发现纽荷尔总有机酸含量显著高于其他品种（P＜0.05），另外在检出的13 种有机酸中，柠檬酸相对含量超过总有机酸含量的50%。有机酸含量排名第2的是苹果酸，在爱媛中含量最高（177.12 mg/100 g），其次为九月红和纽荷尔。酒石酸和VC含量最高的均为纽荷尔，分别为106.65 mg/100 g和100.12 mg/100 g，品种间差异显著 （P＜0.05）。有机酸中含量最低的是富马酸，3 个品种均不超过0.55 mg/100 g，且无显著差异（P＞0.05）。

1.2 不同品种柑橘特征非挥发性品质指标筛选

1.2.1PCA

本实验测定的非挥发性品质指标间存在信息重叠与差异，因此有必要采用多元统计分析提取核心品质因子。徐宸宇等基于PCA对马家柚果实18 项品质性状进行综合评价，发现前5 个主成分累计方差贡献率达85%，将其中的可溶性糖、有机酸和甜度值作为核心评价因子。陈志敏等基于主成分和聚类分析筛选出5 个核心指标，综合色泽指数、单果质量、SSC、固酸比和VC用于构建柑橘品质与生态因子关联模型。因此，本研究对柑橘33 个非挥发性品质指标进行PCA。根据特 征值＞1的原则，前9 个主成分累计方差贡献率为78.824%，可基本解释柑橘品质的全部信息。其中，第1主成分方差贡献率最高为22.900%，包括果肉L*值、硬度、SSC、酸度、VC、酒石酸和柠檬酸；第2主成分方差贡献率为11.990%，其中果皮CI、果皮L*、b*和H值占较高载荷；第3主成分方差贡献率为10.587%，其中横径、单果质量和去皮质量占较高载荷（数据未列出）。主成分碎石图如图1所示，横轴为主成分序号（组件号），纵轴为特征值，对应方差贡献大小。前9 个主成分的特征值大于1，其累计方差贡献率最大，可有效反映数据的主要信息。因此利用PCA从前9 个主成分中载荷占比较高的指标中共筛选出20 个代表性指标，将这些指标初步确定为不同品种柑橘的核心品质指标。

1.2.2相关性分析

采用Pearson相关分析探究柑橘各指标间的关联（图2A）。横径与单果质量呈极显著正相关（r＝0.898**，P≤0.01）；果皮a*值与果皮CI呈极显著正相关（r＝0.756**，P≤0.01）；单果质量与去皮质量呈极显著正相关（r＝0.962**，P≤0.01）；硬度与VC含量呈极显著正相关（r＝0.748**，P≤0.01）；SSC与VC含量呈极显著正相关（r＝0.751**，P≤0.01）；果糖与葡萄糖含量呈极显著正相关（r＝0.848**，P≤0.01）；果皮色差指数CI与果皮色相角H呈极显著负相关（r＝－0.983**，P≤0.01）。固酸比与酸度呈极显著负相关（r＝－0.752**，P≤0.01）。不同指标之间相关性较强，需要对各指标进行简化筛选。

1.2.3聚类分析

对33 个指标变量进行层次聚类，结果如图2B所示，当距离约为24时，所有指标被分为2 类。第1类主要为外观指标，包括果肉和果皮色差、单果质量、去皮质量、横径、可食率和固酸比等。第2类主要为营养指标，包括可溶性糖、SSC、酸度、VC、总酚和总黄酮。聚类分析表明指标间仍存在信息重叠，需要进一步筛选。将PCA中初步筛选获得的20 个核心品质指标，结合相关性分析和聚类分析进行二次筛选，最终确定果皮CI、横径、单果质量、SSC、VC作为不同品种柑橘的核心指标。

02

不同品种柑橘挥发性成分差异分析与特征成分筛选

2.1 挥发性成分组成及含量分析

根据挥发性成分总离子流色谱图，3 种柑橘大部分香气物质出峰时间接近，主要在20 min和37 min左右，其中纽荷尔和九月红的峰响应值较高，爱媛的峰响应值较低，图中标记的2-甲基-3-庚酮内标出峰时间在19.04 min左右（数据未列出）。

如图3A所示，共鉴定出73 种带香气的挥发性物质。纽荷尔、爱媛和九月红柑橘的挥发性香气物质数量分别为33、37 种和48 种，均以萜烯类为主，其次为醛类、醇类、酯类、酮类、酸类、氧化物和其他类。九月红中萜烯类香气物质的相对含量达到88.46%，与纽荷尔（88.05%）接近。醛类、酮类、醇类和酯类等相对含量均以爱媛最高，分别为14.46%、7.43%、3.66%、3.10%（图3B）。前人研究发现萜类化合物在所有柑橘样品中占主导地位，尤其是单萜类，约占总色谱峰面积的48%～97%，醛类含量占0.2%～16.1%、单萜醇占0.4%～11.8%和酯类占0.0%～7.7%。

经检测，3 个柑橘品种存在15 种共同的香气物质，而纽荷尔、爱媛和九月红独有香气物质分别为7、16、20 种，纽荷尔与九月红相同的挥发性物质数量最多，共有24 种且含量较接近，可能与二者的品种同为脐橙类有关。即使在相同检测条件下，不同品种的果实成熟机制（如糖分积累速度、有机酸分解效率等）不同，会间接影响挥发性物质的生成。另外，挥发性物质多属于植物次生代谢产物，这类物质的合成具有强烈的品种特异性，同一属下不同品种会因长期进化或人工选育形成独特的次生代谢路径，从而合成不同种类的挥发性物质。

如表2所示，3 种柑橘中检测出挥发性物质的种类包括萜烯类26 种、醇类10 种、醛类17 种、酮类8 种、酯类7 种、酸类2 种、氧化物2 种和其他类1 种。含量最高的两种物质为柠檬烯和瓦伦烯，种间均以纽荷尔含量最高，分别为4 µg/g和3.47 µg/g。纽荷尔中的柠檬烯含量比爱媛高2 倍左右，并且纽荷尔的香气物质平均含量最高，为0.29 µg/g，爱媛最低，为0.06 µg/g。成传香等研究发现爱媛38号杂柑的香气物质含量高于宽皮柑橘，但明显低于绝大部分橙类。正己醛是3 个品种中共有的含量最高的醛类，主要贡献木质香、植物气息、果香和青草味，余韵清新。3 个品种中酮类、醇类、酯类含量最高的挥发性物质各不相同，其中纽荷尔中为(+)-诺特卡酮、二氢香芹醇、丁酸乙酯，爱媛中为环十五烷酮、7-环氧-α-蒿烯醇、麝香癸内酯，九月红中为(E)-香叶基丙酮、芳樟醇、丁酸乙酯。前人研究发现柑橘中挥发性物质以萜类物质占优，最主要的挥发性物质为柠檬烯、瓦伦烯、芳樟醇等。

2.2 特征挥发性成分筛选

如图4A所示，PC1和PC2的方差贡献率分别为41.4%和35.7%，累计方差贡献率达77.1%；纽荷尔、爱媛和九月红3 个品种在组间无重叠，组内聚集性较好。说明样品较稳定，不同品种柑橘样品的挥发性风味差异明显。

在PCA的基础上对挥发性物质做OPLS-DA，结果见图4B。纽荷尔、爱媛和九月红3 组在得分散点图的横轴上实现了区分，自变量拟合指数为0.952，因变量拟合指数为0.984，模型预测指数 Q 2 为0.967，均超过0.5，表示模型拟合结果可靠。经过200 次置换检验， Q 2 回归线与纵轴的相交点小于零（图4C），说明模型不存在过拟合，模型验证有效。根据 P ＜0.05且VIP＞1标准筛选出8 种潜在挥发性差异成分，分别为瓦伦烯、柠檬烯、(+)-诺特卡酮、 γ -芹子烯、 α -愈创木烯、 γ -古芸烯、 β -芹子烯和 β -愈创木烯。

2.3 基于特征成分的不同品种分类模型构建

PLS-DA作为一种线性有监督的降维方法，利用PLS生成潜在变量，并通过判别分析优化成分选择以最大化组间差异并最小化组内差异。该法尤其适用于小样本高维数据，当不同类别样本在关键变量上存在显著差异时能有效区分。为进一步确定柑橘样品之间的差异，基于筛选出的5 种非挥发性品质指标和8 种挥发性化合物建立PLS-DA模型，用于柑橘样本品种分类。

模型输入层共包含13 种核心品质指标，输出层为3 个柑橘品种。PLS-DA本质是基于特征协方差矩阵的降维建模方法，因此要进行数据预处理。首先对标准差小于0.1的低变异特征进行对数变换，以放大区分度并降低异方差性，结果表明低变异特征包括α-愈创木烯、γ-古芸烯、β-芹子烯和β-愈创木烯，标准差分别为0.069、0.068、0.040和0.036，因此先对这4 个指标进行加1自然对数变换，其中底数为自然常数；然后采用Z-score标准化将所有特征转换为“均值为0、方差为1”的标准正态分布，消除量纲影响并加速算法收敛；最后为确保模型在充分提取有效信息与抑制噪声干扰间达到最优平衡，通过5 折交叉验证均方误差最小准则确定最优主成分参数为3（图5），避免模型过拟合或欠拟合。

如图6所示，混淆矩阵直观呈现了模型在3 个品种上的分类效果，对角线元素表示正确预测为正类的样本数。训练集准确率反映模型对已知样本的学习能力，高准确率说明模型已充分捕捉特征与品种间的关联规律；测试集准确率反映模型对未知样本的预测能力，是评价模型实用性的核心指标。本研究构建的PLS-DA模型训练集和测试集模型分类准确率均达到100%，两数据集准确率差异小于15%，表明模型无明显过拟合现象，泛化能力良好，分类性能极佳。结果表明将PLS-DA模型与常规指标分析和顶空固相微萃取技术相结合，能够实现柑橘品种的高效识别。

VIP值可以用来量化样品各项指标的表达模式对样本分类所产生的影响程度，VIP值越大表明该特征成分对品种分类的贡献度越大，在模型解释方面具有重要的意义。如图7A所示，VIP值从高到低依次为β-愈创木烯、β-芹子烯、α-愈创木烯、瓦伦烯、SSC、γ-芹子烯、VC、γ-古芸烯、(+)-诺特卡酮、柠檬烯、单果质量、横径和果皮CI。

本研究选取的柑橘品种特色鲜明，筛选出的核心品质指标蕴含丰富的品种特征信息，经过反复验证，如图7B所示，最优模型仅需前7 项特征成分即可将柑橘样品按照品种完全区分开，可以极大地减少检测周期与分类成本。但还有许多脐橙品种外观形态极为相似，仅靠肉眼难以辨别，后续研究会引入更多外观表型相似的柑橘品种丰富数据库，提高模型的鉴别能力和可迁移性，建立更完善的柑橘品质评价与品种鉴别关联模型体系，为柑橘产业的品种鉴别与品质评价提供技术方案。

03

结论

本研究选取纽荷尔、爱媛和九月红3 个不同品种柑橘，对其21 种基础感官品质指标、12 种营养成分和73 种挥发性物质进行了多维分析，结果表明，纽荷尔的纵径、果脐直径、皮厚度、硬度、SSC、酸度、总黄酮含量、柠檬酸含量、酒石酸含量和VC含量最大；爱媛的果皮最薄、硬度最小，可食率和固酸比最高，苹果酸含量最高；九月红的果实横径最大，果皮a*值最大，葡萄糖、果糖和总类胡萝卜素含量最高；主成分、相关性和聚类分析筛选出5 个非挥发性核心指标；3 种柑橘品种累计检出73 种带香气的挥发性物质，主要物质为柠檬烯和瓦伦烯；VIP分析筛选出8 种挥发性核心指标；基于筛选出的13 种核心指标建立PLS-DA模型，训练集和测试集分类准确率均达100%且未过拟合，最优模型仅需7 种指标即可区分出不同柑橘品种：β-愈创木烯、β-芹子烯、α-愈创木烯、瓦伦烯、SSC、γ-芹子烯和VC。研究结果建立了3 个品种柑橘综合品质评价体系，明确了不同品种柑橘的主要差异成分，可为纽荷尔、爱媛和九月红3 个柑橘品种的品质评价、品种识别和消费者选购提供理论指导和数据支撑。

作者简介

通信作者

赵志磊, 河北大学教授，博士生导师。河北辛集人，生于1977年3月，2003年于中国农业大学食品科学专业获工学博士，河北大学教授、博士生导师、美国佛罗里达大学访问学者。研究方向为食品&药品数智化检测技术研究，发表文章100余篇，授权发明专利8 项。

通信作者

武琳霞，助理研究员，北京市农林科学院质量标准与检测技术研究所。主要从事农产品营养品质评价、真菌毒素检测、标准制修订相关工作。主持与参与课题13 项，包括国家自然科学基金、北京市自然科学基金、国家重点研发计划、国家农产品质量安全风险评估项目等多项相关领域的科研项目。《Food Chemistry》 《 Food Control 》 《 Analyst 》 《 Toxins 》 《 食品科学》等本领域较有影响力的期刊发表论文15 篇，其中SCI论文8 篇，以第一完成人申请专利1 项。参与制定行业标准、团体标准等3 项。

针对我国大枣、草莓、樱桃和西瓜品质规格和营养功能评价技术缺乏规范依据等问题，构建了特征营养指标数据库，并从中筛选出可作为品质评价的主要因子，构建了分类模型并确定分等分级阈值；依托Python、Matlab等编程语言构建机器学习算法模型，基于挥发性及非挥发性靶向与非靶向代谢组学研究，成功鉴定出多种农产品的产地鉴别标志物，具有丰富的机器学习建模、挥发性化合物分析及标志物鉴定经验；此外参与制定了多项标准，为果品品质评价和产业高质量发展提供技术支撑。

第一作者

方琳，硕士研究生在读，就读于河北大学质量技术监督学院，师从赵志磊教授，研究方向为食品药品检测技术及标准化。在北京市农林科学院联合培养期间，师从王蒙教授和武琳霞老师，在三位老师的耐心指导下开展学习工作。依托研究所先进的检测仪器、完善的科研平台与浓厚的学术氛围开展课题研究，在此期间主要研究内容为食品、农产品品质检测与分析，使用大型仪器探索食品农产品可溶性糖、有机酸、维生素、酚酸、总黄酮、总酚、总类胡萝卜素和挥发性物质等各种品质指标的检测方法，负责检测不同农产品品 质指标，并利用多元统计方法分析品质指标特征，为品质评价体系的建立提供数据支撑。

引文格式：

方琳, 徐正洋, 王蒙, 等. 3 个品种柑橘的多维度品质分析及鉴别模型构建[J]. 食品科学, 2026, 47(8): 259-269. DOI:10.7506/spkx1002-6630-20251024-189.

FANG Lin, XU Zhengyang, WANG Meng, et al. Multidimensional quality analysis and identification model construction of three citrus varieties[J]. Food Science, 2026, 47(8): 259-269. (in Chinese with English abstract) DOI:10.7506/spkx1002-6630-20251024-189.

实习编辑：安宏琳；责任编辑：张睿梅。点击下方阅读原文即可查看全文。图片来源于文章原文及摄图网

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为对标农业农村部2035年科技规划及“十四五”“十五五”发展方向，推动农产品加工与储运的工程化、智能化、绿色化升级，由湖南省农业科学院、湖南农业大学、北京食品科学研究院、国际食品科技联盟（IUFoST）、中国农业大学、岳麓山工业创新中心主办，湖南大学、中南林业科技大学、长沙理工大学、湖南中医药大学、湘潭大学、岳麓山实验室协办，中国食品杂志社、洞庭实验室、湖南省食品科学技术学会、湖南省农产品加工与质量安全研究所、湖南农业大学食品科学技术学院、Springer Nature-《Agricultural Products Processing and Storage》杂志承办的“第二届农产品加工与食品制造国际学术研讨会—创新引领绿色智造，AI赋能科技进步”，将于2026年9月19-20日（9月18日会议报到）在中国 湖南 长沙召开。

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