主成分分析和隸屬函數(shù)法綜合評(píng)價(jià)15種(系)馬鈴薯的營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)

(甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品貯藏加工研究所,甘肅蘭州 730070)

馬鈴薯是世界四大糧食作物之一,由于塊莖富含淀粉,與其它三種主糧作物一樣適合做主食[1],它具有廣適性、豐產(chǎn)性、全營(yíng)養(yǎng)、效益高等特點(diǎn),在我國(guó)絕大部分地區(qū)都有種植。西北地區(qū)是我國(guó)馬鈴薯的主要產(chǎn)區(qū),其面積和產(chǎn)量均約占全國(guó)的25%,各級(jí)政府把馬鈴薯產(chǎn)業(yè)定為當(dāng)?shù)剞r(nóng)民脫貧致富的主要產(chǎn)業(yè)之一[2]。自從2015年我國(guó)開始實(shí)施馬鈴薯“主糧化”戰(zhàn)略以來,馬鈴薯被加工成面條、饅頭、米粉等各種主食產(chǎn)品,假如想要提高馬鈴薯在人們?nèi)粘ｏ嬍持械南M(fèi)比例,那么對(duì)馬鈴薯的消費(fèi)必須從傳統(tǒng)的菜用、休閑食品加工向主食化產(chǎn)品加工轉(zhuǎn)變[3-5]。不同馬鈴薯加工產(chǎn)品對(duì)加工原料薯的品質(zhì)要求也不同,如淀粉加工就需要淀粉含量大于18%的品種,薯片、薯?xiàng)l加工要求還原糖含量低于0.3%的品種,全粉加工對(duì)原料薯的品質(zhì)要求更為嚴(yán)格;人體缺乏某些礦質(zhì)元素會(huì)對(duì)健康不利,如人體缺鉀會(huì)引起低鉀血癥、中風(fēng)和哮喘等疾病,缺鐵對(duì)認(rèn)知發(fā)育、免疫系統(tǒng)和能量代謝等都有不利的影響,缺鋅會(huì)導(dǎo)致智力低下和身材矮小等問題,而馬鈴薯塊莖不僅富含鉀,而且富含鐵、鋅等礦質(zhì)元素[6-7]。隨著社會(huì)發(fā)展和生活水平的提高,人們對(duì)消費(fèi)馬鈴薯的營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)要求也在不斷提高,因此對(duì)于馬鈴薯的營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)研究得到極大關(guān)注,然而單一指標(biāo)分析無(wú)法準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)馬鈴薯營(yíng)養(yǎng)品質(zhì),將主成分分析和隸屬函數(shù)分析法用于植物綜合評(píng)價(jià)具有一定的客觀性和準(zhǔn)確性,避免了單一指標(biāo)的片面性,因?yàn)樗窃诙嘀笜?biāo)測(cè)定基礎(chǔ)上進(jìn)行的綜合評(píng)價(jià)。龐丹波等[8]、張士龍等[9]、田宏等[10]和吳平等[11]采用主成分分析和隸屬函數(shù)分析法對(duì)不同品種的紫花苜蓿和玉米及地被植物的生產(chǎn)性能、品種引進(jìn)與抗逆性等方面進(jìn)行綜合評(píng)價(jià),趙春波等[12]和白磊等[13]對(duì)不同品種馬鈴薯塊莖的營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)采用隸屬函數(shù)分析法進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià),并從參試品種中優(yōu)選出適宜的馬鈴薯品種,為馬鈴薯育種工作者提供參考依據(jù)。

由于受氣候、土壤及施肥水平等條件的影響,種植在不同地區(qū)的同一品種馬鈴薯品質(zhì)存在較大差異,目前有關(guān)不同品種馬鈴薯營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)分析與評(píng)價(jià)的文章比較多[12-15],但是對(duì)東鄉(xiāng)族自治縣生產(chǎn)的馬鈴薯進(jìn)行品質(zhì)評(píng)價(jià)的文章卻很少看到。東鄉(xiāng)族自治縣是我國(guó)唯一以東鄉(xiāng)族為主體的少數(shù)民族自治縣,同時(shí)也是國(guó)家和省級(jí)扶貧的少數(shù)民族重點(diǎn)縣,當(dāng)?shù)厣a(chǎn)的馬鈴薯主要以菜用為主,用于加工增值的很少,雖然多數(shù)農(nóng)民通過種植馬鈴薯增加了收入,但是產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益不顯著。因此,本文通過對(duì)產(chǎn)自甘肅省臨夏州東鄉(xiāng)族自治縣的15個(gè)馬鈴薯品種(系)的主要營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行測(cè)定及相關(guān)性分析,并采用主成分分析和隸屬函數(shù)法對(duì)各品種(系)的營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià),以期為合理應(yīng)用當(dāng)?shù)厣a(chǎn)的馬鈴薯提供科學(xué)依據(jù),進(jìn)一步增加馬鈴薯種植戶的經(jīng)濟(jì)效益。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

本試驗(yàn)共選擇15個(gè)馬鈴薯品種(系)做為參試材料,其種薯來源情況見表1。

表1 供試馬鈴薯品種(系)及來源Table 1 Variety(line)and source of potato in this study

K9840型半自動(dòng)定氮儀 濟(jì)南海能儀器股份有限公司;WZZ-2S型數(shù)字式自動(dòng)旋光儀上海精科實(shí)業(yè)有限公司;RF-540型熒光分光光度計(jì) 日本島津儀器公司;M410型火焰光度計(jì) 英國(guó)Sherwood公司;iCE3500原子吸收光譜儀 美國(guó)賽默飛世爾科技公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 馬鈴薯種植 試驗(yàn)設(shè)在甘肅省臨夏州東鄉(xiāng)族自治縣龍泉鎮(zhèn)拱北灣村,海拔2300 m,年均降雨量為350 mm,蒸發(fā)量1400 mm,屬于我省典型的半干旱農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)。試驗(yàn)地前茬作物為玉米,土壤類型屬于黃綿土,由于具有深厚的土層和疏松的土質(zhì),且土壤的保水性能良好,因此適宜馬鈴薯的生長(zhǎng)。馬鈴薯播種用薯均采用原種,播種前每畝施農(nóng)家肥2500 kg,尿素8 kg,磷酸二銨15 kg,硫酸鉀10 kg作基肥;培土?xí)r每畝追施尿素 4 kg。

1.2.2 馬鈴薯取樣及營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)指標(biāo)的測(cè)定 不同品種(系)的馬鈴薯均在2018年4月18日進(jìn)行播種,2018年9月29日進(jìn)行統(tǒng)一收獲,由于本試驗(yàn)的馬鈴薯品種(系)均為中晚熟品種,各品種(系)間的成熟期相差不大,依據(jù)馬鈴薯植株長(zhǎng)勢(shì)來確定收獲時(shí)間,確保每個(gè)品種(系)都成熟后再統(tǒng)一收獲。收獲時(shí)根據(jù)每個(gè)品種(系)的長(zhǎng)勢(shì)情況選擇比較一致的馬鈴薯15株,挖出塊莖后分裝、貼標(biāo)簽帶回實(shí)驗(yàn)室,每個(gè)品種隨機(jī)取12個(gè)塊莖,用于馬鈴薯塊莖營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)相關(guān)指標(biāo)的測(cè)定,測(cè)定工作由甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)與檢測(cè)技術(shù)研究所完成,檢測(cè)結(jié)果均以鮮基計(jì)算。干物質(zhì)、粗淀粉、還原糖、維生素C和粗蛋白、鉀和鋅含量的測(cè)定方法分別為GB 5009.3-2016[16]、GB 5009.9-2016[17]、GB 5009.7-2016[18]、GB/T 5009.86-2016[19]、GB 5009.5-2016[20]、GB/T 5009.91-2017[21]和GB/T 5009.14-2017[22]。

1.2.3 不同品種(系)馬鈴薯營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)的綜合評(píng)價(jià) 采用模糊數(shù)學(xué)隸屬函數(shù)法對(duì)不同品種(系)馬鈴薯塊莖的營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)[15],首先需要計(jì)算出每個(gè)品種(系)某一個(gè)營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)指標(biāo)的隸屬函數(shù)值,然后再計(jì)算出每個(gè)品種(系)的平均隸屬函數(shù)值,其數(shù)值越大,則說明該品種(系)馬鈴薯的綜合營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)越好。用于馬鈴薯營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)綜合評(píng)價(jià)的隸屬函數(shù)值[X(μ1),X(μ2)]的計(jì)算公式為:

表2 不同品種(系)馬鈴薯營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)的比較分析Table 2 Comparative analysis of nutritional quality of different potato varieties

X(μ1)=(Xi-Xmin)/(Xmax-Xmin),i=1,2,3,…,n

式(1)

X(μ2)=1-(Xi-Xmin)/(Xmax-Xmin),i=1,2,3,…,n

式(2)

式中:Xi為某品種(系)馬鈴薯塊莖i指標(biāo)的測(cè)定值;Xmax為所有試驗(yàn)馬鈴薯品種(系)中i指標(biāo)最大值;Xmin為所有試驗(yàn)馬鈴薯品種(系)中i指標(biāo)最小值。如某一指標(biāo)與綜合營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)呈正相關(guān),則用X(μ1)表示;如某一指標(biāo)與綜合營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)呈負(fù)相關(guān),則用X(μ2)表示。

1.3 數(shù)據(jù)處理

所有試驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理及隸屬函數(shù)法分析均采用Microsoft Excel 2007軟件,對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行主成分和相關(guān)性分析采用SPSS 19.0軟件。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同品種(系)馬鈴薯塊莖營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)指標(biāo)的變化分析

不同品種(系)馬鈴薯塊莖主要營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)指標(biāo)的含量變化(見表2)。結(jié)果表明,15個(gè)馬鈴薯品種(系)塊莖的干物質(zhì)含量為175～234 g/kg,平均為 208 g/kg,變異系數(shù)為8%,其中隴薯14號(hào)的干物質(zhì)含量最高為234 g/kg,L0109-4的干物質(zhì)含量最低為175 g/kg;粗淀粉含量為120.5～170.9 g/kg,平均為144.7 g/kg,變異系數(shù)為8.9%,其中隴薯14號(hào)的粗淀粉含量最高為170.9 g/kg,L0109-4的粗淀粉含量最低為120.5 g/kg;粗蛋白含量為18.6～27.8 g/kg,平均為23.1 g/kg,變異系數(shù)為 12.2%,其中天薯11號(hào)的粗蛋白含量最高為27.8 g/kg,民薯2號(hào)的粗蛋白含量最低為18.6 g/kg;還原糖含量為1.8～12.0 g/kg,平均為6.2 g/kg,變異系數(shù)為55.5%,其中隴薯10號(hào)的還原糖含量最高為12.0 g/kg,莊薯3號(hào)的還原糖含量最低為1.8 g/kg;維生素C含量為125～169 mg/kg,平均為145 mg/kg,變異系數(shù)為10%,其中天薯13號(hào)的維生素C含量最高為169 mg/kg,L0109-4的維生素C含量最低為125 mg/kg;鉀含量為3.9～5.1 g/kg,平均為4.6 g/kg,變異系數(shù)為7.5%,其中隴薯14號(hào)的鉀含量最高為5.1 g/kg,青薯9號(hào)的鉀含量最低為3.9 g/kg;鋅含量為2.0～3.5 mg/kg,平均為2.8 mg/kg,變異系數(shù)為18.2%,其中天薯13號(hào)和莊薯3號(hào)的鋅含量最高為3.5 mg/kg,L0529-2的鋅含量最低為2.0 mg/kg。

參試的15個(gè)馬鈴薯品種(系)的粗淀粉含量均小于18%[6-7],不適宜進(jìn)行淀粉加工,莊薯3號(hào)、天薯12號(hào)和天薯13號(hào)的還原糖含量均低于0.3%[6-7],適宜進(jìn)行薯?xiàng)l、薯片加工;L08104-12、隴薯10號(hào)、隴薯11號(hào)和隴薯14號(hào)馬鈴薯品種的干物質(zhì)含量(182～234 g/kg)、粗淀粉含量(129.9～170.9 g/kg)、還原糖含量(5.3～12.0 g/kg)、鉀含量(4.1～5.1 g/kg)、鋅含量(2.2～3.4 mg/kg),與文國(guó)宏等[23]研究的4個(gè)馬鈴薯品種的干物質(zhì)含量(23.24%～27.18%)、粗淀粉含量(16.75%～20.30%)和還原糖含量(0.12%～0.47%)差別較大,而鉀含量(4.32～5.13 g/kg)和鋅含量(2.45～3.20 mg/kg)的差別較小。本研究結(jié)果與前人的研究結(jié)果[24-26]存在一定的差異,引起差異的原因可能與參試馬鈴薯品種(系)自身的遺傳特性、氣候條件、土壤類型以及施肥水平等因素有關(guān)[27]。

2.2 不同品種(系)馬鈴薯塊莖營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)的綜合評(píng)價(jià)

2.2.1 主成分和相關(guān)性分析 主成分分析是利用降維(線性變換)的思想,在損失很少信息的前期下將多個(gè)指標(biāo)通過線性組合轉(zhuǎn)化為少數(shù)幾個(gè)不相關(guān)綜合指標(biāo)的一種多元統(tǒng)計(jì)分析方法,其目的是通過數(shù)據(jù)降維以排除眾多信息共存中相互重疊的信息,簡(jiǎn)化后的指標(biāo)要盡可能多地反映原來指標(biāo)的主要信息而不丟失信息[28]。對(duì)15個(gè)馬鈴薯品種(系)的7個(gè)營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)指標(biāo)(干物質(zhì)、粗淀粉、粗蛋白、還原糖、維生素C、鉀和鋅)進(jìn)行主成分分析,計(jì)算其特征值的方差貢獻(xiàn)率和累積貢獻(xiàn)率,并根據(jù)累積貢獻(xiàn)率≥85%的原則提取主成分個(gè)數(shù),本研究共取得4個(gè)主成分Y1、Y2、Y3、Y4(見表3、表4),其對(duì)應(yīng)的方差貢獻(xiàn)率分別為39.329%、26.785%、13.487%和9.992%,以上4個(gè)主成分的累積貢獻(xiàn)率為89.592%,基本包含了所測(cè)馬鈴薯營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)指標(biāo)的全部信息。因此,4個(gè)主成分的表達(dá)式分別為:

表5 馬鈴薯塊莖營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)指標(biāo)間的相關(guān)性分析Table 5 Correlation analysis among nutritional quality indexes of potato

注：*和**分別表示在0.05和0.01水平上的顯著性差異。Y1=0.276X1+0.256X2+0.017X3-0.271X4+0.157X5+0.214X6+0.279X7

Y2=-0.296X1-0.365X2+0.351X3-0.163X4+0.333X5+0.051X6+0.222X7

Y3=-0.222X1-0.051X2-0.507X3+0.224X4+0.454X5+0.658X6-0.245X7

Y4=0.237X1+0.150X2+0.813X3+0.564X4-0.151X5+0.552X6-0.210X7

主成分表達(dá)式中各因子系數(shù)的大小可以反映因子對(duì)該主成分的貢獻(xiàn)大小,在主成分分析中,一般認(rèn)為大于0.3的載荷就是顯著的。從以上4個(gè)主成分表達(dá)式可以看出,第一主成分中X7(0.279)的系數(shù)大于其它因子,主要為鋅含量,因此可以稱為鋅含量因子;第二主成分中X2(0.365)的系數(shù)較大,主要為粗淀粉含量,因此可以稱為粗淀粉含量因子;第三主成分中X6(0.658)的系數(shù)較大,主要為鉀含量,因此可以稱為鉀含量因子;第四主成分中X3(0.813)的系數(shù)較大,主要為粗蛋白含量,可以稱為粗蛋白含量因子。

表3 主成分提取分析Table 3 Principal component extraction and analysis

表4 各因子載荷矩陣Table 4 Loading matrix of each component

為了進(jìn)一步篩選主要的評(píng)價(jià)指標(biāo),對(duì)這7項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)性分析(見表5)。結(jié)果表明,15個(gè)品種(系)馬鈴薯塊莖中的干物質(zhì)含量與粗淀粉含量呈極顯著正相關(guān)(P<0.01),說明干物質(zhì)含量高的馬鈴薯塊莖,其粗淀粉含量一定也高,在選擇用于加工淀粉的馬鈴薯時(shí),可選擇干物質(zhì)含量高的品種,干物質(zhì)含量與粗蛋白含量、還原糖含量、維生素C含量呈負(fù)相關(guān),但未達(dá)到顯著水平;還原糖含量與鋅含量呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01),因此在生產(chǎn)中可根據(jù)馬鈴薯炸片顏色的深淺來粗略判斷不同品種馬鈴薯中鋅含量的高低,炸片顏色淺的馬鈴薯品種鋅含量相對(duì)較高,還原糖含量與維生素C含量和鉀含量也呈負(fù)相關(guān),但未達(dá)到顯著水平;其余各項(xiàng)檢測(cè)指標(biāo)間的相關(guān)性均未達(dá)到顯著水平。

2.2.2 隸屬函數(shù)分析 經(jīng)過對(duì)15個(gè)品種(系)馬鈴薯塊莖營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)指標(biāo)的變化分析可知,采用單一指標(biāo)無(wú)法對(duì)參試馬鈴薯品種(系)的營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)進(jìn)行客觀評(píng)價(jià)。因此,綜合主成分分析和各指標(biāo)相關(guān)性分析的結(jié)果,第一主成分選擇鋅含量、第二主成分選擇粗淀粉含量、第三主成分選擇鉀含量、第四主成分選擇粗蛋白含量共4項(xiàng)主要指標(biāo)來代表馬鈴薯塊莖營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)。粗淀粉與干物質(zhì)呈極顯著正相關(guān),鋅與還原糖呈極顯著負(fù)相關(guān),因此經(jīng)主成分分析選擇的這4項(xiàng)指標(biāo)在一定程度上能夠代表所測(cè)指標(biāo),并采用模糊數(shù)學(xué)隸屬函數(shù)法對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析評(píng)價(jià)(見表6),由于該研究所測(cè)指標(biāo)偏少,因此該研究結(jié)果只能做為初步評(píng)價(jià)的依據(jù)。結(jié)果表明,在參試的15個(gè)馬鈴薯品種(系)中,營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)最佳(X>0.81)的馬鈴薯品種為隴薯14號(hào);營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)較佳(0.70>X>0.60)的馬鈴薯品種(系)依次為莊薯3號(hào)、隴薯11號(hào)、天薯13號(hào)、L08104-12和天薯11號(hào);營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)較差(X<0.30)的馬鈴薯品種(系)依次為青薯9號(hào)、隴薯10號(hào)和L0109-4。綜合分析可知,15個(gè)參試馬鈴薯品種(系)的主要營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)從好到差依次為:隴薯14號(hào)>莊薯3號(hào)>隴薯11號(hào)>天薯13號(hào)>L08104-12>天薯11號(hào)>定薯4號(hào)>定薯3號(hào)>定扶引4號(hào)>民薯2號(hào)>天薯12號(hào)>L0529-2>青薯9號(hào)>隴薯10號(hào)>L0109-4。

表6 不同品種(系)馬鈴薯營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)的隸屬函數(shù)值Table 6 Membership function value of nutritional quality of different potato varieties

3 結(jié)論

本研究以馬鈴薯塊莖的7項(xiàng)營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)作為評(píng)價(jià)15個(gè)馬鈴薯品種(系)營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)優(yōu)劣的指標(biāo),用主成分分析法將多個(gè)指標(biāo)轉(zhuǎn)換成少數(shù)幾個(gè)指標(biāo),并根據(jù)各成分貢獻(xiàn)率大小確定其相對(duì)重要性,然后用各品種(系)平均隸屬函數(shù)值的大小評(píng)價(jià)其營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)。15個(gè)參試馬鈴薯品種(系)的主要營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)從好到差依次為:隴薯14號(hào)>莊薯3號(hào)>隴薯11號(hào)>天薯13號(hào)>L08104-12>天薯11號(hào)>定薯4號(hào)>定薯3號(hào)>定扶引4號(hào)>民薯2號(hào)>天薯12號(hào)>L0529-2>青薯9號(hào)>隴薯10號(hào)>L0109-4。參試的15個(gè)馬鈴薯品種(系)均不適宜進(jìn)行淀粉加工,只有莊薯3號(hào)、天薯12號(hào)和天薯13號(hào)適宜進(jìn)行薯?xiàng)l、薯片加工,隴薯14號(hào)的綜合營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)最佳,可作為菜用馬鈴薯供消費(fèi)者選擇,本研究所測(cè)指標(biāo)主要是針對(duì)馬鈴薯的營(yíng)養(yǎng)品質(zhì),如果要進(jìn)行加工方面的綜合評(píng)價(jià)還需要增加一些相應(yīng)的指標(biāo),做更進(jìn)一步的深入研究。

由本研究結(jié)果可知,先采用主成分分析法將多個(gè)測(cè)定指標(biāo)進(jìn)行簡(jiǎn)化,然后提取主要成分因子,最后再采用隸屬函數(shù)分析法對(duì)不同品種(系)馬鈴薯塊莖營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià),該評(píng)價(jià)方法科學(xué)合理,減少了人為因素的影響,該評(píng)價(jià)結(jié)果不但較好地反映了馬鈴薯塊莖的主要營(yíng)養(yǎng)品質(zhì),也可指導(dǎo)消費(fèi)者選擇適宜的馬鈴薯品種按需消費(fèi)。