不同品種紫薯營(yíng)養(yǎng)主成分及聚類分析

張夢(mèng)瀟 周文化 周 虹 張 亞 羅奡劼 李良怡

(特醫(yī)食品加工湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室1，長(zhǎng)沙 410004)

(糧油深加工與品質(zhì)控制湖南省協(xié)同創(chuàng)新中心2, 長(zhǎng)沙 410004)

(中南林業(yè)科技大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院3，長(zhǎng)沙 410004)

(湖南省作物研究所4，長(zhǎng)沙 410125)

紫薯(IpomoeabatatasL.)是旋花科番薯屬，又名黑薯，薯肉呈紫色或深紫色，在我國(guó)的山東、湖南、湖北、福建、江西、廣東、廣西等地區(qū)均有種植。目前國(guó)內(nèi)已先后培育出多種紫薯新品種，如濟(jì)紫薯1號(hào)、廣薯135、京薯6號(hào)、渝紫263等品種。紫薯營(yíng)養(yǎng)豐富加工利用領(lǐng)域廣泛，常作為淀粉[1,2]、膳食纖維[3]、類黃酮[4]、總酚[5,6]、胡蘿卜素[7]、蛋白質(zhì)[8]、花青素[9，10]等多種營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的優(yōu)良來(lái)源。

紫薯營(yíng)養(yǎng)成分豐富，但因品種不同，其營(yíng)養(yǎng)素和營(yíng)養(yǎng)成分含量差異較大，有關(guān)紫薯營(yíng)養(yǎng)成分分析相關(guān)報(bào)道較多，如劉春泉等[11]研究寧紫薯1號(hào)甘薯的營(yíng)養(yǎng)成分，結(jié)果得出其含水量為74.57%，淀粉為12.20%，粗纖維為0.75%，蛋白質(zhì)含量為1.20%，且含有14種氨基酸符合FAO/WHO提出的理想蛋白質(zhì)模式。蔡湛等[12]研究新鮮紫薯營(yíng)養(yǎng)成分，結(jié)果得出含水量為69.10%、脂肪為0.21%、總灰分為1.23%。Zahari等[13]研究紫薯泥總花青素含量(TAC)為25.71～426.67 mg/L，且各品種間存在差異性(P<0.05)。Kim等[14]研究紫薯薯肉中總膳食纖維、花青素、總酚類化合物含量范圍分別為10.11%～10.87%、2.43～3.35 mg/g和454.13%～638.79%。Steed等[15]報(bào)道了美國(guó)紫薯中花青素含量在51.5～174.7 mg/100 g FW之間。以上均是對(duì)單一或多個(gè)品種營(yíng)養(yǎng)成分的探究或?qū)Ρ取Ｄ壳?，運(yùn)用主成分分析及聚類分析對(duì)紫薯品種進(jìn)行營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)分析及分類的研究鮮有報(bào)道。

本研究分析比較9個(gè)品種紫薯的品質(zhì)及營(yíng)養(yǎng)成分含量差異，應(yīng)用主成分分析和聚類分析方法比較其營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)差異?？蔀樽鲜碣Y源的分類利用，調(diào)整和優(yōu)化紫薯種質(zhì)種植提供參考。

1 材料與方法

1.1 主要材料

寧紫薯1號(hào)、寧紫薯8號(hào)、湘紫薯174、川紫薯4號(hào)、徐紫薯8號(hào)、阜紫薯1號(hào)、渝紫薯7號(hào)、綿紫薯9號(hào)、鄂紫薯12號(hào)等9個(gè)品種紫薯鮮樣均由湖南作物研究所提供(種植于湖南省作物研究所試驗(yàn)田，采收后地窖貯藏，從中挑選無(wú)腐敗、發(fā)芽，病蟲(chóng)害的新鮮紫薯)。

1.2 主要試劑

無(wú)水乙醇、鹽酸、硫酸、抗壞血酸、2，6-二氯酚靛酚鈉鹽、3，5-二硝基水楊酸、鄰苯二酚，均為CP級(jí)；碳酸氫鈉、酒石酸鉀鈉、苯酚、亞硫酸鈉、氫氧化鈉、硼酸、高氯酸、葡萄糖、考馬斯亮藍(lán)G-250、牛血清蛋白、a淀粉酶、纖維素酶、乙酸、甲醇、草酸、磷酸、乙酸鈉、丙酮，均為AR級(jí)。

1.3 主要儀器設(shè)備

JH-HS鹵素快速水分分析儀，101-3EBS電熱鼓風(fēng)干燥箱，F(xiàn)W-400A傾斜式高速萬(wàn)能粉碎機(jī)，C21-SK210電磁爐，BlueStar B型紫外分光光度計(jì)，Delta 320型pH計(jì)，80-2型電動(dòng)離心機(jī)，Sorvall LYNX 6000型高速冷凍離心機(jī)，SB-5200 DTDD型超聲波清洗機(jī)，UltraScan Pro色差儀。

1.4 熟鮮紫薯感官評(píng)價(jià)

先將新鮮紫薯清洗干凈，剔除芽眼，鮮薯蒸熟后，再采用人工品嘗打分法[16，17]。

表1 熟鮮紫薯感官評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)

1.5 營(yíng)養(yǎng)與色澤指標(biāo)測(cè)定

本實(shí)驗(yàn)按照SB/T 10314—1999《采樣方法及檢驗(yàn)規(guī)則》采用四分法采樣，按四分法對(duì)角線取樣進(jìn)行減量測(cè)試。

水分含量測(cè)定：參照GB 5009.3—2016執(zhí)行。蛋白質(zhì)的測(cè)定：采用SN/T 3926—2014考馬斯亮藍(lán)法執(zhí)行。膳食纖維的測(cè)定：依據(jù)GB 5009.88—2014執(zhí)行。淀粉的測(cè)定：采用高氯酸水解及3，5-二硝基水楊酸(DNS)[18]法測(cè)定。花青素、類黃酮、總酚的測(cè)定：參照張群等[19]方法。色差測(cè)定：采用色差儀Lab系統(tǒng)測(cè)定。維生素C測(cè)定：采用2,6-二氯酚靛滴定法[18]。維生素B2測(cè)定：依據(jù)GB 14752—2010執(zhí)行。

1.6 數(shù)據(jù)處理

采用IBM SPSS Statistics 24.0和Origin Pro 2017軟件得出平均值±標(biāo)準(zhǔn)差，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行顯著性分析、主成分分析、聚類分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同品種鮮紫薯色澤比較分析

9個(gè)品種鮮紫薯的L*、a*和b*存在極顯著性差異(P<0.01)。L*值分布在69.73～71.80之間，由表4的花青素含量與鮮紫薯亮度值對(duì)比可知，鮮紫薯亮度值越大，花青素含量越低，a*值均分布在2.21～5.64之間，并且均為正值則顏色趨于紅色，b*值均分布在-1.70～0.55之間，除寧紫薯8號(hào)為正值偏黃色，其余均為負(fù)值，其顏色偏藍(lán)色。

表2 不同品種鮮紫薯的色澤

注：大寫(xiě)字母表示差異達(dá)到極顯著水平(P<0.01)，下同。

2.2 不同品種熟紫薯感官評(píng)價(jià)分析結(jié)果

對(duì)不同品種熟紫薯的感官評(píng)價(jià)結(jié)果見(jiàn)表3，不同品種紫薯感官評(píng)價(jià)存在極顯著性差異(P<0.01)，其中色澤得分最高的為綿紫薯9號(hào)，而表2綿紫薯9號(hào)的亮度值最低，說(shuō)明鮮紫薯色澤越深其感官色澤評(píng)分越高；食味得分最高的是寧紫薯1號(hào)；口感得分最高的是寧紫薯8號(hào)；組織狀態(tài)得分最高的是寧紫薯8號(hào)；總分得分最高的是寧紫薯8號(hào)。

2.3 不同品種紫薯營(yíng)養(yǎng)成分測(cè)定結(jié)果比較

不同品種紫薯的營(yíng)養(yǎng)成分如表4所示，對(duì)9個(gè)紫薯營(yíng)養(yǎng)成分差異化比較，不同品種紫薯的水分含量分布于62.56%～66.86%。其中，寧紫薯8號(hào)水分含量最高(66.86%)，除川紫薯4號(hào)、徐紫薯8號(hào)和渝紫薯7號(hào)之間不存在顯著性差異，其余各品種之間均存在顯著性差異(P<0.05)。9個(gè)品種紫薯的蛋白質(zhì)含量在7.02～11.60 mg/mL之間。其中，川紫薯4號(hào)的蛋白質(zhì)含量最高約為蛋白質(zhì)含量最低的阜紫薯1號(hào)的1.6倍，除川紫薯4號(hào)和徐紫薯8號(hào)的蛋白質(zhì)含量不存在顯著性差異，其余各品種間均存在顯著性差異(P<0.05)。膳食纖維含量最高的品種是川紫薯4號(hào)(6.02/100 g)，膳食纖維含量最低的品種是阜紫薯1號(hào)。紫薯的淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)在16.57%～20.65%之間，淀粉含量最高的品種為寧紫薯8號(hào)，渝紫薯7號(hào)的淀粉含量次之，渝紫薯7號(hào)與綿紫薯9號(hào)和鄂紫薯12號(hào)之間的淀粉含量不存在顯著性差異，其余各品種之間淀粉含量存在顯著性差異(P<0.05)。

表3 不同品種熟紫薯感官評(píng)價(jià)

表4 不同品種紫薯營(yíng)養(yǎng)成分表

注：表中同列不同的小寫(xiě)字母表示差異達(dá)到顯著水平(P<0.05)，大寫(xiě)字母表示差異達(dá)到極顯著水平(P<0.01)。

9個(gè)品種紫薯的花青素含量在1.75～3.36 mg/g之間，不同品種之間花青素含量均存在極顯著性差異(P<0.01)，且紫薯花青素的含量影響著其的色澤的深淺。類黃酮含量在0.27～0.32 mg/mL之間，寧紫薯8號(hào)的類黃酮含量最高為0.32 mg/mL，三者與其他6個(gè)品種存在極顯著性差異，總酚含量在32.20～54.80 μg/mL之間，除阜紫薯1號(hào)和渝紫薯7號(hào)之間不存在顯著性差異，其余各品種間均存在顯著性差異(P<0.05)。

9個(gè)品種紫薯的維生素C含量在2.23～2.93 mg/100 g之間，徐紫薯8號(hào)維生素C含量最高，阜紫薯1號(hào)維生素C含量最低，各品種間存在顯著性差異(P<0.05)。維生素B2含量在1.40%～2.95%之間，且各品種間存在顯著性差異(P<0.05)。

2.4 不同品種紫薯營(yíng)養(yǎng)成分的主成分分析

采用主成分分析法對(duì)9個(gè)品種紫薯的水分、蛋白質(zhì)、淀粉、膳食纖維、花青素、總酚、類黃酮、維生素C、維生素B2等9種營(yíng)養(yǎng)成分含量進(jìn)行分析，從表5可知，前3個(gè)特征值4.889、2.367、1.475皆大于1，前3個(gè)特征值累計(jì)貢獻(xiàn)率為87.319%，故提取因素可以反映總體特征，已能綜合紫薯營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)的大量數(shù)據(jù)信息，因此，選取前3個(gè)主成分作為供試紫薯的主成分進(jìn)行下一步分析。

表5 不同品種紫薯營(yíng)養(yǎng)成分主成分的總方差貢獻(xiàn)率

紫薯品質(zhì)指標(biāo)的主成分因子載荷矩陣可見(jiàn)表6，主成分分析成分矩陣代表了解釋變量在各主成分中的權(quán)重和影響方向[20]。第一主成分(PC1)主要綜合了水分、花青素、類黃酮、總酚、維生素B2含量信息，第二主成分(PC2)主要綜合了蛋白質(zhì)、膳食纖維含量信息，第三主成分(PC3)主要綜合了淀粉和維生素C含量信息。

表6 不同品種紫薯營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)主成分分析載荷矩陣數(shù)值

2.5 不同品種紫薯營(yíng)養(yǎng)特性綜合得分分析結(jié)果

為了更加直觀地鑒定紫薯的綜合質(zhì)量，采用因子綜合得分對(duì)主成分得分的數(shù)據(jù)進(jìn)一步分析。紫薯品質(zhì)指標(biāo)的各主成分因子成分得分系數(shù)見(jiàn)表7，可以得出紫薯主成分得分及綜合評(píng)分[21]，其中Z1、Z2、Z3、Z綜分別為因子1、因子2、因子3和綜合因子，A1、A2、A3、A4、A5、A6、A7、A8、A9分別代表紫薯水分、蛋白質(zhì)、花青素、維生素C、淀粉、類黃酮、總酚、維生素B2、膳食纖維標(biāo)準(zhǔn)化后數(shù)據(jù)。

Z1=-0.177A1-0.031A2+0.168A3-0.091A4-0.063A5+0.172A6-0.198A7+0.184A8-0.025A9

(1)

Z2=-0.197A1+0.401A2+0.034A3+0.122A4+0.019A5+0.170A6+0.066A7+0.001A8+0.395A9

(2)

Z3=-0.068A1+0.099A2-0.099A3+0.393A4+0.608A5-0.049A6-0.045A7+0.198A8-0.168A9

(3)

綜合得分=因子1的方差貢獻(xiàn)率×因子1的得分+因子2的方差貢獻(xiàn)率×因子2的得分+因子3的方差貢獻(xiàn)率×因子3的得分[22]。

Z綜=0.4889Z1+0.2367Z2+0.1475Z3

(4)

表7 不同品種紫薯營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)主成分分析成分得分系數(shù)表

將3個(gè)主成分大小依次排序，可權(quán)衡每個(gè)因子在每個(gè)品種中所處的位置與分量，從而較直觀地判斷不同品種的特性。由表 8 可知，9個(gè)紫薯品種中因子 PC1得分前三排序?yàn)榫d紫薯9號(hào)>阜紫薯1號(hào)>鄂紫薯12號(hào)；因子 PC2 得分前三排序?yàn)樾熳鲜?號(hào)>川紫薯4號(hào)>湘紫薯174；因子 PC3 得分前三為寧紫薯8號(hào)>綿紫薯9號(hào)>徐紫薯8號(hào)。綜合排名前三的品種依次為徐紫薯8號(hào)>綿紫薯9號(hào)>渝紫薯7號(hào)。

表8 不同品種紫薯品質(zhì)預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)結(jié)果

注：括號(hào)內(nèi)數(shù)字為排名順序。

注：X1 水分；X2 蛋白質(zhì)；X3 花青素；X4 維生素C；X5 淀粉；X6 類黃酮；X7 總酚；X8 維生素B2；X9 膳食纖維。1 寧紫薯8號(hào)；2 湘紫薯174；3 寧紫薯1號(hào)；4 川紫薯4號(hào)；5 徐紫薯8號(hào)；6 阜紫薯1號(hào)；7 渝紫薯7號(hào)；8 綿紫薯9號(hào)；9 鄂紫薯12號(hào)。圖1 不同品種紫薯營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)主成分分析的散點(diǎn)圖

2.6 不同品種紫薯營(yíng)養(yǎng)特性的主成分分析分類

為了進(jìn)一步探究不同品種紫薯各營(yíng)養(yǎng)成分含量差異及分類，從對(duì)PC1和PC2的主成分分析得分情況(見(jiàn)圖1)可知，9個(gè)品種紫薯可分為5類，其中編號(hào)1、3、6的品種(寧紫薯8號(hào)、寧紫薯1號(hào)、阜紫薯1號(hào))各為一類，其中編號(hào)1、6的品種偏離中心，編號(hào)3位于第四區(qū)間，所以各為一類。編號(hào)1為寧紫薯8號(hào)其水分含量在本文紫薯品種中最高；編號(hào)3為編號(hào)2、4、5的品種(川紫薯4號(hào)、徐紫薯8號(hào)、湘紫薯174)由于分布較為密集將其分為一類，說(shuō)明其蛋白質(zhì)和膳食纖維含量較高；編號(hào)7、8、9的品種(渝紫薯7號(hào)、綿紫薯9號(hào)、鄂紫薯12號(hào))為一類，由于距離X3、X6、X8線段較近，分別說(shuō)明其類黃酮(X6)、花青素(X3)和維生素B2(X8)含量較高。PCA散點(diǎn)圖中的品種聚類揭示了各紫薯歸屬。

2.7 不同品種紫薯營(yíng)養(yǎng)特性的聚類分析

對(duì)不同品種紫薯營(yíng)養(yǎng)成分采用系統(tǒng)聚類，在方法上采用平方歐式距離測(cè)量，使用組間聯(lián)接測(cè)量區(qū)間，得出譜系圖(見(jiàn)圖2)，當(dāng)類間距離=5時(shí)，可將9個(gè)品種紫薯分為五大類。第Ⅰ類包括3個(gè)品種，為川紫薯4號(hào)、徐紫薯8號(hào)、湘紫薯174；第Ⅱ類僅有1個(gè)品種，為寧紫薯1號(hào)；第Ⅲ類包括3個(gè)品種，為綿紫薯9號(hào)、渝紫薯7號(hào)、鄂紫薯12號(hào)；第Ⅳ類僅有1個(gè)品種，為阜紫薯1號(hào)；第Ⅴ類僅有1個(gè)品種，為寧紫薯8號(hào)，聚類分析的分類結(jié)果與2.6中主成分分析分類結(jié)果完全一致。

注：1～5為寧紫薯8號(hào)；6～10為湘紫薯174；11～15為寧紫薯1號(hào)；16～20為川紫薯4號(hào)；21～25為徐紫薯8號(hào)；26～30為阜紫薯1號(hào)；31～35為渝紫薯7號(hào)；35～40為綿紫薯9號(hào)；41～45為鄂紫薯12號(hào)。圖2 不同品種紫薯營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)的聚類分析結(jié)果

3 結(jié)論

9種不同品種的紫薯其各品質(zhì)特性均存在一定的差異。其中9個(gè)品種鮮紫薯色差、感官評(píng)分及花青素、維生素含量均存在極顯著性差異(P<0.01)?；ㄇ嗨睾吭礁撸炼戎翟降?，而感官色澤評(píng)分越高。主成分分析綜合得分結(jié)果綜合排名前三的品種依次為徐紫薯8號(hào)>綿紫薯9號(hào)>渝紫薯7號(hào)。根據(jù)聚類分析，當(dāng)類間距離=5時(shí)，9個(gè)品種紫薯歸為5類，寧紫薯8號(hào)、寧紫薯1號(hào)、阜紫薯1號(hào)各為一類，其水分含量位居前三；川紫薯4號(hào)、徐紫薯8號(hào)、湘紫薯174分為一類，其蛋白質(zhì)和膳食纖維含量較高；渝紫薯7號(hào)、綿紫薯9號(hào)、鄂紫薯12號(hào)為一類，其類黃酮、花青素和維生素B2含量較高。聚類分析分類結(jié)果與主成分分析分類結(jié)果完全一致。為紫薯合理加工及原料選擇和品種搭配上提供參考。