基于主成分與聚類分析不同品種鮮食葡萄的氨基酸品質(zhì)評(píng)價(jià)

顏孫安，史夢(mèng)竹，林香信，李 巍，姚清華

（農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估實(shí)驗(yàn)室（福州），福建省農(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，福建省農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建福州 350003）

葡萄為著名水果之一，含多種活性成分，具有抗氧化、抗菌和抗炎等保健功效，深受消費(fèi)者青睞[1-3]。世界上95%的葡萄產(chǎn)自北半球，我國(guó)具有豐富的葡萄屬植物種類資源[4]，其中鮮食的葡萄約占80%，其余用于釀酒和葡萄干制作。氨基酸含量與組成特征是評(píng)價(jià)水果營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)的重要指標(biāo)之一[5]。分析比較不同鮮食葡萄品種間的氨基酸組成特征差異，可為鮮食葡萄種質(zhì)挖掘、品種選育及開(kāi)發(fā)利用提供參考。前人對(duì)葡萄氨基酸組成及營(yíng)養(yǎng)進(jìn)行過(guò)一定的研究。Jogaiah 等[6]研究表明，鮮食葡萄中 Arg、Pro、Ser、Thr、Lys等氨基酸的含量較高。付濤等[7]研究表明，葡萄‘鄞紅’經(jīng)突變后氨基酸總量及必需氨基酸含量均顯著升高。于惠春等[8]研究發(fā)現(xiàn)，不同釀酒白葡萄的氨基酸組成及含量等指標(biāo)上存在一定的差異。但上述研究均未對(duì)不同品種鮮食葡萄的氨基酸營(yíng)養(yǎng)價(jià)值進(jìn)行全面比較分析。

主成分分析（Principal component analysis，PCA）是一種降維算法，在原有信息不缺失的前提下將多個(gè)指標(biāo)轉(zhuǎn)換為少數(shù)幾個(gè)主成分，這些主成分是原始變量的線性組合，且彼此之間互不相關(guān)，其能反映出原始數(shù)據(jù)的大部分信息[9]。聚類分析（Cluster analysis，CA）能在多維空間或模式空間發(fā)現(xiàn)隱藏的結(jié)構(gòu)，利用確定的標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算出所有樣品之間的相關(guān)性，根據(jù)相關(guān)程度將其簡(jiǎn)化合并，從而可以直觀地進(jìn)行相似品種及組分信息的綜合比較[9]。目前PCA和CA已被廣泛應(yīng)用于食品品質(zhì)綜合評(píng)價(jià)。王婧等[10]利用PCA和CA對(duì)五種谷物19個(gè)品種的氨基酸進(jìn)行分析研究，有效地比較不同谷物中氨基酸綜合質(zhì)量；劉偉等[11]分析了湖南主栽10個(gè)黃花菜品種的游離氨基酸，通過(guò)PCA和CA能較為準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)其游離氨基酸綜合質(zhì)量；楊林等[12]分析了西藏林芝地區(qū)五種野生食用菌的氨基酸，通過(guò)PCA法構(gòu)建了綜合評(píng)價(jià)模型，提取2個(gè)主成分，與CA分析結(jié)果一致，簡(jiǎn)化品質(zhì)評(píng)價(jià)工作。本研究以我國(guó)南方31種鮮食葡萄為研究對(duì)象，分析氨基酸組成及含量，采用PCA法和CA對(duì)氨基酸品質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行比較，并對(duì)其蛋白質(zhì)營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)進(jìn)行綜合排序，旨在為葡萄營(yíng)養(yǎng)價(jià)值的充分挖掘及開(kāi)發(fā)利用奠定研究基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

供試的31個(gè)鮮食葡萄品種于2020年7～9月采自福建、浙江和湖南等地區(qū)的葡萄種植基地，詳見(jiàn)表1。每一品種隨機(jī)選擇15個(gè)單株，每株選取植株中部葡萄梗轉(zhuǎn)色、成熟度一致的葡萄果實(shí)1穗，裝入冰盒立即帶回實(shí)驗(yàn)室后，設(shè)3個(gè)平行組，每組隨機(jī)挑選5穗，取每穗上、中、下、內(nèi)、外無(wú)病害果實(shí)各10粒，洗凈，去皮去籽，果肉勻漿待測(cè)；檸檬酸、檸檬酸鈉、氯化鈉、氫氧化鈉、無(wú)水乙醇、鹽酸、硫酸和硼酸 優(yōu)級(jí)純，其余試劑為分析純，均購(gòu)自上海國(guó)藥集團(tuán)；氨基酸混合標(biāo)準(zhǔn)品 Sigma公司；色氨酸（≥99%） 上海嘉辰化工有限公司。

表1 葡萄品種Table 1 Grape variety

LA8080型氨基酸自動(dòng)分析儀 日本HITACHI公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 樣品前處理 色氨酸：稱取2～3 g試樣，置于聚四氟乙烯襯管中，加入1.5 mL 4 mol/L氫氧化鋰，置液氮中冷凍后放入水解管，抽真空封管，在（110±1）℃恒溫干燥箱中，水解20 h后，加入6.0 mol/L鹽酸中和，用pH2.2檸檬酸鈉緩沖液稀釋定容，4000 r/min離心10 min，取上清液待測(cè)。

其它氨基酸：稱取2～3 g的試樣，置于20 mL水解管中，加入6.0 mol/L鹽酸10.0 mL，置液氮或干冰（丙酮）中冷凍，然后抽真空至7 Pa（≤5×10-2mm汞柱）后封管。將水解管放在（110±1）℃恒溫干燥箱中，水解22～24 h。取出、冷卻、開(kāi)管、沖洗、定容、過(guò)濾，用移液管吸取適量的濾液置真空濃縮器中或濃縮器內(nèi)（放置無(wú)水CaCl2和NaOH）蒸干，必需時(shí)，加少許水，重復(fù)蒸干1～2次，加入3～5 mL PH2.2檸檬酸鈉緩沖液稀釋（使樣液中氨基酸濃度達(dá)100～500 nmol/mL）搖勻，離心，過(guò)濾，取上清液待測(cè)。

1.2.2 氨基酸自動(dòng)分析條件 分析柱：Φ4.6 mm ID×60 mm；分析樹(shù)脂：2622#；除氨柱：Φ4.6 mm ID×60 mm；除氨柱樹(shù)脂：2650L；分析柱溫度：57 ℃；反應(yīng)器溫度：135 ℃；檢測(cè)波長(zhǎng)：570、440 nm；緩沖液流速：0.40 mL/min；茚三酮流速：0.35 mL/min；進(jìn)樣量：20 μL。

1.3 數(shù)據(jù)處理

利用SPSS 19.0軟件對(duì)葡萄氨基酸營(yíng)養(yǎng)進(jìn)行主成分分析，依照因子的特征值大于1.00且累計(jì)方差貢獻(xiàn)率大于80%的原則，確定主成分因子個(gè)數(shù)。經(jīng)主成分分析提取出主成分后進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，以每個(gè)主成分分值Fi和相應(yīng)特征值的方差貢獻(xiàn)率權(quán)重βi相乘后求和得到綜合分值F。

利用SPSS 19.0軟件對(duì)不同品種葡萄的氨基酸含量采用不轉(zhuǎn)換方式、Ward最小方差法和歐氏距離法進(jìn)行系統(tǒng)聚類分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 氨基酸組成及含量

由表2～表3可知，31種鮮食葡萄果實(shí)中均含有 8 種必需氨基酸（Essential amino acids，EAA）、10種非必需氨基酸（Non-essential amino acids，NEAA）；氨基酸總量（Total amino acids，TAA）總量為 171.18～583.49 mg/100 g，含量最高的為PT12，最低的為PT26；EAA含量最高的為PT10，最低的為PT7；兒童必需氨基酸（Child essential amino acids，CE）含量最高的為PT9，最低的為PT26。31種鮮食葡萄果實(shí)蛋白中 CE/T為 15.87%～39.91%，其中最高的為 PT23、PT27，最低的為PT25。31種鮮食葡萄果實(shí)中單一氨基酸含量波動(dòng)較大的種類依次為：Ala、Pro、Lys、Glu和Cys。Asp含量最為穩(wěn)定。

表2 31種鮮食葡萄氨基酸的組成及含量（mg/100 g）Table 2 Composition and content of amino acids in 31 table grape varieties (mg/100 g)

表3 31種鮮食葡萄各特殊功效氨基酸的含量及組成Table 3 Content and composition of special functional amino acids in 31 table grape varieties

續(xù)表 2

2.2 不同品種葡萄特殊功效氨基酸的組成及含量

特殊功效氨基酸包括支鏈氨基酸（Branched chain amino acids，BCAA）、芳香族氨基酸（Aromatic amino acids，AAA）、藥用氨基酸（Medicinal amino acids，MAA）、增香與著色氨基酸（Flavoring andcoloring amino acids，F(xiàn)CAA）、抗菌氨基酸（Antibacterial amino acids，ABAA）、伯胺基氨基酸（Primary amine amino acids，PAAA）等。31種鮮食葡萄果實(shí)中特殊功效氨基酸含量詳見(jiàn)表3。

BCAA具有調(diào)節(jié)組織蛋白質(zhì)合成與分解、調(diào)節(jié)芳香族氨基酸進(jìn)入血腦屏障和防治肝腎功能衰竭等作用，分別占成人、兒童及嬰兒每日EAA需要量的40%、41%及45%[13]。正常人體及其他哺乳動(dòng)物的BC/A值為3.0～3.5，而當(dāng)肝受傷時(shí)則降為1.0～1.5[14]。31種鮮食葡萄BCAA、AAA總量分別為21.89～49.19、9.92～22.92 mg/100 g，含量最高的為 PT10，最低的為 PT7；BC/A 值為 1.80～2.26，最高的為 PT4，最低的為 PT17；BC/E介于 41.61%～45.69%，最高的為PT24，最低的為 PT8。

部分MAA是人體不能合成，但又是維持機(jī)體氮平衡所必需的[5]。葡萄MAA總量為113.75～341.64 mg/100 g，占氨基酸總量的 54.53%～74.97%，其中PT12的含量最高，PT26最低。FCAA的氨基可與還原糖的羰基之間產(chǎn)生羰-氨反應(yīng)，生成具有愉快香味的褐色物質(zhì)，促進(jìn)食品的增香與著色[13]。葡萄FCAA總量為 95.91～316.24 mg/100 g，占氨基酸總量的48.12%～67.31%，其中PT12的含量最高，PT26最低。Gly、Trp、Phe等部分氨基酸具有抗菌性[13]。31種鮮食葡萄 ABAA總量為 15.23～31.39 mg/100 g，占氨基酸總量的4.80%～9.07%，含量最高的為PT10，最低的為PT2。PAAA能分解為氮?dú)夂陀袡C(jī)酸，競(jìng)爭(zhēng)性地替代仲胺與亞硝酸鹽產(chǎn)生范斯萊克反應(yīng)，抑制二甲氨基亞硝胺生成[13]。葡萄中PAAA總量為113.82～468.34 mg/100 g，占氨基酸總量的65.78%～80.27%，含量最高的為PT12，最低的為PT26。

2.3 主成分分析

主成分分析是一種常見(jiàn)的多指標(biāo)評(píng)價(jià)方法，廣泛運(yùn)用在農(nóng)作物的數(shù)量性狀分析和品質(zhì)綜合評(píng)價(jià)中[15]。31種鮮食葡萄氨基酸主成分分析結(jié)果表明，前3個(gè)主成分特征值大于1，累計(jì)貢獻(xiàn)率為80.644%，基本上反映了18種氨基酸的綜合信息（表4）。因子載荷值（表5），反映各指標(biāo)對(duì)主成分載荷的相對(duì)大小和作用方向[16]。由表4～表5可知，第1主成分的特征值為 10.836，貢獻(xiàn)率為 60.200%，主要反映Val、Leu、Ile、Phe、Lys、Thr和 Asp等氨基酸的信息，定義為必需氨基酸因子F1；第1主成分與18種氨基酸均呈正相關(guān)，其中Val的貢獻(xiàn)最大，載荷量為0.976，Arg的貢獻(xiàn)最小，載荷量為0.170；第2主成分的特征值為2.234，貢獻(xiàn)率為12.410%，主要反映Glu、Met和Arg等氨基酸的信息，定義為藥用氨基酸因子F2；第2主成分與Glu等9種氨基酸呈正相關(guān)，與Thr等其它氨基酸呈負(fù)相關(guān)，其中Glu的貢獻(xiàn)最大，載荷量為0.718，Cys的貢獻(xiàn)最小，載荷量為-0.496。第3主成分的特征值為1.446，貢獻(xiàn)率為8.034%，主要反映Arg、Met和His等氨基酸的信息，定義為特殊功效氨基酸因子F3；第3主成分與Arg等9種氨基酸呈正相關(guān)，與Leu等呈負(fù)相關(guān)，其中Arg的貢獻(xiàn)最大，載荷量為0.698，Ala的貢獻(xiàn)最小，載荷量為-0.619。

表4 主成分的特征值及貢獻(xiàn)率Table 4 Eigen values and contribution rate of the principal components

表5 主成分的因子載荷矩陣Table 5 Factor loading matrix of the principal components

以每個(gè)主成分所對(duì)應(yīng)的方差貢獻(xiàn)率為權(quán)重，建立綜合評(píng)價(jià)模型 F=0.746F1×0.154F2×0.1F3，可計(jì)算出各品種的綜合評(píng)價(jià)得分（表6）。綜合得分前六的排序依次為早中早、玉波二號(hào)、金手指、夏黑、戶太8號(hào)和茉莉香，氨基酸綜合質(zhì)量較高；倒數(shù)六個(gè)的排序依次為蜜光、紫玉、金田美指、藤稔、里扎馬特和維多利亞，氨基酸綜合質(zhì)量較低。

表6 31種鮮食葡萄氨基酸的綜合得分及排名Table 6 Comprehensive quality score and ranking of 31 table grape varieties

2.4 聚類分析

與主成分分析相比，聚類分析著重區(qū)分類別內(nèi)和類別間元素組成，但不會(huì)區(qū)分元素重要性，且不會(huì)對(duì)原始數(shù)據(jù)信息進(jìn)行刪減，類別間重要性是等同的[17]。31種葡萄果實(shí)中氨基酸系統(tǒng)聚類分析結(jié)果如圖1所示。從最大組內(nèi)連接距離中值5處劃分，可分為6類。第1類為紅寶石、紅芭拉多、藤稔、茉莉香、甬優(yōu)1號(hào)、巨峰、戶太8號(hào)、夏黑、早夏；第2類為早中早；第3類為紫玉、紅地球、金田美指、里扎馬特、就那個(gè)味、蜜光、摩爾多瓦、陽(yáng)光玫瑰；第4類為藍(lán)寶石、北醇、黑芭拉多、富十一、維多利亞；第5類為白羅莎、美人指、紫甜無(wú)核；第6類為醉金香、紅羅莎、巨玫瑰、玉波二號(hào)、金手指。

圖1 31種葡萄氨基酸營(yíng)養(yǎng)聚類分析圖Fig.1 Dendrogram of hierarchical cluster analysis for 31 table grape varieties based on amino acid nutrition

結(jié)合主成分綜合得分可知，第2類早中早綜合得分最高；第6類5個(gè)品種綜合得分介于23.05～27.44，其中玉波二號(hào)、巨玫瑰位居第2、3位，醉金香、紅羅莎、金手指分列9、10、11位；第1類的9個(gè)品種中，除藤稔外，其他品種綜合得分介于20.18～24.80，其中夏黑、戶太8號(hào)、茉莉香、甬優(yōu)1號(hào)分列4～7位；第 5類綜合得分介于 19.04～23.70；第 4類5個(gè)品種中，除維多利亞外，綜合得分介于19.10～21.26；第3類的8個(gè)品種綜合得分介于16.46～21.12，除陽(yáng)光玫瑰外，其他品種排名均低于19位，說(shuō)明氨基酸營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)較差。

3 討論與結(jié)論

氨基酸是維系人體生命活動(dòng)的重要物質(zhì)，食物的必需氨基酸種類、含量及其比例直接影響其營(yíng)養(yǎng)價(jià)值和保健價(jià)值[18]。與橄欖[19]、菠蘿蜜[20]等水果相比，31種鮮食葡萄果實(shí)的氨基酸種類齊全。31種鮮食葡萄的TAA、EAA、CE和BCAA含量品種間差異明顯，CE含量占比遠(yuǎn)高于香蕉[21]、草莓[21]、石榴[22]、刺梨[23]等水果；BCAA占EAA的比例與人體組織細(xì)胞相符，優(yōu)于寬皮柑橘等4種不同種類的柑橘[24]、荔枝[25]，但低于蘋(píng)果[26]、香蕉[21]和火龍果[27]；BC/A值優(yōu)于蘋(píng)果[26]、金柑[24]、火龍果[27]，基本能滿足肝受損人體的需求；‘早中早’、‘玉波二號(hào)’、‘金手指’、‘夏黑’、‘戶太 8 號(hào)’和‘茉莉香’等品種的 TAA、EAA、CE和BCAA含量均高于菠蘿[20]、柑橘[24]、蘋(píng)果[26]等常見(jiàn)水果。

氨基酸在防止食品色、香、味和外觀變質(zhì)等方面具有重要作用。與菠蘿[20]、柑橘[24]、楊梅[28]等色深氣味香的水果相比，31種鮮食葡萄中FCAA的相對(duì)含量更高，且‘早中早’、‘玉波二號(hào)’、‘金手指’、‘夏黑’、‘戶太8號(hào)’和‘茉莉香’等品種的FCAA含量高于獼猴桃[21]、荔枝[25]、枇杷[29]等水果。31種鮮食葡萄中ABAA的相對(duì)含量低于菠蘿[20]、柚[24]、檸檬[24]等常用于祛除異味的水果，但‘早中早’、‘玉波二號(hào)’、‘金手指’、‘夏黑’、‘戶太 8 號(hào)’和‘茉莉香’等品種的ABAA絕對(duì)含量高于菠蘿[20]、檸檬[24]、柑橘[24]。31種鮮食葡萄中PAAA相對(duì)含量高于獼猴桃[21]、甜橙[24]、蘋(píng)果[26]等常見(jiàn)水果，且‘早中早’、‘玉波二號(hào)’、‘金手指’、‘夏黑’、‘戶太 8 號(hào)’和‘茉莉香’等品種的PAAA絕對(duì)含量高于菠蘿[20]、獼猴桃[21]、檸檬[24]等水果。31種鮮食葡萄中MAA相對(duì)含量高于冬蟲(chóng)夏草[30]，其中‘玉波二號(hào)’、‘金手指’更是高于鹿茸[31]、枸杞[32]和人參[33]等知名中藥材?？梢?jiàn)，葡萄在食品增香著色和醫(yī)療保健方面具有潛在的開(kāi)發(fā)潛力。

通過(guò)主成分分析，31種鮮食葡萄的18種氨基酸指標(biāo)轉(zhuǎn)換為3個(gè)相互獨(dú)立的主成分，避免了原始信息之間的重疊干擾。以每個(gè)主成分的相對(duì)方差貢獻(xiàn)率為權(quán)重綜合評(píng)價(jià)31種鮮食葡萄的氨基酸品質(zhì)，是一種客觀賦權(quán)法，避免了人為的影響，使各個(gè)品種氨基酸品質(zhì)之間的差異具有可比性[34]。聚類分析是通過(guò)Ward法，將31種鮮食葡萄按氨基酸相關(guān)性區(qū)分歸類，相關(guān)性最大的優(yōu)先聚合在一起，各類群依次排序?yàn)椋旱?2類＞第 6類＞第 1類＞第 5類＞第 4類＞第3 類。其中，第 2、6 類群中‘早中早’、‘玉波二號(hào)’和‘金手指’的綜合品質(zhì)最高，第 1類群中‘夏黑’、‘戶太8號(hào)’和‘茉莉香’的綜合品質(zhì)相對(duì)較高，第3、4類群中‘維多利亞’、‘里扎馬特’、‘金田美指’、‘紫玉’和‘蜜光’的綜合品質(zhì)最低。比較可知，聚類分析與主成分分析的結(jié)果一致，較好地反映出不同鮮食葡萄種質(zhì)間的差異性。