王建芳,高 山,牟德華,*

(1.河北科技大學(xué)生物科學(xué)與工程學(xué)院,河北石家莊 050018; 2.河北省焙烤食品加工技術(shù)創(chuàng)新中心,河北石家莊 051130)

燕麥(AvenaL.)屬一年生禾本科植物。燕麥作為人類八大糧食作物之一[1],其產(chǎn)量在世界糧食產(chǎn)量中居第六位[2]。我國是燕麥的原產(chǎn)地之一,主要集中種植于山西、河北、內(nèi)蒙古等地。與其他谷物相比,燕麥營養(yǎng)價(jià)值較高,淀粉含量為27.3%～50.0%,纖維素含量為13.6%～30.2%,蛋白質(zhì)含量為9.7%～17.3%,不飽和脂肪酸含量為5.2%～12.4%[3],β-葡聚糖含量為3.91%～7.47%[4]。燕麥具有減肥降脂、預(yù)防便秘、消炎、美容、降血脂等功能,是一種值得推薦的健康食品。

有很多文獻(xiàn)研究了燕麥的營養(yǎng)品質(zhì),Sterna等[5]測定了皮燕麥和裸燕麥的蛋白質(zhì)、脂肪、淀粉、膳食纖維、β-葡聚糖、氨基酸以及脂肪酸的含量,并做了比較;Biel等[6]分別選取了5種裸燕麥和皮燕麥測定了其蛋白質(zhì)、脂肪、粗纖維含量,并重點(diǎn)分析了氨基酸組成;Antonini等[7]分別選取了15種皮燕麥和裸燕麥測定其蛋白、脂肪、淀粉含量,并且研究了儲存過程中燕麥多酚的變化。但是,針對一些地方特色燕麥的品質(zhì)分析仍然不足,此方面研究可以為地方特色作物的產(chǎn)品開發(fā)提供參考,具有一定的研究價(jià)值。

主成分分析是通過正交變換將多個(gè)變量簡化成少數(shù)綜合性變量,從而在原始變量中解釋變量之間元素的突出關(guān)系,該方法已被廣泛應(yīng)用于食品領(lǐng)域[8-10]。目前,運(yùn)用主成分分析方法對果蔬綜合品質(zhì)評價(jià)的文獻(xiàn)較多,如荔枝[11-12]、蘋果[13]、獼猴桃[14]、楊梅[15]、馬鈴薯粉[16]等。Bi等[17]測定了9個(gè)不同的蘋果脆片的16個(gè)指標(biāo),通過主成分分析提取了5個(gè)主成分,選出了品質(zhì)較佳的蘋果脆片,高云等[18]測定了13個(gè)適宜采收的芹菜品種的14項(xiàng)指標(biāo),采用主成分分析建立了芹菜評價(jià)模型,張春嶺等[19]通過主成分分析和聚類分析建立了早熟桃制汁質(zhì)量評價(jià)模型,由此可見,主成分分析法已經(jīng)被應(yīng)用于食品領(lǐng)域的各個(gè)方面,很多文獻(xiàn)也報(bào)道了通過主成分分析法建立燕麥品質(zhì)評價(jià)模型。也有文獻(xiàn)運(yùn)用主成分分析法和聚類分析法對燕麥進(jìn)行評價(jià),Qi等[20]測定了62種裸燕麥的脂肪酸,通過主成分分析得分圖將62種燕麥分為48種裸燕麥和14種皮燕麥,而后又利用聚類分析將48種裸燕麥分為3類,38號和51號樣品組成一類,選取剩余的46種裸燕麥建立脂肪酸標(biāo)準(zhǔn)指紋圖譜;陳子葉、倪香艷等[21-22]研究了燕麥籽粒的營養(yǎng)成分以及燕麥片沖泡性能和感官評價(jià),通過主成分分析法和聚類分析篩選適合加工燕麥片的燕麥籽粒。本文測定了河北省10個(gè)燕麥品種的9個(gè)品質(zhì)指標(biāo),通過主成分分析法和聚類分析法篩選品質(zhì)較佳的品種,旨在開發(fā)地方燕麥資源,為燕麥采收后品質(zhì)評價(jià)及育種產(chǎn)業(yè)提供借鑒與參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

燕麥 選自于河北省的主栽燕麥品種,分別是“張莜14號”、“壩莜1號”、“GL380”“花晚6號”、“張莜13號”、“026”、“花早2號”、“1048-109”、“H44”、“029”,選取千粒重分布在11.28～36.32 g、無雜物、顏色一致,2018年收獲的樣品,用粉粹機(jī)將燕麥籽粒磨成粉,密封4 ℃保存?zhèn)溆?葡萄糖 天津市百市化工有限公司;3,5-二硝基水楊酸 國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司;硫酸銅 天津市永大化學(xué)試劑有限公司;乙酸鉛 天津市河?xùn)|區(qū)紅巖試劑廠;酒石酸鉀鈉 天津市大茂化學(xué)試劑廠。

Epoch 2微孔板分光光度計(jì) Bio Tek公司;7820A-5975氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀 美國安捷倫公司;QL-901旋渦振蕩器 海門市其林貝爾儀器制造有限公司;TDL-5-A臺式離心機(jī) 上海安亭科學(xué)儀器廠。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 脂肪酸組成分析 參考寇秀穎等[23]和江燕等[24]的方法,稍作修改。索氏抽提提取油脂,于干燥器中干燥,省去高溫烘干的步驟,以防不飽和脂肪酸被氧化,油脂保存在離心管中,避光4 ℃保存?zhèn)溆?。稱取10 mg油脂,加入2 mL 1%硫酸-甲醇溶液,于70 ℃水浴中保持30 min,取出后加入2 mL色譜級正己烷,振蕩,吸取上清液,過0.22 μm的有機(jī)濾膜,稀釋100倍,氣質(zhì)手動進(jìn)樣,進(jìn)樣量2 μL。

氣質(zhì)條件:彈性石英毛細(xì)管柱HP-5(30 m×0.320 mm×0.25 μm);載氣為高純氦氣(99.999%),柱流量:1.0 mL/min;程序升溫:140 ℃(2 min),以5 ℃/min升至200 ℃,以10 ℃/min升至300 ℃(5 min);進(jìn)樣口溫度250 ℃;輔助器溫度250 ℃。EI離子源,離子源溫度:250 ℃;電離電壓70 eV,掃描范圍30～450 amu,全掃描方式。

脂肪酸的定性與定量:脂肪酸采用NIST質(zhì)譜數(shù)據(jù)庫進(jìn)行定性;采用總揮發(fā)性物質(zhì)峰面積歸一化法進(jìn)行各種香氣成分相對含量的計(jì)算。脂肪酸相對含量為樣品中各種香氣物質(zhì)占總出峰面積的百分?jǐn)?shù),而總含量為每種樣品中所有脂肪酸占總出峰面積的總百分?jǐn)?shù)。其中,多不飽和脂肪酸相對含量(%)=亞油酸相對含量(%)+亞麻酸相對含量(%)。

1.2.2β-葡聚糖含量測定 參考NY/T 2006-2011方法。

1.2.3 總酚含量測定 參考封易成等[25]的方法稍作修改,采用Folin-ciocalteu法。以沒食子酸為標(biāo)準(zhǔn)品,多酚含量以mg沒食子酸當(dāng)量(GallIC acid equivalents,GAE)/g鮮重(Fresh weight,FW),即mg GAE/g FW表示;標(biāo)準(zhǔn)曲線方程為:Y=1.331X+0.1064,R2=0.9991,式中,Y:吸光度 X:總酚濃度。

1.5 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析 使用SPSS 19.0軟件行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，驗(yàn)證計(jì)量資料符合正態(tài)分布后使用均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示，并行t檢驗(yàn)，使用百分率(%)表示計(jì)數(shù)資料，行卡方檢驗(yàn)，以P<0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

1.2.4 黃酮含量測定 參考封易成等[25]的方法稍作修改,采用NaNO2-Al(NO3)3比色法。以蘆丁為標(biāo)準(zhǔn)品,黃酮含量以mg蘆丁當(dāng)量(Rutin equivalent,RE)/g鮮重,即mg RE/g FW表示;標(biāo)準(zhǔn)曲線方程為:Y=1.2187X+0.0447,R2=0.9984,式中,Y:吸光度,X:黃酮濃度。

1.2.5 水分、淀粉、總糖、蛋白質(zhì)、脂肪含量測定 水分:利用水分測定儀,參考黃凱旋等[26]的鹵素干燥法;淀粉:參考GB 5009.9-2016方法;總糖:參考趙凱等[27]的方法稍作修改,采用3-5二硝基水楊酸法(標(biāo)準(zhǔn)曲線方程為:Y=1.3299X+0.0221,R2=0.9986,式中,Y:葡萄糖含量,X:吸光度);蛋白質(zhì):參考GB 5009.5-2016方法(標(biāo)準(zhǔn)曲線方程為:Y=280.5X+0.0582,R2=0.9995,式中,Y:氮含量,X:吸光度);脂肪:參考GB 5009.5-2016方法。

1.3 數(shù)據(jù)處理

除特殊說明外,所有數(shù)據(jù)均為3次平行試驗(yàn)的平均值。采用Excel 2007進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和SPSS 20.0進(jìn)行描述性分析、主成分分析、聚類分析采用系統(tǒng)聚類,樣本之間的距離采用歐氏距離平方,得出聚類樹狀圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同燕麥品種脂肪酸組成

利用氣質(zhì)聯(lián)用的方法測定燕麥脂肪酸,測定結(jié)果見表1。

表1 不同品種燕麥脂肪酸組成Table 1 Fatty acid compositions of different varieties of oat

燕麥中的脂肪主要集中在胚乳中[28],含量相對較高[29],油酸和亞油酸是燕麥主要的脂肪酸,因此燕麥油被認(rèn)為是不飽和脂肪酸的良好來源[6]。如表1所示,油酸含量最高的是“1048-109”,含量最低的品種為“花早2號”,且具有顯著性差異(P<0.05);“花早2號”亞油酸含量最高,含量最低的為“1048-109”;棕櫚酸在燕麥中的含量僅次于油酸和亞油酸,“花早2號”含量最高,占總脂肪酸的19.86%。其他脂肪酸如硬脂酸、亞麻酸、肉豆蔻酸等占總脂肪酸的1%～3%。Holland等[30]研究表明油酸和亞油酸是燕麥主要的脂肪酸,Leonova等[31]測得亞油酸含量為40.4%,油酸含量為35.8%,本實(shí)驗(yàn)測得的油酸含量普遍高于35.8%,表明河北省部分燕麥品種加工的燕麥油品質(zhì)更好,更適合患有心腦血管疾病的人食用。

2.2 不同燕麥品種營養(yǎng)物質(zhì)分析

燕麥?zhǔn)且环N營養(yǎng)均衡的糧食作物,經(jīng)檢測其營養(yǎng)組成見表2。

如表2所示,10個(gè)燕麥品種含有相對平衡的營養(yǎng)物質(zhì),其他常見谷物淀粉含量為60%～70%[32],相比之下燕麥淀粉含量較低,屬于低血糖指數(shù)食品;除了水分、淀粉、總糖、蛋白質(zhì)等成分外,燕麥還含有少量的總酚和黃酮。有研究表明,燕麥的品種及產(chǎn)地環(huán)境的不同會影響β-葡聚糖含量[33]、總酚含量及抗氧化活性等營養(yǎng)及功能特性[34-36]。

表2 不同品種燕麥營養(yǎng)品質(zhì)Table 2 Nutritional qualities of different varieties of oat

多不飽和脂肪酸作為食用油的一種抗氧化活性物質(zhì),可以降低血液中膽固醇和甘油三酯的含量,從而預(yù)防心血管疾病的發(fā)生。燕麥的多不飽和脂肪酸主要包含亞油酸和亞麻酸,各品種之間含量沒有顯著性差異(P>0.05),其占總脂肪酸百分比在32.76%～42.19%之間,其中“1048-109”含量最低,“花早2號”含量最高。

總酚和黃酮在不同燕麥間存在一定差異,它們在燕麥中含量雖少,但具有很多生物活性,例如減肥降脂、抗氧化等?？偡雍忘S酮的含量分別為5.11～10.70 mg GAE/g FW,0.88～4.14 mg RE/g FW。

淀粉作為一種碳水化合物是人體能量的主要來源之一,但它在胃腸道中很容易被消化成葡萄糖,造成血糖的上升,所以淀粉含量是反映燕麥功能性的一個(gè)重要指標(biāo)。不同燕麥品種的淀粉含量在23.47%～43.94%之間,且不同品種間淀粉含量存在一定差異,淀粉含量較高的品種分別為“H44”、“花早2號”、“026”,淀粉含量較低的品種分別為“029”、“張莜14號”、“花晚6號”。不同燕麥品種蛋白質(zhì)含量沒有顯著性差異(P>0.05),其含量在6.69%～24.42%之間,燕麥分離蛋白質(zhì)的氨基酸組分較其它糧食作物更加全面,人體必需的8種氨基酸含量比例合理,富含大米、小麥等糧食缺少的賴氨酸,含量高達(dá)0.68 g/100 g;不同品種間脂肪含量存在明顯差異,在3.60～7.27 g/100 g之間。10個(gè)燕麥品種中,“花早2號”含量最低,“1048-109”含量最高。

田志芳等[37]以產(chǎn)自山西、河北的27個(gè)燕麥品種為原料測定得粗蛋白、粗脂肪、β-葡聚糖平均含量分別為17.14%、5.86%、4.18%,與本實(shí)驗(yàn)結(jié)果沒有較大差異。Sterna等[5]分別測定了皮燕麥和裸燕麥的營養(yǎng)價(jià)值,結(jié)果顯示蛋白質(zhì)含量在9.7%～17.30%之間,脂肪含量為5.2%～12.40%,淀粉含量為27.30%～50.01%,β-葡聚糖含量為2.7%～3.5%,與本實(shí)驗(yàn)存在一定的差異,可能是由于產(chǎn)地、品種、栽培條件等因素的不同造成的,其中“GL380”、“H44”兩個(gè)品種的β-葡聚糖含量高于3.5%,由此可以推測,與國外的燕麥品種相比,河北省壩上地區(qū)的燕麥品種含有更多的β-葡聚糖,可能具有更好的減肥降脂功能。

2.3 燕麥營養(yǎng)品質(zhì)的變異分析

10個(gè)燕麥品種9個(gè)營養(yǎng)指標(biāo)變異分析結(jié)果見表3。結(jié)果表明,不同品種間各個(gè)指標(biāo)存在不同程度的差異性。其中黃酮的變異系數(shù)最大,達(dá)到69.41%;蛋白質(zhì)含量(40.22%)、總糖含量(31.59%)、淀粉含量(21.08%)、總酚含量(20.15%)、β-葡聚糖含量(17.34%)、脂肪含量(17.27%),表明燕麥在基礎(chǔ)營養(yǎng)成分和生物活性物質(zhì)間存在較大差異;水分含量的變異系數(shù)較小,為8.87%。正是由于這些營養(yǎng)指標(biāo)之間的差異性導(dǎo)致了燕麥品種間的差異性。

表3 燕麥10個(gè)品種9個(gè)營養(yǎng)指標(biāo)的變異分析Table 3 Variation analysis of 9 nutritional indexes of 10 varieties of oat

2.4 不同燕麥品種品質(zhì)主成分分析

主成分分析是利用降維的方法,把多個(gè)指標(biāo)轉(zhuǎn)化為少數(shù)綜合性指標(biāo),這些綜合性指標(biāo)能盡可能多地表達(dá)原有指標(biāo)的信息,且互不相關(guān)[38]。主成分分析方法保留了原指標(biāo)的大部分信息,比單一評價(jià)更方便準(zhǔn)確,同時(shí)避免性狀間的相關(guān)性對評價(jià)結(jié)果的影響[39]。本文主要對河北省種植的10個(gè)燕麥品種進(jìn)行了基礎(chǔ)營養(yǎng)物質(zhì)的分析和脂肪酸評價(jià),旨在為燕麥育種和加工人員提供基礎(chǔ)理論數(shù)據(jù)。本實(shí)驗(yàn)的所有數(shù)據(jù)經(jīng)過最大方差法旋轉(zhuǎn)后,各因子的載荷值更接近0或1,可以更好地將各主成分下的因子歸類解釋[40]。

圖1是主成分分析特征值碎石圖,從圖1中可知,主成分分析特征值碎石圖有四個(gè)拐點(diǎn)(黑色實(shí)心點(diǎn)),即表明有四個(gè)主成分。由表4可知,特征值都大于1,且累計(jì)方差貢獻(xiàn)率為80.006%,包含原始數(shù)據(jù)的大部分信息,所以由這四個(gè)主成分代替原始的9個(gè)營養(yǎng)指標(biāo)。圖2是采用Kaiser標(biāo)準(zhǔn)正交旋轉(zhuǎn)得到的載荷圖,直觀地顯示了各主成分與各變量之間的相關(guān)關(guān)系。載荷圖中不同變量的分布取決于載荷因子,離象限邊界越遠(yuǎn),對主成分貢獻(xiàn)率越大。結(jié)合表5和圖2可知,第1主成分包含多不飽和脂肪酸和總酚,都呈正相關(guān);第2主成分包括水分、β-葡聚糖和脂肪,水分呈負(fù)相關(guān),β-葡聚糖和脂肪呈正相關(guān);第3主成分在總糖和黃酮上有較大的載荷值,且都呈正相關(guān);第4主成分包括淀粉和蛋白質(zhì)(正相關(guān))。

圖1 主成分分析特征值碎石圖Fig.1 Principal component analysis feature root gravel

圖2 主成分分析載荷圖(X、Y軸參考線原點(diǎn)為0)Fig.2 Principal component load diagrams(X,Y-axis reference line origin is 0)

表4 燕麥品質(zhì)評價(jià)因子的特征值和累計(jì)方差貢獻(xiàn)率Table 4 Eigenvalue and accumulative contribution rate of quality evaluation of oat

表5 主成分在各品質(zhì)指標(biāo)上旋轉(zhuǎn)后的成分矩陣Table 5 Rotatad component matrix of the principle component analysis

為了消除不同單位和數(shù)據(jù)量綱的影響,要對各營養(yǎng)指標(biāo)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。轉(zhuǎn)化成均值為0,標(biāo)準(zhǔn)差為1的無量綱數(shù)據(jù)。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化后的各指標(biāo)與因子載荷矩陣(表6)計(jì)算各主成分得分。

表6 成分得分系數(shù)矩陣Table 6 Component score coefficient matrix

F1=-0.245X1-0.082X2-0.024X3-0.024X4+0.193X5-0.176X6+0.435X7+0.178X8+0.47X9

F2=-0.525X1+0.016X2-0.147X3+0.356X4-0.066X5+0.274X6+0.174X7+0.134X8+0.019X9

F3=0.15X1+0.048X2+0.613X3-0.017X4+0.042X5+0.205X6+0.12X7+0.431X8+0.006X9

F4=0.111X1+0.612X2+0.173X3-0.065X4+0.382X5+0.333X6+0.098X7-0.211X8-0.191X9

上式中,X1～X9是各個(gè)燕麥品種原始數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)值,以4個(gè)主成分對應(yīng)的方差貢獻(xiàn)率為權(quán)重,將各品種主成分得分和相應(yīng)的權(quán)重進(jìn)行線性加權(quán)求和[41],計(jì)算各品種燕麥的綜合評價(jià)得分。

F綜=0.32F1+0.20F2+0.16F3+0.12F4

以主成分1為橫坐標(biāo),主成分2為縱坐標(biāo)生成圖3(得分圖),散點(diǎn)圖中不同的標(biāo)記代表不同的燕麥品種,標(biāo)記與標(biāo)記之間的距離代表品種間的差異程度。根據(jù)綜合得分模型計(jì)算出各主成分的得分后排序,結(jié)合圖3和表7可知,“026”、“H44”、“張莜14號”得分較高,說明這3個(gè)燕麥品種的綜合品質(zhì)較好,這是由于這三個(gè)品種第一主成分即總酚和多不飽和脂肪酸含量較高。

圖3 主成分分析得分圖Fig.3 Score plot for the first two principal components

表7 不同品種燕麥品質(zhì)預(yù)測評價(jià)結(jié)果Table 7 Evaluation results of prediction for different varieties oat

2.5 不同燕麥品種聚類分析

聚類分析是研究樣本與指標(biāo)分類問題的一種統(tǒng)計(jì)方法,已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。通過聚類分析可以把樣本或指標(biāo)分為幾類,使得類內(nèi)個(gè)體具有較高的同質(zhì)性,類間個(gè)體具有較大的差異性。本實(shí)驗(yàn)針對10個(gè)燕麥樣本進(jìn)行了聚類分析,結(jié)果見圖4。聚類分析結(jié)果可能得到多種解,歐氏距離≥13時(shí),10個(gè)燕麥品種分兩類,“GL380”為一類,其他燕麥品種為一類,不能很好地區(qū)分;歐氏距離≤8時(shí),綜合得分較高的“026”、“H44”和“1048-109”被分別聚類,根據(jù)上述的分析可以判斷歐氏距離=10時(shí),按照變量重要性(黃酮>脂肪>淀粉>總糖>水分>β-葡聚糖>蛋白質(zhì)>多不飽和脂肪酸>總酚),將10個(gè)樣本被分為3類,第一類有“026”、“花早2號”、“壩莜1號”、“1048-109”、“花晚6號”;第二類有“張莜14號”、“029”、“張莜13號”、“H44”;第三類有“GL380”。綜合得分較高的“H44”和“張莜14號”分為一類,綜合得分較低的“花晚6號”和“1048-109”歸為一類,“026”與“1048-109”被分為一類,可能是由于這兩個(gè)品種的黃酮含量和脂肪含量相似。

圖4 聚類分析譜系圖Fig.4 Dendrogram of HCA

3 結(jié)論

不同品種燕麥之間,“花早2號”的油酸含量與其他品種具有顯著性差異(P<0.05),剩余8種脂肪酸不存在顯著性差異(P>0.05),多不飽和脂肪酸無顯著性差異(P>0.05),β-葡聚糖含量、總酚含量、黃酮含量、水分含量、淀粉含量、脂肪含量等指標(biāo)上存在一定差異,其中“張莜14號”、“花晚6號”、“張莜13號”淀粉含量較低,有望開發(fā)低升糖食品;“GL380”、“H44”、“張莜14號”β-葡聚糖含量較高,可以開發(fā)減肥減脂的產(chǎn)品;“花早2號”、“H44”、“026”蛋白質(zhì)含量較高;“花早2號”、“張莜13號”、“026”多不飽和脂肪酸含量較高,可以加工成燕麥油,可作為心血管疾病患者的特供食用油。對10個(gè)燕麥品種的9個(gè)營養(yǎng)成分指標(biāo)進(jìn)行變異性分析,結(jié)果表明,除水分和多不飽和脂肪酸外,其他指標(biāo)的變異系數(shù)都大于10%,說明指標(biāo)間差異明顯,所以燕麥品種間也差異極大。采用主成分分析法對10個(gè)燕麥品種9個(gè)指標(biāo)進(jìn)行分析,提取4個(gè)主成分,累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)到80.006%,最終篩選出3個(gè)品質(zhì)較好的品種,并通過聚類分析將10個(gè)燕麥品種分成3類,為燕麥產(chǎn)業(yè)的開發(fā)提供了理論依據(jù)。