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        基于主成分分析與聚類分析的百合品質(zhì)評價

        2023-08-17 10:32:30張曉莉王彥蕊王國慶雷娜娜朱家華顏任翔甘肅省產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗研究院甘肅蘭州730050蘭州理工大學甘肅蘭州730050
        農(nóng)產(chǎn)品加工 2023年14期
        關(guān)鍵詞:卷丹礦質(zhì)百合

        張曉莉,王彥蕊,王國慶,雷娜娜,朱家華,顏任翔(.甘肅省產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗研究院,甘肅 蘭州 730050;.蘭州理工大學,甘肅 蘭州 730050)

        百合是百合科百合屬多年生草本植物,其鱗莖肉質(zhì)肥厚、多片、色澤潔白、味甜清香、略有苦味,不僅是高蛋白、高碳水化合物和低脂肪的保健品,而且具有良好的藥用價值[1]。百合是我國衛(wèi)生計生委審批通過的首批藥食同源植物,富含蛋白質(zhì)、淀粉、粗纖維、多糖、氨基酸、黃酮及微量元素等多種營養(yǎng)活性成分,具有抗炎[2-3]、抗氧化[4]、抗疲勞、降血糖[5]等藥理作用。

        目前,全世界百合有90 多個品種,我國約有46 個種和18 個變種[6],傳統(tǒng)、規(guī)?;耘嗟氖秤冒俸蟽H有川百合、蘭州百合、卷丹和龍牙百合2 個種和2 個變種。百合喜冷涼氣候,在我國西南(四川、重慶、云南)、東北(山東、遼寧、吉林)、西北(甘肅、西藏、陜西)、中部(湖南、江西)、東部(江蘇) 等地均有分布[7]。傳統(tǒng)百合的生產(chǎn)繁殖主要依靠無性繁殖方法留種,由于連作障礙和病蟲害積累,導致百合種球自然退化嚴重,產(chǎn)量下降[8]。

        目前,對百合的研究主要集中在單一品種百合化學成分、種植栽培、病蟲害防治、細胞學、分子學、雜交育種和加工技術(shù)等方面[9-10],然而百合品種多及且產(chǎn)地分布廣,但是對不同產(chǎn)地、不同品種百合營養(yǎng)成分的差異和品質(zhì)評價研究較少?;诖?,以6 個百合主要產(chǎn)地的4 個品種百合鱗莖為研究對象,分析比較百合中9 種礦質(zhì)元素(K、Na、Ca、Mg、Fe、Zn、Mn、Cu 和Se) 和4 種營養(yǎng)成分(蛋白質(zhì)、粗纖維、多糖和黃酮) 的相關(guān)性,通過主成分分析和聚類分析,建立百合綜合品質(zhì)評價體系,以期為百合品種選育、品質(zhì)評價、產(chǎn)品研發(fā)和標準制定提供參考依據(jù)。

        1 材料與方法

        1.1 材料

        選取產(chǎn)自甘肅蘭州的蘭州百合(簡稱S1)、四川江油的川百合(簡稱S2)、湖北恩施的卷丹百合(簡稱S3)、云南曲靖的卷丹百合(簡稱S4)、江蘇宜興的卷丹百合(簡稱S5) 和江西宜春的龍牙百合(簡稱S6) 的新鮮百合去根剝片清洗后,于50 ℃下烘干至恒質(zhì)量,粉碎過60 目篩,密封冷藏備用。

        1.2 試劑與儀器

        1.2.1 試劑

        各單元素標準溶液(標準值為1 000 μg/mL),壇墨質(zhì)檢標準物質(zhì)中心提供;硝酸(優(yōu)級純),美國默克公司提供;硫酸、氫氧化鉀、蘆丁、亞硝酸鈉、氫氧化鋁、氫氧化鈉、無水乙醇、苯酚和石油醚等,均為國產(chǎn)分析純。

        1.2.2 儀器

        1.3 百合營養(yǎng)成分及礦質(zhì)元素測定

        蛋白質(zhì)含量:采用GB 5009.5—2016《食品安全國家標準 食品中蛋白質(zhì)的測定》凱氏定氮法測定;粗纖維含量:采用GB/T 5009.10—2003《植物類食品中粗纖維的測定》測定;礦物元素含量:采用GB 5009.268—2016《食品安全國家標準 食品中多元素的測定》測定;多糖和黃酮含量的測定分別參照文獻[11-14]中方法,并加以改進。

        1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

        試驗均平行測定3 次,應(yīng)用SPSS 28.0.1.1(15)軟件對試驗數(shù)據(jù)進行相關(guān)性分析和主成分分析,依據(jù)因子的特征值大于1.00 且累計方差貢獻率大于80%的原則,確定主成分因子個數(shù)。根據(jù)所得信息對不同產(chǎn)地百合進行綜合評價,以每個主成分所對應(yīng)特征值的方差貢獻率βi(i=1,2,3,…,k) 為權(quán)數(shù),由各主成分得分Fi 與對應(yīng)的權(quán)重相乘得綜合評價模型:F=β1F1+β2F2+…+βkFk[15-16]。采用R 包:Heatmap v1.0 版本對6 個不同產(chǎn)地百合的礦質(zhì)元素及營養(yǎng)成分進行聚類分析。

        2 結(jié)果與分析

        2.1 百合營養(yǎng)成分分析

        蛋白質(zhì)、多糖、粗纖維和黃酮含量是衡量百合品質(zhì)及藥用價值的重要指標。粗纖維是一種不能被人體消化的碳水化合物,不僅可以調(diào)節(jié)人體腸道健康,而且還能有效防止心血管疾病、糖尿病和結(jié)腸癌等[17]。黃酮和多糖是百合中重要的活性物質(zhì)與百合的藥理作用有密切關(guān)系,具有抗氧化、抗腫瘤、調(diào)節(jié)免疫力等功效。

        百合營養(yǎng)成分含量見表1。

        表1 百合營養(yǎng)成分含量/%

        由表1 可知,對不同品種、不同產(chǎn)地百合中蛋白質(zhì)、多糖、黃酮和粗纖維檢測數(shù)據(jù)進行分析,結(jié)果表明不同產(chǎn)地、不同品種的百合各項指標值存在顯著性差異(p<0.05)。百合蛋白質(zhì)含量在8.51%~16.80%,其中四川江油百合中蛋白質(zhì)含量最高(16.80%) 是薺菜(2.9%)、蓮藕(2.6%) 蛋白質(zhì)含量的5 倍以上,具有較高的營養(yǎng)價值[18];多糖含量變化范圍為8.86%~21.45%,其中蘭州百合多糖含量最高(21.45%),江西宜春(龍牙百合) 多糖含量最低(8.51%);粗纖維含量變化范圍為1.97%~4.29%,其中湖北恩施(卷丹百合) 含量最高(4.29%),其次是云南曲靖(卷丹百合)、江蘇宜興(卷丹百合)、江西宜春(龍牙百合)、甘肅蘭州(蘭州百合) 和四川江油(川百合)。研究表明,蘭州百合具有多糖含量高、粗纖維含量較低的優(yōu)點,與其他品種百合相比口感更好。黃酮含量變化范圍為0.45%~0.77%,其中作為藥用植物的江蘇宜興的卷丹百合黃酮含量較高(0.77%)。研究表明,百合中營養(yǎng)物質(zhì)含量隨品種而異,同一品種不同產(chǎn)地百合營養(yǎng)物質(zhì)含量亦不同。

        2.2 礦質(zhì)元素含量分析

        現(xiàn)代研究表明,植物的食用性與安全性不僅與其活性成分有關(guān),而且與無機元素的種類和含量也有密切的聯(lián)系[19]。百合中礦質(zhì)元素分為大量元素和微量元素。從含量來看,大量元素包含K、Na、Ca、Mg,微量元素有Fe、Zn、Mn、Cu、Se??傮w和單一礦質(zhì)元素含量在不同百合之間差異較大。

        百合礦質(zhì)元素含量見表2。

        5.1.2 The patterns of pasture utilization - rotational grazing

        表2 百合礦質(zhì)元素含量 / mg·kg-1

        由表2 可知,百合中大量元素含量順序為K>Mg>Ca>Na,K 是所有植物中儲存最豐富的礦物質(zhì)之一,K 不僅可以維持人體細胞滲透壓平衡,還可以有效預防中風,維持心肌功能[20-21]。百合中K 平均含量為59 123.12 mg/kg,其中湖北恩施(卷丹百合)中K 含量最高;四川江油(川百合) 中Mg 和Ca 含量較高;百合中含量最低大量元素是Na 均值為88.78 mg/kg。微量元素含量順序為Zn>Fe>Mn>Cu>Se,其中湖北恩施(卷丹百合) 中Zn、Fe、Mn、Cu 和Se 含量最高,分別為117,101,90,23,0.89 mg/kg。研究表明,不同產(chǎn)地、不同品種百合中礦質(zhì)元素含量不同。百合具有富鉀富鋅低鈉的特點,食用百合有利于降低血壓,減少心血管疾病和促進糖類代謝。

        2.3 各成分含量的相關(guān)性分析

        各指標之間的相關(guān)性見表3。

        表3 各指標之間的相關(guān)性

        對不同產(chǎn)地百合中9 種礦質(zhì)元素和4 種營養(yǎng)成分進行相關(guān)性分析,共有91 個相關(guān)系數(shù),存在顯著相關(guān)性(p<0.05) 的有6 個,存在極顯著相關(guān)性(p<0.01) 的有2 個,其中Ca 分別與Mg、Cu,Zn 與Mg、Fe,F(xiàn)e 與Mn,Zn 與Mn 呈顯著相關(guān),Cu 與Mg、Zn 呈極顯著正相關(guān)。因此,可用主成分分析和聚類分析的方法對不同品種百合的品質(zhì)指標,通過降維簡化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),提高百合綜合品質(zhì)評價的準確性。

        2.4 不同百合品質(zhì)主成分分析

        百合品質(zhì)指標存在不同程度差異,且各指標間存在不同程度相關(guān)性,僅通過單一指標大小來評價百合品質(zhì)好與差,并不客觀。主成分分析法是把多個指標轉(zhuǎn)化為少數(shù)幾個不相關(guān)綜合指標的一種多元統(tǒng)計分析方法,是評價農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)的有效手段[22]。

        相關(guān)系數(shù)特征值和方差百分比見表4。

        表4 相關(guān)系數(shù)特征值和方差百分比

        由表4 可知,每個主成分反映了一定的原始變量信息,特征值代表主成分反映原始變量信息的數(shù)量。經(jīng)PCA 提取的主成分中,選取特征值大于1,累計貢獻率達到91.499%的前3 個主成分,即3 個主成分代表了樣品91.499%的信息含量,能反映百合品質(zhì)的主要信息。

        旋轉(zhuǎn)后的因子載荷矩陣見表5。

        表5 旋轉(zhuǎn)后的因子載荷矩陣

        由表5 可知,數(shù)值反映原始變量對因子影響的大小,正負表示影響的方向[16]。變量K、Mg、Fe、Zn、Mn、Cu 對第一主成分有較高的載荷值,說明其與PC1 相關(guān)性較強;PC2 中Na、Se、黃酮、多糖載荷系數(shù)較高,貢獻大;Na、Ca、Mg 與PC3 相關(guān)性較強。因此,選取K、Mg、Ca、Fe、Zn、Mn、Cu、Na、Se、黃酮和多糖為百合的特征成分。

        將主成分提取個數(shù)設(shè)為3,依據(jù)13 種營養(yǎng)品質(zhì)成分含量,在三維空間展示6 個產(chǎn)區(qū)百合分布。

        百合品質(zhì)聚類分析圖見圖1。

        圖1 百合品質(zhì)聚類分析圖

        由圖1 可知,6 個產(chǎn)區(qū)百合分布相對分散。PCA分析表明,在以第一和第二主成分形成的三維圖中,湖北恩施(卷丹百合) 和云南曲靖(卷丹百合) 主成分含量較為接近。蘭州百合(蘭州百合)、四川江油(川百合) 和江蘇宜興(卷丹百合) 分布較為分散,江西宜春龍牙百合的分布相對獨立。

        2.5 不同百合品質(zhì)的綜合評價

        由于PCA 中前3 個組分反映了百合樣品中9 種礦質(zhì)元素和4 種營養(yǎng)成分的91.499%的信息含量,因此利用前3 個組分進行百合品質(zhì)的綜合評價是可行的。以9 種礦質(zhì)元素和4 種品質(zhì)成分為初始自變量,經(jīng)主成分分析計算因子得分,根據(jù)因子得分系數(shù)矩陣,每個主成分的特征值與所提取主成分總的特征值之和的比例,得出主成分綜合得分,分值越高表明百合品質(zhì)越好。

        百合品質(zhì)成分主成分得分和綜合得分見表6。

        表6 百合品質(zhì)成分主成分得分和綜合得分

        由表6 可知,百合綜合得分排名依次為湖北恩施(卷丹百合)、四川江油(川百合)、甘肅蘭州(蘭州百合)、江蘇宜興(卷丹百合)、云南曲靖(卷丹百合)、江西宜春(龍牙百合)。研究表明,蘭州百合作為我國西部地區(qū)大面積種植的食用百合,其色白味甘、低纖維,具有豐富的營養(yǎng)價值,不僅可以食用,也可用于藥療和觀賞,是我國食用百合的最佳品種。這與劉湘丹等人[23]對不同來源的百合藥材質(zhì)量評價和Li Y 等人[24]利用拉曼光譜法對蘭州百合質(zhì)量評價等文獻的研究結(jié)果一致。

        2.6 不同百合品質(zhì)聚類分析

        百合聚類分析圖見圖2。

        圖2 百合聚類分析圖

        采用R 包:Heatmap v1.0 版本對6 個不同產(chǎn)地百合的品質(zhì)指標進行聚類分析(圖2)??v向為品質(zhì)指標間聚類,橫向為(品) 種間聚類,圖中顏色深淺代表品質(zhì)指標含量的高低,從深色到淺色,顏色越深,含量越高。聚類分析將6 個不同產(chǎn)地百合分為3 類,第Ⅰ類為湖北恩施(卷丹百合) 和云南曲靖(卷丹百合),粗纖維、黃酮、K、Zn 含量較高,Na 含量較低;第Ⅱ類為甘肅蘭州(蘭州百合)、四川江油(川百合)、江蘇宜興(卷丹百合),多糖、Na 含量較高,Zn 含量較低;第Ⅲ類為江西宜春(龍牙百合),其礦質(zhì)元素(K、Na、Ca、Mg、Zn、Mn、Cu、Se) 與蛋白質(zhì)、多糖、黃酮含量均最低。聚類分析結(jié)果與主成分分析結(jié)果基本一致,因此利用試驗建立的綜合品質(zhì)評價模型對百合品質(zhì)進行評價是可行且可信的。

        3 結(jié)論

        對不同產(chǎn)地、不同品種百合樣品的9 種礦質(zhì)元素(K、Na、Ca、Mg、Fe、Zn、Mn、Cu、Se) 與4種營養(yǎng)成分(蛋白質(zhì)、粗纖維、多糖、黃酮) 進行測定,并對其結(jié)果進行主成分分析和聚類分析。研究表明,不同產(chǎn)地、不同品種百合的品質(zhì)存在差異,各組營養(yǎng)成分之間相關(guān)性顯著。

        主成分分析提取3 個主成分,累計方差貢獻率為91.499 %,可較好反映出百合品質(zhì)的綜合信息,綜合分析得出K、Mg、Fe、Zn、Mn、Cu、Na、Se 和黃酮為百合的特征成分。通過主成分分析對不同產(chǎn)地百合品質(zhì)進行綜合評價,綜合得分排名依次為:湖北恩施(卷丹百合)、四川江油(川百合)、甘肅蘭州(蘭州百合)、江蘇宜興(卷丹百合)、云南曲靖(卷丹百合)、江西宜春(龍牙百合)。聚類分析將6 個不同產(chǎn)地百合分為3 類,第Ⅰ類為湖北恩施(卷丹百合) 和云南曲靖(卷丹百合),粗纖維、黃酮、K、Zn 含量較高,Na 含量較低;第Ⅱ類為甘肅蘭州(蘭州百合)、四川江油(川百合) 和江蘇宜興(卷丹百合),多糖、Na 含量較高,Zn 含量較低;第Ⅲ類為江西宜春(龍牙百合),8 種礦質(zhì)元素(K、Na、Ca、Mg、Zn、Mn、Cu、Se) 與3 種品質(zhì)成分(蛋白質(zhì)、多糖、黃酮) 含量均最低。聚類分析結(jié)果在一定程度上反映百合品質(zhì)存在明顯的地域性特征,這種地域性分布特征可能與百合產(chǎn)地的土壤、氣候、海拔等因素有關(guān)。通過主成分分析和聚類分析對不同產(chǎn)地、不同品種百合進行品質(zhì)分析與評價,為百合品種選育、產(chǎn)品研發(fā)、品質(zhì)評價和標準制修定提供了相關(guān)的理論依據(jù)。

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