不同大豆品質(zhì)加工豆腐適宜性的模式識(shí)別研究＊

陳 思，于寒松,3**，呂 博，張 田，王玉華,3，樸春紅,3，劉俊梅,3，代偉長(zhǎng),3，胡耀輝,3

（1.吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130118；2.國(guó)家大豆產(chǎn)業(yè)技術(shù)研發(fā)中心加工研究室，長(zhǎng)春 130118；3.吉林省食品生物制造科技創(chuàng)新中心，長(zhǎng)春 130118）

近年來，植物化學(xué)成分豐富的食物消耗量逐年遞增，這些食物包括谷物、蔬菜、水果等[1]。在大量的資源中，大豆作為最重要一種谷物之一，其對(duì)人身體健康非常有益。大豆可以作為原料生產(chǎn)制備多種對(duì)身體有益豆制品，包括豆?jié){粉、豆腐、千葉豆腐、豆干等[2]。在大量的豆制品中，豆腐作為主導(dǎo)食品，已經(jīng)廣泛地受到消費(fèi)者歡迎，其豐富的蛋白營(yíng)養(yǎng)對(duì)人體健康非常有益，因此對(duì)豆腐深入研究的項(xiàng)目是必不可少的。決定豆腐品質(zhì)最直接的因素即質(zhì)構(gòu)特性，而對(duì)豆腐品質(zhì)產(chǎn)生影響的因素是大豆及豆?jié){的品質(zhì)[3]。豆腐的品質(zhì)及產(chǎn)率與大豆及豆?jié){的理化指標(biāo)有著錯(cuò)綜復(fù)雜的關(guān)系，大豆及豆?jié){基礎(chǔ)理化指標(biāo)較多，理化指標(biāo)間有重疊的影響因素、相關(guān)性復(fù)雜，所以利用主成分分析法提取主成分，再進(jìn)行聚類分析，對(duì)大豆是否適合做豆腐進(jìn)行分類，進(jìn)而進(jìn)行判別分析為今后大豆育種提供便利條件及理論基礎(chǔ)，為豆腐加工生產(chǎn)中品種的選擇提供良好快速的方法，為豆腐工業(yè)化、機(jī)械化生產(chǎn)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 供試原料

供試大豆品種均為國(guó)家大豆產(chǎn)業(yè)技術(shù)中心體系專家饋贈(zèng)，本文選擇68種大豆，具體信息見表1，下文均以編號(hào)形式代替品種名稱。

1.1.2 主要儀器與設(shè)備

KDN-08C（047）全自動(dòng)凱示定氮儀；SZF-061脂肪測(cè)定儀：上海洪記儀器設(shè)備有限公司；101A-2型電熱鼓風(fēng)干燥箱：上海博訊儀器設(shè)備公司；UV-1700紫外可見分光光度計(jì)；TL-18M高速低溫離心機(jī)：美通貿(mào)易有限公司；6300C原子吸收分光光度計(jì)：日本島津公司。

1.2 方法

1.2.1 大豆理化指標(biāo)的檢測(cè)方法

蛋白質(zhì)的檢測(cè)參照GB5009.5-2010；脂肪的檢測(cè)參照GB/T5009.6-2003；水分含量的檢測(cè)參照GB5009.3-2016；鈣含量的檢測(cè)參照GB/T5009.92-2003；鐵含量的檢測(cè)參照GB/T5009.90-2003；磷含量的檢測(cè)參照GB/T5009.87-2003；鎂含量的檢測(cè)參照GB/T5009.90-2003。

表1 大豆品種編號(hào)及名稱

1.2.2 植酸含量的檢測(cè)方法

采用紫外分光光度法[5]，利用植酸溶液和韋德試劑（0.3%磺基水楊酸與0.03%FeCl3·6H2O）反應(yīng)顯色的原理，通過吸光值計(jì)算大豆中植酸含量。

1.2.3 蛋白亞基7S、11S含量的檢測(cè)方法

本試驗(yàn)中用于大豆分離蛋白（SPI）的提取以及蛋白液前處理的方法參照了劉香英等[6]的研究方法進(jìn)行處理。

雙縮脲試劑法[7]測(cè)蛋白。

1.2.4 豆?jié){制備方法及指標(biāo)測(cè)定

1.2.4.1 豆?jié){的制備方法

大豆原料進(jìn)行挑選處理，稱取130 g符合要求的大豆，將其清洗干凈，再放入干豆質(zhì)量5倍蒸餾水中浸泡14～16 h，保持環(huán)境溫度為20℃，將浸泡后的大豆瀝干，向膨脹過的豆中加蒸餾水至干豆與水的比為1：9，用高速磨漿機(jī)進(jìn)行磨漿，將制備的漿液過120目過濾網(wǎng)去渣，去渣的方式是用手最大力度的擰干濾網(wǎng)，標(biāo)準(zhǔn)是使豆?jié){呈滴狀濾出到?jīng)]有豆?jié){濾出而充分去渣，得到生豆?jié){。將豆?jié){于4℃冰箱保存，待測(cè)。

1.2.4.2 豆?jié){蛋白的測(cè)定方法

采用凱氏定氮法參照GB5009.5-2010進(jìn)行豆?jié){中蛋白含量的測(cè)定。

1.2.4.3 豆?jié){蛋白回收率的計(jì)算

蛋白回收率=豆?jié){得率（g）×豆?jié){蛋白（g/100g）/大豆蛋白（g/100g）

1.2.5 豆腐的制備方法及指標(biāo)測(cè)定

1.2.5.1 豆腐的制備方法

豆腐制備參照張偉[8]的方法并稍做改進(jìn)，每個(gè)大豆品種做3次重復(fù)。

1.2.5.2 豆腐得率的測(cè)定

豆腐得率測(cè)定依照宋連軍[9]等的研究方法。將新制成的制品在室溫下靜至5 min后進(jìn)行稱量，計(jì)算出每100 g原料大豆制備出豆腐的重量，為濕豆腐的得率。濕豆腐得率=豆腐質(zhì)量（g）/干豆原料質(zhì)量（g）×100%。

1.2.5.3 豆腐質(zhì)構(gòu)的測(cè)定

參照劉志勝[10]的方法測(cè)定豆腐的質(zhì)構(gòu)指標(biāo)。

1.2.6 數(shù)據(jù)處理

大豆原料的理化指標(biāo)的定量分析至少3次平行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示。使用Excel 2016軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析和處理，不同大豆理化指標(biāo)之間的平均值的比較采用SPSS 24.0的單向方差分析（One-way analysis of variance，ANOVA）進(jìn)行方差分析（顯著水平P＜0.05，極顯著水平P＜0.01）和大豆品質(zhì)理化指標(biāo)間相關(guān)性分析。使用SPSS 24.0統(tǒng)計(jì)分析軟件（SPSS Inc.,Chicago，USA）進(jìn)行主成分分析、聚類分析及判別分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 大豆及豆?jié){理化指標(biāo)的數(shù)據(jù)分析

表2為對(duì)68個(gè)品種大豆及豆?jié){理化指標(biāo)數(shù)據(jù)的差異分析，大豆及豆?jié){各項(xiàng)指標(biāo)差異顯著，且中位數(shù)與均值相比較，都非常接近，說明這些數(shù)據(jù)離群點(diǎn)較少，試驗(yàn)所選大豆品種各項(xiàng)指標(biāo)測(cè)定值均有一定的廣泛性和代表性。

2.2 不同品種大豆及豆?jié){理化指標(biāo)間的相關(guān)性分析

根據(jù)表2顯示的13個(gè)理化指標(biāo)間的相關(guān)性分析結(jié)果，可得出結(jié)論：由皮爾遜相關(guān)系數(shù)及概率P值可以看出這些指標(biāo)存在著正負(fù)、強(qiáng)弱相關(guān)錯(cuò)綜復(fù)雜的關(guān)系，以至于它們提供的信息有大部分重疊，不能清楚地尋求其中簡(jiǎn)明的變化關(guān)系，因此要進(jìn)行主成分分析，以便找出影響大豆品質(zhì)的主要成分。

表2 大豆及豆?jié){理化指標(biāo)描述性統(tǒng)計(jì)

表3 大豆及豆?jié){理化指標(biāo)間相關(guān)性分析

2.3 主成分分析

主成分分析的主要思想是降維，在解決實(shí)際問題時(shí)，經(jīng)常對(duì)研究對(duì)象收集盡可能多的信息，以對(duì)研究對(duì)象有全面綜合的評(píng)價(jià)，但是過多的指標(biāo)并不能在處理數(shù)據(jù)時(shí)發(fā)揮較大的作用，大量的信息反而對(duì)解決問題產(chǎn)生障礙，為解決這一問題，應(yīng)該采用主成分分析方法，用少量的信息反映原有信息[11]。

68個(gè)大豆樣本及豆?jié){的理化指標(biāo)的主成分分析結(jié)果如表3所示。主成分的選擇應(yīng)該既達(dá)到降維的目的，又不失去原信息的準(zhǔn)確性[12]。由表4可知：KMO值為0.767＞0.7，表明該樣本做主成分分析效果較好，而Bartlett檢驗(yàn)的近似卡方為786.999，且顯著性值為0，遠(yuǎn)小于0.05，同樣說明變量之間存在顯著的相關(guān)性，適合做主成分分析。

由表5和圖1可知：前6個(gè)主成分的特征值大于1，且累積貢獻(xiàn)率達(dá)到72.114%，綜合體現(xiàn)大豆及豆?jié){理化指標(biāo)的大部分信息，因此可以確定6個(gè)主成分。

表4 KMO和Bartlett檢驗(yàn)

表5 總方差解釋

由表6可知，百粒重、蛋白質(zhì)、蛋脂比和豆?jié){蛋白在第1主成分上有較高的載荷系數(shù)；脂肪、7S、11S和7S/11S在第2主成分上有較高的載荷系數(shù)；含水量和植酸在第3主成分上有較高的載荷系數(shù)；脂肪氧化活性酶在第4主成分上有較高的載荷系數(shù)；胰蛋白酶抑制劑、鈣、鐵、鎂和磷在第5主成分上有較高的載荷系數(shù)；蛋白回收率在第6主成分上有較高的載荷系數(shù)。所提取的6個(gè)主成分包含了指標(biāo)體系的全部信息，可以替代原有的17個(gè)指標(biāo)對(duì)大豆制備豆腐進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

圖1 主成分分析碎石圖

表6 成分矩陣

2.4 聚類分析

在解決實(shí)際問題時(shí)，將多個(gè)樣本進(jìn)行分類時(shí)，僅僅根據(jù)單因素分析無(wú)法全面綜合的分類，所以要考慮多方面根據(jù)多因素將樣本進(jìn)行分類。聚類分析是將樣品按照品質(zhì)特性的相似程度聚合分類。它是一種無(wú)監(jiān)督分類，按照類別的綜合性質(zhì)將多個(gè)樣本聚合，從而完成聚類分析的過程。因此本研究對(duì)68種大豆進(jìn)行聚類分析。

圖2 聚類分析的組間譜系圖

表7 特征值表

表8 Wilks Lambda值

表9 標(biāo)準(zhǔn)化典則判別函數(shù)系數(shù)

由圖2可知，根據(jù)聚類分析的組間譜系圖可以看出，68種大豆樣品可分為理化特性相似的4大類，根據(jù)聚類分析距離結(jié)合豆腐產(chǎn)率及品質(zhì)研究分析得出，其中，1號(hào)、2號(hào)、56號(hào)、66號(hào)、22號(hào)、23號(hào)、8號(hào)、9號(hào)、16號(hào)、63號(hào)、13號(hào)、40號(hào)、31號(hào)、41號(hào)、44號(hào)聚為一類，其共同特點(diǎn)為質(zhì)構(gòu)特性較好，產(chǎn)量較高；27號(hào)、59號(hào)、4號(hào)、26號(hào)、35號(hào)、34號(hào)、29號(hào)、32號(hào)、25號(hào)、37號(hào)、5號(hào)、46號(hào)、54號(hào)、67號(hào)、15號(hào)、24號(hào)聚為一類，其共同特點(diǎn)為質(zhì)構(gòu)特性較好，產(chǎn)量適中；33號(hào)、53號(hào)、45號(hào)、51號(hào)、58號(hào)、65號(hào)、18號(hào)、14號(hào)、39號(hào)、57號(hào)、49號(hào)、64號(hào)、21號(hào)、43號(hào)、17號(hào)、42號(hào)、30號(hào)、61號(hào)、38號(hào)、62號(hào)、7號(hào)、60號(hào)、48號(hào)、28號(hào)、10號(hào)、47號(hào)、3號(hào)聚為一類，其共同特點(diǎn)是質(zhì)構(gòu)特性適中，產(chǎn)量較低；11號(hào)、12號(hào)、6號(hào)、19號(hào)、52號(hào)、36號(hào)、50號(hào)、55號(hào)聚為一類，其共同特點(diǎn)是硬度非常高，質(zhì)構(gòu)特性不好。在此基礎(chǔ)上，對(duì)其進(jìn)行判別分析，典型判別函數(shù)特征值見表:7。

2.5 判別分析

表7是特征值表，由于本案中預(yù)測(cè)變量為17個(gè)，類別數(shù)為4，因此判別函數(shù)的個(gè)數(shù)為3（即min（4-1，17）=3）。判別函數(shù)的特征值越大，表明該函數(shù)越具有區(qū)別了。第一個(gè)判別函數(shù)的特征值為2.556，第二個(gè)判別函數(shù)的特征值為1.201，第三個(gè)判別函數(shù)的特征值為0.783。

表8是對(duì)判別函數(shù)的顯著性檢驗(yàn)結(jié)果表，其中“1直至3”表示三個(gè)判別函數(shù)的平均數(shù)在4個(gè)級(jí)別間的差異情況?！?直至3”表示第2個(gè)和第3個(gè)判別函數(shù)的平均數(shù)在第4個(gè)級(jí)別間的差異情況?！?”表示在排除第一個(gè)和第二個(gè)判別函數(shù)后第3個(gè)函數(shù)在4個(gè)級(jí)別間的差異情況。從最后的顯著性概率Sig.來看，其三個(gè)判別函數(shù)的效果十分顯著。

由K階聚類中的聚類號(hào)作為判別分析的分組變量[13]，在SPSS24.0中進(jìn)行判別分析，根據(jù)表9的標(biāo)準(zhǔn)化典則判別方程系數(shù)表，得到3個(gè)典則判別方程，其累計(jì)方差貢獻(xiàn)率為100%（其中D1：方差貢獻(xiàn)率56.2%，D2：方差貢獻(xiàn)率26.5%，D3：方差貢獻(xiàn)率17.3%）。

由于前兩個(gè)典則判別方程累計(jì)方差貢獻(xiàn)率已達(dá)到82.7%，所以可以用D1和D2分別作為X，Y軸作圖[14]，如圖3所示，可將68種大豆明確的分為四類，這與聚類結(jié)果相吻合，說明判別分類效果良好。然后再通過SPSS24.0分析，得到4個(gè)分類函數(shù)Q1、Q2、Q3、Q4。表10為分類函數(shù)系數(shù)表，根據(jù)該表可建立四個(gè)分類函數(shù)。通過四個(gè)分類函數(shù)的Q值可以判斷每個(gè)大豆樣本屬于哪一分類。

圖3 典則判別函數(shù)

表10 類函數(shù)系數(shù)

表11 分類結(jié)果

表11為分類結(jié)果表。對(duì)角線顯示的為準(zhǔn)確預(yù)測(cè)的個(gè)數(shù)，其余為錯(cuò)誤預(yù)測(cè)的個(gè)數(shù)。從表中可以看出已經(jīng)分類的68個(gè)個(gè)案中正確分類65個(gè)，錯(cuò)誤分類3個(gè)。正確率達(dá)到95.6%。

3 結(jié)論

通過數(shù)據(jù)指標(biāo)的描述性統(tǒng)計(jì)，樣本各項(xiàng)基礎(chǔ)理化指標(biāo)的中位數(shù)都與平均值相接近，說明所選取的大豆樣本具有一定的代表性，試驗(yàn)結(jié)果可信度較高，可進(jìn)行下一步試驗(yàn)。通過對(duì)大豆及豆?jié){理化指標(biāo)的相關(guān)性分析的結(jié)果，可知各項(xiàng)指標(biāo)之間的錯(cuò)綜復(fù)雜的關(guān)系，為了用少量的因素代替大量的錯(cuò)綜復(fù)雜的影響因素，可以采用主成分分析法。由于特征值大于1的6種主成分累計(jì)方差貢獻(xiàn)率達(dá)到72.114%，說明主成分分析法可取。通過聚類分析可以對(duì)制備的豆腐聚集為4類，其中，類別1的大豆有著蛋白質(zhì)含量高，蛋脂比含量高，植酸含量低的特點(diǎn)，同時(shí)通過對(duì)類別1的大豆品種豆腐的質(zhì)構(gòu)分析、色差分析以及感官評(píng)價(jià)綜合評(píng)定，該類別豆腐產(chǎn)量高，整體品質(zhì)優(yōu)良。類別2的大豆特點(diǎn)是脂肪含量較高，鈣含量較低，該類別的豆腐產(chǎn)量低，整體品質(zhì)一般。類別3的大豆特點(diǎn)是植酸含量較高，水分含量較高，該類別的豆腐整體品質(zhì)較差，塊形不完整，易碎。類別4的大豆特點(diǎn)是豆腐不宜成型。

通過主成分分析和聚類分析可以得到最終的結(jié)論：制備豆腐應(yīng)選擇蛋白質(zhì)含量＞40、豆?jié){蛋白＞3.5g/100g、蛋脂比＞2.3、11S/7S含量＞2.51、14mg/g＜植酸＜20 mg/g、脂肪＜15.6 g/100g、鈣含量＞54.2 mg/100g的大豆品種，如果大豆品種的理化指標(biāo)同時(shí)滿足這些要求，那么豆腐的產(chǎn)量較高，且質(zhì)構(gòu)水平較高，表面光滑、塊形完整、具有濃郁的豆香味，是非常符合優(yōu)良標(biāo)準(zhǔn)的豆腐。

通過判別分析得到最終的結(jié)論：在聚類分析的基礎(chǔ)上得到四個(gè)分類函數(shù)，根據(jù)Q值的大小給大豆樣本進(jìn)行分類。分類正確率為95.6%。

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