基于主成分與聚類分析的 市售兒童牛排質(zhì)量特征研究

董 超,張 麗,謝 鵬,張松山,李海鵬,黃彩燕,馬紀兵,孫寶忠,*

(1.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院北京畜牧獸醫(yī)研究所,北京 100193;2.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院,甘肅蘭州 730070)

隨著國家經(jīng)濟的不斷發(fā)展,國人生活水平逐漸提高,人們對肉及肉制品的需求也呈現(xiàn)逐年上升的趨勢[1]。近年來,更多的兒童出現(xiàn)營養(yǎng)缺乏或營養(yǎng)過度等癥狀[2]。牛肉因其富含蛋白質(zhì)、Fe、K、Zn、Mg、VB12、肉毒堿、肌氨酸,且是亞油酸的低脂肪來源,能夠補充兒童生長發(fā)育所需的一些營養(yǎng)物質(zhì),同時被人們列為日常健美飲食[3]。目前,市場上出現(xiàn)眾多品牌的兒童牛排,例如:潮香村兒童牛排、伊賽兒童牛排、福成兒童牛排、頂諾兒童牛排等。但經(jīng)過前期調(diào)查統(tǒng)計發(fā)現(xiàn),兒童牛排尚未有統(tǒng)一的質(zhì)量標準,導(dǎo)致不同品牌兒童牛排品質(zhì)之間存在較大差異[4]。鑒于兒童處在生長發(fā)育時期,對各種營養(yǎng)物質(zhì)的需求與成人不同,兒童牛排應(yīng)當(dāng)與普通牛排有一定區(qū)別。因此,篩選市售兒童牛排品質(zhì)差異的主要影響指標,對兒童牛排質(zhì)量進行綜合評價、提高兒童牛排品質(zhì)的一致性、優(yōu)化兒童牛排加工工藝具有重要意義。

目前,主要針對普通牛排的研究較多,但是關(guān)于兒童牛排的研究尚未見報道。普通牛排的研究主要集中在加工工藝、風(fēng)味及烹調(diào)工藝等方面,因此,結(jié)合普通牛排研究情況對比市售兒童牛排的品質(zhì)狀況,來確定兒童牛排的品質(zhì)差異性指標。有學(xué)者研究表明:嫩度和多汁性是影響牛排感官評價和消費者接受程度的一個重要指標[5]。王春曉等[6]對市售預(yù)制牛排質(zhì)量特征進行研究,結(jié)果表明,不同部位牛排的主要品質(zhì)指標存在差異,且不同指標間樣品的變異幅度也不盡相同。宋曉[7]對牛排肉色改善技術(shù)進行研究,李雪蕊[5]、夏軍軍[8]、Kerth C[9]、Nuora A[10]等分別對牛排保水性、嫩化、風(fēng)味及多汁性等進行研究,并對其工藝參數(shù)進行優(yōu)化。郎玉苗[11]、Kerth C等[12]研究了熟制溫度以及切割方式對煎制牛排食用品質(zhì)的影響,結(jié)果顯示牛排的剪切力、蒸煮損失、硬度和咀嚼性隨熟制溫度的升高而增加(p<0.05)。目前,主成分分析已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于各類食品的質(zhì)量評價,羅天林等[13]利用主成分分析對真空包裝牛肉品質(zhì)進行評價,陳夢音等[14]研究了基于主成分和聚類分析的曲拉品質(zhì)的綜合評價,而運用主成分分析對兒童牛排品質(zhì)差異指標進行篩選及利用聚類分析對兒童牛排樣品分類及綜合評價鮮有報道。

本研究為了使研究對象具有廣泛的代表性,故選擇北京市8家大型超市采集17種品牌、51份兒童牛排樣品,對其食用品質(zhì)(色澤、嫩度)、營養(yǎng)品質(zhì)(水分、蛋白質(zhì)、脂肪、pH)等指標進行測定與分析,以期為提高兒童牛排品質(zhì)一致性、優(yōu)化兒童牛排加工工藝提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

兒童牛排 購買于北京市4家大型超市,17種品牌,每種品牌3份,共51份(均為原味重組兒童牛排),-18 ℃冷庫貯藏待測。

KDY-9820型凱氏定氮儀 北京市通潤源機電技術(shù)有限責(zé)任公司;CR-400/410型色彩色差計(D65光源) 北京科美潤達儀器設(shè)備有限公司;HI99163N型便攜式肉類pH計 意大利HANNA公司;YP2002型電子天平 上海越平科學(xué)儀器有限公司;BS200S-WEI型電子天平 北京賽多利斯天平有限公司;TA.XT.plus物性測試儀 英國Stable Micro Systems公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 水分含量的測定 參照GB/T 9695.15-2008《肉與肉制品:水分含量測定》,采用直接干燥法進行水分的測定。

1.2.2 pH的測定 使用HI99163N型便攜式肉類pH計,用蒸餾水沖洗探頭并用濾紙吸干其表面水分,然后隨機選取肉樣3個不同部位,將pH計刀頭插入肉中進行測定,結(jié)果以3次測定的平均值表示。

1.2.3 色度的測定 參考周玉春等[15]方法進行測定。將樣品肉橫著肌纖維的方向切開,使切面在空氣中氧合30 min,用色差儀測定亮度(L*)值、紅度(a*)值和黃度(b*)值,色差儀使用前經(jīng)校正板標準化,預(yù)熱30 min,之后將鏡頭垂直置于肉面上,鏡口緊扣肉樣切面按下攝像按鈕,色度參數(shù)即自動存入微機。由于肉面顏色隨位置而異,故在肉面改變位置重復(fù)3 次測量,取平均值。

1.2.4 剪切力的測定 對Pivotto[16]和王兆明[17]描述的方法稍作修改。將牛排沿著肌肉纖維的方向切成1 cm×1 cm×1 cm的小塊,利用TA.XT.Plus物性儀,選用HDP/BS刀具,沿肌纖維縱向切割,測定剪切力值。測量參數(shù)為:測前速度1.50 mm/sec,測中速度1.50 mm/sec,測后速度10.00 mm/sec,觸發(fā)力10 g,下壓距離是10.0 mm,每秒采集數(shù)據(jù)200個,單位以kgf表示。每個樣品測6次平行。

1.2.5 脂肪含量的測定 按照GB/T 9695.7-2008《肉與肉制品:總脂肪含量測定》方法測定。

1.2.6 蛋白質(zhì)含量的測定 按照GB/T 9695.11-2008《肉與肉制品:氮含量測定》方法測定。

1.2.7 蒸煮損失的測定 參照李苗云[18]的方法,樣品低溫解凍,用濾紙吸干表面水分,在80 ℃的溫度下水浴加熱至中心溫度為70 ℃,再次用濾紙吸干表面水分,分別稱量蒸煮前后牛肉質(zhì)量,記為W1、W2,按公式(1)計算蒸煮損失。

式(1)

式中:W1為蒸煮前牛肉質(zhì)量(g);W2為蒸煮后牛肉質(zhì)量(g)。

1.2.8 壓榨損失的測定 采用加壓濾紙法測定,對賈小翠[19]的方法進行改進,將牛排切成(10±1) g大小,利用TA.XT.Plus物性儀對肉樣施加35 kg的壓力,保持5 min,加壓結(jié)束后,準確稱量加壓前后肉樣的質(zhì)量,分別記為W3、W4,按照公式(2)計算壓榨損失。

式(2)

式中:W3為壓前牛肉質(zhì)量(g);W4為壓后牛肉質(zhì)量(g)。

1.2.9 彈性和硬度的測定 參考張馨木[20]的方法,將肉樣切成5 cm×4 cm×3 cm大小并剔除脂肪及筋膜后放入蒸煮袋,于80 ℃水浴鍋中加熱,待肉樣中心溫度達到70 ℃后取出,冷卻至室溫,然后用不銹鋼刀沿與肌纖維平行方向?qū)悠沸拚麨槊娣e1.0 cm×1.0 cm×1.0 cm的試樣待測。利用 TA.XT.Plus物性儀,測定條件:應(yīng)用“TPA模式”,采用P/50探頭,預(yù)壓力:0.07 N,間隔時間為6 s,測試速度為4 mm/s,壓縮行程為10 mm。每組實驗重復(fù)6次。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

采用Microsoftoffice Excel 2007及IBM SPSS 19.0對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析,采用IBM SPSS 19.0進行相關(guān)性分析、主成分分析和聚類分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 市售兒童牛排品質(zhì)描述性分析

水分含量的多少影響肉的營養(yǎng)價值、感官品質(zhì),如嫩度和多汁性等。水分含量低,牛排口感差,水分過高,牛排易被細菌、霉菌污染,引起肉的腐敗變質(zhì)[6]。pH是肉質(zhì)評價的重要指標之一,直接影響牛排的適口性、貨架期及肉色等相關(guān)指標[21]。牛排肉色是商品中給人印象最直觀的體現(xiàn),它直接影響到消費者的購買欲望。剪切力高低是評價牛排嫩度的重要指標,而嫩度是牛肉最重要的品質(zhì)特性。所以對兒童牛排樣品的食用品質(zhì)(色澤、嫩度)、營養(yǎng)品質(zhì)(水分、蛋白質(zhì)、脂肪、pH)等指標進行測定與分析,51份樣品的各指標的分布情況見表1。

表1 市售兒童牛排品質(zhì)描述性統(tǒng)計Table 1 Descriptive statistics of commercially available Children’s steak quality

對市售17種品牌兒童牛排數(shù)據(jù)差異分析結(jié)果見表1。其中a*值、b*值、脂肪含量、蒸煮損失、壓榨損失、剪切力、硬度、彈性等指標的變異系數(shù)均大于10%,這說明市售不同品牌的兒童牛排多數(shù)品質(zhì)指標差異較大。這與王春曉等[6]研究結(jié)果一致。比較均值和中位數(shù)發(fā)現(xiàn),水分含量、蒸煮損失、壓榨損失、剪切力、彈性等指標的中位數(shù)接近平均數(shù),說明這些數(shù)據(jù)的離群點較少。以上結(jié)果表明,實驗所選用的兒童牛排各指標測定值均在接受范圍內(nèi),離群點較少,兒童牛排特異性差異較大,具有一定的廣泛性和代表性。

2.2 市售兒童牛排品質(zhì)指標的相關(guān)性分析

由相關(guān)性分析(表2)可知,17種市售不同品牌的兒童牛排的12項品質(zhì)指標之間均存在不同程度的相關(guān)性,且部分指標間的相關(guān)性顯著。本實驗涉及指標在信息上存在重疊,證明實驗數(shù)據(jù)可應(yīng)用主成分分析法進行降維分析。

表2 市售兒童牛排品質(zhì)指標間的相關(guān)系數(shù)Table 2 Correlation coefficients among quality indexes of commercially available Children’s steak

2.3 市售兒童牛排品質(zhì)指標的主成分分析

2.3.1 主成分提取 本研究采用主成分分析對市售兒童牛排的12項品質(zhì)指標進行分析,結(jié)果見表3。

表3 市售兒童牛排品質(zhì)主成分因子提取Table 3 Extraction of principal component factors of the quality of commercially available children’s steak

如表3所示,主成分PC1方差貢獻率為30.112%,主成分PC2方差貢獻率為24.236%,主成分PC3方差貢獻率為14.694%,主成分PC4方差貢獻率為8.652%,前四個主成分累計貢獻率達到77.693%。張文彤[22]在《IBM SPSS數(shù)據(jù)分析與挖掘?qū)崙?zhàn)案例精粹》中說方差貢獻率達到50%就可以酌情接受。為了統(tǒng)計方便,本研究指定選取方差貢獻率最大的前兩個主成分(累計貢獻率達到54.348%)進行討論分析。

2.3.2 因子載荷 因子載荷的大小能夠表示原有變量在降維后,在構(gòu)成的綜合變量中的貢獻率大小,因此,可以通過因子載荷圖來確定與主成分密切相關(guān)的主要原變量,不同品牌市售兒童牛排品質(zhì)指標的前2個主成分的因子載荷圖見圖1。

圖1 各原始指標在主成分上的載荷Fig.1 Original index in the principal component load factor

由圖1可知,pH、脂肪、彈性、L*、a*、b*值在主成分PC 1上具有較高的載荷,說明相關(guān)性極高。而在主成分PC2上,蒸煮損失、壓榨損失、剪切力、硬度、蛋白等指標載荷較高、說明主成分PC2數(shù)值的大小主要受控于這些指標。

2.3.3 市售兒童牛排樣品主成分得分 計算樣品得分后,將主成分PC1與PC2作為X軸與Y軸,在二維坐標系內(nèi)繪制樣品得分分布圖,見圖2。蒸煮損失、壓榨損失、剪切力、硬度、蛋白物理意義廣泛、該指標群能夠較全面反映樣品信息,由圖2可知,根據(jù)樣品在主成分PC2上分值大小,所有樣品可被分為三類,該三類樣品在品質(zhì)上存在較大差異。陳夢音等[14]研究報道,運用主成分分析評價藏區(qū)曲拉品質(zhì),根據(jù)其篩選的主成分繪制的樣品分布圖中,8個地區(qū)的曲拉樣品分布比較分散,說明8個地區(qū)曲拉樣品的品質(zhì)具有差異性。

圖2 由主成分得分繪制的樣品得分分布圖Fig.2 The sample score distribution drawn by principal component scores

2.4 市售兒童牛排樣品的聚類分析

為驗證主成分分析結(jié)果的可靠性,根據(jù)品質(zhì)指標的主成分,本研究采用聚類分析法進一步加以驗證。對上述17種品牌,51份市售兒童牛排樣品進行分類,以期達到客觀、公正、綜合地評價市售兒童牛排品質(zhì)。統(tǒng)計結(jié)果見圖3。由圖3可知,在歐氏距離2.5時,實驗所有樣品可被分為三類,其中,第1類包括14個品牌,42份市售兒童牛排樣品,占總體的82.35%左右;第2類包括2個品牌,6份市售兒童牛排樣品,占總體的11.76%左右;第3類包括1個品牌,3份市售兒童牛排樣品,占總體的5.89%左右。楊生保等[23]利用聚類分析方法將77份番茄樣品分成3大類,分類結(jié)果表明3類番茄均有差異性及各品種獨特性,公麗艷等[24]利用聚類分析將評價蘋果品質(zhì)的17個品質(zhì)指標分為5類。其分類結(jié)果與主成分分析法提取的主成分結(jié)果相一致。說明本研究結(jié)果可靠。

圖3 系統(tǒng)聚類分析圖Fig.3 Dendrogram of duster analysis

2.5 兒童牛排品質(zhì)指標的方差分析

運用聚類分析將17種品牌,51份市售兒童牛排樣品分為3大類,現(xiàn)將各類的品質(zhì)指標間差異性及獨特性進行方差分析。其分析結(jié)果見表4。

表4 各類市售兒童牛排品質(zhì)指標方差分析Table 4 Analysis of variance of quality factors for the groups of commercially available Children’s steak classified by cluster analysis

由表4可知,各類牛排品質(zhì)指標的部分指標間存在顯著差異(p<005)。a*值、b*值、蛋白質(zhì)含量、蒸煮損失前兩類兒童牛排與第三類差異均顯著(p<005);三類牛排間剪切力值差異均顯著(p<005);硬度與彈性第一類與二、三類牛排差異均顯著(p<005)。此結(jié)果與主成分分析結(jié)果相一致。

3 結(jié)論

對市售17種兒童牛排51份樣品的12項品質(zhì)指標進行相關(guān)性分析,表明兒童牛排的食用品質(zhì)(色澤、嫩度、pH、蒸煮損失、壓榨損失)、營養(yǎng)品質(zhì)(水分、蛋白質(zhì)、脂肪)之間均存在不同程度的相關(guān)性。

主成分分析和聚類分析對51份市售兒童牛排樣品品質(zhì)綜合評價,結(jié)果表明51份樣品被分為3類,3類樣品的差異主要體現(xiàn)在保水性和嫩度上,故有望統(tǒng)一牛排的保水性和嫩度,從而提高兒童牛排品質(zhì)一致性。