基于主要營(yíng)養(yǎng)成分含量的大小顆粒薏仁米判別

劉 星 范 楷 楊俊花 宋衛(wèi)國(guó)

(上海市農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)與檢測(cè)技術(shù)研究所，上海 201403)

薏仁米為禾本科植物薏苡(Coixlachryma-jobiL.)的成熟種仁，被廣泛種植于中國(guó)各省、東南亞地區(qū)和巴西[1]，中國(guó)年產(chǎn)量達(dá)30多萬t。薏仁米富含脂肪、蛋白質(zhì)和其他谷物所缺少的賴氨酸、蛋氨酸和半胱氨酸等營(yíng)養(yǎng)成分[2]，且含有薏苡素、多糖等功能因子，具有祛濕、抗腫瘤(康萊特注射液)、降糖降脂、免疫調(diào)節(jié)等作用[3-5]。不同品種和不同產(chǎn)地的薏仁米營(yíng)養(yǎng)組成不同，價(jià)格也存在差距。

薏仁米的食用量在逐年增加，市場(chǎng)上薏仁米產(chǎn)品很多，且多為粉末狀，其所用薏仁米依據(jù)其尺寸可分為小顆粒薏仁米(smallCoixseed，SCS)和大顆粒薏仁米(bigCoixseed，BCS)(圖1)，一般SCS的價(jià)格高于BCS。已有的研究[6-8]多針對(duì)薏仁米的淀粉結(jié)構(gòu)和理化性質(zhì)、脂肪提取應(yīng)用、活性成分提取條件優(yōu)化等，也有[9-10]開展某一種薏仁米或多種薏仁米的主要營(yíng)養(yǎng)成分分析，但對(duì)于不同產(chǎn)地BCS和SCS主要營(yíng)養(yǎng)成分的比較研究暫未見報(bào)道。對(duì)于與薏仁米相關(guān)的產(chǎn)品，一些商家為獲得更高的利潤(rùn)均宣稱其產(chǎn)品所用的薏仁米為SCS，而消費(fèi)者很難判斷真假，本課題組[11]前期研究發(fā)現(xiàn)可以借助近紅外光譜來進(jìn)行BCS和SCS的判別，但是否能通過薏仁米的主要營(yíng)養(yǎng)成分含量來判別BCS和SCS還未見報(bào)道。本研究采集了國(guó)內(nèi)外多地薏仁米樣品，通過測(cè)定其主要營(yíng)養(yǎng)組分(脂肪、蛋白質(zhì)、氨基酸和礦物元素)來研究BCS和SCS中主要營(yíng)養(yǎng)成分含量的差別，并將其主要營(yíng)養(yǎng)成分含量結(jié)合化學(xué)計(jì)量學(xué)方法[主成分分析(principal component analysis，PCA)[12-13]和支持向量機(jī)(support vector machine，SVM)[14-16]]來判別BCS和SCS，以期為薏仁米產(chǎn)品的選材和薏仁米市場(chǎng)的規(guī)范提供參考。

圖1 大小顆粒薏仁米的尺寸Figure 1 The size of big Coix seed and small Coix seed

1 材料與方法

1.1 儀器與試劑

1.1.1 主要儀器

加速溶劑萃取儀：ASE 350型，美國(guó)ThermoFisher公司；

自動(dòng)凱氏定氮儀：Kjeltec 8200型，丹麥FOSS公司；

全自動(dòng)氨基酸分析儀：L-8900型，日本Hitachi公司；

電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀：iCAP 6300型，美國(guó)Thermo Fisher公司；

分析天平：AL204型和PL2002型，梅特勒—托利多儀器(上海)有限公司；

電熱板：JH404型，上海錦凱科學(xué)儀器有限公司；

中藥粉碎機(jī)：HK-02A型，廣州旭朗機(jī)械設(shè)備有限公司。

1.1.2 主要試劑

丙酮：分析純，上海凌峰化學(xué)試劑有限公司；

凱氏定氮催化劑：丹麥FOSS公司；

氨基酸標(biāo)準(zhǔn)溶液：日本Hitachi公司；

多元素混合標(biāo)準(zhǔn)溶液：美國(guó)SPEX CertiPrep公司；

硫酸、鹽酸、硼酸、甲基紅、亞甲基藍(lán)、乙醇、濃鹽酸、苯酚、茚三酮、硝酸、高氯酸等：分析純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 樣品采集 共采集了36個(gè)薏仁米樣品，其中包括16個(gè)BCS和20個(gè)SCS，這些樣品分別來自中國(guó)吉林、黑龍江、江蘇、貴州、福建、遼寧、河北、湖南、湖北、廣西、四川、山西、山東、陜西、浙江、安徽、寧夏、內(nèi)蒙古18個(gè)省和自治區(qū)，以及緬甸和泰國(guó)。試驗(yàn)前將不飽滿的薏仁米顆粒挑出，再用粉碎機(jī)將薏仁米粉碎并全部通過0.25 mm 標(biāo)準(zhǔn)篩。

1.2.2 粗脂肪、蛋白質(zhì)、氨基酸和礦物元素測(cè)定 薏仁米樣品中的粗脂肪利用快速溶劑萃取儀來提取，提取溶劑為丙酮[17]，提取條件為溫度120 ℃，時(shí)間20 min，循環(huán)2次。薏仁米樣品中的蛋白質(zhì)、氨基酸和礦物元素分別按GB 5009.5—2010《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 食品中蛋白質(zhì)的測(cè)定》、GB 5009.124—2016《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 食品中氨基酸的測(cè)定》和GB 5009.268—2016《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 食品中多元素的測(cè)定》方法來測(cè)定。

1.2.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析方法和化學(xué)計(jì)量學(xué)方法 數(shù)據(jù)為3次平行試驗(yàn)的平均值，通過單尾方差分析來反映BCS和SCS主要營(yíng)養(yǎng)成分含量的差別，并將主要營(yíng)養(yǎng)成分含量與PCA法和SVM法結(jié)合，建立BCS和SCS定性判別模型。SVM法借助SPXY[18]法從36個(gè)樣品中選取75%的樣品作為訓(xùn)練集，剩下的25%樣品作為測(cè)試集。統(tǒng)計(jì)分析和定性模型建立都是由Matlab軟件(R2009a 美國(guó) Mathworks公司)來實(shí)現(xiàn)。

2 結(jié)果與討論

2.1 大小顆粒薏仁米主要營(yíng)養(yǎng)成分含量的比較

由表1可知，不同地區(qū)BCS和SCS的粗脂肪、蛋白質(zhì)、苯丙氨酸、蛋氨酸、蘇氨酸、異亮氨酸、亮氨酸、纈氨酸、半胱氨酸、酪氨酸、天冬氨酸、絲氨酸、谷氨酸、丙氨酸、脯氨酸、K、Mg、Cu、Mn、Al含量在統(tǒng)計(jì)學(xué)上有顯著的差異，且除了粗脂肪、Mg、Al含量是BCS大于SCS外，其他營(yíng)養(yǎng)成分均為SCS的含量高于BCS，說明不同地區(qū)來源的SCS主要營(yíng)養(yǎng)成分在一定程度上是優(yōu)于BCS，這一結(jié)果與之前[11]所得結(jié)論——同一地區(qū)的BCS和SCS主要營(yíng)養(yǎng)成分的差異現(xiàn)象一致，也為市場(chǎng)上SCS的價(jià)格高于BCS提供了依據(jù)。同時(shí)，對(duì)于SCS而言，不同地區(qū)來源的薏仁米其賴氨酸、Na、Ca、Fe、Al含量偏差較大，而不同地區(qū)的BCS也在Na、Ca、Fe、Al含量上有較大的差異，在一定程度上說明這幾種元素具有產(chǎn)地特征。

2.2 PCA判別模型的建立

PCA是對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行降維處理的方法，是將多個(gè)變量轉(zhuǎn)化為少數(shù)綜合變量來表征原變量信息，即綜合變量(又稱為得分)保留原有變量的絕大部分信息，且可以由幾個(gè)變量來反映樣本數(shù)據(jù)的所有信息[12-13,19]，所以PCA得分圖在一定程度上能夠反映數(shù)據(jù)集的分類。本研究前2個(gè)主成分中各營(yíng)養(yǎng)成分的特征向量和累積貢獻(xiàn)率見表2。由表2可知，前2個(gè)主成分的累積貢獻(xiàn)率達(dá)71.044%，其中第1主成分PC1主要綜合了丙氨酸、絲氨酸、亮氨酸、纈氨酸、天冬氨酸、蘇氨酸、異亮氨酸、苯丙氨酸、脯氨酸、蛋白質(zhì)、谷氨酸、酪氨酸、Cu等營(yíng)養(yǎng)素含量的信息，第2主成分PC2主要綜合了組氨酸、酪氨酸、谷氨酸、苯丙氨酸、異亮氨酸、天冬氨酸、蛋白質(zhì)等營(yíng)養(yǎng)素含量的信息，說明前2個(gè)主成分包含了氨基酸、蛋白質(zhì)、Cu、Mn、Zn、Na、Ca、Fe等營(yíng)養(yǎng)素的信息，基本能反映BCS和SCS的營(yíng)養(yǎng)組成信息。

利用PC1 和PC2 繪制的得分圖見圖2。由圖2可知，除了SCS中的5號(hào)遼寧樣品和BCS中的32號(hào)山西樣品外，不同地區(qū)的BCS和SCS基本可以借助主要營(yíng)養(yǎng)成分分開，SCS樣品集中在右側(cè)(PC1>0)，BCS樣品集中在左側(cè)(PC1<0)；除了36號(hào)貴州樣品遠(yuǎn)離數(shù)據(jù)集外，不同地區(qū)SCS樣品在得分圖中較均勻地分散，而BCS中橢圓形標(biāo)識(shí)的1號(hào)貴州樣品、8號(hào)山東樣品、13號(hào)陜西樣品和4號(hào)內(nèi)蒙古樣品、6號(hào)遼寧樣品、7號(hào)貴州樣品又分別聚到一起，可以認(rèn)為這幾個(gè)地區(qū)的BCS綜合營(yíng)養(yǎng)成分組成相似。說明薏仁米的產(chǎn)地和品種對(duì)其營(yíng)養(yǎng)成分含量均有很大的影響，除個(gè)別樣品外，PCA基本能辨別不同地區(qū)的BCS和SCS。

2.3 SVM定性模型的建立

采用SPXY來劃分訓(xùn)練集和測(cè)試集，選取了27個(gè)樣品為訓(xùn)練集，剩余9個(gè)樣品為測(cè)試集，其平均值、標(biāo)準(zhǔn)偏差和含量范圍見表3。將表3與表1中平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差相比可知，訓(xùn)練集和測(cè)試集中各營(yíng)養(yǎng)成分含量的平均值基本都落在SCS和BCS的平均值范圍內(nèi)，說明各變量中不同地區(qū)BCS和SCS樣品均勻的分布在訓(xùn)練集和測(cè)試集中；且測(cè)試集的各變量含量范圍也基本落在訓(xùn)練集范圍內(nèi)，說明此劃分方法所得訓(xùn)練集和測(cè)試集是合理的，所建模型是具有通用性的。

表1 大小顆粒薏仁米中粗脂肪、蛋白質(zhì)、氨基酸和礦物元素的含量?

? 同行不同字母表示差異顯著(P<0.05)。

表2 前2個(gè)主成分各變量特征向量及累積貢獻(xiàn)率

將上述所得訓(xùn)練集和測(cè)試集利用SVM來建定性判別模型。SVM是建立一個(gè)分類超平面作為決策曲面來使得正反例之間的隔離邊緣被最大化，近似實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)最小化[14]。SVM在進(jìn)行模式分類預(yù)測(cè)時(shí)，先將訓(xùn)練集和測(cè)試集歸一化到[0,1]區(qū)間，再進(jìn)行建模，所建模型的正確率受懲罰參數(shù)c(c為回歸誤差的權(quán)重)和徑向基核函數(shù)參數(shù)g的影響。因?yàn)閏值過大，樣本數(shù)據(jù)會(huì)發(fā)生過學(xué)習(xí)現(xiàn)象，而c值過小，樣本數(shù)據(jù)又會(huì)發(fā)生欠學(xué)習(xí)現(xiàn)象，因此需要優(yōu)化c、g值，采用交互驗(yàn)證(Cross validation，CV)意義下的網(wǎng)格搜尋(Grid search)法來進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化。Grid search優(yōu)化參數(shù)時(shí)，是先讓參數(shù)c和g在一個(gè)大范圍內(nèi)粗略搜尋，再根據(jù)粗選結(jié)果縮小c和g的搜尋范圍，最終得到最優(yōu)值來建模。

Grid search優(yōu)化參數(shù)的結(jié)果見圖3。圖中二維網(wǎng)格為c、g分別取以2為底數(shù)的對(duì)數(shù)后構(gòu)成，等高線表示取相應(yīng)的c和g后對(duì)應(yīng)的CV方法的準(zhǔn)確率，最佳的c、g值是通過交互驗(yàn)證準(zhǔn)確率的高低來確定的，最終所確定的最優(yōu)c為1，g為0.25。在最優(yōu)的c、g值下，所建SVM的模型預(yù)測(cè)結(jié)果見圖4。由圖4可知，準(zhǔn)確率達(dá)100%，說明薏仁米主要營(yíng)養(yǎng)成分含量結(jié)合SVM法來定性判別其BCS和SCS是可行的。

圖2 薏仁米主要營(yíng)養(yǎng)成分主成分分析得分圖Figure 2 Principal component analysis score plots for main nutritional components of Coix seed

營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)單位訓(xùn)練集(樣本數(shù)27)均值±標(biāo)準(zhǔn)偏差范圍測(cè)試集(樣本數(shù)9)均值±標(biāo)準(zhǔn)偏差范圍粗脂肪%7.22±0.475.78～8.106.95±0.526.34～7.69蛋白質(zhì)g/100 g14.49±1.1412.88～16.6514.99±1.0313.50～16.65賴氨酸mg/g2.56±0.222.20～3.072.55±0.182.31～2.84苯丙氨酸mg/g7.93±0.696.73～9.148.10±0.547.22～8.73蛋氨酸mg/g1.99±0.551.24～3.432.05±0.381.40～2.84蘇氨酸mg/g4.25±0.353.68～4.874.31±0.293.79～4.63異亮氨酸mg/g5.79±0.494.98～6.665.87±0.385.24～6.33亮氨酸mg/g21.60±2.4217.86～26.1222.49±2.1518.92～24.73纈氨酸mg/g7.88±0.646.73～8.947.98±0.547.03～8.58組氨酸mg/g3.97±0.782.96～5.553.58±0.433.17～4.36半胱氨酸mg/g1.49±0.191.13～1.961.58±0.211.28～1.88酪氨酸mg/g5.83±0.784.71～7.406.02±0.475.40～6.78天冬氨酸mg/g9.48±0.798.20～10.809.66±0.678.54～10.42絲氨酸mg/g6.89±0.575.98～7.917.04±0.496.22～7.58谷氨酸mg/g35.81±3.5531.11～42.1936.37±2.4832.38～39.24甘氨酸mg/g3.54±0.223.13～4.073.52±0.153.28～3.73丙氨酸mg/g15.38±1.7312.65～18.7116.14±1.6413.34～17.76精氨酸mg/g6.23±0.385.42～7.036.20±0.255.77～6.55脯氨酸mg/g10.91±1.388.36～13.4011.44±1.418.98～12.75Kmg/g3.02±0.422.32～3.842.74±0.332.37～3.42Mgmg/g1.71±0.171.43-2.071.63±0.161.47～1.99Pmg/g4.08±0.633.20～5.533.79±0.513.37～4.83Smg/g1.78±0.391.13～3.521.73±0.061.65～1.82Namg/kg78.93±35.6526.67～166.4096.50±44.4846.65～197.90Camg/kg96.71±20.1668.58～153.10111.47±36.4579.24～201.30Femg/kg46.81±11.7329.69～71.0156.92±25.4334.74～119.20Cumg/kg4.01±1.582.09～7.004.83±1.532.18～6.24Mnmg/kg25.75±5.9316.96～35.7529.20±7.7919.66～44.94Znmg/kg38.58±9.5726.99～59.1543.18±10.7729.92～63.43Almg/kg18.11±14.071.54～55.7310.25±8.742.05～25.52

圖3 網(wǎng)格搜尋法尋參示意圖Figure 3 Schematic diagram of grid search parameter

圖4 最優(yōu)參數(shù)情況下的SVM分類結(jié)果圖Figure 4 The classification result diagram of SVM with optimal parameters

3 結(jié)論

本研究發(fā)現(xiàn)除了粗脂肪、Mg、Al含量是BCS>SCS外，其他營(yíng)養(yǎng)成分含量均為SCS>BCS，在一定程度上說明不同地區(qū)的SCS營(yíng)養(yǎng)價(jià)值高于BCS。對(duì)于BCS和SCS的判別，SVM能通過核函數(shù)參數(shù)的優(yōu)化來實(shí)現(xiàn)測(cè)試數(shù)據(jù)誤差最小，且同時(shí)縮小模型泛化誤差的上界來提高模型的泛化性能，其所建模型的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率可達(dá)100%，說明薏仁米主要營(yíng)養(yǎng)成分含量結(jié)合化學(xué)計(jì)量學(xué)方法來判斷BCS和SCS是可行的，也為大小顆粒薏仁米的判別提供了新的方法。由于不同地區(qū)的BCS和SCS主要營(yíng)養(yǎng)成分含量有些差別很大，有些又很相近，PCA所提取的特征變量能將大部分薏仁米分開，但還是有個(gè)別的樣品被錯(cuò)分，如5號(hào)遼寧樣品和32號(hào)山西樣品，后續(xù)還需要結(jié)合薏仁米中的其他特征成分開展大小顆粒的判別。