主成分分析法用于調(diào)和油配方設(shè)計的研究

董家合，初柏君，高 盼,2，焦山海，何東平,2

（1.武漢輕工大學(xué) 食品科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢 430023；2.國家糧食和物資儲備局糧油資源綜合開發(fā)工程技術(shù)研究中心，湖北 武漢 430023；3.澳加糧油（廣西自治區(qū)）工業(yè)有限公司，廣西 防城港 538000）

中國是世界上最大的食用油消費(fèi)國，根據(jù)國家糧油信息中心對食用油市場調(diào)查數(shù)據(jù)，2013年度我國的食用油消費(fèi)量為2 755萬t，工業(yè)及其他消費(fèi)275萬t，出口油脂油料總計10.8萬t，合計2013年度食用油需求總量為3 040.8萬t。全國人口按照13.5億計，人均食用油年消費(fèi)量為22.5 kg，較2012年又提高了5.14%，超世界人均消費(fèi)量的12.5%[1]。2014年我國食用調(diào)和油的產(chǎn)量為 465萬t，小包裝食用油的產(chǎn)量為987萬t[2]。隨著城鄉(xiāng)居民生活水平的不斷提高，越來越重視安全、營養(yǎng)、健康的食用油，使得小包裝食用油高速發(fā)展[3]。逐漸形成了食用調(diào)和油與單品食用油共同競爭發(fā)展的局面，食用油市場步入以營養(yǎng)、健康為新追求目標(biāo)的發(fā)展時期。

根據(jù)中國營養(yǎng)學(xué)會和營養(yǎng)專家提出的膳食寶塔建議，以及《中國居民膳食營養(yǎng)素參考攝入量》的推薦值，中國居民每天需攝入25g食用油才可滿足人體對膳食脂肪酸的需求。但考慮到膳食脂肪酸均衡問題，需要對攝入的食用油中的脂肪酸配比進(jìn)行科學(xué)調(diào)配，這就對調(diào)和油產(chǎn)品配方提出更高的要求。美國心臟病協(xié)會推薦食用油脂的飽和脂肪酸（S）、單不飽和脂肪酸（M）、多不飽和脂肪酸（P）均應(yīng)占供熱量的10，即S∶M∶P的比例為 1∶1∶1。但隨著對食用油脂營養(yǎng)價值研究的不斷進(jìn)展，對S、M、P三者的比側(cè)又有了新的變化，1987年，美國心臟病協(xié)會重新推薦S占供熱量7、M占供熱量15、P占供熱量8，即S∶M∶P的比值為 1∶2.14∶1.14[8]。目前，國內(nèi)的調(diào)和油配方設(shè)計主要是依據(jù)《中國居民膳食營養(yǎng)素參考攝入量》中提出的飽和脂肪酸∶單不飽和脂肪酸∶多不飽和脂肪酸比例為 1∶1∶1，在多不飽和脂肪酸中，（n-6）系列與（n-3）系列的比值為 4～6。

主成分分析法（principal component analysis，PCA）是分析統(tǒng)計學(xué)中的一種數(shù)學(xué)變換方法，通過降維對研究對象進(jìn)行簡化，將多個相互關(guān)聯(lián)的變量因素轉(zhuǎn)化成少數(shù)幾個不相關(guān)聯(lián)的變量因素，通過分析這少數(shù)幾個不相關(guān)聯(lián)的變量因素達(dá)到反映原變量主要情況的研究方法[4]。主成分分析是一種簡化數(shù)據(jù)集的技術(shù)，經(jīng)常用于減少數(shù)據(jù)集的維數(shù)，同時保持?jǐn)?shù)據(jù)集的對方差貢獻(xiàn)最大的特征[5]。主成分分析法廣泛應(yīng)用于量大的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析中，常與其他方法連用進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理[6]。目前，PCA法被廣泛應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，并與聚類分析及其他方法聯(lián)用進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理[7]。

為了研究最適合做調(diào)和油基油的植物油脂，實(shí)驗(yàn)采集市售高銷量的 38種調(diào)和油產(chǎn)品，對價格、理化指標(biāo)、脂肪酸組分等27個因素變量進(jìn)行調(diào)研和檢測，并進(jìn)行主成分分析，從而達(dá)到簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，尋求最適合做調(diào)和油基油的原料油脂，以期為研發(fā)新型調(diào)和油提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

市售38種調(diào)和油：購自武漢各大超市及各大電商網(wǎng)站；酚酞、氫氧化鉀、碘化鉀、硫代硫酸鈉、淀粉、乙醇（95%）、鹽酸，均為分析純：天津科密歐化學(xué)試劑有限公司；冰乙酸、異辛烷，均為分析純：天津天力化學(xué)試劑有限公司；環(huán)己烷（分析純）：天津百世化工有效公司；正己烷、甲醇，均為色譜純：天津科密歐化學(xué)試劑有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

GC-2010氣相色譜儀：日本島津公司；WU-866漩渦混合器：太倉科教器材廠；TD5A低速離心機(jī)：湖南長沙湘儀有限公司；阿貝折光儀：英國Belingham+Stanley公司；WSL-2羅維朋比色計：上海昕瑞儀器儀表有限公司；720060移液槍：大龍興創(chuàng)實(shí)驗(yàn)儀器有限公司；回流冷凝裝置：南京鑾玉化玻儀器有限公司；AN0931電子分析天平：上海民僑精密科學(xué)儀器有限公司；HHS型電熱恒溫水浴鍋：上海博訊實(shí)業(yè)有限公司；GZX-9070MBE數(shù)顯鼓風(fēng)干燥箱：上海博訊實(shí)業(yè)有限公司；DK-98-Ⅱ電爐：北京金石萬達(dá)儀器儀表有限公司；SK3300HP超聲波清洗器：上?？茖?dǎo)超聲儀器有限公司。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 理化指標(biāo)檢測

水分含量：按國標(biāo) GB/T 5009.3—2003中的105 ℃恒重法進(jìn)行測定；酸值：按國標(biāo)GB/T 5530—2005中的冷溶劑法進(jìn)行測定；過氧化值：按國標(biāo)GB/T 5009.37—2003中的滴定法進(jìn)行測定；碘值：按國標(biāo) GB5532—1985進(jìn)行測定；皂化值：按國標(biāo) GB5534—1985進(jìn)行測定；折光指數(shù)：按國標(biāo)GB/T 5527—2010進(jìn)行測定。

1.3.2 脂肪酸組分檢測

（1）樣品甲酯化

稱取調(diào)和油樣品0.2 g于離心管中，加入正己烷4 mL，2 mol/L的KOH-甲醇溶液1 mL，漩渦混合器震蕩 1 min，放入離心機(jī)中，3 500 r/min離心3 min，取上清液放入進(jìn)樣瓶中，放入自動進(jìn)樣器待測。

（2）氣相色譜條件

進(jìn)樣口溫度260 ℃，分流進(jìn)樣；壓力控制，壓力 280.0 kPa；總流量 67.1 mL/min，柱流量1.08 mL/min；線速度 20.6 cm/sec，吹掃流量30 mL/min；分流比58.4。柱箱升溫程序：升溫至170 ℃，保持 3min，以 2 ℃/min速度升溫至230 ℃，保持 8 min。檢測器溫度 300 ℃。N2流量35.0 mL/min，空氣流量400.0 mL/min，尾吹氣流量30.0 mL/min?？偝绦蛴脮r41 min。

2 結(jié)果與分析

2.1 理化指標(biāo)和脂肪酸組成

對 38種調(diào)和油樣品進(jìn)行理化指標(biāo)檢測和氣相色譜分析，理化指標(biāo)測定結(jié)果見表 1。對脂肪酸組成色譜圖上的月桂酸（C12：0）、豆蔻酸（C14：0）、棕櫚酸（C16：0）、硬脂酸（C18：0）、油酸（C18：1）、亞油酸（C18：2）、亞麻酸（C18：3）、二十碳五烯酸（EPA）、二十二碳六烯酸（DHA）等18種脂肪酸甲酯進(jìn)行積分，利用峰面積歸一法確定各脂肪酸占總脂肪酸含量的百分比，結(jié)果的各脂肪酸含量見表 2，由表 2計算得到每種調(diào)和油產(chǎn)品中飽和脂肪酸、單不飽和脂肪酸、多不飽和脂肪酸的含量及其各自的比值見表 3。從表 1可以看出：38個調(diào)和油樣品主要添加的油品有大豆油、花生油、玉米油、芝麻油、菜籽油，部分添加橄欖油、油茶籽油、亞麻籽油、葵花籽油、DHA等；其過氧化值平均值為4.54 mmol/kg，最大值為7.36 mmol/kg，4號油品的過氧化值最小為2.23 mmol/kg；碘值平均值為118.64 g/100g，最大值為134.36 g/100g，38號油品的碘值最好，其值為 59.17 g/100g；皂化值平均值為 192.07(KOH) mg/g，最大值為204.77 mg KOH /g，最小值為163.13 mg KOH /g。

表1 調(diào)和油樣品組成和理化指標(biāo)測定結(jié)果

續(xù)表1

表2 調(diào)和油樣品脂肪酸組分

續(xù)表2

表3 調(diào)和油樣品價格、SFA、MUFA和PUFA含量及其比值

從表2可以看出：不同調(diào)和油油品的脂肪酸含量存在差異。油酸含量范圍在 23.43%～62.94%之間，28號油含量最高，考慮可能是添加了富含高油酸的茶籽油和橄欖油；亞油酸含量范圍在12.65%～61.57%之間，26號油含量最高；棕櫚酸含量范圍在 4.23%～37.20%之間，38號油含量最高；硬脂酸含量范圍在0～4.43%之間，18號油含量最高。

從表3可以看出：單不飽和脂肪酸含量最高的是 17號油品，為 68.59%；多不飽和脂肪酸含量最高的是 26號油品，為61.93%。單不飽和脂肪酸和多不飽和脂肪酸比值范圍為1.02～9.04，多不飽和脂肪酸和飽和脂肪酸比值范圍為 0.30～5.12。調(diào)和油油品價格除37號油品為280元/L，其他調(diào)和油油品價格均在 50元/L以下，考慮可能是37號油品添加了價格昂貴的紅松子油。

2.2 主成分分析

以豆蔻酸（C14：0）、棕櫚酸（C16：0）、硬脂酸（C18：0）、油酸（C18：1）等 18 種脂肪酸含量和調(diào)和油產(chǎn)品的理化指標(biāo)、脂肪酸組分、價格、配比等27個因素為變量，采用SPSS軟件對調(diào)和油樣品各因素變量進(jìn)行主成分分析法計算。在SPSS軟件對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行降維、因子分析后，得到方差貢獻(xiàn)表，選擇方差貢獻(xiàn)率大的前六個主成分進(jìn)行具體分析，得到整體樣本數(shù)據(jù)的大部分信息，結(jié)果見表4。前六個主成分的初始因子載荷矩陣數(shù)據(jù)表見表5。

表4 前六個主成分的特征值和方差貢獻(xiàn)率

表5 前六個主成分的初始因子載荷矩陣

從表4可以看出，前六個主成分的方差貢獻(xiàn)率已達(dá)85%以上，說明這六個主成分已包含每種調(diào)和油產(chǎn)品的大部分信息。

表5為前六個主成分的初始因子載荷矩陣數(shù)據(jù)，由表5可知，第1主成分中起決定作用的是碘值和皂化值；第2主成分中起決定作用的是油酸、MUFA、MUFA與SFA的比值；第3主成分中起決定作用的是EPA、DHA；第4主成分中起決定作用的是花生一烯酸、花生二烯酸；第5主成分中起決定作用的是山俞酸、二十四碳烷酸；第6主成分中起決定作用的是價格因素。

用公式t=a/λ計算出標(biāo)準(zhǔn)化特征向量，其中a為六大主成分的初始因子。根據(jù)運(yùn)算得到的特征向量與標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)據(jù)相乘，可以構(gòu)建六大主成分與各因素變量之間的線性關(guān)系，依據(jù)主成分所對應(yīng)的特征值占所提取主成分總的特征值之和的比例作為權(quán)重計算主成分綜合模型F：

F=-0.0438X1+0.06798X2+0.02018X3+0.08858X4-0.0914X5-0.0886X6-0.1096X7+0.1041X8-0.0801X9+0.0109X10-0.0108X11+0.1052X12+0.0779X13+0.1 502X14+0.1290X15+0.0965X16+0.0779X17+0.1265X18+0.1200X19+0.0703X20+0.0177X21+0.1453X22-0.1139X23+0.0362X24+0.0178X25+0.0733X26+0.1011X27

利用主成分綜合模型和六大主成分的模型計算出綜合主成分值和六大主成分值，并對其進(jìn)行排序，可得到38種調(diào)和油產(chǎn)品主成分分析綜合排名前十的產(chǎn)品，結(jié)合表2和表3分析可知，當(dāng)調(diào)和油產(chǎn)品中添加橄欖油、油茶籽油等油酸含量較高的組分，并強(qiáng)化添加DHA、EPA長鏈多不飽和脂肪酸成分時，調(diào)和油綜合得分有所提升，同時，產(chǎn)品最終的價格也會對整體得分排名有一定的影響。

油茶籽油是從油茶籽中提取的對人體健康有益的保健食用植物油，其脂肪酸組成與世界公認(rèn)的具有“液體黃金”美譽(yù)的橄欖油極其相似，所以油茶籽油具有“東方橄欖油”的美稱[9]，被國際糧農(nóng)組織大力推薦為健康食用油。油茶籽油營養(yǎng)價值較高，含有豐富的功能性營養(yǎng)成分，如油酸、亞油酸、亞麻酸、植物甾醇、維生素 D、維生素K、維生素E、類胡蘿卜素、茶多酚、山茶甙、角鯊烯等，具有保濕、防輻射、抗衰老、護(hù)發(fā)等功效，其活性功效可與橄欖油相媲美，甚至優(yōu)于橄欖油[10]。長期食用能夠降低膽固醇、延緩動脈粥樣硬化、防止神經(jīng)功能下降、提高人體免疫力、預(yù)防和治療高血壓、心血管疾病。

3 結(jié)論

對38種調(diào)和油產(chǎn)品的27個因素進(jìn)行主成分分析，通過方差分解主成分，提取前六個主成分作為分析對象，結(jié)果表明：調(diào)和油產(chǎn)品中脂肪組成中不飽和脂肪酸含量較高，存在橄欖油、油茶籽油原料油強(qiáng)化添加和長鏈多不飽和脂肪酸強(qiáng)化添加的情況，市售調(diào)和油中存在添加轉(zhuǎn)基因菜籽油的情況。

從結(jié)合六大主成分分析結(jié)果和最終主成分綜合排名情況分析可知：在調(diào)和油配方設(shè)計中，可將油茶籽油作為優(yōu)選原料油進(jìn)行添加；并考慮到膳食脂肪酸均衡的需求，可以強(qiáng)化添加DHA、EPA長鏈多不飽和脂肪酸成分；在轉(zhuǎn)基因食品安全性未知的情況下，為減少爭議性，可選擇非轉(zhuǎn)基因菜籽油；綜合考慮調(diào)和油產(chǎn)品的整體情況時，需要對價格因素進(jìn)行相應(yīng)的控制。