基于主成分和聚類分析評價山東地區(qū)生姜品質(zhì)

譚金霞，李萌，韓太利，孫繼峰，宋銀行，周陸紅

（濰坊市農(nóng)業(yè)科學院，山東 濰坊 261071）

生姜又名地辛、百辣云，具有發(fā)汗解表、化痰止咳等功效，其用途十分廣泛，既是日常生活中一種經(jīng)常食用的香辛調(diào)味料，也是集食用兼藥用于一體的一種藥食同源作物[1]。我國自古以來也有“生姜治百病”的說法，生姜深受老百姓的喜愛。生姜因其獨特的風味和特殊的利用價值，需求量正隨著人們生活水平的提高和深加工產(chǎn)品的多樣化而逐年增加，現(xiàn)已發(fā)展成一種重要的經(jīng)濟作物，在我國多地廣泛種植。據(jù)統(tǒng)計，2018年我國的生姜種植面積已達29.3萬公頃，其中山東省的種植面積是7.19萬公頃，總產(chǎn)量達482.2萬噸，分別占全國的30.90%和51.41%，是全國最主要的生姜產(chǎn)地之一[2]。

生姜的功能性成分和營養(yǎng)物質(zhì)豐富，其中姜辣素是其辛辣味道的主要呈味物質(zhì)，姜黃素則是一種重要的天然色素，另外還含有蛋白質(zhì)、可溶性糖以及纖維素等[3-5]。諸多研究表明，生姜中的有效成分具有抗氧化、抑菌、止嘔止吐、護肝、抗炎、抗腫瘤等多種功效，具有較高的藥用價值[6-11]。目前生姜的相關(guān)研究也主要集中在藥理作用和成分提取等方面，而品質(zhì)評價和加工特性方面的研究比較少。

生姜的地方品種繁多，其營養(yǎng)成分和加工特性也有所不同。為了研究山東地區(qū)生姜品種間的差異，本課題組對12個生姜品種進行了粗蛋白、粗纖維、干物質(zhì)、可溶性糖、6-姜酚、8-姜酚、10-姜酚、6-姜烯酚和姜黃素等9種成分的含量測定，并通過主成分分析和聚類分析進行品種間的品質(zhì)評價，以期為生姜品質(zhì)評價和深加工產(chǎn)品的品種選擇提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

供試生姜品種共計12份，分別包括昌邑娃娃姜、昌邑生姜、昌邑黃姜、昌邑緬姜、昌邑小姜、安丘大姜、安丘黃姜、安丘小姜、萊蕪?fù)尥藿⑷R蕪緬姜、萊蕪小姜和沂水小姜。

6-姜酚標品、8-姜酚標品、6-姜烯酚標品、10-姜酚標品、姜黃素標品：上海安譜實驗科技股份有限公司；其余試劑均為分析純：普天試劑公司。

UV-5100型紫外分光光度計：上海光譜儀器有限公司；12C00型高效液相色譜儀：美國Agilent公司；ATN-100型凱氏定氮儀：上海洪紀儀器設(shè)備有限公司；DHG-9240A型電熱恒溫鼓風干燥箱：上海精宏試驗設(shè)備有限公司；PX822ZH型電子分析天平：上海奧豪斯儀器有限公司。

1.2 試驗設(shè)計與方法

1.2.1 試驗設(shè)計

供試12份生姜品于2019年10月中上旬在濰坊市農(nóng)業(yè)科學院試驗站進行采收，采后當天立即運回實驗室。之后挑選形狀整齊，大小均勻，無機械損傷的姜塊，進行混合取樣。取樣后一部分用液氮進行速凍并置于-20℃冰箱進行貯存，另一部分殺青（105℃，15 min）、烘干（65℃）、研磨、過篩（40目）后置于密封袋中貯存。樣品用于后續(xù)粗蛋白、粗纖維、干物質(zhì)、可溶性糖、6-姜酚、8-姜酚、10-姜酚、6-姜烯酚、姜黃素等含量的測定。

1.2.2 試驗方法

粗蛋白含量采用凱氏定氮法，粗纖維含量采用過濾法測定[12]；干物質(zhì)含量采用烘干法，可溶性含量采用蒽酮比色法測定[13]。

姜辣素（6-姜酚、8-姜酚、6-姜烯酚、10-姜酚）含量測定方法參考文獻[14]，采用高效液相色譜法，原材料采用干樣并過40目篩。色譜條件：Kromasil-C18柱（4.6 mm×250 mm，5 μm）；流動相為乙腈-0.1%的醋酸溶液，流速1.0 mL/min；檢測波長為275 nm；柱溫為30 ℃；進樣體積為 10 μL。

姜黃素含量測定方法參考文獻[15]，采用高效液相色譜法，原材料采用干樣并過40目篩。色譜條件：Ultimate XB-C18 柱（100 mm×4.6 mm，3 μm）；流動相為乙腈-4%冰乙酸溶液，流速0.8 mL/min；檢測波長為430 nm；柱溫為35℃；進樣體積為5 μL。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Excel軟件進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計與整理，采用IBM SPSS 22軟件進行差異顯著性、相關(guān)性、主成分和聚類分析，綜合評價各品種生姜品質(zhì)。

2 結(jié)果與分析

2.1 生姜的各成分含量

生姜主要品質(zhì)指標統(tǒng)計分析見表1。

表1 生姜主要品質(zhì)指標統(tǒng)計分析Table 1 Date analysis of main quality indicators of gingers

從表1中可以看出，不同品種生姜的各成分含量均有差異。以6-姜烯酚、10-姜酚、8-姜酚、6-姜酚的變異系數(shù)較大，這4種成分均是姜辣味的呈味物質(zhì)，說明山東地區(qū)這12個品種的辣味差別較為明顯，品種間變異程度較大。4種姜辣素中，6-姜酚的含量最高，在6.92 mg/g～14.59 mg/g之間，平均值是8.82 mg/g。其次是6-姜烯酚、10-姜酚和8-姜酚，含量分別是0.69mg/g～3.15 mg/g，0.67 mg/g～1.65 mg/g 和 0.68 mg/g～1.55 mg/g?？扇苄蕴堑淖儺愊禂?shù)是20.89%，說明品種間含量差異也較大，在4.57 mg/g～9.82 mg/g之間。以粗蛋白、粗纖維和姜黃素這3種成分的變異系數(shù)小，數(shù)據(jù)離散程度小，說明這3種成分在山東地區(qū)12個品種間的含量差異較小。

不同生姜品種的營養(yǎng)物質(zhì)含量分析見表2。

表2 不同生姜品種的營養(yǎng)物質(zhì)含量分析Table 2 Analysis of nutrient content of different ginger varieties

由表2可知，粗蛋白含量較高的是安丘大姜、沂水小姜、昌邑生姜、萊蕪?fù)尥藿?、昌邑娃娃姜和安丘黃姜，且品種間不存在顯著性差異。粗纖維含量較高的有昌邑生姜、安丘大姜、萊蕪小姜、沂水小姜、昌邑娃娃姜和萊蕪緬姜，5個品種間不存在顯著性差異，昌邑黃姜的粗纖維含量顯著低于其它品種。昌邑生姜和萊蕪?fù)尥藿慕S素含量顯著高于其它品種。昌邑黃姜的干物質(zhì)含量顯著高于其它品種，昌邑生姜的6-姜酚和8-姜酚含量顯著高于其它品種。6-姜烯酚含量最高的是沂水小姜，10-姜酚含量最高的是萊蕪?fù)尥藿?，均顯著高于其它品種。萊蕪緬姜的可溶性糖含量最高，顯著高于其它品種，其次是沂水小姜。各成分含量在12個生姜品種間均存在不同程度的差異，說明品種間綜合品質(zhì)較難比較，因此需要對其進行綜合評價。

本研究對12個生姜品種的9種成分含量進行測定，粗蛋白、粗纖維、干物質(zhì)及可溶性糖含量范圍與高德民等[16]的研究結(jié)果一致（粗蛋白6.25%～10.8%，粗纖維3.95%～6.17%，可溶性糖6.97%～22.5%），具體含量可能因品種而有所不同。田紅梅等[17]也對生姜地方資源品質(zhì)進行了比較研究，發(fā)現(xiàn)由于氣候、土壤等條件不一致使得生姜品質(zhì)不同。本試驗將收集到的生姜品種統(tǒng)一種植在農(nóng)科院試驗站，排除光照、土壤和氣候等條件的干擾，品質(zhì)差異主要來源于品種不同，也可為之后本地區(qū)生姜品種的選育提供依據(jù)。有研究表明[2]，6-姜酚是姜辣素中主要組成成分，占姜辣素含量的75%，姜烯酚中含量最高的是6-姜烯酚。且本研究中安丘大姜的姜辣素含量相較于小姜品種是較低的，這與之前研究中小姜品種辛辣味較濃的結(jié)論一致[2]。

2.2 生姜品種各成分間的相關(guān)性分析

生姜品種各指標的相關(guān)性分析見表3。由表3可知，粗蛋白與粗纖維、姜黃素極顯著正相關(guān)，與干物質(zhì)極顯著負相關(guān)，與6-姜烯酚顯著正相關(guān)。粗纖維與干物質(zhì)和姜黃素分別極顯著負相關(guān)和極顯著正相關(guān)，與6-姜烯酚顯著正相關(guān)。干物質(zhì)與姜黃素顯著負相關(guān)，與6-姜烯酚極顯著負相關(guān)。姜黃素與10-姜酚極顯著正相關(guān)。6-姜酚與8-姜酚、6-姜烯酚分別極顯著正相關(guān)和顯著負相關(guān)。8-姜酚與10-姜酚極顯著正相關(guān)，與6-姜烯酚顯著負相關(guān)。相關(guān)性分析結(jié)果顯示，各指標間存在不同程度的相關(guān)性，且生姜營養(yǎng)成分豐富，因此僅以某一種指標來評價生姜品質(zhì)是不合理的，可能會導(dǎo)致結(jié)果出現(xiàn)偏差。

表3 生姜各指標間的相關(guān)性分析Table 3 Correlation analysis of main indicators of different ginger varieties

2.3 生姜品種綜合性狀的主成分分析及綜合評價

主成分分析法是一種降維的統(tǒng)計分析方法，可以將多種指標轉(zhuǎn)化為少數(shù)不相關(guān)的幾種指標。農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)評價的相關(guān)研究大多采用主成分分析法[18-20]。為了提高評價結(jié)果的可靠性，采用主成分分析法將眾多具有一定相關(guān)性的指標重新組合成一組新的互相無關(guān)聯(lián)的綜合指標，再用新的綜合指標對12個生姜品種的品質(zhì)進行綜合評價。對12種生姜品種的9種成分含量進行Bartlett's球狀檢驗，結(jié)果表明顯著性值為0.001（P<0.05），說明本研究可以采用主成分分析法[21]。生姜主成分的特征值、累積貢獻率和成分載荷矩陣分析見表4。

表4 主成分的特征值、累積貢獻率和成分載荷矩陣Table 4 Eigenvalues，contributions and components matrix of principal components

生姜主成分分析碎石圖見圖1。

圖1 主成分分析碎石圖Fig.1 Screen plot of principal component analysis

從表4和圖1中可以看出，特征值大于1.00的前3個主成分累積貢獻率達88.32%，說明前3個主成分已能將所測定生姜品種主要品質(zhì)性狀88.32%的信息反映出來，可選取前3個主成分作為評價12個生姜品種在山東地區(qū)表現(xiàn)的綜合指標[22]。第1主成分的特征值為4.04，貢獻率最高，為44.87%，主要代表粗蛋白、粗纖維、干物質(zhì)及姜黃素，因此該因子可認為是內(nèi)在品質(zhì)因子。且粗蛋白、粗纖維和姜黃素呈現(xiàn)正向分布，干物質(zhì)則呈現(xiàn)負向分布。第2主成分貢獻率為28.94%，包含了原始信息量的28.94%，其中6-姜酚和8-姜酚的載荷系數(shù)較大，且均呈現(xiàn)正向分布，可認為是姜辣素因子。第3主成分的貢獻率為14.51%，其中可溶性糖的載荷系數(shù)較大，呈正向分布，可認為是甜味因子。

根據(jù)各主成分特征值和方差貢獻率的不同，構(gòu)建生姜品質(zhì)綜合評價指數(shù)見表5。

表5 因子得分及果實品質(zhì)綜合得分Table 5 Principal component scores and corresponding comprehensive quality scores

如表5所示，以山東地區(qū)12個生姜品種綜合品質(zhì)指標來說，昌邑生姜、萊蕪?fù)尥藿桶睬鸫蠼牡梅州^高，說明本研究中這3種的綜合品質(zhì)較好。昌邑黃姜和昌邑緬姜的得分較低，說明其綜合品質(zhì)較差，其它樣品品質(zhì)居中。

2.4 聚類分析

生姜品質(zhì)指標的原始數(shù)據(jù)較為離散，不易對生姜各類品質(zhì)指標進行直觀評價。因此將品質(zhì)指標數(shù)據(jù)進行標準化處理后，采用離差平方和法（Ward法）分別對三大主成分因子進行聚類分析，結(jié)果見圖2。

圖2 基于各主成分因子的聚類分析圖Fig.2 Quality cluster charter of the principal components

圖2（a）顯示，在歐氏距離為10時，可將12個生姜品種分為3類。其中昌邑娃娃姜、沂水小姜、安丘黃姜、昌邑生姜、安丘大姜、萊蕪?fù)尥藿膬?nèi)在品質(zhì)因子得分較高，表明其粗蛋白、粗纖維和姜黃素含量較高，干物質(zhì)含量較低。昌邑黃姜的內(nèi)在品質(zhì)因子得分最低，其余品種居中。粗蛋白含量高的品種多適用于加工生姜蛋白制品，其提取物可用作乳化劑和添加劑。干物質(zhì)含量高和粗纖維較少的品種則加工為腌漬和醬制產(chǎn)品比較合適[16，23]。姜黃素是一種純天然著色劑，無毒無害，且具有一定的抑菌和抗氧化作用[24]。姜黃素含量高的品種更適于提取特征活性成分，作為添加劑或生產(chǎn)功能性產(chǎn)品[25]。

圖2（b）顯示，在歐氏距離為10時，可將12個生姜品種分為3類。昌邑生姜的姜辣素因子得分最高，說明其6-姜酚和8-姜酚含量最高，為較高姜辣素含量品種。安丘小姜、萊蕪小姜、昌邑娃娃姜、沂水小姜、安丘黃姜、昌邑緬姜的姜辣素因子得分較低，說明6-姜酚和8-姜酚含量較低，其余品種居中。姜辣素可以作為天然抗氧化劑或添加劑加入到產(chǎn)品生產(chǎn)過程中，提高產(chǎn)品的營養(yǎng)品質(zhì)，延長保質(zhì)期[26]。姜辣素含量高的生姜品種還可直接作為原料，生產(chǎn)具有獨特辛辣味和功能性產(chǎn)品等[27]。

圖2（c）顯示，在歐氏距離為15時，可將12個生姜品種分為3類。其中昌邑黃姜、沂水小姜和萊蕪緬姜的可溶性糖含量較高，昌邑生姜和昌邑緬姜的可溶性糖含量最低，其余品種可溶性糖含量居中?？扇苄蕴呛扛叩钠贩N適用于加工成糖姜和姜脯等產(chǎn)品[23]。

綜上，昌邑生姜的干物質(zhì)和可溶性糖含量較低，粗蛋白、粗纖維以及姜黃素含量較高，昌邑黃姜則剛好相反，同時昌邑黃姜和昌邑生姜的姜辣素含量（6-姜酚和8-姜酚）都較高。因此昌邑生姜可能更適用于提取特征活性成分和用于鮮食、調(diào)味等用途，昌邑黃姜則適于加工糖姜、姜片以及腌漬姜等產(chǎn)品；而昌邑緬姜的姜辣素和姜黃素含量較低，則不適合提取特征活性成分，其干物質(zhì)含量較高且粗纖維少，適合加工腌漬和醬制姜產(chǎn)品；萊蕪緬姜和沂水小姜的可溶性糖含量較高，而其它因子含量并不很高，因此更適合加工糖姜和姜脯等產(chǎn)品；萊蕪?fù)尥藿桶睬瘘S姜的粗蛋白含量較高，適用于加工生姜蛋白類制品；另外萊蕪?fù)尥藿慕S素含量較高，適用于提取特征性活性成分；安丘大姜的粗纖維和粗蛋白含量相對較高，可以加工成姜粉等產(chǎn)品。

3 結(jié)論

本研究對山東地區(qū)12個生姜品種的9種成分含量進行測定，結(jié)果表明各成分間略有差異。采用主成分分析和聚類分析法對其進行品種間品質(zhì)的綜合評價，最終選定粗蛋白、粗纖維、干物質(zhì)和姜黃素作為第1主成分因子，6-姜酚和8-姜酚作為第2主成分因子，可溶性糖作為第3主成分因子，綜合以上品質(zhì)指標來衡量12個生姜品種品質(zhì)優(yōu)劣。其中昌邑生姜、萊蕪?fù)尥藿桶睬鸫蠼C合品質(zhì)較好，昌邑黃姜和昌邑緬姜的綜合品質(zhì)較差，其它樣品綜合品質(zhì)居中。進一步對三大主成分因子分別進行品種的聚類分析，可按照不同的食用方法和加工用途選擇所需要的品種。目前生姜多用于鮮食，出口貿(mào)易也主要是保鮮生姜，其產(chǎn)品附加值并不高。因此本研究可以為之后本地區(qū)不同生姜產(chǎn)品的品種選用提供理論依據(jù)，提高生姜利用率和產(chǎn)品附加值，并為生姜品質(zhì)評價及綜合利用奠定基礎(chǔ)。