基于主成分分析與聚類分析的百合品質評價

張曉莉，王彥蕊，王國慶，雷娜娜，朱家華，顏任翔（.甘肅省產品質量監(jiān)督檢驗研究院，甘肅 蘭州 730050；.蘭州理工大學，甘肅 蘭州 730050）

百合是百合科百合屬多年生草本植物，其鱗莖肉質肥厚、多片、色澤潔白、味甜清香、略有苦味，不僅是高蛋白、高碳水化合物和低脂肪的保健品，而且具有良好的藥用價值[1]。百合是我國衛(wèi)生計生委審批通過的首批藥食同源植物，富含蛋白質、淀粉、粗纖維、多糖、氨基酸、黃酮及微量元素等多種營養(yǎng)活性成分，具有抗炎[2-3]、抗氧化[4]、抗疲勞、降血糖[5]等藥理作用。

目前，全世界百合有90 多個品種，我國約有46 個種和18 個變種[6]，傳統、規(guī)?；耘嗟氖秤冒俸蟽H有川百合、蘭州百合、卷丹和龍牙百合2 個種和2 個變種。百合喜冷涼氣候，在我國西南（四川、重慶、云南）、東北（山東、遼寧、吉林）、西北（甘肅、西藏、陜西）、中部（湖南、江西）、東部（江蘇） 等地均有分布[7]。傳統百合的生產繁殖主要依靠無性繁殖方法留種，由于連作障礙和病蟲害積累，導致百合種球自然退化嚴重，產量下降[8]。

目前，對百合的研究主要集中在單一品種百合化學成分、種植栽培、病蟲害防治、細胞學、分子學、雜交育種和加工技術等方面[9-10]，然而百合品種多及且產地分布廣，但是對不同產地、不同品種百合營養(yǎng)成分的差異和品質評價研究較少?；诖?，以6 個百合主要產地的4 個品種百合鱗莖為研究對象，分析比較百合中9 種礦質元素（K、Na、Ca、Mg、Fe、Zn、Mn、Cu 和Se） 和4 種營養(yǎng)成分（蛋白質、粗纖維、多糖和黃酮） 的相關性，通過主成分分析和聚類分析，建立百合綜合品質評價體系，以期為百合品種選育、品質評價、產品研發(fā)和標準制定提供參考依據。

1 材料與方法

1.1 材料

選取產自甘肅蘭州的蘭州百合（簡稱S1）、四川江油的川百合（簡稱S2）、湖北恩施的卷丹百合（簡稱S3）、云南曲靖的卷丹百合（簡稱S4）、江蘇宜興的卷丹百合（簡稱S5） 和江西宜春的龍牙百合（簡稱S6） 的新鮮百合去根剝片清洗后，于50 ℃下烘干至恒質量，粉碎過60 目篩，密封冷藏備用。

1.2 試劑與儀器

1.2.1 試劑

各單元素標準溶液（標準值為1 000 μg/mL），壇墨質檢標準物質中心提供；硝酸（優(yōu)級純），美國默克公司提供；硫酸、氫氧化鉀、蘆丁、亞硝酸鈉、氫氧化鋁、氫氧化鈉、無水乙醇、苯酚和石油醚等，均為國產分析純。

1.2.2 儀器

1.3 百合營養(yǎng)成分及礦質元素測定

蛋白質含量：采用GB 5009.5—2016《食品安全國家標準 食品中蛋白質的測定》凱氏定氮法測定；粗纖維含量：采用GB/T 5009.10—2003《植物類食品中粗纖維的測定》測定；礦物元素含量：采用GB 5009.268—2016《食品安全國家標準 食品中多元素的測定》測定；多糖和黃酮含量的測定分別參照文獻[11-14]中方法，并加以改進。

1.4 數據統計與分析

試驗均平行測定3 次，應用SPSS 28.0.1.1(15)軟件對試驗數據進行相關性分析和主成分分析，依據因子的特征值大于1.00 且累計方差貢獻率大于80%的原則，確定主成分因子個數。根據所得信息對不同產地百合進行綜合評價，以每個主成分所對應特征值的方差貢獻率βi（i=1，2，3，…，k） 為權數，由各主成分得分Fi 與對應的權重相乘得綜合評價模型：F=β1F1+β2F2+…+βkFk[15-16]。采用R 包：Heatmap v1.0 版本對6 個不同產地百合的礦質元素及營養(yǎng)成分進行聚類分析。

2 結果與分析

2.1 百合營養(yǎng)成分分析

蛋白質、多糖、粗纖維和黃酮含量是衡量百合品質及藥用價值的重要指標。粗纖維是一種不能被人體消化的碳水化合物，不僅可以調節(jié)人體腸道健康，而且還能有效防止心血管疾病、糖尿病和結腸癌等[17]。黃酮和多糖是百合中重要的活性物質與百合的藥理作用有密切關系，具有抗氧化、抗腫瘤、調節(jié)免疫力等功效。

百合營養(yǎng)成分含量見表1。

表1 百合營養(yǎng)成分含量/%

由表1 可知，對不同品種、不同產地百合中蛋白質、多糖、黃酮和粗纖維檢測數據進行分析，結果表明不同產地、不同品種的百合各項指標值存在顯著性差異（p<0.05）。百合蛋白質含量在8.51%~16.80%，其中四川江油百合中蛋白質含量最高（16.80%） 是薺菜（2.9%）、蓮藕（2.6%） 蛋白質含量的5 倍以上，具有較高的營養(yǎng)價值[18]；多糖含量變化范圍為8.86%~21.45%，其中蘭州百合多糖含量最高（21.45%），江西宜春（龍牙百合） 多糖含量最低（8.51%）；粗纖維含量變化范圍為1.97%~4.29%，其中湖北恩施（卷丹百合） 含量最高（4.29%），其次是云南曲靖（卷丹百合）、江蘇宜興（卷丹百合）、江西宜春（龍牙百合）、甘肅蘭州（蘭州百合） 和四川江油（川百合）。研究表明，蘭州百合具有多糖含量高、粗纖維含量較低的優(yōu)點，與其他品種百合相比口感更好。黃酮含量變化范圍為0.45%~0.77%，其中作為藥用植物的江蘇宜興的卷丹百合黃酮含量較高（0.77%）。研究表明，百合中營養(yǎng)物質含量隨品種而異，同一品種不同產地百合營養(yǎng)物質含量亦不同。

2.2 礦質元素含量分析

現代研究表明，植物的食用性與安全性不僅與其活性成分有關，而且與無機元素的種類和含量也有密切的聯系[19]。百合中礦質元素分為大量元素和微量元素。從含量來看，大量元素包含K、Na、Ca、Mg，微量元素有Fe、Zn、Mn、Cu、Se?？傮w和單一礦質元素含量在不同百合之間差異較大。

百合礦質元素含量見表2。

5.1.2 The patterns of pasture utilization - rotational grazing

表2 百合礦質元素含量 / mg·kg-1

由表2 可知，百合中大量元素含量順序為K>Mg>Ca>Na，K 是所有植物中儲存最豐富的礦物質之一，K 不僅可以維持人體細胞滲透壓平衡，還可以有效預防中風，維持心肌功能[20-21]。百合中K 平均含量為59 123.12 mg/kg，其中湖北恩施（卷丹百合）中K 含量最高；四川江油（川百合） 中Mg 和Ca 含量較高；百合中含量最低大量元素是Na 均值為88.78 mg/kg。微量元素含量順序為Zn>Fe>Mn>Cu>Se，其中湖北恩施（卷丹百合） 中Zn、Fe、Mn、Cu 和Se 含量最高，分別為117，101，90，23，0.89 mg/kg。研究表明，不同產地、不同品種百合中礦質元素含量不同。百合具有富鉀富鋅低鈉的特點，食用百合有利于降低血壓，減少心血管疾病和促進糖類代謝。

2.3 各成分含量的相關性分析

各指標之間的相關性見表3。

表3 各指標之間的相關性

對不同產地百合中9 種礦質元素和4 種營養(yǎng)成分進行相關性分析，共有91 個相關系數，存在顯著相關性（p<0.05） 的有6 個，存在極顯著相關性（p<0.01） 的有2 個，其中Ca 分別與Mg、Cu，Zn 與Mg、Fe，Fe 與Mn，Zn 與Mn 呈顯著相關，Cu 與Mg、Zn 呈極顯著正相關。因此，可用主成分分析和聚類分析的方法對不同品種百合的品質指標，通過降維簡化數據結構，提高百合綜合品質評價的準確性。

2.4 不同百合品質主成分分析

百合品質指標存在不同程度差異，且各指標間存在不同程度相關性，僅通過單一指標大小來評價百合品質好與差，并不客觀。主成分分析法是把多個指標轉化為少數幾個不相關綜合指標的一種多元統計分析方法，是評價農產品品質的有效手段[22]。

相關系數特征值和方差百分比見表4。

表4 相關系數特征值和方差百分比

由表4 可知，每個主成分反映了一定的原始變量信息，特征值代表主成分反映原始變量信息的數量。經PCA 提取的主成分中，選取特征值大于1，累計貢獻率達到91.499%的前3 個主成分，即3 個主成分代表了樣品91.499%的信息含量，能反映百合品質的主要信息。

旋轉后的因子載荷矩陣見表5。

表5 旋轉后的因子載荷矩陣

由表5 可知，數值反映原始變量對因子影響的大小，正負表示影響的方向[16]。變量K、Mg、Fe、Zn、Mn、Cu 對第一主成分有較高的載荷值，說明其與PC1 相關性較強；PC2 中Na、Se、黃酮、多糖載荷系數較高，貢獻大；Na、Ca、Mg 與PC3 相關性較強。因此，選取K、Mg、Ca、Fe、Zn、Mn、Cu、Na、Se、黃酮和多糖為百合的特征成分。

將主成分提取個數設為3，依據13 種營養(yǎng)品質成分含量，在三維空間展示6 個產區(qū)百合分布。

百合品質聚類分析圖見圖1。

圖1 百合品質聚類分析圖

由圖1 可知，6 個產區(qū)百合分布相對分散。PCA分析表明，在以第一和第二主成分形成的三維圖中，湖北恩施（卷丹百合） 和云南曲靖（卷丹百合） 主成分含量較為接近。蘭州百合（蘭州百合）、四川江油（川百合） 和江蘇宜興（卷丹百合） 分布較為分散，江西宜春龍牙百合的分布相對獨立。

2.5 不同百合品質的綜合評價

由于PCA 中前3 個組分反映了百合樣品中9 種礦質元素和4 種營養(yǎng)成分的91.499%的信息含量，因此利用前3 個組分進行百合品質的綜合評價是可行的。以9 種礦質元素和4 種品質成分為初始自變量，經主成分分析計算因子得分，根據因子得分系數矩陣，每個主成分的特征值與所提取主成分總的特征值之和的比例，得出主成分綜合得分，分值越高表明百合品質越好。

百合品質成分主成分得分和綜合得分見表6。

表6 百合品質成分主成分得分和綜合得分

由表6 可知，百合綜合得分排名依次為湖北恩施（卷丹百合）、四川江油（川百合）、甘肅蘭州（蘭州百合）、江蘇宜興（卷丹百合）、云南曲靖（卷丹百合）、江西宜春（龍牙百合）。研究表明，蘭州百合作為我國西部地區(qū)大面積種植的食用百合，其色白味甘、低纖維，具有豐富的營養(yǎng)價值，不僅可以食用，也可用于藥療和觀賞，是我國食用百合的最佳品種。這與劉湘丹等人[23]對不同來源的百合藥材質量評價和Li Y 等人[24]利用拉曼光譜法對蘭州百合質量評價等文獻的研究結果一致。

2.6 不同百合品質聚類分析

百合聚類分析圖見圖2。

圖2 百合聚類分析圖

采用R 包：Heatmap v1.0 版本對6 個不同產地百合的品質指標進行聚類分析（圖2）。縱向為品質指標間聚類，橫向為（品） 種間聚類，圖中顏色深淺代表品質指標含量的高低，從深色到淺色，顏色越深，含量越高。聚類分析將6 個不同產地百合分為3 類，第Ⅰ類為湖北恩施（卷丹百合） 和云南曲靖（卷丹百合），粗纖維、黃酮、K、Zn 含量較高，Na 含量較低；第Ⅱ類為甘肅蘭州（蘭州百合）、四川江油（川百合）、江蘇宜興（卷丹百合），多糖、Na 含量較高，Zn 含量較低；第Ⅲ類為江西宜春（龍牙百合），其礦質元素（K、Na、Ca、Mg、Zn、Mn、Cu、Se） 與蛋白質、多糖、黃酮含量均最低。聚類分析結果與主成分分析結果基本一致，因此利用試驗建立的綜合品質評價模型對百合品質進行評價是可行且可信的。

3 結論

對不同產地、不同品種百合樣品的9 種礦質元素（K、Na、Ca、Mg、Fe、Zn、Mn、Cu、Se） 與4種營養(yǎng)成分（蛋白質、粗纖維、多糖、黃酮） 進行測定，并對其結果進行主成分分析和聚類分析。研究表明，不同產地、不同品種百合的品質存在差異，各組營養(yǎng)成分之間相關性顯著。

主成分分析提取3 個主成分，累計方差貢獻率為91.499 %，可較好反映出百合品質的綜合信息，綜合分析得出K、Mg、Fe、Zn、Mn、Cu、Na、Se 和黃酮為百合的特征成分。通過主成分分析對不同產地百合品質進行綜合評價，綜合得分排名依次為：湖北恩施（卷丹百合）、四川江油（川百合）、甘肅蘭州（蘭州百合）、江蘇宜興（卷丹百合）、云南曲靖（卷丹百合）、江西宜春（龍牙百合）。聚類分析將6 個不同產地百合分為3 類，第Ⅰ類為湖北恩施（卷丹百合） 和云南曲靖（卷丹百合），粗纖維、黃酮、K、Zn 含量較高，Na 含量較低；第Ⅱ類為甘肅蘭州（蘭州百合）、四川江油（川百合） 和江蘇宜興（卷丹百合），多糖、Na 含量較高，Zn 含量較低；第Ⅲ類為江西宜春（龍牙百合），8 種礦質元素（K、Na、Ca、Mg、Zn、Mn、Cu、Se） 與3 種品質成分（蛋白質、多糖、黃酮） 含量均最低。聚類分析結果在一定程度上反映百合品質存在明顯的地域性特征，這種地域性分布特征可能與百合產地的土壤、氣候、海拔等因素有關。通過主成分分析和聚類分析對不同產地、不同品種百合進行品質分析與評價，為百合品種選育、產品研發(fā)、品質評價和標準制修定提供了相關的理論依據。