基于主成分和聚類分析的不同品種淮山淀粉品質(zhì)評價

李 燕, 賀 燕, 鄒金浩, 王 鋒, 蘇小軍, 李清明

(湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)技術(shù)學(xué)院1,長沙 410128)

(湖南科技學(xué)院化學(xué)與生物工程學(xué)院2,永州 425199)

(湖南省產(chǎn)商品質(zhì)量檢驗研究院3,長沙 410007)

淮山(DioscoreaoppositaThunb)為薯蕷科薯蕷屬植物薯蕷的塊莖,是除馬鈴薯、木薯、紅薯外的第四大薯類作物[1,2],其用途廣泛,不僅是我國藥食同源的作物,更是許多熱帶和亞熱帶國家重要的主糧作物[3,4]。淀粉是淮山中主要營養(yǎng)成分,干基質(zhì)量分數(shù)60%～85%[5]。近年來,許多研究者就不同品種淮山淀粉的理化性質(zhì)以及加工利用潛力做了很多研究,發(fā)現(xiàn)糊化特性[6,7]、質(zhì)構(gòu)特性[8]、直鏈淀粉含量[7,9],粒徑[3,10]等都是影響淮山淀粉加工品質(zhì)的重要因素,且品種對淮山淀粉的理化性質(zhì)有很大的影響,這也意味著不同品種淮山淀粉適宜加工的產(chǎn)品不同。在總結(jié)影響淮山淀粉加工品質(zhì)的因素中,通過某一個指標或某幾個指標得出來結(jié)果往往不夠客觀,而在多指標評價中由于指標間存在的相關(guān)性,需要統(tǒng)計的信息量大且復(fù)雜,難以得出一般規(guī)律[11]。

淀粉的品質(zhì)是由多個指標共同決定的,為從多個影響指標中解析出主要影響淀粉品質(zhì)的因素,得出更為全面,科學(xué)的評價結(jié)果,可以采用主成分分析(PCA)結(jié)合聚類分析的分析方法對淀粉品質(zhì)進行綜合評價[12-15]。如張桂英等[15]對17個品種的小米淀粉進行了綜合評價,運用主成分分析從8個影響小米淀粉品質(zhì)的指標中提取出了2個主成分并通過聚類分析將小米品種分為了3類。Patindol等[16]根據(jù)大米淀粉的糊化性質(zhì),運用聚類分析方法將20份大米淀粉分為了3類。目前對淮山淀粉的研究,大多僅針對不同淀粉品種間的差異進行比較分析[17],而運用主成分分析及聚類分析對不同品種淮山淀粉品質(zhì)能更全面系統(tǒng)地評價淮山品質(zhì)。因此,本研究測定了9個品種淮山淀粉的直鏈淀粉含量、粒徑、凍融穩(wěn)定性、糊化特性以及質(zhì)構(gòu)特性等品質(zhì)指標,并運用主成分分析及聚類分析建立一種對淮山淀粉品質(zhì)綜合評價的方法,探討淮山淀粉加工適宜性并對其進行分類,為淮山淀粉的深加工提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

5種日本薯蕷(DioscoreajaponicaThunb)分別為桂淮11號(GY11)、桂淮2號(GY2)、利川淮山(LCY)、雙峰淮山(SFY)、安順淮山(ASY);4種參薯(DioscoreaalataL)分別為桂淮5號(GY5)、廣西紫淮山(GXPY)、馬鋪淮山(MPY)、紫腳板薯(SYPY);馬鈴薯直鏈淀粉標準品;碘液、碘化鉀等均為分析純。

1.2 儀器與設(shè)備

TDZ5型臺式低速離心機,HH-6型數(shù)顯恒溫水浴鍋,V-5000型可見分光光度計,JSM-6380LV型掃描電子顯微鏡,RVA-S/N2112681型快速黏度分析儀,TA.XT.plus型質(zhì)構(gòu)儀。

1.3 方法

1.3.1 淀粉的提取

采用水提法[6]提取淀粉。將新鮮的淮山原料洗凈、去皮,切碎后加水打漿,漿液過120目篩,篩子上殘留的物料用蒸餾水反復(fù)沖洗過濾,然后把過濾后的漿液沉降12 h,去掉上清液后得到淀粉。淀粉用蒸餾水重懸、沉降5次后取出,置于45 ℃烘箱中干燥48 h,再用粉碎機粉碎過100目篩置于干燥器中備用。

1.3.2 淮山淀粉直鏈淀粉含量的測定

直鏈淀粉含量的測定:參照GB/T 15683—2008《大米直鏈淀粉含量的測定》。

1.3.3 淮山淀粉顆粒的粒徑

淀粉顆粒的大小利用激光粒度儀對淀粉顆粒進行粒徑掃描,確定其粒徑分布范圍。

1.3.4 淮山淀粉的凍融穩(wěn)定性測定

參照Hsieh等[20]的方法,略作修改。配制質(zhì)量分數(shù)6%的淀粉懸浮液于沸水中加熱糊化,冷卻后取20 mL淀粉糊倒入離心管中蓋好蓋子。于-18 ℃冰箱中放置24 h后取出,自然解凍后4 000 r/min離心20 min,倒去上清液后并倒置10 min,然后稱取沉淀物的質(zhì)量。其后每隔24 h測試 1 次,測定5次。以反復(fù)凍融5次后淀粉凝膠的析水率體現(xiàn)淀粉的凍融穩(wěn)定性。析水率按式(1)計算:

析水率=淀粉糊質(zhì)量-沉淀質(zhì)量淀粉糊質(zhì)量×100%

(1)

1.3.5 淮山淀粉的糊化特性

稱取(3.00±0.01)g的淀粉樣品放入快速黏度計專用鋁盒中,準確量取25.0 mL蒸餾水加入鋁盒中,將攪拌器置于鋁盒中上下快速攪動,使樣品均勻,再置于快速黏度分析儀(RVA)中。采用GB 24853—2010《小麥、黑麥及其粉類和淀粉糊化特性測定快速粘度儀法》標準程序1的溫度模式,即RVA初始溫度為50 ℃,保持1 min,然后以12 ℃/min升高至95 ℃,在95 ℃保持2.5 min,再以12 ℃/min降至50 ℃,保持2 min,根據(jù)RVA的曲線,分別獲得糊化溫度、回生值和崩解值等參數(shù)。

1.3.6 淮山淀粉的凝膠質(zhì)構(gòu)

準確稱取淀粉樣品,于燒杯中加入去離子水混合,配制成0.1 g/mL的淀粉懸浮液,攪拌均勻后在95 ℃水浴鍋中加熱糊化15 min,將淀粉糊裝入20 mL注射器中冷卻,在4 ℃條件下冷藏24 h后形成直徑為2 cm的圓柱形凝膠。測試前將凝膠倒出切成直徑為2 cm、高為1 cm的小圓柱體進行質(zhì)構(gòu)測定獲得硬度、彈性、內(nèi)聚性、咀嚼性和回復(fù)性等參數(shù)。測定條件:選取TPA 模式,P/36R型探頭,測試前速率2.0 mm/s,測試速率1.0 mm/s,測試后速率 1.0 mm/s,壓縮程度40%,觸發(fā)力5 g。

1.3.7 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

除特殊說明外,所有數(shù)據(jù)均為3次重復(fù)實驗的平均值。運用SPSS20.0軟件對數(shù)據(jù)進行描述性分析、主成分分析(PCA)和聚類分析。主成分分析(PCA)采用降維分析中的因子分析,得出相關(guān)性矩陣以及因子得分。聚類分析采用系統(tǒng)聚類,樣本之間的距離采用歐式距離平方,得出聚類樹狀圖。采用GraphPad Prism 8和Origin8.0進行圖形繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同品種淮山淀粉品質(zhì)指標的描述性分析

對9種淮山淀粉品質(zhì)指標的描述性分析見表1。不同品種淮山淀粉的糊化溫度在75.32～84.37 ℃之間,變異系數(shù)為4.25%,粒徑在17.0～24.3 μm之間,變異系數(shù)為10.94%,說明品種對淮山淀粉的糊化溫度、粒徑影響較小。而不同品種淮山淀粉凝膠的咀嚼性在35.95～1 637.80 g之間,回復(fù)性在0.07～0.64之間,硬度在212.51～2 113.65 g之間,變異系數(shù)分別高達180.16%、101.21%、87.69%,可見品種對淮山淀粉凝膠的咀嚼性、回復(fù)性、硬度的影響較大。其他10個指標的變異系數(shù)在13.18%～52.11%之間。按變異系數(shù)大小對14個品質(zhì)指標進行排序,可知品種對指標的影響大小為咀嚼性>回復(fù)性>硬度>內(nèi)聚性>回生值>崩解值>直鏈淀粉>最終黏度>谷值黏度>峰值黏度>彈性>析水率>粒徑>糊化溫度。

表1 淮山淀粉品質(zhì)指標的描述性分析

2.2 不同品種淮山淀粉品質(zhì)指標的相關(guān)性分析

對不同品種淮山淀粉的14個品質(zhì)指標間的Person相關(guān)性分析結(jié)果見圖1。淀粉的直鏈淀粉含量與糊化特性有顯著相關(guān)性,其中與峰值黏度、谷值黏度的相關(guān)性系數(shù)分別為-0.777、-0.709,呈顯著負正相關(guān)(P<0.05)。粒徑與最終黏度的相關(guān)性系數(shù)為-0.677,呈顯著負正相關(guān)(P<0.05)。析水率與谷值黏度、回生值的相關(guān)性指數(shù)分別為0.742、0.723,呈顯著正相關(guān)(P<0.05),與最終黏度的相關(guān)性系數(shù)為0.829,呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)。峰值黏度與彈性的相關(guān)性系數(shù)分別為0.848,呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)。因此,不同品種淮山淀粉的品質(zhì)差異較大,同時各評價指標之間存在不同程度的相關(guān)性,通過某一個指標或某幾個指標來評定不同品種淮山淀粉品質(zhì)的優(yōu)劣不客觀,可以通過主成分分析來綜合評價不同品種淮山淀粉的品質(zhì)。

注:*為顯著相關(guān)(P<0.05);**為極顯著相關(guān)(P<0.01)。

2.3 不同品種淮山淀粉品質(zhì)指標的主成分分析

對不同品種淮山淀粉的14個品質(zhì)指標進行主成分分析的結(jié)果如表2所示。以特征值>1,方差貢獻率達到85%以上為選擇標準,共提取了4個主成分,第一主成分(Z1)、第二主成分(Z2)、第三主成分(Z3)、第四主成分(Z3)的特征值分別為5.591、4.151、2.295,1.336,其方差貢獻率分別為39.936%、28.935%、16.393%、9.542%,累計貢獻率達到94.806%,說明這4個主成分所包含的要素信息量可以反映出淮山淀粉的14個品質(zhì)指標的大部分信息,因此可以用這4個主成分對這9種淮山淀粉的品質(zhì)進行概括和綜合評價。

表2 淮山淀粉品質(zhì)指標的特征值及貢獻率

因子載荷矩陣反映了淮山淀粉各品質(zhì)指標與4個主成分間的關(guān)系,從表3中可以看出,第一主成分(Z1)與峰值黏度、谷值黏度高度正相關(guān),與最終黏度、回生值、彈性、內(nèi)聚性中度正相關(guān),與直鏈淀粉含量中度負相關(guān)。第二主成分(Z2)與硬度、咀嚼性、回復(fù)性高度正相關(guān),與內(nèi)聚性中度正相關(guān),與最終黏度中度負相關(guān),第三主成分(Z3)與崩解值高度負相關(guān)。第四主成分(Z4)與粒徑中度正相關(guān)。峰值黏度、谷值黏度對第一主成分(Z1)的貢獻較大,負荷量分別為0.830、0.821,咀嚼性、硬度對第二主成分(Z2)的貢獻較大,負荷量分別為0.829、0.815,崩解值對第三主成分(Z3)的貢獻最大,負荷量為-0.896。因此,峰值黏度、谷值黏度、硬度、咀嚼性、崩解值是代表淮山淀粉品質(zhì)的特征指標。PCA圖反映了各指標間的相似性,指標間的距離與其相似程度呈正比[19]。從圖2和圖3可以看出,第一主成分(Z1)主要綜合了淮山淀粉的糊化特征指標,第二主成分(Z2)主要綜合了淮山淀粉的凝膠質(zhì)構(gòu)特征指標。

圖2 碎石圖

圖3 PCA圖

表3 因子載荷矩陣

2.4 不同品種淮山淀粉品質(zhì)的綜合評價

根據(jù)特征值和相應(yīng)的特征向量,計算了9種淮山淀粉各自的主成分得分,并對淮山淀粉品質(zhì)按前4個主成分得分進行了排序結(jié)果見表4。第一主成分(Z1)得分較高的有MPY(3.21)、ASY(2.37)、GXPY(1.09)這3種淮山淀粉,說明這3種淮山淀粉的峰值黏度、谷值黏度、最終黏度、回生值等品質(zhì)優(yōu)于其他品種。第二主成分(Z2)得分較高的有MPY(4.56)、SYPY(1.55)、GY2(0.06)這3種淮山淀粉,說明這3種淮山淀粉的硬度、內(nèi)聚性、咀嚼性、回復(fù)性優(yōu)于其他品種。第三主成分(Z3)得分最高的為SFY(2.05)、GY5(0.93)、GY2(0.71)這3種淮山淀粉,說明這3種淮山淀粉的崩解值低于其他品種。第四主成分(Z3)得分最高的為SYPY(1.36)、LCY(1.20)、SFY(1.10)這3種淮山淀粉,說明這3種淮山淀粉的粒徑大于其他品種。對9種淮山淀粉品質(zhì)進行了綜合評價,綜合主成分得分(ZZ)越高,說明該品種越能夠代表淮山淀粉的綜合品質(zhì)。MPY(2.80)、ASY(0.55)、SFY(0.27)的綜合主成分得分(ZZ)分別排1、2、3名,說明這3種淮山淀粉最能夠代表淮山淀粉的品質(zhì)。不同品種淮山淀粉品質(zhì)綜合評價得分圖如圖4所示, SYPY和MPY分別位于圖中偏左上角、右上角的位置,與其他淮山淀粉的間隔較遠,其余7種淮山淀粉間的距離較近,這說明9種淮山淀粉具有明顯的聚類趨勢,可以通過聚類分析對其進行再分析。

圖4 不同品種淮山淀粉品質(zhì)綜合評價得分圖

表4 不同品種淮山淀粉性質(zhì)的主成分值、綜合主成分值及排序

2.5 不同品種淮山淀粉的聚類分析

聚類分析可以通過研究對象的諸多特性進行分類,即將樣品按照品質(zhì)特性相似度最大的優(yōu)先聚合在一起,最終按照類別的綜合性質(zhì)實現(xiàn)多個品種聚合。對9個品種的淮山淀粉的14個品質(zhì)指標采用離差平方和法進行Q型系統(tǒng)聚類分析結(jié)果見表5和圖5。9種淮山淀粉可以分為三大類。第Ⅰ類聚集了GY11、GY2、LCY、MPY這4個品種的淮山淀粉,第Ⅱ類主要聚集了GY5、GXPY、SFY、ASY等4種淮山淀粉,第Ⅲ類聚集了SYPY這1種淮山淀粉。

注:縱坐標1～9分別為 GY11、GY5、GY2、GXPY、LCY、SFY、MPY、SYPY、ASY。

表5 不同品種淮山淀粉的分類結(jié)果

按照分類結(jié)果,求得各類淮山淀粉品質(zhì)指標的平均值見表6。第Ⅰ類淮山淀粉表現(xiàn)出低糊化溫度、高峰值黏度以及高崩解值,且能形成凝膠硬度高,凝膠性強的淀粉凝膠,這說明此類淀粉容易糊化,且有較好的凝膠性能。第Ⅱ類淮山淀粉主要表現(xiàn)為低直鏈淀粉含量、顆粒粒徑較小、高析水率、回生值、谷值黏度,最終黏度,且具備一定的凝膠硬度的特點。在糊化過程中,此類淀粉容易發(fā)生回生,使其淀粉凝膠具備一定的硬度和韌性。第Ⅲ類淮山淀粉主要表現(xiàn)為高直鏈淀粉含量、淀粉顆粒粒徑大,低析水率,高糊化溫度、低回生值的特點。此類淀粉不易糊化,且不易回生,凝膠性弱且凝膠較軟。

表6 不同品種淮山淀粉各類品質(zhì)指標的平均值

3 討論

3.1 淮山淀粉的品質(zhì)特性

直鏈淀粉含量是影響淀粉基食品口感的主要原因之一,研究中的9種淮山淀粉的直鏈淀粉含量在4.83%～28.70%之間,大于趙小梅等[18]報道的4種淮山淀粉的直鏈淀粉質(zhì)量分數(shù)(9.30%～15.55%),小于Pérez[10]等報道的5種淮山淀粉的直鏈淀粉質(zhì)量分數(shù)(26.7%～32.7%),且淀粉品種間直鏈淀粉含量差異較大,說明9種淮山淀粉適宜加工的產(chǎn)品不同。淀粉的糊化特性和凝膠質(zhì)構(gòu)特性都是決定淀粉產(chǎn)品最終品質(zhì)的重要指標。9種淮山淀粉的糊化溫度在75.32～84.37 ℃之間,小于長山山藥淀粉的糊化溫度(85.2 ℃)[17]。9種淮山淀粉的回生值(1 599.30 cP)、崩解值(1 221.32 cP)、硬度(658.76 g)、咀嚼性(283.89 g)的平均值要大于趙小梅等[18]報道的4種淮山淀粉的回生值(203～772 cP)、崩解值(136～633 cP)、硬度(226～303 g)、咀嚼性(203～273 g),且這些指標的變異系數(shù)較大,說明不同品種間淮山淀粉的品質(zhì)差異很大,其品質(zhì)特性還需進一步分析。

3.2 基于主成分分析對淮山淀粉品質(zhì)的綜合評價

淀粉的品質(zhì)指標間是存在相互關(guān)系的,這就導(dǎo)致指標反映的眾多信息中存在相互重疊的情況。如張桂英等[15]對小米淀粉的研究中也發(fā)現(xiàn)直鏈淀粉含量與峰值黏度呈負相關(guān),Hsieh等[20]研究表明直鏈淀粉含量低的馬鈴薯淀粉具有更大的顆粒膨脹度、更高的糊黏度和糊透明度。主成分分析可以將原來眾多具有一定相關(guān)性的指標,通過降低數(shù)據(jù)維數(shù)排除眾多信息共存中相互重疊的信息,轉(zhuǎn)化為少數(shù)幾個不相關(guān)的綜合指標[21]。如Uarrota等[22]的研究將玉米淀粉的12個評價指標分為了3個主成分,其中膨潤力、糊化溫度、回生值與第一主成分正相關(guān),蛋白質(zhì)含量、持水力、崩解值與第二主成分負相關(guān)。研究將淮山淀粉的14個評價指標分為了4個主成分,第一主成分(Z1)可以命名為糊化特征指標,第二主成分(Z2)可以命名為凝膠質(zhì)構(gòu)特征指標,這2個主成分的貢獻值累計將近70%,這可以看出淮山淀粉是一類糊化時具有高黏度以及可以形成具有穩(wěn)定質(zhì)構(gòu)的凝膠的淀粉。其中MPY的第一主成分得分、第二主成分得分以及綜合得分都排在第1,說明MPY的糊化特性、質(zhì)構(gòu)特性優(yōu)于其他淮山淀粉,且其綜合品質(zhì)最好。

3.3 基于聚類分析評價淮山淀粉的加工適應(yīng)性

淀粉具備天然的成凝膠性,但不同品種間淀粉的凝膠性不同,因此具備不同的加工用途。聚類分析的結(jié)果表明,9種淮山淀粉可分為3類,第Ⅰ類淮山淀粉(GY11、GY2、LCY、MPY)具備強凝膠性,能夠制備成硬度較高、彈性較大的凝膠食品,也可以作為一種凝膠劑,具有提高魚糜[23]、香腸[24]等食品的凝膠能力的潛力。淀粉的回生也是影響淀粉基食品加工的重要因素,有研究表明[25-27],粉條的制備需要一定程度的回生,使粉條能夠形成較好的硬度和韌性。本研究中的第Ⅱ類淮山淀粉(GY5、GXPY、SFY、ASY)的平均回生值最高為2 077.25 cP,其在粉條的制備中具備應(yīng)用潛力。但第Ⅱ類淮山淀粉不適宜在冷凍食品如餃子、湯圓等的應(yīng)用,因其擁有較高的平均析水率(52.54%),在反復(fù)凍融過程中,凝膠容易析水引發(fā)食品品質(zhì)的下降。第三類淮山淀粉(SYPY)的平均凝膠硬度最低為279.85 g, 且平均回生值最低僅為88.00 cP,具備弱凝膠性,雖不適宜制作淀粉凝膠食品,但可以配合增塑劑的使用制備成穩(wěn)定的淀粉薄膜用于食品的保鮮[28-30]。

4 結(jié)論

本研究通過變異系數(shù)的大小得出淀粉品種對淮山淀粉的凝膠質(zhì)構(gòu)指標影響較大。從14個淮山淀粉品質(zhì)指標中提取了4個主成分,其中第一主成分(Z1)綜合了淮山淀粉的糊化特征指標,第二主成分(Z2)綜合了淮山淀粉的凝膠質(zhì)構(gòu)指標。峰值黏度、谷值黏度、硬度、咀嚼性、崩解值是淮山淀粉的特征指標。通過主成分分析綜合評價了9種淮山淀粉的品質(zhì),發(fā)現(xiàn)MPY(2.80)、ASY(0.55)、SFY(0.27)的綜合主成分得分(ZZ)較高,其綜合品質(zhì)要優(yōu)于其他品種淮山淀粉。通過聚類分析將9個品種淮山淀粉分為了3類,第Ⅰ類淮山淀粉(GY11、GY2、LCY、MPY)具備強凝膠性,第Ⅱ類淮山淀粉(GY5、GXPY、SFY、ASY)的成凝膠性次之,第三類淮山淀粉(SYPY)的凝膠性最弱,此3類淮山淀粉具備不同的凝膠性能,適宜加工成不同類型的淀粉基產(chǎn)品。