基于主成分與聚類分析的菜用大豆品質綜合評價

宋江峰，劉春泉，*，姜曉青，李大婧

（1.江蘇省農業(yè)科學院農產品加工研究所，江蘇 南京 210014；2.國家蔬菜加工技術研發(fā)分中心，江蘇 南京 210014；3.南京農業(yè)大學食品科技學院，江蘇 南京 210095）

基于主成分與聚類分析的菜用大豆品質綜合評價

宋江峰1，2，劉春泉1，2，*，姜曉青3，李大婧1

（1.江蘇省農業(yè)科學院農產品加工研究所，江蘇 南京 210014；2.國家蔬菜加工技術研發(fā)分中心，江蘇 南京 210014；3.南京農業(yè)大學食品科技學院，江蘇 南京 210095）

為提高菜用大豆品種品質性狀的選擇效率，優(yōu)化菜用大豆品質評價體系，以江蘇省主栽的18 個菜用大豆品種為試材，分析其物理特性指標（莢長、莢寬、莢厚、百莢質量、百粒質量、L*、a*、b*、硬度、水分含量）和化學特性指標（VC、葉綠素、粗脂肪、淀粉、可溶性糖、可溶性蛋白、異黃酮含量，脂氧合酶（lipoxygenase，LOX）活力）。結果表明：品質特性中葉綠素和異黃酮含量、LOX活力、淀粉含量、百粒質量、百莢質量、a*在品種間變異系數較大，而L*和水分含量變異系數較小，其余指標變化均不顯著。主成分分析表明18 項指標反映的菜用大豆品質可用7 個主成分來表示（累計貢獻率達92.332 9%）。進一步根據聚類分析結果，篩選出百粒質量以及葉綠素、VC、可溶性糖、粗脂肪、異黃酮含量，硬度和a*這8個品質指標代替原有的18 項指標，為品質評價指標體系的簡化提供了可能。18 個菜用大豆品種中，徐豆17號綜合品質最好，其次是區(qū)凡2號和新大粒1號，蘇豆8號綜合品質最差。

菜用大豆；品質性狀；主成分分析；聚類分析

菜用大豆（Glycine max（L.）Merr），俗稱毛豆，在日本稱為枝豆（edamame），在中國已有2 000多年的栽培歷史［1］。菜用大豆通常在鼓粒盛期（R6）至初熟期（R7）的籽粒飽滿而尚未老熟，莢色、籽粒色翠綠時期采收，其營養(yǎng)豐富、風味獨特，是人們喜愛的特色豆類蔬菜。菜用大豆還包括休閑用的其他成熟有色豆籽粒［2］。

根據目前國際市場要求，菜用大豆品質性狀主要是指外觀品質、食用品質、營養(yǎng)品質和保健品質，其中外觀品質和營養(yǎng)品質尤為重要。菜用大豆外觀與營養(yǎng)品質是基因型與環(huán)境因素共同作用的結果，其評價指標包括外在和內在品質指標，這些指標較多，且存在著一定的相關性和相對獨立性。而前人研究側重于選擇少數品質指標分析菜用大豆的品質特性［3-5］，使評價結果差別較大。

主成分分析法（principal component analysis，PCA）可在很少損失原有信息的前提下，從眾多指標因子間的相互關系入手，利用降維思想，將其轉化為少數幾個互不相關的綜合因素［6］。利用PCA可從復雜現象中解析出主要影響因素，減少評價指標，簡化評價過程，適用于對多指標的綜合分析，目前已被廣泛應用于果蔬品質評價因子的篩選和品質的綜合評價。徐臣善等［7］分析不同設施桃品種果實主要經濟性狀的差異，采用主成分分析的方法對不同設施桃品種果實綜合品質作了客觀、有效的評價。田瑞等［8］采用主成分分析和聚類分析法對26 個梨選育品種（系）的主要品質指標進行分析，并通過系統(tǒng)聚類分析把多個品質指標分成了5 類，最終將品質指標簡化為5 個，使梨的品質評價工作得到了簡化。本實驗通過對江蘇省主栽的18 個菜用大豆品種的品質指標進行測定，采用主成分分析法、主成分聚類法對測得的品質指標進行分析，以尋求菜用大豆品質評價的主要因素，為菜用大豆品質的科學評價及品種的篩選提供理論依據。

1　材料與方法

1.1材料

供試的18 個菜用大豆品種（表1）均由江蘇省農業(yè)科學院蔬菜研究所提供，于2012年種植于江蘇省農業(yè)科學院六合動物科學基地試驗田，在灌溉、施肥與病蟲防治等方面，保持所選材料基本一致的生長條件；均在R6期、豆莢色澤翠綠、籽粒飽滿時采收［9］，以確保菜用大豆品質性狀的差異來源于品種間差異性。

表1　18種菜用大豆的基本信息Table1　Basic information about eighteen cultivars of vegetable soybean （Glycine max）

1.2儀器與設備

HJJH游標卡尺 西南精密量具有限公司；QTS型質構儀 英國CNS Farmell公司；WSC-S色差計 上海精密科學儀器有限公司；TU-1810紫外-可見分光光度計北京普析通用儀器有限公司；BS-224-S萬分之一天平賽多利斯科學儀器（北京）有限公司；DHG-907385-Ⅲ電熱恒溫鼓風干燥箱 上海新苗醫(yī)療器械制造有限公司；JA-3003千分之一天平 上海舜宇恒平科學儀器有限公司；YLA-2000粗脂肪測定儀 上海新嘉電子有限公司；HH-8恒溫水浴鍋 金壇市環(huán)保儀器廠；TG16-WS臺式高速離心機 長沙湘儀離心機儀器有限公司；電子計重秤 江蘇凱豐集團有限公司。

1.3品質指標測定方法

尺寸、質量：采用游標卡尺測定菜用大豆的莢長、莢寬、莢厚，采用電子計重秤測定菜用大豆的百莢質量、百粒質量。

色澤：采用WSC-S色差計中的L*、a*、b*模式測定菜用大豆籽粒色澤。

硬度：采用P/5N（直徑5 mm）做穿刺實驗。將菜用大豆籽粒從中間分成兩瓣，將其中一瓣平整的一面接觸測試臺，測試方式：Compression，觸發(fā)力5 g，測試速率1 mm/s，下壓距離2 mm［10］。菜用大豆籽粒的硬度即最大峰值力。

水分含量：根據GB 5009.3—2010《食品中水分的測定》［11］，采用恒質量法測定。

粗脂肪含量：采用索氏提取法測定。

淀粉含量：采用雙波長分光光度法測定［12］。

可溶性糖含量：采用蒽酮比色法測定。

可溶性蛋白含量：采用考馬斯亮藍G-250染色法測定。VC含量：按照2，6-二氯酚靛酚法測定。葉綠素含量：采用分光光度法測定。

異黃酮含量：采用三波長比色檢測法測定［13］。

脂氧合酶（lipoxygenase，LOX）活力：采用分光光度計法測定［14］。

1.4數據統(tǒng)計分析

不同品種菜用大豆的主要品質性狀間采用Duncan's新復極差法進行差異顯著性檢驗。應用DPS 7.05數據處理軟件對菜用大豆品質指標進行主成分分析，依據方差累計貢獻率≥90%的標準提取主成分，以各主成分對應的方差相對貢獻率作為權重，對主成分得分和相應的權重進行線性加權求和構建菜用大豆品質的評價函數［7，15］。主成分聚類分析采用系統(tǒng)聚類法。

2　結果與分析

2.1不同品種菜用大豆品質性狀分析

18 個菜用大豆品種的品質特性見表2。外觀品質指標中，各品種莢長范圍為4.08～7.65 cm，莢寬為0.98～1.62 cm，莢厚0.63～1.17 cm。其中，淮豆8號的莢長、莢寬和莢厚均顯著低于其他品種（P＜0.05），屬小莢小粒品種；蘇奎1號、日本晴3號、韓國45號、蘇豆6號、區(qū)凡2號、徐豆17號、新大粒1號的莢厚均大于1 cm，同時具有較高的百莢質量和百粒質量。寧豆4號、淮豆8號的百莢質量、百粒質量均顯著低于其他品種（P＜0.05），其中淮豆8號百粒質量僅為22.20 g；各品種間籽粒L*值的差異不大。反映紅綠色澤的參數a*值的變化范圍為-14.32～-4.10，品種間差異顯著（P＜0.05），其中蘇豆8號、蘇豆5號的a*值分別為-14.32、-14.26，顯著低于其他品種（P＜0.05），表明二者籽粒色澤翠綠。反映黃藍色澤參數b*值的范圍為35.11～49.39，品種間差異性不大；各品種籽粒的硬度范圍為1 384.67～3 343.33 g，徐豆17號的硬度值最大，其次是蘇豆3號，且均顯著高于其他品種（P＜0.05），表明其質地堅硬。

表2　不同菜用大豆品種外觀、理化與營養(yǎng)品質性狀（x n=10）Table2　Appearance， physicochemical and nutritional quality traits of different varieties of vegetable soybean （± s，n=10）

各品種籽粒水分含量范圍為61.10%～71.93%，其中通豆6號、韓國45號、富豐888和新大粒1號水分含量相近，均高于69%，而蘇豆3號、蘇豆4號的水分含量較低，各品種間水分含量差異顯著（P＜0.05）；籽粒中粗脂肪含量為4.47%～9.25%，其中蘇豆3號、寧豆4號粗脂肪含量顯著高于其他品種（P＜0.05），分別達9.25%、8.79%，新大粒1號籽粒中脂肪含量僅為4.47%；區(qū)凡2號籽粒淀粉含量最高，新大粒1號、蘇奎1號、蘇豆5號、日本晴3號和韓國45號品種間淀粉含量相近；各品種籽?？扇苄蕴呛繛?.06%～3.21%，其中徐豆17號可溶性糖含量最高，其次為區(qū)凡2號、通豆6號，而寧豆4號最低，各品種間可溶性糖含量差異顯著（P＜0.05），可溶性糖含量在一定程度上反映了籽粒的甜度；通豆6號可溶性蛋白含量顯著高于其他品種（P＜0.05），為9.80%，約是蘇豆5號的3 倍。通豆5號、蘇菜201、蘇菜254、蘇豆4號和蘇豆3號品種間可溶性蛋白含量相近；各品種中，蘇奎1號、蘇豆5號、日本晴3號、韓國45號、富豐888、徐豆17號和新大粒1號籽粒VC含量均高于25 mg/100 g，蘇豆5號和新大粒1號中VC含量最高。品種間VC含量差異顯著（P＜0.05），這與前人研究結果類似［16-17］；葉綠素含量為3.63～23.59 mg/100 g，其中蘇豆6號、淮豆8號、新大粒1號中葉綠素含量顯著高于其他品種（P＜0.05），蘇菜201、蘇菜254和徐豆17號品種間葉綠素含量無顯著差異；18 個品種籽粒中均檢測到LOX活力，表明所有品種均有不同程度的豆腥味［18］，其中區(qū)凡2號LOX活力最高，其次是蘇菜254。通豆6號的LOX活力最低，僅為389.42 OD234nm/（min·g）；各菜用大豆品種中異黃酮含量變化范圍為39.73～182.97 μg/g，各品種間差異顯著（P＜0.05）。

各品種間，葉綠素含量的變異系數最大，LOX活力，異黃酮、淀粉含量以及a*、百粒質量和百莢質量變異系數也較大，而L*和水分含量變異系數較小，表明菜用大豆的風味、籽粒大小及內含物存在較大的品種間差異，而籽粒L*和水分含量的品種差異性相對較小。

表3　各品質指標間相關性分析Table3　Correlation analysis among various quality indexes

2.2不同品種菜用大豆品質性狀相關性分析

由表3可知，各品質性狀之間存在正相關也存在負相關，并且多數指標間相關系數的絕對值＞0.5，表明各品質性狀之間有較強相關性。百莢質量、百粒質量、莢長、莢寬、莢厚、L*等外觀性狀間相關性達到較高水平。這與韓立德等［19］的研究結果一致。百粒質量與LOX活力存在一定程度的弱相關。b*與葉綠素、淀粉、可溶性糖含量及LOX活力間成正相關，水分含量與粗脂肪、異黃酮含量及硬度間有較強的負相關性。

2.3不同品種菜用大豆品質性狀的主成分分析

對不同品種菜用大豆的主要品質性狀進行主成分分析，結果顯示前7 個主成分的累計貢獻率為92.332 9%（表4），表明前7 個主成分已基本包含了菜用大豆品質性狀的全部信息，可用前7 個主成分對其綜合品質進行評價。前7 個主成分中，第1主成分的貢獻率為32.614 6%，決定第1主成分大小的主要是莢長、莢寬、莢厚、百粒質量、百莢質量和L*，可將第1主成分看作是菜用大豆形態(tài)大小的綜合指標，說明尺寸與質量在菜用大豆品質評價中具有最為重要的作用；第2主成分貢獻率為23.113 2%，決定第2主成分的主要是b*，葉綠素、可溶性糖和淀粉含量，其影響也較大，第2主成分主要反映籽粒色澤，也在一定程度上反映了籽粒內在品質。第3主成分貢獻率為17.169 6%，決定第3主成分的主要是水分含量，異黃酮含量和硬度也有一定影響，第3主成分主要綜合反映籽粒的食味與口感品質；第4主成分貢獻率為8.011 5%，決定第4主成分的主要是可溶性蛋白含量；第5主成分貢獻率為5.038 1%，決定第5主成分的主要是a*，硬度、VC和淀粉含量的影響也較大；第6主成分貢獻率為3.564 5%，決定第6主成分的主要是硬度，其次是可溶性糖含量；第7主成分貢獻率為 2.821 5%，決定第7主成分的主要是異黃酮含量，粗脂肪、淀粉含量和LOX活力的影響也較大。

表4　7個主成分的特征向量、特征值、方差貢獻率及累計貢獻率Table4　Eigenvectors， eigenvalues， variance contribution rates and cumulative contribution rates of seven principal components

2.4不同品種菜用大豆品質性狀的綜合評價

表5　不同菜用大豆品種的主成分得分Table5　Principal component scores of different varieties of vegetable soybean

各主成分得分見表5，以各主成分對應的方差相對貢獻率作為權重，由菜用大豆品質的評價函數計算出各品種的綜合評價分值，總得分越高表示該品種綜合品質越好。由表5可知，18個菜用大豆品種中，徐豆17號綜合品質最好，其次是區(qū)凡2號和新大粒1號，蘇豆8號綜合品質最差。各品種菜用大豆綜合品質從高至低的排序是：徐豆17號、區(qū)凡2號、新大粒1號、蘇菜254、韓國45號、蘇豆6號、蘇菜201、通豆6號、富豐888、蘇奎1號、通豆5號、日本晴3號、蘇豆4號、蘇豆3號、淮豆8號、蘇豆5號、寧豆4號、蘇豆8號。

2.5品質指標的主成分聚類

根據主成分分析的結果，對7 個主成分（表4）中18 項品質指標的特征向量采用類平均法進行系統(tǒng)聚類分析，其中同聚為一類的菜用大豆品質因素之間具有密切的相關或偏相關性，可選用1 個因素代表同一類中的其余因素；單為一類的品質因素則具有相對獨立性。結果表明：在最大距離為0.8時上述指標可劃分為7 類（圖1）：1）莢長、莢寬、莢厚、百莢質量、百粒質量、L*、淀粉含量、b*和葉綠素含量；2）水分含量和VC含量；3）可溶性蛋白含量和可溶性糖含量；4）異黃酮含量和LOX活力；5）粗脂肪含量；6）硬度；7）a*。因此，上述18 項品質指標可由這7 個類別中的指標所代表，為指標簡化創(chuàng)造了可能，再根據相關性分析研究結果最終確定百粒質量，葉綠素、VC、可溶性糖、粗脂肪、異黃酮含量以及硬度、a* 8 個因子來衡量菜用大豆品質的優(yōu)劣。

圖1　18 個品質評價因子的聚類譜系圖Fig.1　Cluster dendrogram of eighteen indicators of quality evaluation

3　結論與討論

綜合品質評價的基礎是評價因子的選擇，它決定了品質評價的效果，目前國內外并沒有對菜用大豆品質綜合指標進行確定。因此，在前期工作基礎上，本實驗進一步對常見的18個菜用大豆品質指標進行篩選，采用主成分和聚類方法，最終確定百粒質量，葉綠素、VC、可溶性糖、粗脂肪、異黃酮含量以及硬度、a* 8 個因子來衡量菜用大豆品質的優(yōu)劣，這些指標從外觀、質地和營養(yǎng)3 個層面綜合反映了菜用大豆品質，其中百粒質量是衡量菜用大豆籽粒大小的決定因子，而鮮籽粒的大小對菜用大豆商品品質起主導作用。色澤是反映菜用大豆籽粒顏色的一項商品品質因子，籽粒中葉綠素含量的高低直接影響菜用大豆色澤品質，色澤翠綠，則其商品品質好［20］。硬度表示使菜用大豆籽粒破裂所需的力，是衡量質地的重要指標［21］。本研究表明，籽粒硬度與蛋白質含量成弱相關性，與前人研究結果略有差異［22］。蔗糖、葡萄糖等可溶性糖類物質及粗脂肪含量是菜用大豆品質的重要指標，直接影響其風味和營養(yǎng)價值。對大豆籽粒中異黃酮的研究較多，異黃酮是公認的大豆功效成分之一，異黃酮與VC含量作為抗氧化劑在菜用大豆品質研究中也多有報道［23］。

菜用大豆品質主要分為感官品質和營養(yǎng)品質，由外觀和眾多內在因素的復合評價因子構成，目前各因素之間的關系及對品質的影響效果尚沒有研究報道，本研究中，多數指標間相關系數的絕對值大于0.5，提示各品質指標間有較強的相關性，因此，需要將這些指標轉化為少數幾個相互獨立的新指標，在解釋原始指標間關系的同時，簡化籽粒品質評價的因子［24］。評價指標的篩選在枸杞［25］、花生［26］、桃［7］和梨［8］等植物上均有研究，由于不同原料品質組成的差異，評價因子也不同。在菜用大豆品質研究中，目前主要還是基于運用變異分析、品質性狀與農藝性狀、產量相關性分析等層面，片面性和主觀性強，難以科學地對菜用大豆品質做出評價，而本研究克服了傳統(tǒng)方法的不足，將不同類型、不同標準的量綱因子統(tǒng)一于同一評價模式中，增加了模式的可操作性。

菜用大豆品質特性中葉綠素含量、LOX活力、異黃酮含量、淀粉含量、百粒質量、百莢質量、a*在品種間變異系數較大；而L*和水分含量變異系數較小，其余指標變化均不顯著。主成分分析表明由18 項物理、化學特性指標反映的菜用大豆品質可用7 個主成分來表示，其累計貢獻率達92.332 9%，并且各性狀的貢獻率集中。進一步根據聚類結果，篩選出百粒質量，葉綠素、VC、可溶性糖、粗脂肪、異黃酮含量以及硬度、a* 8 個品質指標代替原有的18 項指標，這為菜用大豆品質評價指標體系的簡化提供了可能。由菜用大豆品質的評價函數計算可知，18 個菜用大豆品種中，徐豆17號綜合品質最好，其次是區(qū)凡2號和新大粒1號，蘇豆8號綜合品質最差。

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Comprehensive Evaluation of Vegetable Soybean Quality by Principal Component Analysis and Cluster Analysis

SONG Jiangfeng1，2， LIU Chunquan1，2，*， JIANG Xiaoqing3， LI Dajing1
（1. Institute of Farm Product Processing， Jiangsu Academy of Agricultural Sciences， Nanjing 210014， China；2. National Research and Development Sub-center for Vegetable Processing， Nanjing 210014， China；3. College of Food Science and Technology， Nanjing Agricultural University， Nanjing 210095， China）

In order to improve the selection effi ciency of vegetable soybean and optimize the quality evaluation system，eighteen leading cultivars of vegetable soybean in Jiangsu province were tested for their physical indexes （pod length， pod width， pod thick， hundred pods weight， kernel weight， L*， a*， b*， hardness， an d moisture content） and chemical indexes（VC， chlorophyll， crude fat， starch， soluble sugar， soluble protein， isoflavone， and LOX activity）. The results showed that chlorophyll content， LOX activity， isofl avone content， starch content， kernel weight， hundred-pod weight and a* had greater coeffi cients of variation among species， while L* and moisture content had smaller coeffi cients of variation， and the remaining parameters were not signifi cant. Principal component analysis showed that eighteen indicators refl ecting the quality of vegetable soybean might be represented by seven principal components （cumulative contribution rate of 92.332 9%）. According to the clustering results， eight quality parameters including kernel weight， chlorophyll， VC， soluble sugar， crude fat， isofl avone， hardness and a* selected from seven categories of principal components could substitute the original eighteen indicators so as to simplify the evaluation indicator system. Among eighteen soybean varieties， the comprehensive quality of Xudou No.17 was the best， closely followed by Qufan No. 2 and Xindali No. 1， while Sudou No. 8 was the worst.

vegetable soybean； quality trait； principal component analysis； cluster analysis

TS255.2

A

1002-6630（2015）13-0012-06

10.7506/spkx1002-6630-201513003

2014-08-13

國家自然科學基金青年科學基金項目（31301534）；南通市重大科技創(chuàng)新專項（XA201 3012）

宋江峰（1981—），男，博士，研究方向為果蔬采后品質與加工過程控制。E-mail：songjiangfeng102@163.com

劉春泉（1959—），男，研究員，碩士，研究方向為農產品精深加工及產業(yè)化開發(fā)。E-mail：liuchunquan2009@163.com