基于主成分分析的糖尿病專用山藥品種篩選

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(1.揚(yáng)州大學(xué)旅游烹飪學(xué)院，江蘇揚(yáng)州 225127; 2.山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品研究所,山東省農(nóng)產(chǎn)品精深加工技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 農(nóng)業(yè)部新食品資源加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東濟(jì)南 250100; 3.山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜花卉所,山東濟(jì)南 250100)

近年來,隨著人們生活水平的提高,糖尿病的發(fā)病率也逐漸提高。根據(jù)國際糖尿病聯(lián)盟(IDF)數(shù)據(jù)顯示,2015年全球糖尿病患者約有4.15億人,每11個(gè)人就有1人患有糖尿病。預(yù)測到2040年,全球?qū)?huì)有6.42億人患有糖尿病,中國糖尿病患者也將達(dá)到1.51億[1]。山藥是我國常見食物,同為中藥,屬薯蕷科多年生宿根蔓草植物,具有益精、固腎、益肺、補(bǔ)脾等功效,國內(nèi)部分學(xué)者從山藥化學(xué)成分、藥理成分分析用于糖尿病治療中的作用,使山藥在糖尿病患者中治療研究取得較大進(jìn)展[2]。

山藥(DioscoreaoppositaThunb),別名鮮山藥、懷山藥、山薯、山藥薯等,在我國已經(jīng)有3000多年的歷史。作為一種傳統(tǒng)藥食同源植物,山藥具有多種生理功效,在漢代《神農(nóng)本草經(jīng)》、宋代《圖經(jīng)本草》以及明代的《本草綱目》中都有所記載。現(xiàn)代研究表明山藥具有顯著的降糖功效。楊宏莉等[3]研究發(fā)現(xiàn)山藥多糖對2型糖尿病的治療機(jī)制之一可能是山藥多糖提高了糖代謝關(guān)鍵的酶活性。張忠泉等人[4]研究發(fā)現(xiàn)山藥多糖能提高血液中的C肽,具有改善受損的胰島細(xì)胞功能。由于現(xiàn)代膳食結(jié)構(gòu)的不合理,糖尿病發(fā)病率逐年上升,已成為繼心血管疾病、腫瘤之后的威脅我國居民身體健康的主要疾病。在糖尿病的治療方法中,飲食治療是糖尿病人有效控制血糖、進(jìn)而減少或延緩并發(fā)癥的關(guān)鍵之一[5]。山藥由于其中多糖的降血糖作用,以及抗性淀粉含量較高的特點(diǎn),是開發(fā)糖尿病人專用食品的理想原料。

主成分分析是一個(gè)采用少量綜合指標(biāo)來代替原來多個(gè)指標(biāo)大部分信息的一種降維的分析方法,剔除不重要的部分,保留重要信息,具有減少計(jì)算工作量、減少原始數(shù)據(jù)信息損失、簡化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)以及避免主觀隨意性等優(yōu)點(diǎn)[6]。近年來,該方法應(yīng)用較為廣泛,逐漸應(yīng)用于小麥[7]、蕓豆[8]、蘋果[9]、綠豆[10]、大豆[11]等作物或領(lǐng)域。而將主成分分析應(yīng)用于山藥綜合評價(jià)及品種篩選的研究還未見報(bào)道。本研究對10種山藥的12項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行主成分分析,根據(jù)主成分載荷及主成分得分分析各個(gè)主成分和品質(zhì)指標(biāo)與品種間關(guān)系,可以為山藥品種篩選獲得直觀的依據(jù)。

不同品種的山藥在基本營養(yǎng)成分、外觀形狀以及消化特性上都有所不同,本研究廣泛收集了我國主栽山藥品種,分析其基本營養(yǎng)成分含量、活性成分、消化特性的不同,主要以多糖、快慢抗消化淀粉、體外升糖指數(shù)(Glycemic Index,GI)為主要指標(biāo)利用主成分分析從中篩選出一種糖尿病人專用山藥品種,為更好地開發(fā)利用山藥這一藥食同源的資源提供實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)和理論依據(jù)。

1　材料與方法

1.1　材料與儀器

小白嘴山藥、大和長芋山藥、大久保德利2號山藥、西施山藥、溫縣壚土山藥山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜花卉所提供;云南拉市海野生山藥云南麗江拉市海菜市場;鐵棍山藥、陳集山藥山東省濟(jì)南市華聯(lián)超市;佛手山藥湖北武穴;長山細(xì)毛山藥鄒平長山山藥開發(fā)基地;憑證樣品(02112～02122)存放于山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品研究所；α-淀粉酶50 U/mg,Sigma公司;糖化酶80 U/mg,Sigma公司;瓜爾豆膠河南通宇化工有限公司;3,5-二硝基水楊酸國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司;胃蛋白酶3000 U/mg,北京索萊寶科技有限公司。

DHG-92435烘箱上海一恒科技有限公司;FW-80粉碎機(jī)北京市永光明醫(yī)療儀器有限公司;ML104電子分析天平瑞士METTLER公司;TDL-40B-Ⅱ低速大容量離心機(jī)上海安亭科學(xué)儀器廠;UV-800紫外可見分光光度計(jì)日本島津;SZF-06A索式提取儀杭州匯爾儀器設(shè)備有限公司;DFD-700水浴鍋上海樹立儀器儀表有限公司;SHA水浴恒溫振蕩器上海上天精密儀器源頭廠家;SRJX4-3箱式電爐上海陽光實(shí)驗(yàn)儀器有限公司。

1.2　實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1樣品預(yù)處理將山藥洗凈,去皮,切成3～4 mm的薄片,放入托盤,60 ℃烘8 h左右,將山藥片取出,在粉碎機(jī)中粉碎,過120目篩,放入自封袋,于干燥皿中長時(shí)間保存。

1.2.2基本營養(yǎng)成分的測定水分含量參照GB/T 5009.3-2003常壓干燥法測定;蛋白質(zhì)含量測定參照GB/5009.5-2010《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)食品中蛋白質(zhì)的測定》,第一法:凱氏定氮法;脂肪含量參照GB/T 5009.6-2003索氏提取法進(jìn)行測定;灰分含量測定參照GB/T 22510-2008/ISO 2171:2007《谷物、豆類及副產(chǎn)品灰分含量的測定》:550 ℃馬弗爐灼燒法;淀粉含量測定參照GB/T 5009.9-2008《食品中淀粉的測定》;直、支鏈淀粉測定參照GB/T 15683-2008/ISO 6647-1:2007《大米直鏈淀粉含量的測定》。

1.2.3活性成分的測定多糖含量測定參考文獻(xiàn)[12]的方法;多酚含量測定參考文獻(xiàn)[13]的方法;皂苷含量測定參考文獻(xiàn)[14]的方法。

1.2.4山藥淀粉消化性測定參考文獻(xiàn)[15]的方法。

1.2.5體外升糖指數(shù)(GI)的測定采用Goni法[16],有所修改。準(zhǔn)確稱取粉碎均勻的山藥樣品粉末200 mg于離心管中,加入20 mL磷酸鹽混合緩沖液(pH=7.5),用HCl(1 mol/L)調(diào)pH至1.5,加入0.4 mL胃蛋白酶溶液(115 U/mL),37 ℃水浴30 min后冷卻至室溫,用NaOH(1 mol/L)調(diào)pH至6.9,加入2 mLα-淀粉酶溶液(110 U/mL),用PBS(pH=6.9)定容至50 mL。37 ℃恒溫水浴振蕩,0～3 h內(nèi)每隔30 min取樣品1 mL,于100 ℃水浴振蕩使酶失活,然后冷卻至室溫,加入3 mL、0.4 mol/L醋酸鈉緩沖液(pH=4.75)及40 μL葡萄糖淀粉酶(110 U/mL),55 ℃恒溫水浴振蕩45 min。DNS法測定葡萄糖含量[17],計(jì)算水解率,建立淀粉水解動(dòng)力學(xué)模型,用體外碳水化合物水解指數(shù)(Hydrolysis Index,HI)對食物可能產(chǎn)生的估計(jì)血糖生成指數(shù)進(jìn)行預(yù)測。

1.3　數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 18.0 進(jìn)行主成分分析。

2　結(jié)果與分析

2.1　山藥基礎(chǔ)成分的含量分析

現(xiàn)代研究表明山藥中含有較多的成分,除了80%水分外,山藥塊莖主要包括淀粉、糖類、蛋白質(zhì)等。除營養(yǎng)成分之外,山藥中還含有山藥多糖、皂苷、糖蛋白、甘露聚糖、尿囊素、膽堿、多巴胺等活性成分。由表1可知,山藥中水分含量在63.03%～85.17%之間,水分含量最高的是大和長芋山藥,最低的為大久保德利2號;淀粉含量在62.35%～77.69%之間,最高為云南拉市海野生山藥,最低為小白嘴山藥;蛋白質(zhì)在8.25%～14.30%之間,最高為大久保德利2號,最低為佛手山藥;脂肪含量在0.33%～1.83%之間,最高為鐵棍山藥,最低為長山細(xì)毛山藥;直鏈淀粉含量在23.17%～32.56%之間,最高與最低分別為佛手山藥和大和長芋山藥;支鏈淀粉在38.09%～49.89%之間,最高與最低分別為鐵棍山藥和長山細(xì)毛山藥;灰分在2.56%～4.88%之間,最高與最低分別是長山細(xì)毛山藥和佛手山藥。

表1　山藥基本營養(yǎng)成分Table 1　Basic nutritional content of yam

周玥等[18]研究鐵棍山藥中主要營養(yǎng)成分時(shí),通過實(shí)驗(yàn)測定鐵棍山藥中總氮量占0.616%、總灰分占2.03%、淀粉占15.29%和粘性多糖占1.59%,鐵棍山藥中總灰分與黏性多糖這兩個(gè)指標(biāo)的含量與本實(shí)驗(yàn)中鐵棍山藥測定的結(jié)果相似。由于本實(shí)驗(yàn)淀粉采用的是干粉測定,周玥采用的是濕基測定,所以兩者淀粉含量相差較大,將本實(shí)驗(yàn)中干粉的淀粉含量換算成濕基中淀粉含量約為15%～20%左右,與周玥的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相差不大。

2.2　山藥主要活性成分的含量分析

山藥多糖具有顯著的降血糖作用,高禹啟等人[19]研究發(fā)現(xiàn)山藥多糖能顯著降低小鼠的血糖、血脂,而且高劑量的山藥多糖降血糖、血脂效果更明顯。由圖1可知,山藥的多糖含量均在1%左右。長山細(xì)毛山藥中的多糖含量高于其余九種山藥,多糖含量為1.48%,其次是陳集山藥與大和長芋山藥,多糖含量分別為1.41%和1.35%。小白嘴山藥的多糖含量最低,為0.82%。這與馬建華[20]測定的5.56%的多糖含量相差較大,原因可能是提取過程中大量山藥淀粉溶出,采用硫酸苯酚法測定時(shí)會(huì)將析出的淀粉默認(rèn)為多糖,而使測定結(jié)果大幅偏高,本實(shí)驗(yàn)山藥多糖的提取采用的是酶解水提法,不僅消除了淀粉的干擾,也使多糖得到了充分的溶解和釋放,其結(jié)果應(yīng)該更加接近樣品的真實(shí)含量。與其他品種相比,長山細(xì)毛山藥多糖含量最高。圖1同時(shí)也顯示了不同品種之間皂苷的含量,小白嘴山藥的皂苷含量最高,佛手山藥最低,分別為10.48、6.60 mg/g。

圖1　不同山藥品種中的多糖、皂苷含量Fig.1　The content of polysaccharide and saponin in different yam varieties

由圖2可知,山藥中多酚的含量在0.18～0.38 mg/g,多酚含量最高的是大和長芋山藥,其次是云南拉市海野生山藥和長山細(xì)毛山藥,分別為0.37、0.32 mg/g。多酚含量最低的是陳集山藥,含量為0.18 mg/g。李寧寧等人[21]在提取山藥多酚時(shí)測定山藥中多酚的含量為173.38 μg/mL,這與陳集山藥中多酚的含量近似。

圖2　不同山藥品種中的多酚含量Fig.2　The content of polyphenols in different yam varieties

表2　不同品種山藥淀粉消化性測定Table 2　Starch digestibility determination in different yam varieties

注：同列字母不同表示差異顯著(p<0.05)。

2.3　山藥淀粉的消化特性分析

根據(jù)消化時(shí)間不同,淀粉可分為快消化淀粉(RDS)、慢消化淀粉(SDS)和抗消化淀粉(RS)。這三種淀粉含量的多少?zèng)Q定了淀粉消化性的快慢,淀粉的消化性能直接決定著其被人體消化吸收利用的情況,消化率高,說明其被人體利用率高,容易轉(zhuǎn)化為被人體吸收的葡萄糖,為人體所用。在某種程度上,快消化淀粉含量過高,人體短時(shí)間內(nèi)吸收的葡萄糖含量高,餐后血糖升高過快,不利用糖尿病人的身體健康;慢消化淀粉和抗性淀粉含量過高,餐后血糖上升緩慢,適宜糖尿病人。由表2可知,10種不同品種的山藥所含的快消化、慢消化、抗消化淀粉含量相差不多,其中快消化淀粉含量最高的是小白嘴山藥,含量為21.24%,慢消化淀粉最高的是溫縣壚土山藥,含量為9.80%,抗性淀粉含量最高的是長山細(xì)毛山藥,含量為75.01%。本研究中快消化淀粉、慢消化淀粉、抗性淀粉含量與賀永朝等人[22]的研究基本一致。對不同品種山藥樣品中快消化淀粉、慢消化淀粉、抗消化淀粉進(jìn)行顯著性差異分析表明,不同品種山藥的快消化淀粉、慢消化淀粉、抗消化淀粉存在顯著性的差異(p<0.05)。

升糖指數(shù)反映了某種食物與葡萄糖相比升高血糖的速度和能力,是反映食物引起人體血糖升高程度的重要指標(biāo)。當(dāng)升糖指數(shù)升高過快,不利于糖尿病人的身體健康。一般升糖指數(shù)低于55的為低升糖指數(shù)食物,介于55～70之間的為中升糖指數(shù)食物,高于70的為高升糖指數(shù)食物[23]。由圖3可知,10種山藥的升糖指數(shù)均低于70,可以判定山藥為中升糖指數(shù)食物。山藥的升糖指數(shù)在55～61之間,云南拉市海野生山藥的體外升糖指數(shù)最高,為60.88,體外升糖指數(shù)最低的是佛手山藥,為55.41,其次是長山細(xì)毛山藥,為56.57。其他幾個(gè)山藥品種的升糖指數(shù)基本在57左右,升糖指數(shù)相差不大。

圖3　不同品種山藥體外升糖指數(shù)Fig.3　In vitro glycemic index in different yam cultivars

2.4　不同品種的山藥主成分分析

由于本研究中主要營養(yǎng)成分的單位與多酚和GI的單位不同,因此需先將各指標(biāo)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化,再進(jìn)行主成分分析。主成分分析結(jié)果見表3、表4。

由表3可知,前5個(gè)主成分的特征值均大于1,其中第一主成分的方差貢獻(xiàn)率為30.54%,第二主成分的方差貢獻(xiàn)率為24.81%,第三主成分的方差貢獻(xiàn)率為19.18%,第四主成分的方差貢獻(xiàn)率為10.23%,第五主成分的方差貢獻(xiàn)率為8.92%,累積方差貢獻(xiàn)率為93.68%,滿足大于80%的原則,說明這五個(gè)主成分反應(yīng)了原始變量的絕大部分信息。根據(jù)綜合評價(jià)的需要,采用前5個(gè)主成分來代替原來的12個(gè)指標(biāo)變量。

表3　主成分的初始特征值及累計(jì)貢獻(xiàn)率Table 3　The initial eigenvalue and cumulative contribution of the principal component

表4　山藥各品質(zhì)指標(biāo)的主成分載荷Table 4　Principal component loading matrix of yam quality indexes

主成分的載荷系數(shù)絕對值越接近1,得到的主成分越能更好的解釋和命名變量。由表4可知,第一主成分主要以快消化淀粉、多糖、皂苷、淀粉的影響為主,其次是直鏈淀粉,說明在第一個(gè)主成分中主要反映了這5個(gè)指標(biāo)的信息;第二主成分主要以抗性淀粉、脂肪、灰分為主,其次是慢消化淀粉、水分;第三主成分主要以慢消化淀粉為主;第四主成分主要以水分為主,其次是脂肪和直鏈淀粉;第五主成分主要以GI為主。根據(jù)各主成分的貢獻(xiàn)率,說明對山藥品質(zhì)影響最大的是多糖含量、皂苷含量、快消化淀粉含量、直鏈淀粉含量。

表5　10個(gè)山藥品種的主成分得分及排序Table 5　Principal component scores and rankings of 10 yam cultivars

2.5　山藥品質(zhì)的綜合評判

根據(jù)表4中各主成分載荷系數(shù)除以主成分相對應(yīng)的特征值開平方根,可以得到5個(gè)主成分中每個(gè)指標(biāo)所對應(yīng)的系數(shù)(特征向量),從而得到各主成分表達(dá)式,結(jié)果如下,ZX1～ZX12分別表示各原始指標(biāo)變量經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)化處理后的數(shù)值。

Y1=0.379ZX1+0.307ZX2-0.388ZX3+0.204ZX4-0.482ZX5+0.202ZX6-0.096ZX7+0.006ZX8+0.319ZX9-0.010ZX10+0.368ZX11+0.228ZX12

Y2=-0.036ZX1+0.281ZX2-0.044ZX3+0.421ZX4-0.029ZX5-0.361ZX6-0.430ZX7+0.423ZX8-0.058ZX9+0.359ZX10-0.308ZX11-0.110ZX12

Y3=0.160ZX1+0.288ZX2+0.372ZX3-0.354ZX4-0.093ZX5+0.402ZX6-0.235ZX7+0.304ZX8-0.394ZX9-0.039ZX10-0.115ZX11+0.373ZX12

Y4=0.209ZX1+0.201ZX2-0.036ZX3+0.004ZX4+0.061ZX5-0.053ZX6+0.430ZX7-0.230X8-0.417ZX9+0.681ZX10+0.176ZX11+0.011ZX12

Y5=-0.479ZX1+0.344ZX2+0.004ZX3+0.046ZX4+0.225ZX5-0.225ZX6-0.204ZX7-0.395ZX8+0.039ZX9-0.028ZX10+0.174ZX11+0.564ZX12

以各主成分的特征值占所提取主成分特征值之和的比例作為權(quán)重系數(shù),建立主成分綜合得分模型:

Y=0.325Y1+0.266Y2+0.204Y3+0.109Y4+0.095Y5

根據(jù)主成分綜合得分模型可計(jì)算出各山藥品種的綜合得分值,根據(jù)得分進(jìn)行排序,即可對不同品種山藥進(jìn)行綜合評價(jià)比較,結(jié)果見表5。

從表5可以看出,第一主成分Y1值最高的是云南拉市海野生山藥,為3.112,其次是長山細(xì)毛山藥,為2.357;由表4可以看出,第一主成分中以快消化淀粉、多糖、皂苷、淀粉的影響為主,其次是直鏈淀粉,說明云南拉市海野生山藥和長山細(xì)毛山藥的多糖、直鏈淀粉含量較高,這與圖1和表1的結(jié)果相一致。在第二主成分Y2值最高的是長山細(xì)毛山藥,從表4可知,第二主成分主要以抗性淀粉、脂肪、灰分為主,說明長山細(xì)毛山藥的抗性淀粉含量較高,這與表2中的結(jié)果相一致。由于長山細(xì)毛山藥具有較高的多糖、直鏈淀粉以及抗性淀粉,從而使得它在第一與第二主成分上均有較大的載荷,最終導(dǎo)致其綜合得分為1.175,在10個(gè)山藥品種中綜合得分第一。

3　結(jié)論

不同品種、產(chǎn)地的山藥在營養(yǎng)成分含量、活性物質(zhì)含量以及其消化特性上都存在一定的差異,本研究的主要目的在于利用主成分分析方法對10種山藥主栽品種進(jìn)行品質(zhì)評價(jià)分析,同時(shí)通過分析結(jié)果篩選出一種適合糖尿病人食用的山藥品種。通過主成分分析法提取了5個(gè)主成分,方差貢獻(xiàn)率分別為30.54%、24.81%、19.18%、10.23%、8.92%,累積貢獻(xiàn)率為93.68%,在分析結(jié)果的基礎(chǔ)上建立主成分綜合得分模型,主成分綜合得分最高的是長山細(xì)毛山藥,為1.175。第一主成分以快消化淀粉、多糖、皂苷、淀粉的影響為主,其次是直鏈淀粉,其中快消化淀粉、直鏈淀粉這兩個(gè)指標(biāo)與餐后血糖有直接的關(guān)系,山藥多糖經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明有較好的降血糖作用,直鏈淀粉可以減緩餐后血糖上升速度,篩選出來的長山細(xì)毛山藥第一主成分得分為2.357,表明這一品種有較高的多糖、直鏈淀粉以及抗性淀粉,可以作為一種適宜糖尿病人鮮食的山藥品種,同時(shí)可以對長山細(xì)毛山藥進(jìn)行精加工可以作為生產(chǎn)糖尿病人專用主食的一種原料。

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