基于主成分和聚類分析的牦牛部位肉品質評價

李升升 ， 靳義超

（1.青海大學 畜牧獸醫科學院，青海 西寧 810016；2.青海省畜牧獸醫科學院，青海 西寧 810016；3.甘肅農業大學 食品科學與工程學院，甘肅 蘭州730070）

牦牛是主產于青藏高原海拔3 000 m以上，適應高寒生態條件的物種。目前，世界范圍內擁有牦牛1 500多萬頭，其中中國就擁有1 400多萬頭，占世界牦牛數量的90%以上，可見中國是牦牛生產大國[1]。牦牛生長于 “世界第三極”的高海拔、無污染地區，因此牦牛肉是天然綠色食品，而且牦牛肉具有肉質鮮美、高蛋白、低脂肪的特點，使得牦牛肉極具開發價值[2]。然而，當前牦牛肉的銷售還是以按重量銷售為主，沒有實現按質論價，因此牦牛肉的品質評價及精細化分割對牦牛產業的提質增效具有很大的促進作用[3-5]。

目前，對于西門塔爾牛、秦川雜交牛、云南地方牛、黃牛等牛種的部位肉品質進行了研究[6-8]，且我國制定了適用于肉牛屠宰加工企業的牛胴體及鮮肉分割國家推薦標準GB/T27643-2011和適用于我國黃牛和專用肉牛及其雜交后代的牛肉質量分級標準農業行業標準NY/T676-2003。這些標準主要適用于肉牛，然而牦牛是集肉、乳、役用為一體的牛種，且生存環境特殊，為此這些標準是否適用于牦牛的分割分級，有待于進一步驗證和探討。主成分分析和聚類分析是研究者對多樣品多指標的品質分析廣泛采用的方法。主成分分析[9-10]是采用少量綜合指標來代替原來多個指標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；聚類分析[11-13]是將研究對象關系更接近的合并為一類，能夠從樣品數據出發，自動進行分類，著重區分類別內和類別間元素組成，明確分類界限，類別間重要性是等同的。

為此，本文作者結合當前牦牛屠宰分割企業普遍采用的分割方法，以牦牛各部位分割肉的肉色、失水率、蒸煮損失、剪切力等食用品質為基礎，通過方差分析、主成分分析和聚類分析對牦牛部位肉進行品質分析，以期為牦牛肉的品質評價和精細分割提供參考。

1　材料與方法

1.1　材料

選取相同放牧條件下4～5歲的青海環湖地區牦牛15頭進行研究，平均活體質量（240.04±17.88）kg，胴體質量為（140.39±19.07） kg，宰后 2 h 內采集肉樣。

1.2　儀器與設備

ADCI-60-C全自動測色色差計，北京辰泰克儀器技術有限公司產品；C-LM3B數顯式肌肉嫩度儀，東北農業大學工程學院提供；HI98128型酸度計，意大利哈納儀器產品；HH-6電熱恒溫水浴鍋，上海比朗儀器有限公司產品；TP-3001中心溫度計，蘇州市滄浪區泰式電子經營部產品；JM-B3003電子稱，諸暨市超澤衡器設備有限公司產品；ATZ-8型臺秤，華鷹衡器有限公司產品。

1.3　試驗設計

宰前禁食12 h，按清真屠宰方式宰殺，每頭牦牛經宰殺放血，去頭、蹄、內臟，剝皮，劈分的流程進行屠宰處理。參照GB/T27643-2001、NY/T676-2003和青海企業普遍采用的胴體分割方法進行分割，采集板腱、前腱、牛蹍、霖肉、脖肉、針扒、黃瓜條、眼肉、西冷、上腦、里脊、三角肌、燴扒、辣椒條、金錢腱、尾龍扒、牛腩17個部位的分割肉，真空包裝后在4℃條件下儲藏2 d，測定肉色、失水率、蒸煮損失、剪切力等品質指標。

1.4　肉色

從肉樣上切取0.5 cm厚的薄片，在空氣中暴露30 min，在切面上選取3個點，用色差計測定肉色，結果以 L*（亮度）、a*（紅色度）、b*（黃色度）來表示，取3次測定結果的平均值。

1.5　蒸煮損失

通過質量法測定蒸煮損失，取肉樣100 g左右，裝入蒸煮袋中在80℃水浴中熟制，直至其中心溫度達到70℃，取出肉樣，擦干表面水分，根據熟制前后肉塊的質量計算蒸煮損失。

1.6　失水率

通過加壓質量法測定失水率，切取長×寬×高為2.0 cm×1.5 cm×1.0 cm的肉塊，在高度方向上施加1.14×106Pa的壓強，維持壓力5 min，然后釋放壓力，根據加壓前后肉塊質量計算失水率。

1.7　剪切力

將蒸煮后的肉樣，沿肌纖維方向用直徑1.27 cm采樣器平行取3個肉柱，然后用肌肉嫩度儀測定肉樣的剪切力值，每個樣品3個平行，結果取平均值。

1.8　統計分析

采用SPSS19.0進行方差分析、主成分分析和聚類分析。

2　結果與分析

2.1　方差分析

牦牛17個部位肉品質特征如表1所示，對牦牛17個部位肉的色度、持水能力、剪切力指標采用S-N-K法進行多重比較，結果表明各指標均達到極顯著差異（p＜0.01）。從L*值和剪切力的角度看各部位肉可分為7個組；從失水率來看可分為4個組；從b*值來看可分為3個組；從a*值和蒸煮損失來看可分為2個組。

表1　牦牛各部位肉品質特性Table 1　Quality traits of cuts from yak carcass

2.2　主成分分析

主成分分析是將多指標簡化為少量綜合指標的一種統計分析方法，用少數變量盡可能多的反映原來變量的信息，同時保證原信息損失少且變量數目盡可能少的分析方法。按照如下方法建立評估模型，設 X=（X1，X2，…，Xp）′是 p 維隨機變量，它的線性變化如下：

采用新變量PC1代替原來p個變量X1，X2，…，Xp，PC1應盡可能多的反映原變量信息，如果第一主成分不足以代表原變量的絕大部分信息，考慮引入第二主成分PC2，依次類推。在實際應用中主成分不會取p個，通常m（m＜p）個主成分。主成分個數根據各個主成分累計方差貢獻率來最終判定。

本研究中對牦牛17個部位肉的6項品質指標進行主成分分析，結果見表2。從表中可見在本試驗中的第一主成分方差貢獻率僅為35.11%，不足以概括大部分信息，所以不能只提取第一主成分。參考國內外學者的分析方法[14]選擇累積方差貢獻率不低于某一閾值來確定主成分數目，本試驗考察特征值λ≥1的主成分，提取3個主成分因子其累計貢獻率達76.87%，綜合了牦牛部位肉的大部分信息。

表2　主成分分析解釋總變量Table 2　Total variance explained of principal component analysis

主成分的載荷矩陣旋轉之后載荷系數更接近1或者更接近0，這樣得到的主成分能夠更好的解釋和命名變量。由表3可知主成分PC1、PC2和PC3的模型表達式為：

表3　主成分分析旋轉后的成分載荷矩陣Table 3　Rotated component matrix of principal component analysis

第一主成分PC1主要綜合了失水率、蒸煮損失和剪切力的信息，其中失水率和蒸煮損失反映牦牛肉持水性的指標在第一主成分上呈正向分布，剪切力呈負向分布，即在PC1坐標正向，PC1越大，牦牛肉的失水率和蒸煮損失越大，剪切力越小，PC1可命名為適口性指標。第二主成分PC2主要綜合了L*值和b*值的信息，L*值代表了亮暗，L*值為正向指標，即在PC2正向坐標上值越大，L*值越大，牦牛肉色越亮，PC2可命名為亮度指標。第三主成分PC3主要綜合了a*值，a*值代表了紅綠顏色，a*值為負向指標，即在PC3負向坐標上值越大，a*值越大，牦牛肉顏色越紅，PC3可命名為紅度指標。PC2和PC3也可綜合稱為色度指標。

本研究中第一主成分PC1、第二主成分PC2分別包含了原來信息量的35.11%和25.13%。研究者普遍采用PCA得分圖反映樣品與指標間的關系，由圖1能夠直觀的看出里脊的PC1得分為-0.18，其他部位肉的PC1得分范圍在0.07～0.81之間，這與里脊肉與其他肉相比剪切力最小，失水率和蒸煮損失最大是一致的；前腱、牛蹍和眼肉的得PC2分范圍在-0.02～-0.09之間，均為負值，而其他部位肉塊的PC2得分范圍在0.19～0.82之間，均為正值，這與前腱、牛蹍和眼肉的L*值和b*值的指標非常接近是一致的；辣椒條和燴扒的PC3得分分別為-0.53和-0.01，而其他部位肉的PC3得分范圍在0.02～0.72之間，辣椒條的PC3值與燴扒的PC3值相比相差很大，表明PC3可明顯的將辣椒條與其他肉分開。

圖1　主成分因子得分Fig.1　Factor score of principal component analysis

2.3　聚類分析

在解決實際問題過程中，將多樣本對象分類時，選擇單因素分類不足以全面綜合的描述其差別，因此需要考慮多方面因素進行分類，聚類分析就是結合研究對象或者指標的諸多特性進行分類的方法。聚類分析是將樣品按照品質特性相似程度逐漸聚合在一起，相似度最大的優先聚合在一起，最后按照類別的綜合性質進行多個品種或指標的聚合，從而完成聚類的分析方法。本試驗對17個部位牦牛肉采用中位數聚類法進行系統聚類分析。從聚類分析譜系圖來看，當類間距離=15時，17個樣品分為五類。第一類聚集了前腱、眼肉、牛蹍、針扒、金錢腱、脖肉、三角肌、尾龍扒、西冷9個樣品，這一類聚集了亮度值相近的一類肉，這與PC1和PC3的主成分得分圖基本一致；第二類聚集了板腱、上腦、燴扒、霖肉、里脊、黃瓜條6個樣品，這一類聚集了持水能力和剪切力相近的一類肉，同時也是主要來自于牦牛胴體的后軀的肉，這2類與PC2和PC3主成分得分圖一致。牛腩、板腱和辣椒條各自聚為一類，最后又聚到前2類中。整體來看，聚類的結果就是把各部位肉分為前后胴體2大部分的肉，且后部胴體在持水能力和剪切力方面優于前部胴體。

圖2　聚類分析圖Fig.2　Dendrogram of Hierarchical cluster analysis

3　結語

國內外的學者研究表明，嫩度[15-18]是牛肉品質評價的主要依據，嫩度的形成不僅與宰前肉品的年齡、部位、營養狀況相關，還與宰后尸僵、成熟、熱處理等因素相關[19-20]。同時，國內外學者對胴體分割的問題也有研究，Kukowski[21]和Jeremiah[22]在消費者嗜好性調查中發現中部胴體肉塊具有更好的嫩度適口性。也有專家對部位肉的品質形成進行了深入的研究，Dubost等[23]研究了不同部位肌肉內部結締組織結構和組成與其肉質的關系，表明當結締組織網絡的發育程度較差時，后部胴體也可獲得較好的嫩度。牦牛是生長海拔3 000 m以上的物種，其生活條件惡劣，其整體發育情況較差，尤其是脂肪含量較黃牛等牛肉都低，充分說明牦牛肉的品質與分割有不同于黃牛之處。從傳統肉牛屠宰分割產業來看，上腦、西冷、眼肉是典型的高檔部位，而對于牦牛，這3個部位肉的嫩度均較差、失水率和蒸煮損失較大，與高檔部位肉塊的品質有較大差異。反而是黃瓜條、尾龍扒、三角肌、霖肉等部位肉具有較好的嫩度?？梢?，對于牦牛而言，品質較好的肉塊與傳統肉牛的分割方式還是有一定的差異。

本研究中對青海環湖地區的15頭牦牛胴體的17個部位肉的品質指標進行了測定，并對結果進行了分析。結果表明牦牛17個部位肉的色度、持水能力、剪切力指標均達到極顯著差異（p＜0.01）。主成分分析提取了3個主成分反映原變量的76.87%的信息，主成分得分圖直觀的得到各部位肉與主成分之間的關系。明確區分出了里脊、前腱、牛蹍和眼肉，辣椒條與其他部位肉。聚類結果把牦牛胴體各部位肉分為前后2大部分的肉，且后部胴體品質優于前部胴體。本研究中對牦牛部位肉從色度、持水能力和剪切力3方面進行了分析，表明牦牛后部胴體肉優于前部胴體，為牦牛肉品的分割和開發提供了理論支持，然而并沒有從營養品質和消費者偏好等方面進行分析，因此對于牦牛部位肉的品質評價和分割有一定的指導意義，但還需要深入的研究為牦牛肉的精細化分割提供理論依據。

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