臭氧和超聲波對鮮切蓮藕品質影響的主成分分析

劉曉燕，李洪怡，蘇燕，何靖柳,2，秦文*

1(四川農業大學 食品學院，四川 雅安，625014) 2(雅安職業技術學院，四川 雅安，625000)

蓮藕(NelumbonuciferaGaertn)，簡稱蓮，別名蓮菜、荷藕等，屬于多年生水生植物，在我國已種植3 000多年，是一種重要的、廣泛的水生經濟作物[1-3]。鮮切蓮藕因其新鮮、方便、營養豐富日益受到國內外市場的青睞[4-5]。然而蓮藕經過去皮、切分等加工過程導致細胞完整性破壞，呼吸速率極快，酶促褐變加強，相對于整節更容易發生品質劣變，嚴重影響其食用價值和商品價值[6]。目前已有許多關于鮮切蓮藕保鮮的報道，如GAO等[7]用乙醇結合抗壞血酸處理鮮切蓮藕，可以對鮮切蓮藕褐變和微生物生長進行有效的雙重控制，延長其貨架期。黃楊敏[8]等發現，15 g/L魔芋葡甘聚糖+1.5 g/L黃原膠+0.5 g/L植酸復合涂膜能有效的抑制鮮切蓮藕表面褐變，減少營養物質的損失，具有較好的保鮮效果。超聲波和臭氧作為2種安全的物理保鮮方法在鮮切蔬菜保鮮中有相應的報道[9-11]，但多數是將其獨立或者結合其他的保鮮方法使用，未見臭氧和超聲波結合應用在鮮切蓮藕的保鮮上。

近年來隨著鮮切產品市場的需求，鮮切蓮藕的需求也逐漸增多，而鮮切蓮藕的貯藏保鮮是其產業發展亟需解決的問題。影響鮮切蓮藕品質的主要包括硬度、可溶性固形物、褐變度、PPO活性等，這些因子之間的綜合效應反應了蓮藕的品質特性。主成分分析法(principal component analysis，PCA)也稱主分量分析，是一種常用的多變量分析統計方法，是一種通過降維技術，根據貢獻率用少數幾個具有代表性的綜合指標代替多個原始變量，化繁為簡的多元統計分析方法[12]。該方法能夠在最大限度地保留原始數據信息的基礎上，對高維變量進行綜合和簡化，并且能夠客觀地確定各指標的權重，已經廣泛被應用到果蔬品質分析中[13-14]，目前尚未有采用PCA分析蓮藕品質的報道。

本實驗采用臭氧、超聲波、臭氧結合超聲波、蒸餾水4種方式清洗鮮切蓮藕，采用主成分分析法對鮮切蓮藕相關生理生化指標行分析，建立綜合評價函數，以期得出最佳清洗方式，延長鮮切蓮藕貨架期。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

1.1.1 材料與試劑

鄂蓮7號蓮藕(NelumbonuciferaGaertn Elian No.7)，購于雅安市農貿市場，處理前放入4 ℃冰箱；冰醋酸、乙酸鈉、TritonX-100、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、聚乙二醇6000(PEG6000)、鄰苯二酚、NaCl、營養瓊脂培養基等均為分析純，成都科龍化工試劑廠。

1.1.2 主要儀器設備

Varioskan flash型全波長酶標儀，美國Thermo Fisher Scientific公司；Multifuge X3R型高速冷凍離心機，美國Thermo Fisher Scientific公司；NR10QC型全自動手持色差儀，深圳市三恩馳科技有限公司；JY-B型活性臭氧發生器，徐州金源臭氧有限公司；PS-60AL型超聲波清洗器，深圳市深化泰超聲波清洗設備有限公司；SW-CJ-1F型單人雙面凈化工作臺，蘇州凈化工程公司。

1.2 測定指標與方法

1.2.1 樣品處理

選取新鮮、藕節完整、無機械損傷的蓮藕洗凈去皮，用切片器均勻切分成5 mm左右的薄片，用手動甩干機快速甩干藕片表面水分,分成4個處理組(每組約200 g)，分別為按表1進行清洗處理，均在20 ℃下進行，然后分別用聚乙烯包裝袋(厚度：32 μm；尺寸：15 cm×22 cm)包裝后放入4 ℃環境中模擬冷藏貨架,每2 d檢測1次。

表1 不同處理方式Table 1 Different processing methods

1.2.2 色差

采用NR10QC手持色差儀測定鮮切蓮藕切片的L*、a*、b*值，每個處理進行20次平行測定，L*表示樣品表面的明暗程度，L*值越大表明樣品越白，反之褐變越嚴重，+a*表示紅色程度，-a*表示綠色程度；+b*表示黃色程度，-b*表示藍色程度，ΔE*表示樣品的總容差[15]，由公式(1)計算得到。

(1)

1.2.3 硬度

用質構儀的P5圓柱型測試探頭，采用TPA模式，質構參數：測前速度為1.0 mm/s、測中速度1.0 mm/s、測后速度5 mm/s，壓縮力為30%、觸發力5 g，測定蓮藕中心部位平行測10次取平均值。

1.2.4 可溶性固形物

每次稱取磨碎的蓮藕樣品10 g，采用紗布擠出汁

液，采用阿貝折光儀測定，平行測定3次，結果取平均值。

1.2.5 相對電導率

參照曹建康[16]的方法，采用電導率儀測定細胞內電解質的滲出量。

1.2.6 失重率的測定

采用稱量法[16]稱取每組樣品，分別記錄鮮切蓮藕貯藏前的質量和不同貯藏時期的質量按公式(2)計算失重率：

(2)

式中：m1為貯藏前質量，g；m2為取樣時質量，g。

1.2.7 褐變度的測定

采用消光值法[17]。隨機稱取蓮藕樣品1.0 g 于研缽中, 加入 5 mL 蒸餾水, 在冰浴上研磨成勻漿, 轉移至離心管于10 000 r/min 離心20 min, 取上清液部分于25 ℃保溫 5 min，測定410 nm處的吸光值，以10×A410表示褐變度。

1.2.8 PPO活性的測定

參照曹建康[16]的方法略做改動。酶液的制備：稱取5.0 g蓮藕組織樣品，置于研缽中，加入5.0 mL提取緩沖液，在冰浴條件下研磨成勻漿，于4 ℃、12 000×g離心15 min，收集上清液即為酶提取液?；钚詼y定：取1支試管，加4.0 mL 50 mmol/L、pH 5.5的乙酸-乙酸鈉緩沖液和1.0 mL 50 mmol/L鄰苯二酚溶液，最后加入200 μL的酶提取液，同時立即開始計時，將反應混合液加入到酶標儀板中，置于酶標儀樣品室中。同時以蒸餾水為參比，在420 nm處測定其吸光度，在反應前15 s時開始記錄，然后每隔30 s記錄1次，連續測定，至少獲取6個點的數據，重復3次，以活性曲線最初直線部分的斜率計算酶活性。以1 g樣品每30 s吸光值變化0.001為1個活性單位。

1.2.9 菌落總數的測定

參照GB4789.2—2016。

1.2.10 感官評價

參照夏天龍[18]的方法并稍作修改，如表2所示。

表2 感官評價標準Table 2 Standard of sensory evaluation

1.2.11 數據處理

采用SPSS 20.0軟件對數據進行方差分析和主成分分析，用鄧肯氏多重比較(Duncan’ s new multiple range test)對差異顯著性進行分析，p<0.05表示差異性顯著，用Origin 8.0作圖。

2 結果與分析

2.1 鮮切蓮藕貯藏期間品質指標數值與相關性分析

表3和表4顯示了臭氧、超聲波、臭氧結合超聲波和蒸餾水4種處理對鮮切蓮藕貯藏期間生理生化指標的影響，結果表明，隨著貯藏時間的延長，蓮藕的L*值、b*值、可溶性固形物、氣味得分、硬度呈現下降趨勢，通過相關性分析(表5)在整個貯藏期間，L*值、b*值、可溶性固形物、氣味得分、硬度相關性較大。在貯藏12 d時，相對于蒸餾水處理組，通過臭氧和超聲波處理組能有效的抑制鮮切蓮藕的硬度、可溶性固形物含量的降低，保持其較好感官品質。

表3 臭氧和超聲波對鮮切蓮藕貯藏期間品質的影響Table 3 Effects of Ozone and ultrasound treatments on fresh-cut lotus root during storage

表4 臭氧和超聲波對鮮切蓮藕貯藏期間品質的影響Table 4 Effects of Ozone and ultrasound treatments on fresh-cut lotus root during storage

續表4

時間/d可溶性固形物/%氣味得分PPO活性/(min·g)褐變度(A410nm)硬度/g菌落總數[lg(CFU/g)]X7X8X9X10X11X12超聲波05.650±0.071a9.000±0.816a15.906±0.119a0.079±0.006a3 555.170±89.446a2.968±0.020a25.500±0.000a8.400±0.843a27.345±2.717a0.087±0.009ab3 488.312±47.314b3.708±0.024b45.550±0.071a8.000±0.816a13.116±0.989b0.097±0.008b3 332.117±131.506a5.161±0.038b65.450±0.071a7.500±0.972b18.489±2.105a0.124±0.004b3 047.421±185.470a6.051±0.025b85.500±0.000bc6.429±0.787b9.267±1.459a0.142±0.006c3 050.877±119.057ab7.061±0.032b105.300±0.141b5.714±0.756b11.950±1.989b0.136±0.001c2 934.269±80.075a7.290±0.019b125.200±0.000b4.800±0.837ab5.054±1.048b0.161±0.003c2 947.038±80.963a7.416±0.057ab臭氧結合超聲波05.750±0.071a8.750±0.957a16.887±0.829ab0.074±0.001a3 567.534±157.410a2.903±0.214a25.600±0.000a8.500±0.527a26.622±0.814a0.079±0.005a3 517.111±115.866b3.385±0.036a45.600±0.000a8.000±0.816a10.628±1.510c0.080±0.006a3 474.033±61.713a4.961±0.017a65.550±0.071a7.700±0.675b14.298±1.604b0.083±0.001a3 442.346±88.751c5.530±0.032a85.550±0.071c6.571±0.976b9.833±0.359a0.092±0.008a3 240.851±117.202c6.712±0.042a105.400±0.141b5.857±1.069b7.687±0.556a0.122±0.004a3 022.526±68.324a7.246±0.059b125.250±0.071b5.800±1.095b4.689±0.259b0.131±0.006a3 119.952±109.889a7.349±0.073aCK05.700±0.141a8.500±0.577a17.288±0.029ab0.085±0.005b3 442.000±45.782a3.009±0.052a25.600±0.000a8.500±0.699b25.465±0.652a0.093±0.003b3 242.473±144.686a4.002±0.037c45.500±0.000a7.750±0.816a33.582±0.486d0.107±0.005b3 246.272±117.317a5.441±0.024c65.400±0.141a7.500±0.823a20.707±1.286a0.161±0.007c3 025.303±65.870a6.097±0.030b85.250±0.071a5.571±0.756a13.645±0.764c0.113±0.003b2 907.568±45.833a7.121±0.132b105.050±0.071a5.286±0.690a15.471±1.578c0.206±0.007d3 012.237±45.606a7.330±0.061b125.050±0.071a3.800±0.837a7.838±0.062b0.228±0.005d2 922.153±80.994a7.501±0.024c

注X:平均值±標準誤差(Mean±Standard Error)；鄧肯氏多重比較(Duncan’ s new multiple range test)，標注不同小寫字母表示同一天不同處理組0.05水平顯著性差異。

從表3和表4中可知，ΔE*值、褐變度、失重率、菌落總數隨著貯藏時間的延長而增加，ΔE*值表示了蓮藕經切割后總體的色差變化，ΔE*值越大，樣品褐變越嚴重，整個貯藏期間ΔE*值呈上升趨勢，同時由表5可知，ΔE*值與褐變度相關性較大，其變化基本一致，而相對于其他處理組臭氧結合超聲波處理在貯藏末期其ΔE*值處于最低水平(p<0.05)。PPO在整個貯藏期間呈先增大后降低的趨勢，不同處理組PPO活性達到最高點時間不同，其原因可能是因為蓮藕經過切分，破壞了蓮藕組織細胞，誘導了組織中的多酚氧化酶活性，短時間內快速增長[19]。同樣的，對于貯藏期間菌落總數的變化整體呈上升趨勢，通過相關性分析發現，菌落總數與褐變度、失重率、ΔE*值、a*值相關性較大，這說明鮮切蓮藕的褐變程度、失重率、ΔE*值、a*值等與微生物的繁殖有較大關系。因此采用主成分分析方法，可以將12個指標轉換為2～3個主成分，并且這些主成分既互不相關，又能綜合反映原指標，從而對不同清洗處理后鮮切蓮藕的品質進行評價，篩選出合適處理方式。

2.2 不同清洗處理鮮切蓮藕品質指標的主成分分析

采用隸屬函數進行標準化處理，通過SPSS 20.0軟件對標準化值進行主成分分析。經SPSS軟件分析得到，KMO(Kaiser-Meyer-Olkin)檢驗系數為0.832，且巴特利特球形檢驗(Bartlett)統計值的顯著概率為0.000，說明原始變量可以進行主成分分析[20]。通過SPSS 20.0軟件將鮮切蓮藕貯藏期間的12項指標轉化為12個主成分(表6)。結果表明，前2個主成分的貢獻率分別為75.986%，9.872%，累計貢獻率為85.858%，可以代表各成分大部分的信息。因此，選取前2個主成分作為鮮切蓮藕貯藏品質的重要主成分。

通過SPSS 20.0軟件做出鮮切蓮藕貯藏期間的2個主成分的特征向量(表7)和12項指標的載荷圖(圖1)。第一主成分反應L*值、a*值、b*值、ΔE*值、褐變度、菌落總數、失重率、氣味得分、硬度、可溶性固形物10個成分指標的信息；第2主成分方差反映相對電導率和PPO活性2個成分的信息。通過載荷絕對值大小進行分析，絕對值越大對成分貢獻率越大，由此得到第1主成分中貢獻率大小順序為：ΔE*值(-0.979)>L*值(0.970)>a*值(-0.964) >失重率(-0.939)>可溶性固形物(0.937)>硬度(0.929)>菌落總數(-0.926)>氣味得分(0.915)>褐變度(-0.913)>b*值(0.911)。第2主成分中貢獻率大小順序為：相對電導率(0.856)>PPO活性(0.580)通過成分得分系數矩陣(表8)，以第1、2主成分(Y1、Y2)的得分系數為權重，得出式(3)和(4)，計算2個主成分的得分，最后運根據貢獻率(表6)，得到式(5)，通過式(5)計算各個處理組對鮮切蓮藕保鮮效果的綜合得分(Z)(圖2)。

表6 清洗處理對鮮蓮藕貯藏期間品質影響的特征值和貢獻率Table 6 Eigenvalue and contribution rate of effects ofsanitizers treatments on fresh-cut lotus root during storage

表7 2個主成分的特征向量Table 7 The eigenvectors of 2 PCAs

圖1 清洗處理對鮮切蓮藕貯藏期間品質影響在主成分空間上的載荷Fig.1 Loading diagram in principal component space of effects of sanitizers on fresh-cut lotus root during storage

因子成分12L?值(X1)0.106-0.056a?值(X2)-0.1060.115b?值(X3)0.100-0.172ΔE?值(X4)-0.1070.085失重率(X5)-0.103-0.064相對電導率(X6)0.0090.723可溶性固形物(X7)0.103-0.12PPO活性(X8)0.0610.49褐變度(X9)-0.1-0.017氣味(X10)0.10.047硬度(X11)0.102-0.009菌落總數(X12)-0.102-0.086

Y1=0.106X1-0.106X2+0.100X3-0.107X4-0.103X5+0.009X6+0.103X7+0.061X8-0.100X9+0.100X10+0.102X11-0.102X12

(3)

Y2=-0.056X1+0.115X2-0.172X3+0.085X4-

0.064X5+0.723X6-0.12X7+0.49X8-0.017X9+0.047X10-0.009X11-0.086X12

(4)

Z=0.759 86Y1+0.098 72Y2

(5)

圖2 清洗處理對鮮切蓮藕貯藏期間品質影響的綜合得分Fig.2 Comprehensive score of effects of sanitizers on fresh- cut lotus root during storage

由圖2可知，鮮切蓮藕經過不同處理后，隨著貯藏時間延長，綜合得分呈下降趨勢，且經過臭氧和超聲處理的3組綜合得分均高于蒸餾水處理組，而臭氧結合超聲波處理后的鮮切蓮藕綜合得分在整個過程中都高于其他3組。臭氧處理組和超聲波處理組隨著時間的延長，綜合得分差異不顯著(p>0.05)，同時由表4可知，臭氧結合超聲波處理能有效的抑制鮮切蓮藕褐變，且減少了菌落總數、PPO活性的增加，同時也緩解了鮮切蓮藕失水狀況。在貯藏12 d時，不同清洗處理組得分依次為：臭氧結合超聲波(-0.003 29)>超聲波(-0.119 89)>臭氧(-0.164 68)>蒸餾水(-0.188 32)，說明臭氧結合超聲波處理鮮切蓮藕保鮮效果最佳，隨后依次為超聲波處理、臭氧處理，蒸餾水處理效果最差。

研究表明，臭氧、超聲波以及臭氧結合超聲波處理組褐變度、ΔE*值、PPO活性均低于對照組，且綜合評價值也高于對照組，其中臭氧結合超聲波處理綜合評分最高，褐變度最低，可見臭氧和超聲波處理均可以在一定程度上抑制鮮切蓮藕的褐變，有利于其外觀色澤的保持，且二者復合效果最佳。張永清[10]、李新楠等[21]也探究了臭氧水處理對鮮切蓮藕保鮮效果，與對照相比，臭氧水處理能有效的能夠降低鮮切蓮藕的失重率和菌落總數，有效延緩丙二醛含量的上升和藕L*值的下降，抑制PPO的活性，防止褐變，同時使可溶性固形物和硬度維持在較高水平。目前超聲波應用在鮮切蓮藕的保鮮上研究較少，但在其他鮮切產品保鮮的應用上已有較好的效果，AMARAL[22]等研究表明,超聲波處理能夠顯著抑制鮮切馬鈴薯的褐變，維持較低的PPO活性，與本研究結果一致。

主成分分析是利用幾個較少的綜合指標反映原來指標的一種統計方法，已廣泛應用在環境、化學、醫藥等許多領域[23]。然而該分析方法在鮮切蓮藕貯藏期間品質分析中應用較少，同時對于不同的品質指標，其計量單位不同，所以數據量綱也不一致，因此，需要對原始數據進行合理轉化[24]。按主成分分析理論，若前r個主成分的累計貢獻率超過 85% ，則這r個主成分即能反映足夠的信息[25]。馬慶華等[26]采用隸屬函數法對冬棗果實品質的各項原始數據進行了轉化提取出6個特征根>1的公因子，累計方差貢獻率為80.571%，基本上能選出優良品種。劉科鵬等[24]采用采用隸屬函數和反隸屬函數法對原始數據進行轉化提取了不同園地‘金魁’獼猴桃果實4個主成分，累積貢獻率為87.84%，揭示了不同園地‘金魁’獼猴桃果實品質的差異。李偉等[27]也利用主成分分析法提取了7個主成分比較了不同地區34個品種的楊梅品質的差異性，累積方差貢獻率達到83.51%，構建了楊梅綜合品質評價模型，篩選出了品質較好的品種。本研究通過主成分分析構建的綜合評價模型發現臭氧結合超聲波處理鮮切蓮藕相對于單獨用臭氧、超聲波及蒸餾水處理更能有效的保持蓮藕的品質，延長了鮮切蓮藕的貨架期。同時將12個品質指標綜合簡化，提取了2個主成分，用隸屬函數轉化后的數據主成分分析結果顯示特征根 >0.9的主成分累積貢獻率為85.858%，完全符合分析要求。因此，采用主成分分析方法探討果蔬品質變化規律，可以為其貯運保鮮提供一定的理論依據。

3 結論

本文分析了不同清洗處理下鮮切蓮藕品質差異，通過測定鮮切蓮藕L*值、a*值、b*值、ΔE*值、失重率、相對電導率、可溶性固形物、褐變度、PPO活性、硬度、菌落總數等12個指標進行主成分分析，建立綜合評價模型，得到每個處理的最終綜合得分。

(1)通過主成分分析提取了前2個主成分，累積方差貢獻率達到85.858%，能夠代表原來12個指標的絕大部分信息；其中第一主成分方差貢獻率為75.986%，第二主成分方差貢獻率為9.872%。

(2)L*值、a*值、b*值、ΔE*值、褐變度、菌落總數、失重率、氣味得分、硬度、可溶性固形物在第1主成分上有較好載荷，相對電導率和PPO活性在第2主成分上載荷較高，比較第一主成分中貢獻率大小為ΔE*值>L*值>a*值>失重率>可溶性固形物>硬度>菌落總數>氣味得分>褐變度>b*值。第2主成分中貢獻率大小順序為：相對電導率>PPO活性。

(3)用2個主成分對不同清洗處理的鮮切蓮藕進行綜合評價，計算主成分得分及綜合得分，建立了綜合評價函數：Z=0.759 86Y1+0.098 72Y2。

(4)通過主成分分析得到4種處理后的鮮切蓮藕綜合品質從高到底為：臭氧結合超聲波處理>超聲波處理>臭氧處理>蒸餾水處理。

綜上所述，臭氧和超聲波結合使用有利于鮮切蓮藕的貯藏保鮮，而二者單獨使用效果不明顯，本文只簡單的對臭氧和超聲波以及二者聯合使用相對于未采用物理保鮮方式進行比較，而未進一步深入的研究處理濃度、處理時間，處理溫度，以及超聲波處理功率等對鮮切蓮藕保鮮效果的影響，本實驗所建立的鮮切蓮藕品質評價模型與其他品質評價體系是否具有很好的一致性，尚需要進一步研究。因此，在今后的研究過程中可以針對這些問題做進一步研究，為其品質評價提供更加科學和直觀的依據。

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