基于主成分分析的鮮海帶營養品質評價

姜 雪,劉 楠,孫 永,周德慶,*

(1.中國水產科學研究院黃海水產研究所,海洋國家實驗室海洋藥物 與生物制品功能實驗室,山東青島 266071; 2.上海海洋大學食品學院,上海 201306)

海帶是一種屬于褐藻門海帶目海帶科的大型可食用藻類,營養豐富,食藥兼用,主要產自我國山東、福建、浙江、廣東、江蘇、遼寧等地區[1]。海帶不僅營養豐富,還具有藥用價值,它含有豐富的褐藻膠、甘露醇、蛋白質、碘、鈉、鉀、鈣、鎂和多種維生素營養成分,有抗氧化[2]、抗腫瘤[3]、降血壓、降血糖、抗病毒等多種活性功能,被譽為天然的保健食品[4]。

姚海芹等[5]對食用海帶品系營養成分進行了分析與評價,除灰分外,海帶基本營養成分中粗蛋白、褐藻膠、甘露醇含量較高,礦物質元素中鈣、鎂、鐵等元素含量較高。紀明候[6]則對我國不同地區海帶的主要成分進行了研究,發現大連海帶與青島海帶的甘露醇、碘、鉀的含量均不同。盛曉風等[7]通過對不同生長時期海帶營養成分的研究發現,海帶中甘露醇、褐藻膠、碘、粗蛋白含量分別在4月、6月、6～7月、2月達到最高,主要礦物質元素也呈現規律性變化。研究發現[5]，海帶中呈味氨基酸占總氨基酸含量的50%～60%,使其具有濃郁的海鮮味,可作為優質的天然調味料。因此,選取上述各類成分作為評價海帶營養品質的參數。

統計分析方法具有方便快捷、科學可靠、全面系統等優點,能簡化評價程序,綜合評價多項指標。主成分分析法作為最常用的統計分析方法之一,采用數據降維技術,化繁為簡,從多個變量中篩選出具有代表性的幾個獨立的新的綜合變量,進而尋求變量間的線性關系[8],目前已廣泛應用于果蔬、發酵食品等加工專用品種的篩選、質量評價等研究領域[9-11]。本研究采用主成分分析法對不同地區鮮海帶的營養品質進行評價,以期為科學地評價鮮海帶品質優劣、指導海帶養殖和加工提供一定的理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

13個海帶樣品 樣品1、2、3號采集自遼寧大連地區,樣品4、5、6采集自福建霞浦地區,樣品7、8、9、10、11、12、13號采集自山東榮成地區,采集海帶均為成熟期“黃官1號”海帶;鹽酸、硫酸、硫酸銅、硫酸鉀、石油醚、氫氧化鈉、硼酸、氫氧化鉀等 分析純,國藥集團化學試劑有限公司。

XT5118-OV50電熱鼓風干燥箱 杭州雪中炭有限公司;DK-98-II萬用電爐 天津市泰斯特儀器有限公司;400Y多功能粉碎機 浙江省永康市鉑歐五金制品有限公司;HH-11-4數顯恒溫水浴鍋 常州諾基儀器有限公司;KQ-300VDE電子天平 北京賽多利斯科學儀器有限公司;Milli-Q超純水系統 Millipore公司;STARTER 3100 PH計 奧豪斯儀器有限公司;ZHTY-50小型恒溫振蕩培養箱 上海知楚儀器有限公司;Optima5300D全譜直讀等離子體發射光譜儀 美國PE公司;L-8800全自動氨基酸分析儀 日本日立公司。

1.2 樣品前處理

用去離子水將鮮海帶表面洗凈,于自然條件下晾干,40 ℃烘至恒重后磨粉,過60目篩,于干燥器中儲存備用。

1.3 營養成分含量的測定

膳食纖維:采用GB 5009.88-2014;褐藻膠:采用重量法[12];甘露醇:采用過碘酸鹽氧化法[13];碘:采用GB 5009.267-2016;氨基酸:采用GB 5009.124-2016;鎂、錳:采用GB/T 5009.90-2003;鉀、鈉:采用GB/T 5009.91-2003;鈣:采用GB 5009.92-2016;鐵:采用GB 5009.90-2016;鋅:采用GB/T 5009.14-2003;磷:采用GB 5009.87-2016。

1.4 數據處理

采用Excel 2003軟件進行數據統計,采用SPSS 20.0軟件對實驗數據進行統計分析。將所選鮮海帶的19個與其營養品質密切相關的指標(變異系數≥15%),即膳食纖維、褐藻膠、甘露醇、碘、谷氨酸、天冬氨酸、甘氨酸、丙氨酸、絲氨酸、脯氨酸、蛋氨酸、鎂、鉀、鈣、鐵、鋅、錳、磷、鈉分別用X1、X2、X3、X4、X5、X6、X7、X8、X9、X10、X11、X12、X13、X14、X15、X16、X17、X18、X19表示,并用SPSS 20.0軟件對其進行相關性分析和主成分分析。首先,將原始數據進行標準化處理,計算出各營養成分指標的特征值和方差貢獻率,并以累計方差貢獻率大于85%為依據,確定主成分的個數;其次,根據初始因子載荷矩陣及各主成分的特征值，計算得到各主成分系數向量,進而得到各主成分的函數表達式,再以各主成分所對應的特征值占所提取主成分總的特征值之和的比例作為權重，計算出主成分綜合得分模型[14];最后,根據主成分綜合得分模型計算各鮮海帶樣品的綜合得分,確定排名次序,選擇出衡量鮮海帶營養品質評價的重要指標。

2 結果與分析

2.1 鮮海帶的主要營養成分指標

由表1可知,13個鮮海帶樣品之間營養成分變異幅度均較大,其中,鐵元素的變異程度最大,變異系數為97%,鋅元素和錳元素次之,均為66%,其次是磷元素(58%),其余指標的變異系數均高于15%,表明不同地區鮮海帶之間的營養品質差異明顯,適于進行主成分分析,對其營養品質進行評價。

表1 13種鮮海帶的主要營養成分指標Table 1 Major nutrition index of 13 kinds of fresh kelps

2.2 鮮海帶營養成分的相關性分析

由表2可知,鮮海帶的膳食纖維含量與褐藻膠、鈣元素含量成極顯著(p<0.01)正相關;鈣元素含量與甘氨酸、鉀元素含量成極顯著負相關(p<0.01);甘露醇含量與甘氨酸含量成極顯著負相關(p<0.01),與絲氨酸、脯氨酸含量成顯著負相關關系(p<0.05);鈉元素含量與甘露醇、鐵元素含量成極顯著正相關(p<0.01),與絲氨酸含量成極顯著負相關(p<0.01);蛋氨酸含量與碘、脯氨酸含量成極顯著正相關(p<0.01);鉀元素含量與丙氨酸含量成極顯著正相關(p<0.01),與褐藻膠含量成極顯著負相關(p<0.01);谷氨酸含量與絲氨酸含量成顯著正相關(p<0.05),鎂元素含量與天冬氨酸含量成顯著負相關(p<0.05)。說明這些營養品質指標之間存在著密切的聯系,且存在信息上的重疊,導致評價結果會出現一定的偏差,使得評價結果不科學。通過主成分分析的降維,可把復雜的數據簡單化,科學地對鮮海帶的品質進行評價。

表2 13種鮮海帶的主要營養成分指標之間的相關性Table 2 Correlation coefficients amomg major nutrition indexes of 13 kinds of fresh kelps

2.3 鮮海帶營養成分的主成分分析

將13種鮮海帶的19個營養成分指標進行標準化處理后進行主成分分析。由表3可知,第1主成分的特征值為4.688,方差貢獻率為24.674%,累計方差貢獻率為24.674%,是最重要的主成分;第2、3、4、5主成分的重要性依次減少,前5個主成分的累計方差貢獻率已達到87.428%,即這5個主成分能反映出全部鮮海帶的19個營養成分指標的絕大部分信息,因此可選取這5個主成分作為鮮海帶營養品質的綜合評價指標。

表3 13種鮮海帶營養品質的主成分分析的方差貢獻率Table 3 Variance contribution rates of principal component analysis of the nutrition quality of 13 kinds of fresh kelps

主成分載荷矩陣反映了各品質指標對此主成分的影響程度。由表4可知,在第1主成分中,X7和X9有較大的正系數值,與第1主成分高度正相關,X3有較大的負系數值,與第1主成分負相關,說明第1主成分大時,甘氨酸和絲氨酸兩個指標的含量會增大,而甘露醇含量會減少。由于甘氨酸和絲氨酸都屬于甜味氨基酸,因此可將第1主成分稱為甘露醇及甜味氨基酸指標。

表4 13種鮮海帶營養品質的主成分載荷矩陣Table 4 Loading matrix of principal components of the nutrition quality of 13 kinds of fresh kelps

第2主成分中,X4、X16和X17有較大的正系數值,與第2主成分高度正相關,說明第2主成分大時,碘、鋅、錳元素含量會增大。由于碘、鋅、錳元素都屬于微量元素,因此可將第2主成分稱為微量元素指標。

第3主成分中,X12有較大的正系數值,與第3主成分高度正相關,X6有較大的負系數值,與第3主成分負相關,說明第3主成分大時,鎂元素含量會增大,而天冬氨酸的含量會減少。由于天冬氨酸屬于鮮味氨基酸,因此可將第3主成分稱為鎂元素和鮮味氨基酸指標。

第4主成分中,X1和X2有較大的正系數值,與第4主成分高度正相關,說明第4主成分大時,膳食纖維和褐藻膠含量會增大。第4主成分主要反映了鮮海帶中海帶多糖含量的變化,因此可將第4主成分稱為多糖指標。

第5主成分中,X13和X18有較大的正系數值,與第5主成分高度正相關,說明第5主成分大時,鉀和磷元素含量會增大。

以上結果表明，鮮海帶的營養品質可由甘露醇、海帶多糖、甜味氨基酸、鮮味氨基酸和礦物質元素來表征。

2.4 不同地區鮮海帶營養成分的主成分得分和綜合評價

由初始因子載荷矩陣及表3中各主成分的特征值可計算得到各主成分系數向量,與標準化的數據相乘后即可得到5個主成分的函數表達式(式中ZX表示標準化后的數據)。

F1=0.0388ZX1-0.1316ZX2-0.3778ZX3+0.0864ZX4+0.2868ZX5+0.2175ZX6+0.3450ZX7+0.1436ZX8+0.3256ZX9+0.3201ZX10+0.1326ZX11-0.1473ZX12-0.1778ZX13+0.0129ZX14+0.0794ZX15+0.3612ZX16+0.2914ZX17-0.1515ZX18-0.1931ZX19

F2=0.1331ZX1+0.2246ZX2-0.0941ZX3+0.3297ZX4-0.1236ZX5-0.2857ZX6+0.0760ZX7-0.0165ZX8+0.0425ZX9+0.0050ZX10+0.4248ZX11+0.3532ZX12-0.0570ZX13+0.2962ZX14+0.3552ZX15+0.1211ZX16+0.0745ZX17+0.1196ZX18+0.3902ZX19

F3=0.1669ZX1+0.1943ZX2-0.0607ZX3-0.3393ZX4+0.1746ZX5-0.1675ZX6+0.3398ZX7+0.4099ZX8+0.3672ZX9-0.1319ZX10-0.0717ZX11+0.1565ZX12-0.0826ZX13-0.2703ZX14+0.0936ZX15-0.2594ZX16-0.3420ZX17+0.0783ZX18+0.1144ZX19

F4=-0.4199ZX1-0.3316ZX2-0.1070ZX3+0.0663ZX4+0.0551ZX5+0.0325ZX6+0.0025ZX7+0.2478ZX8-0.0438ZX9+0.1233ZX10+0.1808ZX11+0.0945ZX12+0.4549ZX13-0.2891ZX14-0.0131ZX15+0.0325ZX16+0.0382ZX17+0.5087ZX18+0.1477ZX19

F5=0.4016ZX1+0.3630ZX2-0.2488ZX3-0.0680ZX4+0.0378ZX5+0.1584ZX6-0.0757ZX7+0.2530ZX8-0.1079ZX9-0.2551ZX10+0.0813ZX11-0.3147ZX12+0.3413ZX13+0.2243ZX14-0.2929ZX15+0.0435ZX16+0.2025ZX17+0.2565ZX18+0.0336ZX19

表5 13種鮮海帶營養品質相關矩陣的特征向量Table 5 Eigenvectors of the correlation matrix of the nutrition quality of 13 kinds of fresh kelps

以各主成分所對應的特征值占所提取主成分總的特征值之和的比例作為權重，計算出主成分綜合得分模型:

F=0.2822F1+0.2405F2+0.2010F3+0.1537F4+0.1226F5

根據各主成分的函數表達式，計算出13個鮮海帶各主成分得分值及排序情況,再以主成分綜合得分模型計算出13個鮮海帶營養品質的綜合得分和綜合排名(見表6)。由表6可知,綜合得分排在前四位的依次是樣品6號(霞浦)、樣品13號(榮成)、樣品11號(榮成)、樣品12號(榮成),樣品2號(大連)和樣品3(大連)號海帶排名居最后。

表6 13種鮮海帶營養品質的主成分因子得分Table 6 Principal component scores of the nutrition quality of 13 kinds of fresh kelps

樣品6號海帶F3、F4和F5值都排在第1位,F1和F2值排名較后,表明其主要優勢體現在F3、F4和F5值上,即天冬氨酸、膳食纖維、褐藻膠、鎂、鉀和磷元素含量較高,而甘氨酸、絲氨酸、碘、鋅和錳元素含量較低。樣品13號海帶F1、F2和F3值排名都較靠前,F4值排名居中,F5值排名居后,表明其主要優勢體現在F1、F2和F3值上,即甘氨酸、絲氨酸、天冬氨酸、碘、鋅、錳和鎂元素含量較高。樣品11號海帶F1和F4值排名靠前,F2和F3值排名居中,F5值排名居后,表明其主要優勢體現在F1和F4值上,即甘氨酸、絲氨酸、碘、鋅和錳元素含量較高。樣品12號海帶F2值排名靠前,F1、F3和F4值排名居中,F5值排名居后,表明其主要優勢體現在F2值上,即碘、鋅和錳元素含量較高。樣品3號海帶第4主成分雖然排在第4位,但第1、2、3、5主成分排名靠后,綜合排名倒數第2位;樣品2號海帶第4主成分雖然排在第2位,但其余主成分排名靠后,綜合排名在所有海帶最后。

3 結論

主成分分析的評價模型表明,不同地區鮮海帶的營養品質差異主要體現在甘露醇、甜味氨基酸、鮮味氨基酸、海帶多糖和礦物質元素含量方面。根據主成分分析構建的綜合評價函數計算可知,地域差異對鮮海帶營養品質有一定的影響,本研究建立的綜合評價模型對快速評價鮮海帶營養品質提供了一定的理論依據,對海帶養殖生產具有重要指導作用。