基于主成分分析法的不同甘薯醋品質評價

陳善敏，黃平，王振帥，信思悅，盛懷宇，蔣和體*

1(西南大學 食品科學學院，重慶，400715)2(重慶初好食品研究院有限公司，重慶，401336)

甘薯(Ipomoea batatas)又稱紅薯、地瓜、番薯等，由于富含淀粉、資源豐富、價格低廉，常用作鮮食、飼料、加工或留種等。甘薯品種按薯肉顏色大致可以分為桔紅心薯、紫心薯和白心薯，其大部分營養成分類似，都含有不可溶性膳食纖維、可溶性糖以及胰蛋白酶抑制劑等物質[1]。此外，甘薯品種不同導致營養和活性成分亦有差異，如桔紅心薯含較高類胡蘿卜素，且含量與薯色深淺呈正相關，紫心薯富含花青素及硒元素，而白心薯富含淀粉，常用作淀粉加工[2]。甘薯含水量高(65%～75%)，破損后因微生物侵染更易腐爛，保藏時間短，張有林[3]研究報道，每年有15%的甘薯因儲存不當而腐爛。因此，除了傳統加工方式，如淀粉、方便小食品、食用酒精加工等[4]，更應該探索新方式，將甘薯進行深加工，提高原料附加值。甘薯釀醋，不僅能避免資源浪費，還能充分利用其營養和活性成分，增加經濟效益的同時合理利用原料資源。此外，目前有關甘薯釀醋的研究較少，且大多集中在對紫薯醋酸發酵和色素提取條件的優化、發酵產物抗氧化能力間的對比。尹永祺[5]對紫薯的混菌發酵條件進行優化，確定其最佳條件為酵母菌接種量0.3%、乳酸菌接種量10%、發酵溫度30 ℃，發酵84 h后發酵液總酸含量可達0.63 g/100 g。而張村雪[6]對紫薯醋不同發酵階段產物的抗氧化能力進行了測定，研究發現，醋液的抗氧化能力要高于糖化醪、酒醪，醋酸發酵能提高抗氧化能力。喬羽[7]采用頂空固相萃取聯用氣質法對甘薯醋香氣進行采集和分析，檢測并鑒定出49種化合物，主要特征物質包括乙酸乙酯、L(-)-乳酸乙酯和2,3,5,6-四甲基吡嗪等。此外，目前對薯醋的品質評價集中在單一品種或同種薯色間，缺乏對不同品種甘薯醋各品質指標的綜合評價[8]。因此，為了比較各品種甘薯醋間營養及活性成分、抗氧化能力的差異，本研究以重慶地區常見的5個甘薯品種為原料釀造甘薯醋，采用主成分分析法對其營養及活性成分、體外抗氧化能力進行分析，確定最適于釀醋加工的品種，以期在深加工時，能為甘薯品種的選擇提供參考價值。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

渝紫7號(紫薯)、渝薯15(白心薯)、渝薯19(黃心薯)、渝薯27(白心薯)、13-3-35(黃心薯)，重慶市石柱縣；酵母1383，實驗室保藏；巴氏醋桿菌巴氏亞種1.41(Acetobacter pasteurianus subsp.Pasteurianus 1.41)，中國微生物菌種保藏管理中心。

福林酚試劑(分析純)，Solarbio生物科技有限公司；2,2-聯苯基-1-苦基肼(2,2-Diphenyl-1-picrylhydrazy,DPPH,95%)、2,2-偶氮二(2-甲基丙基咪)二鹽酸鹽(2,2′-Azobis (2-methylpropionamidine)dihydrochloride,AAPH)、熒光素鈉，阿拉丁試劑有限公司；Vc標準品，Solarbio生物科技有限公司。

1.2 儀器與設備

PHS-3C 型pH計，上海雷磁儀器廠；UNICO 7200型分光光度計，上海巴玖實業有限公司；PAL-1型手持式糖度計，ATAGO(愛拓)中國分公司；UltraScan PRO全自動色差儀，美國Hunter Lab公司；78-1型磁力加熱攪拌器，金壇市富華儀器有限公司；SYHERGY H1型多功能酶標儀，BioTek有限公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 甘薯醋釀造流程

1.3.2 基礎理化指標的測定

pH：PHS-3C型pH計；可溶性固形物(total soluble solid，TSS)：PAL-1型手持式糖度計[9]；總酸：GB/T 12456—2008中pH電位法[10]；總糖：DNS(3,5-二硝基水楊酸)比色法[11]。

1.3.3 色澤測定

色差計法[12]。根據CIELAB顏色空間，測定甘薯醋的亮度值L*、紅綠值a*和黃藍值b*，同一樣品在不同位置測定3次，取平均值，并按照公式(1)、(2)計算其彩度C*和色調角H0。彩度C*表示顏色的飽和度，色調角H0表示色調：色角為0°表示紅色，90°為黃色，180°(或-180°)為綠色，270°(或-90°)為藍色。

(1)

H0=arctan(b*/a*)

(2)

式中：C*，彩度；a*，醋液紅綠值；b*，醋液黃藍值；H0，色調角，°。

1.3.4 總多酚含量的測定

Folin-Ciocalteu比色法[13]。

1.3.5 總酯含量測定

GB/T19777—2013地理標志產品山西老陳醋中的連續電位滴定法[14]。

1.3.6 抗氧化能力測定

DPPH自由基清除能力：參照RUMBAOA[15]方法略有改動。甘薯醋用無水乙醇稀釋10倍后，離心備用。Vc標準溶液質量濃度為0、2.5、5、7.5、10、12.5及15 μg/mL。取稀釋液及標準液2 mL，加入2 mL DPPH溶液，搖勻，室溫避光反應30 min后，于517 nm處進行測定，吸光值記為A1。同時測定2 mL樣品+2 mL無水乙醇、2 mL無水乙醇+2 mL DPPH溶液的吸光值，分別記為A2和A0。標準品以質量濃度為橫坐標，吸光值為縱坐標繪制標準曲線。按式(3)進行計算，結果以μg Vc/mL薯醋表示。

DPPH(μgVC/mL薯醋)=x×F

(3)

式中：x，吸光度對應VC標準曲線上的質量濃度，μg/mL；F，樣品稀釋倍數，值為10。

ORAC法：參照TEOW[16]方法略有改動。用磷酸鹽緩沖溶液將薯醋、Vc標準品、熒光素鈉和AAPH配成所需濃度。取96孔的黑色熒光酶標板，加入Vc標準溶液、樣品稀釋液各20 μL，同時設置對照組和空白組(-AAPH)。加熒光素鈉使用液20 μL，于37 ℃振搖2 min后孵育15 min。然后加AAPH溶液120 μL以啟動反應，以激發波長484 nm、發射波長520 nm進行熒光強度的連續測定(振板5 s，4 min 1次，共120 min)。AUC值和ORAC值按式(4)、(5)計算，結果以μmol Vc/mL薯醋表示。

AUC=4×(f0+f1+…+fn-1+fn)-f0-fn

(4)

(5)

式中：AUC，熒光衰退面積；fn，第n個測定點的相對熒光強度；AUC樣品，加入樣品時的熒光衰退曲線的面積，μmol/(mL·min)；AUC+AAPH，無抗氧化劑下的熒光衰退曲線的面積，μmol/(mL·min)；AUCVC，加入抗氧化劑Vc時的熒光衰退曲線的面積，μmol/(mL·min)。

1.4 數據處理

利用SPSS 20.0和Design Expert 8.0進行統計與分析，Origin8.5作圖。

2 結果與討論

2.1 不同品種甘薯醋基礎理化指標和活性成分比較

2.1.1 不同品種甘薯醋基礎理化指標

不同品種甘薯醋pH、TSS、總糖和總酸含量見表1。由表1可知，各品種甘薯醋間pH和TSS具有顯著差異，其值變化趨勢一致。總糖含量變化范圍為1.45～5.82 g/100 mL，其中，渝15與渝19醋、渝紫7號與13-3-35醋的總糖和總酸含量均無顯著性差異(P>0.05)，渝27醋的總糖含量最高，總酸含量最低，分別為5.82、3.52 g/100 mL，這可能是由于發酵不充分造成的。甘薯醋是甘薯原料經酒精和醋酸兩步發酵得到，酵母菌將甘薯原料中的糖分轉化為酒精，醋酸菌氧化酒精產生醋酸。許多研究也表明[17-19]，在一定范圍內，原料中糖分轉化越完全，酒精含量也越高，經醋酸發酵產生的總酸含量也越高。因此，最終總糖含量最低的13-3-35醋總酸含量最高。

表1 不同品種甘薯醋基礎理化指標Table 1 The physical and chemical indicators of different sweet potato vinegars

注：字母不同表明組間差異顯著(P<0.05)，字母相同表明組間無顯著差異(P>0.05)。下同。

2.1.2 不同品種甘薯醋活性成分

不同品種甘薯醋總酯和總酚含量見圖1。由圖1可知，渝紫7號醋總酯含量最高且與其他甘薯醋存在顯著差異(P<0.05)，這可能是由于乙酸、乳酸、丁酸等有機酸可與乙醇反應生成酯類物質，因此有機酸含量越高，總酯含量也相對越高[18]。此外，渝27與渝19醋總酯含量相當，13-3-35醋總酯含量最低，為2.14 g/100 mL。此外，渝紫7號和13-3-35醋中的總酚含量最高且兩者無顯著差異(P>0.05)，渝27醋次之，渝薯15醋中總酚含量最低。李林靜[2]和CHANMPAGNE[19]研究指出[2，19]，雖然任一品種甘薯都含有酚類物質，品種差異或環境因素都會對甘薯原料中酚的合成產生影響。

圖1 不同品種甘薯醋總酚與總酯含量Fig.1 Total phenol and ester content of different varieties of sweet potato vinegar

2.2 不同品種甘薯醋色澤比較

不同品種甘薯醋色澤如表2所示。由表2可知，各品種醋間L*、a*、b*和H0值存在顯著性差異(P<0.05)。渝19醋亮度值L*最高，渝紫7號醋最低，但其紅綠值a*明顯大于其他品種且存在顯著性差異(P<0.05)，這可能是因為渝紫7號為紫心薯，富含花青素，其在酸性條件下穩定且呈深紫色[20]，而13-3-35與渝19為黃心薯，β-胡蘿卜素含量較豐富，但色素在偏堿性條件下較穩定，酸性條件下穩定性差異較大，因此顏色及深淺差異明顯[21-22]。渝紫7號醋與13-3-35醋彩度值C*差異不顯著(P>0.05)，但與其他品種醋差異顯著(P<0.05)，說明這兩種醋顏色較飽和。各品種醋的色度角H0的范圍為47.52～88.30，除渝紫7號醋呈現偏紅顏色以外，各品種醋總體顏色為橘黃色或淡黃色。

表2 不同品種甘薯醋色澤Table 2 Chromatic properties of sweet potato vinegar from different varieties

2.3 不同品種甘薯醋抗氧化能力比較

2.3.1 DPPH自由基清除能力

不同品種甘薯醋DPPH自由基清除能力如圖2。由圖2可知，渝紫7號醋與13-3-35醋對DPPH自由基清除能力最高，分別為142.60和139.47 μg Vc/mL薯醋，兩組數據無差異性顯著(P>0.05)。此外，渝19醋與渝15醋的DPPH自由基清除能力相當，但高于渝27醋，其值最低，僅有127.04 μg Vc/mL薯醋。導致以上結果出現的原因可能是由于紫薯花青素在酸性發酵條件中較穩定，雖溫度較高，時間長，但色素損失較小，酚類物質保存良好，發酵形成的醋仍具有較好的DPPH自由基清除能力。孫海燕研究表明[23]，在一定范圍內，薯類酚類物質與6個抗氧化指標極顯著相關(P<0.01)，且其含量高低與抗氧化能力呈正相關。而渝薯19是淺黃心薯，在醋酸發酵過程中，由于醋酸的累積，導致β-胡蘿卜素損失量逐漸增加，從而其DPPH自由基抗氧化能力比渝紫7號和13-3-35醋低。

圖2 不同品種甘薯醋DPPH抗氧化能力Fig.2 DPPH antioxidant activity of different varieties of sweet potato vinegar

2.3.2 ORAC氧自由基清除能力

不同品種甘薯醋ORAC氧自由基清除能力如圖3。

圖3 不同品種甘薯醋ORAC氧自由基清除能力Fig.3 ORAC oxygen free radical scavenging ability of different varieties of sweet potato vinegar

由圖3可以看出，總體來說，除了13-3-35醋ORAC值與渝19、渝27醋有顯著性差異(P<0.05)，其他幾個品種甘薯醋ORAC值相差不大。ORAC反應本質是一個典型的氫原子轉移過程，AAPH受熱分解產生過氧化氫自由基(HO2·)，而酚羥基向其提供1個氫原子(H)，以便產生FL氧自由基(FLO·)來引發后續反應，而抗氧化物可以阻斷自由基的產生，從而抑制整個反應[24]。MALIEN[25]研究發現，酰基化紫薯花青素即使在pH 7.4的條件下也具有較強穩定性，從而ORAC氧自由基清除能力亦較高。同時，β-胡蘿卜素是高度不飽和多烯化合物，含有多個共軛多烯雙鍵，正由于具有這種特殊結構，其能與過氧化物自由基發生不可逆反應，形成加合物或穩定的β-胡蘿卜素自由基[26]，是一種天然的抗氧化劑。此外，陸建超[27]曾采用ORAC法對比不同品種甘薯汁抗氧化活性，研究發現，甘薯肉中所含總多酚含量與總ORAC值呈極顯著正相關(P<0.01)，因此，13-3-35醋的ORAC值與渝紫7號醋不存在顯著性差異(P>0.05)。同時，陸建超的研究表明[27]，雖然紫心番薯的ORAC值要高于其他品種，但不同品種薯肉ORAC值無顯著性差異(P>0.05)，而LIN等[28]將發酵與未發酵大豆的抗氧化能力進行比較，發現發酵能增強抗氧化活性，這可能是渝紫7號醋ORAC值高于其他品種，但其他品種間無顯著性差異的原因。

2.4 甘薯醋主要品質變量相關性分析

利用SPSS中的Pearson相關系數分析甘薯醋主要品質變量間的相關性，結果見表3。TSS與總糖含量呈顯著正相關，與總多酚含量呈顯著負相關性(P<0.05)，與DPPH清除能力極顯著相關(P<0.01)，表明TSS含量變化可以影響成品醋的總酸、總糖、總多酚和DPPH自由基清除能力。總糖含量與總酸含量極顯著負相關(P<0.01)，總多酚含量與抗氧化能力顯著相關(P<0.01)，這與前面分析結果一致，表明發酵液總酸含量越高，殘糖就越低，而總多酚含量越高，抗氧化能力也隨之增強。此外，醋液的a*值還與L*值呈顯著負相關(P<0.05)，這說明，醋液顏色越深，其亮度值就會越低。

表3 甘薯醋主要品質變量相關性分析Table 3 Correlation among mainly parameters of sweet potato vinegar

注：*表示P<0.05，顯著水平，**表示P<0.01，極顯著水平。

2.5 不同甘薯醋綜合品質的主成分分析

由表4可知，利用主成分分析法將甘薯醋11個品質指標轉化為2個主成分。主成分1特征值7.052，方差貢獻率64.109%，主成分2特征值3.257，方差貢獻率29.606%，累積方差貢獻率64.109%，2個主成分累積方差貢獻率達93.715%，可代表甘薯醋品質的大部分信息。

表4 主成分特征值、方差貢獻率和累積方差貢獻率Table 4 Eigenvalue of two principal components and their cumulative variance contribution rate

注：PC1表示第1主成分；PC2表示第2主成分。

表5是甘薯醋11個品質指標的載荷量，其值高低可反映各變量在主成分中的重要程度。由表5可知，PC1包括了甘薯醋絕大部分品質信息，主要有甘薯醋營養成分(pH、TSS、總糖、總酸和總多酚)、澄清度(L*值和a*值)及抗氧化能力(DPPH和ORAC值)。其中，pH與任一品質均不相關，總酸與TSS和總糖呈極負相關(P<0.01)，L*值與a*值呈負相關，總多酚與DPPH、ORAC值呈正相關(P<0.05)，同時，總酸、a*值、DPPH和ORAC值的正系數較大，因此，將總酸、a*值、DPPH和ORAC值作為第1主成分的代表指標。PC2主要反映醋液總酯含量和顏色信息，兩者無顯著相關性，因此，將總酯含量和b*值作為第2主成分的代表指標。

表5 甘薯醋品質變量因子載荷Table 5 Factor loading of quality variable of sweet potato vinegar

為構建2個主成分模型，將各品質變量的主成分載荷與其相對應特征值所開的平方根相比，可得每個品質變量的系數[29]，以此為權重得到2個主成分的表達式(6)、(7)如下：

F1=-0.273X1-0.373X2-0.337X3+0.352X4+0.341X5-0.100X6-0.290X7+0.273X8-0.157X9+0.376X10+0.313X11

(6)

F2=0.249X1-0.063X2-0.203X3+0.174X4+0.101X5-0.534X6+0.328X7-0.353X8+0.499X9+0.014X10+0.293X11

(7)

以每個主成分對應特征值的方差貢獻率作為權重建立綜合評價模型，其表達式為F=0.641 1F1+0.296 1F2。由此可計算出5個品種甘薯醋品質的綜合得分值以及排序，見表6。根據綜合得分值，幾種甘薯醋品質由高到低為：13-3-35>渝紫7號>渝15>渝19>渝27。

表6 5種甘薯醋的主成分得分Table 6 Principal component scores of 5 sweet potato vinegars

3 結論

為評價相同發酵條件下不同品種甘薯醋品質差異，對甘薯醋pH、TSS、總糖、總酸、總多酚、總酯、L*值、a*值、b*值、DPPH自由基清除率和ORAC值等11個品質指標進行主成分分析，通過建立綜合評價模型，得到各個品種醋的綜合得分。從這11個品質指標中提取了2個主成分，其累計方差貢獻率高達93.7 15%，在一定程度上能全面反映甘薯醋品質。第1主成分方差貢獻率為64.1 09%，包括總酸、a*值、DPPH自由基清除率和ORAC值，主要反映了營養成分、澄清度以及抗氧化能力的信息，第2主成分方差貢獻率為29.606%，主要反映總酯含量和顏色信息。

本文將甘薯醋的11個品質指標轉化為2個主成分信息，其中能夠用于辨別甘薯醋品質的指標包括總酸、總酯、a*值、b*值、DPPH和ORAC值。總酸含量是醋的一個基本品質指標，根據國家標準[30]，當總酸含量≥3.5 g/100 mL時，才能被稱作醋；酯類物質是醋中重要的香氣成分之一，含量較少但因具有強烈的花香和果香，能賦予成品醋特殊的芳香氣味，主要包括乙酸丁酯、乙酸乙酯和乳酸乙酯等物質。因此，在不使用氣相色譜-質譜聯用儀(gas chromatography-mass spectrometer,GC-MS)對醋液進行分析的情況下，對總酯含量進行測定，是判斷醋液中香氣成分含量多少的簡易方法；醋液顏色的形成大致有以下途徑：一是原料本身所含色素；二是發酵過程中微生物代謝所產生的色素。李甜[31]研究表明，紫薯酒體顏色與總花色苷、總酚呈顯著相關，因此，一般來說，醋液顏色越深表明發酵過程中色素損失越少，活性成分損失較少，醋液品質越好，但是，醋液具體顏色還需根據紅綠值a*值和黃藍值b*值綜合判斷；DPPH自由基清除率法和ORAC法原理不同，但都可以用來判斷醋液的體外抗氧化能力高低，其值越高，抗氧化能力越強。

對以上2個主成分進行計算與分析，建立了綜合評價函數為F=0.641 1F1+0.296 1F2，同時，5種甘薯醋綜合品質從高到低為13-3-35>渝紫7號>渝15>渝19 >渝27。在現有的品種中，采用13-3-35作為甘薯醋的發酵原料是最優選擇。但本文僅對甘薯醋基本理化指標(pH、TSS、糖酸)和功能性指標(總酯、總多酚、抗氧化能力)等11個品質指標來評價重慶地區5個品種甘薯醋的品質特性，雖然涉及品種薯色不同，但可以觀察到相同薯色不同品種間甘薯醋的品質有較大差異(13-3-35和渝19)。同時，甘薯醋的品質指標間存在一定的相關性(表3)，增加品質指標可能還會改變相關性和研究結果。因此，在今后的研究過程中可以在增加品種量和品質指標上做進一步研究，為甘薯醋品質評價提供更加科學和直觀的依據。