基于改進(jìn)AHP和灰色關(guān)聯(lián)度分析法用于稻米蛋白質(zhì)營養(yǎng)學(xué)評價

肖 軻 蘇東林 - 李志堅 - 尚雪波 -

(1. 湖南省農(nóng)產(chǎn)品加工研究所，湖南 長沙 410125； 2. 農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全風(fēng)險評估與營養(yǎng)功能評價創(chuàng)新團(tuán)隊，湖南 長沙 410125)

稻米是中國的主要糧食作物，是人類蛋白和能量的重要來源之一[1]，稻米蛋白質(zhì)的生物價和氨基酸構(gòu)成比例遠(yuǎn)優(yōu)于其他谷物蛋白[2-3]。近年來，隨著中國居民消費水平的不斷提高和消費質(zhì)量的明顯改善，人們對主食稻米的需求也由原來的數(shù)量型向質(zhì)量型、健康型、食味型和功能型轉(zhuǎn)變[4]。目前，蛋白質(zhì)營養(yǎng)學(xué)評價方法可概括為生物學(xué)評價法和氨基酸分析評價法兩大類[5]，生物學(xué)評價法主要包括蛋白質(zhì)生物價(BV)、蛋白質(zhì)功效比值(PER)、凈蛋白比值(NPR)和氮平衡指數(shù)(NBI)等[6-7]；氨基酸分析評價法主要包括氨基酸評分(AAS)[8]、蛋白質(zhì)消化率校正的氨基酸評分(PDCAAS)、必需氨基酸指數(shù)(EAAI)[9-10]、氨基酸比值系數(shù)(RC)、氨基酸比值系數(shù)分(SRC)等[11-12]。生物學(xué)評價法是蛋白質(zhì)營養(yǎng)學(xué)評價的經(jīng)典方法，常用作標(biāo)準(zhǔn)方法來驗證其他評價方法的可靠性[13]，但該方法的評價指標(biāo)必須通過動物或人體試驗獲得，存在試驗周期長、成本高、步驟繁瑣等難以解決的問題[14]；氨基酸分析評價法的AAS只能反映某種蛋白質(zhì)與理想蛋白質(zhì)相比，第一限制性氨基酸的缺乏程度；PDCAAS以蛋白質(zhì)消化相關(guān)系數(shù)對某種食物蛋白質(zhì)進(jìn)行校正，相比未校正的氨基酸評分有了一定的改進(jìn)，但同樣是基于第一限制性氨基酸來決定蛋白質(zhì)的最終得分，對某些必需氨基酸缺乏或者嚴(yán)重不足的蛋白質(zhì)，其評價結(jié)果與生物學(xué)評價結(jié)果有很大的差異[6,15]；SRC、EAAI、RC則僅從數(shù)理統(tǒng)計學(xué)的角度評估不同蛋白質(zhì)與理想蛋白質(zhì)必需氨基酸組成的差異程度，并未體現(xiàn)第一限制性氨基酸對食物蛋白質(zhì)營養(yǎng)價值的限制作用[16-17]，因此如何快速有效地對食物蛋白質(zhì)的質(zhì)量作出全面、客觀、科學(xué)的評價越來越受到學(xué)術(shù)界的關(guān)注。

目前，關(guān)于稻米的食味品質(zhì)和感官評價已有大量文獻(xiàn)[18-20]報道，而關(guān)于不同稻米蛋白質(zhì)營養(yǎng)品質(zhì)評價方面尚未見報道。試驗擬采用改進(jìn)層次分析法和加權(quán)灰色關(guān)聯(lián)度分析相結(jié)合的方法，引入加權(quán)關(guān)聯(lián)度的概念，賦予各評價指標(biāo)不同的權(quán)重[21]，強化限制性氨基酸的重要性，對不同品種及不同產(chǎn)地的24個稻米進(jìn)行加權(quán)綜合評價，為稻米的營養(yǎng)品質(zhì)評價、嬰幼兒營養(yǎng)米粉及其他深加工產(chǎn)品研發(fā)提供支撐依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

稻米：2018年采集于桃源縣興隆米業(yè)3個不同生產(chǎn)基地8個不同晚秈品種共24份，樣品均為正常成熟期后收割，經(jīng)自然曬干后制成精米，粉碎過80目篩；

17種氨基酸混合溶液標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)：國家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)中心；

化學(xué)試劑均為國產(chǎn)分析純。

1.2 試驗儀器

全自動氨基酸分析儀：L-8900型，日本日立公司；

全自動凱氏定氮儀：KJELTEC 2300型，丹麥FOSS 公司；

組織粉碎機：XL-06A型，長沙旭眾機械設(shè)備有限公司；

電子分析天平：ME204型，上海恒勤儀器設(shè)備有限公司。

1.3 指標(biāo)測定

1.3.1 蛋白質(zhì)含量 按GB 5009.5—2016執(zhí)行。

1.3.2 氨基酸組成與含量 除色氨酸外的17種水解氨基酸含量的測定均參照GB 5009.124—2016。

1.4 蛋白質(zhì)營養(yǎng)學(xué)評價

1.4.1 權(quán)重的賦予 采用改進(jìn)AHP法(3標(biāo)度法)對各評價指標(biāo)進(jìn)行兩兩比較，根據(jù)評價指標(biāo)的重要程度建立判斷矩陣，參考王民敬等[22]的方法計算出各指標(biāo)的權(quán)重并進(jìn)行一致性檢驗，依據(jù)強化限制性氨基酸的重要性判斷矩陣bij。

(1)

1.4.2 評價指標(biāo)的篩選 選擇稻米中8種人體必需氨基酸(色氨酸未測)以及條件必需氨基酸酪氨酸和半胱氨酸為評價因子。

1.4.3 灰色關(guān)聯(lián)度分析

(1) 構(gòu)建理想蛋白：根據(jù)灰色分析法原理，將參試的24份稻米樣品看作一個灰色系統(tǒng)，每份樣品為該系統(tǒng)的一個因素，以稻米必需氨基酸特征指標(biāo)構(gòu)建成比較序列，記為Xi(k)(i=1，2，3，…，24；k=1，2，3，…，8)。以FAO/WHO(2007)推薦的1歲以下嬰幼兒氨基酸評分模式為參考序列[23]，記為X0。

(2) 數(shù)據(jù)的無量綱化處理：采用初值化法，用所有Xi(i=1，2，3，…，24；k=1，2，3，…，8)相應(yīng)的必需氨基酸值除以X0相對應(yīng)的必需氨基酸值，得各必需氨基酸相對含量。

(3) 關(guān)聯(lián)度的計算：按式(2)計算關(guān)聯(lián)系數(shù)。

(2)

式中：

minΔi(k)、maxΔi(k)——所有比較序列中絕對差值的最小值和最大值；

Δi(k)——第i個比較序列的絕對差值；

ζi(k)——關(guān)聯(lián)系數(shù)；

ρ——分辨系數(shù)，0<ρ<1。

(4) 加權(quán)關(guān)聯(lián)度的計算：按式(3)計算各供試樣品的加權(quán)關(guān)聯(lián)度。

(3)

式中：

γi′——加權(quán)關(guān)聯(lián)度；

ωi——指標(biāo)權(quán)重；

ζi(k)——關(guān)聯(lián)系數(shù)。

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2007和SPSS 20.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計分析，所有測定均進(jìn)行3次平行試驗，結(jié)果以平均值表示。

2 結(jié)果與分析

2.1 稻米蛋白質(zhì)及氨基酸組成分析

由表1、2可知，24份不同稻米樣品蛋白質(zhì)含量為8.62%～12.92%，氨基酸總量為7.94%～11.87%，必需氨基酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.13%～4.61%，其中X17氨基酸總量、必需氨基酸總量均為最高，X12均為最低。氨基酸平衡理論認(rèn)為食物蛋白的氨基酸組成比例與WHO/FAO模式越接近越有利于人體的吸收與健康，其蛋白質(zhì)品質(zhì)越高[24]。按FAO/WHO(2007)不同人群氨基酸評分模式，并給合表1、2可知，EAA/TAA比值為38.4%～39.8%，EAA/NEAA比值為62.3%～66.1%，均接近或高于FAO/WHO提出的理想蛋白衡量值(40%，60%)，說明供試稻米蛋白質(zhì)是一種較為優(yōu)良的營養(yǎng)蛋白。但與FAO/WHO(2007)推薦的1歲以下嬰兒氨基酸模式相比，24份供試樣品除Leu達(dá)到或略高于標(biāo)準(zhǔn)模式外，其余必需氨基酸及必需氨基酸總量均低于FAO/WHO(2007)推薦模式，其中嚴(yán)重缺乏Cys+Met，為第一限制性氨基酸。因此，在以稻米作為主要原料研發(fā)嬰幼兒營養(yǎng)米粉、特殊膳食食品及其他精深加工產(chǎn)品時，除選擇營養(yǎng)品質(zhì)較高的稻米原料外，可考慮添加與理想氨基酸模式互補的原料或游離氨基酸以達(dá)到提高產(chǎn)品營養(yǎng)價值的目的。

表1 24份樣品蛋白質(zhì)、氨基酸組成及其含量?

? TAA. 氨基酸總量；EAA. 必需氨基酸總量；NEAA. 非必需氨基酸總量；“*”半必需氨基酸；“**”必需氨基酸。

表2 FAO/WHO氨基酸評分模式與稻米必需氨基酸比較?

? EAA. 必需氨基酸總量。

2.2 灰色關(guān)聯(lián)度分析

2.2.1 各評價指標(biāo)權(quán)重的確定 根據(jù)改進(jìn)AHP法原理，建立判斷矩陣，求出各必需氨基酸權(quán)重，即第一限制性氨基酸ωi=0.234，其余7種必需氨基酸ωi(i=2，3，4，…，8)=0.109。對判斷矩陣進(jìn)行一致性檢驗，CR=0.001 2<0.1，表明構(gòu)造的判斷矩陣能夠通過一次檢驗，滿足AHP分析法的要求。

2.2.2 加權(quán)關(guān)聯(lián)度計算 試驗中min△i(k)=0.004 6，max△i(k)=0.541 4，p=0.5，關(guān)聯(lián)度越大，表明該樣品與參考蛋白相似度越高。由表3可知，各參試樣品綜合得分最高為X1(關(guān)聯(lián)度0.655)，其次為X17(關(guān)聯(lián)度0.645)和X6(關(guān)聯(lián)度0.642)，綜合得分越高表明樣品氨基酸組成平衡度越好，吸收利用率越高，與理想氨基酸模式越吻合。

2.3 加權(quán)灰色關(guān)聯(lián)度法與生物學(xué)法的相關(guān)性

試驗采用Mensa等[25]的方法對加權(quán)灰色關(guān)聯(lián)度評價法進(jìn)行可行性驗證，原始數(shù)據(jù)及驗證結(jié)果分別見表4、5。由表5可知，4種氨基酸評價法與生物學(xué)法(PER、NPR)的相關(guān)性順序為加權(quán)灰色關(guān)聯(lián)度法>SRC>1-IBD>PDCAAS，其中PDCAAS與生物學(xué)法呈負(fù)相關(guān)性，SRC、1-IBD與生物學(xué)法的相關(guān)性均較低，相關(guān)系數(shù)分別為0.480，0.675和0.471，0.668；而加權(quán)灰色關(guān)聯(lián)度法與生物學(xué)法呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.959(P=0.003)，0.974(P=0.001)，驗證結(jié)果表明，對食物氨基酸與理想蛋白參考模式進(jìn)行加權(quán)灰色關(guān)聯(lián)度分析可以比較科學(xué)、客觀地反映出食物蛋白質(zhì)的營養(yǎng)學(xué)價值或相似程度，能夠在一定程度上表征生物學(xué)法對食物蛋白質(zhì)的評價。

表3 各試驗品種的關(guān)聯(lián)系數(shù)及加權(quán)關(guān)聯(lián)度

表4 擠壓膨化谷類/豆類混合物的PER、NPR和各項化學(xué)指數(shù)?

? *根據(jù)混合谷物各氨基酸含量的不同方法計算所得。

表5 氨基酸分析評價法與PER、NPR的相關(guān)性?

? *在 0.05 水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)；**在 0.01 水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)。

3 結(jié)論

對采集的3個生產(chǎn)基地8個晚秈品種24份稻米樣品的蛋白質(zhì)含量、氨基酸種類和組成進(jìn)行了測定，描述性分析結(jié)果顯示：24份稻米樣品蛋白質(zhì)含量豐富，氨基酸種類齊全，蛋白質(zhì)含量為10.66%，氨基酸總量為9.82%，必需氨基酸總量為3.84%，但不同稻米間蛋白質(zhì)含量、氨基酸總量及必需氨基酸組成均存在顯著性差異(P<0.05)；采用改進(jìn)層次分析法對各評價指標(biāo)賦予不同的權(quán)重，并在此基礎(chǔ)上，對稻米蛋白質(zhì)營養(yǎng)價值建立加權(quán)灰色關(guān)聯(lián)度綜合評價模型，通過對4種氨基酸分析法與生物學(xué)相關(guān)性驗證，結(jié)果表明：加權(quán)關(guān)聯(lián)度評價法與PER、NPR呈高度正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.959(P=0.003)，0.974(P=0.001)，而其他3種氨基酸分析法相關(guān)系數(shù)均低于0.8。由此可見，加權(quán)灰色關(guān)聯(lián)度綜合評價法系統(tǒng)地綜合了各種必需氨基酸對蛋白質(zhì)營養(yǎng)價值的影響，既彌補了生物學(xué)評價法試驗繁雜、數(shù)據(jù)采集周期長的局限性，又克服了其他氨基酸評價法對必需氨基酸“不足”或“過剩”所帶來的不予考慮的片面性影響，能夠較為全面地反映蛋白質(zhì)利用的生物學(xué)效應(yīng)，可對稻米蛋白質(zhì)營養(yǎng)質(zhì)量進(jìn)行較為科學(xué)、客觀和有效地定量評價。

試驗提出的加權(quán)灰色關(guān)聯(lián)度評價法僅基于蛋白質(zhì)氨基酸總量及其構(gòu)成比例的基礎(chǔ)上建立蛋白質(zhì)營養(yǎng)價值評價模型，后續(xù)可對稻米蛋白質(zhì)的吸收利用率、不同氨基酸的有效性、氨基酸的存在形式及加工方式進(jìn)行全面系統(tǒng)地分析，同時結(jié)合生物學(xué)法對評價模型進(jìn)行改進(jìn)和完善，進(jìn)一步提高評價模型的科學(xué)性、全面性和有效性。