基于主成分分析的芹菜品質評價

高 云,郁志芳

(南京農業大學食品科技學院,江蘇南京 210095)

芹菜是一種兩年生傘形科植物,于15世紀由歐洲引入中國,目前在我國種植面積廣泛,是人們喜歡食用的蔬菜之一[1]。研究顯示,芹菜中含有多種人體不可或缺的營養物質,Zn、Fe、Mn和Cu等微量元素含量極高,Ca、Fe等含量高于普通綠色蔬菜,還含有芹菜素等功能性成分[2];有抗腫瘤、調經消炎、降壓、鎮靜和清熱止咳,能抑制皮膚黑色素瘤的生長、遷移和促進血管生成等功效[3-5]。

主成分分析是利用降維的思想,通過對指標體系內部結構關系的研究,將多個指標轉化為相互獨立的綜合指標,新的綜合變量可以反映原始變量提供的主要信息,從而簡化數據結構并找到變量之間的關系[6-7]。果蔬品質的影響因素多樣,僅靠單一的因素評價其品質具有片面性,故選用相關性分析和主成分分析相結合,對芹菜的品質進行綜合評價,以期獲得穩定可靠的結果。迄今為止主成分分析法已經用于辣椒[8]、山藥[9]、白菜[10]、豇豆[11]等蔬菜的品質評價。

近些年來,有關芹菜的研究多數文獻報道集中在芹菜的功能性物質上和加工技術及制品開發,產品包括復配型飲料[12]、干吃片[13]、蔬菜紙[14]、芹菜果糕[15]、芹菜罐頭[16]等,而對不同品種的芹菜品質評價研究較少。為全面地評價芹菜的品質,以江蘇南京溧水華成蔬菜的13個芹菜品種為對象,分別測定其可食率、汁液保留率、芹菜素含量、總糖、蛋白質等14個生理生化指標,并對其進行相關性分析和主成分分析,得到芹菜品質的綜合得分,建立芹菜品質評價體系,為芹菜品種選育和優質生產及加工品種篩選等提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

13種芹菜 江蘇省南京市溧水區華成蔬菜基地提供,以大棚方式栽培的原料,其中A和B、C和D分別為同種芹菜的不同播種期,括號中“小”為莖稈較嫩、生長期稍短采摘后的芹菜;“大”為莖稈較成熟、生長期稍長采摘后的芹菜。芹菜按照合作社的商業標準,達到適宜食用的成熟度時采收。挑選無腐爛,無病蟲害,大小高度一致的芹菜,當天運回實驗室處理。試驗品種分別如下:A四季西芹(小);B四季西芹(大);C瑞雪一號(小);D瑞雪一號(大);E良峰玉芹;F黃心芹(航程);G玻璃脆芹;H白桿芹菜;J黃心芹(云南);K春豐芹菜;L山東紅芹;M白雪實芹;N法國皇后;P青芹;Q天津實心芹。試驗設3個平行樣品,每份樣品1000 g左右;十水合四硼酸鈉 分析純,廣東光華科技股份有限公司;三水合醋酸鈉 分析純,西隴化工股份有限公司;過氧化氫 分析純,南京化學試劑有限公司;甲醇 分析純,廣東光華科技股份有限公司;愈創木酚 分析純,國藥集團化學試劑有限公司;乙腈 分析純,美國天地公司;甲醇 色譜純,美國天地公司。

LC-20A液相色譜 日本島津;Alpha-1860A紫外-可見分光光度計 上海譜元有限公司;KQ-300DB數控超聲波清洗器 昆山市超聲儀器有限公司;DHG-9030A電熱恒溫鼓風干燥箱 上海益恒實驗儀器有限公司;SQP電子天平 賽多利斯科學儀器有限公司;HH-6數顯恒溫水浴鍋 常州國華電器有限公司;TGL16M臺式高速冷凍離心機 長沙維爾康湘鷹離心機有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 芹菜采后加工指標的測定

1.2.1.1 可食率的測定 將芹菜分成3份,記錄每一份的重量為m1,去除根及芹菜葉片后稱重,為m2,計算公式如下。

式(1)

其中,m1為芹菜未處理時質量;m2為芹菜處理后質量,g。

1.2.1.2 汁液損失率(WL)的測定 取200 g芹菜去除根和葉片后,稱重(G1)后置于菜板,用不銹鋼菜刀將其切成0.5 cm左右的芹菜粒,再次稱重(G2),用汁液損失率(WL,%)表示,計算公式[17]如下。

式(2)

其中,G1為切粒前芹菜重,G2為切粒后芹菜重。

1.2.1.3 硬度的測定 去除芹菜根以及葉片部分,取芹菜葉柄部相同的部位,距離根部約5 cm處,用FHM-1果實硬度計圓錐探頭測定其硬度。轉動FHM-1型果實硬度計刻度盤,使指針與0刻度線重合,然后右手緊握硬度計,使硬度計垂直于芹菜葉柄表面,均勻用力將探頭壓入芹菜內,此時指針開始旋轉。當壓到探頭刻線時停止壓入,記錄此時指針所指的讀數,單位為N。

1.2.1.4a*值的測定 每樣品選取色澤均勻一致的8支芹菜葉柄,取其中段平面放置,使用標準白板對彩色色差儀CR-400進行校準,測定其外側的色澤,記錄a*值。

1.2.1.5 葉綠素含量的測定 按照王鴻飛等[18]的方法,以丙酮-乙醇混合液提取法測定,葉綠素含量以mg/g表示。

1.2.1.6 膳食纖維含量的測定 參考趙全利等[19]的方法稍作修改。將芹菜渣置于60 ℃鼓風干燥箱中烘2 h之后,粉碎之后過60目篩,后稱取一定量的粉末,加入10倍體積的0.4 mol/L的NaOH溶液,30 ℃水浴60 min,過濾將濾渣洗滌三遍,取濾渣再加入10倍體積的1 mol/L的醋酸溶液,50 ℃水浴30 min,將濾渣洗滌后烘干即為成品;膳食纖維含量以g/100 g表示。

1.2.2 芹菜營養特征指標的測定

1.2.2.1 VC、總糖、可溶性蛋白質含量的測定 VC的測定按照曹建康等[20]的方法,以2,6-二氯靛酚滴定法測定,單位:mg/100 g。總糖及可溶性蛋白質的測定按照王鴻飛等[18]的方法,總糖以蒽酮-乙酸乙酯試劑法測定,單位:g/100 g;可溶性蛋白質以考馬斯亮藍法測定,單位:mg/g。

1.2.2.2 芹菜素含量的測定 參考王克勤[21]的方法,稍作修改。芹菜于60 ℃烘干之后,粉碎過60目篩。精確稱取芹菜粉末1 g,加入70%的無水乙醇40 mL于25 ℃超聲提取30 min,離心取上清液,殘渣繼續加70%的無水乙醇20 mL,超聲提取20 min,離心取上清液,與第一次上清液合并于旋轉蒸發儀,35 ℃蒸干至3 mL以內,最后用甲醇復溶定容至10 mL。芹菜素含量的單位:μg/g。

標準溶液的配制:取50 mg的芹菜素溶于100 mL,搖勻定容備用。分別取上清液標準溶液0.2、0.4、0.8、1.6、2.4、3.2 mL于10 mL的容量瓶中,甲醇定容。0.45 μm有機濾膜過濾。

圖1 13個芹菜品種各品質指標的變化幅度Fig.1 The variation range of each quality index of 13 celery varieties

色譜條件:安捷倫C18液相柱,流動相:0.1%甲酸乙腈溶液∶水=35∶65 (V/V)。流速1.0 mL/min。柱溫35 ℃,UV檢測器,波長270 nm,進樣量為10 μL,標準溶液單位為μg/mL。

1.2.3 芹菜生理生化指標的測定

1.2.3.1 過氧化物酶(peroxidase,POD)的測定 按照王鴻飛等[18]的方法。以每分鐘內吸光度A470變化0.001所需的酶量為1個酶活力單位(U),活性以U/g·Fw·min表示。

1.2.3.2 多酚氧化酶(polyphenol oxidase,PPO)活性測定 按照羅海波[22]的方法。以每分鐘內吸光度A410變化0.001所需的酶量為1個酶活力單位(U),活性以U/g·Fw·min表示。

1.2.3.3 苯丙氨酸解氨酶(phenylalanine ammonia lyase,PAL)活性測定 按照羅海波[22]的方法。定義1 h內A290增加0.001為PAL的1個酶活力單位(U),活性以U/h·g·Fw表示。

1.2.3.4 纖維素酶活性測定 按照羅海波[22]的方法。酶活力單位定義為以每小時每克樣品在25 ℃水浴催化羧甲基纖維素鈉水解形成還原糖的質量,表示即μg/h·g。

1.3 數據處理

試驗數據以3個平行樣品的平均值表示。采用IBM.SPSS Statistics 25.0對主要質地品質指標進行相關性分析和主成分分析,并進行綜合評價。

2 結果與分析

2.1 不同品種芹菜的基本品質性狀

13個品種芹菜14項檢測性狀的結果見表1和圖1。如圖1所示,變異系數都達到10%以上,說明各個芹菜品種的所有指標均存在明顯差異,導致各品種性狀差別巨大。

可食率和汁液損失率是芹菜采后處理和加工的重要指標。13個芹菜品種的可食率范圍為44.50%～72.81%,最高的是“山東紅芹”,最低的是“瑞雪一號(小)”。汁液損失率高會給采后處理和加工帶來不利影響,試驗結果顯示,13個品種的汁液損失率為1.81%～20.48%,汁液損失率最低的是“天津實心芹”,最高的是“黃心芹(云南)”。可食率與汁液損失率并無明顯關系。

綠色蔬菜的色澤變化是引起其品質下降的重要因素,它可使得蔬菜的感觀性狀下降,影響消費者的購買欲。a*值代表紅綠指數,根據芹菜的實際情況,本研究僅取a*值作為評價指標。由表1可知,13個芹菜品種的a*值變化范圍為-18.68～12.06,其中只有“山東紅芹”明顯與其它品種不同,為正值(葉柄為紅綠相間且紅色居多);其余均為負值,以“春豐芹菜”a*值最小,顏色最綠。葉綠素反應色澤的變化,其范圍是0.01～0.10 mg/g,含量最高的是“黃心芹(云南)”。本研究的結果顯示,芹菜組織的a*值與葉綠素含量兩者間存在不完全一致的現象,表明a*值并不完全由葉綠素所決定,還可能受到植物種類、組織致密程度、季節性差異等因素的影響[23]。

VC和芹菜素是衡量芹菜品種的重要營養和特征指標。13個芹菜品種的VC含量差異較大(1.40～12.03 mg/100 g),以“良峰玉芹”最高,“瑞雪一號(大)”最低。有研究顯示,綠色蔬菜VC和葉綠素間通常存在正相關[24],本研究芹菜品種間VC與葉綠素兩者含量較為一致。芹菜素是芹菜中重要的特征性成分,也是體現芹菜功能的重要指標。芹菜素含量范圍為15.44～49.36 g/g,最高的為“春豐芹菜”,最低的為“白桿芹菜”,最高是最低的3倍以上,這一結果為消費者食用芹菜時選擇合適的品種提供了依據。

POD和PPO是植物中普遍存在的一種氧化酶類,13個芹菜品種中POD活性為1127.78～3350.00 U/(g·Fw·min),活性最高的為“黃心芹(航程)”,最低的為“四季西芹(小)”;PPO活性為96.00～286.00 U/(g·Fw·min),活性最高的為“白桿芹菜”,活性最低的為“四季西芹(大)”。芹菜組織中兩種酶的活性高,表明組織中的代謝較為旺盛,不利于產品采后品質的保持[24]。因此,對于采后需經粗放條件處理或較長時間貯藏的產品,應關注這兩種酶活性的高低,并選擇酶活性低的品種為優。

表1 13種芹菜的品質評價指標Table 1 Quality evaluation indicators of 13 kinds of celery

芹菜的硬度、膳食纖維是影響消費者口感的關鍵指標。13個芹菜品種的硬度測定結果為0.98～14.70 N,不同品種間硬度差異明顯,硬度最大的是“良峰玉芹”,最小的是“青芹”、“天津實心芹”,相差10倍以上。13個芹菜品種的膳食纖維含量為2.06～4.78 g/100 g,以“四季西芹(大)”含量最高,“瑞雪一號(小)”含量最低。硬度越大,膳食纖維含量可能會越高,咀嚼性越差,影響食用時的口感。纖維素酶和PAL參與纖維素代謝,與組織的纖維化有關。13個芹菜品種的纖維素酶活性范圍為1530.663～6218.845 (μg/h·g),活性最高的是“法國皇后”,最低的是“四季西芹(小)”。PAL的活性變化范圍為120.00～440.00 U/(g·Fw·h)。“春豐芹菜”的活性最高,“白雪實芹”活性最低,活性最高與最低的相差3倍以上。這一結果為芹菜的采后加工提供了參考。

2.2 相關性分析

對不同芹菜品種的14項指標進行Pearson相關性分析結果見表2。色澤是評價蔬菜質量的重要因素,也是判斷采收時間的重要指標。極大多數芹菜品種的葉片呈綠色,a*值與葉綠素極顯著負相關(P<0.01)的結果表明,當a*值為負且越小時,表明色澤越綠,葉綠素含量越高。葉綠素作為芹菜的加工指標,其含量與生理生化指標POD活性呈顯著正相關(P<0.05),表明芹菜組織中POD活性高可能與葉綠素主導的光合作用有關,也可能該酶參與葉綠素的降解,不利于貯藏期間綠色的保持[25]。另外,葉綠素與VC呈顯著正相關(P<0.05),VC含量高可防止光葉綠素的氧化褪色[24]。VC與總糖、PAL和POD活性均呈顯著正相關(P<0.05),植物體內的POD通過酶促反應去除過氧化物,降低活性氧傷害[25],VC作為底物清除植物體內的活性氧[26],兩者均參與到組織中活性氧的清除。其中總糖與POD活性也是呈顯著正相關(P<0.05)。

表2 13種芹菜測定指標的Pearson相關性分析Table 2 Pearson correlation analysis of 13 celery determination indicators

注:*表示顯著相關(P<0.05);**表示極顯著相關(P<0.01)。

表3 主成分的特征值及方差貢獻率Table 3 Characteristic values and variance contribution rate of principal components

加工指標硬度與總糖、纖維素酶活性及VC含量呈極顯著正相關(P<0.01),同時纖維素酶和總糖之間呈極顯著正相關。纖維素酶是細胞壁降解酶,它能水解纖維素的β-1,4糖苷鍵[27],引起組織細胞壁軟化,但纖維素酶與纖維素含量并不呈任何相關性,與其他研究不符,可能是與蔬菜的采收時間,植物組織狀態等其他因素有關,纖維素酶活力高,且與其他酶相互協同作用時,可以將纖維素徹底水解成葡萄糖[24]。纖維素含量降低,同時葡萄糖含量升高,相應的引起總糖含量升高。可溶性蛋白質含量與POD活性呈極顯著正相關(P<0.01),可能是因為在蔬菜的生長與成熟的過程中,可溶性蛋白的含量與生理代謝密切相關,受酸、堿等因素影響易游離出,可溶性蛋白的含量會上升[24],可溶性蛋白是芹菜的營養指標,蛋白質含量越高,越切合人們對健康的追求。

綜上所述,13個不同品種芹菜的各指標間存在著不同程度的相關性,同時也說明14項指標間存在信息重疊,若進行綜合評價必須剔除評價指標間信息重復,避免結果出現偏差,因而需要采用其它方法對這些指標進行綜合分析。

2.3 主成分分析

對不同芹菜品種的可食率、汁液保留率、硬度、a值、芹菜素含量、葉綠素、膳食纖維、總糖等14項指標進行主成分分析,探尋影響芹菜品質的關鍵指標,所得主成分特征值及方差貢獻率見表3,成分矩陣見表4。

以特征值>1,提取五個主成分,累積方差貢獻率為85.263%,可代表原始數據的絕大部分信息[28]。由表3和表4可知,第一主成分的方差貢獻率為33.090%,以總糖載荷0.898、纖維素酶活性載荷0.789、VC載荷0.758、葉綠素載荷0.723占比為高。結合表2,總糖和纖維素酶活性呈極顯著正相關(P<0.01),葉綠素與VC呈顯著正相關(P<0.05),因總糖和葉綠素是相互獨立的,兩者均取,代表芹菜的營養和外觀指標。第二主成分的方差貢獻率為20.259%,其中可食率和PAL活性貢獻較高,可食率載荷為0.834,PAL活性載荷為-0.646(負值),且兩者并無顯著相關性,兩者均提取。第三主成分的方差貢獻率是12.173%,主要解釋硬度和可溶性蛋白含量,可溶性蛋白質含量的載荷為0.743,硬度載荷為-0.539,兩者相互獨立,硬度的大小影響消費者的口感,而可溶性蛋白質量低且第一主成分時已經提取總糖,故此處舍棄。

表4 成分矩陣Table 4 Component matrix

第四主成分方差貢獻率為11.388%,提取的主成分是膳食纖維(-0.635),與第四主成分的貢獻率呈負相關。第五主成分的方差貢獻率為8.352%,汁液損失率(0.591)占據較高的比例,其在采后和加工中至關重要,提取為加工指標。

綜合以上分析,本試驗選擇7項核心指標用于評價芹菜的綜合品質,即葉綠素、總糖、可食率、PAL活性、硬度、膳食纖維和汁液損失率。

2.4 芹菜的綜合評價

根據表3主成分的特征值和方差貢獻率及表4成分矩陣計算出的特征向量(計算公式如下)作為各因子的系數,構建各主成分的函數表達式[29]如下:

式(3)

F1=0.089Z1+0.248Z2-0.188Z3+0.306Z4+0.336Z5+0.161Z6+0.352Z7+0.417Z8+0.24Z9-0.05Z10+0.331Z11-0.033Z12+0.243Z13+0.367Z14

式(4)

F2=0.495Z1+0.036Z2+0.337Z3+0.213Z4-0.278Z5+0.144Z6-0.141Z7+0.202Z8+0.002Z9-0.392Z10-0.144Z11-0.217Z12-0.384Z13+0.257Z14

式(5)

F3=0.268Z1-0.293Z2-0.158Z3-0.413Z4+0.11Z5+0.279Z6-0.265Z7-0.023Z8+0.569Z9-0.067Z10+0.288Z11+0.219Z12-0.148Z13-0.071Z14

式(6)

F4=-0.086Z1-0.164Z2+0.435Z3+0.202Z4-0.234Z5-0.503Z6+0.116Z7+0.097Z8+0.227Z9-0.112Z10+0.303Z11+0.495Z12+0.058Z13-0.032Z14

式(7)

F5=0.071Z1+0.547Z2+0.27Z3-0.109Z4-0.068Z5+0.224Z6-0.236Z7+0.114Z8+0.004Z9+0.521Z10-0.114Z11+0.428Z12-0.037Z13-+0.14Z14

式(8)

其中,Z1,Z2…Z12值是原始數據標準化后的數據。以各主成分對應的方差貢獻率為權重,從而建立主成分綜合得分的數學模型。

F=0.388F1+0.238F2+0.143F3+0.134F4+0.098F5

式(9)

由綜合得分的函數表達式,計算出13個品種芹菜樣品的綜合評價得分見表5,得分越高,表明該品種品質越好。綜合排名前五的依次是“山東紅芹”、“法國皇后”、“良峰玉芹”、“玻璃脆芹”和“黃心芹(云南)”,而“瑞雪一號”、“白雪實芹”、“四季西芹”等排名靠后。其中“山東紅芹”得分最高,可能是因為山東紅芹觀呈現紅綠相間,以紅色居多,導致其色差a*值為正值且較大,并a*值在第二主成分和第四主成分均占據較高的載荷,故計算下來綜合得分最高,但實際生產中由于此品種種植較少,且人們更偏愛傳統的綠色芹菜,故“山東紅芹”在實際生產中應作為特色芹菜品種予以對待。

本研究僅對13個芹菜品種的品質進行了評價,并未所有與品質相關的指標,且評價主要基于數學的方法進行,沒有充分考慮消費者的消費習慣和要求,結果可能存在偏差。另外,芹菜產品的品種受到地域/季節等生長條件、露地/溫室/大棚栽培模式和如土肥水管理水平、采收成熟度和采后處理等技術的巨大影響,本試驗的結果僅來自于一次較為全面的研究,結果可能與實際存在差異。所以,今后研究中,應納入芹菜的所有品質指標,并與其生理生化變化等相結合,尤其需要考慮消費者的需求差異,以期建立更完善的評價體系,進而獲得更客觀的結果,以滿足芹菜育種、栽培、貯運等實際工作和消費的需要。

表5 13種芹菜測定指標綜合得分及排名Table 5 Comprehensive score and ranking of determination indexes of 13 kinds of celery

3 結論

對13個芹菜品種的14項指標分析發現,變異系數均>10%,表明芹菜品種間各指標差異明顯,采收的品種中葉柄的顏色主要分為綠色、白色和紅色三種,與a*值變異系數最大(88.51%)相符;葉綠素的變異系數為67.39%,說明各品種芹菜的顏色差異較大。14項指標中可食率的變異系數最小(11.70%),說明各品種芹菜的可食率較一致。在基本品質性狀的相關性分析中,a*值與葉綠素含量呈極顯著負相關(P<0.01);VC與硬度呈極顯著正相關(P<0.01),與葉綠素、總糖、POD活性、PAL活性呈顯著正相關(P<0.05);POD活性與可溶性蛋白質含量呈極顯著正相關(P<0.01);硬度與總糖、纖維素酶活性呈極顯著正相關(P<0.01);總糖與POD活性呈顯著正相關(P<0.05),與纖維素酶活性呈極顯著正相關(P<0.01)。通過主成分分析法提取了葉綠素含量、總糖含量、可食率、PAL活性、硬度、膳食纖維含量和汁液損失率共7項關鍵指標。綜合分析顯示,排名前五名依次是“山東紅芹”、“法國皇后”、“良峰玉芹”、“玻璃脆芹”和“黃心芹(云南)”,但由于“山東紅芹”自身的特殊性,可舍棄,選擇其他四個品種為最佳。本研究為芹菜的品質綜合評價提供了一種較為客觀的評價方法,也為芹菜育種和消費者對其品種的選擇提供了參考。因試驗指標有限,后續研究應將其品質指標與其內部生理生化變化相聯系,以建立更加全面準確的評價體系。