基于主成分分析與馬氏距離結合運用的嬰幼兒配方奶粉營養綜合評價

張 雪，葛武鵬,，郗夢露，楊 莉，何 銳，崔秀秀

（1.西北農林科技大學食品科學與工程學院，陜西 楊凌 712100；2.陜西優利士乳業有限公司，陜西 咸陽 712000；3.陜西百躍羊乳集團有限公司，陜西 西安 710000）

嬰幼兒階段是身體和大腦發育的重要時期，其充足均衡的營養供給對嬰幼兒健康成長極其重要。母乳是嬰幼兒喂養的金標準，當母乳供應不足或因各種社會因素等不能進行母乳喂養時，嬰幼兒配方（以下簡稱嬰配）奶粉就成了嬰幼兒母乳的最佳替代品[1]。嬰配奶粉的營養成分必須滿足嬰幼兒的生長需要，應最大程度地接近母乳，其各營養素成分及含量，構成及量效關系對滿足嬰幼兒營養需求至關重要[2]。特別是三大產能營養素蛋白質、脂肪、碳水化合物的熱量供給更應科學合理，且三者的攝入比例亦影響著微量營養素的攝入狀況[3]，因此對其進行合理科學的綜合性評價顯得尤其重要。

目前尚缺乏多營養指標體系的嬰配奶粉的綜合評價標準化方法。本研究首次利用馬氏距離（Mahalanobis distance，MD）對嬰配奶粉中三大宏量營養素進行綜合評價，營養素組成、含量與母乳的吻合度越高則表明營養價值越優。吻合度為樣本與真值（理論值、標準值）兩個或多個變量之間接近程度的量化指標[4]，是通過計算樣本與標準值之間的距離轉化得到。馬氏距離是1936年印度統計學家Mahalanobis[5]提出的，它是一種有效的計算一個樣本與樣本集“重心”的最近距離或者計算兩個未知樣本集相似度的方法。與歐氏距離相比，馬氏距離不受量綱的影響，即兩點之間的馬氏距離與原始數據的測量單位無關；且馬氏距離考慮到各種特性之間的聯系，可以排除變量之間的相關性的干擾[6]。

本研究采用氣相色譜、高效液相色譜、離子色譜等方法對嬰配奶粉的三大宏量營養素（蛋白質、脂肪、碳水化合物）及其氨基酸、脂肪酸、低聚糖、乳糖含量進行測定并分析，首次利用主成分分析與馬氏距離法相結合的方法對嬰配奶粉進行營養綜合評價，比對不同嬰配奶粉的優劣，以期為嬰配奶粉的開發及綜合科學評價提供更多的參考依據。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

I段（0～6月）嬰配羊奶粉，編號為A～G；I段嬰配牛奶粉，編號為H～I，購于陜西某連鎖超市。

鄰苯二甲醛（o-phthaldialdehyde，OPA）、9-芴甲氧羰酰氯（Fmoc-Cl）、脂肪酸-甲酯混合標準品 美國Sigma-Aldrich公司；17 種氨基酸標準混合物、氨基酸補充劑盒 美國安捷倫科技有限公司。

1.2 儀器與設備

8400凱氏定氮儀 丹麥FOSS公司；1100高效液相色譜儀、Poroshell HPH-C18色譜柱（4.6 mm×100 mm，2.7 μm）、HP-88氣相色譜柱（100 m×0.25 mm，0.20 μm） 美國安捷倫科技有限公司；GC-2014C氣相色譜儀（配有火焰離子化檢測器） 日本島津公司；ICS5000+離子色譜儀 美國賽默飛世爾公司。

1.3 方法

1.3.1 基礎營養指標含量的測定

蛋白質含量參照GB 5009.5—2016《食品安全國家標準 食品中蛋白質的測定》，采用8400全自動凱氏定氮儀測定。脂肪含量測定參照GB 5009.6—2016《食品安全國家標準 食品中脂肪的測定》。碳水化合物含量測定參照GB 10765—2010《食品安全國家標準 嬰兒配方食品》。脂肪酸含量測定采用氣相色譜法參照GB 5009.168—2016《食品安全國家標準 食品中脂肪酸的測定》中乙酰氯-甲醇法。乳糖質量分數測定參照GB 5413.5—2010《嬰幼兒食品和乳品中乳糖、蔗糖的測定》。

1.3.2 16 種水解氨基酸含量的測定

1.3.2.1 樣品前處理

16 種氨基酸（除色氨酸）參照GB/T 5009.124—2016《食品安全國家標準 食品中氨基酸的測定》，采用1100高效液相色譜儀測定。

1.3.2.2 OPA-FMOC柱前在線衍生分析

柱前在線衍生方法需在樣品瓶1～5號位置依次放置0.4 mol/L硼酸鈉緩沖液（pH 10.2）、超純水、1% OPA、0.5% Fmoc-Cl、流動相A液；設置程序：先抽取1號瓶2.5 μL；再抽取2號瓶2.5 μL，最大速率，空氣混合5.0 μL 2 次，等待0.5 min；抽取2號瓶0 μL；接著抽取3號瓶1.0 μL，最大速率空氣混合6.0 μL，6 次；再抽取2號瓶0 μL；接著抽取4號瓶1.0 μL，最大速率空氣混合7.0 μL，6 次；再抽取5號瓶20 μL，最大速率空氣混合20.0 μL，2 次；接著進樣20 μL[7]。

1.3.2.3 色譜條件

色譜柱Poroshell HPH-C18（4.6 mm×100 mm，2.7 μm）；柱溫40 ℃，流速1.5 mL/min；流動相A：含10 mmol/L磷酸氫二鈉、10 mmol/L硼酸鈉的緩沖溶液，用鹽酸溶液調pH值至8.2；流動相B：甲醇-乙腈-水（45∶45∶10，V/V）；按表1進行梯度洗脫。紫外檢測器波長338 nm，10 nm帶寬，參比390 nm，20 nm帶寬（一級氨基酸）；262 nm，16 nm帶寬；參比324 nm，8 nm帶寬（二級氨基酸）；于賴氨酸出峰后切換波長至262 nm。

表 1 洗脫梯度程序Table 1 Gradient elution program

1.3.3 色氨酸測定

參照AOAC 988.15測定飼料中色氨酸的標準，采用1100高效液相色譜儀測定。衍生與色譜條件同1.3.2節。

1.3.4 低聚糖含量測定

低聚果糖含量的測定：采用離子色譜法，參照GB 5009.255—2016《食品安全國家標準 食品中果聚糖的測定》。低聚半乳糖含量的測定參考邵琪等[8]的方法。

1.3.5 主成分與馬氏距離的計算

主成分分析的目的就是將數據降維，以消除眾多信息共存中相互重疊的信息部分。主成分分析得到多個變量的主成分和得分，得分為壓縮后的變量數據，使用得分數據代替原始營養指標的數據計算馬氏距離，不僅能反映全部數據信息，而且也能壓縮參加計算馬氏距離的變量數，并能保證M矩陣不存在共線問題[9]。計算由多個主成分變量賦予的不同樣品各自得分T（式（1））。

式中：X為指標變量矩陣；P為載荷矩陣；n為樣品數；m為變量數；f為主成分數。

計算樣品數據到標準值（母乳數據）的馬氏距離矩陣（式（2））。

式中：D為馬氏距離；M為標準指標集因子分析中得分陣（Score）的協方差陣；Ti為樣本的得分向量；T為n個樣品參考的標準值；i為不同的樣本。

得到的馬氏距離代表樣品該營養指標與母乳的吻合程度，數值越大，距離越遠，與母乳吻合度越低，呈負相關。為將其轉換為呈正相關的最終得分，計算最終馬氏距離評分MD（式（3））。

1.4 數據處理與分析

利用Excel 2010和Minitab 16.2.3軟件進行數據整理、繪圖、方差分析，利用Matlab 2014軟件進行主成分分析、馬氏距離評分計算。

2 結果與分析

2.1 基礎營養指標的組成及含量

蛋白質、脂肪、碳水化合物（主要是乳糖）是嬰幼兒從出生到斷奶時期的主要營養物質，是母乳為嬰幼兒提供的基本且重要的營養保障[10]。作為食品中為嬰幼兒的生長發育提供能量的三大宏量營養素，它們的質量及含量是首要考慮因素。

表 2 不同品牌的嬰配奶粉宏量營養素組成Table 2 Macronutrient composition of different brands of infant formula

脂類成分的攝入能滿足機體能量供應及基礎的脂肪酸需求，對于脂溶性維生素、類胡蘿卜素和膽固醇的消化吸收至關重要，同時也促進了風味的傳遞及飽腹感的產生[11]。乳糖是嬰配奶粉中含量較高的一種糖，GB 10765—2010中規定0～6 個月適齡的配方奶粉中乳糖含量應占碳水化合物的90%以上，乳糖經乳糖酶作用形成有機酸，可以促進鈣離子吸收、有益菌成長[12]。由表2可以看出，幾種配方奶粉的乳糖含量均占碳水化合物90%以上，符合GB 10765—2010。

圖 1 嬰配奶粉沖調乳及母乳中宏量營養素的質量濃度Fig. 1 Comparison of macronutrient contents in infant formula and breast milk

母乳中的主要營養成分含量通常作為嬰幼兒營養需求的標準，是各類嬰兒配方食品配料選擇的基礎。母乳中蛋白質平均質量濃度為0.9～1.2 g/100 mL[13]，脂肪占總能量的47%，乳糖質量分數為7%；由圖1可看出，除脂肪質量濃度外，嬰配奶粉中蛋白質、乳糖質量濃度均高于母乳，均能滿足嬰幼兒的能量需求。不同基料的嬰配奶粉蛋白質量濃度為1.49～1.75 g/100 mL，遠高于母乳。這與逄金柱等[14]研究結果一致。蛋白質含量過高會加重嬰幼兒腎臟的代謝負擔，已有多項臨床實驗證明[15]：低蛋白含量的配方奶粉不影響嬰兒的各項生理指標，且有降低肥胖和患慢性疾病的幾率。同時平衡嬰配奶粉中總蛋白含量與必需氨基酸含量，是嬰配奶粉在蛋白質和氨基酸組成上能夠更貼近母乳的關鍵技術要點。

2.2 低聚糖組成及含量

母乳作為“金標準”，天然含有牛乳中不存在的益生元（即低聚糖）。有研究表明，低聚糖種類及含量的不同是導致嬰兒腸道菌群存在差異的重要原因，母乳中的低聚糖有重要的益生作用（特別是對雙歧桿菌），在嬰兒配方奶中添加低聚半乳糖和菊粉可以促進雙歧桿菌增殖[16]。Arslanogru等[17]研究表明，含短鏈低聚半乳糖和長鏈低聚果糖的嬰兒配方食品能夠降低出生6 個的嬰兒患過敏性皮炎及其他傳染病的風險。為模擬母乳，目前較多嬰配奶粉中都添加了低聚半乳糖和低聚果糖。

表 3 嬰配奶粉低聚半乳糖和低聚果糖含量Table 3 Contents of oligogalactose and oligofructose in infant formula

由表3可以看出，不同品牌的嬰配奶粉低聚半乳糖和低聚果糖的添加量差異顯著。其中羊奶粉樣品C和牛奶粉樣品H中未添加低聚半乳糖，其余樣品中，低聚半乳糖添加量最少的是樣品E，僅為0.61 g/100 g，最多的是樣品A，為1.73 g/100 g。低聚果糖添加量最少為樣品G（0.41 g/100 g），最多的是樣品C（1.83 g/100 g）。國內外的研究發現，母乳中益生元的質量分數為7‰，對應奶粉中益生元質量分數應為5.5%[18]。樣品A中益生元添加量最高，為3.34 g/100 g；樣品G中益生元添加量最低，為1.07 g/100 g，均與母乳存在較大差異。

2.3 嬰配奶粉氨基酸含量分析結果

由表4及圖2可知，通過柱前衍生高效液相色譜法檢測到嬰配奶粉中的17 種氨基酸，氨基酸總含量最高的為嬰配羊奶粉B樣品（12.72 g/100 g），最低的為嬰配牛奶粉樣品I（10.67 g/100 g）；由氨基酸熱圖可以看到：嬰配羊奶粉B樣品多種氨基酸顏色均最深，表明其含量最高；嬰配牛奶粉I顏色均最淺，表明其氨基酸含量較低?？傮w而言，所測樣品中嬰配羊奶粉氨基酸含量高于嬰配牛奶粉，氨基酸總量與蛋白質含量呈正相關。其中包括色氨酸在內的9 種EAA占氨基酸總含量的41.42%～44.10%，EAA/NEAA為70.70%～78.88%，均高于聯合國糧食及農業組織/世界衛生組織理想蛋白質標準（40%和60%以上）[19]。嬰配牛奶粉樣品H的EAA/TAA和EAA/NEAA均最低；嬰配羊奶粉A樣品最高。所有樣品的17 種氨基酸含量中最高和最低的分別為Glu和Trp，與李菁等[20]用氨基酸自動分析儀測定嬰配奶粉中的氨基酸研究結果一致。有研究顯示母乳氨基酸含量中谷氨酸含量最豐富[21]。所測樣品中嬰配羊奶粉B的Glu含量最高，為2.61 g/100 g。Glu是谷胱甘肽的前體，是中樞神經系統重要的興奮性遞質，其對嬰幼兒的生長發育有更大的益處，同時是腸道細胞能量的重要底物[22]。9 種EAA中，Leu均含量最高，為1.02～1.26 g/100 g，其次為Lys、Val、Thr和Ile。Leu在機體中發揮著重要的營養生理作用，主要包括氧化供能、調節機體免疫功能和調節機體（尤其是骨骼?。┑牡鞍踪|代謝[23]。Leu、Ile和Val又稱為支鏈氨基酸，不僅是合成蛋白質的前體物質，而且具有許多其他特殊生物學功能，屬于功能性氨基酸[24-25]。BCAA/TAA的比值中，嬰配羊奶粉B樣品最高，為21.17；嬰配牛奶粉H樣品支鏈氨基酸含量較少，比值較低，為18.11，其余樣品均在20以上。不同基料、不同品牌的嬰配粉在多種氨基酸含量上均存在差異，但除His外，其余氨基酸的差異并不顯著。嬰配牛奶粉H、I樣品在多種氨基酸含量上均低于其余樣品。顧浩峰等[26]研究表明，與牛奶嬰配奶粉相比，羊奶嬰配奶粉中的蛋白質的消化率更高，且EAA含量更高，能更好地被機體吸收利用。王逸斌等[27]分析發現與配方牛奶粉相比，全羊乳蛋白配方羊奶粉可以明顯促進嬰兒的體質量及頭圍等一系列指標增長，對整體生長發育促進作用明顯優于配方牛奶粉，可能因為羊奶所特有的理化性質如蛋白質的組成和性質、EAA含量等更有益于其營養價值的發揮，從而導致嬰兒對羊奶的消化率以及消化吸收速率高于牛奶。

表 4 嬰配奶粉氨基酸含量Table 4 Amino acid contents of infant formula

圖 2 不同品牌嬰配奶粉氨基酸熱圖Fig. 2 Heatmap for amino acids in different brands of infant formula

2.4 嬰配奶粉脂肪酸含量分析結果

通過表5和圖3可以看出，不同品牌、基料的嬰配奶粉中脂肪酸組成相似，但各種脂肪酸含量差異較大，與母乳仍有較大差距。母乳中主要脂肪酸組成為棕櫚酸C16:0、油酸C18:1c和亞油酸C18:2c，其含量占總量的70%以上。嬰配奶粉中主要脂肪酸與母乳一致，嬰配羊奶粉中其含量占總量的72%～80%；嬰配牛奶粉中其含量占總量的80%以上。

在短鏈、中鏈和長鏈脂肪酸中，不同品牌奶粉中短鏈脂肪酸的含量差異性顯著，含量最高的為嬰配方羊奶粉樣品D（5.73%），含量最低的為嬰配牛奶粉樣品I（0.88%）?？梢钥闯?，嬰配羊奶粉中短鏈脂肪酸的含量明顯高于嬰配牛奶粉。羊乳中的短中鏈脂肪酸（C4～C10）含量顯著高于牛乳和母乳，研究表明脂肪酶分解短中鏈脂肪酸的能力要比分解長鏈脂肪酸強的多，這也是山羊乳脂比牛乳脂更易消化的原因之一[28]。短鏈脂肪酸具有易消化的特性，能夠抑制膽固醇沉積、預防和治療腸功能紊亂等疾病，還可調節腸道菌群，維持體液和電解質平衡[29-30]。長鏈多不飽和脂肪酸中ARA和DHA含量較高，它們均來源于添加的微生物油脂。嬰配奶粉中ARA和DHA含量遠低于母乳（分別為0.84%、0.58%），嬰配牛奶粉樣品I中含量較高，分別為0.37%和0.33%。且同種基料的配方奶粉間差異不顯著，嬰配牛奶粉含量高于嬰配羊奶粉（P＜0.05）。DHA對嬰兒大腦、視網膜、皮膚和腎的發育十分重要，其攝入或合成不足時可直接影響學習能力及視力發育[31]。ARA在腦和神經組織中，占多不飽和脂肪酸總量的40%以上，在神經末梢甚至高達70%。它與嬰兒的智力和神經發育及視覺敏銳度直接相關。ARA和DHA可以協同促進海馬神經細胞生長[32]。GB 10765—2010規定，若添加DHA，至少要添加等量的ARA，因此，ARA和DHA的比值至關重要。由表5可知，嬰配奶粉中ARA/DHA均大于1，嬰配羊奶粉F樣品中其比值高達1.9。

表 5 不同品牌嬰配奶粉與母乳中脂肪酸質量分數Table 5 Comparison of fatty acid contents in different brands of infant formula and breast milk

圖 3 不同品牌嬰配奶粉脂肪酸熱圖Fig. 3 Heatmap for fatty acids in different brands of infant formula

LA和ALA是人體的必需脂肪酸，LA/ALA對于新生兒的生長發育有重要作用，新生兒配方乳中該值推薦范圍5∶1～15∶1，且在5∶1～6∶1時最佳[33]。如表5所示，不同品牌的嬰配奶粉中的亞油酸和α-亞麻酸差異不大，除個別品牌外，亞油酸質量分數主要集中在22%～26%。其中嬰配羊奶粉C樣品亞油酸質量分數最高，34.18% α-亞麻酸質量分數主要集中在3%～4%，9 種嬰配奶粉中油酸和α-亞麻酸的比值均符合5∶1～15∶1的要求，其中大部分集中在6∶1左右。

此外，不同種類脂肪酸的比例是評價脂肪酸營養價值的重要指標，世界衛生組織推薦SFA∶MUFA∶PUFA＝1∶1∶1[34]。在9 種奶粉中，嬰配羊奶粉樣品G中SFA∶MUFA∶PUFA最接近1∶1∶1，與脂肪酸理想比例模式最接近。

2.5 主成分分析結合馬氏距離計算評分

表 6 特征值與方差貢獻率Table 6 Eigenvalues and their contributions to the variance

利用Matlab軟件對嬰配奶粉氨基酸質量分數、脂肪酸質量分數、乳糖與低聚糖含量進行標準化等數據預處理，消除不同維度的數據差異性，再對數據進行主成分分析，根據累積貢獻率大于90%的原則，提取出6 個主成分，累積貢獻率達到90.19%，說明這6 個主成分基本包含了全部變量信息，因此選擇前6 個成分進行馬氏距離分析。提取的主成分及貢獻率見表6。對提取出的主成分進行馬氏距離分析，得到馬氏距離評分。

表 7 不同品牌嬰配奶粉的馬氏距離評分Table 7 MD scores for different brands of infant formula

如表7所示，馬氏距離評分最高的樣品為嬰配羊奶粉D（90.15）；嬰配羊奶粉F樣品評分次之，為86.96。嬰配牛奶粉H、I樣品評分均處于較低水平，分別為82.32、82.10。所測樣品中嬰配羊奶粉評分普遍高于嬰配牛奶粉。馬氏距離評分越高，表明該樣品與母乳馬氏距離越小，即樣品與母乳中營養成分的相似程度越高。

為進一步探究各營養素對整體得分的影響，對氨基酸、脂肪酸數據進行標準化等預處理、主成分分析，根據累積貢獻率大于90%的原則，氨基酸提取出4 個主成分，脂肪酸提取出4 個主成分，并分別計算其馬氏距離評分。碳水化合物數據（乳糖、低聚糖）進行標準化等預處理，計算馬氏距離評分。

表 8 不同品牌配方奶粉中的氨基酸、脂肪酸、碳水化合物馬氏距離評分Table 8 MD scores for amino acids, fatty acids, and carbohydrates in different brands of infant formula

由表8可知，整體的馬氏距離評分受脂肪酸數據影響最大，若脂肪酸組成和含量與母乳差異較大，則其綜合評分也較母乳差異較大，而碳水化合物數據對整體馬氏距離評分的影響最小，各種營養素之間的交互作用對整體馬氏距離評分造成影響。

3 結 論

本研究通過對嬰配奶粉的三大宏量營養素、乳糖、低聚半乳糖、低聚果糖、脂肪酸與氨基酸的種類及含量分析，并選擇主成分分析與馬氏距離相結合的方法對嬰配奶粉進行多指標綜合評價，以期為嬰配奶粉的開發、配方調整提供依據。嬰配奶粉三大宏量營養素均能滿足嬰幼兒的能量需求，其組成及質量分數與母乳相似，但其分項指標與母乳仍有差異；為模擬母乳，均添加了低聚糖（低聚果糖或低聚半乳糖+低聚果糖），平均含量為1.94 g/100 g，但遠低于母乳中益生元的水平（5.5%）。氨基酸總量最高的是嬰配羊奶粉B樣品，12.72 g/100 g，在所測樣品中羊奶粉氨基酸含量均高于牛奶粉；嬰配奶粉脂肪酸組成與母乳相似，但各種脂肪酸含量差異較大，其中C16:0、C18:1c、C18:2c為主要脂肪酸，占總量80%左右。通過對氨基酸、脂肪酸、乳糖、低聚糖數據預處理，并提取了6 個主成分，代表了90.19%的指標信息；選擇馬氏距離測算樣品中該營養成分與母乳的吻合度，馬氏距離評分最高的是嬰配羊奶粉D樣品，為90.15；嬰配羊奶粉F樣品次之，為86.96；嬰配牛奶粉H、I樣品評分均處于較低水平，分別為82.32、82.11，嬰配羊奶粉樣品評分普遍高于嬰配牛奶粉。馬氏距離評分越高，表明與母乳營養素含量與組成越相近，吻合度越好。同時綜合馬氏距離評分發現其受脂肪酸量效影響最大，碳水化合物對整體馬氏距離評分影響最小，各種營養素之間存在交互作用對整體馬氏距離評分有影響。可以看出嬰配奶粉與母乳之間營養素組成相似，但各種營養素的含量存在較大差異，以母乳為“金標準”，嬰幼兒奶粉配方達到母乳仍有較大提升空間。