主成分分析和隸屬函數法綜合評價15種(系)馬鈴薯的營養品質

(甘肅省農業科學院農產品貯藏加工研究所,甘肅蘭州 730070)

馬鈴薯是世界四大糧食作物之一,由于塊莖富含淀粉,與其它三種主糧作物一樣適合做主食[1],它具有廣適性、豐產性、全營養、效益高等特點,在我國絕大部分地區都有種植。西北地區是我國馬鈴薯的主要產區,其面積和產量均約占全國的25%,各級政府把馬鈴薯產業定為當地農民脫貧致富的主要產業之一[2]。自從2015年我國開始實施馬鈴薯“主糧化”戰略以來,馬鈴薯被加工成面條、饅頭、米粉等各種主食產品,假如想要提高馬鈴薯在人們日常飲食中的消費比例,那么對馬鈴薯的消費必須從傳統的菜用、休閑食品加工向主食化產品加工轉變[3-5]。不同馬鈴薯加工產品對加工原料薯的品質要求也不同,如淀粉加工就需要淀粉含量大于18%的品種,薯片、薯條加工要求還原糖含量低于0.3%的品種,全粉加工對原料薯的品質要求更為嚴格;人體缺乏某些礦質元素會對健康不利,如人體缺鉀會引起低鉀血癥、中風和哮喘等疾病,缺鐵對認知發育、免疫系統和能量代謝等都有不利的影響,缺鋅會導致智力低下和身材矮小等問題,而馬鈴薯塊莖不僅富含鉀,而且富含鐵、鋅等礦質元素[6-7]。隨著社會發展和生活水平的提高,人們對消費馬鈴薯的營養品質要求也在不斷提高,因此對于馬鈴薯的營養品質研究得到極大關注,然而單一指標分析無法準確地評價馬鈴薯營養品質,將主成分分析和隸屬函數分析法用于植物綜合評價具有一定的客觀性和準確性,避免了單一指標的片面性,因為它是在多指標測定基礎上進行的綜合評價。龐丹波等[8]、張士龍等[9]、田宏等[10]和吳平等[11]采用主成分分析和隸屬函數分析法對不同品種的紫花苜蓿和玉米及地被植物的生產性能、品種引進與抗逆性等方面進行綜合評價,趙春波等[12]和白磊等[13]對不同品種馬鈴薯塊莖的營養品質采用隸屬函數分析法進行了綜合評價,并從參試品種中優選出適宜的馬鈴薯品種,為馬鈴薯育種工作者提供參考依據。

由于受氣候、土壤及施肥水平等條件的影響,種植在不同地區的同一品種馬鈴薯品質存在較大差異,目前有關不同品種馬鈴薯營養品質分析與評價的文章比較多[12-15],但是對東鄉族自治縣生產的馬鈴薯進行品質評價的文章卻很少看到。東鄉族自治縣是我國唯一以東鄉族為主體的少數民族自治縣,同時也是國家和省級扶貧的少數民族重點縣,當地生產的馬鈴薯主要以菜用為主,用于加工增值的很少,雖然多數農民通過種植馬鈴薯增加了收入,但是產生的經濟效益不顯著。因此,本文通過對產自甘肅省臨夏州東鄉族自治縣的15個馬鈴薯品種(系)的主要營養品質指標進行測定及相關性分析,并采用主成分分析和隸屬函數法對各品種(系)的營養品質進行綜合評價,以期為合理應用當地生產的馬鈴薯提供科學依據,進一步增加馬鈴薯種植戶的經濟效益。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

本試驗共選擇15個馬鈴薯品種(系)做為參試材料,其種薯來源情況見表1。

表1 供試馬鈴薯品種(系)及來源Table 1 Variety(line)and source of potato in this study

K9840型半自動定氮儀 濟南海能儀器股份有限公司;WZZ-2S型數字式自動旋光儀上海精科實業有限公司;RF-540型熒光分光光度計 日本島津儀器公司;M410型火焰光度計 英國Sherwood公司;iCE3500原子吸收光譜儀 美國賽默飛世爾科技公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 馬鈴薯種植 試驗設在甘肅省臨夏州東鄉族自治縣龍泉鎮拱北灣村,海拔2300 m,年均降雨量為350 mm,蒸發量1400 mm,屬于我省典型的半干旱農業生態區。試驗地前茬作物為玉米,土壤類型屬于黃綿土,由于具有深厚的土層和疏松的土質,且土壤的保水性能良好,因此適宜馬鈴薯的生長。馬鈴薯播種用薯均采用原種,播種前每畝施農家肥2500 kg,尿素8 kg,磷酸二銨15 kg,硫酸鉀10 kg作基肥;培土時每畝追施尿素 4 kg。

1.2.2 馬鈴薯取樣及營養品質指標的測定 不同品種(系)的馬鈴薯均在2018年4月18日進行播種,2018年9月29日進行統一收獲,由于本試驗的馬鈴薯品種(系)均為中晚熟品種,各品種(系)間的成熟期相差不大,依據馬鈴薯植株長勢來確定收獲時間,確保每個品種(系)都成熟后再統一收獲。收獲時根據每個品種(系)的長勢情況選擇比較一致的馬鈴薯15株,挖出塊莖后分裝、貼標簽帶回實驗室,每個品種隨機取12個塊莖,用于馬鈴薯塊莖營養品質相關指標的測定,測定工作由甘肅省農業科學院農業質量標準與檢測技術研究所完成,檢測結果均以鮮基計算。干物質、粗淀粉、還原糖、維生素C和粗蛋白、鉀和鋅含量的測定方法分別為GB 5009.3-2016[16]、GB 5009.9-2016[17]、GB 5009.7-2016[18]、GB/T 5009.86-2016[19]、GB 5009.5-2016[20]、GB/T 5009.91-2017[21]和GB/T 5009.14-2017[22]。

1.2.3 不同品種(系)馬鈴薯營養品質的綜合評價 采用模糊數學隸屬函數法對不同品種(系)馬鈴薯塊莖的營養品質進行綜合評價[15],首先需要計算出每個品種(系)某一個營養品質指標的隸屬函數值,然后再計算出每個品種(系)的平均隸屬函數值,其數值越大,則說明該品種(系)馬鈴薯的綜合營養品質越好。用于馬鈴薯營養品質綜合評價的隸屬函數值[X(μ1),X(μ2)]的計算公式為:

表2 不同品種(系)馬鈴薯營養品質的比較分析Table 2 Comparative analysis of nutritional quality of different potato varieties

X(μ1)=(Xi-Xmin)/(Xmax-Xmin),i=1,2,3,…,n

式(1)

X(μ2)=1-(Xi-Xmin)/(Xmax-Xmin),i=1,2,3,…,n

式(2)

式中:Xi為某品種(系)馬鈴薯塊莖i指標的測定值;Xmax為所有試驗馬鈴薯品種(系)中i指標最大值;Xmin為所有試驗馬鈴薯品種(系)中i指標最小值。如某一指標與綜合營養品質呈正相關,則用X(μ1)表示;如某一指標與綜合營養品質呈負相關,則用X(μ2)表示。

1.3 數據處理

所有試驗數據的處理及隸屬函數法分析均采用Microsoft Excel 2007軟件,對試驗數據進行主成分和相關性分析采用SPSS 19.0軟件。

2 結果與分析

2.1 不同品種(系)馬鈴薯塊莖營養品質指標的變化分析

不同品種(系)馬鈴薯塊莖主要營養品質指標的含量變化(見表2)。結果表明,15個馬鈴薯品種(系)塊莖的干物質含量為175～234 g/kg,平均為 208 g/kg,變異系數為8%,其中隴薯14號的干物質含量最高為234 g/kg,L0109-4的干物質含量最低為175 g/kg;粗淀粉含量為120.5～170.9 g/kg,平均為144.7 g/kg,變異系數為8.9%,其中隴薯14號的粗淀粉含量最高為170.9 g/kg,L0109-4的粗淀粉含量最低為120.5 g/kg;粗蛋白含量為18.6～27.8 g/kg,平均為23.1 g/kg,變異系數為 12.2%,其中天薯11號的粗蛋白含量最高為27.8 g/kg,民薯2號的粗蛋白含量最低為18.6 g/kg;還原糖含量為1.8～12.0 g/kg,平均為6.2 g/kg,變異系數為55.5%,其中隴薯10號的還原糖含量最高為12.0 g/kg,莊薯3號的還原糖含量最低為1.8 g/kg;維生素C含量為125～169 mg/kg,平均為145 mg/kg,變異系數為10%,其中天薯13號的維生素C含量最高為169 mg/kg,L0109-4的維生素C含量最低為125 mg/kg;鉀含量為3.9～5.1 g/kg,平均為4.6 g/kg,變異系數為7.5%,其中隴薯14號的鉀含量最高為5.1 g/kg,青薯9號的鉀含量最低為3.9 g/kg;鋅含量為2.0～3.5 mg/kg,平均為2.8 mg/kg,變異系數為18.2%,其中天薯13號和莊薯3號的鋅含量最高為3.5 mg/kg,L0529-2的鋅含量最低為2.0 mg/kg。

參試的15個馬鈴薯品種(系)的粗淀粉含量均小于18%[6-7],不適宜進行淀粉加工,莊薯3號、天薯12號和天薯13號的還原糖含量均低于0.3%[6-7],適宜進行薯條、薯片加工;L08104-12、隴薯10號、隴薯11號和隴薯14號馬鈴薯品種的干物質含量(182～234 g/kg)、粗淀粉含量(129.9～170.9 g/kg)、還原糖含量(5.3～12.0 g/kg)、鉀含量(4.1～5.1 g/kg)、鋅含量(2.2～3.4 mg/kg),與文國宏等[23]研究的4個馬鈴薯品種的干物質含量(23.24%～27.18%)、粗淀粉含量(16.75%～20.30%)和還原糖含量(0.12%～0.47%)差別較大,而鉀含量(4.32～5.13 g/kg)和鋅含量(2.45～3.20 mg/kg)的差別較小。本研究結果與前人的研究結果[24-26]存在一定的差異,引起差異的原因可能與參試馬鈴薯品種(系)自身的遺傳特性、氣候條件、土壤類型以及施肥水平等因素有關[27]。

2.2 不同品種(系)馬鈴薯塊莖營養品質的綜合評價

2.2.1 主成分和相關性分析 主成分分析是利用降維(線性變換)的思想,在損失很少信息的前期下將多個指標通過線性組合轉化為少數幾個不相關綜合指標的一種多元統計分析方法,其目的是通過數據降維以排除眾多信息共存中相互重疊的信息,簡化后的指標要盡可能多地反映原來指標的主要信息而不丟失信息[28]。對15個馬鈴薯品種(系)的7個營養品質指標(干物質、粗淀粉、粗蛋白、還原糖、維生素C、鉀和鋅)進行主成分分析,計算其特征值的方差貢獻率和累積貢獻率,并根據累積貢獻率≥85%的原則提取主成分個數,本研究共取得4個主成分Y1、Y2、Y3、Y4(見表3、表4),其對應的方差貢獻率分別為39.329%、26.785%、13.487%和9.992%,以上4個主成分的累積貢獻率為89.592%,基本包含了所測馬鈴薯營養品質指標的全部信息。因此,4個主成分的表達式分別為:

表5 馬鈴薯塊莖營養品質指標間的相關性分析Table 5 Correlation analysis among nutritional quality indexes of potato

注：*和**分別表示在0.05和0.01水平上的顯著性差異。Y1=0.276X1+0.256X2+0.017X3-0.271X4+0.157X5+0.214X6+0.279X7

Y2=-0.296X1-0.365X2+0.351X3-0.163X4+0.333X5+0.051X6+0.222X7

Y3=-0.222X1-0.051X2-0.507X3+0.224X4+0.454X5+0.658X6-0.245X7

Y4=0.237X1+0.150X2+0.813X3+0.564X4-0.151X5+0.552X6-0.210X7

主成分表達式中各因子系數的大小可以反映因子對該主成分的貢獻大小,在主成分分析中,一般認為大于0.3的載荷就是顯著的。從以上4個主成分表達式可以看出,第一主成分中X7(0.279)的系數大于其它因子,主要為鋅含量,因此可以稱為鋅含量因子;第二主成分中X2(0.365)的系數較大,主要為粗淀粉含量,因此可以稱為粗淀粉含量因子;第三主成分中X6(0.658)的系數較大,主要為鉀含量,因此可以稱為鉀含量因子;第四主成分中X3(0.813)的系數較大,主要為粗蛋白含量,可以稱為粗蛋白含量因子。

表3 主成分提取分析Table 3 Principal component extraction and analysis

表4 各因子載荷矩陣Table 4 Loading matrix of each component

為了進一步篩選主要的評價指標,對這7項指標進行相關性分析(見表5)。結果表明,15個品種(系)馬鈴薯塊莖中的干物質含量與粗淀粉含量呈極顯著正相關(P<0.01),說明干物質含量高的馬鈴薯塊莖,其粗淀粉含量一定也高,在選擇用于加工淀粉的馬鈴薯時,可選擇干物質含量高的品種,干物質含量與粗蛋白含量、還原糖含量、維生素C含量呈負相關,但未達到顯著水平;還原糖含量與鋅含量呈極顯著負相關(P<0.01),因此在生產中可根據馬鈴薯炸片顏色的深淺來粗略判斷不同品種馬鈴薯中鋅含量的高低,炸片顏色淺的馬鈴薯品種鋅含量相對較高,還原糖含量與維生素C含量和鉀含量也呈負相關,但未達到顯著水平;其余各項檢測指標間的相關性均未達到顯著水平。

2.2.2 隸屬函數分析 經過對15個品種(系)馬鈴薯塊莖營養品質指標的變化分析可知,采用單一指標無法對參試馬鈴薯品種(系)的營養品質進行客觀評價。因此,綜合主成分分析和各指標相關性分析的結果,第一主成分選擇鋅含量、第二主成分選擇粗淀粉含量、第三主成分選擇鉀含量、第四主成分選擇粗蛋白含量共4項主要指標來代表馬鈴薯塊莖營養品質。粗淀粉與干物質呈極顯著正相關,鋅與還原糖呈極顯著負相關,因此經主成分分析選擇的這4項指標在一定程度上能夠代表所測指標,并采用模糊數學隸屬函數法對測試數據進行分析評價(見表6),由于該研究所測指標偏少,因此該研究結果只能做為初步評價的依據。結果表明,在參試的15個馬鈴薯品種(系)中,營養品質最佳(X>0.81)的馬鈴薯品種為隴薯14號;營養品質較佳(0.70>X>0.60)的馬鈴薯品種(系)依次為莊薯3號、隴薯11號、天薯13號、L08104-12和天薯11號;營養品質較差(X<0.30)的馬鈴薯品種(系)依次為青薯9號、隴薯10號和L0109-4。綜合分析可知,15個參試馬鈴薯品種(系)的主要營養品質從好到差依次為:隴薯14號>莊薯3號>隴薯11號>天薯13號>L08104-12>天薯11號>定薯4號>定薯3號>定扶引4號>民薯2號>天薯12號>L0529-2>青薯9號>隴薯10號>L0109-4。

表6 不同品種(系)馬鈴薯營養品質的隸屬函數值Table 6 Membership function value of nutritional quality of different potato varieties

3 結論

本研究以馬鈴薯塊莖的7項營養品質作為評價15個馬鈴薯品種(系)營養品質優劣的指標,用主成分分析法將多個指標轉換成少數幾個指標,并根據各成分貢獻率大小確定其相對重要性,然后用各品種(系)平均隸屬函數值的大小評價其營養品質。15個參試馬鈴薯品種(系)的主要營養品質從好到差依次為:隴薯14號>莊薯3號>隴薯11號>天薯13號>L08104-12>天薯11號>定薯4號>定薯3號>定扶引4號>民薯2號>天薯12號>L0529-2>青薯9號>隴薯10號>L0109-4。參試的15個馬鈴薯品種(系)均不適宜進行淀粉加工,只有莊薯3號、天薯12號和天薯13號適宜進行薯條、薯片加工,隴薯14號的綜合營養品質最佳,可作為菜用馬鈴薯供消費者選擇,本研究所測指標主要是針對馬鈴薯的營養品質,如果要進行加工方面的綜合評價還需要增加一些相應的指標,做更進一步的深入研究。

由本研究結果可知,先采用主成分分析法將多個測定指標進行簡化,然后提取主要成分因子,最后再采用隸屬函數分析法對不同品種(系)馬鈴薯塊莖營養品質進行綜合評價,該評價方法科學合理,減少了人為因素的影響,該評價結果不但較好地反映了馬鈴薯塊莖的主要營養品質,也可指導消費者選擇適宜的馬鈴薯品種按需消費。