不同品種紫薯營養主成分及聚類分析

張夢瀟 周文化 周 虹 張 亞 羅奡劼 李良怡

(特醫食品加工湖南省重點實驗室1，長沙 410004)

(糧油深加工與品質控制湖南省協同創新中心2, 長沙 410004)

(中南林業科技大學食品科學與工程學院3，長沙 410004)

(湖南省作物研究所4，長沙 410125)

紫薯(IpomoeabatatasL.)是旋花科番薯屬，又名黑薯，薯肉呈紫色或深紫色，在我國的山東、湖南、湖北、福建、江西、廣東、廣西等地區均有種植。目前國內已先后培育出多種紫薯新品種，如濟紫薯1號、廣薯135、京薯6號、渝紫263等品種。紫薯營養豐富加工利用領域廣泛，常作為淀粉[1,2]、膳食纖維[3]、類黃酮[4]、總酚[5,6]、胡蘿卜素[7]、蛋白質[8]、花青素[9，10]等多種營養物質的優良來源。

紫薯營養成分豐富，但因品種不同，其營養素和營養成分含量差異較大，有關紫薯營養成分分析相關報道較多，如劉春泉等[11]研究寧紫薯1號甘薯的營養成分，結果得出其含水量為74.57%，淀粉為12.20%，粗纖維為0.75%，蛋白質含量為1.20%，且含有14種氨基酸符合FAO/WHO提出的理想蛋白質模式。蔡湛等[12]研究新鮮紫薯營養成分，結果得出含水量為69.10%、脂肪為0.21%、總灰分為1.23%。Zahari等[13]研究紫薯泥總花青素含量(TAC)為25.71～426.67 mg/L，且各品種間存在差異性(P<0.05)。Kim等[14]研究紫薯薯肉中總膳食纖維、花青素、總酚類化合物含量范圍分別為10.11%～10.87%、2.43～3.35 mg/g和454.13%～638.79%。Steed等[15]報道了美國紫薯中花青素含量在51.5～174.7 mg/100 g FW之間。以上均是對單一或多個品種營養成分的探究或對比。目前，運用主成分分析及聚類分析對紫薯品種進行營養品質分析及分類的研究鮮有報道。

本研究分析比較9個品種紫薯的品質及營養成分含量差異，應用主成分分析和聚類分析方法比較其營養品質差異。可為紫薯資源的分類利用，調整和優化紫薯種質種植提供參考。

1 材料與方法

1.1 主要材料

寧紫薯1號、寧紫薯8號、湘紫薯174、川紫薯4號、徐紫薯8號、阜紫薯1號、渝紫薯7號、綿紫薯9號、鄂紫薯12號等9個品種紫薯鮮樣均由湖南作物研究所提供(種植于湖南省作物研究所試驗田，采收后地窖貯藏，從中挑選無腐敗、發芽，病蟲害的新鮮紫薯)。

1.2 主要試劑

無水乙醇、鹽酸、硫酸、抗壞血酸、2，6-二氯酚靛酚鈉鹽、3，5-二硝基水楊酸、鄰苯二酚，均為CP級；碳酸氫鈉、酒石酸鉀鈉、苯酚、亞硫酸鈉、氫氧化鈉、硼酸、高氯酸、葡萄糖、考馬斯亮藍G-250、牛血清蛋白、a淀粉酶、纖維素酶、乙酸、甲醇、草酸、磷酸、乙酸鈉、丙酮，均為AR級。

1.3 主要儀器設備

JH-HS鹵素快速水分分析儀，101-3EBS電熱鼓風干燥箱，FW-400A傾斜式高速萬能粉碎機，C21-SK210電磁爐，BlueStar B型紫外分光光度計，Delta 320型pH計，80-2型電動離心機，Sorvall LYNX 6000型高速冷凍離心機，SB-5200 DTDD型超聲波清洗機，UltraScan Pro色差儀。

1.4 熟鮮紫薯感官評價

先將新鮮紫薯清洗干凈，剔除芽眼，鮮薯蒸熟后，再采用人工品嘗打分法[16，17]。

表1 熟鮮紫薯感官評分標準

1.5 營養與色澤指標測定

本實驗按照SB/T 10314—1999《采樣方法及檢驗規則》采用四分法采樣，按四分法對角線取樣進行減量測試。

水分含量測定：參照GB 5009.3—2016執行。蛋白質的測定：采用SN/T 3926—2014考馬斯亮藍法執行。膳食纖維的測定：依據GB 5009.88—2014執行。淀粉的測定：采用高氯酸水解及3，5-二硝基水楊酸(DNS)[18]法測定。花青素、類黃酮、總酚的測定：參照張群等[19]方法。色差測定：采用色差儀Lab系統測定。維生素C測定：采用2,6-二氯酚靛滴定法[18]。維生素B2測定：依據GB 14752—2010執行。

1.6 數據處理

采用IBM SPSS Statistics 24.0和Origin Pro 2017軟件得出平均值±標準差，對數據進行顯著性分析、主成分分析、聚類分析。

2 結果與分析

2.1 不同品種鮮紫薯色澤比較分析

9個品種鮮紫薯的L*、a*和b*存在極顯著性差異(P<0.01)。L*值分布在69.73～71.80之間，由表4的花青素含量與鮮紫薯亮度值對比可知，鮮紫薯亮度值越大，花青素含量越低，a*值均分布在2.21～5.64之間，并且均為正值則顏色趨于紅色，b*值均分布在-1.70～0.55之間，除寧紫薯8號為正值偏黃色，其余均為負值，其顏色偏藍色。

表2 不同品種鮮紫薯的色澤

注：大寫字母表示差異達到極顯著水平(P<0.01)，下同。

2.2 不同品種熟紫薯感官評價分析結果

對不同品種熟紫薯的感官評價結果見表3，不同品種紫薯感官評價存在極顯著性差異(P<0.01)，其中色澤得分最高的為綿紫薯9號，而表2綿紫薯9號的亮度值最低，說明鮮紫薯色澤越深其感官色澤評分越高；食味得分最高的是寧紫薯1號；口感得分最高的是寧紫薯8號；組織狀態得分最高的是寧紫薯8號；總分得分最高的是寧紫薯8號。

2.3 不同品種紫薯營養成分測定結果比較

不同品種紫薯的營養成分如表4所示，對9個紫薯營養成分差異化比較，不同品種紫薯的水分含量分布于62.56%～66.86%。其中，寧紫薯8號水分含量最高(66.86%)，除川紫薯4號、徐紫薯8號和渝紫薯7號之間不存在顯著性差異，其余各品種之間均存在顯著性差異(P<0.05)。9個品種紫薯的蛋白質含量在7.02～11.60 mg/mL之間。其中，川紫薯4號的蛋白質含量最高約為蛋白質含量最低的阜紫薯1號的1.6倍，除川紫薯4號和徐紫薯8號的蛋白質含量不存在顯著性差異，其余各品種間均存在顯著性差異(P<0.05)。膳食纖維含量最高的品種是川紫薯4號(6.02/100 g)，膳食纖維含量最低的品種是阜紫薯1號。紫薯的淀粉質量分數在16.57%～20.65%之間，淀粉含量最高的品種為寧紫薯8號，渝紫薯7號的淀粉含量次之，渝紫薯7號與綿紫薯9號和鄂紫薯12號之間的淀粉含量不存在顯著性差異，其余各品種之間淀粉含量存在顯著性差異(P<0.05)。

表3 不同品種熟紫薯感官評價

表4 不同品種紫薯營養成分表

注：表中同列不同的小寫字母表示差異達到顯著水平(P<0.05)，大寫字母表示差異達到極顯著水平(P<0.01)。

9個品種紫薯的花青素含量在1.75～3.36 mg/g之間，不同品種之間花青素含量均存在極顯著性差異(P<0.01)，且紫薯花青素的含量影響著其的色澤的深淺。類黃酮含量在0.27～0.32 mg/mL之間，寧紫薯8號的類黃酮含量最高為0.32 mg/mL，三者與其他6個品種存在極顯著性差異，總酚含量在32.20～54.80 μg/mL之間，除阜紫薯1號和渝紫薯7號之間不存在顯著性差異，其余各品種間均存在顯著性差異(P<0.05)。

9個品種紫薯的維生素C含量在2.23～2.93 mg/100 g之間，徐紫薯8號維生素C含量最高，阜紫薯1號維生素C含量最低，各品種間存在顯著性差異(P<0.05)。維生素B2含量在1.40%～2.95%之間，且各品種間存在顯著性差異(P<0.05)。

2.4 不同品種紫薯營養成分的主成分分析

采用主成分分析法對9個品種紫薯的水分、蛋白質、淀粉、膳食纖維、花青素、總酚、類黃酮、維生素C、維生素B2等9種營養成分含量進行分析，從表5可知，前3個特征值4.889、2.367、1.475皆大于1，前3個特征值累計貢獻率為87.319%，故提取因素可以反映總體特征，已能綜合紫薯營養品質的大量數據信息，因此，選取前3個主成分作為供試紫薯的主成分進行下一步分析。

表5 不同品種紫薯營養成分主成分的總方差貢獻率

紫薯品質指標的主成分因子載荷矩陣可見表6，主成分分析成分矩陣代表了解釋變量在各主成分中的權重和影響方向[20]。第一主成分(PC1)主要綜合了水分、花青素、類黃酮、總酚、維生素B2含量信息，第二主成分(PC2)主要綜合了蛋白質、膳食纖維含量信息，第三主成分(PC3)主要綜合了淀粉和維生素C含量信息。

表6 不同品種紫薯營養品質主成分分析載荷矩陣數值

2.5 不同品種紫薯營養特性綜合得分分析結果

為了更加直觀地鑒定紫薯的綜合質量，采用因子綜合得分對主成分得分的數據進一步分析。紫薯品質指標的各主成分因子成分得分系數見表7，可以得出紫薯主成分得分及綜合評分[21]，其中Z1、Z2、Z3、Z綜分別為因子1、因子2、因子3和綜合因子，A1、A2、A3、A4、A5、A6、A7、A8、A9分別代表紫薯水分、蛋白質、花青素、維生素C、淀粉、類黃酮、總酚、維生素B2、膳食纖維標準化后數據。

Z1=-0.177A1-0.031A2+0.168A3-0.091A4-0.063A5+0.172A6-0.198A7+0.184A8-0.025A9

(1)

Z2=-0.197A1+0.401A2+0.034A3+0.122A4+0.019A5+0.170A6+0.066A7+0.001A8+0.395A9

(2)

Z3=-0.068A1+0.099A2-0.099A3+0.393A4+0.608A5-0.049A6-0.045A7+0.198A8-0.168A9

(3)

綜合得分=因子1的方差貢獻率×因子1的得分+因子2的方差貢獻率×因子2的得分+因子3的方差貢獻率×因子3的得分[22]。

Z綜=0.4889Z1+0.2367Z2+0.1475Z3

(4)

表7 不同品種紫薯營養品質主成分分析成分得分系數表

將3個主成分大小依次排序，可權衡每個因子在每個品種中所處的位置與分量，從而較直觀地判斷不同品種的特性。由表 8 可知，9個紫薯品種中因子 PC1得分前三排序為綿紫薯9號>阜紫薯1號>鄂紫薯12號；因子 PC2 得分前三排序為徐紫薯8號>川紫薯4號>湘紫薯174；因子 PC3 得分前三為寧紫薯8號>綿紫薯9號>徐紫薯8號。綜合排名前三的品種依次為徐紫薯8號>綿紫薯9號>渝紫薯7號。

表8 不同品種紫薯品質預測評價結果

注：括號內數字為排名順序。

注：X1 水分；X2 蛋白質；X3 花青素；X4 維生素C；X5 淀粉；X6 類黃酮；X7 總酚；X8 維生素B2；X9 膳食纖維。1 寧紫薯8號；2 湘紫薯174；3 寧紫薯1號；4 川紫薯4號；5 徐紫薯8號；6 阜紫薯1號；7 渝紫薯7號；8 綿紫薯9號；9 鄂紫薯12號。圖1 不同品種紫薯營養品質主成分分析的散點圖

2.6 不同品種紫薯營養特性的主成分分析分類

為了進一步探究不同品種紫薯各營養成分含量差異及分類，從對PC1和PC2的主成分分析得分情況(見圖1)可知，9個品種紫薯可分為5類，其中編號1、3、6的品種(寧紫薯8號、寧紫薯1號、阜紫薯1號)各為一類，其中編號1、6的品種偏離中心，編號3位于第四區間，所以各為一類。編號1為寧紫薯8號其水分含量在本文紫薯品種中最高；編號3為編號2、4、5的品種(川紫薯4號、徐紫薯8號、湘紫薯174)由于分布較為密集將其分為一類，說明其蛋白質和膳食纖維含量較高；編號7、8、9的品種(渝紫薯7號、綿紫薯9號、鄂紫薯12號)為一類，由于距離X3、X6、X8線段較近，分別說明其類黃酮(X6)、花青素(X3)和維生素B2(X8)含量較高。PCA散點圖中的品種聚類揭示了各紫薯歸屬。

2.7 不同品種紫薯營養特性的聚類分析

對不同品種紫薯營養成分采用系統聚類，在方法上采用平方歐式距離測量，使用組間聯接測量區間，得出譜系圖(見圖2)，當類間距離=5時，可將9個品種紫薯分為五大類。第Ⅰ類包括3個品種，為川紫薯4號、徐紫薯8號、湘紫薯174；第Ⅱ類僅有1個品種，為寧紫薯1號；第Ⅲ類包括3個品種，為綿紫薯9號、渝紫薯7號、鄂紫薯12號；第Ⅳ類僅有1個品種，為阜紫薯1號；第Ⅴ類僅有1個品種，為寧紫薯8號，聚類分析的分類結果與2.6中主成分分析分類結果完全一致。

注：1～5為寧紫薯8號；6～10為湘紫薯174；11～15為寧紫薯1號；16～20為川紫薯4號；21～25為徐紫薯8號；26～30為阜紫薯1號；31～35為渝紫薯7號；35～40為綿紫薯9號；41～45為鄂紫薯12號。圖2 不同品種紫薯營養品質的聚類分析結果

3 結論

9種不同品種的紫薯其各品質特性均存在一定的差異。其中9個品種鮮紫薯色差、感官評分及花青素、維生素含量均存在極顯著性差異(P<0.01)。花青素含量越高，亮度值越低，而感官色澤評分越高。主成分分析綜合得分結果綜合排名前三的品種依次為徐紫薯8號>綿紫薯9號>渝紫薯7號。根據聚類分析，當類間距離=5時，9個品種紫薯歸為5類，寧紫薯8號、寧紫薯1號、阜紫薯1號各為一類，其水分含量位居前三；川紫薯4號、徐紫薯8號、湘紫薯174分為一類，其蛋白質和膳食纖維含量較高；渝紫薯7號、綿紫薯9號、鄂紫薯12號為一類，其類黃酮、花青素和維生素B2含量較高。聚類分析分類結果與主成分分析分類結果完全一致。為紫薯合理加工及原料選擇和品種搭配上提供參考。