基于主成分和聚類分析的不同品種淮山淀粉品質評價

李 燕, 賀 燕, 鄒金浩, 王 鋒, 蘇小軍, 李清明

(湖南農業大學食品科學技術學院1,長沙 410128)

(湖南科技學院化學與生物工程學院2,永州 425199)

(湖南省產商品質量檢驗研究院3,長沙 410007)

淮山(DioscoreaoppositaThunb)為薯蕷科薯蕷屬植物薯蕷的塊莖,是除馬鈴薯、木薯、紅薯外的第四大薯類作物[1,2],其用途廣泛,不僅是我國藥食同源的作物,更是許多熱帶和亞熱帶國家重要的主糧作物[3,4]。淀粉是淮山中主要營養成分,干基質量分數60%～85%[5]。近年來,許多研究者就不同品種淮山淀粉的理化性質以及加工利用潛力做了很多研究,發現糊化特性[6,7]、質構特性[8]、直鏈淀粉含量[7,9],粒徑[3,10]等都是影響淮山淀粉加工品質的重要因素,且品種對淮山淀粉的理化性質有很大的影響,這也意味著不同品種淮山淀粉適宜加工的產品不同。在總結影響淮山淀粉加工品質的因素中,通過某一個指標或某幾個指標得出來結果往往不夠客觀,而在多指標評價中由于指標間存在的相關性,需要統計的信息量大且復雜,難以得出一般規律[11]。

淀粉的品質是由多個指標共同決定的,為從多個影響指標中解析出主要影響淀粉品質的因素,得出更為全面,科學的評價結果,可以采用主成分分析(PCA)結合聚類分析的分析方法對淀粉品質進行綜合評價[12-15]。如張桂英等[15]對17個品種的小米淀粉進行了綜合評價,運用主成分分析從8個影響小米淀粉品質的指標中提取出了2個主成分并通過聚類分析將小米品種分為了3類。Patindol等[16]根據大米淀粉的糊化性質,運用聚類分析方法將20份大米淀粉分為了3類。目前對淮山淀粉的研究,大多僅針對不同淀粉品種間的差異進行比較分析[17],而運用主成分分析及聚類分析對不同品種淮山淀粉品質能更全面系統地評價淮山品質。因此,本研究測定了9個品種淮山淀粉的直鏈淀粉含量、粒徑、凍融穩定性、糊化特性以及質構特性等品質指標,并運用主成分分析及聚類分析建立一種對淮山淀粉品質綜合評價的方法,探討淮山淀粉加工適宜性并對其進行分類,為淮山淀粉的深加工提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

5種日本薯蕷(DioscoreajaponicaThunb)分別為桂淮11號(GY11)、桂淮2號(GY2)、利川淮山(LCY)、雙峰淮山(SFY)、安順淮山(ASY);4種參薯(DioscoreaalataL)分別為桂淮5號(GY5)、廣西紫淮山(GXPY)、馬鋪淮山(MPY)、紫腳板薯(SYPY);馬鈴薯直鏈淀粉標準品;碘液、碘化鉀等均為分析純。

1.2 儀器與設備

TDZ5型臺式低速離心機,HH-6型數顯恒溫水浴鍋,V-5000型可見分光光度計,JSM-6380LV型掃描電子顯微鏡,RVA-S/N2112681型快速黏度分析儀,TA.XT.plus型質構儀。

1.3 方法

1.3.1 淀粉的提取

采用水提法[6]提取淀粉。將新鮮的淮山原料洗凈、去皮,切碎后加水打漿,漿液過120目篩,篩子上殘留的物料用蒸餾水反復沖洗過濾,然后把過濾后的漿液沉降12 h,去掉上清液后得到淀粉。淀粉用蒸餾水重懸、沉降5次后取出,置于45 ℃烘箱中干燥48 h,再用粉碎機粉碎過100目篩置于干燥器中備用。

1.3.2 淮山淀粉直鏈淀粉含量的測定

直鏈淀粉含量的測定:參照GB/T 15683—2008《大米直鏈淀粉含量的測定》。

1.3.3 淮山淀粉顆粒的粒徑

淀粉顆粒的大小利用激光粒度儀對淀粉顆粒進行粒徑掃描,確定其粒徑分布范圍。

1.3.4 淮山淀粉的凍融穩定性測定

參照Hsieh等[20]的方法,略作修改。配制質量分數6%的淀粉懸浮液于沸水中加熱糊化,冷卻后取20 mL淀粉糊倒入離心管中蓋好蓋子。于-18 ℃冰箱中放置24 h后取出,自然解凍后4 000 r/min離心20 min,倒去上清液后并倒置10 min,然后稱取沉淀物的質量。其后每隔24 h測試 1 次,測定5次。以反復凍融5次后淀粉凝膠的析水率體現淀粉的凍融穩定性。析水率按式(1)計算:

析水率=淀粉糊質量-沉淀質量淀粉糊質量×100%

(1)

1.3.5 淮山淀粉的糊化特性

稱取(3.00±0.01)g的淀粉樣品放入快速黏度計專用鋁盒中,準確量取25.0 mL蒸餾水加入鋁盒中,將攪拌器置于鋁盒中上下快速攪動,使樣品均勻,再置于快速黏度分析儀(RVA)中。采用GB 24853—2010《小麥、黑麥及其粉類和淀粉糊化特性測定快速粘度儀法》標準程序1的溫度模式,即RVA初始溫度為50 ℃,保持1 min,然后以12 ℃/min升高至95 ℃,在95 ℃保持2.5 min,再以12 ℃/min降至50 ℃,保持2 min,根據RVA的曲線,分別獲得糊化溫度、回生值和崩解值等參數。

1.3.6 淮山淀粉的凝膠質構

準確稱取淀粉樣品,于燒杯中加入去離子水混合,配制成0.1 g/mL的淀粉懸浮液,攪拌均勻后在95 ℃水浴鍋中加熱糊化15 min,將淀粉糊裝入20 mL注射器中冷卻,在4 ℃條件下冷藏24 h后形成直徑為2 cm的圓柱形凝膠。測試前將凝膠倒出切成直徑為2 cm、高為1 cm的小圓柱體進行質構測定獲得硬度、彈性、內聚性、咀嚼性和回復性等參數。測定條件:選取TPA 模式,P/36R型探頭,測試前速率2.0 mm/s,測試速率1.0 mm/s,測試后速率 1.0 mm/s,壓縮程度40%,觸發力5 g。

1.3.7 數據統計分析

除特殊說明外,所有數據均為3次重復實驗的平均值。運用SPSS20.0軟件對數據進行描述性分析、主成分分析(PCA)和聚類分析。主成分分析(PCA)采用降維分析中的因子分析,得出相關性矩陣以及因子得分。聚類分析采用系統聚類,樣本之間的距離采用歐式距離平方,得出聚類樹狀圖。采用GraphPad Prism 8和Origin8.0進行圖形繪制。

2 結果與分析

2.1 不同品種淮山淀粉品質指標的描述性分析

對9種淮山淀粉品質指標的描述性分析見表1。不同品種淮山淀粉的糊化溫度在75.32～84.37 ℃之間,變異系數為4.25%,粒徑在17.0～24.3 μm之間,變異系數為10.94%,說明品種對淮山淀粉的糊化溫度、粒徑影響較小。而不同品種淮山淀粉凝膠的咀嚼性在35.95～1 637.80 g之間,回復性在0.07～0.64之間,硬度在212.51～2 113.65 g之間,變異系數分別高達180.16%、101.21%、87.69%,可見品種對淮山淀粉凝膠的咀嚼性、回復性、硬度的影響較大。其他10個指標的變異系數在13.18%～52.11%之間。按變異系數大小對14個品質指標進行排序,可知品種對指標的影響大小為咀嚼性>回復性>硬度>內聚性>回生值>崩解值>直鏈淀粉>最終黏度>谷值黏度>峰值黏度>彈性>析水率>粒徑>糊化溫度。

表1 淮山淀粉品質指標的描述性分析

2.2 不同品種淮山淀粉品質指標的相關性分析

對不同品種淮山淀粉的14個品質指標間的Person相關性分析結果見圖1。淀粉的直鏈淀粉含量與糊化特性有顯著相關性,其中與峰值黏度、谷值黏度的相關性系數分別為-0.777、-0.709,呈顯著負正相關(P<0.05)。粒徑與最終黏度的相關性系數為-0.677,呈顯著負正相關(P<0.05)。析水率與谷值黏度、回生值的相關性指數分別為0.742、0.723,呈顯著正相關(P<0.05),與最終黏度的相關性系數為0.829,呈極顯著正相關(P<0.01)。峰值黏度與彈性的相關性系數分別為0.848,呈極顯著正相關(P<0.01)。因此,不同品種淮山淀粉的品質差異較大,同時各評價指標之間存在不同程度的相關性,通過某一個指標或某幾個指標來評定不同品種淮山淀粉品質的優劣不客觀,可以通過主成分分析來綜合評價不同品種淮山淀粉的品質。

注:*為顯著相關(P<0.05);**為極顯著相關(P<0.01)。

2.3 不同品種淮山淀粉品質指標的主成分分析

對不同品種淮山淀粉的14個品質指標進行主成分分析的結果如表2所示。以特征值>1,方差貢獻率達到85%以上為選擇標準,共提取了4個主成分,第一主成分(Z1)、第二主成分(Z2)、第三主成分(Z3)、第四主成分(Z3)的特征值分別為5.591、4.151、2.295,1.336,其方差貢獻率分別為39.936%、28.935%、16.393%、9.542%,累計貢獻率達到94.806%,說明這4個主成分所包含的要素信息量可以反映出淮山淀粉的14個品質指標的大部分信息,因此可以用這4個主成分對這9種淮山淀粉的品質進行概括和綜合評價。

表2 淮山淀粉品質指標的特征值及貢獻率

因子載荷矩陣反映了淮山淀粉各品質指標與4個主成分間的關系,從表3中可以看出,第一主成分(Z1)與峰值黏度、谷值黏度高度正相關,與最終黏度、回生值、彈性、內聚性中度正相關,與直鏈淀粉含量中度負相關。第二主成分(Z2)與硬度、咀嚼性、回復性高度正相關,與內聚性中度正相關,與最終黏度中度負相關,第三主成分(Z3)與崩解值高度負相關。第四主成分(Z4)與粒徑中度正相關。峰值黏度、谷值黏度對第一主成分(Z1)的貢獻較大,負荷量分別為0.830、0.821,咀嚼性、硬度對第二主成分(Z2)的貢獻較大,負荷量分別為0.829、0.815,崩解值對第三主成分(Z3)的貢獻最大,負荷量為-0.896。因此,峰值黏度、谷值黏度、硬度、咀嚼性、崩解值是代表淮山淀粉品質的特征指標。PCA圖反映了各指標間的相似性,指標間的距離與其相似程度呈正比[19]。從圖2和圖3可以看出,第一主成分(Z1)主要綜合了淮山淀粉的糊化特征指標,第二主成分(Z2)主要綜合了淮山淀粉的凝膠質構特征指標。

圖2 碎石圖

圖3 PCA圖

表3 因子載荷矩陣

2.4 不同品種淮山淀粉品質的綜合評價

根據特征值和相應的特征向量,計算了9種淮山淀粉各自的主成分得分,并對淮山淀粉品質按前4個主成分得分進行了排序結果見表4。第一主成分(Z1)得分較高的有MPY(3.21)、ASY(2.37)、GXPY(1.09)這3種淮山淀粉,說明這3種淮山淀粉的峰值黏度、谷值黏度、最終黏度、回生值等品質優于其他品種。第二主成分(Z2)得分較高的有MPY(4.56)、SYPY(1.55)、GY2(0.06)這3種淮山淀粉,說明這3種淮山淀粉的硬度、內聚性、咀嚼性、回復性優于其他品種。第三主成分(Z3)得分最高的為SFY(2.05)、GY5(0.93)、GY2(0.71)這3種淮山淀粉,說明這3種淮山淀粉的崩解值低于其他品種。第四主成分(Z3)得分最高的為SYPY(1.36)、LCY(1.20)、SFY(1.10)這3種淮山淀粉,說明這3種淮山淀粉的粒徑大于其他品種。對9種淮山淀粉品質進行了綜合評價,綜合主成分得分(ZZ)越高,說明該品種越能夠代表淮山淀粉的綜合品質。MPY(2.80)、ASY(0.55)、SFY(0.27)的綜合主成分得分(ZZ)分別排1、2、3名,說明這3種淮山淀粉最能夠代表淮山淀粉的品質。不同品種淮山淀粉品質綜合評價得分圖如圖4所示, SYPY和MPY分別位于圖中偏左上角、右上角的位置,與其他淮山淀粉的間隔較遠,其余7種淮山淀粉間的距離較近,這說明9種淮山淀粉具有明顯的聚類趨勢,可以通過聚類分析對其進行再分析。

圖4 不同品種淮山淀粉品質綜合評價得分圖

表4 不同品種淮山淀粉性質的主成分值、綜合主成分值及排序

2.5 不同品種淮山淀粉的聚類分析

聚類分析可以通過研究對象的諸多特性進行分類,即將樣品按照品質特性相似度最大的優先聚合在一起,最終按照類別的綜合性質實現多個品種聚合。對9個品種的淮山淀粉的14個品質指標采用離差平方和法進行Q型系統聚類分析結果見表5和圖5。9種淮山淀粉可以分為三大類。第Ⅰ類聚集了GY11、GY2、LCY、MPY這4個品種的淮山淀粉,第Ⅱ類主要聚集了GY5、GXPY、SFY、ASY等4種淮山淀粉,第Ⅲ類聚集了SYPY這1種淮山淀粉。

注:縱坐標1～9分別為 GY11、GY5、GY2、GXPY、LCY、SFY、MPY、SYPY、ASY。

表5 不同品種淮山淀粉的分類結果

按照分類結果,求得各類淮山淀粉品質指標的平均值見表6。第Ⅰ類淮山淀粉表現出低糊化溫度、高峰值黏度以及高崩解值,且能形成凝膠硬度高,凝膠性強的淀粉凝膠,這說明此類淀粉容易糊化,且有較好的凝膠性能。第Ⅱ類淮山淀粉主要表現為低直鏈淀粉含量、顆粒粒徑較小、高析水率、回生值、谷值黏度,最終黏度,且具備一定的凝膠硬度的特點。在糊化過程中,此類淀粉容易發生回生,使其淀粉凝膠具備一定的硬度和韌性。第Ⅲ類淮山淀粉主要表現為高直鏈淀粉含量、淀粉顆粒粒徑大,低析水率,高糊化溫度、低回生值的特點。此類淀粉不易糊化,且不易回生,凝膠性弱且凝膠較軟。

表6 不同品種淮山淀粉各類品質指標的平均值

3 討論

3.1 淮山淀粉的品質特性

直鏈淀粉含量是影響淀粉基食品口感的主要原因之一,研究中的9種淮山淀粉的直鏈淀粉含量在4.83%～28.70%之間,大于趙小梅等[18]報道的4種淮山淀粉的直鏈淀粉質量分數(9.30%～15.55%),小于Pérez[10]等報道的5種淮山淀粉的直鏈淀粉質量分數(26.7%～32.7%),且淀粉品種間直鏈淀粉含量差異較大,說明9種淮山淀粉適宜加工的產品不同。淀粉的糊化特性和凝膠質構特性都是決定淀粉產品最終品質的重要指標。9種淮山淀粉的糊化溫度在75.32～84.37 ℃之間,小于長山山藥淀粉的糊化溫度(85.2 ℃)[17]。9種淮山淀粉的回生值(1 599.30 cP)、崩解值(1 221.32 cP)、硬度(658.76 g)、咀嚼性(283.89 g)的平均值要大于趙小梅等[18]報道的4種淮山淀粉的回生值(203～772 cP)、崩解值(136～633 cP)、硬度(226～303 g)、咀嚼性(203～273 g),且這些指標的變異系數較大,說明不同品種間淮山淀粉的品質差異很大,其品質特性還需進一步分析。

3.2 基于主成分分析對淮山淀粉品質的綜合評價

淀粉的品質指標間是存在相互關系的,這就導致指標反映的眾多信息中存在相互重疊的情況。如張桂英等[15]對小米淀粉的研究中也發現直鏈淀粉含量與峰值黏度呈負相關,Hsieh等[20]研究表明直鏈淀粉含量低的馬鈴薯淀粉具有更大的顆粒膨脹度、更高的糊黏度和糊透明度。主成分分析可以將原來眾多具有一定相關性的指標,通過降低數據維數排除眾多信息共存中相互重疊的信息,轉化為少數幾個不相關的綜合指標[21]。如Uarrota等[22]的研究將玉米淀粉的12個評價指標分為了3個主成分,其中膨潤力、糊化溫度、回生值與第一主成分正相關,蛋白質含量、持水力、崩解值與第二主成分負相關。研究將淮山淀粉的14個評價指標分為了4個主成分,第一主成分(Z1)可以命名為糊化特征指標,第二主成分(Z2)可以命名為凝膠質構特征指標,這2個主成分的貢獻值累計將近70%,這可以看出淮山淀粉是一類糊化時具有高黏度以及可以形成具有穩定質構的凝膠的淀粉。其中MPY的第一主成分得分、第二主成分得分以及綜合得分都排在第1,說明MPY的糊化特性、質構特性優于其他淮山淀粉,且其綜合品質最好。

3.3 基于聚類分析評價淮山淀粉的加工適應性

淀粉具備天然的成凝膠性,但不同品種間淀粉的凝膠性不同,因此具備不同的加工用途。聚類分析的結果表明,9種淮山淀粉可分為3類,第Ⅰ類淮山淀粉(GY11、GY2、LCY、MPY)具備強凝膠性,能夠制備成硬度較高、彈性較大的凝膠食品,也可以作為一種凝膠劑,具有提高魚糜[23]、香腸[24]等食品的凝膠能力的潛力。淀粉的回生也是影響淀粉基食品加工的重要因素,有研究表明[25-27],粉條的制備需要一定程度的回生,使粉條能夠形成較好的硬度和韌性。本研究中的第Ⅱ類淮山淀粉(GY5、GXPY、SFY、ASY)的平均回生值最高為2 077.25 cP,其在粉條的制備中具備應用潛力。但第Ⅱ類淮山淀粉不適宜在冷凍食品如餃子、湯圓等的應用,因其擁有較高的平均析水率(52.54%),在反復凍融過程中,凝膠容易析水引發食品品質的下降。第三類淮山淀粉(SYPY)的平均凝膠硬度最低為279.85 g, 且平均回生值最低僅為88.00 cP,具備弱凝膠性,雖不適宜制作淀粉凝膠食品,但可以配合增塑劑的使用制備成穩定的淀粉薄膜用于食品的保鮮[28-30]。

4 結論

本研究通過變異系數的大小得出淀粉品種對淮山淀粉的凝膠質構指標影響較大。從14個淮山淀粉品質指標中提取了4個主成分,其中第一主成分(Z1)綜合了淮山淀粉的糊化特征指標,第二主成分(Z2)綜合了淮山淀粉的凝膠質構指標。峰值黏度、谷值黏度、硬度、咀嚼性、崩解值是淮山淀粉的特征指標。通過主成分分析綜合評價了9種淮山淀粉的品質,發現MPY(2.80)、ASY(0.55)、SFY(0.27)的綜合主成分得分(ZZ)較高,其綜合品質要優于其他品種淮山淀粉。通過聚類分析將9個品種淮山淀粉分為了3類,第Ⅰ類淮山淀粉(GY11、GY2、LCY、MPY)具備強凝膠性,第Ⅱ類淮山淀粉(GY5、GXPY、SFY、ASY)的成凝膠性次之,第三類淮山淀粉(SYPY)的凝膠性最弱,此3類淮山淀粉具備不同的凝膠性能,適宜加工成不同類型的淀粉基產品。