馬鈴薯品質特性的相關性及主成分分析

王麗，句榮輝，楊洋，陳璟瑤，朱麗潔，鄧志峰

1.北京農業職業學院食品與生物工程系（北京 102442）；2.北京華制認證檢測技術服務有限公司（北京 100193）

馬鈴薯（Solanum tuberosum）是世界產量排名第四的作物，僅次于水稻、小麥和玉米[1]。馬鈴薯含有碳水化合物、蛋白質、脂類、維生素等一系列營養成分，其中淀粉占干重的70%以上[2]。馬鈴薯中淀粉的組成、支鏈淀粉和直鏈淀粉的比例、物理化學特性、功能特性及流變學特性直接影響烹飪方式、加工技術[3]。不同品種馬鈴薯中蛋白質、直鏈淀粉/支鏈淀粉比值、還原糖、磷含量的變化范圍分別是9.95%～11.55%，0.14～0.31，0.4%～2.54%和70.00～190.00 mg/100 g（干重）[4]。不同品種馬鈴薯中各品質特性差異顯著，同時不同品質特性之間變化多端，沒有統一的變化規律，很難評價不同品種馬鈴薯品質特性的差異[5]。

理化品質、加工品質是馬鈴薯的固有品質，而不同品種的品質將直接影響馬鈴薯的加工利用性。馬鈴薯品質眾多，要分析不同品種馬鈴薯品質特征，同時避免測試過程中的耗時、費力、成本高等特點，可采用減少分析指標的主成分分析（principal component analysis，PCA）方法進行優化。已有研究采用PCA開展蛋白質亞細胞的定位預測[6]、藜麥營養及抗氧化性預測[7]、COVID-19的傳播率關系分析[8]、貨幣指數的變化情況[9]等，并將PCA與非線性回歸技術相結合建立評價模型，通過綜合主成分得分值對樣本進行分類[10-11]。試驗選取PCA對來自3個地區9個品種的品質特性進行分析，以期篩選出對馬鈴薯品質特性影響顯著的指標，并用簡化后的指標對不同品種馬鈴薯品質特性進行綜合評價。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

馬鈴薯品種：由黑龍江八一農墾大學、甘肅省農科院及北京某蔬菜基地提供（如表1所示）。

表1 馬鈴薯品種名稱及來源

1.2 主要試劑

碘化鉀、碘、無水乙醇、鹽酸、石油醚、氫氧化鉀等均（分析純，北京北化試劑公司）。

1.3 儀器與設備

紫外分光光度計（UV-2550，島津公司）；氨基酸自動分析儀（H835-50，日本Hitachi公司）；凱氏定氮儀（Kieltec Analysister，瑞典Foss公司）；熒光分光光度計（RF5301PC，日本島津）；1525型高效液相色譜儀（配2487紫外檢測器和Breeze色譜工作站）、Sunfire C18（4.6 mm×250 mm，5 μm，美國Waters公司）。

1.4 試驗方法

水分，參考GB 5009.3—2016《食品中水分的測定》采用直接干燥法測定；總淀粉，參考GB 5009.9—2016《食品中淀粉的測定》采用酸水解法測定；粗蛋白，參考GB 5009.5—2016《食品中蛋白質的測定》采用凱氏定氮法測定；粗脂肪，參考GB 5009.6—2016《食品中脂肪的測定》采用索氏抽提法測定；粗纖維，參考GB/T 5009.10—2003《植物類食品中粗纖維的測定》；灰分，參考GB 5009.4—2016《食品中灰分的測定》測定馬鈴薯中的總灰分；總膳食纖維，參考GB 5009.88—2014《食品中膳食纖維的測定》；氨基酸，參考GB 5009.124—2016《食品中氨基酸的測定》；維生素C，參考GB 5009.86—2016《食品中抗壞血酸的測定》采用熒光法測定；維生素B6，參考GB 5009.154—2016《食品中維生素B6的測定》采用高效液相色譜法測定；礦物質含量，采用火焰原子吸收法測定；糖苷生物堿，采用高效液相色譜法測定，參考曾凡逵[12]方法測定。

1.5 數據處理方法

所有品質指標均測定3次，取其平均值作為最終結果。分析和處理結果以平均值±標準差表示。各組數據間的顯著性和相關性均采用SPSS軟件分析；主成分分析采用SAS軟件分析。

2 結果與分析

2.1 不同馬鈴薯樣品中基本品質特性分析

表2顯示不同品種馬鈴薯中水分、淀粉、粗蛋白、粗脂肪、灰分、總膳食纖維等品質數據。結果表明，不同樣品間各品質特性差異顯著。各樣品中水分較高，均高于65%，其中抗疫白水分最高，達80.36%。高水分導致馬鈴薯易于受微生物的污染，是影響馬鈴薯貯藏條件和時間的重要指標[13]，因此，對于水分較高的品種常作為加工馬鈴薯粉的主要原料。不同品種馬鈴薯中淀粉含量范圍在11.18～21.92 g/100 g，大多數集中在15.00～20.00 g/100 g，淀粉是馬鈴薯中除了水分以外含量最多的固形物。淀粉是馬鈴薯中主要的能量來源，提供世界人口熱量消耗的70%～80%[14]。在馬鈴薯加工行業中，馬鈴薯的烹飪方式、適宜的加工技術很大程度上取決于淀粉的含量和組成，如：淀粉加工需要淀粉含量大于18%的品種[15]；淀粉含量高的品種適合加工薯片[16]和馬鈴薯全粉[17]。

表2 不同品種馬鈴薯樣品基本品質特性

不同品種中蛋白質的變化范圍是7.46%～14.12%，黑龍江的“抗疫白”中蛋白質含量最高，為14.12%，“克新27”蛋白質含量最低，為7.47%。研究發現馬鈴薯蛋白質的數量和質量均較高，如每公頃馬鈴薯中蛋白質產量位居作物中第二，僅次于小麥；馬鈴薯蛋白質的營養價值顯著高于其他植物和谷物，蛋白質的質量和雞蛋蛋白質質量相近，馬鈴薯蛋白質具有較低的過敏性，消化吸收功能性高[18]。各個品種的粗脂肪含量均較低，低于0.54%。試驗結果與吳娛[19]研究結果相一致，馬鈴薯是一種高蛋白低脂肪的營養物質，對減少脂肪，降血脂有一定功效。不同樣品中粗纖維含量變化范圍是1.22%～2.37%，其中北京的“荷蘭薯”中粗纖維含量最高，為2.37%，居于各個品種之首，其次為黑龍江的“布爾斑克”，含量為2.24%。灰分在不同樣品中差異極顯著，變化范圍是0.13%～2.91%，其中甘肅的“LY08104-12”灰分最高，為2.91%，其次為北京的“荷蘭薯”為2.76%。膳食纖維是一類不能被人體小腸消化吸收，但能完全或部分完全在大腸中發酵的植物可食部分或類似的碳水化合物，具有多種有益健康的生理功效，如通便、降低血膽固醇、降低血糖的功效。試驗發現，馬鈴薯中膳食纖維占干物質含量的5.25%～9.00%。馬鈴薯中所含有的熱量明顯少于大米或麥片。營養學家指出，每天吃馬鈴薯可減少脂肪的攝入量，能使多余的脂肪代謝掉，是世界性減肥食品[20]。

2.2 不同品種馬鈴薯氨基酸含量分析

2.2.1 馬鈴薯氨基酸基本組成

不同品種馬鈴薯氨基酸含量數據結果顯示各品質特性差異顯著（數據未顯示），除了含有人體必需的8種氨基酸外（蘇氨酸、纈氨酸、蛋氨酸、異亮氨酸、亮氨酸、苯丙氨酸、賴氨酸），還含有半必需氨基酸（精氨酸、組氨酸等），也含有鮮味氨基酸（天冬氨酸）、甜味氨基酸（甘氨酸、蘇氨酸、脯氨酸、丙氨酸）及藥效氨基酸（亮氨酸、異亮氨酸、賴氨酸），是一般糧食作物所不能比擬的。

馬鈴薯蛋白質中氨基酸含量豐富，如用35%的雞蛋清與65%的馬鈴薯蛋白混合，可獲得最佳蛋白質。歐美專家指出，每餐只吃全脂牛奶和土豆，就可以得到身體所需要的全部營養素[21]。

2.2.2 馬鈴薯氨基酸典型特性

圖1結果顯示，馬鈴薯中天冬氨酸、谷氨酸的含量顯著高于其他種類氨基酸，天門冬氨酸的變化范圍是1.04～1.92 g/100 g，谷氨酸的變化范圍是0.86～1.71 g/100 g，研究表明天門冬氨酸具有增強肝臟功能，消除疲勞的功效；谷氨酸具有治療肝性昏迷的功效，是馬鈴薯中值得進一步研究的兩種重要氨基酸。

圖1 馬鈴薯氨基酸含量平均值分析

圖2為不同種類作物中氨基酸含量比較分析圖。結果表明，馬鈴薯中含有的支鏈氨基酸高于其他品種，包括纈氨酸、亮氨酸和異亮氨酸，這些支鏈氨基酸參與肌肉合成、刺激激素分泌、提高運動耐力、恢復肌肉疲勞、強化肝功能、保護心臟具有較好的功效。同時馬鈴薯蛋白質中含有高比例的賴氨酸、蘇氨酸、色氨酸、蛋氨酸，這些氨基酸是大米、小麥、玉米和蔬菜作物缺乏的必需氨基酸[22]，因此，可通過不同食物的營養均衡搭配，保證人體正常的生長代謝。因為馬鈴薯的氨基酸組成，馬鈴薯蛋白質被研究并公認為具有營養價值相當于動物蛋白的溶菌酶[23]。

圖2 馬鈴薯氨基酸與其他種類氨基酸比較

2.3 不同品種馬鈴薯中維生素含量分析

從表3中可以看出，不同品種馬鈴薯中維生素含量豐富，尤其維生素C含量，結果顯示馬鈴薯中維生素C含量平均為40.95 mg/100 g，顯著高于劉媛等[24]研究結果的18.02 mg/100 g。馬鈴薯中維生素含量是芹菜的3.4倍、番茄的1.4倍、蘋果的10倍，研究表明維生素C含量多的品種適宜鮮食[15]。

表3 不同品種馬鈴薯維生素和糖苷生物堿（干重）單位：mg/100 g

表4 前3個主成分載荷值

2.4 不同品種馬鈴薯中糖苷生物堿含量分析

馬鈴薯中糖苷生物堿（steroidal glycoal-kaloid，SGAs）是一種次生代謝產物，是一種具有生物活性的化合物，具有抗真菌、抗細菌、抗腫瘤、抗瘧、強心、降低血液膽固醇、預防鼠傷寒沙門菌感染、果蔬保鮮等作用，因此有很好的藥用價值和開發潛力。除此之外，糖苷生物堿具有一定毒性，可以幫助植物抵抗和防御外界有害物的入侵，也是馬鈴薯中主要的抗營養因子，影響人腸胃消化和造成神經紊亂[25]。α-卡茄堿的生物活性比α-茄堿高3～10倍，α-茄堿和α-卡茄堿濃度比例達到1︰1時，協同作用最強。通常認為糖苷生物堿含量低于200 mg/kg的馬鈴薯是安全的，表3中顯示“克新27”顯著超過馬鈴薯中糖苷生物堿的安全值，后續可對超標樣品進行深入分析。

2.5 不同品種馬鈴薯中礦物質含量分析

不同品種馬鈴薯中礦物質含量顯示不同地區馬鈴薯各個礦物質含量有較大差異，這不僅與種植地區有關，更與品種有關。圖3可以看出，各品種中含有參與人體代謝活動的鋅、鈣、鉀、磷、鎂等元素，含量最多的為鉀，平均含量為4 709.33 mg/kg，鉀是心臟病、腎病患者的有益食品。其次是磷、鎂、鋁和鈣，平均含量分別是589.80，270.26，134.58和96.53 mg/kg。磷使得馬鈴薯淀粉具有糊化溫度低、黏度大、彈性好等特性，是影響馬鈴薯淀粉加工利用非常重要的礦物質[26]。鈉含量低，是高血脂、高血壓、心血管疾病患者合適的食物[27]。另外還含有微量的鐵、鋅、銅、錳、銣等礦物質元素，這些微量元素對人體正常生長代謝具有很好的作用。

圖3 馬鈴薯礦物質含量平均值

2.6 馬鈴薯品質特性的相關性分析

試驗分析表明不同品種馬鈴薯各品質指標含量差異顯著，這些品質指標不僅與品種有關，也和馬鈴薯生長代謝環境有關，為更加深入了解各品質特性之間的關系及這些品質指標對未來加工產品的影響，將9個品種的40個指標之間進行相關性分析，結果發現很多品質指標間存在顯著相關性，如：馬鈴薯中的水分與淀粉（r=-0.724）、粗蛋白（r=0.688）、粗纖維（r=0.532）、總膳食纖維（r=0.594）、錳（r=-0.844）、銣（r=-0.699）呈顯著的相關性；淀粉與粗蛋白（r=-0.696）、粗脂肪（r=-0.583）、粗纖維（r=-0.757）、灰分（r=-0.497）、總膳食纖維（r=-0.563）、鎂（r=0.716）、錳（r=0.733）呈顯著相關性；粗纖維與灰分（r=-0.672）呈顯著相關性；粗纖維與總膳食纖維（r=0.745）、維生素B6（r=0.816）呈顯著的相關性；灰分與銣（r=0.652）呈顯著相關性；天門冬氨酸與谷氨酸（r=-0.796）、胱氨酸（r=0.711）、蛋氨酸（r=0.722）、脯氨酸（r=0.619）呈顯著相關性；蘇氨酸與絲氨酸（r=0.886）、甘氨酸（r=0.952）、丙氨酸（r=0.890）、亮氨酸（r=0.987）、苯丙氨酸（r=0.873）呈顯著的相關性；絲氨酸與甘氨酸（r=0.907）、丙氨酸（r=0.936）、亮氨酸（r=0.877）、谷氨酸與蛋氨酸（r=0.847）呈顯著相關性；甘氨酸與丙氨酸（r=0.844）、異亮氨酸（r=0.855）、亮氨酸（r=0.971）呈顯著相關性；丙氨酸與苯丙氨酸（r=0.833）、組氨酸（r=0.826）呈顯著相關性；胱氨酸與纈氨酸（r=0.794）、蛋氨酸（r=0.789）、異亮氨酸（r=0.849）、苯丙氨酸（r=0.830）、組氨酸（r=0.808）呈顯著相關性；纈氨酸與蛋氨酸（r=0.873）、異亮氨酸（r=0.769）呈顯著相關性；異亮氨酸與苯丙氨酸（r=0.976）、組氨酸（r=0.916）呈顯著相關性；亮氨酸與苯丙氨酸（r=0.815）、賴氨酸（r=0.708）呈顯著相關性；酪氨酸與賴氨酸（r=0.819）、脯氨酸（r=0.804）呈顯著相關性；苯丙氨酸與組氨酸（r=0.965）呈顯著的相關性；組氨酸與脯氨酸（r=0.834）呈顯著相關性；鈉與銅（r=-0.742）呈顯著相關性；鎂和鋁（r=0.754）、錳（r=0.814）呈顯著相關性；磷與鈣（r=-0.729）呈顯著相關性；鉀與銣（r=0.825）呈顯著相關性；α-卡茄堿與α-茄堿（r=0.965）、糖苷生物堿總量（r=0.947）呈顯著相關性。通過這些相關性分析發現，很多指標之間關系密切，說明顯著相關的指標在馬鈴薯中的含量具有典型的相同的變化趨勢，但很難確定哪些指標是馬鈴薯的典型品質特性，為了更好地分析馬鈴薯品質指標的特點及更明確地判斷不同指標在各品種中的變化情況，以及如何采用馬鈴薯的品質判斷馬鈴薯品種的加工適宜性，將具有相同變化趨勢的指標進行優化，并采用主成分分析進行降維，以更好地篩選出馬鈴薯中的典型品質評價指標。因此，選擇水分、淀粉、粗蛋白、粗脂肪、粗纖維、灰分、天門冬氨酸、蘇氨酸、蛋氨酸、異亮氨酸、賴氨酸、精氨酸、脯氨酸、鈉、鎂、磷、鉀、鐵、鋅、維生素C、α-卡茄堿等21個指標作為主成分分析的指標。

2.7 馬鈴薯品質特性的主成分分析及綜合評價

2.7.1 馬鈴薯品質特性的主成分分析

主成分分析（PCA）是一種多變量分析方法，它將幾個相關變量轉換為幾個線性不相關變量主成分[11]。這些主成分的累計貢獻率大于70%，可以很好地將原始數據的大多數信息展示出來。結果發現：第一主成分的貢獻率為31.23%，第二主成分的貢獻率為25.40%，第三主成分的貢獻率為15.74%；最大的特征值及其對應的特征向量表示各個馬鈴薯品質對所有整體馬鈴薯品質特性的影響；剩下的PCs可以用于研究馬鈴薯品質特性的隨機性。

第一主成分中的蘇氨酸、異亮氨酸、賴氨酸、精氨酸、脯氨酸具有較大載荷因子，載荷值分別為0.72，0.86，0.96，0.96和0.85，命名為氨基酸因子，第二主成分中淀粉、粗蛋白、粗纖維具有較大的載荷因子，載荷值分別為-0.72，0.75和0.84，命名為基本化學組成因子，第三主成分中的灰分、鈉、磷等具有較大的載荷因子，載荷值分別為0.78，0.76和0.74，命名為礦物質因子。

2.7.2 不同品種馬鈴薯品質特性的綜合評價

通過主成分分析得出前3個主成分的累計貢獻率為72.37%，反映了原始數據的大部分信息，用這3個主成分評價馬鈴薯品種品質特性可行，因此，將馬鈴薯的21個品質指標轉化為Y1氨基酸因子、Y2基本化學成分因子、Y3礦物質因子，對不同品種馬鈴薯進行綜合評價，氨基酸因子、基本化學成分因子和礦物質因子與原始21個品質指標的線性關系式，形成不同品種的綜合主成分。不同品種的綜合主成分得分如表5所示，排在前2位的為“LY08104-12”和“荷蘭薯”，說明這2個品種的綜合品質較高。而王麗等[28]研究發現適合加工面條的品種為“隴薯9號”“LZ111”“隴薯7號”，而這幾個品種在試驗中并沒有很高的綜合評分，說明不同品種適合不同的加工用途，需要進行專用品種的篩選與分析。

表5 不同品種的綜合評分

3 結論

分析3個地區9個馬鈴薯品種的40個品質特性，結果發現，各品種不同品質特性間差異顯著，如不同品種馬鈴薯蛋白質中含有高比例的賴氨酸、蘇氨酸、色氨酸、蛋氨酸，而這些氨基酸是大米、小麥、玉米和蔬菜作物缺乏必需氨基酸。相關性分析發現馬鈴薯的很多指標間存在顯著相關性，如：馬鈴薯中的水分含量與淀粉（r=-0.724）、錳（r=-0.844）呈顯著相關性；淀粉與粗纖維（r=-0.757）、鎂（r=0.716）呈顯著相關性；天門冬氨酸與谷氨酸（r=-0.796）、胱氨酸（r=0.711）、蛋氨酸（r=0.722）、脯氨酸（r=0.619）呈顯著相關性，很多指標之間關系密切，說明顯著相關指標在馬鈴薯中的含量具有相同的變化趨勢，但很難確定哪些指標是馬鈴薯的典型品質特性。主成分分析進一步簡化馬鈴薯品質數據矩陣，前3個主成分可以表征所有數據72.37%的信息，分別建立3個新的主成分，分別是氨基酸因子、基本化學成分因子和礦物質因子，經過3個主成分對不同品種進行綜合評價，其中“LY08104-12”和“荷蘭薯”質量較好。