基于主成分分析的糖尿病专用山药品种筛选

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(1.扬州大学旅游烹饪学院，江苏扬州 225127; 2.山东省农业科学院农产品研究所,山东省农产品精深加工技术重点实验室, 农业部新食品资源加工重点实验室,山东济南 250100; 3.山东省农业科学院蔬菜花卉所,山东济南 250100)

近年来,随着人们生活水平的提高,糖尿病的发病率也逐渐提高。根据国际糖尿病联盟(IDF)数据显示,2015年全球糖尿病患者约有4.15亿人,每11个人就有1人患有糖尿病。预测到2040年,全球将会有6.42亿人患有糖尿病,中国糖尿病患者也将达到1.51亿[1]。山药是我国常见食物,同为中药,属薯蓣科多年生宿根蔓草植物,具有益精、固肾、益肺、补脾等功效,国内部分学者从山药化学成分、药理成分分析用于糖尿病治疗中的作用,使山药在糖尿病患者中治疗研究取得较大进展[2]。

山药(DioscoreaoppositaThunb),别名鲜山药、怀山药、山薯、山药薯等,在我国已经有3000多年的历史。作为一种传统药食同源植物,山药具有多种生理功效,在汉代《神农本草经》、宋代《图经本草》以及明代的《本草纲目》中都有所记载。现代研究表明山药具有显著的降糖功效。杨宏莉等[3]研究发现山药多糖对2型糖尿病的治疗机制之一可能是山药多糖提高了糖代谢关键的酶活性。张忠泉等人[4]研究发现山药多糖能提高血液中的C肽,具有改善受损的胰岛细胞功能。由于现代膳食结构的不合理,糖尿病发病率逐年上升,已成为继心血管疾病、肿瘤之后的威胁我国居民身体健康的主要疾病。在糖尿病的治疗方法中,饮食治疗是糖尿病人有效控制血糖、进而减少或延缓并发症的关键之一[5]。山药由于其中多糖的降血糖作用,以及抗性淀粉含量较高的特点,是开发糖尿病人专用食品的理想原料。

主成分分析是一个采用少量综合指标来代替原来多个指标大部分信息的一种降维的分析方法,剔除不重要的部分,保留重要信息,具有减少计算工作量、减少原始数据信息损失、简化数据结构以及避免主观随意性等优点[6]。近年来,该方法应用较为广泛,逐渐应用于小麦[7]、芸豆[8]、苹果[9]、绿豆[10]、大豆[11]等作物或领域。而将主成分分析应用于山药综合评价及品种筛选的研究还未见报道。本研究对10种山药的12项指标进行主成分分析,根据主成分载荷及主成分得分分析各个主成分和品质指标与品种间关系,可以为山药品种筛选获得直观的依据。

不同品种的山药在基本营养成分、外观形状以及消化特性上都有所不同,本研究广泛收集了我国主栽山药品种,分析其基本营养成分含量、活性成分、消化特性的不同,主要以多糖、快慢抗消化淀粉、体外升糖指数(Glycemic Index,GI)为主要指标利用主成分分析从中筛选出一种糖尿病人专用山药品种,为更好地开发利用山药这一药食同源的资源提供实验基础和理论依据。

1　材料与方法

1.1　材料与仪器

小白嘴山药、大和长芋山药、大久保德利2号山药、西施山药、温县垆土山药山东省农业科学院蔬菜花卉所提供;云南拉市海野生山药云南丽江拉市海菜市场;铁棍山药、陈集山药山东省济南市华联超市;佛手山药湖北武穴;长山细毛山药邹平长山山药开发基地;凭证样品(02112～02122)存放于山东省农业科学院农产品研究所；α-淀粉酶50 U/mg,Sigma公司;糖化酶80 U/mg,Sigma公司;瓜尔豆胶河南通宇化工有限公司;3,5-二硝基水杨酸国药集团化学试剂有限公司;胃蛋白酶3000 U/mg,北京索莱宝科技有限公司。

DHG-92435烘箱上海一恒科技有限公司;FW-80粉碎机北京市永光明医疗仪器有限公司;ML104电子分析天平瑞士METTLER公司;TDL-40B-Ⅱ低速大容量离心机上海安亭科学仪器厂;UV-800紫外可见分光光度计日本岛津;SZF-06A索式提取仪杭州汇尔仪器设备有限公司;DFD-700水浴锅上海树立仪器仪表有限公司;SHA水浴恒温振荡器上海上天精密仪器源头厂家;SRJX4-3箱式电炉上海阳光实验仪器有限公司。

1.2　实验方法

1.2.1样品预处理将山药洗净,去皮,切成3～4 mm的薄片,放入托盘,60 ℃烘8 h左右,将山药片取出,在粉碎机中粉碎,过120目筛,放入自封袋,于干燥皿中长时间保存。

1.2.2基本营养成分的测定水分含量参照GB/T 5009.3-2003常压干燥法测定;蛋白质含量测定参照GB/5009.5-2010《食品安全国家标准食品中蛋白质的测定》,第一法:凯氏定氮法;脂肪含量参照GB/T 5009.6-2003索氏提取法进行测定;灰分含量测定参照GB/T 22510-2008/ISO 2171:2007《谷物、豆类及副产品灰分含量的测定》:550 ℃马弗炉灼烧法;淀粉含量测定参照GB/T 5009.9-2008《食品中淀粉的测定》;直、支链淀粉测定参照GB/T 15683-2008/ISO 6647-1:2007《大米直链淀粉含量的测定》。

1.2.3活性成分的测定多糖含量测定参考文献[12]的方法;多酚含量测定参考文献[13]的方法;皂苷含量测定参考文献[14]的方法。

1.2.4山药淀粉消化性测定参考文献[15]的方法。

1.2.5体外升糖指数(GI)的测定采用Goni法[16],有所修改。准确称取粉碎均匀的山药样品粉末200 mg于离心管中,加入20 mL磷酸盐混合缓冲液(pH=7.5),用HCl(1 mol/L)调pH至1.5,加入0.4 mL胃蛋白酶溶液(115 U/mL),37 ℃水浴30 min后冷却至室温,用NaOH(1 mol/L)调pH至6.9,加入2 mLα-淀粉酶溶液(110 U/mL),用PBS(pH=6.9)定容至50 mL。37 ℃恒温水浴振荡,0～3 h内每隔30 min取样品1 mL,于100 ℃水浴振荡使酶失活,然后冷却至室温,加入3 mL、0.4 mol/L醋酸钠缓冲液(pH=4.75)及40 μL葡萄糖淀粉酶(110 U/mL),55 ℃恒温水浴振荡45 min。DNS法测定葡萄糖含量[17],计算水解率,建立淀粉水解动力学模型,用体外碳水化合物水解指数(Hydrolysis Index,HI)对食物可能产生的估计血糖生成指数进行预测。

1.3　数据处理

采用SPSS 18.0 进行主成分分析。

2　结果与分析

2.1　山药基础成分的含量分析

现代研究表明山药中含有较多的成分,除了80%水分外,山药块茎主要包括淀粉、糖类、蛋白质等。除营养成分之外,山药中还含有山药多糖、皂苷、糖蛋白、甘露聚糖、尿囊素、胆碱、多巴胺等活性成分。由表1可知,山药中水分含量在63.03%～85.17%之间,水分含量最高的是大和长芋山药,最低的为大久保德利2号;淀粉含量在62.35%～77.69%之间,最高为云南拉市海野生山药,最低为小白嘴山药;蛋白质在8.25%～14.30%之间,最高为大久保德利2号,最低为佛手山药;脂肪含量在0.33%～1.83%之间,最高为铁棍山药,最低为长山细毛山药;直链淀粉含量在23.17%～32.56%之间,最高与最低分别为佛手山药和大和长芋山药;支链淀粉在38.09%～49.89%之间,最高与最低分别为铁棍山药和长山细毛山药;灰分在2.56%～4.88%之间,最高与最低分别是长山细毛山药和佛手山药。

表1　山药基本营养成分Table 1　Basic nutritional content of yam

周玥等[18]研究铁棍山药中主要营养成分时,通过实验测定铁棍山药中总氮量占0.616%、总灰分占2.03%、淀粉占15.29%和粘性多糖占1.59%,铁棍山药中总灰分与黏性多糖这两个指标的含量与本实验中铁棍山药测定的结果相似。由于本实验淀粉采用的是干粉测定,周玥采用的是湿基测定,所以两者淀粉含量相差较大,将本实验中干粉的淀粉含量换算成湿基中淀粉含量约为15%～20%左右,与周玥的实验结果相差不大。

2.2　山药主要活性成分的含量分析

山药多糖具有显著的降血糖作用,高禹启等人[19]研究发现山药多糖能显著降低小鼠的血糖、血脂,而且高剂量的山药多糖降血糖、血脂效果更明显。由图1可知,山药的多糖含量均在1%左右。长山细毛山药中的多糖含量高于其余九种山药,多糖含量为1.48%,其次是陈集山药与大和长芋山药,多糖含量分别为1.41%和1.35%。小白嘴山药的多糖含量最低,为0.82%。这与马建华[20]测定的5.56%的多糖含量相差较大,原因可能是提取过程中大量山药淀粉溶出,采用硫酸苯酚法测定时会将析出的淀粉默认为多糖,而使测定结果大幅偏高,本实验山药多糖的提取采用的是酶解水提法,不仅消除了淀粉的干扰,也使多糖得到了充分的溶解和释放,其结果应该更加接近样品的真实含量。与其他品种相比,长山细毛山药多糖含量最高。图1同时也显示了不同品种之间皂苷的含量,小白嘴山药的皂苷含量最高,佛手山药最低,分别为10.48、6.60 mg/g。

图1　不同山药品种中的多糖、皂苷含量Fig.1　The content of polysaccharide and saponin in different yam varieties

由图2可知,山药中多酚的含量在0.18～0.38 mg/g,多酚含量最高的是大和长芋山药,其次是云南拉市海野生山药和长山细毛山药,分别为0.37、0.32 mg/g。多酚含量最低的是陈集山药,含量为0.18 mg/g。李宁宁等人[21]在提取山药多酚时测定山药中多酚的含量为173.38 μg/mL,这与陈集山药中多酚的含量近似。

图2　不同山药品种中的多酚含量Fig.2　The content of polyphenols in different yam varieties

表2　不同品种山药淀粉消化性测定Table 2　Starch digestibility determination in different yam varieties

注：同列字母不同表示差异显著(p<0.05)。

2.3　山药淀粉的消化特性分析

根据消化时间不同,淀粉可分为快消化淀粉(RDS)、慢消化淀粉(SDS)和抗消化淀粉(RS)。这三种淀粉含量的多少决定了淀粉消化性的快慢,淀粉的消化性能直接决定着其被人体消化吸收利用的情况,消化率高,说明其被人体利用率高,容易转化为被人体吸收的葡萄糖,为人体所用。在某种程度上,快消化淀粉含量过高,人体短时间内吸收的葡萄糖含量高,餐后血糖升高过快,不利用糖尿病人的身体健康;慢消化淀粉和抗性淀粉含量过高,餐后血糖上升缓慢,适宜糖尿病人。由表2可知,10种不同品种的山药所含的快消化、慢消化、抗消化淀粉含量相差不多,其中快消化淀粉含量最高的是小白嘴山药,含量为21.24%,慢消化淀粉最高的是温县垆土山药,含量为9.80%,抗性淀粉含量最高的是长山细毛山药,含量为75.01%。本研究中快消化淀粉、慢消化淀粉、抗性淀粉含量与贺永朝等人[22]的研究基本一致。对不同品种山药样品中快消化淀粉、慢消化淀粉、抗消化淀粉进行显著性差异分析表明,不同品种山药的快消化淀粉、慢消化淀粉、抗消化淀粉存在显著性的差异(p<0.05)。

升糖指数反映了某种食物与葡萄糖相比升高血糖的速度和能力,是反映食物引起人体血糖升高程度的重要指标。当升糖指数升高过快,不利于糖尿病人的身体健康。一般升糖指数低于55的为低升糖指数食物,介于55～70之间的为中升糖指数食物,高于70的为高升糖指数食物[23]。由图3可知,10种山药的升糖指数均低于70,可以判定山药为中升糖指数食物。山药的升糖指数在55～61之间,云南拉市海野生山药的体外升糖指数最高,为60.88,体外升糖指数最低的是佛手山药,为55.41,其次是长山细毛山药,为56.57。其他几个山药品种的升糖指数基本在57左右,升糖指数相差不大。

图3　不同品种山药体外升糖指数Fig.3　In vitro glycemic index in different yam cultivars

2.4　不同品种的山药主成分分析

由于本研究中主要营养成分的单位与多酚和GI的单位不同,因此需先将各指标数据标准化,再进行主成分分析。主成分分析结果见表3、表4。

由表3可知,前5个主成分的特征值均大于1,其中第一主成分的方差贡献率为30.54%,第二主成分的方差贡献率为24.81%,第三主成分的方差贡献率为19.18%,第四主成分的方差贡献率为10.23%,第五主成分的方差贡献率为8.92%,累积方差贡献率为93.68%,满足大于80%的原则,说明这五个主成分反应了原始变量的绝大部分信息。根据综合评价的需要,采用前5个主成分来代替原来的12个指标变量。

表3　主成分的初始特征值及累计贡献率Table 3　The initial eigenvalue and cumulative contribution of the principal component

表4　山药各品质指标的主成分载荷Table 4　Principal component loading matrix of yam quality indexes

主成分的载荷系数绝对值越接近1,得到的主成分越能更好的解释和命名变量。由表4可知,第一主成分主要以快消化淀粉、多糖、皂苷、淀粉的影响为主,其次是直链淀粉,说明在第一个主成分中主要反映了这5个指标的信息;第二主成分主要以抗性淀粉、脂肪、灰分为主,其次是慢消化淀粉、水分;第三主成分主要以慢消化淀粉为主;第四主成分主要以水分为主,其次是脂肪和直链淀粉;第五主成分主要以GI为主。根据各主成分的贡献率,说明对山药品质影响最大的是多糖含量、皂苷含量、快消化淀粉含量、直链淀粉含量。

表5　10个山药品种的主成分得分及排序Table 5　Principal component scores and rankings of 10 yam cultivars

2.5　山药品质的综合评判

根据表4中各主成分载荷系数除以主成分相对应的特征值开平方根,可以得到5个主成分中每个指标所对应的系数(特征向量),从而得到各主成分表达式,结果如下,ZX1～ZX12分别表示各原始指标变量经过标准化处理后的数值。

Y1=0.379ZX1+0.307ZX2-0.388ZX3+0.204ZX4-0.482ZX5+0.202ZX6-0.096ZX7+0.006ZX8+0.319ZX9-0.010ZX10+0.368ZX11+0.228ZX12

Y2=-0.036ZX1+0.281ZX2-0.044ZX3+0.421ZX4-0.029ZX5-0.361ZX6-0.430ZX7+0.423ZX8-0.058ZX9+0.359ZX10-0.308ZX11-0.110ZX12

Y3=0.160ZX1+0.288ZX2+0.372ZX3-0.354ZX4-0.093ZX5+0.402ZX6-0.235ZX7+0.304ZX8-0.394ZX9-0.039ZX10-0.115ZX11+0.373ZX12

Y4=0.209ZX1+0.201ZX2-0.036ZX3+0.004ZX4+0.061ZX5-0.053ZX6+0.430ZX7-0.230X8-0.417ZX9+0.681ZX10+0.176ZX11+0.011ZX12

Y5=-0.479ZX1+0.344ZX2+0.004ZX3+0.046ZX4+0.225ZX5-0.225ZX6-0.204ZX7-0.395ZX8+0.039ZX9-0.028ZX10+0.174ZX11+0.564ZX12

以各主成分的特征值占所提取主成分特征值之和的比例作为权重系数,建立主成分综合得分模型:

Y=0.325Y1+0.266Y2+0.204Y3+0.109Y4+0.095Y5

根据主成分综合得分模型可计算出各山药品种的综合得分值,根据得分进行排序,即可对不同品种山药进行综合评价比较,结果见表5。

从表5可以看出,第一主成分Y1值最高的是云南拉市海野生山药,为3.112,其次是长山细毛山药,为2.357;由表4可以看出,第一主成分中以快消化淀粉、多糖、皂苷、淀粉的影响为主,其次是直链淀粉,说明云南拉市海野生山药和长山细毛山药的多糖、直链淀粉含量较高,这与图1和表1的结果相一致。在第二主成分Y2值最高的是长山细毛山药,从表4可知,第二主成分主要以抗性淀粉、脂肪、灰分为主,说明长山细毛山药的抗性淀粉含量较高,这与表2中的结果相一致。由于长山细毛山药具有较高的多糖、直链淀粉以及抗性淀粉,从而使得它在第一与第二主成分上均有较大的载荷,最终导致其综合得分为1.175,在10个山药品种中综合得分第一。

3　结论

不同品种、产地的山药在营养成分含量、活性物质含量以及其消化特性上都存在一定的差异,本研究的主要目的在于利用主成分分析方法对10种山药主栽品种进行品质评价分析,同时通过分析结果筛选出一种适合糖尿病人食用的山药品种。通过主成分分析法提取了5个主成分,方差贡献率分别为30.54%、24.81%、19.18%、10.23%、8.92%,累积贡献率为93.68%,在分析结果的基础上建立主成分综合得分模型,主成分综合得分最高的是长山细毛山药,为1.175。第一主成分以快消化淀粉、多糖、皂苷、淀粉的影响为主,其次是直链淀粉,其中快消化淀粉、直链淀粉这两个指标与餐后血糖有直接的关系,山药多糖经实验证明有较好的降血糖作用,直链淀粉可以减缓餐后血糖上升速度,筛选出来的长山细毛山药第一主成分得分为2.357,表明这一品种有较高的多糖、直链淀粉以及抗性淀粉,可以作为一种适宜糖尿病人鲜食的山药品种,同时可以对长山细毛山药进行精加工可以作为生产糖尿病人专用主食的一种原料。

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