基于主成分分析的鲜海带营养品质评价

姜 雪,刘 楠,孙 永,周德庆,*

(1.中国水产科学研究院黄海水产研究所,海洋国家实验室海洋药物 与生物制品功能实验室,山东青岛 266071; 2.上海海洋大学食品学院,上海 201306)

海带是一种属于褐藻门海带目海带科的大型可食用藻类,营养丰富,食药兼用,主要产自我国山东、福建、浙江、广东、江苏、辽宁等地区[1]。海带不仅营养丰富,还具有药用价值,它含有丰富的褐藻胶、甘露醇、蛋白质、碘、钠、钾、钙、镁和多种维生素营养成分,有抗氧化[2]、抗肿瘤[3]、降血压、降血糖、抗病毒等多种活性功能,被誉为天然的保健食品[4]。

姚海芹等[5]对食用海带品系营养成分进行了分析与评价,除灰分外,海带基本营养成分中粗蛋白、褐藻胶、甘露醇含量较高,矿物质元素中钙、镁、铁等元素含量较高。纪明候[6]则对我国不同地区海带的主要成分进行了研究,发现大连海带与青岛海带的甘露醇、碘、钾的含量均不同。盛晓风等[7]通过对不同生长时期海带营养成分的研究发现,海带中甘露醇、褐藻胶、碘、粗蛋白含量分别在4月、6月、6～7月、2月达到最高,主要矿物质元素也呈现规律性变化。研究发现[5]，海带中呈味氨基酸占总氨基酸含量的50%～60%,使其具有浓郁的海鲜味,可作为优质的天然调味料。因此,选取上述各类成分作为评价海带营养品质的参数。

统计分析方法具有方便快捷、科学可靠、全面系统等优点,能简化评价程序,综合评价多项指标。主成分分析法作为最常用的统计分析方法之一,采用数据降维技术,化繁为简,从多个变量中筛选出具有代表性的几个独立的新的综合变量,进而寻求变量间的线性关系[8],目前已广泛应用于果蔬、发酵食品等加工专用品种的筛选、质量评价等研究领域[9-11]。本研究采用主成分分析法对不同地区鲜海带的营养品质进行评价,以期为科学地评价鲜海带品质优劣、指导海带养殖和加工提供一定的理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

13个海带样品 样品1、2、3号采集自辽宁大连地区,样品4、5、6采集自福建霞浦地区,样品7、8、9、10、11、12、13号采集自山东荣成地区,采集海带均为成熟期“黄官1号”海带;盐酸、硫酸、硫酸铜、硫酸钾、石油醚、氢氧化钠、硼酸、氢氧化钾等 分析纯,国药集团化学试剂有限公司。

XT5118-OV50电热鼓风干燥箱 杭州雪中炭有限公司;DK-98-II万用电炉 天津市泰斯特仪器有限公司;400Y多功能粉碎机 浙江省永康市铂欧五金制品有限公司;HH-11-4数显恒温水浴锅 常州诺基仪器有限公司;KQ-300VDE电子天平 北京赛多利斯科学仪器有限公司;Milli-Q超纯水系统 Millipore公司;STARTER 3100 PH计 奥豪斯仪器有限公司;ZHTY-50小型恒温振荡培养箱 上海知楚仪器有限公司;Optima5300D全谱直读等离子体发射光谱仪 美国PE公司;L-8800全自动氨基酸分析仪 日本日立公司。

1.2 样品前处理

用去离子水将鲜海带表面洗净,于自然条件下晾干,40 ℃烘至恒重后磨粉,过60目筛,于干燥器中储存备用。

1.3 营养成分含量的测定

膳食纤维:采用GB 5009.88-2014;褐藻胶:采用重量法[12];甘露醇:采用过碘酸盐氧化法[13];碘:采用GB 5009.267-2016;氨基酸:采用GB 5009.124-2016;镁、锰:采用GB/T 5009.90-2003;钾、钠:采用GB/T 5009.91-2003;钙:采用GB 5009.92-2016;铁:采用GB 5009.90-2016;锌:采用GB/T 5009.14-2003;磷:采用GB 5009.87-2016。

1.4 数据处理

采用Excel 2003软件进行数据统计,采用SPSS 20.0软件对实验数据进行统计分析。将所选鲜海带的19个与其营养品质密切相关的指标(变异系数≥15%),即膳食纤维、褐藻胶、甘露醇、碘、谷氨酸、天冬氨酸、甘氨酸、丙氨酸、丝氨酸、脯氨酸、蛋氨酸、镁、钾、钙、铁、锌、锰、磷、钠分别用X1、X2、X3、X4、X5、X6、X7、X8、X9、X10、X11、X12、X13、X14、X15、X16、X17、X18、X19表示,并用SPSS 20.0软件对其进行相关性分析和主成分分析。首先,将原始数据进行标准化处理,计算出各营养成分指标的特征值和方差贡献率,并以累计方差贡献率大于85%为依据,确定主成分的个数;其次,根据初始因子载荷矩阵及各主成分的特征值，计算得到各主成分系数向量,进而得到各主成分的函数表达式,再以各主成分所对应的特征值占所提取主成分总的特征值之和的比例作为权重，计算出主成分综合得分模型[14];最后,根据主成分综合得分模型计算各鲜海带样品的综合得分,确定排名次序,选择出衡量鲜海带营养品质评价的重要指标。

2 结果与分析

2.1 鲜海带的主要营养成分指标

由表1可知,13个鲜海带样品之间营养成分变异幅度均较大,其中,铁元素的变异程度最大,变异系数为97%,锌元素和锰元素次之,均为66%,其次是磷元素(58%),其余指标的变异系数均高于15%,表明不同地区鲜海带之间的营养品质差异明显,适于进行主成分分析,对其营养品质进行评价。

表1 13种鲜海带的主要营养成分指标Table 1 Major nutrition index of 13 kinds of fresh kelps

2.2 鲜海带营养成分的相关性分析

由表2可知,鲜海带的膳食纤维含量与褐藻胶、钙元素含量成极显著(p<0.01)正相关;钙元素含量与甘氨酸、钾元素含量成极显著负相关(p<0.01);甘露醇含量与甘氨酸含量成极显著负相关(p<0.01),与丝氨酸、脯氨酸含量成显著负相关关系(p<0.05);钠元素含量与甘露醇、铁元素含量成极显著正相关(p<0.01),与丝氨酸含量成极显著负相关(p<0.01);蛋氨酸含量与碘、脯氨酸含量成极显著正相关(p<0.01);钾元素含量与丙氨酸含量成极显著正相关(p<0.01),与褐藻胶含量成极显著负相关(p<0.01);谷氨酸含量与丝氨酸含量成显著正相关(p<0.05),镁元素含量与天冬氨酸含量成显著负相关(p<0.05)。说明这些营养品质指标之间存在着密切的联系,且存在信息上的重叠,导致评价结果会出现一定的偏差,使得评价结果不科学。通过主成分分析的降维,可把复杂的数据简单化,科学地对鲜海带的品质进行评价。

表2 13种鲜海带的主要营养成分指标之间的相关性Table 2 Correlation coefficients amomg major nutrition indexes of 13 kinds of fresh kelps

2.3 鲜海带营养成分的主成分分析

将13种鲜海带的19个营养成分指标进行标准化处理后进行主成分分析。由表3可知,第1主成分的特征值为4.688,方差贡献率为24.674%,累计方差贡献率为24.674%,是最重要的主成分;第2、3、4、5主成分的重要性依次减少,前5个主成分的累计方差贡献率已达到87.428%,即这5个主成分能反映出全部鲜海带的19个营养成分指标的绝大部分信息,因此可选取这5个主成分作为鲜海带营养品质的综合评价指标。

表3 13种鲜海带营养品质的主成分分析的方差贡献率Table 3 Variance contribution rates of principal component analysis of the nutrition quality of 13 kinds of fresh kelps

主成分载荷矩阵反映了各品质指标对此主成分的影响程度。由表4可知,在第1主成分中,X7和X9有较大的正系数值,与第1主成分高度正相关,X3有较大的负系数值,与第1主成分负相关,说明第1主成分大时,甘氨酸和丝氨酸两个指标的含量会增大,而甘露醇含量会减少。由于甘氨酸和丝氨酸都属于甜味氨基酸,因此可将第1主成分称为甘露醇及甜味氨基酸指标。

表4 13种鲜海带营养品质的主成分载荷矩阵Table 4 Loading matrix of principal components of the nutrition quality of 13 kinds of fresh kelps

第2主成分中,X4、X16和X17有较大的正系数值,与第2主成分高度正相关,说明第2主成分大时,碘、锌、锰元素含量会增大。由于碘、锌、锰元素都属于微量元素,因此可将第2主成分称为微量元素指标。

第3主成分中,X12有较大的正系数值,与第3主成分高度正相关,X6有较大的负系数值,与第3主成分负相关,说明第3主成分大时,镁元素含量会增大,而天冬氨酸的含量会减少。由于天冬氨酸属于鲜味氨基酸,因此可将第3主成分称为镁元素和鲜味氨基酸指标。

第4主成分中,X1和X2有较大的正系数值,与第4主成分高度正相关,说明第4主成分大时,膳食纤维和褐藻胶含量会增大。第4主成分主要反映了鲜海带中海带多糖含量的变化,因此可将第4主成分称为多糖指标。

第5主成分中,X13和X18有较大的正系数值,与第5主成分高度正相关,说明第5主成分大时,钾和磷元素含量会增大。

以上结果表明，鲜海带的营养品质可由甘露醇、海带多糖、甜味氨基酸、鲜味氨基酸和矿物质元素来表征。

2.4 不同地区鲜海带营养成分的主成分得分和综合评价

由初始因子载荷矩阵及表3中各主成分的特征值可计算得到各主成分系数向量,与标准化的数据相乘后即可得到5个主成分的函数表达式(式中ZX表示标准化后的数据)。

F1=0.0388ZX1-0.1316ZX2-0.3778ZX3+0.0864ZX4+0.2868ZX5+0.2175ZX6+0.3450ZX7+0.1436ZX8+0.3256ZX9+0.3201ZX10+0.1326ZX11-0.1473ZX12-0.1778ZX13+0.0129ZX14+0.0794ZX15+0.3612ZX16+0.2914ZX17-0.1515ZX18-0.1931ZX19

F2=0.1331ZX1+0.2246ZX2-0.0941ZX3+0.3297ZX4-0.1236ZX5-0.2857ZX6+0.0760ZX7-0.0165ZX8+0.0425ZX9+0.0050ZX10+0.4248ZX11+0.3532ZX12-0.0570ZX13+0.2962ZX14+0.3552ZX15+0.1211ZX16+0.0745ZX17+0.1196ZX18+0.3902ZX19

F3=0.1669ZX1+0.1943ZX2-0.0607ZX3-0.3393ZX4+0.1746ZX5-0.1675ZX6+0.3398ZX7+0.4099ZX8+0.3672ZX9-0.1319ZX10-0.0717ZX11+0.1565ZX12-0.0826ZX13-0.2703ZX14+0.0936ZX15-0.2594ZX16-0.3420ZX17+0.0783ZX18+0.1144ZX19

F4=-0.4199ZX1-0.3316ZX2-0.1070ZX3+0.0663ZX4+0.0551ZX5+0.0325ZX6+0.0025ZX7+0.2478ZX8-0.0438ZX9+0.1233ZX10+0.1808ZX11+0.0945ZX12+0.4549ZX13-0.2891ZX14-0.0131ZX15+0.0325ZX16+0.0382ZX17+0.5087ZX18+0.1477ZX19

F5=0.4016ZX1+0.3630ZX2-0.2488ZX3-0.0680ZX4+0.0378ZX5+0.1584ZX6-0.0757ZX7+0.2530ZX8-0.1079ZX9-0.2551ZX10+0.0813ZX11-0.3147ZX12+0.3413ZX13+0.2243ZX14-0.2929ZX15+0.0435ZX16+0.2025ZX17+0.2565ZX18+0.0336ZX19

表5 13种鲜海带营养品质相关矩阵的特征向量Table 5 Eigenvectors of the correlation matrix of the nutrition quality of 13 kinds of fresh kelps

以各主成分所对应的特征值占所提取主成分总的特征值之和的比例作为权重，计算出主成分综合得分模型:

F=0.2822F1+0.2405F2+0.2010F3+0.1537F4+0.1226F5

根据各主成分的函数表达式，计算出13个鲜海带各主成分得分值及排序情况,再以主成分综合得分模型计算出13个鲜海带营养品质的综合得分和综合排名(见表6)。由表6可知,综合得分排在前四位的依次是样品6号(霞浦)、样品13号(荣成)、样品11号(荣成)、样品12号(荣成),样品2号(大连)和样品3(大连)号海带排名居最后。

表6 13种鲜海带营养品质的主成分因子得分Table 6 Principal component scores of the nutrition quality of 13 kinds of fresh kelps

样品6号海带F3、F4和F5值都排在第1位,F1和F2值排名较后,表明其主要优势体现在F3、F4和F5值上,即天冬氨酸、膳食纤维、褐藻胶、镁、钾和磷元素含量较高,而甘氨酸、丝氨酸、碘、锌和锰元素含量较低。样品13号海带F1、F2和F3值排名都较靠前,F4值排名居中,F5值排名居后,表明其主要优势体现在F1、F2和F3值上,即甘氨酸、丝氨酸、天冬氨酸、碘、锌、锰和镁元素含量较高。样品11号海带F1和F4值排名靠前,F2和F3值排名居中,F5值排名居后,表明其主要优势体现在F1和F4值上,即甘氨酸、丝氨酸、碘、锌和锰元素含量较高。样品12号海带F2值排名靠前,F1、F3和F4值排名居中,F5值排名居后,表明其主要优势体现在F2值上,即碘、锌和锰元素含量较高。样品3号海带第4主成分虽然排在第4位,但第1、2、3、5主成分排名靠后,综合排名倒数第2位;样品2号海带第4主成分虽然排在第2位,但其余主成分排名靠后,综合排名在所有海带最后。

3 结论

主成分分析的评价模型表明,不同地区鲜海带的营养品质差异主要体现在甘露醇、甜味氨基酸、鲜味氨基酸、海带多糖和矿物质元素含量方面。根据主成分分析构建的综合评价函数计算可知,地域差异对鲜海带营养品质有一定的影响,本研究建立的综合评价模型对快速评价鲜海带营养品质提供了一定的理论依据,对海带养殖生产具有重要指导作用。