基于主成分分析法的不同甘薯醋品质评价

陈善敏，黄平，王振帅，信思悦，盛怀宇，蒋和体*

1(西南大学 食品科学学院，重庆，400715)2(重庆初好食品研究院有限公司，重庆，401336)

甘薯(Ipomoea batatas)又称红薯、地瓜、番薯等，由于富含淀粉、资源丰富、价格低廉，常用作鲜食、饲料、加工或留种等。甘薯品种按薯肉颜色大致可以分为桔红心薯、紫心薯和白心薯，其大部分营养成分类似，都含有不可溶性膳食纤维、可溶性糖以及胰蛋白酶抑制剂等物质[1]。此外，甘薯品种不同导致营养和活性成分亦有差异，如桔红心薯含较高类胡萝卜素，且含量与薯色深浅呈正相关，紫心薯富含花青素及硒元素，而白心薯富含淀粉，常用作淀粉加工[2]。甘薯含水量高(65%～75%)，破损后因微生物侵染更易腐烂，保藏时间短，张有林[3]研究报道，每年有15%的甘薯因储存不当而腐烂。因此，除了传统加工方式，如淀粉、方便小食品、食用酒精加工等[4]，更应该探索新方式，将甘薯进行深加工，提高原料附加值。甘薯酿醋，不仅能避免资源浪费，还能充分利用其营养和活性成分，增加经济效益的同时合理利用原料资源。此外，目前有关甘薯酿醋的研究较少，且大多集中在对紫薯醋酸发酵和色素提取条件的优化、发酵产物抗氧化能力间的对比。尹永祺[5]对紫薯的混菌发酵条件进行优化，确定其最佳条件为酵母菌接种量0.3%、乳酸菌接种量10%、发酵温度30 ℃，发酵84 h后发酵液总酸含量可达0.63 g/100 g。而张村雪[6]对紫薯醋不同发酵阶段产物的抗氧化能力进行了测定，研究发现，醋液的抗氧化能力要高于糖化醪、酒醪，醋酸发酵能提高抗氧化能力。乔羽[7]采用顶空固相萃取联用气质法对甘薯醋香气进行采集和分析，检测并鉴定出49种化合物，主要特征物质包括乙酸乙酯、L(-)-乳酸乙酯和2,3,5,6-四甲基吡嗪等。此外，目前对薯醋的品质评价集中在单一品种或同种薯色间，缺乏对不同品种甘薯醋各品质指标的综合评价[8]。因此，为了比较各品种甘薯醋间营养及活性成分、抗氧化能力的差异，本研究以重庆地区常见的5个甘薯品种为原料酿造甘薯醋，采用主成分分析法对其营养及活性成分、体外抗氧化能力进行分析，确定最适于酿醋加工的品种，以期在深加工时，能为甘薯品种的选择提供参考价值。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

渝紫7号(紫薯)、渝薯15(白心薯)、渝薯19(黄心薯)、渝薯27(白心薯)、13-3-35(黄心薯)，重庆市石柱县；酵母1383，实验室保藏；巴氏醋杆菌巴氏亚种1.41(Acetobacter pasteurianus subsp.Pasteurianus 1.41)，中国微生物菌种保藏管理中心。

福林酚试剂(分析纯)，Solarbio生物科技有限公司；2,2-联苯基-1-苦基肼(2,2-Diphenyl-1-picrylhydrazy,DPPH,95%)、2,2-偶氮二(2-甲基丙基咪)二盐酸盐(2,2′-Azobis (2-methylpropionamidine)dihydrochloride,AAPH)、荧光素钠，阿拉丁试剂有限公司；Vc标准品，Solarbio生物科技有限公司。

1.2 仪器与设备

PHS-3C 型pH计，上海雷磁仪器厂；UNICO 7200型分光光度计，上海巴玖实业有限公司；PAL-1型手持式糖度计，ATAGO(爱拓)中国分公司；UltraScan PRO全自动色差仪，美国Hunter Lab公司；78-1型磁力加热搅拌器，金坛市富华仪器有限公司；SYHERGY H1型多功能酶标仪，BioTek有限公司。

1.3 试验方法

1.3.1 甘薯醋酿造流程

1.3.2 基础理化指标的测定

pH：PHS-3C型pH计；可溶性固形物(total soluble solid，TSS)：PAL-1型手持式糖度计[9]；总酸：GB/T 12456—2008中pH电位法[10]；总糖：DNS(3,5-二硝基水杨酸)比色法[11]。

1.3.3 色泽测定

色差计法[12]。根据CIELAB颜色空间，测定甘薯醋的亮度值L*、红绿值a*和黄蓝值b*，同一样品在不同位置测定3次，取平均值，并按照公式(1)、(2)计算其彩度C*和色调角H0。彩度C*表示颜色的饱和度，色调角H0表示色调：色角为0°表示红色，90°为黃色，180°(或-180°)为绿色，270°(或-90°)为蓝色。

(1)

H0=arctan(b*/a*)

(2)

式中：C*，彩度；a*，醋液红绿值；b*，醋液黄蓝值；H0，色调角，°。

1.3.4 总多酚含量的测定

Folin-Ciocalteu比色法[13]。

1.3.5 总酯含量测定

GB/T19777—2013地理标志产品山西老陈醋中的连续电位滴定法[14]。

1.3.6 抗氧化能力测定

DPPH自由基清除能力：参照RUMBAOA[15]方法略有改动。甘薯醋用无水乙醇稀释10倍后，离心备用。Vc标准溶液质量浓度为0、2.5、5、7.5、10、12.5及15 μg/mL。取稀释液及标准液2 mL，加入2 mL DPPH溶液，摇匀，室温避光反应30 min后，于517 nm处进行测定，吸光值记为A1。同时测定2 mL样品+2 mL无水乙醇、2 mL无水乙醇+2 mL DPPH溶液的吸光值，分别记为A2和A0。标准品以质量浓度为横坐标，吸光值为纵坐标绘制标准曲线。按式(3)进行计算，结果以μg Vc/mL薯醋表示。

DPPH(μgVC/mL薯醋)=x×F

(3)

式中：x，吸光度对应VC标准曲线上的质量浓度，μg/mL；F，样品稀释倍数，值为10。

ORAC法：参照TEOW[16]方法略有改动。用磷酸盐缓冲溶液将薯醋、Vc标准品、荧光素钠和AAPH配成所需浓度。取96孔的黑色荧光酶标板，加入Vc标准溶液、样品稀释液各20 μL，同时设置对照组和空白组(-AAPH)。加荧光素钠使用液20 μL，于37 ℃振摇2 min后孵育15 min。然后加AAPH溶液120 μL以启动反应，以激发波长484 nm、发射波长520 nm进行荧光强度的连续测定(振板5 s，4 min 1次，共120 min)。AUC值和ORAC值按式(4)、(5)计算，结果以μmol Vc/mL薯醋表示。

AUC=4×(f0+f1+…+fn-1+fn)-f0-fn

(4)

(5)

式中：AUC，荧光衰退面积；fn，第n个测定点的相对荧光强度；AUC样品，加入样品时的荧光衰退曲线的面积，μmol/(mL·min)；AUC+AAPH，无抗氧化剂下的荧光衰退曲线的面积，μmol/(mL·min)；AUCVC，加入抗氧化剂Vc时的荧光衰退曲线的面积，μmol/(mL·min)。

1.4 数据处理

利用SPSS 20.0和Design Expert 8.0进行统计与分析，Origin8.5作图。

2 结果与讨论

2.1 不同品种甘薯醋基础理化指标和活性成分比较

2.1.1 不同品种甘薯醋基础理化指标

不同品种甘薯醋pH、TSS、总糖和总酸含量见表1。由表1可知，各品种甘薯醋间pH和TSS具有显著差异，其值变化趋势一致。总糖含量变化范围为1.45～5.82 g/100 mL，其中，渝15与渝19醋、渝紫7号与13-3-35醋的总糖和总酸含量均无显著性差异(P>0.05)，渝27醋的总糖含量最高，总酸含量最低，分别为5.82、3.52 g/100 mL，这可能是由于发酵不充分造成的。甘薯醋是甘薯原料经酒精和醋酸两步发酵得到，酵母菌将甘薯原料中的糖分转化为酒精，醋酸菌氧化酒精产生醋酸。许多研究也表明[17-19]，在一定范围内，原料中糖分转化越完全，酒精含量也越高，经醋酸发酵产生的总酸含量也越高。因此，最终总糖含量最低的13-3-35醋总酸含量最高。

表1 不同品种甘薯醋基础理化指标Table 1 The physical and chemical indicators of different sweet potato vinegars

注：字母不同表明组间差异显著(P<0.05)，字母相同表明组间无显著差异(P>0.05)。下同。

2.1.2 不同品种甘薯醋活性成分

不同品种甘薯醋总酯和总酚含量见图1。由图1可知，渝紫7号醋总酯含量最高且与其他甘薯醋存在显著差异(P<0.05)，这可能是由于乙酸、乳酸、丁酸等有机酸可与乙醇反应生成酯类物质，因此有机酸含量越高，总酯含量也相对越高[18]。此外，渝27与渝19醋总酯含量相当，13-3-35醋总酯含量最低，为2.14 g/100 mL。此外，渝紫7号和13-3-35醋中的总酚含量最高且两者无显著差异(P>0.05)，渝27醋次之，渝薯15醋中总酚含量最低。李林静[2]和CHANMPAGNE[19]研究指出[2，19]，虽然任一品种甘薯都含有酚类物质，品种差异或环境因素都会对甘薯原料中酚的合成产生影响。

图1 不同品种甘薯醋总酚与总酯含量Fig.1 Total phenol and ester content of different varieties of sweet potato vinegar

2.2 不同品种甘薯醋色泽比较

不同品种甘薯醋色泽如表2所示。由表2可知，各品种醋间L*、a*、b*和H0值存在显著性差异(P<0.05)。渝19醋亮度值L*最高，渝紫7号醋最低，但其红绿值a*明显大于其他品种且存在显著性差异(P<0.05)，这可能是因为渝紫7号为紫心薯，富含花青素，其在酸性条件下稳定且呈深紫色[20]，而13-3-35与渝19为黄心薯，β-胡萝卜素含量较丰富，但色素在偏碱性条件下较稳定，酸性条件下稳定性差异较大，因此颜色及深浅差异明显[21-22]。渝紫7号醋与13-3-35醋彩度值C*差异不显著(P>0.05)，但与其他品种醋差异显著(P<0.05)，说明这两种醋颜色较饱和。各品种醋的色度角H0的范围为47.52～88.30，除渝紫7号醋呈现偏红颜色以外，各品种醋总体颜色为橘黄色或淡黄色。

表2 不同品种甘薯醋色泽Table 2 Chromatic properties of sweet potato vinegar from different varieties

2.3 不同品种甘薯醋抗氧化能力比较

2.3.1 DPPH自由基清除能力

不同品种甘薯醋DPPH自由基清除能力如图2。由图2可知，渝紫7号醋与13-3-35醋对DPPH自由基清除能力最高，分别为142.60和139.47 μg Vc/mL薯醋，两组数据无差异性显著(P>0.05)。此外，渝19醋与渝15醋的DPPH自由基清除能力相当，但高于渝27醋，其值最低，仅有127.04 μg Vc/mL薯醋。导致以上结果出现的原因可能是由于紫薯花青素在酸性发酵条件中较稳定，虽温度较高，时间长，但色素损失较小，酚类物质保存良好，发酵形成的醋仍具有较好的DPPH自由基清除能力。孙海燕研究表明[23]，在一定范围内，薯类酚类物质与6个抗氧化指标极显著相关(P<0.01)，且其含量高低与抗氧化能力呈正相关。而渝薯19是浅黄心薯，在醋酸发酵过程中，由于醋酸的累积，导致β-胡萝卜素损失量逐渐增加，从而其DPPH自由基抗氧化能力比渝紫7号和13-3-35醋低。

图2 不同品种甘薯醋DPPH抗氧化能力Fig.2 DPPH antioxidant activity of different varieties of sweet potato vinegar

2.3.2 ORAC氧自由基清除能力

不同品种甘薯醋ORAC氧自由基清除能力如图3。

图3 不同品种甘薯醋ORAC氧自由基清除能力Fig.3 ORAC oxygen free radical scavenging ability of different varieties of sweet potato vinegar

由图3可以看出，总体来说，除了13-3-35醋ORAC值与渝19、渝27醋有显著性差异(P<0.05)，其他几个品种甘薯醋ORAC值相差不大。ORAC反应本质是一个典型的氢原子转移过程，AAPH受热分解产生过氧化氢自由基(HO2·)，而酚羟基向其提供1个氢原子(H)，以便产生FL氧自由基(FLO·)来引发后续反应，而抗氧化物可以阻断自由基的产生，从而抑制整个反应[24]。MALIEN[25]研究发现，酰基化紫薯花青素即使在pH 7.4的条件下也具有较强稳定性，从而ORAC氧自由基清除能力亦较高。同时，β-胡萝卜素是高度不饱和多烯化合物，含有多个共轭多烯双键，正由于具有这种特殊结构，其能与过氧化物自由基发生不可逆反应，形成加合物或稳定的β-胡萝卜素自由基[26]，是一种天然的抗氧化剂。此外，陆建超[27]曾采用ORAC法对比不同品种甘薯汁抗氧化活性，研究发现，甘薯肉中所含总多酚含量与总ORAC值呈极显著正相关(P<0.01)，因此，13-3-35醋的ORAC值与渝紫7号醋不存在显著性差异(P>0.05)。同时，陆建超的研究表明[27]，虽然紫心番薯的ORAC值要高于其他品种，但不同品种薯肉ORAC值无显著性差异(P>0.05)，而LIN等[28]将发酵与未发酵大豆的抗氧化能力进行比较，发现发酵能增强抗氧化活性，这可能是渝紫7号醋ORAC值高于其他品种，但其他品种间无显著性差异的原因。

2.4 甘薯醋主要品质变量相关性分析

利用SPSS中的Pearson相关系数分析甘薯醋主要品质变量间的相关性，结果见表3。TSS与总糖含量呈显著正相关，与总多酚含量呈显著负相关性(P<0.05)，与DPPH清除能力极显著相关(P<0.01)，表明TSS含量变化可以影响成品醋的总酸、总糖、总多酚和DPPH自由基清除能力。总糖含量与总酸含量极显著负相关(P<0.01)，总多酚含量与抗氧化能力显著相关(P<0.01)，这与前面分析结果一致，表明发酵液总酸含量越高，残糖就越低，而总多酚含量越高，抗氧化能力也随之增强。此外，醋液的a*值还与L*值呈显著负相关(P<0.05)，这说明，醋液颜色越深，其亮度值就会越低。

表3 甘薯醋主要品质变量相关性分析Table 3 Correlation among mainly parameters of sweet potato vinegar

注：*表示P<0.05，显著水平，**表示P<0.01，极显著水平。

2.5 不同甘薯醋综合品质的主成分分析

由表4可知，利用主成分分析法将甘薯醋11个品质指标转化为2个主成分。主成分1特征值7.052，方差贡献率64.109%，主成分2特征值3.257，方差贡献率29.606%，累积方差贡献率64.109%，2个主成分累积方差贡献率达93.715%，可代表甘薯醋品质的大部分信息。

表4 主成分特征值、方差贡献率和累积方差贡献率Table 4 Eigenvalue of two principal components and their cumulative variance contribution rate

注：PC1表示第1主成分；PC2表示第2主成分。

表5是甘薯醋11个品质指标的载荷量，其值高低可反映各变量在主成分中的重要程度。由表5可知，PC1包括了甘薯醋绝大部分品质信息，主要有甘薯醋营养成分(pH、TSS、总糖、总酸和总多酚)、澄清度(L*值和a*值)及抗氧化能力(DPPH和ORAC值)。其中，pH与任一品质均不相关，总酸与TSS和总糖呈极负相关(P<0.01)，L*值与a*值呈负相关，总多酚与DPPH、ORAC值呈正相关(P<0.05)，同时，总酸、a*值、DPPH和ORAC值的正系数较大，因此，将总酸、a*值、DPPH和ORAC值作为第1主成分的代表指标。PC2主要反映醋液总酯含量和颜色信息，两者无显著相关性，因此，将总酯含量和b*值作为第2主成分的代表指标。

表5 甘薯醋品质变量因子载荷Table 5 Factor loading of quality variable of sweet potato vinegar

为构建2个主成分模型，将各品质变量的主成分载荷与其相对应特征值所开的平方根相比，可得每个品质变量的系数[29]，以此为权重得到2个主成分的表达式(6)、(7)如下：

F1=-0.273X1-0.373X2-0.337X3+0.352X4+0.341X5-0.100X6-0.290X7+0.273X8-0.157X9+0.376X10+0.313X11

(6)

F2=0.249X1-0.063X2-0.203X3+0.174X4+0.101X5-0.534X6+0.328X7-0.353X8+0.499X9+0.014X10+0.293X11

(7)

以每个主成分对应特征值的方差贡献率作为权重建立综合评价模型，其表达式为F=0.641 1F1+0.296 1F2。由此可计算出5个品种甘薯醋品质的综合得分值以及排序，见表6。根据综合得分值，几种甘薯醋品质由高到低为：13-3-35>渝紫7号>渝15>渝19>渝27。

表6 5种甘薯醋的主成分得分Table 6 Principal component scores of 5 sweet potato vinegars

3 结论

为评价相同发酵条件下不同品种甘薯醋品质差异，对甘薯醋pH、TSS、总糖、总酸、总多酚、总酯、L*值、a*值、b*值、DPPH自由基清除率和ORAC值等11个品质指标进行主成分分析，通过建立综合评价模型，得到各个品种醋的综合得分。从这11个品质指标中提取了2个主成分，其累计方差贡献率高达93.7 15%，在一定程度上能全面反映甘薯醋品质。第1主成分方差贡献率为64.1 09%，包括总酸、a*值、DPPH自由基清除率和ORAC值，主要反映了营养成分、澄清度以及抗氧化能力的信息，第2主成分方差贡献率为29.606%，主要反映总酯含量和颜色信息。

本文将甘薯醋的11个品质指标转化为2个主成分信息，其中能够用于辨别甘薯醋品质的指标包括总酸、总酯、a*值、b*值、DPPH和ORAC值。总酸含量是醋的一个基本品质指标，根据国家标准[30]，当总酸含量≥3.5 g/100 mL时，才能被称作醋；酯类物质是醋中重要的香气成分之一，含量较少但因具有强烈的花香和果香，能赋予成品醋特殊的芳香气味，主要包括乙酸丁酯、乙酸乙酯和乳酸乙酯等物质。因此，在不使用气相色谱-质谱联用仪(gas chromatography-mass spectrometer,GC-MS)对醋液进行分析的情况下，对总酯含量进行测定，是判断醋液中香气成分含量多少的简易方法；醋液颜色的形成大致有以下途径：一是原料本身所含色素；二是发酵过程中微生物代谢所产生的色素。李甜[31]研究表明，紫薯酒体颜色与总花色苷、总酚呈显著相关，因此，一般来说，醋液颜色越深表明发酵过程中色素损失越少，活性成分损失较少，醋液品质越好，但是，醋液具体颜色还需根据红绿值a*值和黄蓝值b*值综合判断；DPPH自由基清除率法和ORAC法原理不同，但都可以用来判断醋液的体外抗氧化能力高低，其值越高，抗氧化能力越强。

对以上2个主成分进行计算与分析，建立了综合评价函数为F=0.641 1F1+0.296 1F2，同时，5种甘薯醋综合品质从高到低为13-3-35>渝紫7号>渝15>渝19 >渝27。在现有的品种中，采用13-3-35作为甘薯醋的发酵原料是最优选择。但本文仅对甘薯醋基本理化指标(pH、TSS、糖酸)和功能性指标(总酯、总多酚、抗氧化能力)等11个品质指标来评价重庆地区5个品种甘薯醋的品质特性，虽然涉及品种薯色不同，但可以观察到相同薯色不同品种间甘薯醋的品质有较大差异(13-3-35和渝19)。同时，甘薯醋的品质指标间存在一定的相关性(表3)，增加品质指标可能还会改变相关性和研究结果。因此，在今后的研究过程中可以在增加品种量和品质指标上做进一步研究，为甘薯醋品质评价提供更加科学和直观的依据。