不同品种紫薯营养主成分及聚类分析

张梦潇 周文化 周 虹 张 亚 罗奡劼 李良怡

(特医食品加工湖南省重点实验室1，长沙 410004)

(粮油深加工与品质控制湖南省协同创新中心2, 长沙 410004)

(中南林业科技大学食品科学与工程学院3，长沙 410004)

(湖南省作物研究所4，长沙 410125)

紫薯(IpomoeabatatasL.)是旋花科番薯属，又名黑薯，薯肉呈紫色或深紫色，在我国的山东、湖南、湖北、福建、江西、广东、广西等地区均有种植。目前国内已先后培育出多种紫薯新品种，如济紫薯1号、广薯135、京薯6号、渝紫263等品种。紫薯营养丰富加工利用领域广泛，常作为淀粉[1,2]、膳食纤维[3]、类黄酮[4]、总酚[5,6]、胡萝卜素[7]、蛋白质[8]、花青素[9，10]等多种营养物质的优良来源。

紫薯营养成分丰富，但因品种不同，其营养素和营养成分含量差异较大，有关紫薯营养成分分析相关报道较多，如刘春泉等[11]研究宁紫薯1号甘薯的营养成分，结果得出其含水量为74.57%，淀粉为12.20%，粗纤维为0.75%，蛋白质含量为1.20%，且含有14种氨基酸符合FAO/WHO提出的理想蛋白质模式。蔡湛等[12]研究新鲜紫薯营养成分，结果得出含水量为69.10%、脂肪为0.21%、总灰分为1.23%。Zahari等[13]研究紫薯泥总花青素含量(TAC)为25.71～426.67 mg/L，且各品种间存在差异性(P<0.05)。Kim等[14]研究紫薯薯肉中总膳食纤维、花青素、总酚类化合物含量范围分别为10.11%～10.87%、2.43～3.35 mg/g和454.13%～638.79%。Steed等[15]报道了美国紫薯中花青素含量在51.5～174.7 mg/100 g FW之间。以上均是对单一或多个品种营养成分的探究或对比。目前，运用主成分分析及聚类分析对紫薯品种进行营养品质分析及分类的研究鲜有报道。

本研究分析比较9个品种紫薯的品质及营养成分含量差异，应用主成分分析和聚类分析方法比较其营养品质差异。可为紫薯资源的分类利用，调整和优化紫薯种质种植提供参考。

1 材料与方法

1.1 主要材料

宁紫薯1号、宁紫薯8号、湘紫薯174、川紫薯4号、徐紫薯8号、阜紫薯1号、渝紫薯7号、绵紫薯9号、鄂紫薯12号等9个品种紫薯鲜样均由湖南作物研究所提供(种植于湖南省作物研究所试验田，采收后地窖贮藏，从中挑选无腐败、发芽，病虫害的新鲜紫薯)。

1.2 主要试剂

无水乙醇、盐酸、硫酸、抗坏血酸、2，6-二氯酚靛酚钠盐、3，5-二硝基水杨酸、邻苯二酚，均为CP级；碳酸氢钠、酒石酸钾钠、苯酚、亚硫酸钠、氢氧化钠、硼酸、高氯酸、葡萄糖、考马斯亮蓝G-250、牛血清蛋白、a淀粉酶、纤维素酶、乙酸、甲醇、草酸、磷酸、乙酸钠、丙酮，均为AR级。

1.3 主要仪器设备

JH-HS卤素快速水分分析仪，101-3EBS电热鼓风干燥箱，FW-400A倾斜式高速万能粉碎机，C21-SK210电磁炉，BlueStar B型紫外分光光度计，Delta 320型pH计，80-2型电动离心机，Sorvall LYNX 6000型高速冷冻离心机，SB-5200 DTDD型超声波清洗机，UltraScan Pro色差仪。

1.4 熟鲜紫薯感官评价

先将新鲜紫薯清洗干净，剔除芽眼，鲜薯蒸熟后，再采用人工品尝打分法[16，17]。

表1 熟鲜紫薯感官评分标准

1.5 营养与色泽指标测定

本实验按照SB/T 10314—1999《采样方法及检验规则》采用四分法采样，按四分法对角线取样进行减量测试。

水分含量测定：参照GB 5009.3—2016执行。蛋白质的测定：采用SN/T 3926—2014考马斯亮蓝法执行。膳食纤维的测定：依据GB 5009.88—2014执行。淀粉的测定：采用高氯酸水解及3，5-二硝基水杨酸(DNS)[18]法测定。花青素、类黄酮、总酚的测定：参照张群等[19]方法。色差测定：采用色差仪Lab系统测定。维生素C测定：采用2,6-二氯酚靛滴定法[18]。维生素B2测定：依据GB 14752—2010执行。

1.6 数据处理

采用IBM SPSS Statistics 24.0和Origin Pro 2017软件得出平均值±标准差，对数据进行显著性分析、主成分分析、聚类分析。

2 结果与分析

2.1 不同品种鲜紫薯色泽比较分析

9个品种鲜紫薯的L*、a*和b*存在极显著性差异(P<0.01)。L*值分布在69.73～71.80之间，由表4的花青素含量与鲜紫薯亮度值对比可知，鲜紫薯亮度值越大，花青素含量越低，a*值均分布在2.21～5.64之间，并且均为正值则颜色趋于红色，b*值均分布在-1.70～0.55之间，除宁紫薯8号为正值偏黄色，其余均为负值，其颜色偏蓝色。

表2 不同品种鲜紫薯的色泽

注：大写字母表示差异达到极显著水平(P<0.01)，下同。

2.2 不同品种熟紫薯感官评价分析结果

对不同品种熟紫薯的感官评价结果见表3，不同品种紫薯感官评价存在极显著性差异(P<0.01)，其中色泽得分最高的为绵紫薯9号，而表2绵紫薯9号的亮度值最低，说明鲜紫薯色泽越深其感官色泽评分越高；食味得分最高的是宁紫薯1号；口感得分最高的是宁紫薯8号；组织状态得分最高的是宁紫薯8号；总分得分最高的是宁紫薯8号。

2.3 不同品种紫薯营养成分测定结果比较

不同品种紫薯的营养成分如表4所示，对9个紫薯营养成分差异化比较，不同品种紫薯的水分含量分布于62.56%～66.86%。其中，宁紫薯8号水分含量最高(66.86%)，除川紫薯4号、徐紫薯8号和渝紫薯7号之间不存在显著性差异，其余各品种之间均存在显著性差异(P<0.05)。9个品种紫薯的蛋白质含量在7.02～11.60 mg/mL之间。其中，川紫薯4号的蛋白质含量最高约为蛋白质含量最低的阜紫薯1号的1.6倍，除川紫薯4号和徐紫薯8号的蛋白质含量不存在显著性差异，其余各品种间均存在显著性差异(P<0.05)。膳食纤维含量最高的品种是川紫薯4号(6.02/100 g)，膳食纤维含量最低的品种是阜紫薯1号。紫薯的淀粉质量分数在16.57%～20.65%之间，淀粉含量最高的品种为宁紫薯8号，渝紫薯7号的淀粉含量次之，渝紫薯7号与绵紫薯9号和鄂紫薯12号之间的淀粉含量不存在显著性差异，其余各品种之间淀粉含量存在显著性差异(P<0.05)。

表3 不同品种熟紫薯感官评价

表4 不同品种紫薯营养成分表

注：表中同列不同的小写字母表示差异达到显著水平(P<0.05)，大写字母表示差异达到极显著水平(P<0.01)。

9个品种紫薯的花青素含量在1.75～3.36 mg/g之间，不同品种之间花青素含量均存在极显著性差异(P<0.01)，且紫薯花青素的含量影响着其的色泽的深浅。类黄酮含量在0.27～0.32 mg/mL之间，宁紫薯8号的类黄酮含量最高为0.32 mg/mL，三者与其他6个品种存在极显著性差异，总酚含量在32.20～54.80 μg/mL之间，除阜紫薯1号和渝紫薯7号之间不存在显著性差异，其余各品种间均存在显著性差异(P<0.05)。

9个品种紫薯的维生素C含量在2.23～2.93 mg/100 g之间，徐紫薯8号维生素C含量最高，阜紫薯1号维生素C含量最低，各品种间存在显著性差异(P<0.05)。维生素B2含量在1.40%～2.95%之间，且各品种间存在显著性差异(P<0.05)。

2.4 不同品种紫薯营养成分的主成分分析

采用主成分分析法对9个品种紫薯的水分、蛋白质、淀粉、膳食纤维、花青素、总酚、类黄酮、维生素C、维生素B2等9种营养成分含量进行分析，从表5可知，前3个特征值4.889、2.367、1.475皆大于1，前3个特征值累计贡献率为87.319%，故提取因素可以反映总体特征，已能综合紫薯营养品质的大量数据信息，因此，选取前3个主成分作为供试紫薯的主成分进行下一步分析。

表5 不同品种紫薯营养成分主成分的总方差贡献率

紫薯品质指标的主成分因子载荷矩阵可见表6，主成分分析成分矩阵代表了解释变量在各主成分中的权重和影响方向[20]。第一主成分(PC1)主要综合了水分、花青素、类黄酮、总酚、维生素B2含量信息，第二主成分(PC2)主要综合了蛋白质、膳食纤维含量信息，第三主成分(PC3)主要综合了淀粉和维生素C含量信息。

表6 不同品种紫薯营养品质主成分分析载荷矩阵数值

2.5 不同品种紫薯营养特性综合得分分析结果

为了更加直观地鉴定紫薯的综合质量，采用因子综合得分对主成分得分的数据进一步分析。紫薯品质指标的各主成分因子成分得分系数见表7，可以得出紫薯主成分得分及综合评分[21]，其中Z1、Z2、Z3、Z综分别为因子1、因子2、因子3和综合因子，A1、A2、A3、A4、A5、A6、A7、A8、A9分别代表紫薯水分、蛋白质、花青素、维生素C、淀粉、类黄酮、总酚、维生素B2、膳食纤维标准化后数据。

Z1=-0.177A1-0.031A2+0.168A3-0.091A4-0.063A5+0.172A6-0.198A7+0.184A8-0.025A9

(1)

Z2=-0.197A1+0.401A2+0.034A3+0.122A4+0.019A5+0.170A6+0.066A7+0.001A8+0.395A9

(2)

Z3=-0.068A1+0.099A2-0.099A3+0.393A4+0.608A5-0.049A6-0.045A7+0.198A8-0.168A9

(3)

综合得分=因子1的方差贡献率×因子1的得分+因子2的方差贡献率×因子2的得分+因子3的方差贡献率×因子3的得分[22]。

Z综=0.4889Z1+0.2367Z2+0.1475Z3

(4)

表7 不同品种紫薯营养品质主成分分析成分得分系数表

将3个主成分大小依次排序，可权衡每个因子在每个品种中所处的位置与分量，从而较直观地判断不同品种的特性。由表 8 可知，9个紫薯品种中因子 PC1得分前三排序为绵紫薯9号>阜紫薯1号>鄂紫薯12号；因子 PC2 得分前三排序为徐紫薯8号>川紫薯4号>湘紫薯174；因子 PC3 得分前三为宁紫薯8号>绵紫薯9号>徐紫薯8号。综合排名前三的品种依次为徐紫薯8号>绵紫薯9号>渝紫薯7号。

表8 不同品种紫薯品质预测评价结果

注：括号内数字为排名顺序。

注：X1 水分；X2 蛋白质；X3 花青素；X4 维生素C；X5 淀粉；X6 类黄酮；X7 总酚；X8 维生素B2；X9 膳食纤维。1 宁紫薯8号；2 湘紫薯174；3 宁紫薯1号；4 川紫薯4号；5 徐紫薯8号；6 阜紫薯1号；7 渝紫薯7号；8 绵紫薯9号；9 鄂紫薯12号。图1 不同品种紫薯营养品质主成分分析的散点图

2.6 不同品种紫薯营养特性的主成分分析分类

为了进一步探究不同品种紫薯各营养成分含量差异及分类，从对PC1和PC2的主成分分析得分情况(见图1)可知，9个品种紫薯可分为5类，其中编号1、3、6的品种(宁紫薯8号、宁紫薯1号、阜紫薯1号)各为一类，其中编号1、6的品种偏离中心，编号3位于第四区间，所以各为一类。编号1为宁紫薯8号其水分含量在本文紫薯品种中最高；编号3为编号2、4、5的品种(川紫薯4号、徐紫薯8号、湘紫薯174)由于分布较为密集将其分为一类，说明其蛋白质和膳食纤维含量较高；编号7、8、9的品种(渝紫薯7号、绵紫薯9号、鄂紫薯12号)为一类，由于距离X3、X6、X8线段较近，分别说明其类黄酮(X6)、花青素(X3)和维生素B2(X8)含量较高。PCA散点图中的品种聚类揭示了各紫薯归属。

2.7 不同品种紫薯营养特性的聚类分析

对不同品种紫薯营养成分采用系统聚类，在方法上采用平方欧式距离测量，使用组间联接测量区间，得出谱系图(见图2)，当类间距离=5时，可将9个品种紫薯分为五大类。第Ⅰ类包括3个品种，为川紫薯4号、徐紫薯8号、湘紫薯174；第Ⅱ类仅有1个品种，为宁紫薯1号；第Ⅲ类包括3个品种，为绵紫薯9号、渝紫薯7号、鄂紫薯12号；第Ⅳ类仅有1个品种，为阜紫薯1号；第Ⅴ类仅有1个品种，为宁紫薯8号，聚类分析的分类结果与2.6中主成分分析分类结果完全一致。

注：1～5为宁紫薯8号；6～10为湘紫薯174；11～15为宁紫薯1号；16～20为川紫薯4号；21～25为徐紫薯8号；26～30为阜紫薯1号；31～35为渝紫薯7号；35～40为绵紫薯9号；41～45为鄂紫薯12号。图2 不同品种紫薯营养品质的聚类分析结果

3 结论

9种不同品种的紫薯其各品质特性均存在一定的差异。其中9个品种鲜紫薯色差、感官评分及花青素、维生素含量均存在极显著性差异(P<0.01)。花青素含量越高，亮度值越低，而感官色泽评分越高。主成分分析综合得分结果综合排名前三的品种依次为徐紫薯8号>绵紫薯9号>渝紫薯7号。根据聚类分析，当类间距离=5时，9个品种紫薯归为5类，宁紫薯8号、宁紫薯1号、阜紫薯1号各为一类，其水分含量位居前三；川紫薯4号、徐紫薯8号、湘紫薯174分为一类，其蛋白质和膳食纤维含量较高；渝紫薯7号、绵紫薯9号、鄂紫薯12号为一类，其类黄酮、花青素和维生素B2含量较高。聚类分析分类结果与主成分分析分类结果完全一致。为紫薯合理加工及原料选择和品种搭配上提供参考。