基于主成分分析与聚类分析的百合品质评价

张晓莉，王彦蕊，王国庆，雷娜娜，朱家华，颜任翔（.甘肃省产品质量监督检验研究院，甘肃 兰州 730050；.兰州理工大学，甘肃 兰州 730050）

百合是百合科百合属多年生草本植物，其鳞茎肉质肥厚、多片、色泽洁白、味甜清香、略有苦味，不仅是高蛋白、高碳水化合物和低脂肪的保健品，而且具有良好的药用价值[1]。百合是我国卫生计生委审批通过的首批药食同源植物，富含蛋白质、淀粉、粗纤维、多糖、氨基酸、黄酮及微量元素等多种营养活性成分，具有抗炎[2-3]、抗氧化[4]、抗疲劳、降血糖[5]等药理作用。

目前，全世界百合有90 多个品种，我国约有46 个种和18 个变种[6]，传统、规模化栽培的食用百合仅有川百合、兰州百合、卷丹和龙牙百合2 个种和2 个变种。百合喜冷凉气候，在我国西南（四川、重庆、云南）、东北（山东、辽宁、吉林）、西北（甘肃、西藏、陕西）、中部（湖南、江西）、东部（江苏） 等地均有分布[7]。传统百合的生产繁殖主要依靠无性繁殖方法留种，由于连作障碍和病虫害积累，导致百合种球自然退化严重，产量下降[8]。

目前，对百合的研究主要集中在单一品种百合化学成分、种植栽培、病虫害防治、细胞学、分子学、杂交育种和加工技术等方面[9-10]，然而百合品种多及且产地分布广，但是对不同产地、不同品种百合营养成分的差异和品质评价研究较少。基于此，以6 个百合主要产地的4 个品种百合鳞茎为研究对象，分析比较百合中9 种矿质元素（K、Na、Ca、Mg、Fe、Zn、Mn、Cu 和Se） 和4 种营养成分（蛋白质、粗纤维、多糖和黄酮） 的相关性，通过主成分分析和聚类分析，建立百合综合品质评价体系，以期为百合品种选育、品质评价、产品研发和标准制定提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 材料

选取产自甘肃兰州的兰州百合（简称S1）、四川江油的川百合（简称S2）、湖北恩施的卷丹百合（简称S3）、云南曲靖的卷丹百合（简称S4）、江苏宜兴的卷丹百合（简称S5） 和江西宜春的龙牙百合（简称S6） 的新鲜百合去根剥片清洗后，于50 ℃下烘干至恒质量，粉碎过60 目筛，密封冷藏备用。

1.2 试剂与仪器

1.2.1 试剂

各单元素标准溶液（标准值为1 000 μg/mL），坛墨质检标准物质中心提供；硝酸（优级纯），美国默克公司提供；硫酸、氢氧化钾、芦丁、亚硝酸钠、氢氧化铝、氢氧化钠、无水乙醇、苯酚和石油醚等，均为国产分析纯。

1.2.2 仪器

1.3 百合营养成分及矿质元素测定

蛋白质含量：采用GB 5009.5—2016《食品安全国家标准 食品中蛋白质的测定》凯氏定氮法测定；粗纤维含量：采用GB/T 5009.10—2003《植物类食品中粗纤维的测定》测定；矿物元素含量：采用GB 5009.268—2016《食品安全国家标准 食品中多元素的测定》测定；多糖和黄酮含量的测定分别参照文献[11-14]中方法，并加以改进。

1.4 数据统计与分析

试验均平行测定3 次，应用SPSS 28.0.1.1(15)软件对试验数据进行相关性分析和主成分分析，依据因子的特征值大于1.00 且累计方差贡献率大于80%的原则，确定主成分因子个数。根据所得信息对不同产地百合进行综合评价，以每个主成分所对应特征值的方差贡献率βi（i=1，2，3，…，k） 为权数，由各主成分得分Fi 与对应的权重相乘得综合评价模型：F=β1F1+β2F2+…+βkFk[15-16]。采用R 包：Heatmap v1.0 版本对6 个不同产地百合的矿质元素及营养成分进行聚类分析。

2 结果与分析

2.1 百合营养成分分析

蛋白质、多糖、粗纤维和黄酮含量是衡量百合品质及药用价值的重要指标。粗纤维是一种不能被人体消化的碳水化合物，不仅可以调节人体肠道健康，而且还能有效防止心血管疾病、糖尿病和结肠癌等[17]。黄酮和多糖是百合中重要的活性物质与百合的药理作用有密切关系，具有抗氧化、抗肿瘤、调节免疫力等功效。

百合营养成分含量见表1。

表1 百合营养成分含量/%

由表1 可知，对不同品种、不同产地百合中蛋白质、多糖、黄酮和粗纤维检测数据进行分析，结果表明不同产地、不同品种的百合各项指标值存在显著性差异（p<0.05）。百合蛋白质含量在8.51%~16.80%，其中四川江油百合中蛋白质含量最高（16.80%） 是荠菜（2.9%）、莲藕（2.6%） 蛋白质含量的5 倍以上，具有较高的营养价值[18]；多糖含量变化范围为8.86%~21.45%，其中兰州百合多糖含量最高（21.45%），江西宜春（龙牙百合） 多糖含量最低（8.51%）；粗纤维含量变化范围为1.97%~4.29%，其中湖北恩施（卷丹百合） 含量最高（4.29%），其次是云南曲靖（卷丹百合）、江苏宜兴（卷丹百合）、江西宜春（龙牙百合）、甘肃兰州（兰州百合） 和四川江油（川百合）。研究表明，兰州百合具有多糖含量高、粗纤维含量较低的优点，与其他品种百合相比口感更好。黄酮含量变化范围为0.45%~0.77%，其中作为药用植物的江苏宜兴的卷丹百合黄酮含量较高（0.77%）。研究表明，百合中营养物质含量随品种而异，同一品种不同产地百合营养物质含量亦不同。

2.2 矿质元素含量分析

现代研究表明，植物的食用性与安全性不仅与其活性成分有关，而且与无机元素的种类和含量也有密切的联系[19]。百合中矿质元素分为大量元素和微量元素。从含量来看，大量元素包含K、Na、Ca、Mg，微量元素有Fe、Zn、Mn、Cu、Se。总体和单一矿质元素含量在不同百合之间差异较大。

百合矿质元素含量见表2。

5.1.2 The patterns of pasture utilization - rotational grazing

表2 百合矿质元素含量 / mg·kg-1

由表2 可知，百合中大量元素含量顺序为K>Mg>Ca>Na，K 是所有植物中储存最丰富的矿物质之一，K 不仅可以维持人体细胞渗透压平衡，还可以有效预防中风，维持心肌功能[20-21]。百合中K 平均含量为59 123.12 mg/kg，其中湖北恩施（卷丹百合）中K 含量最高；四川江油（川百合） 中Mg 和Ca 含量较高；百合中含量最低大量元素是Na 均值为88.78 mg/kg。微量元素含量顺序为Zn>Fe>Mn>Cu>Se，其中湖北恩施（卷丹百合） 中Zn、Fe、Mn、Cu 和Se 含量最高，分别为117，101，90，23，0.89 mg/kg。研究表明，不同产地、不同品种百合中矿质元素含量不同。百合具有富钾富锌低钠的特点，食用百合有利于降低血压，减少心血管疾病和促进糖类代谢。

2.3 各成分含量的相关性分析

各指标之间的相关性见表3。

表3 各指标之间的相关性

对不同产地百合中9 种矿质元素和4 种营养成分进行相关性分析，共有91 个相关系数，存在显著相关性（p<0.05） 的有6 个，存在极显著相关性（p<0.01） 的有2 个，其中Ca 分别与Mg、Cu，Zn 与Mg、Fe，Fe 与Mn，Zn 与Mn 呈显著相关，Cu 与Mg、Zn 呈极显著正相关。因此，可用主成分分析和聚类分析的方法对不同品种百合的品质指标，通过降维简化数据结构，提高百合综合品质评价的准确性。

2.4 不同百合品质主成分分析

百合品质指标存在不同程度差异，且各指标间存在不同程度相关性，仅通过单一指标大小来评价百合品质好与差，并不客观。主成分分析法是把多个指标转化为少数几个不相关综合指标的一种多元统计分析方法，是评价农产品品质的有效手段[22]。

相关系数特征值和方差百分比见表4。

表4 相关系数特征值和方差百分比

由表4 可知，每个主成分反映了一定的原始变量信息，特征值代表主成分反映原始变量信息的数量。经PCA 提取的主成分中，选取特征值大于1，累计贡献率达到91.499%的前3 个主成分，即3 个主成分代表了样品91.499%的信息含量，能反映百合品质的主要信息。

旋转后的因子载荷矩阵见表5。

表5 旋转后的因子载荷矩阵

由表5 可知，数值反映原始变量对因子影响的大小，正负表示影响的方向[16]。变量K、Mg、Fe、Zn、Mn、Cu 对第一主成分有较高的载荷值，说明其与PC1 相关性较强；PC2 中Na、Se、黄酮、多糖载荷系数较高，贡献大；Na、Ca、Mg 与PC3 相关性较强。因此，选取K、Mg、Ca、Fe、Zn、Mn、Cu、Na、Se、黄酮和多糖为百合的特征成分。

将主成分提取个数设为3，依据13 种营养品质成分含量，在三维空间展示6 个产区百合分布。

百合品质聚类分析图见图1。

图1 百合品质聚类分析图

由图1 可知，6 个产区百合分布相对分散。PCA分析表明，在以第一和第二主成分形成的三维图中，湖北恩施（卷丹百合） 和云南曲靖（卷丹百合） 主成分含量较为接近。兰州百合（兰州百合）、四川江油（川百合） 和江苏宜兴（卷丹百合） 分布较为分散，江西宜春龙牙百合的分布相对独立。

2.5 不同百合品质的综合评价

由于PCA 中前3 个组分反映了百合样品中9 种矿质元素和4 种营养成分的91.499%的信息含量，因此利用前3 个组分进行百合品质的综合评价是可行的。以9 种矿质元素和4 种品质成分为初始自变量，经主成分分析计算因子得分，根据因子得分系数矩阵，每个主成分的特征值与所提取主成分总的特征值之和的比例，得出主成分综合得分，分值越高表明百合品质越好。

百合品质成分主成分得分和综合得分见表6。

表6 百合品质成分主成分得分和综合得分

由表6 可知，百合综合得分排名依次为湖北恩施（卷丹百合）、四川江油（川百合）、甘肃兰州（兰州百合）、江苏宜兴（卷丹百合）、云南曲靖（卷丹百合）、江西宜春（龙牙百合）。研究表明，兰州百合作为我国西部地区大面积种植的食用百合，其色白味甘、低纤维，具有丰富的营养价值，不仅可以食用，也可用于药疗和观赏，是我国食用百合的最佳品种。这与刘湘丹等人[23]对不同来源的百合药材质量评价和Li Y 等人[24]利用拉曼光谱法对兰州百合质量评价等文献的研究结果一致。

2.6 不同百合品质聚类分析

百合聚类分析图见图2。

图2 百合聚类分析图

采用R 包：Heatmap v1.0 版本对6 个不同产地百合的品质指标进行聚类分析（图2）。纵向为品质指标间聚类，横向为（品） 种间聚类，图中颜色深浅代表品质指标含量的高低，从深色到浅色，颜色越深，含量越高。聚类分析将6 个不同产地百合分为3 类，第Ⅰ类为湖北恩施（卷丹百合） 和云南曲靖（卷丹百合），粗纤维、黄酮、K、Zn 含量较高，Na 含量较低；第Ⅱ类为甘肃兰州（兰州百合）、四川江油（川百合）、江苏宜兴（卷丹百合），多糖、Na 含量较高，Zn 含量较低；第Ⅲ类为江西宜春（龙牙百合），其矿质元素（K、Na、Ca、Mg、Zn、Mn、Cu、Se） 与蛋白质、多糖、黄酮含量均最低。聚类分析结果与主成分分析结果基本一致，因此利用试验建立的综合品质评价模型对百合品质进行评价是可行且可信的。

3 结论

对不同产地、不同品种百合样品的9 种矿质元素（K、Na、Ca、Mg、Fe、Zn、Mn、Cu、Se） 与4种营养成分（蛋白质、粗纤维、多糖、黄酮） 进行测定，并对其结果进行主成分分析和聚类分析。研究表明，不同产地、不同品种百合的品质存在差异，各组营养成分之间相关性显著。

主成分分析提取3 个主成分，累计方差贡献率为91.499 %，可较好反映出百合品质的综合信息，综合分析得出K、Mg、Fe、Zn、Mn、Cu、Na、Se 和黄酮为百合的特征成分。通过主成分分析对不同产地百合品质进行综合评价，综合得分排名依次为：湖北恩施（卷丹百合）、四川江油（川百合）、甘肃兰州（兰州百合）、江苏宜兴（卷丹百合）、云南曲靖（卷丹百合）、江西宜春（龙牙百合）。聚类分析将6 个不同产地百合分为3 类，第Ⅰ类为湖北恩施（卷丹百合） 和云南曲靖（卷丹百合），粗纤维、黄酮、K、Zn 含量较高，Na 含量较低；第Ⅱ类为甘肃兰州（兰州百合）、四川江油（川百合） 和江苏宜兴（卷丹百合），多糖、Na 含量较高，Zn 含量较低；第Ⅲ类为江西宜春（龙牙百合），8 种矿质元素（K、Na、Ca、Mg、Zn、Mn、Cu、Se） 与3 种品质成分（蛋白质、多糖、黄酮） 含量均最低。聚类分析结果在一定程度上反映百合品质存在明显的地域性特征，这种地域性分布特征可能与百合产地的土壤、气候、海拔等因素有关。通过主成分分析和聚类分析对不同产地、不同品种百合进行品质分析与评价，为百合品种选育、产品研发、品质评价和标准制修定提供了相关的理论依据。