基于主成分和聚类分析的不同品种淮山淀粉品质评价

李 燕, 贺 燕, 邹金浩, 王 锋, 苏小军, 李清明

(湖南农业大学食品科学技术学院1,长沙 410128)

(湖南科技学院化学与生物工程学院2,永州 425199)

(湖南省产商品质量检验研究院3,长沙 410007)

淮山(DioscoreaoppositaThunb)为薯蓣科薯蓣属植物薯蓣的块茎,是除马铃薯、木薯、红薯外的第四大薯类作物[1,2],其用途广泛,不仅是我国药食同源的作物,更是许多热带和亚热带国家重要的主粮作物[3,4]。淀粉是淮山中主要营养成分,干基质量分数60%～85%[5]。近年来,许多研究者就不同品种淮山淀粉的理化性质以及加工利用潜力做了很多研究,发现糊化特性[6,7]、质构特性[8]、直链淀粉含量[7,9],粒径[3,10]等都是影响淮山淀粉加工品质的重要因素,且品种对淮山淀粉的理化性质有很大的影响,这也意味着不同品种淮山淀粉适宜加工的产品不同。在总结影响淮山淀粉加工品质的因素中,通过某一个指标或某几个指标得出来结果往往不够客观,而在多指标评价中由于指标间存在的相关性,需要统计的信息量大且复杂,难以得出一般规律[11]。

淀粉的品质是由多个指标共同决定的,为从多个影响指标中解析出主要影响淀粉品质的因素,得出更为全面,科学的评价结果,可以采用主成分分析(PCA)结合聚类分析的分析方法对淀粉品质进行综合评价[12-15]。如张桂英等[15]对17个品种的小米淀粉进行了综合评价,运用主成分分析从8个影响小米淀粉品质的指标中提取出了2个主成分并通过聚类分析将小米品种分为了3类。Patindol等[16]根据大米淀粉的糊化性质,运用聚类分析方法将20份大米淀粉分为了3类。目前对淮山淀粉的研究,大多仅针对不同淀粉品种间的差异进行比较分析[17],而运用主成分分析及聚类分析对不同品种淮山淀粉品质能更全面系统地评价淮山品质。因此,本研究测定了9个品种淮山淀粉的直链淀粉含量、粒径、冻融稳定性、糊化特性以及质构特性等品质指标,并运用主成分分析及聚类分析建立一种对淮山淀粉品质综合评价的方法,探讨淮山淀粉加工适宜性并对其进行分类,为淮山淀粉的深加工提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

5种日本薯蓣(DioscoreajaponicaThunb)分别为桂淮11号(GY11)、桂淮2号(GY2)、利川淮山(LCY)、双峰淮山(SFY)、安顺淮山(ASY);4种参薯(DioscoreaalataL)分别为桂淮5号(GY5)、广西紫淮山(GXPY)、马铺淮山(MPY)、紫脚板薯(SYPY);马铃薯直链淀粉标准品;碘液、碘化钾等均为分析纯。

1.2 仪器与设备

TDZ5型台式低速离心机,HH-6型数显恒温水浴锅,V-5000型可见分光光度计,JSM-6380LV型扫描电子显微镜,RVA-S/N2112681型快速黏度分析仪,TA.XT.plus型质构仪。

1.3 方法

1.3.1 淀粉的提取

采用水提法[6]提取淀粉。将新鲜的淮山原料洗净、去皮,切碎后加水打浆,浆液过120目筛,筛子上残留的物料用蒸馏水反复冲洗过滤,然后把过滤后的浆液沉降12 h,去掉上清液后得到淀粉。淀粉用蒸馏水重悬、沉降5次后取出,置于45 ℃烘箱中干燥48 h,再用粉碎机粉碎过100目筛置于干燥器中备用。

1.3.2 淮山淀粉直链淀粉含量的测定

直链淀粉含量的测定:参照GB/T 15683—2008《大米直链淀粉含量的测定》。

1.3.3 淮山淀粉颗粒的粒径

淀粉颗粒的大小利用激光粒度仪对淀粉颗粒进行粒径扫描,确定其粒径分布范围。

1.3.4 淮山淀粉的冻融稳定性测定

参照Hsieh等[20]的方法,略作修改。配制质量分数6%的淀粉悬浮液于沸水中加热糊化,冷却后取20 mL淀粉糊倒入离心管中盖好盖子。于-18 ℃冰箱中放置24 h后取出,自然解冻后4 000 r/min离心20 min,倒去上清液后并倒置10 min,然后称取沉淀物的质量。其后每隔24 h测试 1 次,测定5次。以反复冻融5次后淀粉凝胶的析水率体现淀粉的冻融稳定性。析水率按式(1)计算:

析水率=淀粉糊质量-沉淀质量淀粉糊质量×100%

(1)

1.3.5 淮山淀粉的糊化特性

称取(3.00±0.01)g的淀粉样品放入快速黏度计专用铝盒中,准确量取25.0 mL蒸馏水加入铝盒中,将搅拌器置于铝盒中上下快速搅动,使样品均匀,再置于快速黏度分析仪(RVA)中。采用GB 24853—2010《小麦、黑麦及其粉类和淀粉糊化特性测定快速粘度仪法》标准程序1的温度模式,即RVA初始温度为50 ℃,保持1 min,然后以12 ℃/min升高至95 ℃,在95 ℃保持2.5 min,再以12 ℃/min降至50 ℃,保持2 min,根据RVA的曲线,分别获得糊化温度、回生值和崩解值等参数。

1.3.6 淮山淀粉的凝胶质构

准确称取淀粉样品,于烧杯中加入去离子水混合,配制成0.1 g/mL的淀粉悬浮液,搅拌均匀后在95 ℃水浴锅中加热糊化15 min,将淀粉糊装入20 mL注射器中冷却,在4 ℃条件下冷藏24 h后形成直径为2 cm的圆柱形凝胶。测试前将凝胶倒出切成直径为2 cm、高为1 cm的小圆柱体进行质构测定获得硬度、弹性、内聚性、咀嚼性和回复性等参数。测定条件:选取TPA 模式,P/36R型探头,测试前速率2.0 mm/s,测试速率1.0 mm/s,测试后速率 1.0 mm/s,压缩程度40%,触发力5 g。

1.3.7 数据统计分析

除特殊说明外,所有数据均为3次重复实验的平均值。运用SPSS20.0软件对数据进行描述性分析、主成分分析(PCA)和聚类分析。主成分分析(PCA)采用降维分析中的因子分析,得出相关性矩阵以及因子得分。聚类分析采用系统聚类,样本之间的距离采用欧式距离平方,得出聚类树状图。采用GraphPad Prism 8和Origin8.0进行图形绘制。

2 结果与分析

2.1 不同品种淮山淀粉品质指标的描述性分析

对9种淮山淀粉品质指标的描述性分析见表1。不同品种淮山淀粉的糊化温度在75.32～84.37 ℃之间,变异系数为4.25%,粒径在17.0～24.3 μm之间,变异系数为10.94%,说明品种对淮山淀粉的糊化温度、粒径影响较小。而不同品种淮山淀粉凝胶的咀嚼性在35.95～1 637.80 g之间,回复性在0.07～0.64之间,硬度在212.51～2 113.65 g之间,变异系数分别高达180.16%、101.21%、87.69%,可见品种对淮山淀粉凝胶的咀嚼性、回复性、硬度的影响较大。其他10个指标的变异系数在13.18%～52.11%之间。按变异系数大小对14个品质指标进行排序,可知品种对指标的影响大小为咀嚼性>回复性>硬度>内聚性>回生值>崩解值>直链淀粉>最终黏度>谷值黏度>峰值黏度>弹性>析水率>粒径>糊化温度。

表1 淮山淀粉品质指标的描述性分析

2.2 不同品种淮山淀粉品质指标的相关性分析

对不同品种淮山淀粉的14个品质指标间的Person相关性分析结果见图1。淀粉的直链淀粉含量与糊化特性有显著相关性,其中与峰值黏度、谷值黏度的相关性系数分别为-0.777、-0.709,呈显著负正相关(P<0.05)。粒径与最终黏度的相关性系数为-0.677,呈显著负正相关(P<0.05)。析水率与谷值黏度、回生值的相关性指数分别为0.742、0.723,呈显著正相关(P<0.05),与最终黏度的相关性系数为0.829,呈极显著正相关(P<0.01)。峰值黏度与弹性的相关性系数分别为0.848,呈极显著正相关(P<0.01)。因此,不同品种淮山淀粉的品质差异较大,同时各评价指标之间存在不同程度的相关性,通过某一个指标或某几个指标来评定不同品种淮山淀粉品质的优劣不客观,可以通过主成分分析来综合评价不同品种淮山淀粉的品质。

注:*为显著相关(P<0.05);**为极显著相关(P<0.01)。

2.3 不同品种淮山淀粉品质指标的主成分分析

对不同品种淮山淀粉的14个品质指标进行主成分分析的结果如表2所示。以特征值>1,方差贡献率达到85%以上为选择标准,共提取了4个主成分,第一主成分(Z1)、第二主成分(Z2)、第三主成分(Z3)、第四主成分(Z3)的特征值分别为5.591、4.151、2.295,1.336,其方差贡献率分别为39.936%、28.935%、16.393%、9.542%,累计贡献率达到94.806%,说明这4个主成分所包含的要素信息量可以反映出淮山淀粉的14个品质指标的大部分信息,因此可以用这4个主成分对这9种淮山淀粉的品质进行概括和综合评价。

表2 淮山淀粉品质指标的特征值及贡献率

因子载荷矩阵反映了淮山淀粉各品质指标与4个主成分间的关系,从表3中可以看出,第一主成分(Z1)与峰值黏度、谷值黏度高度正相关,与最终黏度、回生值、弹性、内聚性中度正相关,与直链淀粉含量中度负相关。第二主成分(Z2)与硬度、咀嚼性、回复性高度正相关,与内聚性中度正相关,与最终黏度中度负相关,第三主成分(Z3)与崩解值高度负相关。第四主成分(Z4)与粒径中度正相关。峰值黏度、谷值黏度对第一主成分(Z1)的贡献较大,负荷量分别为0.830、0.821,咀嚼性、硬度对第二主成分(Z2)的贡献较大,负荷量分别为0.829、0.815,崩解值对第三主成分(Z3)的贡献最大,负荷量为-0.896。因此,峰值黏度、谷值黏度、硬度、咀嚼性、崩解值是代表淮山淀粉品质的特征指标。PCA图反映了各指标间的相似性,指标间的距离与其相似程度呈正比[19]。从图2和图3可以看出,第一主成分(Z1)主要综合了淮山淀粉的糊化特征指标,第二主成分(Z2)主要综合了淮山淀粉的凝胶质构特征指标。

图2 碎石图

图3 PCA图

表3 因子载荷矩阵

2.4 不同品种淮山淀粉品质的综合评价

根据特征值和相应的特征向量,计算了9种淮山淀粉各自的主成分得分,并对淮山淀粉品质按前4个主成分得分进行了排序结果见表4。第一主成分(Z1)得分较高的有MPY(3.21)、ASY(2.37)、GXPY(1.09)这3种淮山淀粉,说明这3种淮山淀粉的峰值黏度、谷值黏度、最终黏度、回生值等品质优于其他品种。第二主成分(Z2)得分较高的有MPY(4.56)、SYPY(1.55)、GY2(0.06)这3种淮山淀粉,说明这3种淮山淀粉的硬度、内聚性、咀嚼性、回复性优于其他品种。第三主成分(Z3)得分最高的为SFY(2.05)、GY5(0.93)、GY2(0.71)这3种淮山淀粉,说明这3种淮山淀粉的崩解值低于其他品种。第四主成分(Z3)得分最高的为SYPY(1.36)、LCY(1.20)、SFY(1.10)这3种淮山淀粉,说明这3种淮山淀粉的粒径大于其他品种。对9种淮山淀粉品质进行了综合评价,综合主成分得分(ZZ)越高,说明该品种越能够代表淮山淀粉的综合品质。MPY(2.80)、ASY(0.55)、SFY(0.27)的综合主成分得分(ZZ)分别排1、2、3名,说明这3种淮山淀粉最能够代表淮山淀粉的品质。不同品种淮山淀粉品质综合评价得分图如图4所示, SYPY和MPY分别位于图中偏左上角、右上角的位置,与其他淮山淀粉的间隔较远,其余7种淮山淀粉间的距离较近,这说明9种淮山淀粉具有明显的聚类趋势,可以通过聚类分析对其进行再分析。

图4 不同品种淮山淀粉品质综合评价得分图

表4 不同品种淮山淀粉性质的主成分值、综合主成分值及排序

2.5 不同品种淮山淀粉的聚类分析

聚类分析可以通过研究对象的诸多特性进行分类,即将样品按照品质特性相似度最大的优先聚合在一起,最终按照类别的综合性质实现多个品种聚合。对9个品种的淮山淀粉的14个品质指标采用离差平方和法进行Q型系统聚类分析结果见表5和图5。9种淮山淀粉可以分为三大类。第Ⅰ类聚集了GY11、GY2、LCY、MPY这4个品种的淮山淀粉,第Ⅱ类主要聚集了GY5、GXPY、SFY、ASY等4种淮山淀粉,第Ⅲ类聚集了SYPY这1种淮山淀粉。

注:纵坐标1～9分别为 GY11、GY5、GY2、GXPY、LCY、SFY、MPY、SYPY、ASY。

表5 不同品种淮山淀粉的分类结果

按照分类结果,求得各类淮山淀粉品质指标的平均值见表6。第Ⅰ类淮山淀粉表现出低糊化温度、高峰值黏度以及高崩解值,且能形成凝胶硬度高,凝胶性强的淀粉凝胶,这说明此类淀粉容易糊化,且有较好的凝胶性能。第Ⅱ类淮山淀粉主要表现为低直链淀粉含量、颗粒粒径较小、高析水率、回生值、谷值黏度,最终黏度,且具备一定的凝胶硬度的特点。在糊化过程中,此类淀粉容易发生回生,使其淀粉凝胶具备一定的硬度和韧性。第Ⅲ类淮山淀粉主要表现为高直链淀粉含量、淀粉颗粒粒径大,低析水率,高糊化温度、低回生值的特点。此类淀粉不易糊化,且不易回生,凝胶性弱且凝胶较软。

表6 不同品种淮山淀粉各类品质指标的平均值

3 讨论

3.1 淮山淀粉的品质特性

直链淀粉含量是影响淀粉基食品口感的主要原因之一,研究中的9种淮山淀粉的直链淀粉含量在4.83%～28.70%之间,大于赵小梅等[18]报道的4种淮山淀粉的直链淀粉质量分数(9.30%～15.55%),小于Pérez[10]等报道的5种淮山淀粉的直链淀粉质量分数(26.7%～32.7%),且淀粉品种间直链淀粉含量差异较大,说明9种淮山淀粉适宜加工的产品不同。淀粉的糊化特性和凝胶质构特性都是决定淀粉产品最终品质的重要指标。9种淮山淀粉的糊化温度在75.32～84.37 ℃之间,小于长山山药淀粉的糊化温度(85.2 ℃)[17]。9种淮山淀粉的回生值(1 599.30 cP)、崩解值(1 221.32 cP)、硬度(658.76 g)、咀嚼性(283.89 g)的平均值要大于赵小梅等[18]报道的4种淮山淀粉的回生值(203～772 cP)、崩解值(136～633 cP)、硬度(226～303 g)、咀嚼性(203～273 g),且这些指标的变异系数较大,说明不同品种间淮山淀粉的品质差异很大,其品质特性还需进一步分析。

3.2 基于主成分分析对淮山淀粉品质的综合评价

淀粉的品质指标间是存在相互关系的,这就导致指标反映的众多信息中存在相互重叠的情况。如张桂英等[15]对小米淀粉的研究中也发现直链淀粉含量与峰值黏度呈负相关,Hsieh等[20]研究表明直链淀粉含量低的马铃薯淀粉具有更大的颗粒膨胀度、更高的糊黏度和糊透明度。主成分分析可以将原来众多具有一定相关性的指标,通过降低数据维数排除众多信息共存中相互重叠的信息,转化为少数几个不相关的综合指标[21]。如Uarrota等[22]的研究将玉米淀粉的12个评价指标分为了3个主成分,其中膨润力、糊化温度、回生值与第一主成分正相关,蛋白质含量、持水力、崩解值与第二主成分负相关。研究将淮山淀粉的14个评价指标分为了4个主成分,第一主成分(Z1)可以命名为糊化特征指标,第二主成分(Z2)可以命名为凝胶质构特征指标,这2个主成分的贡献值累计将近70%,这可以看出淮山淀粉是一类糊化时具有高黏度以及可以形成具有稳定质构的凝胶的淀粉。其中MPY的第一主成分得分、第二主成分得分以及综合得分都排在第1,说明MPY的糊化特性、质构特性优于其他淮山淀粉,且其综合品质最好。

3.3 基于聚类分析评价淮山淀粉的加工适应性

淀粉具备天然的成凝胶性,但不同品种间淀粉的凝胶性不同,因此具备不同的加工用途。聚类分析的结果表明,9种淮山淀粉可分为3类,第Ⅰ类淮山淀粉(GY11、GY2、LCY、MPY)具备强凝胶性,能够制备成硬度较高、弹性较大的凝胶食品,也可以作为一种凝胶剂,具有提高鱼糜[23]、香肠[24]等食品的凝胶能力的潜力。淀粉的回生也是影响淀粉基食品加工的重要因素,有研究表明[25-27],粉条的制备需要一定程度的回生,使粉条能够形成较好的硬度和韧性。本研究中的第Ⅱ类淮山淀粉(GY5、GXPY、SFY、ASY)的平均回生值最高为2 077.25 cP,其在粉条的制备中具备应用潜力。但第Ⅱ类淮山淀粉不适宜在冷冻食品如饺子、汤圆等的应用,因其拥有较高的平均析水率(52.54%),在反复冻融过程中,凝胶容易析水引发食品品质的下降。第三类淮山淀粉(SYPY)的平均凝胶硬度最低为279.85 g, 且平均回生值最低仅为88.00 cP,具备弱凝胶性,虽不适宜制作淀粉凝胶食品,但可以配合增塑剂的使用制备成稳定的淀粉薄膜用于食品的保鲜[28-30]。

4 结论

本研究通过变异系数的大小得出淀粉品种对淮山淀粉的凝胶质构指标影响较大。从14个淮山淀粉品质指标中提取了4个主成分,其中第一主成分(Z1)综合了淮山淀粉的糊化特征指标,第二主成分(Z2)综合了淮山淀粉的凝胶质构指标。峰值黏度、谷值黏度、硬度、咀嚼性、崩解值是淮山淀粉的特征指标。通过主成分分析综合评价了9种淮山淀粉的品质,发现MPY(2.80)、ASY(0.55)、SFY(0.27)的综合主成分得分(ZZ)较高,其综合品质要优于其他品种淮山淀粉。通过聚类分析将9个品种淮山淀粉分为了3类,第Ⅰ类淮山淀粉(GY11、GY2、LCY、MPY)具备强凝胶性,第Ⅱ类淮山淀粉(GY5、GXPY、SFY、ASY)的成凝胶性次之,第三类淮山淀粉(SYPY)的凝胶性最弱,此3类淮山淀粉具备不同的凝胶性能,适宜加工成不同类型的淀粉基产品。