基于主成分与聚类分析的新疆伊犁地区馕特征品质评价

赵志霞，邹淑萍，康 峰,*

（1.新疆农业科学院农产品贮藏加工研究所，新疆乌鲁木齐 830091；2.新疆主要农副产品精深加工工程技术研究中心，新疆乌鲁木齐 830091）

馕在新疆历史悠久[1]，是极具地域特色的传统主食[2-3]，因其风味独特、食用方便、耐储便携等特点，深受新疆各族人民喜爱[4-5]。新疆馕制作方法多样，种类丰富，据不完全统计，目前至少有200 多种[6]，常见的有大薄馕、窝窝馕、干果馕、馅馕等[7]。“十四五”以来，馕产业被列为新疆重点发展的“十大产业”之一，在增加就业、促进经济社会发展等方面起到了关键作用[8-9]。但是，目前国内外有关馕的研究主要集中在加工工艺、饮食文化、贮藏保鲜和烘烤装置等方面[10-12]，在馕科学分类以及质量评价体系方面的研究相对较少，使得馕标准化生产体系尚未形成，一定程度上制约了馕产业发展。

目前，食品品质评价研究中常用的数据统计分析方法有主成分分析、聚类分析、层次分析法等[13-15]。其中主成分分析和聚类分析已被广泛应用于面制食品品质关键指标筛选和质量综合评价研究，有学者利用主成分分析和聚类分析方法分别对饼干[16]、馒头[17]、面包[18-19]进行了品质评价。此外，还有学者研究了谷物粉[20]、全麦粉[21]、添加洋葱浆[22]、红枣粉[23]、马铃薯粉[24]等对馕品质的影响。张敏等[25]研究了发酵时间、烘烤工艺对黑木耳牛奶馕的品质影响，由此可见目前关于馕品质研究尚处于原辅料及加工工艺条件不同对馕产品品质的影响方面，对馕综合品质评价仍缺乏相关研究，因此，本文通过对新疆伊犁地区采集的55 份馕样品的13 项品质指标进行测定和分析，基于主成分分析和聚类分析的方法并结合感官品质对伊犁地区常见的三大类馕进行综合评价，揭示了伊犁地区不同种类馕品质间差异，为馕的科学分类提供了新的思路，也为构建精准有效的馕品质评价体系提供一定的参考依据和技术支持。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

55 个馕样品 采集自新疆伊犁地区10 余个县市，市售（选择当地具有代表性，且日常消费较多的馕购买，采样记录见表1）。

表1 新疆伊犁地区馕样品采样信息Table 1 Sample collection of Nang in Yili area,Xinjiang

TA.XTPlus 质构仪 英国Stable Micro System公司；CR-10 Plus 色差仪 日本KonicaMinolta 公司；LHS16-A 水分测定仪 上海衡平仪器仪表厂；Aqualab Pawkit 便携式水分活度仪 美国METER Group,Inc.公司；JA2603B 电子天平 上海精科仪器有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 外观特征检测 运用电子天平和游标卡尺分别测定馕的重量、高度、横径，每个样品做3 次平行，取其均值。

1.2.2 水分和水分活度（Aw）的测定 将馕样品进行粉碎，称取2 g 样品放入水分测定仪中进行测定，另取1 g 样品放入水分活度仪中进行检测，每个样品做3 次平行，取平均值。

1.2.3 色度值的测定 在每个馕的表皮选取6 个不同位置，采用色差仪对其色差值（L*、a*、b*）进行测定，取6 个测定值的平均值。

1.2.4 质构特性分析 参照邹淑萍等[24]方法，略有改动。取直径为30 mm 的馕块置于质构仪的测试平板上，测定其硬度、内聚性、弹性、胶粘性和咀嚼性，每个馕样品设6 个重复取平均值。质构仪参数测试条件如下：采用TMS 6 mm 探头，预压速度5.00 mm/s，下行速度 2.00 mm/s，穿刺后上行速度2.00 mm/s，下压距离为 8.00 mm，触发力 0.1 N，压缩比40%，两次压缩时间间隔5 s。

1.2.5 感官品质评价 参照文献[24,26]的方法，稍有改动。将馕切成20 mm 的小块，分装在餐盘中进行感官评价。选择10 名对烘培类食品有品评经验的人员组成感官评价小组，成员为5 名女性和5 名男性，年龄在25～55 岁。感官评价总分为100 分，评价指标包括馕的7 个特征：色泽、风味、组织结构、硬度、弹性、酥脆性和咀嚼性，根据消费者对馕品尝的喜好程度，将组织结构感官评价分值范围设置为1～10 分，其它指标分值范围设置为1～15 分，标准见表2。

表2 馕感官品质评价标准Table 2 Criteria for sensory evaluation of Nang

1.3 数据处理

采用Excel 2016 对测定数据进行整理和描述性统计，SPSS 26.0 软件进行馕品质指标的主成分分析和聚类分析，Origin 9.0 软件绘制馕样品的主成分析图和层次聚类分析图。

2 结果与分析

2.1 馕品质指标的主成分分析

2.1.1 馕品质指标的相关性分析 本研究对新疆伊犁地区55 份馕样品的13 项品质指标进行测定，利用SPSS 26.0 对其测定值进行相关性分析，结果见表3。从表3 可得，馕的外观特征、色度值和质构各指标间存在一定的相关性。其中，高度与水分含量、Aw、弹性、咀嚼性呈极显著正相关（P＜0.01），与a*值呈显著正相关（P＜0.05），说明馕外观越高，其水分含量、弹性和咀嚼性值越高，馕的色泽也更偏向于红色；弹性与咀嚼性呈极显著正相关（P＜0.01），说明质构测试中弹性高的馕其咀嚼性值也越高；L*值与a*值呈极显著正相关（P＜0.01），这说明馕烤制后的颜色亮度越大，红度值也越高；此外，Aw 与水分含量、内聚性、弹性和咀嚼性呈极显著正相关（P＜0.01），a*值与水分含量、Aw、弹性呈极显著正相关（P＜0.01）。由各因子间相关性分析结果可得，各指标有一定程度上的信息重叠，因此通过应用主成分分析和聚类分析的方法，进行线性降维，用较少的新指标来综合反应原始指标[27]，从而对馕品质特性进行综合评价。

表3 馕13 项品质指标之间的相关系数矩阵Table 3 Correlation coefficient matrix among 13 quality indexes of Nang

2.1.2 馕品质指标主成分分析结果 利用SPSS26.0 软件对55 份样品的13 项品质指标测定值进行了主成分分析，结果见表4 和表5。由表4 可知，第1 主成分的贡献率为34.700%，第2 主成分的贡献率为30.669%，第3 主成分的贡献率为11.487%，前3 个主成分的累积贡献率为76.856%，其值大于70%，包含了样品中的大多数信息，可以反应馕品质评价指标的整体信息，因此选择表4 中的3 个主成分进行分析。

表4 主成分的特征值和贡献率Table 4 Eigenvalue and variance contribution rate

表5 主成分载荷矩阵Table 5 Component matrix

主成分中的因子载荷能够反映各指标对主成分贡献率大小[28]，从而反映出馕品质评价的主要指标。由表5 可知，第1 主成分特征值为4.511，弹性、咀嚼性、胶粘性具有较高的载荷值，其值分别为0.960、0.955、0.908，它们在第1 主成分中起正向作用；第2 主成分特征值为3.987，L*、b*的正向载荷权数较大，其值分别为0.817、0.764，硬度负向载荷权数较大，其值为-0.837，正向作用品质指标数多于负向作用品质指标数；第3 主成分特征值为1.493，高度有较高的正向载荷值。由此可见，第1 主成分反映了馕的质构品质，第2 和第3 主成分主要反映了馕的外观特征，均已涵盖了馕品质特性的所有信息。

2.2 馕品质的聚类分析

本研究在主成分分析的基础上，采用系统聚类分析方法对馕的13 项品质指标进行R 型聚类，聚类方法采用组间联接法，聚类区间为平方欧式距离，聚类结果见图1。由图1 可得，当聚类距离为5 时，可将馕品质指标分为3 大类，第一类为水分含量、Aw、内聚性、重量、高度、胶粘性、横径、弹性；第2 类为L*、a*、b*、硬度；第三类为咀嚼性。结合主成分载荷分析结果，最终选用弹性、硬度、胶粘性、咀嚼性、L*值和b*值为评价馕品质的关键性指标。此结果与李芳等[26]的研究结果存在一定的差异。本研究在李芳等[26]研究基础上，除对馕的质构品质进行分析外，又增加了水分含量、色差、重量、横径等指标，以期获得更加全面的馕品质评价指标。

图1 馕品质指标聚类分析Fig.1 Cluster analysis of Nang quality indicators

2.3 馕样品的种类划分

本研究基于以上分析结果，以影响馕品质的关键性指标为依据，利用Origin 9.0 软件对采集的55 份馕样品进行了层次聚类分析和主成分（PCA）分析，结果见图2 和图3。由图2 可知，在55%的相似度水平上，55 份馕样品被划分为三大类，依据市场品类命名，分别为大薄馕、窝窝馕和休闲馕。从图3 可以看出，三大类馕样品在组内呈现相互聚集的情况，不同种类馕品质间存在差异。以上结果验证了弹性、硬度、胶粘性、咀嚼性、L*值和b*值为评价馕品质的关键性指标，同时目前新疆馕主要依据其外观特征进行分类[2,29]，人为主观性强，不具有科学性，本部分研究也为馕种类的划分提供了科学思路。

图2 馕层次聚类分析图Fig.2 Hierarchical cluster analysis chart of Nang

图3 馕主成分（PCA）分析结果Fig.3 Nang Principal Component Analysis (PCA)

2.4 三大类馕品质指标分析及感官评价

在上述PCA 分析结果基础上，为进一步明确三大类馕品质特性，本研究列示了三大类馕关键品质指标测定结果，见表6。由表6 可知，大薄馕的L*值和b*值偏大，硬度值最小，其中大薄馕的L*值和硬度值与窝窝馕、休闲馕差异显著（P＜0.05），b*值与窝窝馕差异显著（P＜0.05），说明此类馕具有光泽、颜色金黄，硬度较小；窝窝馕弹性和咀嚼性值分别为22.49、138.69，远大于其它两类馕，且与其它两类馕差异显著（P＜0.05），表明此类馕富有弹性和咀嚼性；休闲馕硬度最大，胶粘性值最小，均与大薄馕存在显著差异（P＜0.05）。

表6 三大类馕关键品质指标测定结果Table 6 Determination results of key quality indexs of 3 types of Nang

感官评价是食品品质评价的重要方法之一，可以从外观、风味、口感、质地等方面综合评价食品品质[30-31]。本研究对三大类55 份馕样品进行感官评价，同一类馕得分取其均值，三大类馕感官得分结果见表7。由表7 可得，三大类馕在感官品质上也存在较大差异，进一步验证了PCA 分析结果。大薄馕色泽、风味、硬度得分最高，这与表6 品质指标L*值、b*值、硬度测定结果相对应；窝窝馕弹性、咀嚼性得分最高，且与大薄馕、休闲馕差异显著（P＜0.05），与品质指标弹性和咀嚼性值具有相关性；休闲馕酥脆性得分最高，与其它两类馕差异显著（P＜0.05），与品质指标测定的硬度值大，胶粘性小相对应。

表7 三大类馕感官评定结果Table 7 Sensory quality of 3 types of Nang

3 结论

本研究采用主成分分析和聚类分析对新疆伊犁地区采集的55 份馕样品的外观、色泽、质构等13 项品质指标进行系统分析，最终得出弹性、硬度、胶粘性、咀嚼性、L*值和b*值为评价馕品质的关键性指标；以评价馕品质的6 项关键指标为参数，采用层次聚类分析和主成分分析对55 份馕样品进行种类划分，结合市场品类命名，将其分为三大类，分别为大薄馕、窝窝馕和休闲馕，继而结合感官评定结果，明确了三大类馕品质特性，大薄馕具有色泽金黄、原辅料烘烤香味浓郁、硬度适宜的特点；窝窝馕富有弹性和咀嚼性；休闲馕具有酥脆性好，弹性和咀嚼性差的特点。本研究为馕的分类提供了科学的方法，为馕品质评价体系的构建奠定了理论基础，同时也为消费者的选择提供参考依据。