馬鈴薯品質(zhì)特性的相關(guān)性及主成分分析

王麗，句榮輝，楊洋，陳璟瑤，朱麗潔，鄧志峰

1.北京農(nóng)業(yè)職業(yè)學(xué)院食品與生物工程系（北京 102442）；2.北京華制認(rèn)證檢測(cè)技術(shù)服務(wù)有限公司（北京 100193）

馬鈴薯（Solanum tuberosum）是世界產(chǎn)量排名第四的作物，僅次于水稻、小麥和玉米[1]。馬鈴薯含有碳水化合物、蛋白質(zhì)、脂類、維生素等一系列營(yíng)養(yǎng)成分，其中淀粉占干重的70%以上[2]。馬鈴薯中淀粉的組成、支鏈淀粉和直鏈淀粉的比例、物理化學(xué)特性、功能特性及流變學(xué)特性直接影響烹飪方式、加工技術(shù)[3]。不同品種馬鈴薯中蛋白質(zhì)、直鏈淀粉/支鏈淀粉比值、還原糖、磷含量的變化范圍分別是9.95%～11.55%，0.14～0.31，0.4%～2.54%和70.00～190.00 mg/100 g（干重）[4]。不同品種馬鈴薯中各品質(zhì)特性差異顯著，同時(shí)不同品質(zhì)特性之間變化多端，沒(méi)有統(tǒng)一的變化規(guī)律，很難評(píng)價(jià)不同品種馬鈴薯品質(zhì)特性的差異[5]。

理化品質(zhì)、加工品質(zhì)是馬鈴薯的固有品質(zhì)，而不同品種的品質(zhì)將直接影響馬鈴薯的加工利用性。馬鈴薯品質(zhì)眾多，要分析不同品種馬鈴薯品質(zhì)特征，同時(shí)避免測(cè)試過(guò)程中的耗時(shí)、費(fèi)力、成本高等特點(diǎn)，可采用減少分析指標(biāo)的主成分分析（principal component analysis，PCA）方法進(jìn)行優(yōu)化。已有研究采用PCA開展蛋白質(zhì)亞細(xì)胞的定位預(yù)測(cè)[6]、藜麥營(yíng)養(yǎng)及抗氧化性預(yù)測(cè)[7]、COVID-19的傳播率關(guān)系分析[8]、貨幣指數(shù)的變化情況[9]等，并將PCA與非線性回歸技術(shù)相結(jié)合建立評(píng)價(jià)模型，通過(guò)綜合主成分得分值對(duì)樣本進(jìn)行分類[10-11]。試驗(yàn)選取PCA對(duì)來(lái)自3個(gè)地區(qū)9個(gè)品種的品質(zhì)特性進(jìn)行分析，以期篩選出對(duì)馬鈴薯品質(zhì)特性影響顯著的指標(biāo)，并用簡(jiǎn)化后的指標(biāo)對(duì)不同品種馬鈴薯品質(zhì)特性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

馬鈴薯品種：由黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)、甘肅省農(nóng)科院及北京某蔬菜基地提供（如表1所示）。

表1 馬鈴薯品種名稱及來(lái)源

1.2 主要試劑

碘化鉀、碘、無(wú)水乙醇、鹽酸、石油醚、氫氧化鉀等均（分析純，北京北化試劑公司）。

1.3 儀器與設(shè)備

紫外分光光度計(jì)（UV-2550，島津公司）；氨基酸自動(dòng)分析儀（H835-50，日本Hitachi公司）；凱氏定氮儀（Kieltec Analysister，瑞典Foss公司）；熒光分光光度計(jì)（RF5301PC，日本島津）；1525型高效液相色譜儀（配2487紫外檢測(cè)器和Breeze色譜工作站）、Sunfire C18（4.6 mm×250 mm，5 μm，美國(guó)Waters公司）。

1.4 試驗(yàn)方法

水分，參考GB 5009.3—2016《食品中水分的測(cè)定》采用直接干燥法測(cè)定；總淀粉，參考GB 5009.9—2016《食品中淀粉的測(cè)定》采用酸水解法測(cè)定；粗蛋白，參考GB 5009.5—2016《食品中蛋白質(zhì)的測(cè)定》采用凱氏定氮法測(cè)定；粗脂肪，參考GB 5009.6—2016《食品中脂肪的測(cè)定》采用索氏抽提法測(cè)定；粗纖維，參考GB/T 5009.10—2003《植物類食品中粗纖維的測(cè)定》；灰分，參考GB 5009.4—2016《食品中灰分的測(cè)定》測(cè)定馬鈴薯中的總灰分；總膳食纖維，參考GB 5009.88—2014《食品中膳食纖維的測(cè)定》；氨基酸，參考GB 5009.124—2016《食品中氨基酸的測(cè)定》；維生素C，參考GB 5009.86—2016《食品中抗壞血酸的測(cè)定》采用熒光法測(cè)定；維生素B6，參考GB 5009.154—2016《食品中維生素B6的測(cè)定》采用高效液相色譜法測(cè)定；礦物質(zhì)含量，采用火焰原子吸收法測(cè)定；糖苷生物堿，采用高效液相色譜法測(cè)定，參考曾凡逵[12]方法測(cè)定。

1.5 數(shù)據(jù)處理方法

所有品質(zhì)指標(biāo)均測(cè)定3次，取其平均值作為最終結(jié)果。分析和處理結(jié)果以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示。各組數(shù)據(jù)間的顯著性和相關(guān)性均采用SPSS軟件分析；主成分分析采用SAS軟件分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同馬鈴薯樣品中基本品質(zhì)特性分析

表2顯示不同品種馬鈴薯中水分、淀粉、粗蛋白、粗脂肪、灰分、總膳食纖維等品質(zhì)數(shù)據(jù)。結(jié)果表明，不同樣品間各品質(zhì)特性差異顯著。各樣品中水分較高，均高于65%，其中抗疫白水分最高，達(dá)80.36%。高水分導(dǎo)致馬鈴薯易于受微生物的污染，是影響馬鈴薯貯藏條件和時(shí)間的重要指標(biāo)[13]，因此，對(duì)于水分較高的品種常作為加工馬鈴薯粉的主要原料。不同品種馬鈴薯中淀粉含量范圍在11.18～21.92 g/100 g，大多數(shù)集中在15.00～20.00 g/100 g，淀粉是馬鈴薯中除了水分以外含量最多的固形物。淀粉是馬鈴薯中主要的能量來(lái)源，提供世界人口熱量消耗的70%～80%[14]。在馬鈴薯加工行業(yè)中，馬鈴薯的烹飪方式、適宜的加工技術(shù)很大程度上取決于淀粉的含量和組成，如：淀粉加工需要淀粉含量大于18%的品種[15]；淀粉含量高的品種適合加工薯片[16]和馬鈴薯全粉[17]。

表2 不同品種馬鈴薯樣品基本品質(zhì)特性

不同品種中蛋白質(zhì)的變化范圍是7.46%～14.12%，黑龍江的“抗疫白”中蛋白質(zhì)含量最高，為14.12%，“克新27”蛋白質(zhì)含量最低，為7.47%。研究發(fā)現(xiàn)馬鈴薯蛋白質(zhì)的數(shù)量和質(zhì)量均較高，如每公頃馬鈴薯中蛋白質(zhì)產(chǎn)量位居作物中第二，僅次于小麥；馬鈴薯蛋白質(zhì)的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值顯著高于其他植物和谷物，蛋白質(zhì)的質(zhì)量和雞蛋蛋白質(zhì)質(zhì)量相近，馬鈴薯蛋白質(zhì)具有較低的過(guò)敏性，消化吸收功能性高[18]。各個(gè)品種的粗脂肪含量均較低，低于0.54%。試驗(yàn)結(jié)果與吳娛[19]研究結(jié)果相一致，馬鈴薯是一種高蛋白低脂肪的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，對(duì)減少脂肪，降血脂有一定功效。不同樣品中粗纖維含量變化范圍是1.22%～2.37%，其中北京的“荷蘭薯”中粗纖維含量最高，為2.37%，居于各個(gè)品種之首，其次為黑龍江的“布爾斑克”，含量為2.24%?；曳衷诓煌瑯悠分胁町悩O顯著，變化范圍是0.13%～2.91%，其中甘肅的“LY08104-12”灰分最高，為2.91%，其次為北京的“荷蘭薯”為2.76%。膳食纖維是一類不能被人體小腸消化吸收，但能完全或部分完全在大腸中發(fā)酵的植物可食部分或類似的碳水化合物，具有多種有益健康的生理功效，如通便、降低血膽固醇、降低血糖的功效。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，馬鈴薯中膳食纖維占干物質(zhì)含量的5.25%～9.00%。馬鈴薯中所含有的熱量明顯少于大米或麥片。營(yíng)養(yǎng)學(xué)家指出，每天吃馬鈴薯可減少脂肪的攝入量，能使多余的脂肪代謝掉，是世界性減肥食品[20]。

2.2 不同品種馬鈴薯氨基酸含量分析

2.2.1 馬鈴薯氨基酸基本組成

不同品種馬鈴薯氨基酸含量數(shù)據(jù)結(jié)果顯示各品質(zhì)特性差異顯著（數(shù)據(jù)未顯示），除了含有人體必需的8種氨基酸外（蘇氨酸、纈氨酸、蛋氨酸、異亮氨酸、亮氨酸、苯丙氨酸、賴氨酸），還含有半必需氨基酸（精氨酸、組氨酸等），也含有鮮味氨基酸（天冬氨酸）、甜味氨基酸（甘氨酸、蘇氨酸、脯氨酸、丙氨酸）及藥效氨基酸（亮氨酸、異亮氨酸、賴氨酸），是一般糧食作物所不能比擬的。

馬鈴薯蛋白質(zhì)中氨基酸含量豐富，如用35%的雞蛋清與65%的馬鈴薯蛋白混合，可獲得最佳蛋白質(zhì)。歐美專家指出，每餐只吃全脂牛奶和土豆，就可以得到身體所需要的全部營(yíng)養(yǎng)素[21]。

2.2.2 馬鈴薯氨基酸典型特性

圖1結(jié)果顯示，馬鈴薯中天冬氨酸、谷氨酸的含量顯著高于其他種類氨基酸，天門冬氨酸的變化范圍是1.04～1.92 g/100 g，谷氨酸的變化范圍是0.86～1.71 g/100 g，研究表明天門冬氨酸具有增強(qiáng)肝臟功能，消除疲勞的功效；谷氨酸具有治療肝性昏迷的功效，是馬鈴薯中值得進(jìn)一步研究的兩種重要氨基酸。

圖1 馬鈴薯氨基酸含量平均值分析

圖2為不同種類作物中氨基酸含量比較分析圖。結(jié)果表明，馬鈴薯中含有的支鏈氨基酸高于其他品種，包括纈氨酸、亮氨酸和異亮氨酸，這些支鏈氨基酸參與肌肉合成、刺激激素分泌、提高運(yùn)動(dòng)耐力、恢復(fù)肌肉疲勞、強(qiáng)化肝功能、保護(hù)心臟具有較好的功效。同時(shí)馬鈴薯蛋白質(zhì)中含有高比例的賴氨酸、蘇氨酸、色氨酸、蛋氨酸，這些氨基酸是大米、小麥、玉米和蔬菜作物缺乏的必需氨基酸[22]，因此，可通過(guò)不同食物的營(yíng)養(yǎng)均衡搭配，保證人體正常的生長(zhǎng)代謝。因?yàn)轳R鈴薯的氨基酸組成，馬鈴薯蛋白質(zhì)被研究并公認(rèn)為具有營(yíng)養(yǎng)價(jià)值相當(dāng)于動(dòng)物蛋白的溶菌酶[23]。

圖2 馬鈴薯氨基酸與其他種類氨基酸比較

2.3 不同品種馬鈴薯中維生素含量分析

從表3中可以看出，不同品種馬鈴薯中維生素含量豐富，尤其維生素C含量，結(jié)果顯示馬鈴薯中維生素C含量平均為40.95 mg/100 g，顯著高于劉媛等[24]研究結(jié)果的18.02 mg/100 g。馬鈴薯中維生素含量是芹菜的3.4倍、番茄的1.4倍、蘋果的10倍，研究表明維生素C含量多的品種適宜鮮食[15]。

表3 不同品種馬鈴薯維生素和糖苷生物堿（干重）單位：mg/100 g

表4 前3個(gè)主成分載荷值

2.4 不同品種馬鈴薯中糖苷生物堿含量分析

馬鈴薯中糖苷生物堿（steroidal glycoal-kaloid，SGAs）是一種次生代謝產(chǎn)物，是一種具有生物活性的化合物，具有抗真菌、抗細(xì)菌、抗腫瘤、抗瘧、強(qiáng)心、降低血液膽固醇、預(yù)防鼠傷寒沙門菌感染、果蔬保鮮等作用，因此有很好的藥用價(jià)值和開發(fā)潛力。除此之外，糖苷生物堿具有一定毒性，可以幫助植物抵抗和防御外界有害物的入侵，也是馬鈴薯中主要的抗?fàn)I養(yǎng)因子，影響人腸胃消化和造成神經(jīng)紊亂[25]。α-卡茄堿的生物活性比α-茄堿高3～10倍，α-茄堿和α-卡茄堿濃度比例達(dá)到1︰1時(shí)，協(xié)同作用最強(qiáng)。通常認(rèn)為糖苷生物堿含量低于200 mg/kg的馬鈴薯是安全的，表3中顯示“克新27”顯著超過(guò)馬鈴薯中糖苷生物堿的安全值，后續(xù)可對(duì)超標(biāo)樣品進(jìn)行深入分析。

2.5 不同品種馬鈴薯中礦物質(zhì)含量分析

不同品種馬鈴薯中礦物質(zhì)含量顯示不同地區(qū)馬鈴薯各個(gè)礦物質(zhì)含量有較大差異，這不僅與種植地區(qū)有關(guān)，更與品種有關(guān)。圖3可以看出，各品種中含有參與人體代謝活動(dòng)的鋅、鈣、鉀、磷、鎂等元素，含量最多的為鉀，平均含量為4 709.33 mg/kg，鉀是心臟病、腎病患者的有益食品。其次是磷、鎂、鋁和鈣，平均含量分別是589.80，270.26，134.58和96.53 mg/kg。磷使得馬鈴薯淀粉具有糊化溫度低、黏度大、彈性好等特性，是影響馬鈴薯淀粉加工利用非常重要的礦物質(zhì)[26]。鈉含量低，是高血脂、高血壓、心血管疾病患者合適的食物[27]。另外還含有微量的鐵、鋅、銅、錳、銣等礦物質(zhì)元素，這些微量元素對(duì)人體正常生長(zhǎng)代謝具有很好的作用。

圖3 馬鈴薯礦物質(zhì)含量平均值

2.6 馬鈴薯品質(zhì)特性的相關(guān)性分析

試驗(yàn)分析表明不同品種馬鈴薯各品質(zhì)指標(biāo)含量差異顯著，這些品質(zhì)指標(biāo)不僅與品種有關(guān)，也和馬鈴薯生長(zhǎng)代謝環(huán)境有關(guān)，為更加深入了解各品質(zhì)特性之間的關(guān)系及這些品質(zhì)指標(biāo)對(duì)未來(lái)加工產(chǎn)品的影響，將9個(gè)品種的40個(gè)指標(biāo)之間進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)很多品質(zhì)指標(biāo)間存在顯著相關(guān)性，如：馬鈴薯中的水分與淀粉（r=-0.724）、粗蛋白（r=0.688）、粗纖維（r=0.532）、總膳食纖維（r=0.594）、錳（r=-0.844）、銣（r=-0.699）呈顯著的相關(guān)性；淀粉與粗蛋白（r=-0.696）、粗脂肪（r=-0.583）、粗纖維（r=-0.757）、灰分（r=-0.497）、總膳食纖維（r=-0.563）、鎂（r=0.716）、錳（r=0.733）呈顯著相關(guān)性；粗纖維與灰分（r=-0.672）呈顯著相關(guān)性；粗纖維與總膳食纖維（r=0.745）、維生素B6（r=0.816）呈顯著的相關(guān)性；灰分與銣（r=0.652）呈顯著相關(guān)性；天門冬氨酸與谷氨酸（r=-0.796）、胱氨酸（r=0.711）、蛋氨酸（r=0.722）、脯氨酸（r=0.619）呈顯著相關(guān)性；蘇氨酸與絲氨酸（r=0.886）、甘氨酸（r=0.952）、丙氨酸（r=0.890）、亮氨酸（r=0.987）、苯丙氨酸（r=0.873）呈顯著的相關(guān)性；絲氨酸與甘氨酸（r=0.907）、丙氨酸（r=0.936）、亮氨酸（r=0.877）、谷氨酸與蛋氨酸（r=0.847）呈顯著相關(guān)性；甘氨酸與丙氨酸（r=0.844）、異亮氨酸（r=0.855）、亮氨酸（r=0.971）呈顯著相關(guān)性；丙氨酸與苯丙氨酸（r=0.833）、組氨酸（r=0.826）呈顯著相關(guān)性；胱氨酸與纈氨酸（r=0.794）、蛋氨酸（r=0.789）、異亮氨酸（r=0.849）、苯丙氨酸（r=0.830）、組氨酸（r=0.808）呈顯著相關(guān)性；纈氨酸與蛋氨酸（r=0.873）、異亮氨酸（r=0.769）呈顯著相關(guān)性；異亮氨酸與苯丙氨酸（r=0.976）、組氨酸（r=0.916）呈顯著相關(guān)性；亮氨酸與苯丙氨酸（r=0.815）、賴氨酸（r=0.708）呈顯著相關(guān)性；酪氨酸與賴氨酸（r=0.819）、脯氨酸（r=0.804）呈顯著相關(guān)性；苯丙氨酸與組氨酸（r=0.965）呈顯著的相關(guān)性；組氨酸與脯氨酸（r=0.834）呈顯著相關(guān)性；鈉與銅（r=-0.742）呈顯著相關(guān)性；鎂和鋁（r=0.754）、錳（r=0.814）呈顯著相關(guān)性；磷與鈣（r=-0.729）呈顯著相關(guān)性；鉀與銣（r=0.825）呈顯著相關(guān)性；α-卡茄堿與α-茄堿（r=0.965）、糖苷生物堿總量（r=0.947）呈顯著相關(guān)性。通過(guò)這些相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，很多指標(biāo)之間關(guān)系密切，說(shuō)明顯著相關(guān)的指標(biāo)在馬鈴薯中的含量具有典型的相同的變化趨勢(shì)，但很難確定哪些指標(biāo)是馬鈴薯的典型品質(zhì)特性，為了更好地分析馬鈴薯品質(zhì)指標(biāo)的特點(diǎn)及更明確地判斷不同指標(biāo)在各品種中的變化情況，以及如何采用馬鈴薯的品質(zhì)判斷馬鈴薯品種的加工適宜性，將具有相同變化趨勢(shì)的指標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化，并采用主成分分析進(jìn)行降維，以更好地篩選出馬鈴薯中的典型品質(zhì)評(píng)價(jià)指標(biāo)。因此，選擇水分、淀粉、粗蛋白、粗脂肪、粗纖維、灰分、天門冬氨酸、蘇氨酸、蛋氨酸、異亮氨酸、賴氨酸、精氨酸、脯氨酸、鈉、鎂、磷、鉀、鐵、鋅、維生素C、α-卡茄堿等21個(gè)指標(biāo)作為主成分分析的指標(biāo)。

2.7 馬鈴薯品質(zhì)特性的主成分分析及綜合評(píng)價(jià)

2.7.1 馬鈴薯品質(zhì)特性的主成分分析

主成分分析（PCA）是一種多變量分析方法，它將幾個(gè)相關(guān)變量轉(zhuǎn)換為幾個(gè)線性不相關(guān)變量主成分[11]。這些主成分的累計(jì)貢獻(xiàn)率大于70%，可以很好地將原始數(shù)據(jù)的大多數(shù)信息展示出來(lái)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：第一主成分的貢獻(xiàn)率為31.23%，第二主成分的貢獻(xiàn)率為25.40%，第三主成分的貢獻(xiàn)率為15.74%；最大的特征值及其對(duì)應(yīng)的特征向量表示各個(gè)馬鈴薯品質(zhì)對(duì)所有整體馬鈴薯品質(zhì)特性的影響；剩下的PCs可以用于研究馬鈴薯品質(zhì)特性的隨機(jī)性。

第一主成分中的蘇氨酸、異亮氨酸、賴氨酸、精氨酸、脯氨酸具有較大載荷因子，載荷值分別為0.72，0.86，0.96，0.96和0.85，命名為氨基酸因子，第二主成分中淀粉、粗蛋白、粗纖維具有較大的載荷因子，載荷值分別為-0.72，0.75和0.84，命名為基本化學(xué)組成因子，第三主成分中的灰分、鈉、磷等具有較大的載荷因子，載荷值分別為0.78，0.76和0.74，命名為礦物質(zhì)因子。

2.7.2 不同品種馬鈴薯品質(zhì)特性的綜合評(píng)價(jià)

通過(guò)主成分分析得出前3個(gè)主成分的累計(jì)貢獻(xiàn)率為72.37%，反映了原始數(shù)據(jù)的大部分信息，用這3個(gè)主成分評(píng)價(jià)馬鈴薯品種品質(zhì)特性可行，因此，將馬鈴薯的21個(gè)品質(zhì)指標(biāo)轉(zhuǎn)化為Y1氨基酸因子、Y2基本化學(xué)成分因子、Y3礦物質(zhì)因子，對(duì)不同品種馬鈴薯進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，氨基酸因子、基本化學(xué)成分因子和礦物質(zhì)因子與原始21個(gè)品質(zhì)指標(biāo)的線性關(guān)系式，形成不同品種的綜合主成分。不同品種的綜合主成分得分如表5所示，排在前2位的為“LY08104-12”和“荷蘭薯”，說(shuō)明這2個(gè)品種的綜合品質(zhì)較高。而王麗等[28]研究發(fā)現(xiàn)適合加工面條的品種為“隴薯9號(hào)”“LZ111”“隴薯7號(hào)”，而這幾個(gè)品種在試驗(yàn)中并沒(méi)有很高的綜合評(píng)分，說(shuō)明不同品種適合不同的加工用途，需要進(jìn)行專用品種的篩選與分析。

表5 不同品種的綜合評(píng)分

3 結(jié)論

分析3個(gè)地區(qū)9個(gè)馬鈴薯品種的40個(gè)品質(zhì)特性，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，各品種不同品質(zhì)特性間差異顯著，如不同品種馬鈴薯蛋白質(zhì)中含有高比例的賴氨酸、蘇氨酸、色氨酸、蛋氨酸，而這些氨基酸是大米、小麥、玉米和蔬菜作物缺乏必需氨基酸。相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)馬鈴薯的很多指標(biāo)間存在顯著相關(guān)性，如：馬鈴薯中的水分含量與淀粉（r=-0.724）、錳（r=-0.844）呈顯著相關(guān)性；淀粉與粗纖維（r=-0.757）、鎂（r=0.716）呈顯著相關(guān)性；天門冬氨酸與谷氨酸（r=-0.796）、胱氨酸（r=0.711）、蛋氨酸（r=0.722）、脯氨酸（r=0.619）呈顯著相關(guān)性，很多指標(biāo)之間關(guān)系密切，說(shuō)明顯著相關(guān)指標(biāo)在馬鈴薯中的含量具有相同的變化趨勢(shì)，但很難確定哪些指標(biāo)是馬鈴薯的典型品質(zhì)特性。主成分分析進(jìn)一步簡(jiǎn)化馬鈴薯品質(zhì)數(shù)據(jù)矩陣，前3個(gè)主成分可以表征所有數(shù)據(jù)72.37%的信息，分別建立3個(gè)新的主成分，分別是氨基酸因子、基本化學(xué)成分因子和礦物質(zhì)因子，經(jīng)過(guò)3個(gè)主成分對(duì)不同品種進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，其中“LY08104-12”和“荷蘭薯”質(zhì)量較好。