基于主成分分析法的熟化馬鈴薯品質評價

楊軍林，任亞梅*，張武崗，劉東茹，魏君慧，李亞妮

（西北農林科技大學食品科學與工程學院，陜西 楊凌 712100）

目前，國內外馬鈴薯熟化方式的研究集中在油炒、水焯、油炸、汽蒸、微波、真空烹煮等方面[1]。孟天真等[2]以油炒、燒、水焯、油炸、汽蒸的中式烹調方式對馬鈴薯營養活性成分變化差異進行了研究。Tian Jinhu等[3]研究了汽蒸、水煮、烘烤、微波、油炒、油炸、Air-frying 7 種熟化方式對‘黑美人’紫馬鈴薯植物營養素和抗氧化活性的影響。Shaker等[4]利用新型Air-frying方式處理低脂薯條，得出Air-fryer空氣炸鍋處理使得薯條的水分和吸油率降低，理化屬性與感官評價均優于傳統油炸方式。

此外，國內外馬鈴薯加工研究多集中于不同品種及不同熟化方式加工后其營養損失及品質變化。Yang Yali等[5]研究了水煮、烘烤、微波3 種熟化方式對4 種馬鈴薯理化特性的影響。Ikanone等[6]研究了水煮與油炸熟化對Irish馬鈴薯（Solanum tuberosum）與甘薯（Ipomea batatas）中總碳水化合物、VC、礦物質含量的影響。Duroy等[7]研究了微波、烘烤、水煮、汽蒸與油炒對‘Piccolo’、‘Bintje’和‘Purple Majesty’3 種馬鈴薯的幼塊莖中酚類物質及VC含量的影響。‘紫花白’馬鈴薯植株生長速度快，結薯集中，商品薯率極高，是目前加工快餐食品的主要中熟品種之一，亦是陜西榆林、子洲、米脂等縣推廣的主要鮮食品種[8]。不同熟化方式對其基本營養成分和核苷酸類鮮味物質、質構、色澤及感官品質的影響及其各品質指標間主成分分析的文獻鮮見報道。從少數角度分析不同熟化方式的優劣，僅依據單個或幾個品質指標不足以全面反映馬鈴薯的品質，而從多角度分析又會出現相互矛盾的結論。因此，以‘紫花白’馬鈴薯為試材，研究汽蒸、水煮、微波、烘烤、Air-frying（無油）、Air-frying（加油）、油炸7 種熟化方式對其基本營養成分和核苷酸類鮮味物質、質構、色澤與感官品質的影響，并對各品質指標間進行主成分分析，得出7 種熟化方式對其品質影響的差異，及各熟化方式加工后品質評價綜合得分的順序，以期為消費者提供適合自身需要的熟化方式，亦為不同產品的深加工選擇適宜的熟化方式提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

‘紫花白’馬鈴薯，單個質量（110±10）g，2016年10月9日于陜西省榆林市定邊縣磚井鎮趙剛農副產品專業合作社購買50 kg，挑選新鮮、無病蟲害、無機械損傷的塊莖；菜籽油 益海嘉里（興平）食品工業有限公司。

高氯酸、3,5-二硝基水楊酸、抗壞血酸、碘、碘化鉀、石油醚等試劑均為分析純 天津科密歐化學試劑有限公司；乙腈（色譜級） 國藥化學試劑有限公司；5’-鳥苷-磷酸二鈉鹽（色譜級） 上海源葉生物科技有限公司；5’-腺苷酸（色譜級） 上海阿拉丁生化科技股份有限公司。

1.2 儀器與設備

S-3400N掃描電子顯微鏡 日本日立集團；TA.XT PLUS/50質構分析儀 英國Stable Micro Systems公司；HC-3018R高速冷凍離心機 安徽中科中佳科學儀器有限公司；LGJ-10C普通型真空冷凍干燥機 北京四環科學儀器廠有限公司。MG38MD-ADRF電烤箱 廣東美的電器股份有限公司；G70F20CPD2（S0）微波爐 廣東格蘭仕集團有限公司；XAZ-218 Air-fryer空氣炸鍋 蘇州愛潔雅電器有限公司；VESTA EF-81油炸鍋 英聯斯特（廣州）餐飲設備有限公司。

1.3 方法

1.3.1 原料預處理

原料處理及熟化方式參照Tian Jinhu[3]和Singh[9]等的方法，選取‘紫花白’馬鈴薯48 kg，每種熟化方式處理6 kg。對汽蒸、水煮、微波與烘烤4 種熟化處理前，將馬鈴薯洗凈晾干，稱質量；對Air-frying（無油）、Air-frying（加油）與油炸3 種熟化處理前，將馬鈴薯去皮切成8 mm×7 mm×50 mm的小條，水洗1 min后瀝干稱質量。每種熟化方式重復3 次。

7 種熟化方式分別是：1）對照：生馬鈴薯；2）汽蒸：常壓汽蒸30 min；3）水煮：沸水煮制30 min；4）微波：1 000 W微波爐熟化5 min；5）烘烤：210 ℃烤箱烘烤30 min；6）Air-frying（無油）：用Air-fryer空氣炸鍋于180 ℃下熟化18 min；7）Air-frying（加油）：與Air-frying（無油）熟化條件相同，但菜籽油與馬鈴薯條的質量比為1∶30；8）油炸：180 ℃下油炸2 min，菜籽油與馬鈴薯條的質量比為2∶1。

7 種方式熟化后20 min，進行感官評分；其中一部分樣品切碎后立即置于培養皿中，-20 ℃冷凍5 h，取出后，置于預先降溫至-48 ℃的冷凍干燥箱內，冷凍干燥22 h，粉碎過100 目篩，測定其基本營養成分、核苷酸類鮮味物質（由于5’-鳥苷酸二鈉（guanosine-5’-monophosphate disodium salt，GMP）和5’-腺苷酸二鈉（adenosine-5’-monophosphate disodium salt，AMP）作為馬鈴薯主要核苷酸類鮮味物質，故以GMP+AMP二者的含量來表示）、色澤，并觀察其樣品中淀粉顆粒結構；其他樣品直接用于質構分析；并對7 種熟化后馬鈴薯的上述指標進行主成分分析，得出其綜合評分。

1.3.2 基本營養成分含量的測定

水分質量分數的測定：GB 5009.3—2016《食品中水分的測定》；還原糖含量的測定：GB/T 5009.7—2016《食品中還原糖的測定》；淀粉含量的測定：GB/T 5009.9—2008《食品中淀粉的測定》；粗脂肪含量的測定：GB/T 14772—2008《食品中粗脂肪的測定》；粗蛋白含量的測定：GB 5009.5—2010《食品中蛋白的測定》；VC含量的測定：2,6-二氯靛酚滴定法[10-11]。

1.3.3 非揮發性鮮味成分的測定

采用Raigond等[12-13]方法，通過高效液相色譜對非揮發性鮮味成分進行分析，其濃度通過外標法定量測定。

1.3.4 質構特性的測定

參考Miglio等[14]的方法，將對照與汽蒸、水煮、微波與烘烤4 種熟化方式后的馬鈴薯切成8 mm×7 mm×50 mm的薯條測定質構指標，采用TPA模式，選取直徑為3.5 mm的圓柱形探針，壓力元件為5 N，探針深度8 mm，探針下行運動速率5 mm/s，測定其彈性、膠性、咀嚼性、硬度、黏著性、凝聚性和回復性7 種參數。

1.3.5 微觀結構觀察

采用Chen Long等[15]方法，取凍干粉，將樣品用導電膠帶粘在掃描電子顯微鏡樣品臺上，置于E-1045型離子濺射儀的樣品艙中，在15 mA的電流下噴金90 s。取出樣品后，裝入S-3400N掃描電子顯微鏡觀察室，觀察并拍照。

1.3.6 色澤品質的測定

取樣品凍干粉，對照為基準物質，色澤參數為L0、a0、b0，熟化后樣品色澤參數為L*、a*、b*。此外，色度和總色差（total color difference，TCD）按公式（1）、（2）計算[16]。TCD表示熟化樣品與對照色差的大小，用?E表示，TCD越小代表色澤變化小，即熟化樣品色澤與生馬鈴薯色澤越接近。

1.3.7 感官評價

12 位受過感官檢驗訓練的營養與食品衛生專業學生（男女各半）組成評定小組，采用觀、聞、品嘗的方式對樣品進行感官評定，按照表1的標準打分。利用加權法計算總分作為最終感官評分。感官評價4 項的權重分別記為X1、X2、X3、X4，總分記為X（X＝0.2X1+0.3X2+0.3X3+0.2X4）。實驗重復3 次，取平均值[17-20]。

表 1 熟化后馬鈴薯的感官評分標準Table 1 Criteria for sensory evaluation cooked potatoes

1.4 數據統計與分析

實驗數據以平均值±標準差表示，使用SPSS 20.0軟件，結合Duncan’s檢驗（P＜0.05）進行顯著性分析，使用Origin 8.6軟件作圖。每個實驗至少重復3 次。

2 結果與分析

2.1 熟化方式對馬鈴薯品質的影響

2.1.1 熟化方式對馬鈴營養品質的影響

表 2 熟化方式對馬鈴薯主要營養成分的影響（n＝3）Table 2 Effects of different cooking methods on macronutrients of cooked potatoes (n= 3)

由表2可知，不同熟化方式對馬鈴薯的基本營養成分影響程度不同[21-22]，7 種熟化方式處理后馬鈴薯中粗蛋白含量為11.99～13.41 g/100 g md，其中水煮熟化后其粗蛋白含量最低，與其他6 種熟化方式間差異顯著（P＜0.05），但與對照相比差異不顯著（P＞0.05），可能是Maillard反應和蛋白質降解所致[2]；由于微波、Air-frying（無油）、Air-frying（加油）與油炸熟化溫度較高，導致熟化后馬鈴薯中水分質量分數相對較低；水煮、微波與烘烤熟化后的馬鈴薯中還原糖含量顯著高于其他4 種方式，可能是熟化過程馬鈴薯中部分淀粉水解成還原糖，另外4 種方式熟化后其還原糖含量差異不顯著（P＞0.05）；相比對照，不同方式熟化后其淀粉均有一定程度損失，烘烤方式損失最為嚴重，可能是溫度越高淀粉顆粒結構破壞越嚴重，部分淀粉因水解為還原糖而損失[21]；除了Air-frying（加油）和油炸熟化方式外，相比對照，其余5 種方式熟化后馬鈴薯中粗脂肪含量較低，且差異不顯著（P＞0.05）；Air-frying（無油）、Air-frying（加油）與油炸熟化后馬鈴薯中VC含量分別為8.20、7.68、13.67 mg/100 g md，與對照相比差異顯著（P＜0.05），其VC損失率分別為90.15%、90.77%和83.58%，微波熟化后其VC損失率最低，與其他熟化方式間差異顯著（P＜0.05），這與Tian Jinhu等[3]研究結果相一致，VC作為水溶性且溫度敏感型類維生素，在馬鈴薯熟化過程中易發生降解，尤其是高溫及長時間處理下損失更嚴重；因此，不同熟化方式會影響馬鈴薯中VC的保留情況[23-24]。可見，不同熟化方式后的馬鈴薯中基本營養成分不同。從營養品質角度考慮，微波與汽蒸兩種熟化方式降低了其基本營養成分的損失；油炸熟化后的馬鈴薯因粗脂肪含量顯著高于其他6 種熟化方式，不利于高脂、高血壓患者攝食，可以選擇低脂且口感與油炸風味相似的Air-frying（加油）方式代替。

2.1.2 熟化方式對馬鈴薯核苷酸類鮮味物質的影響

Duckham等[25]研究表明生馬鈴薯中風味前體物主要由糖類、氨基酸、RNA與脂類構成，通過Maillard反應和糖類、脂類與RNA降解產物共同形成風味物質。由圖1可知，微波、烘烤、水煮、Air-frying（無油）、Air-frying（加油）、汽蒸與油炸7 種熟化后其核苷酸類鮮味物質含量由多到少依次是6.50、6.19、5.87、5.32、4.39、4.32、2.89 μg/g md，分別為對照的2.18、2.07、1.96、1.78、1.47、1.45、0.97 倍。可見，微波、烘烤與水煮熟化后顯著增加了其核苷酸類鮮味物質含量，且三者差異不顯著（P＞0.05）。微波熟化過程可能促進了馬鈴薯中RNA的降解，致使其含量最高[13]；油炸后其核苷酸類鮮味物質最低，與其他6 種熟化方式間差異顯著（P＜0.05），但與對照相比差異不顯著（P＞0.05），可能是油炸高溫與菜籽油的添加，致使鮮味合成前體性質發生變化[14]。鮮味作為一種有別于甜味、酸味、咸味與苦味而獨具美味的第5類基本風味，可顯著提升食品的風味和口感[26]，可見微波熟化方式提高了馬鈴薯中風味物質的含量。

圖 1 熟化方式對馬鈴薯核苷酸類鮮味物質的影響Fig. 1 Effects of different cooking methods on umami nucleotide content of cooked potatoes

2.1.3 熟化方式對馬鈴薯微觀結構及質構特性的影響

生馬鈴薯中淀粉顆粒完整（圖2A），不同熟化方式后其淀粉顆粒均出現不同程度的破壞（圖2B～H），其中，微波熟化后的淀粉顆粒破壞較小，結構較均勻，塌陷不明顯（圖2D），這是因為微波熟化均一性較好所致[27]，其他幾種方式熟化后的淀粉顆粒破壞嚴重，有比較明顯的凹陷，其中水煮熟化后的淀粉顆粒凹陷最為嚴重（圖2C），與Bordoloi等[28]的研究結果類似，因為水煮使淀粉顆粒充分與水接觸發生溶脹造成其破裂所致。

表 3 熟化方式對馬鈴薯質構參數的影響（n＝4）Table 3 Effects of different cooking methods on texture parameters of cooked potatoes (n= 4)

由表3可知，Air-frying（無油）熟化后馬鈴薯條的膠著性、咀嚼性、硬度與黏著性顯著高于其他熟化方式，可能是表面硬化所致，但黏聚性與回復性均低于其他熟化方式；微波熟化后其硬度和膠著性顯著低于其他熟化方式（P＜0.05），其他5 種熟化后馬鈴薯條的其他質構參數間差異不顯著（P＞0.05），可能是這些熟化方式對馬鈴薯的微觀結構破壞程度相似所致。

2.1.4 熟化方式對馬鈴薯色澤的影響

表 4 不同熟化方式對馬鈴薯色澤參數的影響（n＝3）Table 4 Effects of different cooking methods on color quality of cooked potatoes (n= 3)

由表4可知，相比對照，除了Air-frying（加油）與油炸，其他5 種熟化方式加工后的L*值均增加；除油炸外，其他熟化方式加工后a*值減小；所有熟化方式加工后b*值均增加。亮度增強，紅色和藍色減弱，可能因為‘紫花白’馬鈴薯是黃皮白肉，經熱加工后，發生焦糖化與Maillard反應所致。菜籽油的添加致使Air-frying（加油）與油炸后馬鈴薯條色澤加深，與其他5 種熟化方式間差異顯著（P＜0.05），但汽蒸、水煮、微波與烘烤4 種熟化方式后的色澤差異不顯著（P＞0.05）。相比其他6 種熟化處理，Air-frying（無油）熟化后馬鈴薯的?E值最小，說明其最大限度地保留了生馬鈴薯的色澤，并且不同熟化方式后馬鈴薯色澤由淺到深依次為：Air-frying（無油）＜汽蒸＜水煮＜微波＜烘烤＜Air-frying（加油）＜油炸。

圖 3 熟化方式對馬鈴薯條色澤的影響Fig. 3 Change in color of potatoes cooked by different cooking methods

由圖3可見，Air-frying（加油）與油炸熟化后馬鈴薯條呈金黃色，油炸后的色澤更重，但其他5 種方式熟化后馬鈴薯條色澤不明顯。故熟化處理后樣品經肉眼觀察與色澤參數分析結果基本一致。

2.1.5 熟化方式對馬鈴薯感官品質的影響

圖4A為不同方式熟化后馬鈴薯的感官品質指標評分結果，汽蒸、水煮、微波與烘烤4 種熟化方式加工后的馬鈴薯在色澤、風味、整體接受程度方面，汽蒸熟化后馬鈴薯感官品質指標評分最高，其中，除風味評分與烘烤和水煮熟化間差異不顯著外，與其他3 種熟化方式間差異均顯著（P＜0.05）；水煮熟化后馬鈴薯質感評分最高，與其他熟化方式間差異顯著（P＜0.05）；微波熟化后馬鈴薯感官品質的4 個指標均處于中間水平。以Air-frying（無油）、Air-frying（加油）與油炸3 種熟化方式后的馬鈴薯，在風味、質感、整體接受程度方面，Air-frying（加油）與油炸熟化方式后馬鈴薯品評評分較好，且差異不顯著（P＞0.05）；Air-frying（加油）熟化后其色澤較其他兩種熟化方式好，為金黃色；Air-frying（無油）熟化后馬鈴薯感官指標評分最低，與其他2 種熟化方式間差異顯著（P＜0.05）。

圖 4 不同熟化方式后馬鈴薯各感官指標（A）及綜合感官（B）評分Fig. 4 Sensory quality indexes (A) and comprehensive sensory (B)scores of potatoes cooked by different cooking methods

由圖4B可知，從色澤、風味、質感與整體接受程度4 個方面綜合評價各熟化方式加工后馬鈴薯的感官品質，可以看出水煮與Air-frying（加油）熟化后，馬鈴薯的感官評分較高，可能是品評前將所有樣品放置于相同溫度（（25±2）℃）后，因熟化后馬鈴薯中部分風味物質揮發所致。因此，不同熟化方式后馬鈴薯的感官綜合評分順序依次為：水煮≈汽蒸＞烘烤＞Air-frying（加油）＞微波＞油炸＞Air-frying（無油）。可見，僅從感官品質角度考慮，水煮與汽蒸兩種熟化方式均可作為較佳的選擇。

2.2 熟化馬鈴薯品質的綜合評價

2.2.1 熟化馬鈴薯品質構成因子指標的主成分分析

對7 種方式熟化后馬鈴薯的基本營養及非揮發性鮮味成分、質構、色澤與感官指標進行主成分分析。先對原始數據矩陣進行標準化，進而得到進行主成分分析的24 個變量的相關系數矩陣（表5），可見，不同變量間有較強的相關性，變量間也存在信息上的重疊[29-31]。再轉換初始因子載荷矩陣，使因子與原始變量間的關系進行重新分配，相關系數向0～1分化，從而使因子載荷矩陣中系數更加顯著。通過方差最大正交旋轉法對因子進行旋轉處理，結果見表6，僅有前5 個特征值大于1，分別為λ1＝10.607、λ2＝7.728、λ3＝2.775、λ4＝1.391、λ5＝1.006，因此只提取前5 個公因子進行后續分析。此外，在旋轉后5 個公因子的方差累積貢獻率均發生了變化，但保持從大到小的排序，且前5 個因子的方差貢獻率為97.944%，與旋轉前完全相同，因此選前5 個因子已足夠描述熟化后馬鈴薯的品質。

表 5 相關矩陣Table 5 Correlation matrix

表 6 解釋的總方差Table 6 Total variance explained

表 7 旋轉成分矩陣Table 7 Rotated component matrix

通過方差最大旋轉后，其因子載荷矩陣見表7，第一公因子在X5、X7、X8、X9、X10、X11、X12、X15有較大的載荷，從粗脂肪含量、非揮發性鮮味成分含量、a*、b*、L*、?E、色度、彈性反映熟化馬鈴薯的品質；第二公因子在X1、X6、X13、X17、X18、X20、X21、X22、X23、X24有較大載荷，從水分質量分數、VC含量、硬度、膠著性、咀嚼性、色澤、風味、質感、整體接受程度、感官綜合評分反映熟化馬鈴薯的品質；第三公因子在X2、X4、X14、X16有較大的載荷，從還原糖含量、粗蛋白含量、黏著性、黏聚性反映熟化馬鈴薯的品質；第四公因子在X19有較大的載荷，回復性反映熟化馬鈴薯的品質；第五公因子在X3有較大的載荷，淀粉含量反映熟化馬鈴薯的品質。

2.2.2 品質綜合評判

各個主成分（F1、F2、F3、F4、F5）所對應的特征值占所提取主成分總的特征值之和的比例作為權重計算[31]，熟化馬鈴薯品質指標各主成分的綜合評判式如下式所示：

F＝（λ1/（λ1+λ2+λ3+λ4+λ5））F1+（λ2/（λ1+λ2+λ3+λ4+λ5））F2+（λ3/（λ1+λ2+λ3+λ4+λ5））F3+（λ4/（λ1+λ2+λ3+λ4+λ5））F4+（λ5/（λ1+λ2+λ3+λ4+λ5））F5＝0.451 2F1+0.328 8F2+0.118 0F3+0.059 2F4+0.042 8F5。

根據該模型計算得到7 種熟化方式后馬鈴薯的綜合得分見表8，其綜合得分大小排序為：Air-frying（加油）＞微波＞油炸＞水煮＞烘烤＞汽蒸＞Air-frying（無油）。可見，綜合考慮熟化后馬鈴薯的基本營養及非揮發性鮮味成分含量、質構、色澤及感官品質，得出Air-frying（加油）熟化方式后馬鈴薯品質的綜合得分最高，可以作為最優熟化方式。此外，油炸熟化后其粗脂肪最高，從營養均衡與健康角度考慮因素，應適量攝食。

表 8 7 種熟化方式后馬鈴薯品質的綜合得分Table 8 Comprehensive quality scores of potatoes cooked by seven cooking methods

3 結 論

研究了汽蒸、水煮、微波、烘烤、Air-frying（無油）、Air-frying（加油）、油炸7 種熟化方式對馬鈴薯基本營養成分和核苷酸類鮮味物質含量、質構、色澤和感官品質的影響，并對熟化后馬鈴薯中上述各品質指標間進行了主成分分析。結果表明，微波與汽蒸熟化可較好地保留其基本營養成分，油炸后其粗脂肪顯著高于其他6 種方式，不利于高脂、高血壓患者攝食，可選Air-frying（加油）方式替代。微波、烘烤與水煮熟化后其核苷酸類鮮味物質顯著高于其他5 種熟化方式，且微波熟化后最高；Air-frying（無油）熟化嚴重破壞了其質構特性；Air-frying（加油）與油炸熟化后對其色澤的影響較大；不同方式熟化后其感官評分為：水煮≈汽蒸＞烘烤＞Air-frying（加油）＞微波＞油炸＞Air-frying（無油）；經主成分分析得出，7 種熟化方式后其品質評價的綜合得分為：Air-frying（加油）＞微波＞油炸＞水煮＞烘烤＞汽蒸＞Air-frying（無油）。目前，消費者比較注重營養均衡及其良好的口感風味，故綜合考慮熟化后馬鈴薯的營養、質構、色澤及感官品質指標，并經主成分分析得Air-frying（加油）方式下加工效果最佳；其次，考慮到特殊人群需攝入低脂類食品，可選擇微波熟化加工馬鈴薯。對于馬鈴薯深加工、初加工熟化中基本營養成分低損失會提高馬鈴薯深加工產品的附加值，故考慮營養品質及經濟成本因素，汽蒸方式可作為較優選擇之一。此外，本研究所建立的主成分分析模型對于綜合評價熟化馬鈴薯的品質具有很好的效果，并對熟化后馬鈴薯產品品質的評價有一定的參考價值，同時為馬鈴薯在鮮食及深加工選擇適宜的熟化方式提供理論參考。