基于主成分分析的芹菜品質(zhì)評價

高 云,郁志芳

(南京農(nóng)業(yè)大學食品科技學院,江蘇南京 210095)

芹菜是一種兩年生傘形科植物,于15世紀由歐洲引入中國,目前在我國種植面積廣泛,是人們喜歡食用的蔬菜之一[1]。研究顯示,芹菜中含有多種人體不可或缺的營養(yǎng)物質(zhì),Zn、Fe、Mn和Cu等微量元素含量極高,Ca、Fe等含量高于普通綠色蔬菜,還含有芹菜素等功能性成分[2];有抗腫瘤、調(diào)經(jīng)消炎、降壓、鎮(zhèn)靜和清熱止咳,能抑制皮膚黑色素瘤的生長、遷移和促進血管生成等功效[3-5]。

主成分分析是利用降維的思想,通過對指標體系內(nèi)部結(jié)構(gòu)關(guān)系的研究,將多個指標轉(zhuǎn)化為相互獨立的綜合指標,新的綜合變量可以反映原始變量提供的主要信息,從而簡化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)并找到變量之間的關(guān)系[6-7]。果蔬品質(zhì)的影響因素多樣,僅靠單一的因素評價其品質(zhì)具有片面性,故選用相關(guān)性分析和主成分分析相結(jié)合,對芹菜的品質(zhì)進行綜合評價,以期獲得穩(wěn)定可靠的結(jié)果。迄今為止主成分分析法已經(jīng)用于辣椒[8]、山藥[9]、白菜[10]、豇豆[11]等蔬菜的品質(zhì)評價。

近些年來,有關(guān)芹菜的研究多數(shù)文獻報道集中在芹菜的功能性物質(zhì)上和加工技術(shù)及制品開發(fā),產(chǎn)品包括復配型飲料[12]、干吃片[13]、蔬菜紙[14]、芹菜果糕[15]、芹菜罐頭[16]等,而對不同品種的芹菜品質(zhì)評價研究較少。為全面地評價芹菜的品質(zhì),以江蘇南京溧水華成蔬菜的13個芹菜品種為對象,分別測定其可食率、汁液保留率、芹菜素含量、總糖、蛋白質(zhì)等14個生理生化指標,并對其進行相關(guān)性分析和主成分分析,得到芹菜品質(zhì)的綜合得分,建立芹菜品質(zhì)評價體系,為芹菜品種選育和優(yōu)質(zhì)生產(chǎn)及加工品種篩選等提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

13種芹菜 江蘇省南京市溧水區(qū)華成蔬菜基地提供,以大棚方式栽培的原料,其中A和B、C和D分別為同種芹菜的不同播種期,括號中“小”為莖稈較嫩、生長期稍短采摘后的芹菜;“大”為莖稈較成熟、生長期稍長采摘后的芹菜。芹菜按照合作社的商業(yè)標準,達到適宜食用的成熟度時采收。挑選無腐爛,無病蟲害,大小高度一致的芹菜,當天運回實驗室處理。試驗品種分別如下:A四季西芹(小);B四季西芹(大);C瑞雪一號(小);D瑞雪一號(大);E良峰玉芹;F黃心芹(航程);G玻璃脆芹;H白桿芹菜;J黃心芹(云南);K春豐芹菜;L山東紅芹;M白雪實芹;N法國皇后;P青芹;Q天津?qū)嵭那?。試驗設3個平行樣品,每份樣品1000 g左右;十水合四硼酸鈉 分析純,廣東光華科技股份有限公司;三水合醋酸鈉 分析純,西隴化工股份有限公司;過氧化氫 分析純,南京化學試劑有限公司;甲醇 分析純,廣東光華科技股份有限公司;愈創(chuàng)木酚 分析純,國藥集團化學試劑有限公司;乙腈 分析純,美國天地公司;甲醇 色譜純,美國天地公司。

LC-20A液相色譜 日本島津;Alpha-1860A紫外-可見分光光度計 上海譜元有限公司;KQ-300DB數(shù)控超聲波清洗器 昆山市超聲儀器有限公司;DHG-9030A電熱恒溫鼓風干燥箱 上海益恒實驗儀器有限公司;SQP電子天平 賽多利斯科學儀器有限公司;HH-6數(shù)顯恒溫水浴鍋 常州國華電器有限公司;TGL16M臺式高速冷凍離心機 長沙維爾康湘鷹離心機有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 芹菜采后加工指標的測定

1.2.1.1 可食率的測定 將芹菜分成3份,記錄每一份的重量為m1,去除根及芹菜葉片后稱重,為m2,計算公式如下。

式(1)

其中,m1為芹菜未處理時質(zhì)量;m2為芹菜處理后質(zhì)量,g。

1.2.1.2 汁液損失率(WL)的測定 取200 g芹菜去除根和葉片后,稱重(G1)后置于菜板,用不銹鋼菜刀將其切成0.5 cm左右的芹菜粒,再次稱重(G2),用汁液損失率(WL,%)表示,計算公式[17]如下。

式(2)

其中,G1為切粒前芹菜重,G2為切粒后芹菜重。

1.2.1.3 硬度的測定 去除芹菜根以及葉片部分,取芹菜葉柄部相同的部位,距離根部約5 cm處,用FHM-1果實硬度計圓錐探頭測定其硬度。轉(zhuǎn)動FHM-1型果實硬度計刻度盤,使指針與0刻度線重合,然后右手緊握硬度計,使硬度計垂直于芹菜葉柄表面,均勻用力將探頭壓入芹菜內(nèi),此時指針開始旋轉(zhuǎn)。當壓到探頭刻線時停止壓入,記錄此時指針所指的讀數(shù),單位為N。

1.2.1.4a*值的測定 每樣品選取色澤均勻一致的8支芹菜葉柄,取其中段平面放置,使用標準白板對彩色色差儀CR-400進行校準,測定其外側(cè)的色澤,記錄a*值。

1.2.1.5 葉綠素含量的測定 按照王鴻飛等[18]的方法,以丙酮-乙醇混合液提取法測定,葉綠素含量以mg/g表示。

1.2.1.6 膳食纖維含量的測定 參考趙全利等[19]的方法稍作修改。將芹菜渣置于60 ℃鼓風干燥箱中烘2 h之后,粉碎之后過60目篩,后稱取一定量的粉末,加入10倍體積的0.4 mol/L的NaOH溶液,30 ℃水浴60 min,過濾將濾渣洗滌三遍,取濾渣再加入10倍體積的1 mol/L的醋酸溶液,50 ℃水浴30 min,將濾渣洗滌后烘干即為成品;膳食纖維含量以g/100 g表示。

1.2.2 芹菜營養(yǎng)特征指標的測定

1.2.2.1 VC、總糖、可溶性蛋白質(zhì)含量的測定 VC的測定按照曹建康等[20]的方法,以2,6-二氯靛酚滴定法測定,單位:mg/100 g。總糖及可溶性蛋白質(zhì)的測定按照王鴻飛等[18]的方法,總糖以蒽酮-乙酸乙酯試劑法測定,單位:g/100 g;可溶性蛋白質(zhì)以考馬斯亮藍法測定,單位:mg/g。

1.2.2.2 芹菜素含量的測定 參考王克勤[21]的方法,稍作修改。芹菜于60 ℃烘干之后,粉碎過60目篩。精確稱取芹菜粉末1 g,加入70%的無水乙醇40 mL于25 ℃超聲提取30 min,離心取上清液,殘渣繼續(xù)加70%的無水乙醇20 mL,超聲提取20 min,離心取上清液,與第一次上清液合并于旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀,35 ℃蒸干至3 mL以內(nèi),最后用甲醇復溶定容至10 mL。芹菜素含量的單位:μg/g。

標準溶液的配制:取50 mg的芹菜素溶于100 mL,搖勻定容備用。分別取上清液標準溶液0.2、0.4、0.8、1.6、2.4、3.2 mL于10 mL的容量瓶中,甲醇定容。0.45 μm有機濾膜過濾。

圖1 13個芹菜品種各品質(zhì)指標的變化幅度Fig.1 The variation range of each quality index of 13 celery varieties

色譜條件:安捷倫C18液相柱,流動相:0.1%甲酸乙腈溶液∶水=35∶65 (V/V)。流速1.0 mL/min。柱溫35 ℃,UV檢測器,波長270 nm,進樣量為10 μL,標準溶液單位為μg/mL。

1.2.3 芹菜生理生化指標的測定

1.2.3.1 過氧化物酶(peroxidase,POD)的測定 按照王鴻飛等[18]的方法。以每分鐘內(nèi)吸光度A470變化0.001所需的酶量為1個酶活力單位(U),活性以U/g·Fw·min表示。

1.2.3.2 多酚氧化酶(polyphenol oxidase,PPO)活性測定 按照羅海波[22]的方法。以每分鐘內(nèi)吸光度A410變化0.001所需的酶量為1個酶活力單位(U),活性以U/g·Fw·min表示。

1.2.3.3 苯丙氨酸解氨酶(phenylalanine ammonia lyase,PAL)活性測定 按照羅海波[22]的方法。定義1 h內(nèi)A290增加0.001為PAL的1個酶活力單位(U),活性以U/h·g·Fw表示。

1.2.3.4 纖維素酶活性測定 按照羅海波[22]的方法。酶活力單位定義為以每小時每克樣品在25 ℃水浴催化羧甲基纖維素鈉水解形成還原糖的質(zhì)量,表示即μg/h·g。

1.3 數(shù)據(jù)處理

試驗數(shù)據(jù)以3個平行樣品的平均值表示。采用IBM.SPSS Statistics 25.0對主要質(zhì)地品質(zhì)指標進行相關(guān)性分析和主成分分析,并進行綜合評價。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同品種芹菜的基本品質(zhì)性狀

13個品種芹菜14項檢測性狀的結(jié)果見表1和圖1。如圖1所示,變異系數(shù)都達到10%以上,說明各個芹菜品種的所有指標均存在明顯差異,導致各品種性狀差別巨大。

可食率和汁液損失率是芹菜采后處理和加工的重要指標。13個芹菜品種的可食率范圍為44.50%～72.81%,最高的是“山東紅芹”,最低的是“瑞雪一號(小)”。汁液損失率高會給采后處理和加工帶來不利影響,試驗結(jié)果顯示,13個品種的汁液損失率為1.81%～20.48%,汁液損失率最低的是“天津?qū)嵭那邸?最高的是“黃心芹(云南)”?？墒陈逝c汁液損失率并無明顯關(guān)系。

綠色蔬菜的色澤變化是引起其品質(zhì)下降的重要因素,它可使得蔬菜的感觀性狀下降,影響消費者的購買欲。a*值代表紅綠指數(shù),根據(jù)芹菜的實際情況,本研究僅取a*值作為評價指標。由表1可知,13個芹菜品種的a*值變化范圍為-18.68～12.06,其中只有“山東紅芹”明顯與其它品種不同,為正值(葉柄為紅綠相間且紅色居多);其余均為負值,以“春豐芹菜”a*值最小,顏色最綠。葉綠素反應色澤的變化,其范圍是0.01～0.10 mg/g,含量最高的是“黃心芹(云南)”。本研究的結(jié)果顯示,芹菜組織的a*值與葉綠素含量兩者間存在不完全一致的現(xiàn)象,表明a*值并不完全由葉綠素所決定,還可能受到植物種類、組織致密程度、季節(jié)性差異等因素的影響[23]。

VC和芹菜素是衡量芹菜品種的重要營養(yǎng)和特征指標。13個芹菜品種的VC含量差異較大(1.40～12.03 mg/100 g),以“良峰玉芹”最高,“瑞雪一號(大)”最低。有研究顯示,綠色蔬菜VC和葉綠素間通常存在正相關(guān)[24],本研究芹菜品種間VC與葉綠素兩者含量較為一致。芹菜素是芹菜中重要的特征性成分,也是體現(xiàn)芹菜功能的重要指標。芹菜素含量范圍為15.44～49.36 g/g,最高的為“春豐芹菜”,最低的為“白桿芹菜”,最高是最低的3倍以上,這一結(jié)果為消費者食用芹菜時選擇合適的品種提供了依據(jù)。

POD和PPO是植物中普遍存在的一種氧化酶類,13個芹菜品種中POD活性為1127.78～3350.00 U/(g·Fw·min),活性最高的為“黃心芹(航程)”,最低的為“四季西芹(小)”;PPO活性為96.00～286.00 U/(g·Fw·min),活性最高的為“白桿芹菜”,活性最低的為“四季西芹(大)”。芹菜組織中兩種酶的活性高,表明組織中的代謝較為旺盛,不利于產(chǎn)品采后品質(zhì)的保持[24]。因此,對于采后需經(jīng)粗放條件處理或較長時間貯藏的產(chǎn)品,應關(guān)注這兩種酶活性的高低,并選擇酶活性低的品種為優(yōu)。

表1 13種芹菜的品質(zhì)評價指標Table 1 Quality evaluation indicators of 13 kinds of celery

芹菜的硬度、膳食纖維是影響消費者口感的關(guān)鍵指標。13個芹菜品種的硬度測定結(jié)果為0.98～14.70 N,不同品種間硬度差異明顯,硬度最大的是“良峰玉芹”,最小的是“青芹”、“天津?qū)嵭那邸?相差10倍以上。13個芹菜品種的膳食纖維含量為2.06～4.78 g/100 g,以“四季西芹(大)”含量最高,“瑞雪一號(小)”含量最低。硬度越大,膳食纖維含量可能會越高,咀嚼性越差,影響食用時的口感。纖維素酶和PAL參與纖維素代謝,與組織的纖維化有關(guān)。13個芹菜品種的纖維素酶活性范圍為1530.663～6218.845 (μg/h·g),活性最高的是“法國皇后”,最低的是“四季西芹(小)”。PAL的活性變化范圍為120.00～440.00 U/(g·Fw·h)?！按贺S芹菜”的活性最高,“白雪實芹”活性最低,活性最高與最低的相差3倍以上。這一結(jié)果為芹菜的采后加工提供了參考。

2.2 相關(guān)性分析

對不同芹菜品種的14項指標進行Pearson相關(guān)性分析結(jié)果見表2。色澤是評價蔬菜質(zhì)量的重要因素,也是判斷采收時間的重要指標。極大多數(shù)芹菜品種的葉片呈綠色,a*值與葉綠素極顯著負相關(guān)(P<0.01)的結(jié)果表明,當a*值為負且越小時,表明色澤越綠,葉綠素含量越高。葉綠素作為芹菜的加工指標,其含量與生理生化指標POD活性呈顯著正相關(guān)(P<0.05),表明芹菜組織中POD活性高可能與葉綠素主導的光合作用有關(guān),也可能該酶參與葉綠素的降解,不利于貯藏期間綠色的保持[25]。另外,葉綠素與VC呈顯著正相關(guān)(P<0.05),VC含量高可防止光葉綠素的氧化褪色[24]。VC與總糖、PAL和POD活性均呈顯著正相關(guān)(P<0.05),植物體內(nèi)的POD通過酶促反應去除過氧化物,降低活性氧傷害[25],VC作為底物清除植物體內(nèi)的活性氧[26],兩者均參與到組織中活性氧的清除。其中總糖與POD活性也是呈顯著正相關(guān)(P<0.05)。

表2 13種芹菜測定指標的Pearson相關(guān)性分析Table 2 Pearson correlation analysis of 13 celery determination indicators

注:*表示顯著相關(guān)(P<0.05);**表示極顯著相關(guān)(P<0.01)。

表3 主成分的特征值及方差貢獻率Table 3 Characteristic values and variance contribution rate of principal components

加工指標硬度與總糖、纖維素酶活性及VC含量呈極顯著正相關(guān)(P<0.01),同時纖維素酶和總糖之間呈極顯著正相關(guān)。纖維素酶是細胞壁降解酶,它能水解纖維素的β-1,4糖苷鍵[27],引起組織細胞壁軟化,但纖維素酶與纖維素含量并不呈任何相關(guān)性,與其他研究不符,可能是與蔬菜的采收時間,植物組織狀態(tài)等其他因素有關(guān),纖維素酶活力高,且與其他酶相互協(xié)同作用時,可以將纖維素徹底水解成葡萄糖[24]。纖維素含量降低,同時葡萄糖含量升高,相應的引起總糖含量升高?？扇苄缘鞍踪|(zhì)含量與POD活性呈極顯著正相關(guān)(P<0.01),可能是因為在蔬菜的生長與成熟的過程中,可溶性蛋白的含量與生理代謝密切相關(guān),受酸、堿等因素影響易游離出,可溶性蛋白的含量會上升[24],可溶性蛋白是芹菜的營養(yǎng)指標,蛋白質(zhì)含量越高,越切合人們對健康的追求。

綜上所述,13個不同品種芹菜的各指標間存在著不同程度的相關(guān)性,同時也說明14項指標間存在信息重疊,若進行綜合評價必須剔除評價指標間信息重復,避免結(jié)果出現(xiàn)偏差,因而需要采用其它方法對這些指標進行綜合分析。

2.3 主成分分析

對不同芹菜品種的可食率、汁液保留率、硬度、a值、芹菜素含量、葉綠素、膳食纖維、總糖等14項指標進行主成分分析,探尋影響芹菜品質(zhì)的關(guān)鍵指標,所得主成分特征值及方差貢獻率見表3,成分矩陣見表4。

以特征值>1,提取五個主成分,累積方差貢獻率為85.263%,可代表原始數(shù)據(jù)的絕大部分信息[28]。由表3和表4可知,第一主成分的方差貢獻率為33.090%,以總糖載荷0.898、纖維素酶活性載荷0.789、VC載荷0.758、葉綠素載荷0.723占比為高。結(jié)合表2,總糖和纖維素酶活性呈極顯著正相關(guān)(P<0.01),葉綠素與VC呈顯著正相關(guān)(P<0.05),因總糖和葉綠素是相互獨立的,兩者均取,代表芹菜的營養(yǎng)和外觀指標。第二主成分的方差貢獻率為20.259%,其中可食率和PAL活性貢獻較高,可食率載荷為0.834,PAL活性載荷為-0.646(負值),且兩者并無顯著相關(guān)性,兩者均提取。第三主成分的方差貢獻率是12.173%,主要解釋硬度和可溶性蛋白含量,可溶性蛋白質(zhì)含量的載荷為0.743,硬度載荷為-0.539,兩者相互獨立,硬度的大小影響消費者的口感,而可溶性蛋白質(zhì)量低且第一主成分時已經(jīng)提取總糖,故此處舍棄。

表4 成分矩陣Table 4 Component matrix

第四主成分方差貢獻率為11.388%,提取的主成分是膳食纖維(-0.635),與第四主成分的貢獻率呈負相關(guān)。第五主成分的方差貢獻率為8.352%,汁液損失率(0.591)占據(jù)較高的比例,其在采后和加工中至關(guān)重要,提取為加工指標。

綜合以上分析,本試驗選擇7項核心指標用于評價芹菜的綜合品質(zhì),即葉綠素、總糖、可食率、PAL活性、硬度、膳食纖維和汁液損失率。

2.4 芹菜的綜合評價

根據(jù)表3主成分的特征值和方差貢獻率及表4成分矩陣計算出的特征向量(計算公式如下)作為各因子的系數(shù),構(gòu)建各主成分的函數(shù)表達式[29]如下:

式(3)

F1=0.089Z1+0.248Z2-0.188Z3+0.306Z4+0.336Z5+0.161Z6+0.352Z7+0.417Z8+0.24Z9-0.05Z10+0.331Z11-0.033Z12+0.243Z13+0.367Z14

式(4)

F2=0.495Z1+0.036Z2+0.337Z3+0.213Z4-0.278Z5+0.144Z6-0.141Z7+0.202Z8+0.002Z9-0.392Z10-0.144Z11-0.217Z12-0.384Z13+0.257Z14

式(5)

F3=0.268Z1-0.293Z2-0.158Z3-0.413Z4+0.11Z5+0.279Z6-0.265Z7-0.023Z8+0.569Z9-0.067Z10+0.288Z11+0.219Z12-0.148Z13-0.071Z14

式(6)

F4=-0.086Z1-0.164Z2+0.435Z3+0.202Z4-0.234Z5-0.503Z6+0.116Z7+0.097Z8+0.227Z9-0.112Z10+0.303Z11+0.495Z12+0.058Z13-0.032Z14

式(7)

F5=0.071Z1+0.547Z2+0.27Z3-0.109Z4-0.068Z5+0.224Z6-0.236Z7+0.114Z8+0.004Z9+0.521Z10-0.114Z11+0.428Z12-0.037Z13-+0.14Z14

式(8)

其中,Z1,Z2…Z12值是原始數(shù)據(jù)標準化后的數(shù)據(jù)。以各主成分對應的方差貢獻率為權(quán)重,從而建立主成分綜合得分的數(shù)學模型。

F=0.388F1+0.238F2+0.143F3+0.134F4+0.098F5

式(9)

由綜合得分的函數(shù)表達式,計算出13個品種芹菜樣品的綜合評價得分見表5,得分越高,表明該品種品質(zhì)越好。綜合排名前五的依次是“山東紅芹”、“法國皇后”、“良峰玉芹”、“玻璃脆芹”和“黃心芹(云南)”,而“瑞雪一號”、“白雪實芹”、“四季西芹”等排名靠后。其中“山東紅芹”得分最高,可能是因為山東紅芹觀呈現(xiàn)紅綠相間,以紅色居多,導致其色差a*值為正值且較大,并a*值在第二主成分和第四主成分均占據(jù)較高的載荷,故計算下來綜合得分最高,但實際生產(chǎn)中由于此品種種植較少,且人們更偏愛傳統(tǒng)的綠色芹菜,故“山東紅芹”在實際生產(chǎn)中應作為特色芹菜品種予以對待。

本研究僅對13個芹菜品種的品質(zhì)進行了評價,并未所有與品質(zhì)相關(guān)的指標,且評價主要基于數(shù)學的方法進行,沒有充分考慮消費者的消費習慣和要求,結(jié)果可能存在偏差。另外,芹菜產(chǎn)品的品種受到地域/季節(jié)等生長條件、露地/溫室/大棚栽培模式和如土肥水管理水平、采收成熟度和采后處理等技術(shù)的巨大影響,本試驗的結(jié)果僅來自于一次較為全面的研究,結(jié)果可能與實際存在差異。所以,今后研究中,應納入芹菜的所有品質(zhì)指標,并與其生理生化變化等相結(jié)合,尤其需要考慮消費者的需求差異,以期建立更完善的評價體系,進而獲得更客觀的結(jié)果,以滿足芹菜育種、栽培、貯運等實際工作和消費的需要。

表5 13種芹菜測定指標綜合得分及排名Table 5 Comprehensive score and ranking of determination indexes of 13 kinds of celery

3 結(jié)論

對13個芹菜品種的14項指標分析發(fā)現(xiàn),變異系數(shù)均>10%,表明芹菜品種間各指標差異明顯,采收的品種中葉柄的顏色主要分為綠色、白色和紅色三種,與a*值變異系數(shù)最大(88.51%)相符;葉綠素的變異系數(shù)為67.39%,說明各品種芹菜的顏色差異較大。14項指標中可食率的變異系數(shù)最小(11.70%),說明各品種芹菜的可食率較一致。在基本品質(zhì)性狀的相關(guān)性分析中,a*值與葉綠素含量呈極顯著負相關(guān)(P<0.01);VC與硬度呈極顯著正相關(guān)(P<0.01),與葉綠素、總糖、POD活性、PAL活性呈顯著正相關(guān)(P<0.05);POD活性與可溶性蛋白質(zhì)含量呈極顯著正相關(guān)(P<0.01);硬度與總糖、纖維素酶活性呈極顯著正相關(guān)(P<0.01);總糖與POD活性呈顯著正相關(guān)(P<0.05),與纖維素酶活性呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)。通過主成分分析法提取了葉綠素含量、總糖含量、可食率、PAL活性、硬度、膳食纖維含量和汁液損失率共7項關(guān)鍵指標。綜合分析顯示,排名前五名依次是“山東紅芹”、“法國皇后”、“良峰玉芹”、“玻璃脆芹”和“黃心芹(云南)”,但由于“山東紅芹”自身的特殊性,可舍棄,選擇其他四個品種為最佳。本研究為芹菜的品質(zhì)綜合評價提供了一種較為客觀的評價方法,也為芹菜育種和消費者對其品種的選擇提供了參考。因試驗指標有限,后續(xù)研究應將其品質(zhì)指標與其內(nèi)部生理生化變化相聯(lián)系,以建立更加全面準確的評價體系。