基于主成分分析法的貴州蕓豆品質評價

王何柱 - 朱 勇 朱 怡 何友勛 - 秦禮康 - 梁亞麗 -

(1.貴州大學釀酒與食品工程學院，貴州 貴陽 550025；2.貴州省植保植檢站，貴州 貴陽 550001；3.畢節市農業科學研究所，貴州 畢節 551700)

蕓豆又名菜豆，豆科菜豆屬(PhaseolusvulgarisL)，原產于南美洲，中國于16世紀末開始種植栽培，其豆莢和種子在亞洲國家被廣泛食用[1]。據統計[2]，蕓豆的種植面積在豆類中位居第二，中國的西北、東北、華北和西南等地區均有種植。蕓豆營養價值高，含有豐富的蛋白質、維生素、礦物元素和膳食纖維等，并且還是一種高鉀、鎂、鈣，低鈉的豆類，適宜高血脂、動脈硬化、心臟病等患者食用[3-5]。張業輝等[6]研究發現，蕓豆蛋白的凝膠最好，易形成穩定的凝膠。蕓豆中蛋氨酸和胱氨酸含量較低，與禾谷類食品搭配食用時可提高其營養價值[5]。馬文鵬等[7]研究表明，蕓豆蛋白是一種營養價值豐富且易消化的優質蛋白。Costa等[8-9]研究指出，蕓豆的膳食纖維(含量為22.32%)在減肥、平衡血糖水平和促進腸道健康等方面有諸多功效和益處。

目前，國內外關于蕓豆品質方面的研究主要集中于蕓豆膳食纖維、蛋白質、淀粉、脂肪等營養素分析及蕓豆蛋白和淀粉的理化特性[10]，且中國研究蕓豆的產地多為吉林、黑龍江、陜西等，而關于貴州產地蕓豆主栽品種營養價值的研究尚未見報道。試驗擬選用貴州產地的7種蕓豆，探究其營養成分，并通過主成分分析法(principal component analysis，PCA)對其品質進行評價，為蕓豆品質改良和各種加工提供依據。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

畢蕓Ⅱ1、英國紅、龍12-2614、科蕓1號、天鎮黃蕓豆、畢蕓2015-1、畢蕓2號7種蕓豆：除去不完整和發霉蕓豆后，粉碎過60目鋼篩，并于-20 ℃貯藏，貴州省畢節市農科所；

耐高溫α-淀粉酶(10 000 U/mL)、牛血清白蛋白：上海阿拉丁生化科技股份有限公司；

直鏈淀粉、支鏈淀粉、淀粉含量檢測試劑盒：北京索萊寶科技有限公司；

考馬斯亮藍G250、糖化酶(3 300 U/mL)、中性蛋白酶(350 U/mL)：上海源葉生物科技有限公司；

硫酸銅、硫酸鉀、硼酸、甲基紅、氫氧化鈉、石油醚、硅藻土、碘、碘化鉀等：分析純，北京北化精細化學品有限責任公司。

1.2 儀器與設備

高速萬能粉碎機：FW100型，天津市泰斯特儀器有限公司；

水分測定儀：MB90型，奧豪斯儀器(上海)有限公司；

光吸收酶標儀：SpectraMax190型，美谷分子儀器有限公司；

全自動凱氏定氮儀：JK9870型，上海儀電分析儀器有限公司；

恒溫搖床：TS-100C型，上海天呈實驗儀器制造有限公司；

脂肪測定儀：SER148型，嘉盛(香港)科技有限公司；

原子吸收光譜儀：ZEEnit700P型，德國耶拿分析儀器股份公司；

火焰光度計：FP6400A型，上海精密儀器儀表有限公司；

紫外—可見分光光度計：UV-5500型，上海元析儀器有限公司；

旋轉蒸發儀：RE-2000B型，上海亞榮生化儀器廠；

臺式高速冷凍離心機：H2-16KR型，湖南可成儀器設備有限公司；

氨基酸自動分析儀：L-8800型，日本 Hitachi 公司。

1.3 方法

1.3.1 蕓豆營養成分含量的測定

(1)水分含量：按GB/T 5009.3—2016執行。

(2)粗淀粉含量：參照總淀粉測定試劑盒(BC0700，Solarbio)。

(3)直鏈淀粉含量：采用碘比色[11]法。

(4)蛋白質含量：按GB/T 5009.5—2016執行。

(5)水溶性蛋白質含量：考馬斯亮藍G-250比色法[12]。

(6)脂肪含量：按GB/T 5009.6—2016執行。

(7)灰分含量：按GB/T 5009.4—2016執行。

(8)總膳食纖維含量：按GB 5009.88—2014執行。

(9)礦物質含量：Ga、Mg、Mn、Cu、Zn采用火焰原子吸收分光光度法，Na和K采用火焰分光光度法，P采用鉬比色法，結果均以干基計。

1.3.2 氨基酸組成分析 準確稱取樣品130 mg，加入6 mol/L的鹽酸6 mL，在密封的條件下110 ℃烘箱水解24 h，冷卻后定容至100 mL(pH調至2左右)，并將待測液過0.45 μm濾膜，于氨基酸自動分析儀中測定，結果以干基計。

1.4 數據分析

每個樣品平行3次，數據以(平均值±標準差)表示。運用Excel建立數據庫，并使用SPSS 20.0對試驗數據進行處理。

2 結果與分析

2.1 7種蕓豆的營養成分組成

由表1可知，7種蕓豆粗淀粉含量為28.35%～35.45%，其中畢蕓2號的含量最高；蛋白質含量為19.11%～23.69%，與肉制品中蛋白質含量(22%)較接近[13]，高于一般谷物(小米8.8%，黑麥13.3%，高粱12.2%)中蛋白含量[14]；脂肪含量為1.02%～1.77%，均低于2%；灰分含量為3.82%～4.64%，其中科蕓1號的含量最高；直鏈淀粉含量為9.60%～11.21%，其中天鎮黃蕓豆的含量最高，畢蕓2015-1的含量最低；總膳食纖維含量為23.09%～27.60%，其中英國紅的含量最高，與Costa等[8]的結果一致；水溶性蛋白含量為9.76%～16.54%，水溶性蛋白/粗蛋白的比值為0.46～0.66，其中畢蕓Ⅱ1的水溶性蛋白占比最高。韓晶等[15]研究指出6種蕓豆脂肪含量為2.56%～8.46%，高于試驗結果；蛋白質含量為17.91%～22.03%，與試驗結果一致。闞麗嬌等[16]研究發現，幾種蕓豆中灰分、脂肪、蛋白質含量分別為3.43%～4.10%，2.91%～5.30%，22.06%～25.52%，與試驗結果保持一致。

2.2 7種蕓豆中礦物質含量分析

由表2可知，7種蕓豆中Ca、Mg、P、K含量非常豐富，且K>P>Mg>Ca，其中K含量為1.48%～1.69%，P含量為0.45%～0.61%，Ca含量為0.09%～0.20%，Mg含量為0.19%～0.29%。畢蕓Ⅱ1和龍12-2614的Ca含量最高，龍12-2614中Mg和P的含量最高，英國紅和科蕓1號中K含量最高。Iqbal等[17]研究指出，蕓豆中Mg和K含量高于其他豆類，Mg存在于所有組織細胞中，是體內多種酶的激活因子，調節糖代謝、TCA循環、氨基酸活化等。7種蕓豆中Fe、Mn、Cu、Zn、Na含量分別為70.59～86.86，17.92～44.19，12.29～19.94，25.50～38.48，308.67～533.79 mg/kg。蕓豆是一種典型的高K，低Na豆類，K主要參與細胞新陳代謝和一些酶促反應，維持體內正常的滲透壓和酸堿平衡，適宜高血壓、低血鉀癥和忌鹽患者。蕓豆中的Ca、Fe、Mg、P、K等元素含量高于部分谷類作物和動物性食品[5]。

表1 7種蕓豆的營養成分?

? 同列字母不同表示有顯著性差異(P<0.05)。

表2 7種蕓豆中礦物質的含量

2.3 7種蕓豆的氨基酸分析

由表3可知，除畢蕓Ⅱ1外，其他6種蕓豆氨基酸組成相同，共檢測出17種氨基酸，包括7種必需氨基酸和10種非必需氨基酸。7種蕓豆中總氨基酸含量為19.88%～26.48%，必需氨基酸含量為7.86%～10.09%，其中畢蕓2015-1總氨基酸含量最高，龍12-2614中必需氨基酸含量最高。谷氨酸、天冬氨酸、亮氨酸含量高于其他氨基酸，分別為3.41%～4.61%，2.52%～3.33%，1.68%～2.28%，其中3種氨基酸含量的最大值均出現在龍12-2614。研究[18]顯示，谷氨酸能增強記憶力、對患有語言和記憶障礙的患者有一定的幫助、對小兒智力發育不全也有治療作用；亮氨酸具有修復肌肉、控制血糖，并提供能量的作用。這表明龍12-2614優于其他6種蕓豆。脯氨酸含量波動較大(0.77%～3.33%)，其中畢蕓2015-1的含量最高，畢蕓2號的含量最低。

根據FAO/WHO的標準[18]規定，優質蛋白的必需氨基酸含量應達到總氨基酸含量的(EAA/TAA)0.4，必需氨基酸和非必需氨基酸比值(EAA/NEAA)為0.6，7種蕓豆中雖然有幾個品種EAA/TAA和EAA/NEAA的比值未達到0.4，0.6，由于必需氨基酸中的色氨酸在堿性條件下全部水解，其含量未計入，但EAA/TAA非常接近0.4，且天鎮黃蕓豆EAA/TAA已達到0.4；同理，畢蕓Ⅱ、龍12-2614、天鎮黃蕓豆、畢蕓2號的EAA/NEAA>0.6，說明蕓豆是優質的蛋白來源。

由表4可知，7種蕓豆的第一限制性氨基酸為甲硫氨酸+半胱氨酸，除甲硫氨酸+半胱氨酸的評分<100，其他氨基酸評分均>100；英國紅的異亮氨酸、亮氨酸、賴氨酸、苯丙氨酸+酪氨酸評分高于其他6種蕓豆；7種蕓豆的纈氨酸評分差異性最小(P>0.05)，甲硫氨酸+半胱氨酸和苯丙氨酸+酪氨酸評分差異性最大(P<0.05)。

表3 7種蕓豆中氨基酸分析?

? *為必須氨基酸；TAA為總氨基酸，EAA為必需氨基酸，NEAA為非必需氨基酸；EAA/TAA為必需氨基酸/總氨基酸的比值，EAA/NEAA為必需氨基酸/非必需氨基酸的比值。

表4 7種蕓豆中氨基酸評分

2.4 7種蕓豆品質主成分分析

主成分分析是將多個指標變為少數指標來反映大多數變量的信息[19-20]。主成分的選擇需對原始數據進行降維處理，根據累積方差貢獻率>80%和初始特征值>1的原則，從而確定主成分的數目。由表5可知，提取出5個主成分，其特征值>1，累計方差貢獻率達95.711%，能解釋絕大多數原始信息。因此，用提取的5個主成分代替蕓豆的18個指標來對蕓豆的品質進行評價。

表6為蕓豆的18個品質指標的主成分載荷矩陣，該矩陣反映了18個品質指標對相應主成分的影響程度[21]。由表6可知，第1主成分中正載荷較大的指標為蛋白質、錳、氨基酸，3個指標對第1主成分產生正向影響；負載荷較高的指標為脂肪，載荷權數為-0.893，對第1主成分產生負向影響。同理，第2主成分中，正載荷數較大的指標為膳食纖維、鉀、鈉，載荷權數分別為0.714，0.838，0.803；第3主成分中負載荷較大的為淀粉，載荷權數為-0.729；第4主成分中正載荷數較大的指標為鎂，載荷權數為0.842，負載荷較大的指標為鋅，載荷權數為-0.633；第5主成分中正載荷較大的為灰分，載荷權數為0.568。

表5 蕓豆品質評價因子的特征值和累積方差貢獻率

Table 5 Eigenvalue and accumulative contributionrate of quality evaluation of kidney bean

主成分特征值方差貢獻率/%累計方差貢獻率/%16.73337.40637.40624.31323.96061.36632.56114.22975.59542.13011.83187.42651.4918.28595.711

表6 主成分在各品質指標上的因子載荷矩陣

2.5 不同蕓豆品種品質特性綜合評價

使用表6中主成分載荷除以表5中的特征值開平方根[19-20]，計算得出5個主成分中每個因子的系數，得出5個主成分的表達式分別為：

F1=0.035X1-0.175X2+0.358X3-0.344X4+0.200X5+0.032X6-0.252X7+0.302X8+0.252X9+0.133X10+0.235X11+0.321X12+0.217X13+0.233X14+0.046X15+0.256X16+0.030X17+0.341X18，

(1)

F2=0.289X1+0.189X2-0.135X3+0.018X4-0.159X5+0.344X6-0.243X7-0.211X8-0.262X9-0.085X10+0.287X11-0.067X12-0.183X13+0.136X14+0.387X15+0.273X16+0.404X17+0.117X18，

(2)

F3=-0.374X1-0.456X2-0.116X3+0.021X4+0.014X5+0.306X6+0.294X7-0.031X8+0.287X9+0.219X10+0.281X11+0.065X12-0.381X13-0.073X14+0.015X15-0.036X16+0.285X17-0.106X18，

(3)

F4=0.213X1+0.083X2-0.029X3+0.145X4+0.162X5-0.217X6-0.027X7-0.203X8-0.086X9+0.577X10+0.141X11+0.028X12+0.070X13-0.434X14-0.351X15+0.319X16+0.173X17+0.042X18，

(4)

F5=0.229X1+0.252X2-0.111X3+0.288X4+0.465X5-0.278X6+0.218X7+0.265X8+0.102X9-0.109X10+0.061X11+0.342X12-0.324X13+0.225X14+0.124X15+0.057X16+0.102X17-0.222X18。

(5)

建立綜合得分模型：

F綜=0.391F1+ 0.250F2+ 0.149F3+ 0.124F4+ 0.087F5。

(6)

由表7可知，綜合得分排名前3的蕓豆分別為英國紅、龍12-2614、科蕓1號，綜合得分高，說明該蕓豆的綜合品質好，得分最低的品種為天鎮黃蕓豆。

3 結論

通過對蕓豆中淀粉、蛋白質、脂肪、膳食纖維、鈣、鐵、鋅、鉀、氨基酸等指標進行分析，并采用主成分分析綜合評價貴州7種蕓豆的品質特性。結果表明，蕓豆中蛋白質含量豐富，其含量為19.11%～23.69%；總膳食纖維含量為23.09%～27.60%，其中英國紅的含量最高。7種蕓豆中Ca、Mg、P、K含量豐富，分別為0.09%～0.20%，0.19%～0.29%，0.45%～0.61%，1.48%～1.69%，其中畢蕓Ⅱ1和龍12-2614的Ca含量最高。不同蕓豆中谷氨酸、天冬氨酸、亮氨酸含量高于其他氨基酸，其含量分別為3.41%～4.61%，2.52%～3.33%，1.68%～2.28%。在主成分分析中提取出5個主成分，累積方差貢獻率達95.711%，其中蛋白質、錳、氨基酸、脂肪、膳食纖維、鉀、鈉等因子為關鍵指標，綜合得分顯示前3的品種依次為英國紅、龍12-2614、科蕓1號。試驗所涉及的蕓豆品種和檢測指標較少，后續可增加蕓豆的品種和檢測指標，建立更加完善的綜合評價體系。

表7 7種蕓豆品質預測評價結果