基于主成分與聚類分析不同品種鮮食葡萄的氨基酸品質評價

顏孫安，史夢竹，林香信，李 巍，姚清華

（農業農村部農產品質量安全風險評估實驗室（福州），福建省農業科學院農業質量標準與檢測技術研究所，福建省農產品質量安全重點實驗室，福建福州 350003）

葡萄為著名水果之一，含多種活性成分，具有抗氧化、抗菌和抗炎等保健功效，深受消費者青睞[1-3]。世界上95%的葡萄產自北半球，我國具有豐富的葡萄屬植物種類資源[4]，其中鮮食的葡萄約占80%，其余用于釀酒和葡萄干制作。氨基酸含量與組成特征是評價水果營養品質的重要指標之一[5]。分析比較不同鮮食葡萄品種間的氨基酸組成特征差異，可為鮮食葡萄種質挖掘、品種選育及開發利用提供參考。前人對葡萄氨基酸組成及營養進行過一定的研究。Jogaiah 等[6]研究表明，鮮食葡萄中 Arg、Pro、Ser、Thr、Lys等氨基酸的含量較高。付濤等[7]研究表明，葡萄‘鄞紅’經突變后氨基酸總量及必需氨基酸含量均顯著升高。于惠春等[8]研究發現，不同釀酒白葡萄的氨基酸組成及含量等指標上存在一定的差異。但上述研究均未對不同品種鮮食葡萄的氨基酸營養價值進行全面比較分析。

主成分分析（Principal component analysis，PCA）是一種降維算法，在原有信息不缺失的前提下將多個指標轉換為少數幾個主成分，這些主成分是原始變量的線性組合，且彼此之間互不相關，其能反映出原始數據的大部分信息[9]。聚類分析（Cluster analysis，CA）能在多維空間或模式空間發現隱藏的結構，利用確定的標準計算出所有樣品之間的相關性，根據相關程度將其簡化合并，從而可以直觀地進行相似品種及組分信息的綜合比較[9]。目前PCA和CA已被廣泛應用于食品品質綜合評價。王婧等[10]利用PCA和CA對五種谷物19個品種的氨基酸進行分析研究，有效地比較不同谷物中氨基酸綜合質量；劉偉等[11]分析了湖南主栽10個黃花菜品種的游離氨基酸，通過PCA和CA能較為準確地評價其游離氨基酸綜合質量；楊林等[12]分析了西藏林芝地區五種野生食用菌的氨基酸，通過PCA法構建了綜合評價模型，提取2個主成分，與CA分析結果一致，簡化品質評價工作。本研究以我國南方31種鮮食葡萄為研究對象，分析氨基酸組成及含量，采用PCA法和CA對氨基酸品質指標進行比較，并對其蛋白質營養品質進行綜合排序，旨在為葡萄營養價值的充分挖掘及開發利用奠定研究基礎。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

供試的31個鮮食葡萄品種于2020年7～9月采自福建、浙江和湖南等地區的葡萄種植基地，詳見表1。每一品種隨機選擇15個單株，每株選取植株中部葡萄梗轉色、成熟度一致的葡萄果實1穗，裝入冰盒立即帶回實驗室后，設3個平行組，每組隨機挑選5穗，取每穗上、中、下、內、外無病害果實各10粒，洗凈，去皮去籽，果肉勻漿待測；檸檬酸、檸檬酸鈉、氯化鈉、氫氧化鈉、無水乙醇、鹽酸、硫酸和硼酸 優級純，其余試劑為分析純，均購自上海國藥集團；氨基酸混合標準品 Sigma公司；色氨酸（≥99%） 上海嘉辰化工有限公司。

表1 葡萄品種Table 1 Grape variety

LA8080型氨基酸自動分析儀 日本HITACHI公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 樣品前處理 色氨酸：稱取2～3 g試樣，置于聚四氟乙烯襯管中，加入1.5 mL 4 mol/L氫氧化鋰，置液氮中冷凍后放入水解管，抽真空封管，在（110±1）℃恒溫干燥箱中，水解20 h后，加入6.0 mol/L鹽酸中和，用pH2.2檸檬酸鈉緩沖液稀釋定容，4000 r/min離心10 min，取上清液待測。

其它氨基酸：稱取2～3 g的試樣，置于20 mL水解管中，加入6.0 mol/L鹽酸10.0 mL，置液氮或干冰（丙酮）中冷凍，然后抽真空至7 Pa（≤5×10-2mm汞柱）后封管。將水解管放在（110±1）℃恒溫干燥箱中，水解22～24 h。取出、冷卻、開管、沖洗、定容、過濾，用移液管吸取適量的濾液置真空濃縮器中或濃縮器內（放置無水CaCl2和NaOH）蒸干，必需時，加少許水，重復蒸干1～2次，加入3～5 mL PH2.2檸檬酸鈉緩沖液稀釋（使樣液中氨基酸濃度達100～500 nmol/mL）搖勻，離心，過濾，取上清液待測。

1.2.2 氨基酸自動分析條件 分析柱：Φ4.6 mm ID×60 mm；分析樹脂：2622#；除氨柱：Φ4.6 mm ID×60 mm；除氨柱樹脂：2650L；分析柱溫度：57 ℃；反應器溫度：135 ℃；檢測波長：570、440 nm；緩沖液流速：0.40 mL/min；茚三酮流速：0.35 mL/min；進樣量：20 μL。

1.3 數據處理

利用SPSS 19.0軟件對葡萄氨基酸營養進行主成分分析，依照因子的特征值大于1.00且累計方差貢獻率大于80%的原則，確定主成分因子個數。經主成分分析提取出主成分后進行綜合評價，以每個主成分分值Fi和相應特征值的方差貢獻率權重βi相乘后求和得到綜合分值F。

利用SPSS 19.0軟件對不同品種葡萄的氨基酸含量采用不轉換方式、Ward最小方差法和歐氏距離法進行系統聚類分析。

2 結果與分析

2.1 氨基酸組成及含量

由表2～表3可知，31種鮮食葡萄果實中均含有 8 種必需氨基酸（Essential amino acids，EAA）、10種非必需氨基酸（Non-essential amino acids，NEAA）；氨基酸總量（Total amino acids，TAA）總量為 171.18～583.49 mg/100 g，含量最高的為PT12，最低的為PT26；EAA含量最高的為PT10，最低的為PT7；兒童必需氨基酸（Child essential amino acids，CE）含量最高的為PT9，最低的為PT26。31種鮮食葡萄果實蛋白中 CE/T為 15.87%～39.91%，其中最高的為 PT23、PT27，最低的為PT25。31種鮮食葡萄果實中單一氨基酸含量波動較大的種類依次為：Ala、Pro、Lys、Glu和Cys。Asp含量最為穩定。

表2 31種鮮食葡萄氨基酸的組成及含量（mg/100 g）Table 2 Composition and content of amino acids in 31 table grape varieties (mg/100 g)

表3 31種鮮食葡萄各特殊功效氨基酸的含量及組成Table 3 Content and composition of special functional amino acids in 31 table grape varieties

續表 2

2.2 不同品種葡萄特殊功效氨基酸的組成及含量

特殊功效氨基酸包括支鏈氨基酸（Branched chain amino acids，BCAA）、芳香族氨基酸（Aromatic amino acids，AAA）、藥用氨基酸（Medicinal amino acids，MAA）、增香與著色氨基酸（Flavoring andcoloring amino acids，FCAA）、抗菌氨基酸（Antibacterial amino acids，ABAA）、伯胺基氨基酸（Primary amine amino acids，PAAA）等。31種鮮食葡萄果實中特殊功效氨基酸含量詳見表3。

BCAA具有調節組織蛋白質合成與分解、調節芳香族氨基酸進入血腦屏障和防治肝腎功能衰竭等作用，分別占成人、兒童及嬰兒每日EAA需要量的40%、41%及45%[13]。正常人體及其他哺乳動物的BC/A值為3.0～3.5，而當肝受傷時則降為1.0～1.5[14]。31種鮮食葡萄BCAA、AAA總量分別為21.89～49.19、9.92～22.92 mg/100 g，含量最高的為 PT10，最低的為 PT7；BC/A 值為 1.80～2.26，最高的為 PT4，最低的為 PT17；BC/E介于 41.61%～45.69%，最高的為PT24，最低的為 PT8。

部分MAA是人體不能合成，但又是維持機體氮平衡所必需的[5]。葡萄MAA總量為113.75～341.64 mg/100 g，占氨基酸總量的 54.53%～74.97%，其中PT12的含量最高，PT26最低。FCAA的氨基可與還原糖的羰基之間產生羰-氨反應，生成具有愉快香味的褐色物質，促進食品的增香與著色[13]。葡萄FCAA總量為 95.91～316.24 mg/100 g，占氨基酸總量的48.12%～67.31%，其中PT12的含量最高，PT26最低。Gly、Trp、Phe等部分氨基酸具有抗菌性[13]。31種鮮食葡萄 ABAA總量為 15.23～31.39 mg/100 g，占氨基酸總量的4.80%～9.07%，含量最高的為PT10，最低的為PT2。PAAA能分解為氮氣和有機酸，競爭性地替代仲胺與亞硝酸鹽產生范斯萊克反應，抑制二甲氨基亞硝胺生成[13]。葡萄中PAAA總量為113.82～468.34 mg/100 g，占氨基酸總量的65.78%～80.27%，含量最高的為PT12，最低的為PT26。

2.3 主成分分析

主成分分析是一種常見的多指標評價方法，廣泛運用在農作物的數量性狀分析和品質綜合評價中[15]。31種鮮食葡萄氨基酸主成分分析結果表明，前3個主成分特征值大于1，累計貢獻率為80.644%，基本上反映了18種氨基酸的綜合信息（表4）。因子載荷值（表5），反映各指標對主成分載荷的相對大小和作用方向[16]。由表4～表5可知，第1主成分的特征值為 10.836，貢獻率為 60.200%，主要反映Val、Leu、Ile、Phe、Lys、Thr和 Asp等氨基酸的信息，定義為必需氨基酸因子F1；第1主成分與18種氨基酸均呈正相關，其中Val的貢獻最大，載荷量為0.976，Arg的貢獻最小，載荷量為0.170；第2主成分的特征值為2.234，貢獻率為12.410%，主要反映Glu、Met和Arg等氨基酸的信息，定義為藥用氨基酸因子F2；第2主成分與Glu等9種氨基酸呈正相關，與Thr等其它氨基酸呈負相關，其中Glu的貢獻最大，載荷量為0.718，Cys的貢獻最小，載荷量為-0.496。第3主成分的特征值為1.446，貢獻率為8.034%，主要反映Arg、Met和His等氨基酸的信息，定義為特殊功效氨基酸因子F3；第3主成分與Arg等9種氨基酸呈正相關，與Leu等呈負相關，其中Arg的貢獻最大，載荷量為0.698，Ala的貢獻最小，載荷量為-0.619。

表4 主成分的特征值及貢獻率Table 4 Eigen values and contribution rate of the principal components

表5 主成分的因子載荷矩陣Table 5 Factor loading matrix of the principal components

以每個主成分所對應的方差貢獻率為權重，建立綜合評價模型 F=0.746F1×0.154F2×0.1F3，可計算出各品種的綜合評價得分（表6）。綜合得分前六的排序依次為早中早、玉波二號、金手指、夏黑、戶太8號和茉莉香，氨基酸綜合質量較高；倒數六個的排序依次為蜜光、紫玉、金田美指、藤稔、里扎馬特和維多利亞，氨基酸綜合質量較低。

表6 31種鮮食葡萄氨基酸的綜合得分及排名Table 6 Comprehensive quality score and ranking of 31 table grape varieties

2.4 聚類分析

與主成分分析相比，聚類分析著重區分類別內和類別間元素組成，但不會區分元素重要性，且不會對原始數據信息進行刪減，類別間重要性是等同的[17]。31種葡萄果實中氨基酸系統聚類分析結果如圖1所示。從最大組內連接距離中值5處劃分，可分為6類。第1類為紅寶石、紅芭拉多、藤稔、茉莉香、甬優1號、巨峰、戶太8號、夏黑、早夏；第2類為早中早；第3類為紫玉、紅地球、金田美指、里扎馬特、就那個味、蜜光、摩爾多瓦、陽光玫瑰；第4類為藍寶石、北醇、黑芭拉多、富十一、維多利亞；第5類為白羅莎、美人指、紫甜無核；第6類為醉金香、紅羅莎、巨玫瑰、玉波二號、金手指。

圖1 31種葡萄氨基酸營養聚類分析圖Fig.1 Dendrogram of hierarchical cluster analysis for 31 table grape varieties based on amino acid nutrition

結合主成分綜合得分可知，第2類早中早綜合得分最高；第6類5個品種綜合得分介于23.05～27.44，其中玉波二號、巨玫瑰位居第2、3位，醉金香、紅羅莎、金手指分列9、10、11位；第1類的9個品種中，除藤稔外，其他品種綜合得分介于20.18～24.80，其中夏黑、戶太8號、茉莉香、甬優1號分列4～7位；第 5類綜合得分介于 19.04～23.70；第 4類5個品種中，除維多利亞外，綜合得分介于19.10～21.26；第3類的8個品種綜合得分介于16.46～21.12，除陽光玫瑰外，其他品種排名均低于19位，說明氨基酸營養品質較差。

3 討論與結論

氨基酸是維系人體生命活動的重要物質，食物的必需氨基酸種類、含量及其比例直接影響其營養價值和保健價值[18]。與橄欖[19]、菠蘿蜜[20]等水果相比，31種鮮食葡萄果實的氨基酸種類齊全。31種鮮食葡萄的TAA、EAA、CE和BCAA含量品種間差異明顯，CE含量占比遠高于香蕉[21]、草莓[21]、石榴[22]、刺梨[23]等水果；BCAA占EAA的比例與人體組織細胞相符，優于寬皮柑橘等4種不同種類的柑橘[24]、荔枝[25]，但低于蘋果[26]、香蕉[21]和火龍果[27]；BC/A值優于蘋果[26]、金柑[24]、火龍果[27]，基本能滿足肝受損人體的需求；‘早中早’、‘玉波二號’、‘金手指’、‘夏黑’、‘戶太 8 號’和‘茉莉香’等品種的 TAA、EAA、CE和BCAA含量均高于菠蘿[20]、柑橘[24]、蘋果[26]等常見水果。

氨基酸在防止食品色、香、味和外觀變質等方面具有重要作用。與菠蘿[20]、柑橘[24]、楊梅[28]等色深氣味香的水果相比，31種鮮食葡萄中FCAA的相對含量更高，且‘早中早’、‘玉波二號’、‘金手指’、‘夏黑’、‘戶太8號’和‘茉莉香’等品種的FCAA含量高于獼猴桃[21]、荔枝[25]、枇杷[29]等水果。31種鮮食葡萄中ABAA的相對含量低于菠蘿[20]、柚[24]、檸檬[24]等常用于祛除異味的水果，但‘早中早’、‘玉波二號’、‘金手指’、‘夏黑’、‘戶太 8 號’和‘茉莉香’等品種的ABAA絕對含量高于菠蘿[20]、檸檬[24]、柑橘[24]。31種鮮食葡萄中PAAA相對含量高于獼猴桃[21]、甜橙[24]、蘋果[26]等常見水果，且‘早中早’、‘玉波二號’、‘金手指’、‘夏黑’、‘戶太 8 號’和‘茉莉香’等品種的PAAA絕對含量高于菠蘿[20]、獼猴桃[21]、檸檬[24]等水果。31種鮮食葡萄中MAA相對含量高于冬蟲夏草[30]，其中‘玉波二號’、‘金手指’更是高于鹿茸[31]、枸杞[32]和人參[33]等知名中藥材。可見，葡萄在食品增香著色和醫療保健方面具有潛在的開發潛力。

通過主成分分析，31種鮮食葡萄的18種氨基酸指標轉換為3個相互獨立的主成分，避免了原始信息之間的重疊干擾。以每個主成分的相對方差貢獻率為權重綜合評價31種鮮食葡萄的氨基酸品質，是一種客觀賦權法，避免了人為的影響，使各個品種氨基酸品質之間的差異具有可比性[34]。聚類分析是通過Ward法，將31種鮮食葡萄按氨基酸相關性區分歸類，相關性最大的優先聚合在一起，各類群依次排序為：第 2類＞第 6類＞第 1類＞第 5類＞第 4類＞第3 類。其中，第 2、6 類群中‘早中早’、‘玉波二號’和‘金手指’的綜合品質最高，第 1類群中‘夏黑’、‘戶太8號’和‘茉莉香’的綜合品質相對較高，第3、4類群中‘維多利亞’、‘里扎馬特’、‘金田美指’、‘紫玉’和‘蜜光’的綜合品質最低。比較可知，聚類分析與主成分分析的結果一致，較好地反映出不同鮮食葡萄種質間的差異性。