基于主成分、因子和聚类分析淡水鱼品种对速冻青稞鱼面品质的影响

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(1.四川旅游学院,四川成都 610100;2.四川农业大学食品学院,四川雅安 625014;3.庄河市食品检测监测中心,辽宁大连116400;4. 成都市农林科学院,四川成都 611130)

鱼面是我国传统的鱼糜制品,有着悠久的加工历史,在湖北的云梦、武汉的新洲等地区深受人们的喜爱[1-2]。鱼面是在鱼糜中加入一定量的面粉和辅料加工而成,能够改善传统面条营养不全面的缺陷[3]。乔明锋[4]等在传统鱼面的基础上,添加一定量的青稞粉和面条改良剂,研发出一款速冻青稞鱼面,口感独特、营养更加全面。鱼面中添加了大量的淡水鱼糜,所以淡水鱼的品质会对鱼面的质量有直接的影响。柳丽宁[5]等研究发现鱼糜的品质能够显著影响其制品的胶凝强度;Shan[6]等发现漂洗鲤鱼鱼肉的介质和时间不同会影响鱼糜的白度,甚至导致鱼糕颜色变暗,品质下降。研究不同品种的淡水鱼对鱼面品质的影响,评价指标包括鱼糜的理化指标和鱼面的食用品质指标,由于指标间存在一定的相关性和独立性,对于淡水鱼品种的选择,依靠几个品质指标并不能准确判断某种淡水鱼是否适宜鱼面的加工,因此采用主成分、因子和聚类分析对淡水鱼综合品质进行研究。

主成分分析法能够从指标因子间的相互关系入手,将其转化为少数几个互不关联的综合因素,简化评价的过程[7];因子分析与主成分分析类似,利用数据降维的方法将复杂关系的变量综合为较少的几个因子[8];聚类分析是将样本划为不同类群进行相似性评价的方法[9];如宋江峰[10]等采用了主成分与聚类分析对菜用大豆的品质进行综合评价;白世践[11]等针对吐鲁番地区的葡萄的品质性状进行因子、聚类分析。本实验以速冻青稞鱼面为研究对象,研究7个品种淡水鱼糜对鱼面品质的影响,通过主成分、因子及聚类分析方法对品质指标进行分析,筛选出品质最优的淡水鱼品种的同时寻求鱼糜品质评价主要因素及取值范围,简化了淡水鱼品质评价体系,为速冻青稞鱼面工业化、机械化生产提供科学依据。

1 材料与方法

1.1材料与仪器

实验室自制青稞粉(康青8号) 于2016年在甘孜州农科所八美农场实验田种植,供实验室使用;麦芯粉 临邑县鸿泰制粉有县公司;谷朊粉 山东渠风食品科技有限公司;绿色生态井盐 四川久大制盐有限责任公司;食用纯碱 郑州特正商贸有限公司;复合磷酸盐 徐州恒世磷酸盐有限公司;CMC(羧甲基纤维素钠) 郑州特正商贸有限公司;不同品种(草鱼、鲫鱼、鲤鱼、花鲢、白鲢、黔鱼、乌鱼)新鲜的淡水鱼 均采购于成都市龙泉驿区平安菜市,并用保鲜盒在1 h内运送至四川旅游学院食品学院。

YB-N型电子天平 上海精密仪器仪表有限公司;DS-1高速组织搅碎机 上海标本模型厂制造;XHF-D高速分散器 宁波新芝生物科技股份有限公司;HR2356飞利浦自动面条机 飞利浦投资有限公司;TMS-PRO型高精度专业食品物性分析仪 美国TFC公司;SF-400型手压封口机 沈阳东泰机械制造有限公司;立式RD10急冻柜 北京荣港顺华制冷设备有限公司;IFSJ-I型锤片式粮食实验粉碎机 成都施特威科技发展公司;101-oA型电热鼓风干燥箱 北京中兴伟业仪器有限公司;HHS-8s电子恒温不锈钢水浴锅 上海光地仪器设备有限公司;DC-P3新型全自动测色差计 北京市兴光测色差仪器公司;GL-22MC高速冷冻离心机 长沙湘仪离心机仪器有限公司;SZF-06A粗脂肪测定仪 上海华睿仪器有限公司。

1.2鱼糜和速冻青稞鱼面加工工艺

1.2.1 鱼糜的制备 将淡水鱼肉洗净后切成1 cm见方的小块,按鱼肉和水1∶1的比例在组织捣碎机1200 r/min下捣碎1 min左右得到鱼糜。

1.2.2 速冻青稞鱼面的制备 参考文献[4]速冻青稞鱼面的制作方法,以180 g青稞混粉(青稞粉∶麦芯粉=1∶9)为基准。将食用纯碱(0.10%)、复合磷酸盐(0.25%)、CMC(0.20%)、10 mL纯净水在95 ℃水浴锅中加热溶解,获得复合改良剂溶液;将鱼糜(33.33%)、纯净水(16.67%)、改良剂溶液(10 mL)在高速分散器10000 r/s的条件下匀浆30 s后得到鱼糜匀浆;将青稞混粉、谷朊粉(8.33%)、食盐(1.25%)、鱼糜匀浆加入自动面条机,和面8 min后静置15 min单螺旋挤压制得生面条。生面条经沸水糊化10～30 s,流水冷却沥干,称重分袋包装,然后进行速冻后于-18 ℃冷藏,即得速冻青稞鱼面。

1.3指标测定

1.3.1 鱼糜化学成分的测定 鱼糜的水分含量、蛋白质、脂肪、灰分,分别按照GB/T 9695.15-2008《肉与肉制品水分含量测定》、GB 5009-2010《食品中蛋白质的测定》、GB/T 9695.7-2008《肉与肉制品总脂肪含量测定》、GB5009.4-2010《食品中灰分的测定》,进行3次平行实验。

1.3.2 鱼糜持水性(WHC)的测定 参考孙卫青[12]等的研究方法,准确称取5 g鱼糜,在离心管中放两层滤纸,将称好的鱼糜放在滤纸中,1500 r/min离心15 min,离心后将样品移出,再次称重,包括滤纸上吸收的水分。持水能力计算:

式中:m1,样品质量,g;m2,滤纸吸收水分,g。

1.3.3 鱼糜白度的测定 使用测定色泽变化,仪器经过预热校准后进行鱼糜色泽的测定,结果以亮度值L*,红绿值a*和黄蓝值b*表示,白度计算公式如下:白度=100-[(100-L*)2+a*2+b*2]1/2[13-14]。

1.3.4 鱼糜胶凝强度的测定 参考吴润锋[15]等文献方法,并作如下改进,将不同品种的鱼糜样品进行灌肠后凝胶化,将鱼糜凝胶切成20 mm厚的片段,用质构仪测压缩型胶凝强度,检测速度为1 mm/s,胶凝强度表示穿刺强度与刺破鱼糜凝胶时探头所走距离的乘积,单位g.mm。每组做6个平行。

1.3.5 鱼糜肌原纤维蛋白的提取 参考李清正[16]的方法,略作改动。取5 g鱼肉,加入20 mL pH=7.0的50 mmol/L磷酸缓冲液,均质后于4 ℃、8000 r/min离心15 min,倾去上清液,重复沉淀洗涤1次,最后所得沉淀即为肌原纤维蛋白。

1.3.6 鱼糜肌原纤维蛋白热变性温度 参考范三红[17]等文献方法,测定采用差示扫描量热法,取淡水鱼糜精确称取5～15 mg,密封在铝盒中并放入样品池,以空盒做参比,保护气为氮气,升温速率10 ℃/min,温度范围10～100 ℃。

1.3.7 鱼糜肌原纤维蛋白乳化性 用浊度法[18-19]测定肌原纤维蛋白的乳化活性。

表1 速冻青稞鱼面感官评价标准Table 1 Sensory evaluation quick-frozen highland barley fish noodles

1.3.8 鱼面质构特性的测定 参考赵田田[20-21]等文献方法测定面条的质构,取速冻青稞鱼面20 g不解冻放入沸水锅中煮熟后(3 min)捞出,流水冷却后沥干至无明水。将煮熟的面鱼剪切为3 cm的长条,每次将4根面鱼水平放置在载物台上,放置方向与平口探头垂直,参数设定(高度30 mm,形变量50 mm,速度60 mm/min,回复力0.375 N,两次压缩停留间隔5 s),每组实验平行6组,测定其硬度、弹性、黏附性和咀嚼性指标。

1.3.9 鱼面蒸煮特性的测定 干物质吸水率测定:参照孙茹[22]等方法;干物质损失率测定:参考侯娟[23]等方法。

表2 不同品种淡水鱼糜理化指标Table 2 Physicochemical index of different varieties freshwater fish

注:同列数据标注不同字母表示差异显著(p<0.05);表3同。

1.3.10 鱼面感官评价 量取500 mL自来水于不锈钢锅中,在2000 W电磁炉上煮沸,煮至面鱼芯的白色生粉刚刚消失(3 min),立即捞出分装在碗中待品尝。由10名经过专业培训的食品科学与工程专业学生(男∶女=1∶1)组成的评价小组对不同处理的样品进行色泽、表观状态、食味和口感进行感官评定[24-25]。评价标准如表1所示。

1.4因子综合得分计算

根据主成分贡献率选取因子数量,根据因子得分计算各产品综合得分F,计算公式为:F=PC1×F1+PC2×F2+……+PCn×Fn,式中,PC1、PC2……PCn为主成分贡献率,F1、F2……Fn为因子得分[26]。

1.5数据处理

数据统计采用Excel软件,方差分析、Duncan多重比较显著性差异分析主成分、因子和聚类分析用SPSS 20.0软件。

2 结果与分析

2.1不同品种淡水鱼和鱼面品质直观分析

2.1.1 鱼糜理化指标分析 表2为7种淡水鱼糜理化指标,淡水鱼的蛋白质含量普遍较高,在16.97%～21.02%之间,草鱼的蛋白质含量最高,较其他品种淡水鱼存在显著差异(p<0.05);脂肪含量在1.02%～4.76%之间,其中白鲢的脂肪含量最低(1.02%),约为鲫鱼的0.25倍;鲤鱼的持水性、白度、凝胶强度较高,持水性相较于草鱼增幅达到65.85%,胶凝强度相较于乌鱼增幅达到31.91%。由于鲤鱼鱼肉肉质细嫩,含人体必需氨基酸、矿物质和维生素等营养元素[27]。综上所述,鲤鱼鱼糜的综合品质相对较佳。

2.1.2 鱼面食用品质分析 如表3所示,鲤鱼、花鲢鱼面的感官品质评分相较其他品种淡水鱼面评分较高,如鲤鱼色泽评分为8.60,花鲢的表观状态评分为8.32,均为最高值,可能是由于鲤鱼和花鲢胶凝强度相对较高,能够改善鱼面的韧性和口感,增强其食用品质;花鲢鱼面的质构指标相对较高,弹性值高达0.51 mm,而黔鱼鱼面的弹性值显著下降为0.04 mm;7种鱼面的吸水率在51.60%～58.88%范围内,其中鲤鱼、黔鱼鱼面的吸水率较高,乌鱼鱼面的吸水率相对较低,而损失率最高达8.44%。因此初步确认鲤鱼、花鲢鱼面综合品质较佳。

表3 淡水鱼品种对速冻青稞鱼面品质的影响Table 3 Effect of fish variety on quick-frozen highland barley fish noodles quality

表4 各品质指标间相关性分析表Table 4 Correlation analysis among various quality indexes

注:**在0.01 水平(双侧)上显著相关;* 在 0.05 水平(双侧)上显著相关。

2.2相关性分析

由表4可知,鱼糜的理化指标与鱼面的品质之间存在不同程度的相关性。鱼糜的持水性与鱼面硬度呈极显著正相关(p<0.01);鱼糜的胶凝强度与表观状态呈极显著正相关(p<0.01);鱼糜的肌原纤维蛋白乳化性与鱼面的硬度、弹性、咀嚼性呈极显著负相关(p<0.01)。以上测定的鱼糜理化指标与鱼面的品质指标之间均存在不同程度的相关性,说明指标间存在着信息的重叠,因此鱼糜的理化指标与鱼面的品质指标不能作为准确评价淡水鱼品质的主要影响因素。

2.3主成分分析

2.3.1 提取主成分 主成分分析法是用少数变量尽可能多的反映原来变量的信息,一般认为累积方差贡献率大于85%,就可以保留大部分重要信息[28]。由表5可知,前4个主成分的累计贡献率为90.38%>85%;图1为特征值的碎石图,可以根据连线坡度的陡缓程度,可以比较清楚地看出各成分的重要程度,前4个成分的特征值下降趋势较快,第5个成分开始变化趋势表现为缓慢下降,即这4个主成分能较为全面的反映淡水鱼品质的大部分信息,因此提取4个成分比较合适。

表5 主成分特征值、方差贡献率及累计贡献率Table 5 Eigenvalues,variance contribution rates and cumulative contribution rates of principal components

表6 成分荷载矩阵表Table 6 Component loading matrix

图1 碎石图Fig.1 Screen plot

2.3.2 主成分成分荷载 结合表5和表6可知,第1主成分的特征值为8.582,贡献率为45.17%,决定第1主成分的主要是鱼面的口感,其次为色泽、咀嚼性、表观状态、弹性、食味和鱼糜的胶凝强度等;可将第1主成分看作是淡水鱼品质的综合指标;第2主成分的特征值为4.771,贡献率为25.113%,第2主成分的主要是鱼糜的灰分、蛋白质等决定,可将第2主成分看作是鱼糜的理化特性指标;第3主成分的特征值2.485,贡献率为13.08%,决定第3主成分的主要是鱼糜的白度,其次为鱼面的粘附性等;第4主成分的特征值为1.333,贡献率为7.018%,决定第4主成分主要是鱼糜持水性,其次为脂肪含量。

2.4因子分析

2.4.1 基于主成分确定因子荷载 对7个淡水鱼品种的19项指标进行因子分析,由主成分分析结果可提取4个公因子,其累计贡献率达到90.38%,可以看出这4个因子能够解释淡水鱼品质指标的90.38%,具有较高的代表性。为了使因子之间的信息更加独立,用最大方差法(Varimax)进行因子旋转,旋转后的因子荷载向两端集中,能较好的地解释公因子,结果如表7所示。

表7 因子得分系数矩阵表Table 7 Rotated factor loading matrix

表8 因子得分与综合得分Table 8 Factor scores and comprehensive scores

2.4.2 因子得分与综合得分 以各公因子的贡献率作为权重,构建品质综合评价得分函数:

F=0.4517F1+0.2511F2+0.1308F3+0.0702F4,计算淡水鱼品质的因子综合评分值,若评分值越高,则淡水鱼的综合品质越好。在因子综合统计结果基础上计算出供试的7个淡水鱼品种的综合得分,如表8所示。结果表明,7个品种淡水鱼中,鲤鱼的得分最高(0.7673),其次为花鲢和鲫鱼,白鲢、草鱼、黔鱼和乌鱼的综合评分在-0.7000～0之间,其中乌鱼的评价得分最低(-0.6555)。因此,从因子综合品质分析可以筛选出品质较优的淡水鱼品种为鲤鱼和花鲢。

2.4.3 各分值相关性分析 将指标综合得分与因子得分进行相关性分析,结果如表5所示,综合得分与因子得分1呈显著正相关(p<0.05),相关系数为0.840,说明综合得分与因子得分1具有良好的相关性;而4个因子得分之间相关性均为0,说明4个公因子代表的淡水鱼品质信息不重叠,符合因子分析的要求。

表9 相关性分析Table 9 Correlation analysis

2.5聚类分析

由于因子得分1与综合得分存在较好的相关性,所以以因子得分1为依据对7个淡水鱼品种进行系统聚类分析,分析结果见图2。当类间距离为8时,7个品种淡水鱼共聚为2类,其中第1类为鲤鱼、花鲢、草鱼和鲫鱼,第2类为白鲢、黔鱼、乌鱼。以因子得分1为依据得到的分类结果,因子得分1共代表了包括胶凝强度、口感、硬度、持水性、弹性、色泽、表观状态、食味、咀嚼性等9个指标。

图2 聚类分析图Fig.2 Cluster analysis

2.6淡水鱼品质指标最佳取值范围分析

根据聚类分析结果,对9个核心指标进行分析,不同类别的淡水鱼品质指标的取值范围见表10。第一、二类中,第一类胶凝强度范围为1783.35～2295.63 g·mm,显著高于第二类(1740.32～1897.03 g·mm),鱼糜胶凝强度大,则淡水鱼糜的综合品质越高,其成品鱼面的粘性、弹性等质构特性越佳[29];感官指标评分越高,则表明面条食用品质越高,第一类面条的感官指标品质均值高于第二类,色泽评分>8.00,表观状态评分>7.80,食味评分>7.60,口感评分>18.74,此时面条品质较好;弹性、硬度、咀嚼性与面条的品质呈正相关,第一类的弹性取值0.30～0.51 mm,硬度取值0.72～0.90 N,咀嚼性取值0.07～0.15 mJ,显著高于第二类的指标值;鱼糜的持水性影响鱼肉的品质,直接影响成品鱼面的综合品质,第一类持水性为0.82%～1.36%,第二类持水性0.96%～1.15%,持水性在0.95%～1.36%范围内成品鱼面品质较佳。综上所述,将淡水鱼的品质指标最佳范围进行归纳总结,如表11所示,通过这些指标和范围可以对优质的淡水鱼品种进行有效筛选,为速冻青稞鱼面原料的筛选提供了理论依据。

表10 不同类别淡水鱼品质指标的取值范围Table 10 The value range of quality index in different freshwater fish

表11 淡水鱼品质指标最佳取值范围Table 11 The optimal value range of freshwater fish quality index

注:表中的“-”代表“无”。

3 结论

我国淡水鱼品种繁多,品质特性有极大的差异,以其为原料制作而成的速冻青稞鱼面品质也有不同程度的差异。通过主成分、因子和聚类分析对7个品种淡水鱼品质进行研究,得到9个核心品质指标的最佳取值范围:鱼糜胶凝强度1783.35～2295.63 g·mm,持水性 0.95%～1.36%,鱼面表观状态>7.80,食味>7.60,口感>18.74,色泽>8.00,弹性0.30～0.51 mm,咀嚼性0.07～0.15 mJ,硬度0.72～0.90 mJ,这些指标对高品质淡水鱼品种的筛选具有重要的意义,为工业化生产出品质稳定的速冻青稞鱼面具有重要的实践意义。

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