基于多元统计分析的冻干草莓果粉品质评价因子筛选

丛嘉昕,宋江峰,李大婧,*,包怡红,刘春泉,杨秋明,肖亚冬

(1.东北林业大学林学院,黑龙江哈尔滨 150036; 2.江苏省农业科学院农产品加工研究所,江苏南京 210014)

草莓(FragariaananassaDuch.)果肉柔软多汁,甜酸适度,且芳香浓郁,可鲜食也可加工成果酒、饮料、果粉、果醋、果脯等产品,深受大众喜爱。草莓果肉中富含糖类、有机酸、花色苷、维生素和多种微量元素,具有和胃消积、明目养肝等功效[1-2]。草莓冻干果粉是将草莓经过真空冻干脱水、粉碎后制得的粉末状物质,既保留草莓原有的色、香、味和营养成分,又有利于人体消化吸收,可以作为功能型果粉满足不同人群的营养需求,也可作为辅料型果粉投入到其他食品加工中,是提高草莓果商业价值的一种有效途径。由于不同品种草莓果粉的感官、理化性质差异较大,为了更好地提高其利用效率,需要进行品种选择,通过对感官、理化、加工等综合品质的评价,筛选出适宜的制粉品种。

多元统计分析研究为果粉的综合品质评价提供了一种新的方法。目前,该法已在多种水果、蔬菜和茶叶等品质评价研究中应用。杨玲等[3]采用主成分分析法分析新品种“华红”苹果的流变特性参数,并预测评价贮藏期间果实的质地品质。孙亚强等[4]对初步筛选的50份酸枣资源,采用因子分析和聚类分析完成对与酸枣相关的16个果实品质性状的评价和分类。马玉娟等[5]通过因子分析对鲜苹果13 项品质指标进行筛选,利用概率分布和层次分析分别进行品质评价指标的分级及指标权重的确定,再通过K-均值聚类分析和判别分析建立苹果品质判别函数模型。得到对鲜苹果品质综合评价的5个判别函数,建模样本和检验样本的判别正确率分别达95.65%和91.67%。李丽[6]以辽宁地区12个主栽品种草莓为原料,测定并分析速冻草莓的12项品质指标,应用统计分析学中的主成分分析及相关性分析,对影响速冻草莓品质的核心指标进行了筛选确定。目前,对不同品种草莓果粉的品质评价未见报道,为此,本文主要以江苏和山东主栽培的21个草莓品种为原料,制成冻干草莓果粉,对其主要品质指标进行测定后,采用描述性统计、相关性分析、主成分分析和聚类分析,评价影响冻干草莓果粉综合品质的主效因子,探讨不同草莓品种制备果粉的差异,为冻干草莓果粉进一步利用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

21个品种草莓 基本信息如表1所示,在栽培管理条件基本相同的前提下种植,于不同品种九成熟期、果面着色达90%时采收,选取果实饱满、颜色均匀,且无机械损伤和感染的草莓鲜果为原料,用于果粉的制备;1,1-二苯基-2-三硝基苯肼(DPPH) 美国Sigma公司;总抗氧化能力(T-AOC)检测试剂盒 上海信裕生物科技有限公司;考马斯亮蓝G-250 上海蓝季科技发展有限公司;乙腈(色谱纯) 美国天地公司;乙醇、盐酸、硫酸、咔唑、半乳糖醛酸、氢氧化钠、磷酸二氢钾、二硝基苯肼、草酸、硫脲、活性炭、蔗糖、葡萄糖、果糖、氯化钠(均为分析纯) 国药集团化学试剂有限公司;抗坏血酸、草酸、柠檬酸和苹果酸标准品 百灵威科技有限公司;其它试剂 均为国产分析纯。

表1 21个草莓品种的基本信息Table 1 The basic information of 21 cultivars of strawberry

BLK-FD-0.5真空冷冻干燥机 江苏博莱客冷冻科技发展有限公司;MJ-BL25B31多功能电动搅拌机 美的集团有限公司;WSC-S型色差仪 上海精密科学仪器有限公司;QTS质构分析仪 英国CNS Farnell公司;Agilent 1200高效液相色谱仪 美国安捷伦科技有限公司;TU-1810紫外可见分光光度计 北京普析通用仪器有限公司;BS-224-S万分之一天平 赛多利斯科学仪器(北京)有限公司;F600 粗纤维测定仪 济南海能仪器股份有限公司;TG16-WS台式高速离心机 长沙湘仪离心机仪器有限公司;HH-8恒温水浴锅 金坛市环保仪器厂;101A-2型数显电热鼓风干燥箱 上海浦东荣丰科学仪器有限公司;TNX1100-30马弗炉 上海向北实业有限公司;RE～52A旋转蒸发器 上海亚荣生化仪器厂。

1.2 实验方法

1.2.1 草莓果粉制备工艺流程 草莓→清洗、去蒂、切片→预冻→真空冷冻干燥→粉碎、过80目筛→冻干草莓果粉

预冻:将处理好的新鲜草莓于-80 ℃冰箱预冻24 h,待真空冷冻干燥。

真空冷冻干燥在BLK-FD-0.5型真空冷冻干燥机进行,当冷阱温度达到-30 ℃时,关闭冷阱,打开“冻干仓制冷”,物料温度降到-25 ℃,将预冻物料放到冻干仓封盖密封,1 h后,关闭“冻干仓制冷”,打开“冷阱制冷”,待冷阱温度降至-40 ℃时,开启“真空泵”,真空压力下降到30 Pa时,将“加热手动”打到“自动”上,开启“循环泵”,开始干燥。根据冻结草莓的特性,设置不同的加热时间和加热温度阶段,具体如下:

第1阶段:加热温度0 ℃;加热时间1 h

第2阶段:加热温度5 ℃;加热时间1 h

第3阶段:加热温度15 ℃;加热时间1 h

第4阶段:加热温度25 ℃;加热时间1 h

第5阶段:加热温度35 ℃;加热时间1 h

第6阶段:加热温度39 ℃;加热时间1 h

第7阶段:加热温度42 ℃;加热时间24 h

1.2.2 草莓果粉品质指标测定 测定的草莓果粉感官指标主要为色泽参数(L*、a*、b*),理化营养指标包括水分含量、可溶性蛋白含量、果胶含量、粗纤维含量、VC含量、有机酸含量(草酸、苹果酸、柠檬酸)、可溶性糖含量(葡萄糖、果糖、蔗糖)、花色苷含量、DPPH自由基清除率和总抗氧化能力(T-AOC),加工指标包括吸湿性、持水能力、粘力和产出率,共21个品质指标。其中,草莓果粉的色泽采用CIE颜色系统中L*、a*和b*值表示[7]。水分含量参照GB 5009.3-2010,采用恒重法测定。可溶性蛋白含量采用考马斯亮蓝G-250染色法[8]。果胶含量参照NY/T 2016-2011,分光光度法测定。粗纤维含量参照GB/T 5009.10-2003测定。VC含量参照GB/T 5009.86-2003,2,4-二硝基苯肼法测定。有机酸含量按照Giannoccaro等[9]和徐玉涛等[10]的HPLC方法测定。可溶性糖含量按照Giannoccaro等[9]和生静雅等[11]的HPLC方法进行测定。花色苷含量采用pH示差法测定[12-13]。DPPH自由基清除率参照方敏等[14]和罗娅等[15]的方法测定。总抗氧化能力(T-AOC)参照林志钦[16]的方法测定。果粉吸湿性参照马占强等[17]方法测定。持水能力参照Zhang等[18]方法测定。产出率参照王轩[19]方法测定。粘力采用QTS质构分析仪测定:称取1.00 g草莓果粉溶于10 mL蒸馏水中,搅拌均匀后待测,测定条件:TA 10探头,下压速度1.0 mm/s,压后上行速度8.00 mm/s,测试深度10 mm。以上各指标重复三次测定。

1.3 数据处理

对草莓冻干果粉品质指标原始数据进行Z-标准化,随后进行相关性、主成分分析和系统聚类分析,聚类方法采用组间联接,区间采用平方Euclidean距离。原始数据Z-标准化处理公式如下:

式中:x为原始数据;μ为平均值;σ为标准差。

数据分析采用Excel 2007和SPSS 19.0数据统计分析软件进行。

2 结果与分析

2.1 冻干草莓果粉品质指标描述统计

21个品种冻干草莓果粉品质指标描述统计结果见表2。由表2可知,品种间不同指标的变异系数差异较大。21个指标的变异系数范围在5.39%～64.17%之间,其中DPPH自由基清除率和b*值的变异系数在6%以下,分别为5.85%和5.39%,说明未表现出明显的品种间差异,品种间相对稳定。其余19项指标的变异系数较大,其中,草酸含量和苹果酸含量的变异系数最大,分别为64.17%和53.56%,数据的变化范围为6.85～62.64 mg/g和7.78～54.59 mg/g。另外,各指标的平均值和中位数都较为接近,这意味着本研究分析用指标的原始数据并不存在异常变异,保证了后续指标筛选的稳健性和可靠性。

表2 冻干草莓果粉品质指标的描述性分析结果Table 2 Data distribution of quality evaluation indexes for freeze-dried strawberry powder

2.2 相关性分析

由于不同指标的计量单位不同,数据量纲也不一致,在后续数据分析过程中需对原始数据进行标准化。由表3相关性分析结果可知,冻干草莓果粉各品质指标间相关性分析共有210个相关系数,在α=0.01水平上存在显著相关性的有19个,在α=0.05水平上存在显著相关性的有11个。其中,水分含量、吸湿性、粘力、苹果酸彼此间存在显著相关性(p<0.01),吸湿性与粘力、产出率呈显著负相关(p<0.01),与苹果酸呈显著正相关(p<0.01);L*值与a*值、b*值、花色苷含量均呈显著负相关(p<0.01),且四个指标彼此间存在显著相关性(p<0.01);可溶性蛋白含量与蔗糖含量呈负相关(p<0.05),与粗纤维含量呈显著正相关(p<0.01);葡萄糖含量与果糖含量呈显著正相关(p<0.01),草酸含量与柠檬酸含量(p<0.05)、DPPH自由基清除率(p<0.01)均存在显著相关性;VC含量与总抗氧化能力(T-AOC)呈显著正相关(p<0.05),但与DPPH自由基清除率呈显著负相关(p<0.05),这与唐忠厚等[20]对不同肉色甘薯的研究结果一致。从相关性分析结果可知,各指标间均存在不同程度的相关性,使得冻干果粉品质评价结果因品质指标所反映的信息重叠而不明确,这就需要对各品质指标进行分类、简化,从而提高冻干果粉品质综合评价结果的准确性。

表3 冻干草莓果粉品质指标相关性分析Table 3 Correlation analysis of quality indexes for freeze-dried strawberry powder

2.3 主成分分析

旋转后的主成分分析结果见表4。主成分数目的确定要求既满足数据的降维又能包括原始数据的大部分信息;累积方差贡献率通常反映主成分所包含的原始信息的比率。本实验根据累积贡献率不低于80%的原则,明确主成分个数[21],因此,由特征值λ>1的前六个主成分(图1),累积方差贡献率达81.895%,综合了大部分原始数据的信息,可代表冻干草莓果粉品质性状筛选的综合因素。

图1 主成分分析碎石图Fig.1 Screen plot of principal component analysis

数据经最大方差法旋转后,各因子的载荷值更接近于0或1,可以更好地解释归纳出各主成分下的因子。由表4可知,第一主成分的方差贡献率为24.789%,其中,贡献最大的是吸湿性,其次是水分含量、苹果酸含量、粘力和产出率,主要反映冻干草莓果粉的加工品质,也在一定程度上反映了果粉的酸度。第二主成分的方差贡献率为20.961%,综合了L*值、a*值、b*值和花色苷含量的信息,主要反映冻干草莓果粉的色泽,其中,L*值和a*值、b*值在第二主成分上的分布均呈相反方向,说明随着主成分值增大,L*值越小,a*值、b*值越大,草莓果粉色泽越红。第三主成分的方差贡献率为14.973%,综合了DPPH自由基清除率、VC含量、草酸含量、柠檬酸含量和总抗氧化能力(T-AOC)的信息,主要反映冻干草莓果粉的抗氧化能力和酸度。第四主成分的方差贡献率为10.337%,综合了可溶性蛋白含量、葡萄糖含量、蔗糖含量、果糖含量和粗纤维含量的信息,反映了冻干草莓果粉的甜度和内在营养品质。第五主成分的方差贡献率为5.523%,主要包括果胶含量的信息,反映了冻干果粉的质地与流变特性。第六主成分的方差贡献率为5.313%,主要包括持水能力的信息,部分反映了冻干果粉的加工品质。

表4 主成分旋转成分矩阵Table 4 Rotational component matrix

根据主成分分析结果,以6个主成分对应的方差相对贡献率为权重,将各品种主成分得分和相应的权重进行线性加权求和,计算各冻干草莓果粉品种的综合评价得分[22-23],综合得分越高表示该品种冻干草莓果粉品质越好。21个品种冻干草莓果粉在各主成分下的得分及品种综合得分结果见表5。由表5可知,凤凰、梦、假章姬和紫金香玉品种的综合得分较高,表明选用这些品种作为草莓果粉的制备原料优势较大。

表5 不同品种冻干草莓果粉的主成分得分Table 5 Principal component scores of different varieties of freeze-dried strawberry powder

2.4 品质指标的聚类分析

根据主成分分析结果,采用组间联接和平方Euclidean距离对冻干草莓果粉的21个品质评价指标的载荷系数进行系统聚类分析,通过聚类把草莓果粉品质指标中相关性较强的指标优先聚在一起,单独分为一类的指标具有相对独立性。聚类分析结果见图2。结果表明,在类间距离为15时,上述指标被分为6类,第一类包括吸湿性、水分含量、苹果酸含量、葡萄糖含量、果糖含量;第二类包括a*值、b*值、花色苷含量、可溶性蛋白含量、粗纤维含量;第三类包括草酸含量、柠檬酸含量、VC含量、总抗氧化能力(T-AOC)、持水能力;第四类包括DPPH自由基清除率、果胶含量;第五类包括粘力、产出率、蔗糖含量;L*值单独聚为第六类。

图2 21个品质评价因子的聚类结果Fig.2 Clustering results of 21 quality evaluation factors

由相关性分析知,同聚为一类的果粉品质指标间具有密切的相关性,可选用1个或几个指标代表其他指标,予以简化;再根据果蔬粉有关指标要求和实际情况,分别在每一类中筛选出具有代表性的核心指标。在第一类中,吸湿性与水分含量、苹果酸间存在显著相关性,且吸湿性的贡献率最大,故选择吸湿性为核心指标,考虑到冻干果粉的风味对其品质的重要性,葡萄糖和果糖是反映冻干果粉甜度的指标,二者间存在显著相关性,但草莓果粉中果糖含量较高,更能反映冻干草莓果粉的甜度,因此,果糖含量被选为代表性指标,最终选择吸湿性和果糖含量为第一类的核心指标;在第二类中,a*值、b*值、花色苷含量彼此间以及可溶性蛋白含量与粗纤维含量间均呈显著正相关,由于粗纤维含量贡献率最小,排除该指标,色泽是决定果粉外观品质的重要指标,但b*值变异系数较小,a*值贡献率较花色苷含量大,故选择a*值为代表性指标,因蛋白质的持水性,在一定程度上决定着果粉的溶解能力,故可溶性蛋白含量也被选为核心指标,因此,第二类的核心指标为a*值和可溶性蛋白含量;在第三类中,VC含量的贡献率最大,主要反映冻干果粉的营养品质;在第四类中,DPPH自由基清除率变异系数小于6%,不作为代表性指标,选择果胶含量为第四类的核心指标;在第五类中,蔗糖含量因贡献率最小被排除,产出率与粘力间存在较强相关性,而粘力与果胶含量有所关联,故选择反映果粉加工品质的重要指标产出率作为第五类的核心指标;L*值由于单独聚为一类,直接作为核心指标。综上,可将草莓果粉品质评价指标简化为吸湿性、果糖含量、a*值、可溶性蛋白含量、VC含量、果胶含量、产出率和L*值8个核心指标。

3 讨论

草莓属于浆果类,容易腐烂而不耐贮藏,因此除部分鲜食外常加工成果蔬制品。大量研究表明[24-25],真空冷冻干燥方法制得的草莓果粉能有效地保留草莓原有的色泽、香味和营养成分,并延长其保存期,提高草莓商品价值,是目前常见的制备方法。除了制备技术与干燥工艺外,品种是影响草莓果粉品质性状的重要因素之一,于漫漫等[26]通过5个品种草莓果粉抗氧化物质及其活性的研究表明,不同品种草莓果粉的抗氧化成分含量差异较大,李国鹏等[27]分析了不同品种番石榴果粉得率、果粉色泽、成粉特性、营养成分的果粉及其抗氧化活性等方面的差异。本研究中,以江苏及周边草莓主栽品种为研究对象,避免了产地和气候条件带来的极大影响,比较显示不同品种草莓冻干果粉的品质性状存在差异,尤其在水分含量、吸湿性、蔗糖含量、草酸含量、苹果酸含量、粗纤维含量、VC含量、花色苷含量和总抗氧化能力方面表现出明显的品种间差异,推测可能与品种基因型差异及遗传特性有关。

本研究选取DPPH自由基清除率、总抗氧化能力、吸湿性、色泽、可溶性糖含量、VC含量、可溶性蛋白含量等21项测定指标,作为评价冻干草莓果粉综合品质的主要指标。由于各品质指标间具有不同程度的相关性,说明指标间存在部分信息重复,通过主成分分析法在不损失或较少损失原始信息的前提下,将原来彼此间具有相关性的较多指标简化为彼此间相对独立或相关性较小的几个具有代表性的指标,提高了冻干果粉品质综合评价的准确性和合理性[28]。主成分分析在果蔬品质评价指标的筛选方面应用较为广泛,Bi等[29]分析了9个不同来源的富士苹果脆片的16个评价指标,通过主成分分析提取了5个主成分,并采用聚类分析确定了粗纤维含量、脆性、可滴定酸含量、生产率和膨胀比5个特征指标。Lyu等[30]分析了通过气流膨化制备的15种黄桃片的19个评价指标,采用主成分分析,分析层次分析,K均值聚类和鉴别分析的方法对黄桃片的综合质量进行了评价,最终确定的简化指标为糖含量,产出率,含水量,a*值和L*值。宋江峰等[31]在研究菜用大豆品质综合评价时,采用主成分分析法和聚类分析法将18项品质指标简化为百粒质量以及叶绿素、VC、可溶性糖、粗脂肪、异黄酮含量、硬度和a*值8个核心指标。其他的品质评价方法有层次分析法、灰色关联度分析法、聚类分析法和多维价值理论等,而在草莓果粉品质评价中却很少应用。本实验通过主成分分析提取出前6个主成分,累积贡献率为81.895%,结合聚类分析,进一步对评价因子的品质性状进行归类筛选,筛选出草莓果粉品质评价因子为吸湿性、果糖含量、a*值、可溶性蛋白含量、VC含量、果胶含量、产出率和L*值,较为全面地构建了草莓冻干果粉品质评价的体系基础。通过对21个品种草莓果粉品质性状指标的主成分分析,综合得分值最高的品种分别为凤凰、梦、假章姬和紫金香玉,说明选用这些品种作为草莓果粉的制备原料优势较大。

经主成分分析提取出主成分,结合各品种草莓果粉在各个主成分中的得分,基本可以判定哪些品种的果粉在所提取的主成分中具有明显优势,从而针对具体的指标和各品种果粉进行分析评价。对本研究来讲,这比对各品种果粉进行综合得分排序评价更加客观、合理。本研究后期将对该评价模式进行验证,以期能全面而真实反映参评因子的优劣,为草莓果粉品质评价提供科学依据。

4 结论

不同草莓品种的冻干果粉品质存在明显差异,DPPH自由基清除率和色泽b*值的品种间变异系数较小,草酸含量和苹果酸含量的品种间变异系数最大。采用主成分分析对21个品种冻干草莓果粉的21个品质性状进行主成分分析研究,提取前6个主成分,累积贡献率达到81.895%,对结果进一步采取系统聚类,结合相关性和主成分分析,筛选出吸湿性、果糖含量、a*值、可溶性蛋白含量、VC含量、果胶含量、产出率和L*值8个核心指标。综合运用主成分分析和聚类分析方法可以简化草莓果粉品质评价指标,有助于优良品质特性的草莓果粉的评价与筛选。

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