基于主成分与聚类分析的 市售儿童牛排质量特征研究

董 超,张 丽,谢 鹏,张松山,李海鹏,黄彩燕,马纪兵,孙宝忠,*

(1.中国农业科学院北京畜牧兽医研究所,北京 100193;2.甘肃农业大学食品科学与工程学院,甘肃兰州 730070)

随着国家经济的不断发展,国人生活水平逐渐提高,人们对肉及肉制品的需求也呈现逐年上升的趋势[1]。近年来,更多的儿童出现营养缺乏或营养过度等症状[2]。牛肉因其富含蛋白质、Fe、K、Zn、Mg、VB12、肉毒碱、肌氨酸,且是亚油酸的低脂肪来源,能够补充儿童生长发育所需的一些营养物质,同时被人们列为日常健美饮食[3]。目前,市场上出现众多品牌的儿童牛排,例如:潮香村儿童牛排、伊赛儿童牛排、福成儿童牛排、顶诺儿童牛排等。但经过前期调查统计发现,儿童牛排尚未有统一的质量标准,导致不同品牌儿童牛排品质之间存在较大差异[4]。鉴于儿童处在生长发育时期,对各种营养物质的需求与成人不同,儿童牛排应当与普通牛排有一定区别。因此,筛选市售儿童牛排品质差异的主要影响指标,对儿童牛排质量进行综合评价、提高儿童牛排品质的一致性、优化儿童牛排加工工艺具有重要意义。

目前,主要针对普通牛排的研究较多,但是关于儿童牛排的研究尚未见报道。普通牛排的研究主要集中在加工工艺、风味及烹调工艺等方面,因此,结合普通牛排研究情况对比市售儿童牛排的品质状况,来确定儿童牛排的品质差异性指标。有学者研究表明:嫩度和多汁性是影响牛排感官评价和消费者接受程度的一个重要指标[5]。王春晓等[6]对市售预制牛排质量特征进行研究,结果表明,不同部位牛排的主要品质指标存在差异,且不同指标间样品的变异幅度也不尽相同。宋晓[7]对牛排肉色改善技术进行研究,李雪蕊[5]、夏军军[8]、Kerth C[9]、Nuora A[10]等分别对牛排保水性、嫩化、风味及多汁性等进行研究,并对其工艺参数进行优化。郎玉苗[11]、Kerth C等[12]研究了熟制温度以及切割方式对煎制牛排食用品质的影响,结果显示牛排的剪切力、蒸煮损失、硬度和咀嚼性随熟制温度的升高而增加(p<0.05)。目前,主成分分析已经广泛的应用于各类食品的质量评价,罗天林等[13]利用主成分分析对真空包装牛肉品质进行评价,陈梦音等[14]研究了基于主成分和聚类分析的曲拉品质的综合评价,而运用主成分分析对儿童牛排品质差异指标进行筛选及利用聚类分析对儿童牛排样品分类及综合评价鲜有报道。

本研究为了使研究对象具有广泛的代表性,故选择北京市8家大型超市采集17种品牌、51份儿童牛排样品,对其食用品质(色泽、嫩度)、营养品质(水分、蛋白质、脂肪、pH)等指标进行测定与分析,以期为提高儿童牛排品质一致性、优化儿童牛排加工工艺提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

儿童牛排 购买于北京市4家大型超市,17种品牌,每种品牌3份,共51份(均为原味重组儿童牛排),-18 ℃冷库贮藏待测。

KDY-9820型凯氏定氮仪 北京市通润源机电技术有限责任公司;CR-400/410型色彩色差计(D65光源) 北京科美润达仪器设备有限公司;HI99163N型便携式肉类pH计 意大利HANNA公司;YP2002型电子天平 上海越平科学仪器有限公司;BS200S-WEI型电子天平 北京赛多利斯天平有限公司;TA.XT.plus物性测试仪 英国Stable Micro Systems公司。

1.2 实验方法

1.2.1 水分含量的测定 参照GB/T 9695.15-2008《肉与肉制品:水分含量测定》,采用直接干燥法进行水分的测定。

1.2.2 pH的测定 使用HI99163N型便携式肉类pH计,用蒸馏水冲洗探头并用滤纸吸干其表面水分,然后随机选取肉样3个不同部位,将pH计刀头插入肉中进行测定,结果以3次测定的平均值表示。

1.2.3 色度的测定 参考周玉春等[15]方法进行测定。将样品肉横着肌纤维的方向切开,使切面在空气中氧合30 min,用色差仪测定亮度(L*)值、红度(a*)值和黄度(b*)值,色差仪使用前经校正板标准化,预热30 min,之后将镜头垂直置于肉面上,镜口紧扣肉样切面按下摄像按钮,色度参数即自动存入微机。由于肉面颜色随位置而异,故在肉面改变位置重复3 次测量,取平均值。

1.2.4 剪切力的测定 对Pivotto[16]和王兆明[17]描述的方法稍作修改。将牛排沿着肌肉纤维的方向切成1 cm×1 cm×1 cm的小块,利用TA.XT.Plus物性仪,选用HDP/BS刀具,沿肌纤维纵向切割,测定剪切力值。测量参数为:测前速度1.50 mm/sec,测中速度1.50 mm/sec,测后速度10.00 mm/sec,触发力10 g,下压距离是10.0 mm,每秒采集数据200个,单位以kgf表示。每个样品测6次平行。

1.2.5 脂肪含量的测定 按照GB/T 9695.7-2008《肉与肉制品:总脂肪含量测定》方法测定。

1.2.6 蛋白质含量的测定 按照GB/T 9695.11-2008《肉与肉制品:氮含量测定》方法测定。

1.2.7 蒸煮损失的测定 参照李苗云[18]的方法,样品低温解冻,用滤纸吸干表面水分,在80 ℃的温度下水浴加热至中心温度为70 ℃,再次用滤纸吸干表面水分,分别称量蒸煮前后牛肉质量,记为W1、W2,按公式(1)计算蒸煮损失。

式(1)

式中:W1为蒸煮前牛肉质量(g);W2为蒸煮后牛肉质量(g)。

1.2.8 压榨损失的测定 采用加压滤纸法测定,对贾小翠[19]的方法进行改进,将牛排切成(10±1) g大小,利用TA.XT.Plus物性仪对肉样施加35 kg的压力,保持5 min,加压结束后,准确称量加压前后肉样的质量,分别记为W3、W4,按照公式(2)计算压榨损失。

式(2)

式中:W3为压前牛肉质量(g);W4为压后牛肉质量(g)。

1.2.9 弹性和硬度的测定 参考张馨木[20]的方法,将肉样切成5 cm×4 cm×3 cm大小并剔除脂肪及筋膜后放入蒸煮袋,于80 ℃水浴锅中加热,待肉样中心温度达到70 ℃后取出,冷却至室温,然后用不锈钢刀沿与肌纤维平行方向将样品修整为面积1.0 cm×1.0 cm×1.0 cm的试样待测。利用 TA.XT.Plus物性仪,测定条件:应用“TPA模式”,采用P/50探头,预压力:0.07 N,间隔时间为6 s,测试速度为4 mm/s,压缩行程为10 mm。每组实验重复6次。

1.3 数据统计与分析

采用Microsoftoffice Excel 2007及IBM SPSS 19.0对数据进行统计分析,采用IBM SPSS 19.0进行相关性分析、主成分分析和聚类分析。

2 结果与分析

2.1 市售儿童牛排品质描述性分析

水分含量的多少影响肉的营养价值、感官品质,如嫩度和多汁性等。水分含量低,牛排口感差,水分过高,牛排易被细菌、霉菌污染,引起肉的腐败变质[6]。pH是肉质评价的重要指标之一,直接影响牛排的适口性、货架期及肉色等相关指标[21]。牛排肉色是商品中给人印象最直观的体现,它直接影响到消费者的购买欲望。剪切力高低是评价牛排嫩度的重要指标,而嫩度是牛肉最重要的品质特性。所以对儿童牛排样品的食用品质(色泽、嫩度)、营养品质(水分、蛋白质、脂肪、pH)等指标进行测定与分析,51份样品的各指标的分布情况见表1。

表1 市售儿童牛排品质描述性统计Table 1 Descriptive statistics of commercially available Children’s steak quality

对市售17种品牌儿童牛排数据差异分析结果见表1。其中a*值、b*值、脂肪含量、蒸煮损失、压榨损失、剪切力、硬度、弹性等指标的变异系数均大于10%,这说明市售不同品牌的儿童牛排多数品质指标差异较大。这与王春晓等[6]研究结果一致。比较均值和中位数发现,水分含量、蒸煮损失、压榨损失、剪切力、弹性等指标的中位数接近平均数,说明这些数据的离群点较少。以上结果表明,实验所选用的儿童牛排各指标测定值均在接受范围内,离群点较少,儿童牛排特异性差异较大,具有一定的广泛性和代表性。

2.2 市售儿童牛排品质指标的相关性分析

由相关性分析(表2)可知,17种市售不同品牌的儿童牛排的12项品质指标之间均存在不同程度的相关性,且部分指标间的相关性显著。本实验涉及指标在信息上存在重叠,证明实验数据可应用主成分分析法进行降维分析。

表2 市售儿童牛排品质指标间的相关系数Table 2 Correlation coefficients among quality indexes of commercially available Children’s steak

2.3 市售儿童牛排品质指标的主成分分析

2.3.1 主成分提取 本研究采用主成分分析对市售儿童牛排的12项品质指标进行分析,结果见表3。

表3 市售儿童牛排品质主成分因子提取Table 3 Extraction of principal component factors of the quality of commercially available children’s steak

如表3所示,主成分PC1方差贡献率为30.112%,主成分PC2方差贡献率为24.236%,主成分PC3方差贡献率为14.694%,主成分PC4方差贡献率为8.652%,前四个主成分累计贡献率达到77.693%。张文彤[22]在《IBM SPSS数据分析与挖掘实战案例精粹》中说方差贡献率达到50%就可以酌情接受。为了统计方便,本研究指定选取方差贡献率最大的前两个主成分(累计贡献率达到54.348%)进行讨论分析。

2.3.2 因子载荷 因子载荷的大小能够表示原有变量在降维后,在构成的综合变量中的贡献率大小,因此,可以通过因子载荷图来确定与主成分密切相关的主要原变量,不同品牌市售儿童牛排品质指标的前2个主成分的因子载荷图见图1。

图1 各原始指标在主成分上的载荷Fig.1 Original index in the principal component load factor

由图1可知,pH、脂肪、弹性、L*、a*、b*值在主成分PC 1上具有较高的载荷,说明相关性极高。而在主成分PC2上,蒸煮损失、压榨损失、剪切力、硬度、蛋白等指标载荷较高、说明主成分PC2数值的大小主要受控于这些指标。

2.3.3 市售儿童牛排样品主成分得分 计算样品得分后,将主成分PC1与PC2作为X轴与Y轴,在二维坐标系内绘制样品得分分布图,见图2。蒸煮损失、压榨损失、剪切力、硬度、蛋白物理意义广泛、该指标群能够较全面反映样品信息,由图2可知,根据样品在主成分PC2上分值大小,所有样品可被分为三类,该三类样品在品质上存在较大差异。陈梦音等[14]研究报道,运用主成分分析评价藏区曲拉品质,根据其筛选的主成分绘制的样品分布图中,8个地区的曲拉样品分布比较分散,说明8个地区曲拉样品的品质具有差异性。

图2 由主成分得分绘制的样品得分分布图Fig.2 The sample score distribution drawn by principal component scores

2.4 市售儿童牛排样品的聚类分析

为验证主成分分析结果的可靠性,根据品质指标的主成分,本研究采用聚类分析法进一步加以验证。对上述17种品牌,51份市售儿童牛排样品进行分类,以期达到客观、公正、综合地评价市售儿童牛排品质。统计结果见图3。由图3可知,在欧氏距离2.5时,实验所有样品可被分为三类,其中,第1类包括14个品牌,42份市售儿童牛排样品,占总体的82.35%左右;第2类包括2个品牌,6份市售儿童牛排样品,占总体的11.76%左右;第3类包括1个品牌,3份市售儿童牛排样品,占总体的5.89%左右。杨生保等[23]利用聚类分析方法将77份番茄样品分成3大类,分类结果表明3类番茄均有差异性及各品种独特性,公丽艳等[24]利用聚类分析将评价苹果品质的17个品质指标分为5类。其分类结果与主成分分析法提取的主成分结果相一致。说明本研究结果可靠。

图3 系统聚类分析图Fig.3 Dendrogram of duster analysis

2.5 儿童牛排品质指标的方差分析

运用聚类分析将17种品牌,51份市售儿童牛排样品分为3大类,现将各类的品质指标间差异性及独特性进行方差分析。其分析结果见表4。

表4 各类市售儿童牛排品质指标方差分析Table 4 Analysis of variance of quality factors for the groups of commercially available Children’s steak classified by cluster analysis

由表4可知,各类牛排品质指标的部分指标间存在显著差异(p<005)。a*值、b*值、蛋白质含量、蒸煮损失前两类儿童牛排与第三类差异均显著(p<005);三类牛排间剪切力值差异均显著(p<005);硬度与弹性第一类与二、三类牛排差异均显著(p<005)。此结果与主成分分析结果相一致。

3 结论

对市售17种儿童牛排51份样品的12项品质指标进行相关性分析,表明儿童牛排的食用品质(色泽、嫩度、pH、蒸煮损失、压榨损失)、营养品质(水分、蛋白质、脂肪)之间均存在不同程度的相关性。

主成分分析和聚类分析对51份市售儿童牛排样品品质综合评价,结果表明51份样品被分为3类,3类样品的差异主要体现在保水性和嫩度上,故有望统一牛排的保水性和嫩度,从而提高儿童牛排品质一致性。