基于主成分分析的菜心营养品质判定

原远 李光光 郑岩松 乔燕春 周贤玉 张华 雷建军

摘要：【目的】分析不同菜心品种的营养品质差异，为菜心的加工利用及新品种选育提供理论依据。【方法】采集23个菜心品种的主薹，测定其维生素C（Vc）、还原糖、粗蛋白、粗纤维和干物质含量等营养指标，运用主成分分析（PCA）和聚类分析（CA）判定其营养品质差异。【结果】在23个菜心品种中，四九菜心-19的Vc含量最高，约为油绿702的1.80倍；增城一号迟甜菜心王的还原糖含量最高，约为油绿701的3.00倍；四九菜心-19的粗蛋白含量最高，约为油绿802的1.60倍；油绿802的粗纤维含量最高，M120油青甜菜心王次之；增城一号迟甜菜心王的干物质含量最高。主成分分析结果表明，第一主成分（PC1）主要综合还原糖和粗纤维含量的信息即甜度因子，第二主成分（PC2）主要综合Vc含量的信息即酸度因子；增城一号迟甜菜心王、连州菜心、超靓王100天油青甜菜心、严选特靓A50油绿甜菜心王和名优408超冠甜菜心王分布在PC1和PC2正向区间，还原糖和酸含量高，风味比其他品种浓。聚类分析结果表明，可将23个菜心品种分为Ⅳ类，其中，四九菜心-19自成Ⅰ类，增城一号迟甜菜心王聚为Ⅱ类，油绿802聚为Ⅲ类，其余品种聚为Ⅳ类，与主成分分析结果基本一致。【结论】基于主成分分析可判定23个菜心品种的营养品质差异，生产上可根据菜心的不同营养品质和功能进行加工利用，或将这些差异作为品种选育的依据。

关键词： 菜心；营养品质；主成分分析；聚类分析

中图分类号： S663.1 文献标志码：A 文章编号：2095-1191（2018）08-1568-07

0 引言

【研究意义】菜心（Brassica campestris L. ssp. chinensis var. utilis Tsen et Le）是十字花科芸薹属芸薹种白菜亚种的一个变种，以花薹为主要产品，是华南地区的主栽蔬菜品种，可进行周年生产供应，具有芸薹属的特殊清香，品质脆嫩，营养丰富，既适合内销，又可出口创汇（张华和刘自珠，2010）。随着科技的进步和经济的发展，人们对蔬菜的色、香、味、形态和营养等提出了更高要求。但市售菜心品种繁多，形态多样，且不同品种间营养品质参差不齐。因此，分析不同品种菜心的营养品质差异，对菜心的加工利用和新品种选育具有重要意义。【前人研究进展】已有研究表明，每百克菜心含能量89 kJ、水分93.5%、灰分1.10 g、粗纤维0.91 g、粗蛋白2.15 g、粗脂肪0.69 g、碳水化合物1.65 g和維生素C（Vc）52.16 mg，是人们理想的能量和膳食纤维来源（耿安静等，2012）。欧壮喆等（2008）以调查和专家打分形式评比24个菜心品种的品质，结果表明，特级油绿甜菜心、佰顺2号早菜心和科田70天菜心的综合性状较佳，适宜在广州地区推广种植。杜志炜等（2009）研究8个早熟菜心品种的植物学性状、产量和商品性，结果表明，油绿粗薹四九菜心的综合表现最好，可作为优质出口和本地销售品种。宋世威等（2011）采用系统聚类法对41个菜心品种的形态、产量和品质性状进行聚类分析，发现各品种在熟性和品质等方面差异明显，提出在生产中需根据销售目标选择适宜品种的建议。佘旭东等（2014）研究早熟菜心种质的夏秋季表型性状，发现夏季表型性状的变异程度明显大于秋季；夏、秋季菜心各聚为三类；振兴甜菜心、早熟粗条油青甜菜心和矮脚45天菜心可初步筛选为早熟耐热种质材料。苏蔚等（2014）研究菜心产品器官主要营养成分和硝酸盐的分配规律，发现整株匀浆法与分器官加权求和法获得的数值差异不显著。钟玉娟等（2017）研究44个菜薹品种的Vc和可溶性固形物等营养含量与硝酸盐积累的关系，发现硝酸盐积累与营养指标呈显著负相关，降低硝酸盐含量可改善菜薹的营养品质。【本研究切入点】目前，运用主成分分析法对菜心品种进行营养品质分析的研究鲜见报道。【拟解决的关键问题】测定分析23个菜心品种的营养指标，运用主成分分析和聚类分析判定其营养品质差异，探讨菜心营养品质评价方法，为菜心的合理加工利用及新品种选育提供参考依据。

1 材料与方法

1. 1 试验材料

供试菜心品种23个，其中早熟品种6个、中熟品种9个、迟熟品种8个，各品种来源及熟性见表1。

1. 2 试验方法

田间试验在广州市农业科学研究院花都基地进行，室内试验在广州市农业科学研究院农业环境与农产品检测中心进行。各品种菜心2016年11月露地直播于广州市农业科学研究院花都试验基地。采用随机区组排列设计，每小区面积1.8 m2，行播，株间距约0.20 m×0.20 m，小区间行距约0.3 m。播前施足底肥，菜心长出2～3片真叶后间苗，使每小区苗数基本一致，常规田间管理。根据不同品种性状判定采收时期，多数品种生长至齐口花期时采收，始收期为2016年12月，至翌年1月底结束。

1. 3 测定指标及方法

收获时测定形态指标、生物量、产量及营养品质指标等。每品种选取15株独立植株，采用混合取样法，将主薹部分洗净、晾干，放入榨汁机中捣碎匀浆，用于测定营养品质指标。Vc、还原糖、粗蛋白、粗纤维和干物质含量分别参照GB/T 5009.86—2003、NY/T 1278—2007、GB 5009.5—2010、GB/T 5009.10—2003和GB 5009.3—2010中的方法进行测定。

1. 4 统计分析

试验数据采用SAS 9.1.3和Graphpad Prism 6.0进行统计及制图，运用主成分分析法和聚类分析法中的最小距离法进行分析。

2 结果与分析

2. 1 营养品质分析结果

2. 1. 1 Vc含量 23个菜心品种的Vc含量为46.17～83.01 mg/100 g（图1-A）。其中，四九菜心-19的Vc含量最高（83.01 mg/100 g），约为油绿702（46.17 mg/100 g）的1.80倍，极显著高于连州菜心（66.67 mg/100 g）（P<0.01，下同），二者也极显著高于其他品种；超靓王100天油青甜菜心（63.90 mg/100 g）、油绿701（63.51 mg/100 g）和无渣120天尖叶油青菜心（62.32 mg/100 g）的Vc含量差异不显著（P>0.05，下同），但均极显著高于除四九菜心-19和连州菜心外的其他18个品种。四九菜心-19和连州菜心等6个品种（占参试品种数的26.09%）的Vc含量大于60.00 mg/100 g；增城一号迟甜菜心王和迟心4号等13个品种（占参试品种数的56.52%）的Vc含量为50.00～60.00 mg/100 g；油绿501和油绿702等4个品种（占参试品种数的17.39%）的Vc含量为45.00～50.00 mg/100 g。说明大部分菜心品种的Vc含量集中在50.00～60.00 mg/100 g，而早熟品种四九菜心-19和迟熟品种连州菜心的Vc含量相对较高，迟熟品种增城一号迟甜菜心王居中，中熟品种油绿702的Vc含量最低。

2. 1. 2 还原糖含量 各菜心品种的还原糖含量为0.67～2.37 g/100 g（图1-B）。其中，增城一号迟甜菜心王的还原糖含量（2.37 g/100 g）最高，油绿802（2.35 g/100 g）次之，二者差异不显著，但极显著高于其他菜心品种，约为油绿701（0.67 g/100 g）、四九菜心-19（0.69 g/100 g）和油绿501（0.70 g/100 g）的3.00倍；M120油青甜菜心王和多芽90天尖叶甜菜心等6个品种（占参试品种数的26.09%）的还原糖含量为1.50～2.00 g/100 g；超靓王100天油青甜菜心和极品408甜菜心等10个品种（占参试品种数的43.48%）的还原糖含量为1.00～1.50 g/100 g；迟心4号、油绿702和四九菜心-19等5个品种（占参试品种数的21.74%）的还原糖含量为0.60～1.00 g/100 g。说明大部分菜心品种的还原糖含量在1.00～1.50 g/100 g，而增城一号迟甜菜心王和油绿802的还原糖含量较高，中熟品种油绿702和早熟品种四九菜心-19属于低还原糖含量品种。

2. 1. 3 粗蛋白含量 各菜心品种的粗蛋白含量为1.75～2.77 g/100 g（图1-C）。其中，四九菜心-19的粗蛋白含量（2.77 g/100 g）最高，与名优408超冠甜菜心王（2.70 g/100 g）差异不显著，但极显著高于其他21个品种，约为油绿802（1.75 g/100 g）的1.60倍；严选特靓A50油绿甜菜心王、M120油青甜菜心王、连州菜心、无渣120天尖叶油青菜心和多芽90天尖叶甜菜心等5个品种的粗蛋白含量差异不显著，但均显著高于极品408甜菜心（P<0.05，下同）；四九菜心-19和连州菜心等7个品种（占参试品种数的30.43%）的粗蛋白含量为2.50～2.80 g/100 g；澳洲超级701柳叶甜菜心和迟心4号等13个品种（占参试品种数的56.52%）的粗蛋白含量为2.00～2.50 g/100 g；油绿80天、迟心2号和油绿802的粗蛋白含量低于2.00 g/100 g。说明大部分供试菜心品种的粗蛋白含量在2.00～2.50 g/100 g，而早熟品种四九菜心-19和名优408超冠甜菜心王的粗蛋白含量较高，迟熟品种油绿802和迟心2号的粗蛋白含量较低。

2. 1. 4 粗纤维含量 各菜心品种的粗纤维含量为0.61～0.91 g/100 g（图1-D）。其中，油绿802的粗纤维含量最高（0.91 g/100 g），M120油青甜菜心王（0.90 g/100 g）和增城一号迟甜菜心王（0.87 g/100 g）的粗纤维含量次之，三者极显著高于其他20个品种；M120油青甜菜心王、油绿802和增城一号迟甜菜心王等5个品种（占参试品种数的21.74%）的粗纤维含量大于0.80 g/100 g；迟心2号和四九菜心-19等10个品种（占参试品种数的43.48%）的粗纤维含量为0.70～0.80 g/100 g；翠绿王80天油青甜菜心和澳洲超级701柳叶甜菜心等8个品种（占参试品种数的34.78%）的粗纤维含量低于0.70 g/100 g。说明M120油青甜菜心王、油绿802和增城一号迟甜菜心王等少数菜心品种的粗纤维含量较高，其口感稍差，而迟心2号和四九菜心-19等大部分菜心品种的粗纤维含量较低，其化渣性较好。

2. 1. 5 干物质含量 各菜心品种的干物质含量为5.79～8.50 g/100 g（图1-E）。其中，增城一号迟甜菜心王的干物质含量（8.50 g/100 g）最高，极显著高于其他品种；严选特靓A50油绿甜菜心王（7.65 g/100 g）和四九菜心-19（7.55 g/100 g）的干物质含量较高，明显高于除增城一号迟甜菜心王外的其他20个品种；严选特靓A50油绿甜菜心王和四九菜心-19等8个品种（占参试品种数的34.78%）的干物质含量为7.00～8.00 g/100 g；油绿501和M120油青甜菜心王等14个品种的干物质含量低于7.00 g/100 g。说明增城一号迟甜菜心王、严选特靓A50油绿甜菜心王和四九菜心-19是干物质含量较高的菜心品种，即含有较多有机物，可作为制备菜干的优质材料。

综上所述，四九菜心-19的Vc、粗蛋白和干物质含量均较高，增城一号迟甜菜心王的还原糖、干物质和粗纤维含量较高，说明这两个品种的综合营养品质较佳。

2. 2 主成分分析结果

采用主成分分析法对23个菜心品种的Vc、还原糖、粗蛋白、粗纤维和干物质等5种营养成分含量进行分析，结果表明，前3个主成分的特征值较大，累计方差贡献率达84.03%（表2），已能综合菜心营养品质的大部分信息，连续斜率较大。因此，選取前3个主成分作为供试菜心的主成分进行下一步分析。

由表3知，第一主成分（PC1）主要综合了还原糖和粗纤维含量信息，呈正向分布，即在PC1坐标正向数值越大还原糖和粗纤维含量越高，反映的是甜度和质构信息，命名为甜度因子；第二主成分（PC2）主要综合了Vc含量信息，命名为酸度因子，在PC2的正向坐标上数值越大，Vc含量就越高；第三主成分（PC3）主要综合了粗蛋白和干物质含量信息，命名为营养因子，粗蛋白含量为正向指标，干物质含量为负向指标，即在PC3正向坐标上粗蛋白含量越高，干物质含量越低。

从对PC1和PC2的主成分分析得分情况（图2）可看出，23个菜心品种可分为五大类，其中编号为1、7、18和22的品种（四九菜心-19、增城一号迟甜菜心王、油绿802和油绿501）各为一类，其他19个品种为一类；编号2、3、7、19和21的品种（连州菜心、超靓王100天油青甜菜心、增城一号迟甜菜心王、名优408超冠甜菜心王和严选特靓A50油绿甜菜心王）依次落在PC1和PC2的正向区间，说明这5个菜心品种（尤其是增城一号迟甜菜心王）的还原糖和酸含量较高，相对其他品种风味较浓，但粗纤维含量也偏高，会对化渣性产生一定影响；编号为13、16、17和18的品种（翠绿王80天油青甜菜心、M120油青甜菜心王、油绿80天和油绿802）依次落在PC1与PC2的第四区间，说明其还原糖含量较高、酸含量较低，属于较常见的中晚熟菜心品种；编号为1、4、5、6和9的品种[四九菜心-19、油绿701、无渣120天尖叶油青菜心（808）、澳洲超级701柳叶甜菜心和创美大种80天尖叶甜菜心]分布在PC1与PC2的第二区间，说明其甜度较小、Vc含量较高，以四九菜心-19在PC2上得分最高。从图2还可看出，编号为22和23的品种（油绿501和油绿702）的Vc含量较接近，但在PC1上分布差异较明显，还原糖含量低。

2. 3 聚类分析结果

从聚类分析结果可知，在类间距离=0.8时，23个品种可分为四大类（图3）。其中，早熟品种四九菜心-19自成第Ⅰ类，与图2中四九菜心-19位于第二区间结果一致，主要表现为Vc含量较高；迟熟品种增城一号迟甜菜心王为第Ⅱ类，与图2中迟熟品种增城一号迟甜菜心王位于第一区间结果一致，主要表现为还原糖、酸和纤维素含量较高；油绿802为第Ⅲ类，与图2中油绿802位于第四区间结果一致，主要表现为还原糖和纤维素含量较高，酸值较低；其余20个品种聚为第Ⅳ类，综合营养品质表现一般。第Ⅳ类群又可分为四个亚群：Ⅳ-1亚群包含15个品种，除编号为20的品种（极品408甜菜心）为早熟品种外，其余均为中和迟熟品种（分别为8和6个）；Ⅳ-2亚群包含2个早熟品种；Ⅳ-3亚群包含2个品种，即早熟品种油绿501和中熟品种油绿702；Ⅳ-4亚群为早熟品种M120油青甜菜心王。

3 讨论

菜心富含多种营养物质及微量元素，尤其以维生素含量更丰富，而Vc、还原糖、粗蛋白、粗纤维和干物质含量是衡量其品质的重要指标（欧壮喆等，2008；杜志炜等，2009；宋世威等，2011；张晓艳等，2015）。本研究中不同菜心品种的5种营养品质差异较明显，其中，早熟品种四九菜心-19的粗蛋白和Vc含量最高，还原糖和粗纤维含量较低，综合营养品质较佳；迟熟品种油绿802的还原糖和粗纤维含量较高，粗蛋白含量较低；迟熟品种增城一号迟甜菜心王的还原糖和干物质含量最高，粗纤维和Vc含量居中，综合营养品质好；参试的23个菜心品种中，大部分中熟品种的还原糖含量居中，早熟品种的还原糖含量较低，迟熟品种增城一号迟甜菜心王的还原糖含量最高，与张晓艳等（2015）的研究结果相似；增城一号迟甜菜心王、严选特靓A50油绿甜菜心王和四九菜心-19的干物质含量较高，具有作为制备菜干优质材料的潜力。因此，生产上可根据菜心的不同营养功能选择菜心品种。

采用主成分得分图开展品种和品质指标研究已应用于多种园艺作物（Cecilia et al.，2007；Ankit et al.，2011；公丽艳等，2014）。本研究将主成分分析法应用于菜心各主成分与营养品质指标与品种间的关系分析，可进一步确定迟熟品种增城一号迟甜菜心王的还原糖、酸和粗纤维含量较高，但风味较其他品种浓，综合营养品质好；早熟品种四九菜心-19的Vc和粗蛋白含量较高，营养品质较佳，与赵磊等（2010）、钟玉娟等（2017）的研究结果一致。在实际生产中，如需选育还原糖和Vc含量较高、口感风味较浓厚的菜心品种，可在PC1与PC2得分图第一区间选择相应的品种；如需选育营养成分较高的菜心品种，可在PC1和PC2得分图第二区间选择相应的品种，再进行杂交培育。

本研究中，通过主成分分析可将23个菜心品种聚为五大类，四九菜心-19、增城一号迟甜菜心王、油绿802和油绿501各为一类，其他19个品种聚为一类。随后的最小距离法聚类分析结果表明，四九菜心-19、增城一号迟甜菜心王和油绿802分别各聚为一类，其余品种聚为第Ⅳ类，即与主成分分析结果基本一致，且能良好地与菜心品种的熟性相对应。但不同品种蔬菜的营养品质差异明显，仍需进一步探究其系统、全面的营养价值评价方法。

4 结论

基于主成分分析可判定23个菜心品种的营养品质差异，生产上可根据菜心的不同营养品质和功能进行加工利用，或将这些差异作为品种选育的依据。

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（責任编辑 思利华）