主成分分析法用于调和油配方设计的研究

董家合，初柏君，高 盼,2，焦山海，何东平,2

（1.武汉轻工大学 食品科学与工程学院，湖北 武汉 430023；2.国家粮食和物资储备局粮油资源综合开发工程技术研究中心，湖北 武汉 430023；3.澳加粮油（广西自治区）工业有限公司，广西 防城港 538000）

中国是世界上最大的食用油消费国，根据国家粮油信息中心对食用油市场调查数据，2013年度我国的食用油消费量为2 755万t，工业及其他消费275万t，出口油脂油料总计10.8万t，合计2013年度食用油需求总量为3 040.8万t。全国人口按照13.5亿计，人均食用油年消费量为22.5 kg，较2012年又提高了5.14%，超世界人均消费量的12.5%[1]。2014年我国食用调和油的产量为 465万t，小包装食用油的产量为987万t[2]。随着城乡居民生活水平的不断提高，越来越重视安全、营养、健康的食用油，使得小包装食用油高速发展[3]。逐渐形成了食用调和油与单品食用油共同竞争发展的局面，食用油市场步入以营养、健康为新追求目标的发展时期。

根据中国营养学会和营养专家提出的膳食宝塔建议，以及《中国居民膳食营养素参考摄入量》的推荐值，中国居民每天需摄入25g食用油才可满足人体对膳食脂肪酸的需求。但考虑到膳食脂肪酸均衡问题，需要对摄入的食用油中的脂肪酸配比进行科学调配，这就对调和油产品配方提出更高的要求。美国心脏病协会推荐食用油脂的饱和脂肪酸（S）、单不饱和脂肪酸（M）、多不饱和脂肪酸（P）均应占供热量的10，即S∶M∶P的比例为 1∶1∶1。但随着对食用油脂营养价值研究的不断进展，对S、M、P三者的比侧又有了新的变化，1987年，美国心脏病协会重新推荐S占供热量7、M占供热量15、P占供热量8，即S∶M∶P的比值为 1∶2.14∶1.14[8]。目前，国内的调和油配方设计主要是依据《中国居民膳食营养素参考摄入量》中提出的饱和脂肪酸∶单不饱和脂肪酸∶多不饱和脂肪酸比例为 1∶1∶1，在多不饱和脂肪酸中，（n-6）系列与（n-3）系列的比值为 4～6。

主成分分析法（principal component analysis，PCA）是分析统计学中的一种数学变换方法，通过降维对研究对象进行简化，将多个相互关联的变量因素转化成少数几个不相关联的变量因素，通过分析这少数几个不相关联的变量因素达到反映原变量主要情况的研究方法[4]。主成分分析是一种简化数据集的技术，经常用于减少数据集的维数，同时保持数据集的对方差贡献最大的特征[5]。主成分分析法广泛应用于量大的实验数据统计分析中，常与其他方法连用进行数据分析处理[6]。目前，PCA法被广泛应用于实验数据的统计分析，并与聚类分析及其他方法联用进行实验数据的处理[7]。

为了研究最适合做调和油基油的植物油脂，实验采集市售高销量的 38种调和油产品，对价格、理化指标、脂肪酸组分等27个因素变量进行调研和检测，并进行主成分分析，从而达到简化系统结构，寻求最适合做调和油基油的原料油脂，以期为研发新型调和油提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

市售38种调和油：购自武汉各大超市及各大电商网站；酚酞、氢氧化钾、碘化钾、硫代硫酸钠、淀粉、乙醇（95%）、盐酸，均为分析纯：天津科密欧化学试剂有限公司；冰乙酸、异辛烷，均为分析纯：天津天力化学试剂有限公司；环己烷（分析纯）：天津百世化工有效公司；正己烷、甲醇，均为色谱纯：天津科密欧化学试剂有限公司。

1.2 仪器与设备

GC-2010气相色谱仪：日本岛津公司；WU-866漩涡混合器：太仓科教器材厂；TD5A低速离心机：湖南长沙湘仪有限公司；阿贝折光仪：英国Belingham+Stanley公司；WSL-2罗维朋比色计：上海昕瑞仪器仪表有限公司；720060移液枪：大龙兴创实验仪器有限公司；回流冷凝装置：南京銮玉化玻仪器有限公司；AN0931电子分析天平：上海民侨精密科学仪器有限公司；HHS型电热恒温水浴锅：上海博讯实业有限公司；GZX-9070MBE数显鼓风干燥箱：上海博讯实业有限公司；DK-98-Ⅱ电炉：北京金石万达仪器仪表有限公司；SK3300HP超声波清洗器：上海科导超声仪器有限公司。

1.3 实验方法

1.3.1 理化指标检测

水分含量：按国标 GB/T 5009.3—2003中的105 ℃恒重法进行测定；酸值：按国标GB/T 5530—2005中的冷溶剂法进行测定；过氧化值：按国标GB/T 5009.37—2003中的滴定法进行测定；碘值：按国标 GB5532—1985进行测定；皂化值：按国标 GB5534—1985进行测定；折光指数：按国标GB/T 5527—2010进行测定。

1.3.2 脂肪酸组分检测

（1）样品甲酯化

称取调和油样品0.2 g于离心管中，加入正己烷4 mL，2 mol/L的KOH-甲醇溶液1 mL，漩涡混合器震荡 1 min，放入离心机中，3 500 r/min离心3 min，取上清液放入进样瓶中，放入自动进样器待测。

（2）气相色谱条件

进样口温度260 ℃，分流进样；压力控制，压力 280.0 kPa；总流量 67.1 mL/min，柱流量1.08 mL/min；线速度 20.6 cm/sec，吹扫流量30 mL/min；分流比58.4。柱箱升温程序：升温至170 ℃，保持 3min，以 2 ℃/min速度升温至230 ℃，保持 8 min。检测器温度 300 ℃。N2流量35.0 mL/min，空气流量400.0 mL/min，尾吹气流量30.0 mL/min。总程序用时41 min。

2 结果与分析

2.1 理化指标和脂肪酸组成

对 38种调和油样品进行理化指标检测和气相色谱分析，理化指标测定结果见表 1。对脂肪酸组成色谱图上的月桂酸（C12：0）、豆蔻酸（C14：0）、棕榈酸（C16：0）、硬脂酸（C18：0）、油酸（C18：1）、亚油酸（C18：2）、亚麻酸（C18：3）、二十碳五烯酸（EPA）、二十二碳六烯酸（DHA）等18种脂肪酸甲酯进行积分，利用峰面积归一法确定各脂肪酸占总脂肪酸含量的百分比，结果的各脂肪酸含量见表 2，由表 2计算得到每种调和油产品中饱和脂肪酸、单不饱和脂肪酸、多不饱和脂肪酸的含量及其各自的比值见表 3。从表 1可以看出：38个调和油样品主要添加的油品有大豆油、花生油、玉米油、芝麻油、菜籽油，部分添加橄榄油、油茶籽油、亚麻籽油、葵花籽油、DHA等；其过氧化值平均值为4.54 mmol/kg，最大值为7.36 mmol/kg，4号油品的过氧化值最小为2.23 mmol/kg；碘值平均值为118.64 g/100g，最大值为134.36 g/100g，38号油品的碘值最好，其值为 59.17 g/100g；皂化值平均值为 192.07(KOH) mg/g，最大值为204.77 mg KOH /g，最小值为163.13 mg KOH /g。

表1 调和油样品组成和理化指标测定结果

续表1

表2 调和油样品脂肪酸组分

续表2

表3 调和油样品价格、SFA、MUFA和PUFA含量及其比值

从表2可以看出：不同调和油油品的脂肪酸含量存在差异。油酸含量范围在 23.43%～62.94%之间，28号油含量最高，考虑可能是添加了富含高油酸的茶籽油和橄榄油；亚油酸含量范围在12.65%～61.57%之间，26号油含量最高；棕榈酸含量范围在 4.23%～37.20%之间，38号油含量最高；硬脂酸含量范围在0～4.43%之间，18号油含量最高。

从表3可以看出：单不饱和脂肪酸含量最高的是 17号油品，为 68.59%；多不饱和脂肪酸含量最高的是 26号油品，为61.93%。单不饱和脂肪酸和多不饱和脂肪酸比值范围为1.02～9.04，多不饱和脂肪酸和饱和脂肪酸比值范围为 0.30～5.12。调和油油品价格除37号油品为280元/L，其他调和油油品价格均在 50元/L以下，考虑可能是37号油品添加了价格昂贵的红松子油。

2.2 主成分分析

以豆蔻酸（C14：0）、棕榈酸（C16：0）、硬脂酸（C18：0）、油酸（C18：1）等 18 种脂肪酸含量和调和油产品的理化指标、脂肪酸组分、价格、配比等27个因素为变量，采用SPSS软件对调和油样品各因素变量进行主成分分析法计算。在SPSS软件对原始数据进行降维、因子分析后，得到方差贡献表，选择方差贡献率大的前六个主成分进行具体分析，得到整体样本数据的大部分信息，结果见表4。前六个主成分的初始因子载荷矩阵数据表见表5。

表4 前六个主成分的特征值和方差贡献率

表5 前六个主成分的初始因子载荷矩阵

从表4可以看出，前六个主成分的方差贡献率已达85%以上，说明这六个主成分已包含每种调和油产品的大部分信息。

表5为前六个主成分的初始因子载荷矩阵数据，由表5可知，第1主成分中起决定作用的是碘值和皂化值；第2主成分中起决定作用的是油酸、MUFA、MUFA与SFA的比值；第3主成分中起决定作用的是EPA、DHA；第4主成分中起决定作用的是花生一烯酸、花生二烯酸；第5主成分中起决定作用的是山俞酸、二十四碳烷酸；第6主成分中起决定作用的是价格因素。

用公式t=a/λ计算出标准化特征向量，其中a为六大主成分的初始因子。根据运算得到的特征向量与标准化后的数据相乘，可以构建六大主成分与各因素变量之间的线性关系，依据主成分所对应的特征值占所提取主成分总的特征值之和的比例作为权重计算主成分综合模型F：

F=-0.0438X1+0.06798X2+0.02018X3+0.08858X4-0.0914X5-0.0886X6-0.1096X7+0.1041X8-0.0801X9+0.0109X10-0.0108X11+0.1052X12+0.0779X13+0.1 502X14+0.1290X15+0.0965X16+0.0779X17+0.1265X18+0.1200X19+0.0703X20+0.0177X21+0.1453X22-0.1139X23+0.0362X24+0.0178X25+0.0733X26+0.1011X27

利用主成分综合模型和六大主成分的模型计算出综合主成分值和六大主成分值，并对其进行排序，可得到38种调和油产品主成分分析综合排名前十的产品，结合表2和表3分析可知，当调和油产品中添加橄榄油、油茶籽油等油酸含量较高的组分，并强化添加DHA、EPA长链多不饱和脂肪酸成分时，调和油综合得分有所提升，同时，产品最终的价格也会对整体得分排名有一定的影响。

油茶籽油是从油茶籽中提取的对人体健康有益的保健食用植物油，其脂肪酸组成与世界公认的具有“液体黄金”美誉的橄榄油极其相似，所以油茶籽油具有“东方橄榄油”的美称[9]，被国际粮农组织大力推荐为健康食用油。油茶籽油营养价值较高，含有丰富的功能性营养成分，如油酸、亚油酸、亚麻酸、植物甾醇、维生素 D、维生素K、维生素E、类胡萝卜素、茶多酚、山茶甙、角鲨烯等，具有保湿、防辐射、抗衰老、护发等功效，其活性功效可与橄榄油相媲美，甚至优于橄榄油[10]。长期食用能够降低胆固醇、延缓动脉粥样硬化、防止神经功能下降、提高人体免疫力、预防和治疗高血压、心血管疾病。

3 结论

对38种调和油产品的27个因素进行主成分分析，通过方差分解主成分，提取前六个主成分作为分析对象，结果表明：调和油产品中脂肪组成中不饱和脂肪酸含量较高，存在橄榄油、油茶籽油原料油强化添加和长链多不饱和脂肪酸强化添加的情况，市售调和油中存在添加转基因菜籽油的情况。

从结合六大主成分分析结果和最终主成分综合排名情况分析可知：在调和油配方设计中，可将油茶籽油作为优选原料油进行添加；并考虑到膳食脂肪酸均衡的需求，可以强化添加DHA、EPA长链多不饱和脂肪酸成分；在转基因食品安全性未知的情况下，为减少争议性，可选择非转基因菜籽油；综合考虑调和油产品的整体情况时，需要对价格因素进行相应的控制。