基于主成分分析法的贵州芸豆品质评价

王何柱 - 朱 勇 朱 怡 何友勋 - 秦礼康 - 梁亚丽 -

(1.贵州大学酿酒与食品工程学院，贵州 贵阳 550025；2.贵州省植保植检站，贵州 贵阳 550001；3.毕节市农业科学研究所，贵州 毕节 551700)

芸豆又名菜豆，豆科菜豆属(PhaseolusvulgarisL)，原产于南美洲，中国于16世纪末开始种植栽培，其豆荚和种子在亚洲国家被广泛食用[1]。据统计[2]，芸豆的种植面积在豆类中位居第二，中国的西北、东北、华北和西南等地区均有种植。芸豆营养价值高，含有丰富的蛋白质、维生素、矿物元素和膳食纤维等，并且还是一种高钾、镁、钙，低钠的豆类，适宜高血脂、动脉硬化、心脏病等患者食用[3-5]。张业辉等[6]研究发现，芸豆蛋白的凝胶最好，易形成稳定的凝胶。芸豆中蛋氨酸和胱氨酸含量较低，与禾谷类食品搭配食用时可提高其营养价值[5]。马文鹏等[7]研究表明，芸豆蛋白是一种营养价值丰富且易消化的优质蛋白。Costa等[8-9]研究指出，芸豆的膳食纤维(含量为22.32%)在减肥、平衡血糖水平和促进肠道健康等方面有诸多功效和益处。

目前，国内外关于芸豆品质方面的研究主要集中于芸豆膳食纤维、蛋白质、淀粉、脂肪等营养素分析及芸豆蛋白和淀粉的理化特性[10]，且中国研究芸豆的产地多为吉林、黑龙江、陕西等，而关于贵州产地芸豆主栽品种营养价值的研究尚未见报道。试验拟选用贵州产地的7种芸豆，探究其营养成分，并通过主成分分析法(principal component analysis，PCA)对其品质进行评价，为芸豆品质改良和各种加工提供依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

毕芸Ⅱ1、英国红、龙12-2614、科芸1号、天镇黄芸豆、毕芸2015-1、毕芸2号7种芸豆：除去不完整和发霉芸豆后，粉碎过60目钢筛，并于-20 ℃贮藏，贵州省毕节市农科所；

耐高温α-淀粉酶(10 000 U/mL)、牛血清白蛋白：上海阿拉丁生化科技股份有限公司；

直链淀粉、支链淀粉、淀粉含量检测试剂盒：北京索莱宝科技有限公司；

考马斯亮蓝G250、糖化酶(3 300 U/mL)、中性蛋白酶(350 U/mL)：上海源叶生物科技有限公司；

硫酸铜、硫酸钾、硼酸、甲基红、氢氧化钠、石油醚、硅藻土、碘、碘化钾等：分析纯，北京北化精细化学品有限责任公司。

1.2 仪器与设备

高速万能粉碎机：FW100型，天津市泰斯特仪器有限公司；

水分测定仪：MB90型，奥豪斯仪器(上海)有限公司；

光吸收酶标仪：SpectraMax190型，美谷分子仪器有限公司；

全自动凯氏定氮仪：JK9870型，上海仪电分析仪器有限公司；

恒温摇床：TS-100C型，上海天呈实验仪器制造有限公司；

脂肪测定仪：SER148型，嘉盛(香港)科技有限公司；

原子吸收光谱仪：ZEEnit700P型，德国耶拿分析仪器股份公司；

火焰光度计：FP6400A型，上海精密仪器仪表有限公司；

紫外—可见分光光度计：UV-5500型，上海元析仪器有限公司；

旋转蒸发仪：RE-2000B型，上海亚荣生化仪器厂；

台式高速冷冻离心机：H2-16KR型，湖南可成仪器设备有限公司；

氨基酸自动分析仪：L-8800型，日本 Hitachi 公司。

1.3 方法

1.3.1 芸豆营养成分含量的测定

(1)水分含量：按GB/T 5009.3—2016执行。

(2)粗淀粉含量：参照总淀粉测定试剂盒(BC0700，Solarbio)。

(3)直链淀粉含量：采用碘比色[11]法。

(4)蛋白质含量：按GB/T 5009.5—2016执行。

(5)水溶性蛋白质含量：考马斯亮蓝G-250比色法[12]。

(6)脂肪含量：按GB/T 5009.6—2016执行。

(7)灰分含量：按GB/T 5009.4—2016执行。

(8)总膳食纤维含量：按GB 5009.88—2014执行。

(9)矿物质含量：Ga、Mg、Mn、Cu、Zn采用火焰原子吸收分光光度法，Na和K采用火焰分光光度法，P采用钼比色法，结果均以干基计。

1.3.2 氨基酸组成分析 准确称取样品130 mg，加入6 mol/L的盐酸6 mL，在密封的条件下110 ℃烘箱水解24 h，冷却后定容至100 mL(pH调至2左右)，并将待测液过0.45 μm滤膜，于氨基酸自动分析仪中测定，结果以干基计。

1.4 数据分析

每个样品平行3次，数据以(平均值±标准差)表示。运用Excel建立数据库，并使用SPSS 20.0对试验数据进行处理。

2 结果与分析

2.1 7种芸豆的营养成分组成

由表1可知，7种芸豆粗淀粉含量为28.35%～35.45%，其中毕芸2号的含量最高；蛋白质含量为19.11%～23.69%，与肉制品中蛋白质含量(22%)较接近[13]，高于一般谷物(小米8.8%，黑麦13.3%，高粱12.2%)中蛋白含量[14]；脂肪含量为1.02%～1.77%，均低于2%；灰分含量为3.82%～4.64%，其中科芸1号的含量最高；直链淀粉含量为9.60%～11.21%，其中天镇黄芸豆的含量最高，毕芸2015-1的含量最低；总膳食纤维含量为23.09%～27.60%，其中英国红的含量最高，与Costa等[8]的结果一致；水溶性蛋白含量为9.76%～16.54%，水溶性蛋白/粗蛋白的比值为0.46～0.66，其中毕芸Ⅱ1的水溶性蛋白占比最高。韩晶等[15]研究指出6种芸豆脂肪含量为2.56%～8.46%，高于试验结果；蛋白质含量为17.91%～22.03%，与试验结果一致。阚丽娇等[16]研究发现，几种芸豆中灰分、脂肪、蛋白质含量分别为3.43%～4.10%，2.91%～5.30%，22.06%～25.52%，与试验结果保持一致。

2.2 7种芸豆中矿物质含量分析

由表2可知，7种芸豆中Ca、Mg、P、K含量非常丰富，且K>P>Mg>Ca，其中K含量为1.48%～1.69%，P含量为0.45%～0.61%，Ca含量为0.09%～0.20%，Mg含量为0.19%～0.29%。毕芸Ⅱ1和龙12-2614的Ca含量最高，龙12-2614中Mg和P的含量最高，英国红和科芸1号中K含量最高。Iqbal等[17]研究指出，芸豆中Mg和K含量高于其他豆类，Mg存在于所有组织细胞中，是体内多种酶的激活因子，调节糖代谢、TCA循环、氨基酸活化等。7种芸豆中Fe、Mn、Cu、Zn、Na含量分别为70.59～86.86，17.92～44.19，12.29～19.94，25.50～38.48，308.67～533.79 mg/kg。芸豆是一种典型的高K，低Na豆类，K主要参与细胞新陈代谢和一些酶促反应，维持体内正常的滲透压和酸碱平衡，适宜高血压、低血钾症和忌盐患者。芸豆中的Ca、Fe、Mg、P、K等元素含量高于部分谷类作物和动物性食品[5]。

表1 7种芸豆的营养成分†

† 同列字母不同表示有显著性差异(P<0.05)。

表2 7种芸豆中矿物质的含量

2.3 7种芸豆的氨基酸分析

由表3可知，除毕芸Ⅱ1外，其他6种芸豆氨基酸组成相同，共检测出17种氨基酸，包括7种必需氨基酸和10种非必需氨基酸。7种芸豆中总氨基酸含量为19.88%～26.48%，必需氨基酸含量为7.86%～10.09%，其中毕芸2015-1总氨基酸含量最高，龙12-2614中必需氨基酸含量最高。谷氨酸、天冬氨酸、亮氨酸含量高于其他氨基酸，分别为3.41%～4.61%，2.52%～3.33%，1.68%～2.28%，其中3种氨基酸含量的最大值均出现在龙12-2614。研究[18]显示，谷氨酸能增强记忆力、对患有语言和记忆障碍的患者有一定的帮助、对小儿智力发育不全也有治疗作用；亮氨酸具有修复肌肉、控制血糖，并提供能量的作用。这表明龙12-2614优于其他6种芸豆。脯氨酸含量波动较大(0.77%～3.33%)，其中毕芸2015-1的含量最高，毕芸2号的含量最低。

根据FAO/WHO的标准[18]规定，优质蛋白的必需氨基酸含量应达到总氨基酸含量的(EAA/TAA)0.4，必需氨基酸和非必需氨基酸比值(EAA/NEAA)为0.6，7种芸豆中虽然有几个品种EAA/TAA和EAA/NEAA的比值未达到0.4，0.6，由于必需氨基酸中的色氨酸在碱性条件下全部水解，其含量未计入，但EAA/TAA非常接近0.4，且天镇黄芸豆EAA/TAA已达到0.4；同理，毕芸Ⅱ、龙12-2614、天镇黄芸豆、毕芸2号的EAA/NEAA>0.6，说明芸豆是优质的蛋白来源。

由表4可知，7种芸豆的第一限制性氨基酸为甲硫氨酸+半胱氨酸，除甲硫氨酸+半胱氨酸的评分<100，其他氨基酸评分均>100；英国红的异亮氨酸、亮氨酸、赖氨酸、苯丙氨酸+酪氨酸评分高于其他6种芸豆；7种芸豆的缬氨酸评分差异性最小(P>0.05)，甲硫氨酸+半胱氨酸和苯丙氨酸+酪氨酸评分差异性最大(P<0.05)。

表3 7种芸豆中氨基酸分析†

† *为必须氨基酸；TAA为总氨基酸，EAA为必需氨基酸，NEAA为非必需氨基酸；EAA/TAA为必需氨基酸/总氨基酸的比值，EAA/NEAA为必需氨基酸/非必需氨基酸的比值。

表4 7种芸豆中氨基酸评分

2.4 7种芸豆品质主成分分析

主成分分析是将多个指标变为少数指标来反映大多数变量的信息[19-20]。主成分的选择需对原始数据进行降维处理，根据累积方差贡献率>80%和初始特征值>1的原则，从而确定主成分的数目。由表5可知，提取出5个主成分，其特征值>1，累计方差贡献率达95.711%，能解释绝大多数原始信息。因此，用提取的5个主成分代替芸豆的18个指标来对芸豆的品质进行评价。

表6为芸豆的18个品质指标的主成分载荷矩阵，该矩阵反映了18个品质指标对相应主成分的影响程度[21]。由表6可知，第1主成分中正载荷较大的指标为蛋白质、锰、氨基酸，3个指标对第1主成分产生正向影响；负载荷较高的指标为脂肪，载荷权数为-0.893，对第1主成分产生负向影响。同理，第2主成分中，正载荷数较大的指标为膳食纤维、钾、钠，载荷权数分别为0.714，0.838，0.803；第3主成分中负载荷较大的为淀粉，载荷权数为-0.729；第4主成分中正载荷数较大的指标为镁，载荷权数为0.842，负载荷较大的指标为锌，载荷权数为-0.633；第5主成分中正载荷较大的为灰分，载荷权数为0.568。

表5 芸豆品质评价因子的特征值和累积方差贡献率

Table 5 Eigenvalue and accumulative contributionrate of quality evaluation of kidney bean

主成分特征值方差贡献率/%累计方差贡献率/%16.73337.40637.40624.31323.96061.36632.56114.22975.59542.13011.83187.42651.4918.28595.711

表6 主成分在各品质指标上的因子载荷矩阵

2.5 不同芸豆品种品质特性综合评价

使用表6中主成分载荷除以表5中的特征值开平方根[19-20]，计算得出5个主成分中每个因子的系数，得出5个主成分的表达式分别为：

F1=0.035X1-0.175X2+0.358X3-0.344X4+0.200X5+0.032X6-0.252X7+0.302X8+0.252X9+0.133X10+0.235X11+0.321X12+0.217X13+0.233X14+0.046X15+0.256X16+0.030X17+0.341X18，

(1)

F2=0.289X1+0.189X2-0.135X3+0.018X4-0.159X5+0.344X6-0.243X7-0.211X8-0.262X9-0.085X10+0.287X11-0.067X12-0.183X13+0.136X14+0.387X15+0.273X16+0.404X17+0.117X18，

(2)

F3=-0.374X1-0.456X2-0.116X3+0.021X4+0.014X5+0.306X6+0.294X7-0.031X8+0.287X9+0.219X10+0.281X11+0.065X12-0.381X13-0.073X14+0.015X15-0.036X16+0.285X17-0.106X18，

(3)

F4=0.213X1+0.083X2-0.029X3+0.145X4+0.162X5-0.217X6-0.027X7-0.203X8-0.086X9+0.577X10+0.141X11+0.028X12+0.070X13-0.434X14-0.351X15+0.319X16+0.173X17+0.042X18，

(4)

F5=0.229X1+0.252X2-0.111X3+0.288X4+0.465X5-0.278X6+0.218X7+0.265X8+0.102X9-0.109X10+0.061X11+0.342X12-0.324X13+0.225X14+0.124X15+0.057X16+0.102X17-0.222X18。

(5)

建立综合得分模型：

F综=0.391F1+ 0.250F2+ 0.149F3+ 0.124F4+ 0.087F5。

(6)

由表7可知，综合得分排名前3的芸豆分别为英国红、龙12-2614、科芸1号，综合得分高，说明该芸豆的综合品质好，得分最低的品种为天镇黄芸豆。

3 结论

通过对芸豆中淀粉、蛋白质、脂肪、膳食纤维、钙、铁、锌、钾、氨基酸等指标进行分析，并采用主成分分析综合评价贵州7种芸豆的品质特性。结果表明，芸豆中蛋白质含量丰富，其含量为19.11%～23.69%；总膳食纤维含量为23.09%～27.60%，其中英国红的含量最高。7种芸豆中Ca、Mg、P、K含量丰富，分别为0.09%～0.20%，0.19%～0.29%，0.45%～0.61%，1.48%～1.69%，其中毕芸Ⅱ1和龙12-2614的Ca含量最高。不同芸豆中谷氨酸、天冬氨酸、亮氨酸含量高于其他氨基酸，其含量分别为3.41%～4.61%，2.52%～3.33%，1.68%～2.28%。在主成分分析中提取出5个主成分，累积方差贡献率达95.711%，其中蛋白质、锰、氨基酸、脂肪、膳食纤维、钾、钠等因子为关键指标，综合得分显示前3的品种依次为英国红、龙12-2614、科芸1号。试验所涉及的芸豆品种和检测指标较少，后续可增加芸豆的品种和检测指标，建立更加完善的综合评价体系。

表7 7种芸豆品质预测评价结果