基于主成分和聚类分析评价山东地区生姜品质

谭金霞，李萌，韩太利，孙继峰，宋银行，周陆红

（潍坊市农业科学院，山东 潍坊 261071）

生姜又名地辛、百辣云，具有发汗解表、化痰止咳等功效，其用途十分广泛，既是日常生活中一种经常食用的香辛调味料，也是集食用兼药用于一体的一种药食同源作物[1]。我国自古以来也有“生姜治百病”的说法，生姜深受老百姓的喜爱。生姜因其独特的风味和特殊的利用价值，需求量正随着人们生活水平的提高和深加工产品的多样化而逐年增加，现已发展成一种重要的经济作物，在我国多地广泛种植。据统计，2018年我国的生姜种植面积已达29.3万公顷，其中山东省的种植面积是7.19万公顷，总产量达482.2万吨，分别占全国的30.90%和51.41%，是全国最主要的生姜产地之一[2]。

生姜的功能性成分和营养物质丰富，其中姜辣素是其辛辣味道的主要呈味物质，姜黄素则是一种重要的天然色素，另外还含有蛋白质、可溶性糖以及纤维素等[3-5]。诸多研究表明，生姜中的有效成分具有抗氧化、抑菌、止呕止吐、护肝、抗炎、抗肿瘤等多种功效，具有较高的药用价值[6-11]。目前生姜的相关研究也主要集中在药理作用和成分提取等方面，而品质评价和加工特性方面的研究比较少。

生姜的地方品种繁多，其营养成分和加工特性也有所不同。为了研究山东地区生姜品种间的差异，本课题组对12个生姜品种进行了粗蛋白、粗纤维、干物质、可溶性糖、6-姜酚、8-姜酚、10-姜酚、6-姜烯酚和姜黄素等9种成分的含量测定，并通过主成分分析和聚类分析进行品种间的品质评价，以期为生姜品质评价和深加工产品的品种选择提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

供试生姜品种共计12份，分别包括昌邑娃娃姜、昌邑生姜、昌邑黄姜、昌邑缅姜、昌邑小姜、安丘大姜、安丘黄姜、安丘小姜、莱芜娃娃姜、莱芜缅姜、莱芜小姜和沂水小姜。

6-姜酚标品、8-姜酚标品、6-姜烯酚标品、10-姜酚标品、姜黄素标品：上海安谱实验科技股份有限公司；其余试剂均为分析纯：普天试剂公司。

UV-5100型紫外分光光度计：上海光谱仪器有限公司；12C00型高效液相色谱仪：美国Agilent公司；ATN-100型凯氏定氮仪：上海洪纪仪器设备有限公司；DHG-9240A型电热恒温鼓风干燥箱：上海精宏试验设备有限公司；PX822ZH型电子分析天平：上海奥豪斯仪器有限公司。

1.2 试验设计与方法

1.2.1 试验设计

供试12份生姜品于2019年10月中上旬在潍坊市农业科学院试验站进行采收，采后当天立即运回实验室。之后挑选形状整齐，大小均匀，无机械损伤的姜块，进行混合取样。取样后一部分用液氮进行速冻并置于-20℃冰箱进行贮存，另一部分杀青（105℃，15 min）、烘干（65℃）、研磨、过筛（40目）后置于密封袋中贮存。样品用于后续粗蛋白、粗纤维、干物质、可溶性糖、6-姜酚、8-姜酚、10-姜酚、6-姜烯酚、姜黄素等含量的测定。

1.2.2 试验方法

粗蛋白含量采用凯氏定氮法，粗纤维含量采用过滤法测定[12]；干物质含量采用烘干法，可溶性含量采用蒽酮比色法测定[13]。

姜辣素（6-姜酚、8-姜酚、6-姜烯酚、10-姜酚）含量测定方法参考文献[14]，采用高效液相色谱法，原材料采用干样并过40目筛。色谱条件：Kromasil-C18柱（4.6 mm×250 mm，5 μm）；流动相为乙腈-0.1%的醋酸溶液，流速1.0 mL/min；检测波长为275 nm；柱温为30 ℃；进样体积为 10 μL。

姜黄素含量测定方法参考文献[15]，采用高效液相色谱法，原材料采用干样并过40目筛。色谱条件：Ultimate XB-C18 柱（100 mm×4.6 mm，3 μm）；流动相为乙腈-4%冰乙酸溶液，流速0.8 mL/min；检测波长为430 nm；柱温为35℃；进样体积为5 μL。

1.3 数据处理

采用Excel软件进行数据统计与整理，采用IBM SPSS 22软件进行差异显著性、相关性、主成分和聚类分析，综合评价各品种生姜品质。

2 结果与分析

2.1 生姜的各成分含量

生姜主要品质指标统计分析见表1。

表1 生姜主要品质指标统计分析Table 1 Date analysis of main quality indicators of gingers

从表1中可以看出，不同品种生姜的各成分含量均有差异。以6-姜烯酚、10-姜酚、8-姜酚、6-姜酚的变异系数较大，这4种成分均是姜辣味的呈味物质，说明山东地区这12个品种的辣味差别较为明显，品种间变异程度较大。4种姜辣素中，6-姜酚的含量最高，在6.92 mg/g～14.59 mg/g之间，平均值是8.82 mg/g。其次是6-姜烯酚、10-姜酚和8-姜酚，含量分别是0.69mg/g～3.15 mg/g，0.67 mg/g～1.65 mg/g 和 0.68 mg/g～1.55 mg/g。可溶性糖的变异系数是20.89%，说明品种间含量差异也较大，在4.57 mg/g～9.82 mg/g之间。以粗蛋白、粗纤维和姜黄素这3种成分的变异系数小，数据离散程度小，说明这3种成分在山东地区12个品种间的含量差异较小。

不同生姜品种的营养物质含量分析见表2。

表2 不同生姜品种的营养物质含量分析Table 2 Analysis of nutrient content of different ginger varieties

由表2可知，粗蛋白含量较高的是安丘大姜、沂水小姜、昌邑生姜、莱芜娃娃姜、昌邑娃娃姜和安丘黄姜，且品种间不存在显著性差异。粗纤维含量较高的有昌邑生姜、安丘大姜、莱芜小姜、沂水小姜、昌邑娃娃姜和莱芜缅姜，5个品种间不存在显著性差异，昌邑黄姜的粗纤维含量显著低于其它品种。昌邑生姜和莱芜娃娃姜的姜黄素含量显著高于其它品种。昌邑黄姜的干物质含量显著高于其它品种，昌邑生姜的6-姜酚和8-姜酚含量显著高于其它品种。6-姜烯酚含量最高的是沂水小姜，10-姜酚含量最高的是莱芜娃娃姜，均显著高于其它品种。莱芜缅姜的可溶性糖含量最高，显著高于其它品种，其次是沂水小姜。各成分含量在12个生姜品种间均存在不同程度的差异，说明品种间综合品质较难比较，因此需要对其进行综合评价。

本研究对12个生姜品种的9种成分含量进行测定，粗蛋白、粗纤维、干物质及可溶性糖含量范围与高德民等[16]的研究结果一致（粗蛋白6.25%～10.8%，粗纤维3.95%～6.17%，可溶性糖6.97%～22.5%），具体含量可能因品种而有所不同。田红梅等[17]也对生姜地方资源品质进行了比较研究，发现由于气候、土壤等条件不一致使得生姜品质不同。本试验将收集到的生姜品种统一种植在农科院试验站，排除光照、土壤和气候等条件的干扰，品质差异主要来源于品种不同，也可为之后本地区生姜品种的选育提供依据。有研究表明[2]，6-姜酚是姜辣素中主要组成成分，占姜辣素含量的75%，姜烯酚中含量最高的是6-姜烯酚。且本研究中安丘大姜的姜辣素含量相较于小姜品种是较低的，这与之前研究中小姜品种辛辣味较浓的结论一致[2]。

2.2 生姜品种各成分间的相关性分析

生姜品种各指标的相关性分析见表3。由表3可知，粗蛋白与粗纤维、姜黄素极显著正相关，与干物质极显著负相关，与6-姜烯酚显著正相关。粗纤维与干物质和姜黄素分别极显著负相关和极显著正相关，与6-姜烯酚显著正相关。干物质与姜黄素显著负相关，与6-姜烯酚极显著负相关。姜黄素与10-姜酚极显著正相关。6-姜酚与8-姜酚、6-姜烯酚分别极显著正相关和显著负相关。8-姜酚与10-姜酚极显著正相关，与6-姜烯酚显著负相关。相关性分析结果显示，各指标间存在不同程度的相关性，且生姜营养成分丰富，因此仅以某一种指标来评价生姜品质是不合理的，可能会导致结果出现偏差。

表3 生姜各指标间的相关性分析Table 3 Correlation analysis of main indicators of different ginger varieties

2.3 生姜品种综合性状的主成分分析及综合评价

主成分分析法是一种降维的统计分析方法，可以将多种指标转化为少数不相关的几种指标。农产品品质评价的相关研究大多采用主成分分析法[18-20]。为了提高评价结果的可靠性，采用主成分分析法将众多具有一定相关性的指标重新组合成一组新的互相无关联的综合指标，再用新的综合指标对12个生姜品种的品质进行综合评价。对12种生姜品种的9种成分含量进行Bartlett's球状检验，结果表明显著性值为0.001（P<0.05），说明本研究可以采用主成分分析法[21]。生姜主成分的特征值、累积贡献率和成分载荷矩阵分析见表4。

表4 主成分的特征值、累积贡献率和成分载荷矩阵Table 4 Eigenvalues，contributions and components matrix of principal components

生姜主成分分析碎石图见图1。

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

从表4和图1中可以看出，特征值大于1.00的前3个主成分累积贡献率达88.32%，说明前3个主成分已能将所测定生姜品种主要品质性状88.32%的信息反映出来，可选取前3个主成分作为评价12个生姜品种在山东地区表现的综合指标[22]。第1主成分的特征值为4.04，贡献率最高，为44.87%，主要代表粗蛋白、粗纤维、干物质及姜黄素，因此该因子可认为是内在品质因子。且粗蛋白、粗纤维和姜黄素呈现正向分布，干物质则呈现负向分布。第2主成分贡献率为28.94%，包含了原始信息量的28.94%，其中6-姜酚和8-姜酚的载荷系数较大，且均呈现正向分布，可认为是姜辣素因子。第3主成分的贡献率为14.51%，其中可溶性糖的载荷系数较大，呈正向分布，可认为是甜味因子。

根据各主成分特征值和方差贡献率的不同，构建生姜品质综合评价指数见表5。

表5 因子得分及果实品质综合得分Table 5 Principal component scores and corresponding comprehensive quality scores

如表5所示，以山东地区12个生姜品种综合品质指标来说，昌邑生姜、莱芜娃娃姜和安丘大姜的得分较高，说明本研究中这3种的综合品质较好。昌邑黄姜和昌邑缅姜的得分较低，说明其综合品质较差，其它样品品质居中。

2.4 聚类分析

生姜品质指标的原始数据较为离散，不易对生姜各类品质指标进行直观评价。因此将品质指标数据进行标准化处理后，采用离差平方和法（Ward法）分别对三大主成分因子进行聚类分析，结果见图2。

图2 基于各主成分因子的聚类分析图Fig.2 Quality cluster charter of the principal components

图2（a）显示，在欧氏距离为10时，可将12个生姜品种分为3类。其中昌邑娃娃姜、沂水小姜、安丘黄姜、昌邑生姜、安丘大姜、莱芜娃娃姜的内在品质因子得分较高，表明其粗蛋白、粗纤维和姜黄素含量较高，干物质含量较低。昌邑黄姜的内在品质因子得分最低，其余品种居中。粗蛋白含量高的品种多适用于加工生姜蛋白制品，其提取物可用作乳化剂和添加剂。干物质含量高和粗纤维较少的品种则加工为腌渍和酱制产品比较合适[16，23]。姜黄素是一种纯天然着色剂，无毒无害，且具有一定的抑菌和抗氧化作用[24]。姜黄素含量高的品种更适于提取特征活性成分，作为添加剂或生产功能性产品[25]。

图2（b）显示，在欧氏距离为10时，可将12个生姜品种分为3类。昌邑生姜的姜辣素因子得分最高，说明其6-姜酚和8-姜酚含量最高，为较高姜辣素含量品种。安丘小姜、莱芜小姜、昌邑娃娃姜、沂水小姜、安丘黄姜、昌邑缅姜的姜辣素因子得分较低，说明6-姜酚和8-姜酚含量较低，其余品种居中。姜辣素可以作为天然抗氧化剂或添加剂加入到产品生产过程中，提高产品的营养品质，延长保质期[26]。姜辣素含量高的生姜品种还可直接作为原料，生产具有独特辛辣味和功能性产品等[27]。

图2（c）显示，在欧氏距离为15时，可将12个生姜品种分为3类。其中昌邑黄姜、沂水小姜和莱芜缅姜的可溶性糖含量较高，昌邑生姜和昌邑缅姜的可溶性糖含量最低，其余品种可溶性糖含量居中。可溶性糖含量高的品种适用于加工成糖姜和姜脯等产品[23]。

综上，昌邑生姜的干物质和可溶性糖含量较低，粗蛋白、粗纤维以及姜黄素含量较高，昌邑黄姜则刚好相反，同时昌邑黄姜和昌邑生姜的姜辣素含量（6-姜酚和8-姜酚）都较高。因此昌邑生姜可能更适用于提取特征活性成分和用于鲜食、调味等用途，昌邑黄姜则适于加工糖姜、姜片以及腌渍姜等产品；而昌邑缅姜的姜辣素和姜黄素含量较低，则不适合提取特征活性成分，其干物质含量较高且粗纤维少，适合加工腌渍和酱制姜产品；莱芜缅姜和沂水小姜的可溶性糖含量较高，而其它因子含量并不很高，因此更适合加工糖姜和姜脯等产品；莱芜娃娃姜和安丘黄姜的粗蛋白含量较高，适用于加工生姜蛋白类制品；另外莱芜娃娃姜的姜黄素含量较高，适用于提取特征性活性成分；安丘大姜的粗纤维和粗蛋白含量相对较高，可以加工成姜粉等产品。

3 结论

本研究对山东地区12个生姜品种的9种成分含量进行测定，结果表明各成分间略有差异。采用主成分分析和聚类分析法对其进行品种间品质的综合评价，最终选定粗蛋白、粗纤维、干物质和姜黄素作为第1主成分因子，6-姜酚和8-姜酚作为第2主成分因子，可溶性糖作为第3主成分因子，综合以上品质指标来衡量12个生姜品种品质优劣。其中昌邑生姜、莱芜娃娃姜和安丘大姜综合品质较好，昌邑黄姜和昌邑缅姜的综合品质较差，其它样品综合品质居中。进一步对三大主成分因子分别进行品种的聚类分析，可按照不同的食用方法和加工用途选择所需要的品种。目前生姜多用于鲜食，出口贸易也主要是保鲜生姜，其产品附加值并不高。因此本研究可以为之后本地区不同生姜产品的品种选用提供理论依据，提高生姜利用率和产品附加值，并为生姜品质评价及综合利用奠定基础。