基于主成分分析法评价不同产地香牙蕉的营养品质
2022-06-02戎瑜王明月吕岱竹宋佳马晨
戎瑜 王明月 吕岱竹 宋佳 马晨
摘 要：通过主成分分析和聚类分析2种方法对采自5个产地的香牙蕉（广西、云南、福建、海南和广东）功能性营养成分与品质指标进行比较和分析，首先对5个产地香牙蕉样品的各营养和感官指标进行相关系数矩阵分析，得到5个产地香牙蕉样品分别在F1风味和矿物质元素指标（甜度、可溶性固形物、总酸、水分、钾、磷、镁、铜）、F2维生素类指标（维生素B6、烟酸、β-胡萝卜素和多糖）、F3外观指标（长度和围径）、F4感官指标（香味、可食率）、F5功能性指标（槲皮素、总抗性淀粉）五大主成分上的累计方差贡献率达78.89%，因此这5个因子能够用作分析香牙蕉品质的主要指标。通过三维散点图和计算综合得分，云南、广东、海南省3地香牙蕉样品总体得分居高，结果表明香牙蕉营养品质较高，而福建省香牙蕉營养品质较低。进一步结合聚类分析的层次聚类和K-均值聚类2种分析方法，与主成分分析的结果一致，云南省香牙蕉品质最高，其余产地品质分属一类与二类。这可能与各指标差异性分析中的云南省香牙蕉样品在β-胡萝卜素、香蕉多糖和矿物质元素等指标上显著高于其他4个产区（P<0.05）相关。通过以上不同方法综合分析，可以得出来自五大产区的香牙蕉样品综合营养品质水平，研究结果为我国香牙蕉的品种培育、产地选择提供理论依据及参考。
关键词：香牙蕉;营养品质;主成分分析;聚类分析中图分类号：S668.1 文献标识码：A
Evaluation of Nutrition and Quality of Banana from Different Producing Areas Based on Principal Component Analysis
Abstract： In this study， principal component and cluster analysis methods were used to compare and analyze the functional nutritional components and quality indexes of banana samples collected from Guangxi， Yunnan， Fujian， Hainan and Guangdong in China. Firstly， five principal components were obtained according to the correlation coefficient matrix analysis conducted on nutritional and sensory indexes of banana samples. The five main component factors were detailed as follows： F1 as the index of flavor and mineral elements （sweetness， soluble solids， total acid， water， potassium， phosphorus， magnesium， copper）， F2 as the vitamin index （vitamin B6， niacin， β-carotene， polysaccharides）， F3 as the appearance index （length and diameter）， F4 as the sensory index （flavor， edible rate）， and F5 as the functional index （quercetin and total resistant starch）， the cumulative variance contribution of the above five principal component factors reached 78.89%. Therefore， they could be used as the main indexes to analyze banana quality. Through the three-dimensional scatter plot and the calculation of the comprehensive score， the overall scores of Yunnan， Guangdong and Hainan were higher than that of Guangxi and Fujian， indicating that the nutrition quality of bananas in the three places was of superior grade， while the nutrition quality of bananas in Fujian was lower. The results of hierarchical clustering andK-means clustering were consistent with the results of principal component analysis. The quality of banana in Yunnan was the highest， and the quality of other producing areas belonged to class I and class II. This might be related to the fact that the contents of β-carotene， banana polysaccharide and mineral elements in banana samples of Yunnan were significantly higher than those in other four producing areas （P<0.05）. Through the comprehensive analysis of the above different methods， the nutrition quality level of banana samples from the five major producing areas could be obtained， which would provide a theoretical basis and reference significance for the species cultivation and the selection of the production area of the banana in China.E85B7C94-6317-4903-BD2E-2EAFB6888C19
Keywords： banana; nutrition quality; principal component analysis; clustering analysis
DOI： 10.3969/j.issn.1000-2561.2022.05.019
香牙蕉（MusaAAA Group Cavendish），又名华蕉，是一类由中国矮脚蕉变种而来的品种，香牙蕉种植面积约占86%，为我国栽培面积最大的香蕉主栽品种[1]。香蕉是世界上的重要水果，主要栽种于热带、亚热带地区。我国是世界香蕉生产和消费大国，香蕉产业是我国热带、亚热带地区的农业支柱产业之一，据统计数据显示，2020年五大产区（广东、广西、云南、海南、福建）的香蕉总产量可达1100万t，位居世界第二，产值超过300亿元[2]。其中广东产量占38.53%，位居第一;其次是广西和云南，分别占26.54%和19.17%;海南、福建分别位居第四、第五，产量分别占12.33%和3.46%。我国生产的香蕉主要以鲜食蕉为主[3]。
香蕉果肉含丰富的营养能量物质，其中碳水化合物20%，蛋白质1.2%，脂肪0.6%，还含有钙、铁、磷等矿物质、微量元素及维生素[4]。基于不同产地的香蕉样本，研究其内在营养品质与感官等方面的差异十分必要。本文针对五大产区采集的香牙蕉样品，对各样品营养功能物质（可溶性固形物、总酸、钾、磷、镁、铜、烟酸、维生素B6、β-胡萝卜素、原花青素、香蕉多糖等）进行测定，并结合单果长、单果围径、果肉质地、香味等品质指标的感官分析结果，进一步通过主成分分析和聚类分析方法[5]对不同产区香牙蕉营养品质差异进行分析和评价。目前已有采用不同分析方法研究香蕉品质的相关报道，及采用主成分分析方法对其他果品的营养品质进行解析的相关研究，然而目前尚无采用主成分分析方法对香蕉果品进行分析比较的研究。如赵明等[6]采用顶空固相微萃取结合气相色谱-质谱联用（GC-MS）对7个不同品种香蕉果实的香气品质特征进行了分析，筛选出48种挥发性香气物质，研究结果显示香牙蕉品种的香气物质种类和含量均高于粉蕉。徐胜涛等[7]研究了不同海拔高度对香蕉营养品质的影响，发现随海拔高度的增加香蕉果实中总糖、总酸、可溶性固形物、蛋白质及维生素C的含量均显著提升，而海拔高度对香蕉感官品质的影响尚无相关研究。张江周等[8]研究夏季不同采收时间对香蕉果实品质的影响，分别对断蕾50、60、70、80 d后果实可溶性固形物等品质指标进行了测定，发现采收时间的延迟能够提高果实重量和可食率，但会降低果实的可溶性固形物含量、多酚含量和褐变速率等品质指标，为香蕉的采收及品质提升提供了理论依据。邓英毅等[9]通过比较6个不同香蕉品种采收后的果实性状和产量等，发现种植于广西的6种香蕉品种中果实综合性状较好的是‘中蕉4号‘桂蕉6号‘中蕉3号和‘中蕉6号，而‘南天黄和‘巴西蕉较差。阴芳冉等[10]基于主成分分析法对产自河北3个不同地区的红树莓的营养品质指标进行了分析，由各营养成分的变异系数及成分载荷散点图可知，不同产地的营养成分具有显著差异，根据各产地综合评价得分可以得到3个地区的红树莓样品营养品质排序，为红树莓的品质分析及不同产地栽培控制提供参考数据。目前，采用主成分分析法对不同产地香牙蕉营养品质及感官品质的评价分析研究鲜见报道。本研究拟通过结合主成分分析和聚类分析方法评价五大产区香牙蕉营养品质及外在感官品质的差异性，以期为不同产地香牙蕉品种选育与栽培提供参考。
1 材料与方法
1.1 材料
分别从广东湛江、云南景洪、云南勐海、云南红河、云南金平、云南勐腊、广西南宁、广西扶绥、海南昌江、海南乐东、海南儋州、海南澄迈、福建漳州不同产地共采集香牙蕉样品32份，所采集香牙蕉样品均为产地基地的种植样本，采收香牙蕉果实后使用乙烯利催熟后再对各项指标进行检測[11]。香牙蕉样品来源见表1。
维生素C（抗坏血酸）、维生素B6、β-胡萝卜素及槲皮素等标准样品均购于Sigma-Aldrich公司。
1.2方法
1.2.1 单果重、长度、围径、果肉质地、香味和甜度等感官指标测定 设置参加感官评价的人员共26人，分为2组，各组人数13人，依次通过视觉、嗅觉、味觉感觉器官[12]评定不同产地的香牙蕉样品品质。对围径大小进行测定，以及对果实形状、果肉颜色、果肉风味和质地等进行感官分析评价。
1.2.2 可溶性固形物、水分、总酸含量测定 香蕉样品用搅拌机研磨成匀浆状，取少量匀浆液经过滤后利用手持式折光仪测定并记录Brix值，参照行业标准NY/T 2637—2014《水果和蔬菜可溶性固形物含量的测定 折射仪法》测定;水分测定参照GB 5009.3—2016《食品安全国家标准食品中水分的测定》方法测定;总酸测定参照GB/T 12456—2008《食品中总酸的测定》方法测定。
1.2.3 维生素和矿物质元素含量测定 维生素B6的测定参照GB 5009.154—2016《食品安全国家标准食品中维生素B6的测定》中的HPLC法进行测定;烟酸含量测定参照GB 5009.89—2016《食品中烟酸和烟酰胺的测定》方法测定;叶酸含量测定参照GB 5009.211—014《食品中叶酸的测定》方法测定，β-胡萝卜素含量参照GB 5009.83—2016《食品中胡萝卜素的测定》方法测定，矿物质元素铜参照GB 5009.13—2017进行测定;钾元素参照GB 5009.91—2017进行测定;磷元素参照GB 5009.87—2016进行测定;镁元素参照GB 5009.241—2017进行测定;锰元素参照GB/T 5009.12—2003进行测定。E85B7C94-6317-4903-BD2E-2EAFB6888C19
1.2.4 香蕉多糖、总膳食纤维、槲皮素、总抗性淀粉含量测定 香蕉多糖含量测定参照王琼瑶等[13]的方法，總膳食纤维含量测定参照AOAC认定的磷酸缓冲液酶-重量法测定总膳食纤维的含量，槲皮素的测定参照孙悦等[14]的方法，香蕉中总抗性淀粉含量的测定参照程燕锋等[15]的Goni方法进行测定。
1.3数据处理
采用 Excel 2010软件建立不同产地香牙蕉样品的各类营养成分含量的原始数据文档，用SPSS 19.0软件中的最小显著差异法（least-significant difference， LSD）多重比较对数据进行分析、作图，并进行显著性分析（P=0.05）。采用SPSS 19.0软件进行主成分分析，并采用SPSS 19.0软件中的K-均值聚类和复式集群条形图对数据进行聚类分析。
公式（1）：
其中，在以上的线性组合中选取的F1、F2……Fm依次按X1、X2……XP的所有线性组合中方差顺序由大到小排列的，因此依次设为第1、2……m主成分。Fm表示各因子得分系数矩阵，Xp表示指标变量p，amp表示与变量Xp在同一行的因子载荷。
公式（2）：主成分载荷矩阵
其中Ai表示因子载荷矩阵，λi表示特征值。
公式（3）：
其中，Ym表示各主成分值，Zp表示各变量的标准值，Ump表示主成分载荷矩阵。
公式（4）：综合主成分值
以上，以m个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;根据主成分综合模型即可算得综合主成分值，进行评价。
2 结果与分析
2.1 不同产地香牙蕉感官品质分析
由不同产地香牙蕉的感官品质分析结果可知（表2），五大产区香牙蕉样品在长度、围径、甜度和可溶性固形物均无显著差异，香味和可食率差异显著（P<0.05）。其中，广东省和海南省的香味与其他产区相比，具有显著性差异（P<0.05）;将香味指标按有无香味设定评分，广东省香牙蕉平均香味水平最高，为1.50±0.58，高于平均值29.31%± 5.74%;海南省香牙蕉平均香味水平最低，比平均值低13.79%±1.46%。表明海南省香牙蕉风味品质比其他产区弱，而广东省香牙蕉风味品质最优。广东省香牙蕉可食率高于其他产区，为66.30%± 0.54%，高于平均值4.46%±0.54%（P<0.05），而云南省香牙蕉可食率最低，为61.68%±3.43%，低于平均值2.82%±3.43%（P<0.05）。结果显示，广东省香牙蕉的可食率与香味水平在五大产区中最高，表明其风味水平可能与可食率存在相关性。
2.2不同产地香牙蕉的营养品质分析
5个产地香牙蕉的镁、铜、锰等矿物质元素，β-胡萝卜素、槲皮素、维生素和总膳食纤维、香蕉多糖等功能性成分的含量具有显著性差异（P<0.05），结果见表3。云南省香牙蕉中矿物质元素钾、镁、铜、锰的含量在5个产地中均属最高，其中，钾元素高于平均值22.22%±3.92%，镁元素高于平均值44.92%±36.78%，铜元素高于平均值47.30%±37.37%，锰元素高于平均值59.55%±7.59%。除维生素C外，云南省香牙蕉的其他维生素类物质和β-胡萝卜素含量在5个产地中也最高，其中维生素B6高于平均值10.82%±0.49%;烟酸含量高于平均值40.19%± 0.37%;叶酸含量高于平均值30.61%±1.92%，β-胡萝卜素高于平均值28.00%±0.25%。除以上营养元素外，云南省香牙蕉中多糖含量高于平均值34.38%±9.72%，含量远高于其他4个产地。而在其余4个产地样品中，福建省香牙蕉的槲皮素和总抗性淀粉含量最高，海南省香牙蕉的总膳食纤维含量最高，广东省香牙蕉的原花青素含量最高。结果显示，五大产区中云南省的香牙蕉营养品质评价的各项指标处于领先地位的占比较大，因而基于以上营养成分分析，可以综合评价得出云南省香牙蕉果实营养价值较优于其他四大产区。
2.3香牙蕉营养品质与感官品质指标相关性分析
香牙蕉营养品质与感官品质指标相关系数矩阵（表4）所示，矿物质元素钾、磷、镁、铜与外在感官指标水分、甜度和可溶性固形物之间呈显著或极显著正相关。其中，钾元素与水分、甜度、可溶性固形物之间的相关系数分别为0.610**、0.621**和0.738**，磷元素与水分、甜度、可溶性固形物之间的相关系数分别为0.561*、0.647**和0.825**，镁元素与水分、甜度、可溶性固形物之间的相关系数分别为0.583*、0.646**和0.747**，铜元素与水分、甜度、可溶性固形物之间的相关系数分别为0.502*、0.655**和0.606**，表明香牙蕉中矿物质元素含量与外在感官品质之间存在显著相关性。功能性成分中维生素类物质的含量与矿物质元素含量之间呈显著正相关，维生素B6与钾、磷、镁元素之间的相关系数分别为0.685**、0.531*和0.648**，叶酸与钾、磷、镁、铜元素之E85B7C94-6317-4903-BD2E-2EAFB6888C19
间的相关系数分别为0.631**、0.679**、0.657**和0.581*，结果表明维生素类物质的含量与矿物质类元素含量之间呈显著正相关。总膳食纤维含量与维生素类物质、β-胡萝卜素含量呈极显著正相关;香蕉多糖含量与矿物质元素钾、镁、维生素B6、β-胡萝卜素、总膳食纤维含量呈极显著正相关，相关系数分别为0.605**、0.624**、0.717**、0.753**和0.804**，表明香牙蕉中香蕉多糖含量与矿物质元素、维生素和膳食纤维含量显著相关。
2.4 不同产区香牙蕉品质的主成分分析
采用主成分分析法对采自不同产区香牙蕉的营养品质与感官品质指标进行分析，得到香牙蕉品质主成分相关矩阵的特征值、方差贡献率及累计贡献率（表5），其中前5个主成分的特征值较大，其累计方差贡献率达78.89%，能综合香牙蕉品质的大部分信息，因此选取这5个主成分作为香牙蕉品质的主成分进行分析。由表6可知，第1主成分F1贡献率达39.053%，表现为其在风味（甜度、可溶性固形物、总酸、水分）和矿物质元素（钾、磷、镁、铜）等指标上有较高的正载荷，表明对第1主成分影响最大的特征向量为风味和矿物质元素，说明F1主成分是由风味和矿物质元素指标组成的综合指标。第2主成分F2的贡献率为15.54%，表现在维生素B6、烟酸、β-胡萝卜素及香蕉多糖有较高的正载荷，说明此主成分主要由维生素成分决定的。第3主成分F3的贡献率为12.14%，表现为在长度和围径2个外观品质指标上有较高的正载荷。第4主成分F4的贡献率为6.76%，表现为在香味和可食率2个指标上有较高的正载荷，表明感官指标是决定F4的主要因子。第5主成分F5的贡献率为5.40%，表现为槲皮素和总抗性淀粉具有较高的正载荷，说明功能性指标是决定F5的主要因子。由于总方差78.89%的贡献率来自于前5个主成分，因此综合以上5个主成分的特点，可以认为不同产区香牙蕉营养和感官品质的主要差异为感官指标（甜度、可溶性固形物、总酸、水分、长度和围径）和营养品质指标（钾、磷、镁、铜、维生素B6、烟酸、β-胡萝卜素、香蕉多糖、槲皮素和总抗性淀粉）。图1为由主成分因子1、2、3旋转得到的旋转元件图，其中，X轴表示第1主成分F1，Y轴表示第3主成分F3，Z轴表示第2主成分F2。由图1可知福建省香牙蕉样品与其他4个产区样品的分布距离较远，表明其按主成分旋转得到的综合品质得分遠低于其他4个产区;云南省的香牙蕉的综合品质得分分布较集中，而广东、海南和广西的牙蕉样品品质较分散。
2.5 不同产地香牙蕉品质的聚类分析
2.5.1 层次聚类 选取具有显著差异的各个品质指标对5个产区香牙蕉品质进行聚类分析，得到香牙蕉品质的聚类分析图（图2）。由聚类分析结果可知，在类间距离为25时，5个产区香牙蕉品质可分为2个类群。第一大类包括广西、福建、海南和广东4个产地的香牙蕉样品，均为营养品质及感官品质较低的香牙蕉样品，其中广西、海南、福建分别各2个样品，编号分别是19、20、26～29;广东1个样品，编号为4，此类样品营养品质较低。第二大类包括5个产区的香牙蕉样品，均为营养品质及感官品质较高的香牙蕉样品，其中，福建样品3个（30～32），广西样品4个（15～17），广东样品3个（1～3），海南样品5个（21～25），云南样品10个（5～14）。可看出层次聚类分析结果与主成分旋转元件图所得结果一致。
2.5.2K-均值聚类 在分层聚类分析的基础上，进一步对5个产区香牙蕉样品的品质进行了K-均值分析，由表7变异数分析结果可知，得出的类别在各个变量上均呈显著差异（P<0.05），因而该聚类分析结果可以保留。将数据集经过聚类得到2个分组，并作聚类分析复式条形图，由图3可知各产区中营养品质较高属于类别一的香牙蕉样品共计25个，营养品质较低属于类别二的样品有7个，可以看出五大产区香牙蕉样品的品质大多数属于类别一，营养品质较高，少量样品属于类别二，品质较差，这与分层聚类图2结果一致。其中，云
南省的香牙蕉品质最高，采集的10个样品均属于分类一，与层次聚类和主成分分析结果一致。
3 讨论
在农业供给侧结构性改革和顺应高品质消费趋势的新形势下，消费者在选择购买相同类型商品时会优先选择营养价值更高的品种，因而生产者与研究人员需要将关注度放到如何提升农产品内在营养品质上，这对于提升商品购买力与市场消费者喜爱度是十分重要的。香蕉营养品质评价分为感观品质、风味品质和营养功能品质，香蕉作为我国重要的热带特色农产品，清甜爽口，风味怡人，深受消费者的欢迎。香牙蕉作为其中数量最多，种植最广的品种，研究香牙蕉的内在和外在品质性状，发掘影响香牙蕉营养和风味品质的主成分因子不可或缺。
本研究中，β-胡萝卜素在5个不同产区香牙蕉样品中具有显著性差异，5个产区中，云南省香牙蕉中的β-胡萝卜素含量，磷、钾、镁、铜和锰元素含量均最高，这可能是云南省特殊的喀斯特地貌，同时其高原和山地地势占全省面积94%，赋予了特殊的气候环境，如昼夜温差大，水气凝集导致空气相对湿度大，这些独特的地理环境或许是赋予云南省香牙蕉风味与营养品质显著高于其他产区的主要因素之一。香蕉中β-胡萝卜素含量较高，β-胡萝卜素作为体内维生素A合成的前体（provitamin A carotenoids， pVACs），具有抗衰老、增强免疫、预防心血管疾病和抗癌等功能，维生素A缺乏可造成“夜盲症”[16-17]，因而云南省香牙蕉中β-胡萝卜含量高利于体内维生素A的生成。香蕉果肉颜色与β-胡萝卜素含量具有相关性，因而β-胡萝卜含量不仅与香牙蕉营养品质相关，同时也与果实颜色、外观品质具有相关性。香蕉中富含磷元素，磷是人体必需的元素之一，也是骨骼和牙齿的重要组成部分，能够保持体内ATP代谢的平衡，调节能量代谢，参与体内酸碱平衡的调节及参与体内脂肪的代谢[18]。云南省香牙蕉中磷元素含量最高，同时其他矿物质元素、维生素B6、叶酸含量均高于其他地区，维生素B6、叶酸与矿物质元素含量具有显著相关性。这些高含量的营养成分共同赋予了云南省香牙蕉突出的营养品质。营养与风味历来是人们用来评价和挑选农产品的主要标杆之一，本研究针对不同产地香牙蕉样品的营养与感官风味指标，通过主成分分析和聚类分析方法挖掘影响香牙蕉品质的主要指标，通过将指标得分标准化，分析得到不同产地香牙蕉的品质分级水平。经过分析和比较，云南香牙蕉钾、磷、镁等矿物质元素、维生素B6和叶酸等含量均显著高于其他产地，是口感风味、营养俱佳的优质品种。E85B7C94-6317-4903-BD2E-2EAFB6888C19
香蕉多糖在香蕉果肉中含量约占5%，多糖作为存在于天然植物体内的大分子量物质之一，具有多种功能活性，例如抗肿瘤活性[19]、自由基清除活性[20]、促进肠道益生菌增殖[21]及调节免疫活性[22]等，香蕉多糖还可以有效缓解多种慢性疾病[23]。本研究中不同产地香牙蕉样品中均含有一定的香蕉多糖成分，其中云南省香牙蕉样品中香蕉多糖含量最高，为（0.43±0.10）g/100g（以鲜重计），其抗性淀粉含量较低，为（1.43±0.83）g/100g，相反，福建省香牙蕉样品中香蕉多糖含量最低，为（0.19±0.15）g/100g，而抗性淀粉含量最高为（3.25±3.44）g/100g，表明香牙蕉中多糖含量与抗性淀粉含量可能存在负相关性。
本研究着重比较不同产地香牙蕉的外在感官与内在营养品质，利用主成分分析法及聚类分析法对采自5个产地的香牙蕉样品进行归类，主成分分析结果表明，5个产地的香牙蕉样品大部分感官及营养品质差异性可由选定的营养、活性、感官、功能、品质5个主成分反映。5个主成分分别是风味因子（可溶性固形物、甜度、总酸、水分、钾、磷、镁和铜）、营养因子（维生素B6、烟酸、β-胡萝卜素和香蕉多糖）、外观因子（长度、围径）、感官因子（可食率香味和）和功能因子（槲皮素、总抗性淀粉）。通过三维散点图和综合得分计算，得出在不同产地的香牙蕉品质差异中，福建省香牙蕉总体营养品质较低，云南、广东、海南省香牙蕉营养品质较高。根据聚类分析可以得出，云南省香牙蕉在外在感官品质与内在营养品质2个方面的品质得分显著高于其他产区，体现在β-胡萝卜素、香蕉多糖和矿物质元素等指标显著高于其他产区，因而云南省香牙蕉具有能在消费市场进行推广的优良品质特性。本研究主成分分析法及聚类分析法分类结果基本一致，为今后香蕉新品种选育和香蕉深加工利用的进一步研究提供理论支持。
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