马铃薯品质特性的相关性及主成分分析

王丽，句荣辉，杨洋，陈璟瑶，朱丽洁，邓志峰

1.北京农业职业学院食品与生物工程系（北京 102442）；2.北京华制认证检测技术服务有限公司（北京 100193）

马铃薯（Solanum tuberosum）是世界产量排名第四的作物，仅次于水稻、小麦和玉米[1]。马铃薯含有碳水化合物、蛋白质、脂类、维生素等一系列营养成分，其中淀粉占干重的70%以上[2]。马铃薯中淀粉的组成、支链淀粉和直链淀粉的比例、物理化学特性、功能特性及流变学特性直接影响烹饪方式、加工技术[3]。不同品种马铃薯中蛋白质、直链淀粉/支链淀粉比值、还原糖、磷含量的变化范围分别是9.95%～11.55%，0.14～0.31，0.4%～2.54%和70.00～190.00 mg/100 g（干重）[4]。不同品种马铃薯中各品质特性差异显著，同时不同品质特性之间变化多端，没有统一的变化规律，很难评价不同品种马铃薯品质特性的差异[5]。

理化品质、加工品质是马铃薯的固有品质，而不同品种的品质将直接影响马铃薯的加工利用性。马铃薯品质众多，要分析不同品种马铃薯品质特征，同时避免测试过程中的耗时、费力、成本高等特点，可采用减少分析指标的主成分分析（principal component analysis，PCA）方法进行优化。已有研究采用PCA开展蛋白质亚细胞的定位预测[6]、藜麦营养及抗氧化性预测[7]、COVID-19的传播率关系分析[8]、货币指数的变化情况[9]等，并将PCA与非线性回归技术相结合建立评价模型，通过综合主成分得分值对样本进行分类[10-11]。试验选取PCA对来自3个地区9个品种的品质特性进行分析，以期筛选出对马铃薯品质特性影响显著的指标，并用简化后的指标对不同品种马铃薯品质特性进行综合评价。

1 材料与方法

1.1 试验材料

马铃薯品种：由黑龙江八一农垦大学、甘肃省农科院及北京某蔬菜基地提供（如表1所示）。

表1 马铃薯品种名称及来源

1.2 主要试剂

碘化钾、碘、无水乙醇、盐酸、石油醚、氢氧化钾等均（分析纯，北京北化试剂公司）。

1.3 仪器与设备

紫外分光光度计（UV-2550，岛津公司）；氨基酸自动分析仪（H835-50，日本Hitachi公司）；凯氏定氮仪（Kieltec Analysister，瑞典Foss公司）；荧光分光光度计（RF5301PC，日本岛津）；1525型高效液相色谱仪（配2487紫外检测器和Breeze色谱工作站）、Sunfire C18（4.6 mm×250 mm，5 μm，美国Waters公司）。

1.4 试验方法

水分，参考GB 5009.3—2016《食品中水分的测定》采用直接干燥法测定；总淀粉，参考GB 5009.9—2016《食品中淀粉的测定》采用酸水解法测定；粗蛋白，参考GB 5009.5—2016《食品中蛋白质的测定》采用凯氏定氮法测定；粗脂肪，参考GB 5009.6—2016《食品中脂肪的测定》采用索氏抽提法测定；粗纤维，参考GB/T 5009.10—2003《植物类食品中粗纤维的测定》；灰分，参考GB 5009.4—2016《食品中灰分的测定》测定马铃薯中的总灰分；总膳食纤维，参考GB 5009.88—2014《食品中膳食纤维的测定》；氨基酸，参考GB 5009.124—2016《食品中氨基酸的测定》；维生素C，参考GB 5009.86—2016《食品中抗坏血酸的测定》采用荧光法测定；维生素B6，参考GB 5009.154—2016《食品中维生素B6的测定》采用高效液相色谱法测定；矿物质含量，采用火焰原子吸收法测定；糖苷生物碱，采用高效液相色谱法测定，参考曾凡逵[12]方法测定。

1.5 数据处理方法

所有品质指标均测定3次，取其平均值作为最终结果。分析和处理结果以平均值±标准差表示。各组数据间的显著性和相关性均采用SPSS软件分析；主成分分析采用SAS软件分析。

2 结果与分析

2.1 不同马铃薯样品中基本品质特性分析

表2显示不同品种马铃薯中水分、淀粉、粗蛋白、粗脂肪、灰分、总膳食纤维等品质数据。结果表明，不同样品间各品质特性差异显著。各样品中水分较高，均高于65%，其中抗疫白水分最高，达80.36%。高水分导致马铃薯易于受微生物的污染，是影响马铃薯贮藏条件和时间的重要指标[13]，因此，对于水分较高的品种常作为加工马铃薯粉的主要原料。不同品种马铃薯中淀粉含量范围在11.18～21.92 g/100 g，大多数集中在15.00～20.00 g/100 g，淀粉是马铃薯中除了水分以外含量最多的固形物。淀粉是马铃薯中主要的能量来源，提供世界人口热量消耗的70%～80%[14]。在马铃薯加工行业中，马铃薯的烹饪方式、适宜的加工技术很大程度上取决于淀粉的含量和组成，如：淀粉加工需要淀粉含量大于18%的品种[15]；淀粉含量高的品种适合加工薯片[16]和马铃薯全粉[17]。

表2 不同品种马铃薯样品基本品质特性

不同品种中蛋白质的变化范围是7.46%～14.12%，黑龙江的“抗疫白”中蛋白质含量最高，为14.12%，“克新27”蛋白质含量最低，为7.47%。研究发现马铃薯蛋白质的数量和质量均较高，如每公顷马铃薯中蛋白质产量位居作物中第二，仅次于小麦；马铃薯蛋白质的营养价值显著高于其他植物和谷物，蛋白质的质量和鸡蛋蛋白质质量相近，马铃薯蛋白质具有较低的过敏性，消化吸收功能性高[18]。各个品种的粗脂肪含量均较低，低于0.54%。试验结果与吴娱[19]研究结果相一致，马铃薯是一种高蛋白低脂肪的营养物质，对减少脂肪，降血脂有一定功效。不同样品中粗纤维含量变化范围是1.22%～2.37%，其中北京的“荷兰薯”中粗纤维含量最高，为2.37%，居于各个品种之首，其次为黑龙江的“布尔斑克”，含量为2.24%。灰分在不同样品中差异极显著，变化范围是0.13%～2.91%，其中甘肃的“LY08104-12”灰分最高，为2.91%，其次为北京的“荷兰薯”为2.76%。膳食纤维是一类不能被人体小肠消化吸收，但能完全或部分完全在大肠中发酵的植物可食部分或类似的碳水化合物，具有多种有益健康的生理功效，如通便、降低血胆固醇、降低血糖的功效。试验发现，马铃薯中膳食纤维占干物质含量的5.25%～9.00%。马铃薯中所含有的热量明显少于大米或麦片。营养学家指出，每天吃马铃薯可减少脂肪的摄入量，能使多余的脂肪代谢掉，是世界性减肥食品[20]。

2.2 不同品种马铃薯氨基酸含量分析

2.2.1 马铃薯氨基酸基本组成

不同品种马铃薯氨基酸含量数据结果显示各品质特性差异显著（数据未显示），除了含有人体必需的8种氨基酸外（苏氨酸、缬氨酸、蛋氨酸、异亮氨酸、亮氨酸、苯丙氨酸、赖氨酸），还含有半必需氨基酸（精氨酸、组氨酸等），也含有鲜味氨基酸（天冬氨酸）、甜味氨基酸（甘氨酸、苏氨酸、脯氨酸、丙氨酸）及药效氨基酸（亮氨酸、异亮氨酸、赖氨酸），是一般粮食作物所不能比拟的。

马铃薯蛋白质中氨基酸含量丰富，如用35%的鸡蛋清与65%的马铃薯蛋白混合，可获得最佳蛋白质。欧美专家指出，每餐只吃全脂牛奶和土豆，就可以得到身体所需要的全部营养素[21]。

2.2.2 马铃薯氨基酸典型特性

图1结果显示，马铃薯中天冬氨酸、谷氨酸的含量显著高于其他种类氨基酸，天门冬氨酸的变化范围是1.04～1.92 g/100 g，谷氨酸的变化范围是0.86～1.71 g/100 g，研究表明天门冬氨酸具有增强肝脏功能，消除疲劳的功效；谷氨酸具有治疗肝性昏迷的功效，是马铃薯中值得进一步研究的两种重要氨基酸。

图1 马铃薯氨基酸含量平均值分析

图2为不同种类作物中氨基酸含量比较分析图。结果表明，马铃薯中含有的支链氨基酸高于其他品种，包括缬氨酸、亮氨酸和异亮氨酸，这些支链氨基酸参与肌肉合成、刺激激素分泌、提高运动耐力、恢复肌肉疲劳、强化肝功能、保护心脏具有较好的功效。同时马铃薯蛋白质中含有高比例的赖氨酸、苏氨酸、色氨酸、蛋氨酸，这些氨基酸是大米、小麦、玉米和蔬菜作物缺乏的必需氨基酸[22]，因此，可通过不同食物的营养均衡搭配，保证人体正常的生长代谢。因为马铃薯的氨基酸组成，马铃薯蛋白质被研究并公认为具有营养价值相当于动物蛋白的溶菌酶[23]。

图2 马铃薯氨基酸与其他种类氨基酸比较

2.3 不同品种马铃薯中维生素含量分析

从表3中可以看出，不同品种马铃薯中维生素含量丰富，尤其维生素C含量，结果显示马铃薯中维生素C含量平均为40.95 mg/100 g，显著高于刘媛等[24]研究结果的18.02 mg/100 g。马铃薯中维生素含量是芹菜的3.4倍、番茄的1.4倍、苹果的10倍，研究表明维生素C含量多的品种适宜鲜食[15]。

表3 不同品种马铃薯维生素和糖苷生物碱（干重）单位：mg/100 g

表4 前3个主成分载荷值

2.4 不同品种马铃薯中糖苷生物碱含量分析

马铃薯中糖苷生物碱（steroidal glycoal-kaloid，SGAs）是一种次生代谢产物，是一种具有生物活性的化合物，具有抗真菌、抗细菌、抗肿瘤、抗疟、强心、降低血液胆固醇、预防鼠伤寒沙门菌感染、果蔬保鲜等作用，因此有很好的药用价值和开发潜力。除此之外，糖苷生物碱具有一定毒性，可以帮助植物抵抗和防御外界有害物的入侵，也是马铃薯中主要的抗营养因子，影响人肠胃消化和造成神经紊乱[25]。α-卡茄碱的生物活性比α-茄碱高3～10倍，α-茄碱和α-卡茄碱浓度比例达到1︰1时，协同作用最强。通常认为糖苷生物碱含量低于200 mg/kg的马铃薯是安全的，表3中显示“克新27”显著超过马铃薯中糖苷生物碱的安全值，后续可对超标样品进行深入分析。

2.5 不同品种马铃薯中矿物质含量分析

不同品种马铃薯中矿物质含量显示不同地区马铃薯各个矿物质含量有较大差异，这不仅与种植地区有关，更与品种有关。图3可以看出，各品种中含有参与人体代谢活动的锌、钙、钾、磷、镁等元素，含量最多的为钾，平均含量为4 709.33 mg/kg，钾是心脏病、肾病患者的有益食品。其次是磷、镁、铝和钙，平均含量分别是589.80，270.26，134.58和96.53 mg/kg。磷使得马铃薯淀粉具有糊化温度低、黏度大、弹性好等特性，是影响马铃薯淀粉加工利用非常重要的矿物质[26]。钠含量低，是高血脂、高血压、心血管疾病患者合适的食物[27]。另外还含有微量的铁、锌、铜、锰、铷等矿物质元素，这些微量元素对人体正常生长代谢具有很好的作用。

图3 马铃薯矿物质含量平均值

2.6 马铃薯品质特性的相关性分析

试验分析表明不同品种马铃薯各品质指标含量差异显著，这些品质指标不仅与品种有关，也和马铃薯生长代谢环境有关，为更加深入了解各品质特性之间的关系及这些品质指标对未来加工产品的影响，将9个品种的40个指标之间进行相关性分析，结果发现很多品质指标间存在显著相关性，如：马铃薯中的水分与淀粉（r=-0.724）、粗蛋白（r=0.688）、粗纤维（r=0.532）、总膳食纤维（r=0.594）、锰（r=-0.844）、铷（r=-0.699）呈显著的相关性；淀粉与粗蛋白（r=-0.696）、粗脂肪（r=-0.583）、粗纤维（r=-0.757）、灰分（r=-0.497）、总膳食纤维（r=-0.563）、镁（r=0.716）、锰（r=0.733）呈显著相关性；粗纤维与灰分（r=-0.672）呈显著相关性；粗纤维与总膳食纤维（r=0.745）、维生素B6（r=0.816）呈显著的相关性；灰分与铷（r=0.652）呈显著相关性；天门冬氨酸与谷氨酸（r=-0.796）、胱氨酸（r=0.711）、蛋氨酸（r=0.722）、脯氨酸（r=0.619）呈显著相关性；苏氨酸与丝氨酸（r=0.886）、甘氨酸（r=0.952）、丙氨酸（r=0.890）、亮氨酸（r=0.987）、苯丙氨酸（r=0.873）呈显著的相关性；丝氨酸与甘氨酸（r=0.907）、丙氨酸（r=0.936）、亮氨酸（r=0.877）、谷氨酸与蛋氨酸（r=0.847）呈显著相关性；甘氨酸与丙氨酸（r=0.844）、异亮氨酸（r=0.855）、亮氨酸（r=0.971）呈显著相关性；丙氨酸与苯丙氨酸（r=0.833）、组氨酸（r=0.826）呈显著相关性；胱氨酸与缬氨酸（r=0.794）、蛋氨酸（r=0.789）、异亮氨酸（r=0.849）、苯丙氨酸（r=0.830）、组氨酸（r=0.808）呈显著相关性；缬氨酸与蛋氨酸（r=0.873）、异亮氨酸（r=0.769）呈显著相关性；异亮氨酸与苯丙氨酸（r=0.976）、组氨酸（r=0.916）呈显著相关性；亮氨酸与苯丙氨酸（r=0.815）、赖氨酸（r=0.708）呈显著相关性；酪氨酸与赖氨酸（r=0.819）、脯氨酸（r=0.804）呈显著相关性；苯丙氨酸与组氨酸（r=0.965）呈显著的相关性；组氨酸与脯氨酸（r=0.834）呈显著相关性；钠与铜（r=-0.742）呈显著相关性；镁和铝（r=0.754）、锰（r=0.814）呈显著相关性；磷与钙（r=-0.729）呈显著相关性；钾与铷（r=0.825）呈显著相关性；α-卡茄碱与α-茄碱（r=0.965）、糖苷生物碱总量（r=0.947）呈显著相关性。通过这些相关性分析发现，很多指标之间关系密切，说明显著相关的指标在马铃薯中的含量具有典型的相同的变化趋势，但很难确定哪些指标是马铃薯的典型品质特性，为了更好地分析马铃薯品质指标的特点及更明确地判断不同指标在各品种中的变化情况，以及如何采用马铃薯的品质判断马铃薯品种的加工适宜性，将具有相同变化趋势的指标进行优化，并采用主成分分析进行降维，以更好地筛选出马铃薯中的典型品质评价指标。因此，选择水分、淀粉、粗蛋白、粗脂肪、粗纤维、灰分、天门冬氨酸、苏氨酸、蛋氨酸、异亮氨酸、赖氨酸、精氨酸、脯氨酸、钠、镁、磷、钾、铁、锌、维生素C、α-卡茄碱等21个指标作为主成分分析的指标。

2.7 马铃薯品质特性的主成分分析及综合评价

2.7.1 马铃薯品质特性的主成分分析

主成分分析（PCA）是一种多变量分析方法，它将几个相关变量转换为几个线性不相关变量主成分[11]。这些主成分的累计贡献率大于70%，可以很好地将原始数据的大多数信息展示出来。结果发现：第一主成分的贡献率为31.23%，第二主成分的贡献率为25.40%，第三主成分的贡献率为15.74%；最大的特征值及其对应的特征向量表示各个马铃薯品质对所有整体马铃薯品质特性的影响；剩下的PCs可以用于研究马铃薯品质特性的随机性。

第一主成分中的苏氨酸、异亮氨酸、赖氨酸、精氨酸、脯氨酸具有较大载荷因子，载荷值分别为0.72，0.86，0.96，0.96和0.85，命名为氨基酸因子，第二主成分中淀粉、粗蛋白、粗纤维具有较大的载荷因子，载荷值分别为-0.72，0.75和0.84，命名为基本化学组成因子，第三主成分中的灰分、钠、磷等具有较大的载荷因子，载荷值分别为0.78，0.76和0.74，命名为矿物质因子。

2.7.2 不同品种马铃薯品质特性的综合评价

通过主成分分析得出前3个主成分的累计贡献率为72.37%，反映了原始数据的大部分信息，用这3个主成分评价马铃薯品种品质特性可行，因此，将马铃薯的21个品质指标转化为Y1氨基酸因子、Y2基本化学成分因子、Y3矿物质因子，对不同品种马铃薯进行综合评价，氨基酸因子、基本化学成分因子和矿物质因子与原始21个品质指标的线性关系式，形成不同品种的综合主成分。不同品种的综合主成分得分如表5所示，排在前2位的为“LY08104-12”和“荷兰薯”，说明这2个品种的综合品质较高。而王丽等[28]研究发现适合加工面条的品种为“陇薯9号”“LZ111”“陇薯7号”，而这几个品种在试验中并没有很高的综合评分，说明不同品种适合不同的加工用途，需要进行专用品种的筛选与分析。

表5 不同品种的综合评分

3 结论

分析3个地区9个马铃薯品种的40个品质特性，结果发现，各品种不同品质特性间差异显著，如不同品种马铃薯蛋白质中含有高比例的赖氨酸、苏氨酸、色氨酸、蛋氨酸，而这些氨基酸是大米、小麦、玉米和蔬菜作物缺乏必需氨基酸。相关性分析发现马铃薯的很多指标间存在显著相关性，如：马铃薯中的水分含量与淀粉（r=-0.724）、锰（r=-0.844）呈显著相关性；淀粉与粗纤维（r=-0.757）、镁（r=0.716）呈显著相关性；天门冬氨酸与谷氨酸（r=-0.796）、胱氨酸（r=0.711）、蛋氨酸（r=0.722）、脯氨酸（r=0.619）呈显著相关性，很多指标之间关系密切，说明显著相关指标在马铃薯中的含量具有相同的变化趋势，但很难确定哪些指标是马铃薯的典型品质特性。主成分分析进一步简化马铃薯品质数据矩阵，前3个主成分可以表征所有数据72.37%的信息，分别建立3个新的主成分，分别是氨基酸因子、基本化学成分因子和矿物质因子，经过3个主成分对不同品种进行综合评价，其中“LY08104-12”和“荷兰薯”质量较好。