4种薯类食品多项指标的灰色模式识别分析

周利兵,侯守芳

(广西科技师范学院 食品与生化工程学院,广西 来宾 546199)

红薯作为主要的农作物之一,红薯是人们熟知的食物[1].紫薯中含有人体所需的多种氨基酸和矿物质元素[2].为准确地评价不同紫薯营养品质差异,测定9个品种紫薯的水分、淀粉、蛋白质、膳食纤维、花青素、总酚、类黄酮、维生素C、维生素B2营养成分指标[3].薯类食品含有蛋白质、人体必需的微量元素、膳食纤维等成分.本文选择我国不同地区红薯、山药、葛根、紫薯4种薯类食品作为研究对象,建立4种薯类食品的多指标综合评价体系.

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

选取我国不同地区红薯、山药、葛根、紫薯4种薯类食品作为分析样本,4种薯类食品购于来宾市农贸市场,样品均用研钵研细并过40目药典筛.

HR-15BH系列燃烧热测定实验装置、点火丝(镍铬丝)、压片机(湖南长沙长兴高教仪器设备开发有限公司);粉碎机(FW135型,天津市泰斯特仪器有限公司);FA200电子天平(上海舜宇恒平科学仪器有限公司);NETZSCH STA 2500热重分析仪、坩埚(德国NETZSCH公司);SE206脂肪测定仪、F1600全自动纤维测定仪(济南阿尔瓦仪器有限公司);AUY120万分之一电子分析天平(岛津公司);GZX-GF101-3-S干燥箱(上海沪粤明科学仪器有限公司);SX-4-10P马弗炉(天津市泰斯特仪器有限公司).

苯甲酸(分析纯,天津市科密欧化学试剂有限公司);2006003药用胶囊(广东生物有限公司)、石油醚(沸程30～60 ℃)、石油醚(沸程60～90 ℃)、滤袋,耐酸碱笔、水(三级水)、硫酸溶液 0.13 mol/L、氢氧化钾溶液 0.23 mol/L、盐酸溶液 0.5 mol/L,均为国产分析纯.

1.2 各指标测定方法

薯品燃烧热的测定利用氧弹量热计测定燃烧热,参阅文献[4];热重分析是在程序控温和一定气氛下,测量试样的质量变化与温度或时间关系的技术,热重测定参阅文献[5-6];脂肪测定参照《GB5009.6—2016食品安全国家标准食品中脂肪的测定》方法测定[7];灰分的测定参照《GB5009.4—2016食品安全国家标准食品中灰分的测定》方法测定;粗纤维测定参照《GBT5009.10—2003 植物类食品中粗纤维的测定》方法测定.每个样品重复3次试验(n=3,CV%<3%)

1.3 多指标综合评价方法

构建我国不同地区红薯、山药、葛根、紫薯4种薯类食品燃烧热、燃烧性(燃烧稳定性)、脂肪含量、灰分、粗纤维的多指标综合分析的评价方法.

2 结果与讨论

2.1 薯类食品燃烧热的测定

根据实验数据,绘制样品红薯燃烧热测定曲线,重复3次实验,雷诺温度ΔT曲线图(见图1).样品名称：红薯第一组实验样品.求得W卡=14 466.140 J/℃,Q胶囊=20 265.7760 J/g,点火丝质量 0.008 9 g,样品质量为 0.254 2 g,空胶囊质量为 0.101 3 g,根据,Δm粗粮Qv=W卡ΔT-Q点火丝Δm点火丝-Q胶囊m胶囊,Qv红薯=15 947.234 4 J/g.

同理,测定山药、葛根、紫薯燃烧热,重复3次试验.

4种薯类食品燃烧热见表1.由表1知,红薯、山药、葛根、紫薯4种薯类食品燃烧热大小顺序为：葛根>红薯>山药>紫薯.4种食品测试样燃烧热在 10 163.79～18 206.898 J/g 之间,CV%=2.35%～4.77%,其中葛根燃烧热 18 206.90 J/g,能量最高,紫薯的燃烧热为 10 163.79 J/g,能量相对较小.薯类食品的能量价值,在一定程度上也可从燃烧热上反映出来,在薯类食品分类研究方面提供有力地科学依据.

图1 红薯雷诺温度ΔT曲线图表1 4种薯类食品燃烧热(n=3)样品名称QV平均值/(J·g-1)CV红薯15 592.962 50.023 5山药12 805.900 70.024 9葛根18 206.897 50.047 7紫薯10 163.791 90.040 8

2.2 热重分析

2.2.1 热重分析结果

1) 红薯热重分析 红薯的热重、热差曲线见图2、图3,热重分析数据见表2.损失率为5.07%;温度直至 411.5 ℃,损失率为63.77%;剩余样品质量为22.36%.DTG曲线峰形的拐点分别为94.3和 305.9 ℃.放热峰峰值为 120 ℃,温度范围为85.5～170.7 ℃,峰面积为 196.3 μVs[8].

表2 红薯TG-DTG数据

2) 山药热重分析 山药的热重、热差曲线见图4、图5,热重分析数据见表3.损失率为6.5%;温度至 393.0 ℃,损失率为63.65%;剩余样品质量为20.3%.DTG曲线峰形的拐点分别为 95.9 ℃、297.4 ℃.山药的DTA曲线峰值分别为 121.7 ℃和 238.7 ℃,温度范围分别为85.0～181.3 ℃ 和195.6～281.4 ℃,峰面积分别为 187.2 μVs 和 121.2 μVs.

图2 红薯热重(TG)曲线、微商热重(DTG)曲线

图3 红薯的热差分析(DTA)曲线

图4 山药热重(TG)曲线、微商热重(DTG)曲线

图5 山药热差分析(DTA)曲线

3) 葛根热重分析 葛根的热重、热差曲线见图6、图7,热重分析数据见表4.损失率为5.2%;温度至 419.9 ℃,损失率为65.71%;剩余样品质量为21.26%.DTG曲线峰形的拐点分别为 107.1和300.9 ℃.葛根的DTA曲线峰值分别为128.5和 240.9 ℃,温度范围分别为99.8～180.9 ℃ 和198.1～285.7 ℃,峰面积分别为89.0和 113.1 μVs.

图6 葛根热重(TG)曲线、微商热重(DTG)曲线

图7 葛根热差分析(DTA)曲线

表4 葛根TG-DTG数据

4)紫薯热重分析 紫薯的热重见图8、图9和热重分析数据见表5.损失率为4.58%;温度至 407.7 ℃,损失率为62.26%;剩余样品质量为24.69%.DTG曲线峰形的拐点分别为 125.4和303.5 ℃.

2.2.2 燃烧稳定性分析

根据4种薯类食品燃烧性参数数据构建燃烧热多指标评价体系.热重则是通过热重分析仪研究食品颗粒在不同升温速率中的燃烧特性指数,判断食品的燃烧稳定性[9].本课题根据熵值法[10],采用EXCEL计算,红薯、山药、葛根、紫薯4种薯类食品F值为 0.349 2、0.556 0、0.486 4、0.398 6,4种食品燃烧稳定性排序为：山药>葛根>紫薯>红薯.这项研究为热重分析方法研究薯类食品燃烧稳定性评价与研究提供有力地科学依据.

图8 紫薯热重(TG)曲线、微商热重(DTG)曲线

图9 紫薯热差分析(DTA)曲线

表5 紫薯TG-DTG数据

2.3 脂肪、灰分、粗纤维的测定

4种薯类食品脂肪、灰分、粗纤维含量测定结果见表6.由表6 知,红薯、山药、葛根、紫薯4种薯类食品脂肪含量(%)大小顺序为：葛根>紫薯>红薯>山药,灰分含量大小顺序为：葛根>山药>红薯>紫薯,粗纤维含量大小顺序为：紫薯>山药>葛根>红薯.4种食品测试样脂肪含量在0.23%～0.48%之间,CV%<3%,其中葛根、紫薯脂肪含量0.45%左右,脂肪含量最高,红薯、山药脂肪含量0.3%左右.薯类食品的营养价值,在一定程度上也可从脂肪、灰分、粗纤维含量上反映出来.把脂肪、灰分、粗纤维含量作为评价食品营养的一个重要依据之一.

表6 4种薯类食品脂肪、灰分、粗纤维含量测定结果 (n=3,CV%<3%)

3 讨论与结语

3.1 多指标分析综合评价方法

根据灰色模式识别方法[11],构建我国不同地区红薯、山药、葛根、紫薯4种薯类食品多指标燃烧热、燃烧性(燃烧稳定性)、脂肪含量、灰分、粗纤维含量多指标分析综合评价方法,计算得到红薯、山药、葛根、紫薯4种薯类食品关联度为 0.787 2、0.880 2、0.869 6、0.791 7.由多指标分析综合评价结果知,我国不同地区红薯、山药、葛根、紫薯4种薯类食品多指标燃烧热、燃烧性(燃烧稳定性)、脂肪含量、灰分、粗纤维含量的化学计量分析综合评价如下：山药>葛根>紫薯>红薯.从燃烧热、燃烧性(燃烧稳定性)、脂肪含量、灰分、粗纤维含量多指标分析综合评价来看,山药食品营养最高,葛根次之.

3.2 灰色关联系数聚类分析

根据灰色关联系数聚类分析文献方法[12],构建我国不同地区红薯、山药、葛根、紫薯4种薯类食品多指标燃烧热、燃烧性(燃烧稳定性)、脂肪含量、灰分、粗纤维含量多指标分析聚类分析图.灰色关联系数聚类分析树图见图10.由图10可见,根据我国不同地区红薯、山药、葛根、紫薯4种薯类食品多指标燃烧热、燃烧性(燃烧稳定性)、脂肪含量、灰分、粗纤维含量灰色关联系数聚类分析的树形结果知,多指标分析聚类分析图分为两大类,一类为山药、葛根,紫薯、红薯为一类,通过灰色系统聚类分析可以寻找不同产地薯类食品间的性质的相类程度及亲缘关系,可以帮助我们更好地根据食品多指标评价体系及从食品营养方面研究分类.

图10 灰色关联系数聚类分析的树形图

本文把薯类食品的热值、差热-热重分析、脂肪含量、粗纤维以及灰分含量数据等指标通过灰色模式识别方法、灰色关联系数聚类分析方法构建一个系统的多指标综合评价体系,这项研究建立的多指标综合评价体系为食品营养评价提供一种新思路,这项研究为大规模开发薯类食品资源以及分类研究提供有力地科学依据.