基于主成分分析和聚类分析的百合花瓣品质综合分析与评价

,*

(1.北京林业大学生物科学与技术学院,北京 100083; 2.北京农业生物技术研究中心,北京市功能花卉工程技术研究中心, 农业基因资源与生物技术北京市重点实验室(北京市农林科学院),北京 100080)

表1 14个百合种/品种Table 1 14 Lilium species or cultivars

注:亚洲百合杂种系(Asiatic Hybrids,A)、东方百合杂种系(Oriental Hybrids,O)、喇叭百合杂种系(Trumpet Hybrids,T)、麝亚百合(亚洲百合杂种系与麝香百合杂种系的杂交种,LA)[3]。

百合是百合科(Liliaceae)百合属(Lilium)所有种的总称,是一种多年生球根草属植物,起源于东亚且在欧洲和北美洲作为观赏植物被广泛栽培,目前已经发现的品种有一百余种[1]。百合具有较高的食用和药用价值,是我国卫生部审批通过的首批药食同源植物。百合味甘性寒,养阴润肺,清心安神,用于阴虚久咳,痰中带血,虚烦惊悸,失眠多梦,精神恍惚等症[2]。

百合花色彩艳丽,产量高,但其利用率极低。沈赟[3]检测了兰州百合花中的营养成分,结果显示,花瓣中蛋白质、维生素C含量高于常见的蔬菜、水果,糖含量适中,脂肪含量较低。金丽丽等[18]认为百合花中含有丰富的矿物质元素,其中K、Ca、Mg、Fe、Na、Cd、Mn、Zn、Cu分别为2758.80、1121.99、460.66、83.69、22.40、8.43、3.66、3.06、0.82 mg/100 g,Co、Ni和Pb等未检出。但对于不同种/品种百合花瓣综合品质的分析鲜有报道。

本文以14个种/品种百合花瓣为研究对象,详细分析了其中基本营养成分、活性物质、矿物质的含量,旨在为进一步开发百合资源,寻找营养价值更高的食用百合花瓣,以及百合花瓣的广泛应用提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

盛花期百合 于北京农林科学院生物中心百合属种质资源圃基地内采集了14个百合主栽种/品种的花瓣,去除花药、花丝等,清洗后冷冻干燥,研钵研碎后过60目筛,置于-80 ℃冰箱内低温保存;所测种/品种如表1所示；3,5-二硝基水杨酸、丙三醇、福林酚试剂 上海麦克林生物有限公司;氢氧化钠、葡萄糖、12H2O合磷酸氢二钠、2H2O合磷酸二氢钠、α-淀粉酶、纤维素酶(10000 U/g)、无水碳酸钠、硫酸钾 国药集团化学试剂有限公司;乙酸乙酯、无水乙醇、乙酸钠、冰醋酸、正己烷、一水合柠檬酸、柠檬酸钠、浓盐酸、浓硫酸、乙醚、氨水、氯仿、三乙胺、异硫氰酸苯酯 北京化工厂;没食子酸标准品、芦丁标准品 纯度≥98%,上海源叶生物科技有限公司;以上试剂均为分析纯。

725紫外可见分光光度计 上海光谱仪器有限公司;RE-2000A旋转蒸发仪 上海亚荣生化仪器厂;超声波清洗仪 昆山市超声仪器有限公司;AL104-IC电子天平 平梅特勒托利多仪器(上海)有限公司;高速冷冻离心机 赛默飞世尔科技(中国)有限公司;电热恒温水浴锅 上海精宏实验设备有限公司;ZK-82A型真空干燥箱 北京市实验仪器总厂。

1.2 试验方法

1.2.1 基本理化指标的测定

1.2.1.1 可溶性总糖含量的测定 称取2 g百合粉于50 mL离心管(精确到0.001 g),加入20 mL 85%的乙醇,80 ℃下水浴30 min,随后于离心机6000 r/min下离心6 min,留上清,向沉淀中加入10 mL 85%的乙醇重复提取两次,合并提取液于试管中。旋转蒸发将溶液浓缩至总体积为10 mL备用,采用蒽酮比色法在625 nm处使用紫外分光光度计测定计算可溶性总糖含量。

1.2.1.2 淀粉含量的测定 方法参照GB 5009.9-2016《食品中淀粉的测定》中酶水解法并改进[4]。称取2 g百合粉于50 mL离心管(精确到0.001 g),加入30 mL乙醚超声30 min,涡旋离心,弃上清,重复两次。向所得沉淀物中加入30 mL 85%乙醇,涡旋离心,滤渣用冷水洗涤3次(每次20 mL),离心(6000 r/min)5 min,弃上清。

取上述滤渣于锥形瓶内,加入50 mL含有适量α-淀粉酶pH5.5左右的磷酸盐缓冲液60 ℃恒温水浴水解2.5 h,之后加入50 mL含有适量糖化酶pH4.5左右的醋酸缓冲液,50 ℃恒温水浴1.5 h,待冷却静置后将溶液转入100 mL容量瓶定容,取40 mL溶液于离心管中离心,得上层清夜。使用DNS比色法在540 nm处使用紫外分光光度计测定计算淀粉含量。

1.2.1.3 粗纤维含量的测定 粗纤维的含量参照GB/T 5009.10-2003《植物类食品中粗纤维的测定》中粗纤维的测定方法并改进[5]。称取2 g百合粉于50 mL离心管(精确到0.001 g),加入30 mL正己烷超声30 min,于离心机4000 r/min下离心6 min,弃上清。向下层沉淀中加入25 mL 85%乙醇超声30 min,于离心机4000 r/min下离心6 min,滤渣反复水洗。将上述沉淀物转移至100 mL具塞三角瓶中,加入50 mL pH4.56的柠檬酸-柠檬酸钠缓冲溶液及200 mg的纤维素酶,30 ℃恒温振荡(90 r/min)酶解10 h,酶解后抽滤定容至100 mL容量瓶中。

1.2.1.4 蛋白质含量的测定 蛋白质含量参照GB 5009.5-2016《食品中蛋白质的测定》中凯氏定氮法测定[6]。

1.2.2 活性物质的测定

1.2.2.1 多糖含量的测定 参照杨郑州等[7]对多糖含量的测定,称取百合粉1 g于50 mL离心管中(精确到0.001 g),加入15 mL 85%的乙醇,用玻璃棒溶解混匀,超声2次,每次30 min提取,离心机2000 r/min条件下离心6 min,弃上清。向沉淀物中加入20 mL的蒸馏水,超声40 min,离心机2000 r/min条件下离心6 min。吸取5 mL上清液于新的离心管中,调pH至3～3.5后加入20 mL的无水乙醇,超声20 min,静止反应1.5 h,离心机4000 r/min条件下离心6 min,弃上清,将沉淀物置于50 ℃烘箱中2 h,即得干燥的粗多糖。称取粗多糖用蒸馏水溶解后,转移至容量瓶中,得到多糖溶液备用。采用苯酚硫酸法测定多糖含量。

1.2.2.2 总黄酮含量的测定 总黄酮含量参照亚硝酸钠-硝酸铝显色法测定[8]。将百合花瓣磨粉过筛,称取2 g百合粉于50 mL离心管(精确到0.001 g),加30 mL 80%乙醇,超声40 min,混匀离心后得到上清液,滤渣进行二次提取,合并两次提取液,并过0.45 μm有机相滤膜,得到的待测液于试管中备用。

取1 mL待测液于10 ml比色管中,加30%乙醇至5 mL,加0.3 mL 5% NaNO2放置5 min后,加0.3 mL 10% Al(NO3)3反应6 min,再加入2 mL 1 mol/L的NaOH后,加水定容至10 mL,于510 nm波长下测定吸光度值。

1.2.2.3 多酚含量的测定 多酚含量的测定参照福林酚比色法[9]。称取2 g百合粉于50 mL离心管(精确到0.001 g),加入30 mL 70%乙醇,超声30 min,混匀离心后得到上清液,滤渣进行二次提取,合并两次提取液,并过0.45 μm有机相滤膜,得到的待测液于试管中备用。

取1 mL待测液于10 mL比色管中,依次加入1.0 mL福林酚试剂(50%)和2.0 mL 15% Na2CO3溶液,用超纯水定容至10 mL,充分混匀后,室温放置1 h,于760 nm波长下测定吸光度值,以不加反应液的样品为空白样品。

1.2.2.4 总生物碱含量的测定 生物碱的测定参照李红娟[13]的测定方法。称取2 g百合粉于50 mL圆底烧瓶中(精确到0.001 g),加入90%的pH为4的酸性乙醇溶液(0.4 mL HCl),料液比1∶40,超声提取功率 400 W,温度为50 ℃,超声提取30 min。冷却后将提取液减压浓缩至干,浸膏用50 mL去离子水溶解,常温下减压过滤除去不溶物,水溶液用50 mL石油醚萃取3次,之后50 mL乙醚萃取3次,水层用 1%的H2SO4调pH约为2.5后,用50 mL氯仿萃取,上清液继续氯仿萃取2次,保留氯仿部分。酸性水溶液再用5%氨水调pH约为9后(约为3 mL氨水),用50 mL氯仿萃取,上清液继续氯仿萃取2次,合并氯仿层,浓缩氯仿溶液,所得生物碱浓缩物,用甲醇定容至50 mL,转移至棕色瓶中,于-20 ℃冰箱保存。测定时稀释5倍。

取1 mL待测液,加入溴甲酚绿指示液1 mL、柠檬酸-柠檬酸钠缓冲液(pH为5.4)2 mL,摇匀后,用甲醇定溶至10 mL刻度,静置,于351 nm处测定。

1.2.3 游离氨基酸的测定 氨基酸含量参照GB/T 5009.124-2016《食品中氨基酸的测定》方法进行测定[11]。

1.2.4 矿物质元素的测定 氮(N)、磷(P)、钾(K)、钙(Ca)、镁(Mg)、铁(Fe)、铜(Cu)、铅(Pb)、钴(Co)、镍(Ni)等矿物质元素的测定参照火焰原子吸收光谱法[11],每组数据做3次,取平均值。

1.3 数据处理

应用SPSS 22.0软件对数据进行统计分析,因子分析采用主成分分析,聚类分析采用Ward’s method分层聚类,样本之间的距离采用欧式距离平方,得出聚类树。

2 结果与分析

2.1 14种百合花瓣品质分析

由表2所示,14个百合花瓣种/品种中各指标的含量均存在一定差异。可溶性总糖含量整体较高且在不同百合种/品种之间可溶性总糖含量差异较大,其中‘穿梭’、‘耀眼’高达40%以上,岷江百合、‘纪念册’中的可溶性总糖含量较低,分别为5.01%、4.29%。百合花瓣中淀粉含量大多在5%左右,宜昌百合中含量最高,为9.76%,而‘纪念册’、‘函数’中含量较低,分别为3.85%、3.86%。百合中含有少量的粗纤维,含量最低者‘耀眼’中仅含0.84%,花瓣中蛋白质含量较高,其中卷丹含量最高。与传统食用百合兰州百合鳞茎中基本营养成分相比[10],花瓣中蛋白质含量均高于兰州百合鳞茎(7.10%),淀粉含量均低于兰州百合鳞茎(64.57%)且差异较大,约低10倍,粗纤维含量与兰州百合鳞茎(2.62%)含量接近,差异不明显。

表2 14种/品种百合花瓣基本营养成分Table 2 Basic nutritive components of 14 species or cultivars of lily petals

注:同一列不同小写字母表示差异显著(P<0.05)；表8同。

植物中所含的生物活性物质在抗氧化、提高免疫力、降低胆固醇等方面具有良好的作用,从而对人体起到重要的生理保健功效[8]。薛梅等[14]在适当的处理条件下发现百合鳞茎总黄酮提取量为32.236 mg/g,其总黄酮提取液对DPPH自由基的清除效果优于相同浓度的维生素C溶液。百合花瓣中总黄酮含量相差较大,其中‘函数’中总黄酮含量极高,达81.90 mg/g,较含量最低的紫脊百合(11.57 mg/g)高约7倍。花瓣中的多酚含量相差不大,在31.33～55.59 mg/g之间。

表3 14种/品种百合花瓣中氨基酸含量(%)Table 3 The amino acid content of 14 species or cultivars of lily petals(%)

续表

注:a:必需氨基酸;b:药效氨基酸;TAA:氨基酸总量。

表4 不同种/品种百合花瓣中矿物质元素Table 4 Contents of minerals elements of different species or cultivars of lily petals

百合花瓣的多糖含量在6.43～29.15 mg/g之间,岷江百合(6.43 mg/g)、兰州百合(8.01 mg/g)中多糖含量较低,卷丹、‘京白’中多糖含量偏高,分别为29.15、24.55 mg/g。大部分种/品种百合花瓣中总生物碱含量相差不大,但‘函数’中总生物碱极高,约为一般种/品种十倍,达2.1 mg/g。与传统食用百合兰州百合鳞茎相比[8],百合花瓣中总黄酮含量较高,含量最高者‘函数’比兰州百合鳞茎(4.70 mg/g)中高约20倍,但是总生物碱、多糖含量较兰州百合鳞茎低[15]。

2.2 氨基酸组分分析

为了研究不同种/品种花瓣中氨基酸的含量及比例的差异,对14种花瓣中的氨基酸含量进行测定分析,其结果如表3。百合花瓣中所含氨基酸种类齐全,共检测出17种氨基酸,含7种必需氨基酸(色氨酸易水解,被完全破坏),同时含有丰富的药效氨基酸,具有良好的保健功能,其中谷氨酸、亮氨酸的总体含量较高。与兰州百合鳞茎中氨基酸含量相比[16],百合花瓣中氨基酸总含量较少。14种百合花瓣中,卷丹、宜昌百合中的氨基酸总量较高,但是花瓣中的氨基酸总量种/品种差异较小,氨基酸含量最高者卷丹(15.91%)与含量最低者岷江百合(8.21%)仅相差2倍左右。

2.3 矿物质元素含量分析

现代研究表明,植物的食用性与安全性不仅与其活性成分有关,而且与无机元素的种类和含量也有密切的联系[17]。表4结果显示,百合花瓣中K含量较高,其次是Ca、Mg、N。K是人体必需微量元素,可以调节细胞内适宜的渗透压和体液的酸碱平衡,参与细胞内糖和蛋白质的代谢。P、Fe、Cu含量较少,Pb、Co、Ni等重金属均未检出。综合14个百合种/品种,卷丹和宜昌百合中矿物质元素总体含量较高。从矿物质元素含量分析,百合花瓣的广泛栽培很有必要。

2.4 14种/品种百合花瓣营养主成分分析

对14种/品种百合花瓣中营养成分进行主成分分析,以特征值≥1为提取主成分的标准。主成分一、主成分二、主成分三、主成分四、主成分五、主成分六(PC1、PC2、PC3、PC4、PC5、PC6)的特征值均大于1,并且累计贡献值达86.085%(由表5和图1可知),表明这六个主成分已经代表原始变量的绝大部分信息。因此选择前六个主成分代替原始16个营养指标,从而起到降维的作用。由表6可知,PC1主要代表氨基酸总量,且为正相关。PC2主要与淀粉含量有关(负相关),PC3主要代表总生物碱的含量(负相关),PC4主要反映多酚的含量(正相关),PC5、PC6中无显著代表指标。由此可以对各百合种/品种的营养品质进行分类与评价。

表5 特征值及方差分析表Table 5 Eigenvalue and variance analysisTable

图1 主成分分析特征根碎石图Fig.1 Principal component analysis feature root gravel map

根据主成分得分情况(表7)可知各个主成分的方差贡献率不同,因此对于各主成分的评价应根据其贡献率为权重,由主成分得分和对应权重相乘求和构建综合评价函数,函数公式如下:

F=0.27364F1+0.15900F2+0.14834F3+0.10445F4+0.09928F5+0.07613F6

其中,F为每种/品种百合花瓣的综合评价得分,F1～F6为每个主成分得分。

表6 旋转后因子荷载矩阵Table 6 Factor load matrix after rotation

根据综合评价模型得出不同种/品种百合综合得分和排序结果(表7)。计算结果可知排名前5的种/品种为卷丹、‘耀眼’、紫脊百合、‘函数’、‘艾迪沃’。

2.5 14种/品种百合花瓣的聚类分析

为了进一步探索不同种/品种百合花瓣各营养成分的含量与组成的差异性,在完成对14种百合花瓣营养成分的主成分分析后,根据因子得分结果进行聚类分析。如图2所示,在欧氏平方距离为20处,将14个百合种/品种分为4大类。第一类为紫脊百合;第二类由宜昌百合、‘穿梭’组成;第三类为卷丹、‘函数’;第四类为余下的九种百合。由表8所示,四大分类中各营养成分存在差异,第一类百合种/品种中N、Fe的含量较高;第二类是可溶性总糖、粗纤维、K、Mg、淀粉含量最丰富的种/品种;第三类百合中蛋白质、总黄酮、多酚、多糖、总生物碱、氨基酸总量、P、Ca、Cu均高于其他类,综合营养品质较高;第四类百合中综合品质较一般,低于其他类。

图2 14种/品种百合聚类分析图Fig.2 The cluster of the 14 species or cultivars lily

表7 不同种/品种百合花瓣的主成分得分Table 7 Scores of the principal components from different species or cultivars of lily petals

表8 4类百合花瓣营养成分含量比较Table 8 Comparison of nutrient component of four types of lily petals

3 结论

本文通过对14种/品种百合花瓣营养成分及理化指标的测定发现,不同种/品种的百合花瓣其基本营养成分含量存在一定的差异,其中卷丹的综合品质较高。本研究发现,百合花瓣中黄酮和多酚含量均不低于兰州百合鳞茎,说明其具有较好的药用价值。花瓣中的氨基酸总含量较低,但种类丰富同时含多种药效氨基酸,可能适于部分功能性食品的氨基酸添加。同时花瓣中可溶性总糖较高且富含多种矿物质元素，尤其含有较多的K元素,K元素的存在对于调节人体细胞内适宜的渗透压和体液的酸碱平衡具有重要作用,还可参与细胞内糖和蛋白质的代谢,使得花瓣在具有良好的观赏价值的同时具有更高的食用价值。因此,可以加大力度开发百合花瓣的食、药用用途,为多用途型百合花瓣的开发提供参考意见。