基于主成分分析的芹菜品质评价

高 云,郁志芳

(南京农业大学食品科技学院,江苏南京 210095)

芹菜是一种两年生伞形科植物,于15世纪由欧洲引入中国,目前在我国种植面积广泛,是人们喜欢食用的蔬菜之一[1]。研究显示,芹菜中含有多种人体不可或缺的营养物质,Zn、Fe、Mn和Cu等微量元素含量极高,Ca、Fe等含量高于普通绿色蔬菜,还含有芹菜素等功能性成分[2];有抗肿瘤、调经消炎、降压、镇静和清热止咳,能抑制皮肤黑色素瘤的生长、迁移和促进血管生成等功效[3-5]。

主成分分析是利用降维的思想,通过对指标体系内部结构关系的研究,将多个指标转化为相互独立的综合指标,新的综合变量可以反映原始变量提供的主要信息,从而简化数据结构并找到变量之间的关系[6-7]。果蔬品质的影响因素多样,仅靠单一的因素评价其品质具有片面性,故选用相关性分析和主成分分析相结合,对芹菜的品质进行综合评价,以期获得稳定可靠的结果。迄今为止主成分分析法已经用于辣椒[8]、山药[9]、白菜[10]、豇豆[11]等蔬菜的品质评价。

近些年来,有关芹菜的研究多数文献报道集中在芹菜的功能性物质上和加工技术及制品开发,产品包括复配型饮料[12]、干吃片[13]、蔬菜纸[14]、芹菜果糕[15]、芹菜罐头[16]等,而对不同品种的芹菜品质评价研究较少。为全面地评价芹菜的品质,以江苏南京溧水华成蔬菜的13个芹菜品种为对象,分别测定其可食率、汁液保留率、芹菜素含量、总糖、蛋白质等14个生理生化指标,并对其进行相关性分析和主成分分析,得到芹菜品质的综合得分,建立芹菜品质评价体系,为芹菜品种选育和优质生产及加工品种筛选等提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

13种芹菜 江苏省南京市溧水区华成蔬菜基地提供,以大棚方式栽培的原料,其中A和B、C和D分别为同种芹菜的不同播种期,括号中“小”为茎秆较嫩、生长期稍短采摘后的芹菜;“大”为茎秆较成熟、生长期稍长采摘后的芹菜。芹菜按照合作社的商业标准,达到适宜食用的成熟度时采收。挑选无腐烂,无病虫害,大小高度一致的芹菜,当天运回实验室处理。试验品种分别如下:A四季西芹(小);B四季西芹(大);C瑞雪一号(小);D瑞雪一号(大);E良峰玉芹;F黄心芹(航程);G玻璃脆芹;H白杆芹菜;J黄心芹(云南);K春丰芹菜;L山东红芹;M白雪实芹;N法国皇后;P青芹;Q天津实心芹。试验设3个平行样品,每份样品1000 g左右;十水合四硼酸钠 分析纯,广东光华科技股份有限公司;三水合醋酸钠 分析纯,西陇化工股份有限公司;过氧化氢 分析纯,南京化学试剂有限公司;甲醇 分析纯,广东光华科技股份有限公司;愈创木酚 分析纯,国药集团化学试剂有限公司;乙腈 分析纯,美国天地公司;甲醇 色谱纯,美国天地公司。

LC-20A液相色谱 日本岛津;Alpha-1860A紫外-可见分光光度计 上海谱元有限公司;KQ-300DB数控超声波清洗器 昆山市超声仪器有限公司;DHG-9030A电热恒温鼓风干燥箱 上海益恒实验仪器有限公司;SQP电子天平 赛多利斯科学仪器有限公司;HH-6数显恒温水浴锅 常州国华电器有限公司;TGL16M台式高速冷冻离心机 长沙维尔康湘鹰离心机有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 芹菜采后加工指标的测定

1.2.1.1 可食率的测定 将芹菜分成3份,记录每一份的重量为m1,去除根及芹菜叶片后称重,为m2,计算公式如下。

式(1)

其中,m1为芹菜未处理时质量;m2为芹菜处理后质量,g。

1.2.1.2 汁液损失率(WL)的测定 取200 g芹菜去除根和叶片后,称重(G1)后置于菜板,用不锈钢菜刀将其切成0.5 cm左右的芹菜粒,再次称重(G2),用汁液损失率(WL,%)表示,计算公式[17]如下。

式(2)

其中,G1为切粒前芹菜重,G2为切粒后芹菜重。

1.2.1.3 硬度的测定 去除芹菜根以及叶片部分,取芹菜叶柄部相同的部位,距离根部约5 cm处,用FHM-1果实硬度计圆锥探头测定其硬度。转动FHM-1型果实硬度计刻度盘,使指针与0刻度线重合,然后右手紧握硬度计,使硬度计垂直于芹菜叶柄表面,均匀用力将探头压入芹菜内,此时指针开始旋转。当压到探头刻线时停止压入,记录此时指针所指的读数,单位为N。

1.2.1.4a*值的测定 每样品选取色泽均匀一致的8支芹菜叶柄,取其中段平面放置,使用标准白板对彩色色差仪CR-400进行校准,测定其外侧的色泽,记录a*值。

1.2.1.5 叶绿素含量的测定 按照王鸿飞等[18]的方法,以丙酮-乙醇混合液提取法测定,叶绿素含量以mg/g表示。

1.2.1.6 膳食纤维含量的测定 参考赵全利等[19]的方法稍作修改。将芹菜渣置于60 ℃鼓风干燥箱中烘2 h之后,粉碎之后过60目筛,后称取一定量的粉末,加入10倍体积的0.4 mol/L的NaOH溶液,30 ℃水浴60 min,过滤将滤渣洗涤三遍,取滤渣再加入10倍体积的1 mol/L的醋酸溶液,50 ℃水浴30 min,将滤渣洗涤后烘干即为成品;膳食纤维含量以g/100 g表示。

1.2.2 芹菜营养特征指标的测定

1.2.2.1 VC、总糖、可溶性蛋白质含量的测定 VC的测定按照曹建康等[20]的方法,以2,6-二氯靛酚滴定法测定,单位:mg/100 g。总糖及可溶性蛋白质的测定按照王鸿飞等[18]的方法,总糖以蒽酮-乙酸乙酯试剂法测定,单位:g/100 g;可溶性蛋白质以考马斯亮蓝法测定,单位:mg/g。

1.2.2.2 芹菜素含量的测定 参考王克勤[21]的方法,稍作修改。芹菜于60 ℃烘干之后,粉碎过60目筛。精确称取芹菜粉末1 g,加入70%的无水乙醇40 mL于25 ℃超声提取30 min,离心取上清液,残渣继续加70%的无水乙醇20 mL,超声提取20 min,离心取上清液,与第一次上清液合并于旋转蒸发仪,35 ℃蒸干至3 mL以内,最后用甲醇复溶定容至10 mL。芹菜素含量的单位:μg/g。

标准溶液的配制:取50 mg的芹菜素溶于100 mL,摇匀定容备用。分别取上清液标准溶液0.2、0.4、0.8、1.6、2.4、3.2 mL于10 mL的容量瓶中,甲醇定容。0.45 μm有机滤膜过滤。

图1 13个芹菜品种各品质指标的变化幅度Fig.1 The variation range of each quality index of 13 celery varieties

色谱条件:安捷伦C18液相柱,流动相:0.1%甲酸乙腈溶液∶水=35∶65 (V/V)。流速1.0 mL/min。柱温35 ℃,UV检测器,波长270 nm,进样量为10 μL,标准溶液单位为μg/mL。

1.2.3 芹菜生理生化指标的测定

1.2.3.1 过氧化物酶(peroxidase,POD)的测定 按照王鸿飞等[18]的方法。以每分钟内吸光度A470变化0.001所需的酶量为1个酶活力单位(U),活性以U/g·Fw·min表示。

1.2.3.2 多酚氧化酶(polyphenol oxidase,PPO)活性测定 按照罗海波[22]的方法。以每分钟内吸光度A410变化0.001所需的酶量为1个酶活力单位(U),活性以U/g·Fw·min表示。

1.2.3.3 苯丙氨酸解氨酶(phenylalanine ammonia lyase,PAL)活性测定 按照罗海波[22]的方法。定义1 h内A290增加0.001为PAL的1个酶活力单位(U),活性以U/h·g·Fw表示。

1.2.3.4 纤维素酶活性测定 按照罗海波[22]的方法。酶活力单位定义为以每小时每克样品在25 ℃水浴催化羧甲基纤维素钠水解形成还原糖的质量,表示即μg/h·g。

1.3 数据处理

试验数据以3个平行样品的平均值表示。采用IBM.SPSS Statistics 25.0对主要质地品质指标进行相关性分析和主成分分析,并进行综合评价。

2 结果与分析

2.1 不同品种芹菜的基本品质性状

13个品种芹菜14项检测性状的结果见表1和图1。如图1所示,变异系数都达到10%以上,说明各个芹菜品种的所有指标均存在明显差异,导致各品种性状差别巨大。

可食率和汁液损失率是芹菜采后处理和加工的重要指标。13个芹菜品种的可食率范围为44.50%～72.81%,最高的是“山东红芹”,最低的是“瑞雪一号(小)”。汁液损失率高会给采后处理和加工带来不利影响,试验结果显示,13个品种的汁液损失率为1.81%～20.48%,汁液损失率最低的是“天津实心芹”,最高的是“黄心芹(云南)”。可食率与汁液损失率并无明显关系。

绿色蔬菜的色泽变化是引起其品质下降的重要因素,它可使得蔬菜的感观性状下降,影响消费者的购买欲。a*值代表红绿指数,根据芹菜的实际情况,本研究仅取a*值作为评价指标。由表1可知,13个芹菜品种的a*值变化范围为-18.68～12.06,其中只有“山东红芹”明显与其它品种不同,为正值(叶柄为红绿相间且红色居多);其余均为负值,以“春丰芹菜”a*值最小,颜色最绿。叶绿素反应色泽的变化,其范围是0.01～0.10 mg/g,含量最高的是“黄心芹(云南)”。本研究的结果显示,芹菜组织的a*值与叶绿素含量两者间存在不完全一致的现象,表明a*值并不完全由叶绿素所决定,还可能受到植物种类、组织致密程度、季节性差异等因素的影响[23]。

VC和芹菜素是衡量芹菜品种的重要营养和特征指标。13个芹菜品种的VC含量差异较大(1.40～12.03 mg/100 g),以“良峰玉芹”最高,“瑞雪一号(大)”最低。有研究显示,绿色蔬菜VC和叶绿素间通常存在正相关[24],本研究芹菜品种间VC与叶绿素两者含量较为一致。芹菜素是芹菜中重要的特征性成分,也是体现芹菜功能的重要指标。芹菜素含量范围为15.44～49.36 g/g,最高的为“春丰芹菜”,最低的为“白杆芹菜”,最高是最低的3倍以上,这一结果为消费者食用芹菜时选择合适的品种提供了依据。

POD和PPO是植物中普遍存在的一种氧化酶类,13个芹菜品种中POD活性为1127.78～3350.00 U/(g·Fw·min),活性最高的为“黄心芹(航程)”,最低的为“四季西芹(小)”;PPO活性为96.00～286.00 U/(g·Fw·min),活性最高的为“白杆芹菜”,活性最低的为“四季西芹(大)”。芹菜组织中两种酶的活性高,表明组织中的代谢较为旺盛,不利于产品采后品质的保持[24]。因此,对于采后需经粗放条件处理或较长时间贮藏的产品,应关注这两种酶活性的高低,并选择酶活性低的品种为优。

表1 13种芹菜的品质评价指标Table 1 Quality evaluation indicators of 13 kinds of celery

芹菜的硬度、膳食纤维是影响消费者口感的关键指标。13个芹菜品种的硬度测定结果为0.98～14.70 N,不同品种间硬度差异明显,硬度最大的是“良峰玉芹”,最小的是“青芹”、“天津实心芹”,相差10倍以上。13个芹菜品种的膳食纤维含量为2.06～4.78 g/100 g,以“四季西芹(大)”含量最高,“瑞雪一号(小)”含量最低。硬度越大,膳食纤维含量可能会越高,咀嚼性越差,影响食用时的口感。纤维素酶和PAL参与纤维素代谢,与组织的纤维化有关。13个芹菜品种的纤维素酶活性范围为1530.663～6218.845 (μg/h·g),活性最高的是“法国皇后”,最低的是“四季西芹(小)”。PAL的活性变化范围为120.00～440.00 U/(g·Fw·h)。“春丰芹菜”的活性最高,“白雪实芹”活性最低,活性最高与最低的相差3倍以上。这一结果为芹菜的采后加工提供了参考。

2.2 相关性分析

对不同芹菜品种的14项指标进行Pearson相关性分析结果见表2。色泽是评价蔬菜质量的重要因素,也是判断采收时间的重要指标。极大多数芹菜品种的叶片呈绿色,a*值与叶绿素极显著负相关(P<0.01)的结果表明,当a*值为负且越小时,表明色泽越绿,叶绿素含量越高。叶绿素作为芹菜的加工指标,其含量与生理生化指标POD活性呈显著正相关(P<0.05),表明芹菜组织中POD活性高可能与叶绿素主导的光合作用有关,也可能该酶参与叶绿素的降解,不利于贮藏期间绿色的保持[25]。另外,叶绿素与VC呈显著正相关(P<0.05),VC含量高可防止光叶绿素的氧化褪色[24]。VC与总糖、PAL和POD活性均呈显著正相关(P<0.05),植物体内的POD通过酶促反应去除过氧化物,降低活性氧伤害[25],VC作为底物清除植物体内的活性氧[26],两者均参与到组织中活性氧的清除。其中总糖与POD活性也是呈显著正相关(P<0.05)。

表2 13种芹菜测定指标的Pearson相关性分析Table 2 Pearson correlation analysis of 13 celery determination indicators

注:*表示显著相关(P<0.05);**表示极显著相关(P<0.01)。

表3 主成分的特征值及方差贡献率Table 3 Characteristic values and variance contribution rate of principal components

加工指标硬度与总糖、纤维素酶活性及VC含量呈极显著正相关(P<0.01),同时纤维素酶和总糖之间呈极显著正相关。纤维素酶是细胞壁降解酶,它能水解纤维素的β-1,4糖苷键[27],引起组织细胞壁软化,但纤维素酶与纤维素含量并不呈任何相关性,与其他研究不符,可能是与蔬菜的采收时间,植物组织状态等其他因素有关,纤维素酶活力高,且与其他酶相互协同作用时,可以将纤维素彻底水解成葡萄糖[24]。纤维素含量降低,同时葡萄糖含量升高,相应的引起总糖含量升高。可溶性蛋白质含量与POD活性呈极显著正相关(P<0.01),可能是因为在蔬菜的生长与成熟的过程中,可溶性蛋白的含量与生理代谢密切相关,受酸、碱等因素影响易游离出,可溶性蛋白的含量会上升[24],可溶性蛋白是芹菜的营养指标,蛋白质含量越高,越切合人们对健康的追求。

综上所述,13个不同品种芹菜的各指标间存在着不同程度的相关性,同时也说明14项指标间存在信息重叠,若进行综合评价必须剔除评价指标间信息重复,避免结果出现偏差,因而需要采用其它方法对这些指标进行综合分析。

2.3 主成分分析

对不同芹菜品种的可食率、汁液保留率、硬度、a值、芹菜素含量、叶绿素、膳食纤维、总糖等14项指标进行主成分分析,探寻影响芹菜品质的关键指标,所得主成分特征值及方差贡献率见表3,成分矩阵见表4。

以特征值>1,提取五个主成分,累积方差贡献率为85.263%,可代表原始数据的绝大部分信息[28]。由表3和表4可知,第一主成分的方差贡献率为33.090%,以总糖载荷0.898、纤维素酶活性载荷0.789、VC载荷0.758、叶绿素载荷0.723占比为高。结合表2,总糖和纤维素酶活性呈极显著正相关(P<0.01),叶绿素与VC呈显著正相关(P<0.05),因总糖和叶绿素是相互独立的,两者均取,代表芹菜的营养和外观指标。第二主成分的方差贡献率为20.259%,其中可食率和PAL活性贡献较高,可食率载荷为0.834,PAL活性载荷为-0.646(负值),且两者并无显著相关性,两者均提取。第三主成分的方差贡献率是12.173%,主要解释硬度和可溶性蛋白含量,可溶性蛋白质含量的载荷为0.743,硬度载荷为-0.539,两者相互独立,硬度的大小影响消费者的口感,而可溶性蛋白质量低且第一主成分时已经提取总糖,故此处舍弃。

表4 成分矩阵Table 4 Component matrix

第四主成分方差贡献率为11.388%,提取的主成分是膳食纤维(-0.635),与第四主成分的贡献率呈负相关。第五主成分的方差贡献率为8.352%,汁液损失率(0.591)占据较高的比例,其在采后和加工中至关重要,提取为加工指标。

综合以上分析,本试验选择7项核心指标用于评价芹菜的综合品质,即叶绿素、总糖、可食率、PAL活性、硬度、膳食纤维和汁液损失率。

2.4 芹菜的综合评价

根据表3主成分的特征值和方差贡献率及表4成分矩阵计算出的特征向量(计算公式如下)作为各因子的系数,构建各主成分的函数表达式[29]如下:

式(3)

F1=0.089Z1+0.248Z2-0.188Z3+0.306Z4+0.336Z5+0.161Z6+0.352Z7+0.417Z8+0.24Z9-0.05Z10+0.331Z11-0.033Z12+0.243Z13+0.367Z14

式(4)

F2=0.495Z1+0.036Z2+0.337Z3+0.213Z4-0.278Z5+0.144Z6-0.141Z7+0.202Z8+0.002Z9-0.392Z10-0.144Z11-0.217Z12-0.384Z13+0.257Z14

式(5)

F3=0.268Z1-0.293Z2-0.158Z3-0.413Z4+0.11Z5+0.279Z6-0.265Z7-0.023Z8+0.569Z9-0.067Z10+0.288Z11+0.219Z12-0.148Z13-0.071Z14

式(6)

F4=-0.086Z1-0.164Z2+0.435Z3+0.202Z4-0.234Z5-0.503Z6+0.116Z7+0.097Z8+0.227Z9-0.112Z10+0.303Z11+0.495Z12+0.058Z13-0.032Z14

式(7)

F5=0.071Z1+0.547Z2+0.27Z3-0.109Z4-0.068Z5+0.224Z6-0.236Z7+0.114Z8+0.004Z9+0.521Z10-0.114Z11+0.428Z12-0.037Z13-+0.14Z14

式(8)

其中,Z1,Z2…Z12值是原始数据标准化后的数据。以各主成分对应的方差贡献率为权重,从而建立主成分综合得分的数学模型。

F=0.388F1+0.238F2+0.143F3+0.134F4+0.098F5

式(9)

由综合得分的函数表达式,计算出13个品种芹菜样品的综合评价得分见表5,得分越高,表明该品种品质越好。综合排名前五的依次是“山东红芹”、“法国皇后”、“良峰玉芹”、“玻璃脆芹”和“黄心芹(云南)”,而“瑞雪一号”、“白雪实芹”、“四季西芹”等排名靠后。其中“山东红芹”得分最高,可能是因为山东红芹观呈现红绿相间,以红色居多,导致其色差a*值为正值且较大,并a*值在第二主成分和第四主成分均占据较高的载荷,故计算下来综合得分最高,但实际生产中由于此品种种植较少,且人们更偏爱传统的绿色芹菜,故“山东红芹”在实际生产中应作为特色芹菜品种予以对待。

本研究仅对13个芹菜品种的品质进行了评价,并未所有与品质相关的指标,且评价主要基于数学的方法进行,没有充分考虑消费者的消费习惯和要求,结果可能存在偏差。另外,芹菜产品的品种受到地域/季节等生长条件、露地/温室/大棚栽培模式和如土肥水管理水平、采收成熟度和采后处理等技术的巨大影响,本试验的结果仅来自于一次较为全面的研究,结果可能与实际存在差异。所以,今后研究中,应纳入芹菜的所有品质指标,并与其生理生化变化等相结合,尤其需要考虑消费者的需求差异,以期建立更完善的评价体系,进而获得更客观的结果,以满足芹菜育种、栽培、贮运等实际工作和消费的需要。

表5 13种芹菜测定指标综合得分及排名Table 5 Comprehensive score and ranking of determination indexes of 13 kinds of celery

3 结论

对13个芹菜品种的14项指标分析发现,变异系数均>10%,表明芹菜品种间各指标差异明显,采收的品种中叶柄的颜色主要分为绿色、白色和红色三种,与a*值变异系数最大(88.51%)相符;叶绿素的变异系数为67.39%,说明各品种芹菜的颜色差异较大。14项指标中可食率的变异系数最小(11.70%),说明各品种芹菜的可食率较一致。在基本品质性状的相关性分析中,a*值与叶绿素含量呈极显著负相关(P<0.01);VC与硬度呈极显著正相关(P<0.01),与叶绿素、总糖、POD活性、PAL活性呈显著正相关(P<0.05);POD活性与可溶性蛋白质含量呈极显著正相关(P<0.01);硬度与总糖、纤维素酶活性呈极显著正相关(P<0.01);总糖与POD活性呈显著正相关(P<0.05),与纤维素酶活性呈极显著正相关(P<0.01)。通过主成分分析法提取了叶绿素含量、总糖含量、可食率、PAL活性、硬度、膳食纤维含量和汁液损失率共7项关键指标。综合分析显示,排名前五名依次是“山东红芹”、“法国皇后”、“良峰玉芹”、“玻璃脆芹”和“黄心芹(云南)”,但由于“山东红芹”自身的特殊性,可舍弃,选择其他四个品种为最佳。本研究为芹菜的品质综合评价提供了一种较为客观的评价方法,也为芹菜育种和消费者对其品种的选择提供了参考。因试验指标有限,后续研究应将其品质指标与其内部生理生化变化相联系,以建立更加全面准确的评价体系。