基于主成分与聚类分析不同品种鲜食葡萄的氨基酸品质评价

颜孙安，史梦竹，林香信，李 巍，姚清华

（农业农村部农产品质量安全风险评估实验室（福州），福建省农业科学院农业质量标准与检测技术研究所，福建省农产品质量安全重点实验室，福建福州 350003）

葡萄为著名水果之一，含多种活性成分，具有抗氧化、抗菌和抗炎等保健功效，深受消费者青睐[1-3]。世界上95%的葡萄产自北半球，我国具有丰富的葡萄属植物种类资源[4]，其中鲜食的葡萄约占80%，其余用于酿酒和葡萄干制作。氨基酸含量与组成特征是评价水果营养品质的重要指标之一[5]。分析比较不同鲜食葡萄品种间的氨基酸组成特征差异，可为鲜食葡萄种质挖掘、品种选育及开发利用提供参考。前人对葡萄氨基酸组成及营养进行过一定的研究。Jogaiah 等[6]研究表明，鲜食葡萄中 Arg、Pro、Ser、Thr、Lys等氨基酸的含量较高。付涛等[7]研究表明，葡萄‘鄞红’经突变后氨基酸总量及必需氨基酸含量均显著升高。于惠春等[8]研究发现，不同酿酒白葡萄的氨基酸组成及含量等指标上存在一定的差异。但上述研究均未对不同品种鲜食葡萄的氨基酸营养价值进行全面比较分析。

主成分分析（Principal component analysis，PCA）是一种降维算法，在原有信息不缺失的前提下将多个指标转换为少数几个主成分，这些主成分是原始变量的线性组合，且彼此之间互不相关，其能反映出原始数据的大部分信息[9]。聚类分析（Cluster analysis，CA）能在多维空间或模式空间发现隐藏的结构，利用确定的标准计算出所有样品之间的相关性，根据相关程度将其简化合并，从而可以直观地进行相似品种及组分信息的综合比较[9]。目前PCA和CA已被广泛应用于食品品质综合评价。王婧等[10]利用PCA和CA对五种谷物19个品种的氨基酸进行分析研究，有效地比较不同谷物中氨基酸综合质量；刘伟等[11]分析了湖南主栽10个黄花菜品种的游离氨基酸，通过PCA和CA能较为准确地评价其游离氨基酸综合质量；杨林等[12]分析了西藏林芝地区五种野生食用菌的氨基酸，通过PCA法构建了综合评价模型，提取2个主成分，与CA分析结果一致，简化品质评价工作。本研究以我国南方31种鲜食葡萄为研究对象，分析氨基酸组成及含量，采用PCA法和CA对氨基酸品质指标进行比较，并对其蛋白质营养品质进行综合排序，旨在为葡萄营养价值的充分挖掘及开发利用奠定研究基础。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

供试的31个鲜食葡萄品种于2020年7～9月采自福建、浙江和湖南等地区的葡萄种植基地，详见表1。每一品种随机选择15个单株，每株选取植株中部葡萄梗转色、成熟度一致的葡萄果实1穗，装入冰盒立即带回实验室后，设3个平行组，每组随机挑选5穗，取每穗上、中、下、内、外无病害果实各10粒，洗净，去皮去籽，果肉匀浆待测；柠檬酸、柠檬酸钠、氯化钠、氢氧化钠、无水乙醇、盐酸、硫酸和硼酸 优级纯，其余试剂为分析纯，均购自上海国药集团；氨基酸混合标准品 Sigma公司；色氨酸（≥99%） 上海嘉辰化工有限公司。

表1 葡萄品种Table 1 Grape variety

LA8080型氨基酸自动分析仪 日本HITACHI公司。

1.2 实验方法

1.2.1 样品前处理 色氨酸：称取2～3 g试样，置于聚四氟乙烯衬管中，加入1.5 mL 4 mol/L氢氧化锂，置液氮中冷冻后放入水解管，抽真空封管，在（110±1）℃恒温干燥箱中，水解20 h后，加入6.0 mol/L盐酸中和，用pH2.2柠檬酸钠缓冲液稀释定容，4000 r/min离心10 min，取上清液待测。

其它氨基酸：称取2～3 g的试样，置于20 mL水解管中，加入6.0 mol/L盐酸10.0 mL，置液氮或干冰（丙酮）中冷冻，然后抽真空至7 Pa（≤5×10-2mm汞柱）后封管。将水解管放在（110±1）℃恒温干燥箱中，水解22～24 h。取出、冷却、开管、冲洗、定容、过滤，用移液管吸取适量的滤液置真空浓缩器中或浓缩器内（放置无水CaCl2和NaOH）蒸干，必需时，加少许水，重复蒸干1～2次，加入3～5 mL PH2.2柠檬酸钠缓冲液稀释（使样液中氨基酸浓度达100～500 nmol/mL）摇匀，离心，过滤，取上清液待测。

1.2.2 氨基酸自动分析条件 分析柱：Φ4.6 mm ID×60 mm；分析树脂：2622#；除氨柱：Φ4.6 mm ID×60 mm；除氨柱树脂：2650L；分析柱温度：57 ℃；反应器温度：135 ℃；检测波长：570、440 nm；缓冲液流速：0.40 mL/min；茚三酮流速：0.35 mL/min；进样量：20 μL。

1.3 数据处理

利用SPSS 19.0软件对葡萄氨基酸营养进行主成分分析，依照因子的特征值大于1.00且累计方差贡献率大于80%的原则，确定主成分因子个数。经主成分分析提取出主成分后进行综合评价，以每个主成分分值Fi和相应特征值的方差贡献率权重βi相乘后求和得到综合分值F。

利用SPSS 19.0软件对不同品种葡萄的氨基酸含量采用不转换方式、Ward最小方差法和欧氏距离法进行系统聚类分析。

2 结果与分析

2.1 氨基酸组成及含量

由表2～表3可知，31种鲜食葡萄果实中均含有 8 种必需氨基酸（Essential amino acids，EAA）、10种非必需氨基酸（Non-essential amino acids，NEAA）；氨基酸总量（Total amino acids，TAA）总量为 171.18～583.49 mg/100 g，含量最高的为PT12，最低的为PT26；EAA含量最高的为PT10，最低的为PT7；儿童必需氨基酸（Child essential amino acids，CE）含量最高的为PT9，最低的为PT26。31种鲜食葡萄果实蛋白中 CE/T为 15.87%～39.91%，其中最高的为 PT23、PT27，最低的为PT25。31种鲜食葡萄果实中单一氨基酸含量波动较大的种类依次为：Ala、Pro、Lys、Glu和Cys。Asp含量最为稳定。

表2 31种鲜食葡萄氨基酸的组成及含量（mg/100 g）Table 2 Composition and content of amino acids in 31 table grape varieties (mg/100 g)

表3 31种鲜食葡萄各特殊功效氨基酸的含量及组成Table 3 Content and composition of special functional amino acids in 31 table grape varieties

续表 2

2.2 不同品种葡萄特殊功效氨基酸的组成及含量

特殊功效氨基酸包括支链氨基酸（Branched chain amino acids，BCAA）、芳香族氨基酸（Aromatic amino acids，AAA）、药用氨基酸（Medicinal amino acids，MAA）、增香与着色氨基酸（Flavoring andcoloring amino acids，FCAA）、抗菌氨基酸（Antibacterial amino acids，ABAA）、伯胺基氨基酸（Primary amine amino acids，PAAA）等。31种鲜食葡萄果实中特殊功效氨基酸含量详见表3。

BCAA具有调节组织蛋白质合成与分解、调节芳香族氨基酸进入血脑屏障和防治肝肾功能衰竭等作用，分别占成人、儿童及婴儿每日EAA需要量的40%、41%及45%[13]。正常人体及其他哺乳动物的BC/A值为3.0～3.5，而当肝受伤时则降为1.0～1.5[14]。31种鲜食葡萄BCAA、AAA总量分别为21.89～49.19、9.92～22.92 mg/100 g，含量最高的为 PT10，最低的为 PT7；BC/A 值为 1.80～2.26，最高的为 PT4，最低的为 PT17；BC/E介于 41.61%～45.69%，最高的为PT24，最低的为 PT8。

部分MAA是人体不能合成，但又是维持机体氮平衡所必需的[5]。葡萄MAA总量为113.75～341.64 mg/100 g，占氨基酸总量的 54.53%～74.97%，其中PT12的含量最高，PT26最低。FCAA的氨基可与还原糖的羰基之间产生羰-氨反应，生成具有愉快香味的褐色物质，促进食品的增香与着色[13]。葡萄FCAA总量为 95.91～316.24 mg/100 g，占氨基酸总量的48.12%～67.31%，其中PT12的含量最高，PT26最低。Gly、Trp、Phe等部分氨基酸具有抗菌性[13]。31种鲜食葡萄 ABAA总量为 15.23～31.39 mg/100 g，占氨基酸总量的4.80%～9.07%，含量最高的为PT10，最低的为PT2。PAAA能分解为氮气和有机酸，竞争性地替代仲胺与亚硝酸盐产生范斯莱克反应，抑制二甲氨基亚硝胺生成[13]。葡萄中PAAA总量为113.82～468.34 mg/100 g，占氨基酸总量的65.78%～80.27%，含量最高的为PT12，最低的为PT26。

2.3 主成分分析

主成分分析是一种常见的多指标评价方法，广泛运用在农作物的数量性状分析和品质综合评价中[15]。31种鲜食葡萄氨基酸主成分分析结果表明，前3个主成分特征值大于1，累计贡献率为80.644%，基本上反映了18种氨基酸的综合信息（表4）。因子载荷值（表5），反映各指标对主成分载荷的相对大小和作用方向[16]。由表4～表5可知，第1主成分的特征值为 10.836，贡献率为 60.200%，主要反映Val、Leu、Ile、Phe、Lys、Thr和 Asp等氨基酸的信息，定义为必需氨基酸因子F1；第1主成分与18种氨基酸均呈正相关，其中Val的贡献最大，载荷量为0.976，Arg的贡献最小，载荷量为0.170；第2主成分的特征值为2.234，贡献率为12.410%，主要反映Glu、Met和Arg等氨基酸的信息，定义为药用氨基酸因子F2；第2主成分与Glu等9种氨基酸呈正相关，与Thr等其它氨基酸呈负相关，其中Glu的贡献最大，载荷量为0.718，Cys的贡献最小，载荷量为-0.496。第3主成分的特征值为1.446，贡献率为8.034%，主要反映Arg、Met和His等氨基酸的信息，定义为特殊功效氨基酸因子F3；第3主成分与Arg等9种氨基酸呈正相关，与Leu等呈负相关，其中Arg的贡献最大，载荷量为0.698，Ala的贡献最小，载荷量为-0.619。

表4 主成分的特征值及贡献率Table 4 Eigen values and contribution rate of the principal components

表5 主成分的因子载荷矩阵Table 5 Factor loading matrix of the principal components

以每个主成分所对应的方差贡献率为权重，建立综合评价模型 F=0.746F1×0.154F2×0.1F3，可计算出各品种的综合评价得分（表6）。综合得分前六的排序依次为早中早、玉波二号、金手指、夏黑、户太8号和茉莉香，氨基酸综合质量较高；倒数六个的排序依次为蜜光、紫玉、金田美指、藤稔、里扎马特和维多利亚，氨基酸综合质量较低。

表6 31种鲜食葡萄氨基酸的综合得分及排名Table 6 Comprehensive quality score and ranking of 31 table grape varieties

2.4 聚类分析

与主成分分析相比，聚类分析着重区分类别内和类别间元素组成，但不会区分元素重要性，且不会对原始数据信息进行删减，类别间重要性是等同的[17]。31种葡萄果实中氨基酸系统聚类分析结果如图1所示。从最大组内连接距离中值5处划分，可分为6类。第1类为红宝石、红芭拉多、藤稔、茉莉香、甬优1号、巨峰、户太8号、夏黑、早夏；第2类为早中早；第3类为紫玉、红地球、金田美指、里扎马特、就那个味、蜜光、摩尔多瓦、阳光玫瑰；第4类为蓝宝石、北醇、黑芭拉多、富十一、维多利亚；第5类为白罗莎、美人指、紫甜无核；第6类为醉金香、红罗莎、巨玫瑰、玉波二号、金手指。

图1 31种葡萄氨基酸营养聚类分析图Fig.1 Dendrogram of hierarchical cluster analysis for 31 table grape varieties based on amino acid nutrition

结合主成分综合得分可知，第2类早中早综合得分最高；第6类5个品种综合得分介于23.05～27.44，其中玉波二号、巨玫瑰位居第2、3位，醉金香、红罗莎、金手指分列9、10、11位；第1类的9个品种中，除藤稔外，其他品种综合得分介于20.18～24.80，其中夏黑、户太8号、茉莉香、甬优1号分列4～7位；第 5类综合得分介于 19.04～23.70；第 4类5个品种中，除维多利亚外，综合得分介于19.10～21.26；第3类的8个品种综合得分介于16.46～21.12，除阳光玫瑰外，其他品种排名均低于19位，说明氨基酸营养品质较差。

3 讨论与结论

氨基酸是维系人体生命活动的重要物质，食物的必需氨基酸种类、含量及其比例直接影响其营养价值和保健价值[18]。与橄榄[19]、菠萝蜜[20]等水果相比，31种鲜食葡萄果实的氨基酸种类齐全。31种鲜食葡萄的TAA、EAA、CE和BCAA含量品种间差异明显，CE含量占比远高于香蕉[21]、草莓[21]、石榴[22]、刺梨[23]等水果；BCAA占EAA的比例与人体组织细胞相符，优于宽皮柑橘等4种不同种类的柑橘[24]、荔枝[25]，但低于苹果[26]、香蕉[21]和火龙果[27]；BC/A值优于苹果[26]、金柑[24]、火龙果[27]，基本能满足肝受损人体的需求；‘早中早’、‘玉波二号’、‘金手指’、‘夏黑’、‘户太 8 号’和‘茉莉香’等品种的 TAA、EAA、CE和BCAA含量均高于菠萝[20]、柑橘[24]、苹果[26]等常见水果。

氨基酸在防止食品色、香、味和外观变质等方面具有重要作用。与菠萝[20]、柑橘[24]、杨梅[28]等色深气味香的水果相比，31种鲜食葡萄中FCAA的相对含量更高，且‘早中早’、‘玉波二号’、‘金手指’、‘夏黑’、‘户太8号’和‘茉莉香’等品种的FCAA含量高于猕猴桃[21]、荔枝[25]、枇杷[29]等水果。31种鲜食葡萄中ABAA的相对含量低于菠萝[20]、柚[24]、柠檬[24]等常用于祛除异味的水果，但‘早中早’、‘玉波二号’、‘金手指’、‘夏黑’、‘户太 8 号’和‘茉莉香’等品种的ABAA绝对含量高于菠萝[20]、柠檬[24]、柑橘[24]。31种鲜食葡萄中PAAA相对含量高于猕猴桃[21]、甜橙[24]、苹果[26]等常见水果，且‘早中早’、‘玉波二号’、‘金手指’、‘夏黑’、‘户太 8 号’和‘茉莉香’等品种的PAAA绝对含量高于菠萝[20]、猕猴桃[21]、柠檬[24]等水果。31种鲜食葡萄中MAA相对含量高于冬虫夏草[30]，其中‘玉波二号’、‘金手指’更是高于鹿茸[31]、枸杞[32]和人参[33]等知名中药材。可见，葡萄在食品增香着色和医疗保健方面具有潜在的开发潜力。

通过主成分分析，31种鲜食葡萄的18种氨基酸指标转换为3个相互独立的主成分，避免了原始信息之间的重叠干扰。以每个主成分的相对方差贡献率为权重综合评价31种鲜食葡萄的氨基酸品质，是一种客观赋权法，避免了人为的影响，使各个品种氨基酸品质之间的差异具有可比性[34]。聚类分析是通过Ward法，将31种鲜食葡萄按氨基酸相关性区分归类，相关性最大的优先聚合在一起，各类群依次排序为：第 2类＞第 6类＞第 1类＞第 5类＞第 4类＞第3 类。其中，第 2、6 类群中‘早中早’、‘玉波二号’和‘金手指’的综合品质最高，第 1类群中‘夏黑’、‘户太8号’和‘茉莉香’的综合品质相对较高，第3、4类群中‘维多利亚’、‘里扎马特’、‘金田美指’、‘紫玉’和‘蜜光’的综合品质最低。比较可知，聚类分析与主成分分析的结果一致，较好地反映出不同鲜食葡萄种质间的差异性。