基于相关性与主成分分析法综合评价不同品种甘薯脆片加工适宜性
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作者:王辉 牟琴 聂廷
摘要：为获得口感、质地良好的甘薯脆片，从全国众多资源中选取常见白薯、红薯、紫薯共12个甘薯品种，测定影响甘薯脆片的主要营养成分含量以及不同品种甘薯经过热泵干燥并油炸后甘薯脆片的质构、色差值、含油率等，然后对各指标进行相关性分析和主成分分析。结果显示：不同品种间淀粉、总糖、还原糖含量及含水率差异显著，甘薯脆片硬度与含水率、还原糖含量及含油率呈极显著负相关，L*值与含水率、含油率以及还原糖含量呈负相关。通过主成分分析法提取出3个主成分可以解释甘薯脆片品质的 81.751%，可较好反映甘薯脆片品质的绝大部分信息，含水率、还原糖含量及硬度等是影响甘薯脆片品质的主要因子，用这3个主成分代替原来的13个品质因子对甘薯脆片进行综合评判，筛选出品种间适宜加工甘薯脆片的红薯为红薯407，其次是红薯ZYKS;紫薯为紫薯F404，其次是紫薯 13-27-2;白薯为商19。
关键词：品种;甘薯脆片;相关性分析;主成分分析;加工适宜性
中图分类号：TS215;S531.09 文献标志码： A 文章编号：1002-1302（2020）06-0173-07
我国是世界甘薯（Dioscorea esculenta） 第一生产大国，是我国继水稻、小麦、玉米之后的第四大粮食作物，世界卫生组织（WHO）、美国公共利益科学中心（CSPI）等对数十种常见蔬菜的研究结果表明，甘薯含有丰富的食用纤维、糖、维生素和矿物质等人体必需的重要营养成分[1-4]，被誉为世界第七大重要作物，在发展中国家被誉为第5位热量的主要来源物质和第3位最具有价值的产品[5]。
近年来，贵州甘薯企业数量逐年增加，对甘薯品种的需求愈发凸显，甘薯种植主要分布在贵州遵义、铜仁、黔东南等地区。甘薯脆片作为休闲食品的一种，也属于贵州民间的一道特色佳肴，拥有巨大的市场潜力与广阔的发展空间[6]。通过调研发现，特别是中国第一特区万山特区老百姓有着几百年吃甘薯脆片的传统，以万山特产刘姐薯片为首带动当地甘薯规模化种植、加工，年产值可达2 000万元，由于品种以及肉色甘薯品质不同，加工成甘薯的脆片颜色、质地也有所不同[7]。张宛平发现，淀粉分子在油炸工程中糊化形成脆片的网状结构骨架，水分得以蒸发、迁移，油炸后的山药脆片膨化度高[8]。王沛等分析发现，不同原料苹果脆片的含水率与还原糖含量呈极显著正相关，脆度和粗纤维含量呈显著负相关，含水率低的脆片中粗纤维含量较高，其脆度较差[9]。吕健等通过建立桃脆片综合品质评价判别函数模型，得出桃脆片综合品质可用还原糖含量、复水比、L*值、粗蛋白含量和膨化度等5项核心指标進行评价[10]。李臣等通过主成分分析了甘薯香味在甘薯品种间存在显著性差异，淀粉、氨基酸和粗脂肪含量变化量对甘薯香味贡献最大[11]。
本试验研究白薯、红薯以及紫薯共12个不同品种甘薯的营养成分含量的差异，测定不同品种甘薯制成甘薯脆片的质构、色差值以及含油率，并进行感官评析。然后对各指标进行相关性分析和主成分分析，筛选出适宜制作甘薯脆片的品种，从而为贵州当地特色甘薯脆片工业化生产提供技术支撑。
1 材料与方法
1.1 材料与试剂
1.1.1 材料 选用甘薯品种、来源及产地见表1 。
1.1.2 试剂 香满园烹调油（餐饮专用棕榈油），嘉里粮油（防城港）有限公司;石油醚（分析纯），国药集团化学试剂有限公司。乙醇、亚硝酸钠、氢氧化钠、3，5-二硝基水杨酸、无水亚硫酸钠、盐酸、酚酞均为分析纯;所用水为超纯水。
1.2 仪器与设备
NH310便携式计算机色差仪，深圳市三恩时科技有限公司;TMS-PRO食品物性分析仪，美国FTC（Food Technology Corporation）公司;SOX500粗脂肪测定仪，济南海能仪器股份有限公司;CP213电子天平、MB23含水率测定仪，奥豪斯仪器（常州）有限公司;STML7001型热泵干燥烘房，上海湿腾电器有限公司。HHS型电热恒温水浴锅，上海博迅实业有限公司;CP213型分析天平，奥豪斯（上海）仪器有限公司;UV-2102C型紫外可见分光光度计，尤尼科（上海）仪器有限公司。
1.3 方法
1.3.1 甘薯干片干燥工艺流程 新鲜甘薯→清洗→去皮→切片→汽漂→烘干→成品。
通过预试验最佳工艺选取无害、无芽、眼浅的新鲜甘薯，用流动自来水清洗后去皮、切成3 mm厚度片状，放入专用蒸锅中汽漂4 min后转移到烘房专用托盘中，将热泵干燥器温度设置到 70 ℃，放入待干燥甘薯片，干燥3 h取出待其冷却后，装入自封袋中。
将甘薯干片进行油炸，得到甘薯脆片，测定其含油率、破碎力、硬度、弹性、胶黏性、咀嚼性，3次平行，取平均值，a*值、b*值、L*值正反面各3次平行，取平均值。
1.3.2 甘薯含水率测定 采用常压干燥法，参考国标GB 5009.3—2016《食品安全国家标准 食品中水分的测定》[12]。
1.3.3 甘薯总糖和还原糖含量测定[13] 精确称取一定量的甘薯置于105 ℃的烘箱中干燥至恒质量，并确保葡萄糖为100.0 mg，用蒸馏水溶解并定容至100 mL，摇匀，制备成1.0 mg/mL葡萄糖标准溶液，分别取 0、0.2、0.4、0.6、0.8、10 mL上述葡萄糖标准溶液依次加入25 mL容量瓶中，补足蒸馏水至 1 mL，加入3.0 mL 3，5-二硝基水杨酸（DNS）溶液，混匀，于沸水浴中加热5 min，取出后立即冷却，用蒸馏水定容至刻度，摇匀。以空白溶液作为对照，用1 cm比色皿在489 nm处测定吸光度值。以葡萄糖溶液浓度为横坐标x、吸光度值为纵坐标制作标准曲线y，为y=0.033 1x-0019 3，r2= 0999 3。 还原糖含量样品测定：取饮料液2.000 g，按照标准曲线步骤进行操作。
总糖含量样品测定：取饮料液2.000 g，加入 10 mL 6 mol/L HCl溶液和15 mL蒸馏水，混匀，在沸水浴中加热30 min，用碘化钾-碘溶液检查水解程度。待水解完全后，冷却，加入酚酞指示剂0.2 mL，以6 mol/L NaOH溶液中和至溶液呈酚酞变色，定容至50 mL，即为总糖含量待测样品。取待测液1 mL，按照标准曲线步骤进行操作。
所有样品都平行测定3次，取D489 nm的平均值，从上述标准曲线计算相应的总糖和还原糖含量（mg/mL）。
1.3.4 甘薯淀粉含量测定 参考曹建康等的《果蔬采后生理生化实验指导》测定甘薯淀粉含量[14]，标准曲线与总糖含量测定法一致。
1.3.5 脆片含油率测定 参照国标GB 5009.6—2016《食品安全国家标准 食品中脂肪的测定》[15]的方法测定脆片含油率。
1.3.6 脆片质构测定 采用美国FTC公司TMS-PRO物性质构仪进行测定，应用TPA模式，测试速度为3 mm/min，变形百分量为60%，下降距离为 15 mm，检测起始力为1.5 N。
1.3.7 脆片色差测定 用便携式色差仪测定，依次读取a*值、L*值、b*值。
1.3.8 感官评析 组织20人小组对甘薯脆片进行感官评定评分（表2），用平均值表示甘薯脆片所得感官评定总分。
1.4 数据统计与分析
运用 Excel 2019 软件及 SPSS 19. 0 统计软件进行数据处理、主成分分析及相关性分析。
2 结果与分析
2.1 不同品种甘薯营养成分
不同品种的甘薯亲缘关系相差较远，含水率、淀粉含量、还原糖含量有所不同且不同肉色的品种甘薯性状差异巨大[16]，还原糖含量、淀粉含量和含水率是影响甘薯脆片色泽的主要因素，还原糖含量越高，在油炸过程中越容易发生“美拉德反应”，生成“类黑蛋白素”等[17]物质，使薯片色泽变暗，味道变苦，含水率越高，相对密度越低，甘薯脆片出产率越低，甘薯脆片油炸后含油率越高。由表3可知，不同品种甘薯间营养成分含量差异显著（P<0.05），还原糖含量范围为8.94%～14.90%，其中红薯407含量最高（14.90%），其次是紫薯404，红薯龙9含量最低（894%）。总糖含量范围为40.34%～6212%，其中红薯407最高（62.12%），其次是紫薯F404（6193%），紫薯12-24-2最低（4034%）。淀粉含量范围为9.60%～18.18%，其中紫薯12-24-2最高（18.18%），其次是红薯XGM（17.67%），红薯407含量最低（9.6%）。含水率范围为1104%～33.11%，其中红薯407最高（33.11%），其次是紫薯13-27-2（31.98%），红薯XGM最低（19.01%）。
2.2 不同品种甘薯脆片品质
由于不同甘薯品种的甜度、质地及品质稳定性之间存在着显著的差异[18]，所以其对应的甘薯脆片品质也存在着显著的差异，如表4所示，甘薯脆片硬度变化范围为8.00～16.26 N， 其中龙9硬度最高 （1626 N），红薯ZYKS最低（8.00 N）。胶黏性变化范围为1.20～3.33 N，其中红薯407胶黏性最大（3.33 N），紫云红心薯最低（1.20 N）。咀嚼性变化范围为2.09～4.95 N，其中紫薯12-24-2咀嚼性最大（4.95 N），紫薯F404咀嚼性最低（2.09 N）。彈性变化范围为2.04～4.10 N，其中红薯407最高（4.10 N），紫云红心薯弹性最低（2.04 N）。品种间甘薯花青素含量具有差异性[19]，因此色差不仅受到品种肉色影响，还与甘薯含水率、甘薯片油炸温度、油炸时间有关，红薯407甘薯片油炸后含油率最高（18.58%），紫薯F24甘薯脆片含油率最低（1059%），紫薯有花青素“大王”的美称[20]，所以不同肉色甘薯脆片色差值具有显著差异（P<005）。其中，红薯407色差值a*值最高（24.92），紫薯12-24-2色差值a*值最低（15.40）;红薯XGM色差值b*最高（54.37），紫薯F24 b*值最低（907）;紫薯13-27-2色差值L*值最低（1066），红薯407色差值L*值最高（72.00）。
2.3 不同品种甘薯与甘薯脆片品质相关性分析
甘薯含水率是影响甘薯脆片含油率及硬度的重要因素[21]，由表5可知，不同品质甘薯块与甘薯脆片品质指标中，硬度与胶黏性、弹性、a*值、含油率、还原糖含量及含水率呈显著负相关（P<005），与咀嚼性、淀粉含量及感官呈显著正相关（P<005）。胶黏性与咀嚼性、淀粉含量、感官得分呈负相关（P>0.05），与弹性及含水率呈正相关（P>005）。咀嚼性与含油率、还原糖含量、总糖含量以及含水率呈显著负相关（P<0.05），与淀粉含量以及感官呈极显著正相关性（P<0.01）。弹性与含油率、还原糖含量呈显著正相关，与淀粉含量及感官得分呈负相关。含水率与含油率、a*值及还原糖含量呈极显著正相关性[22]（P<0.01），与硬度、淀粉含量及咀嚼性呈极显著负相关（P<0.01），与感官得分呈负相关。L*与含油率、还原糖含量及含水率呈负相关性，与淀粉含量及感官得分呈正相关。含油率与还原糖含量呈极显著正相关（P<0.01），与淀粉含量呈极显著负相关（P<0.01）。还原糖含量与感官得分呈显著负相关（P<0.05），淀粉含量与感官得分呈正相关。综上所述，甘薯还原糖含量越高，产品色泽越差，含水率越高，硬度越低，所以应该选择还原糖含量尽量少、干物质及淀粉含量高的甘薯作为原料[23]。2.4 不同品种甘薯与甘薯脆片品质的主成分分析 由表6可知，前3个主成分的初始特征值均大于1，其中主成分1的方差贡献率为56.343%，主成分2的方差贡献率为16.093%，主成分3的方差贡献率为9.315%，累积方差贡献率为81.751%，解释了绝大部分信息。因此提取前3个主成分代替原13个指标评价甘薯脆片品质，达到降维的目的。根据综合评价的需要，故采用前3个主成分来代替原来的13个指标变量。
2.5 不同品种甘薯脆片品质综合评判
为了消除不同单位和数据的影响，须对各指标原始数据进行标准化处理， 转化成均值为0、标准差在主成分分析的基础上，根据综合得分模型计算不同品种甘薯脆片的综合得分，结果如表8所示，综合得分越高，说明该品种的甘薯脆片综合品质越好。由表8可知，在主成分1的y1中，红薯407的得分最高，为2.57分，其次是红薯ZYKS，为2.09分，再次是紫薯F404，为1.02分;由表7知，主成分2中含水率、还原糖含量以及含油率的影响最显著，说明红薯407、紫云红心薯、紫薯含水率、还原糖含量以及含油率在12个甘薯品种中表现较优。其次是主成分2中b*值、L*值以及主成分3中a*值的载荷值较大，说明红薯407、红薯ZYKS、紫薯F404色泽较其他品种颜色更佳，而甘薯脆片颜色是一个影响甘薯脆片出产率的重要因素。经综合分析可知，红薯中红薯407在综合排名中排名第一，最适宜制作为甘薯脆片，其次是红薯ZYKS;紫薯中紫薯F404综合排名最高，适宜制作为甘薯脆片，其次是紫薯13-27-2;白薯中商19综合得分最高，适宜制作为甘薯脆片。
3 讨论与结论
不同品种及肉色的甘薯的主要营养成分含量及化学组成不同，加工制成的甘薯脆片也存在一定差异，表现在产品的色泽、风味、外观以及口感等多方面，通过试验得出，不同品种及肉色甘薯之间的淀粉、总糖、还原糖含量及含水率差异显著，将不同品种甘薯制成甘薯脆片产品后质构分析、色差及含油率也呈现一定的差异性。通过相关性分析得出，甘薯脆片硬度与含水率、还原糖含量及含油率呈极显著负相关（P<0.01），L*值与含水率、含油率以及还原糖含量呈負相关，含水率与总糖含量和还原糖含量呈极显著正相关，与淀粉含量呈极显著负相关。再通过主成分分析法提取出3个主成分，可以解释甘薯脆片品质的 81.751%，它们的贡献率分别为56.343%、16.093%和 9.315%。在此分析结果基础上建立主成分综合得分模型，对不同品种的甘薯脆片品质进行综合评分，筛选出适宜加工甘薯脆片的品种，红薯中红薯407在综合排名中排名第一，最适宜制作为甘薯脆片，其次是红薯ZYKS;紫薯中紫薯F404综合排名最高，适宜制作为甘薯脆片，其次是紫薯13-27-2;白薯中商19综合得分最高，适宜制作为甘薯脆片。由于甘薯原料的品质不仅受品种的影响，还与生长地区的地质条件、生长季节等因素有很大关系，加之感官评价的主观性，故分析结果也会存在差异。在今后的研究中，应扩大采样范围，加强研究的深入性，使研究结果更具有实用价值，从而为甘薯脆片加工企业提供有效的依据。
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