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基于主成分分析研究山核桃的加工品质

发布日期:2018-01-12 中国油脂网

乔 雪,郭 雄,刘零怡,胡传荣,何东平
(武汉轻工大学 食品科学与工程学院,武汉 430023)


摘要:应用主成分分析法对11种山核桃的20个理化品质指标(含仁率、含油率、粗蛋白质含量等)进行分析,以各项指标累积方差贡献率达到85%以上为标准确定了5个反映山核桃理化品质的主成分,并对11种山核桃加工品质进行初步评价。结果表明:云南5、云南4、云南3品种的山核桃加工品质较好,适宜于多种产品的加工。
关键词:山核桃;山核桃油;理化品质;主成分分析
中图分类号:TS222;TS207   文献标识码:A

文章编号:1003-7969(2016)12-0100-05
 

Processing quality of China pecan based on principal component analysis 
QIAO Xue,GUO Xiong,LIU Lingyi,HU Chuanrong,HE Dongping
(College of Food Science and Engineering,Wuhan Polytechnic University, Wuhan 430023,China)


Abstract:Twenty physicochemical quality indexes (kernel content,oil content,crude protein content etc.) of eleven kinds of China pecans were analyzed by principal component analysis. Five principal components reflecting physicochemical quality of China pecan were determined with contribution rate of accumulative variance of each index above 85% as the standard,and the processing qualities of eleven kinds of China pecans were preliminarily evaluated. The results showed that the processing quality of Yunnan 5,Yunnan 4 and Yunnan 3 were better,and they were suitable for variety of products processing.
Key words:China pecan; China pecan oil; physicochemical quality; principal component analysis

  山核桃(Juglans regia L.)营养价值丰富,含油率高,为65%左右(因品种不同而有差异),山核桃蛋白质中8种必需氨基酸种类齐全,山核桃油中的油酸和亚油酸含量丰富,有研究显示常食用山核桃仁、山核桃油产品,具有降低血脂、健脾开胃、滋补康复等功效[1]。山核桃油中还含有维生素E、甾醇等活性成分[2-3],对降低人体血清蛋白中的胆固醇、防止动脉粥样硬化和血栓的形成具有积极的作用,被广泛应用于食品、医药等领域[4-5]。
     主成分分析法是一种通过降维技术把多个变量变化为少数几个主成分的统计方法,在食品品质评价方面有较多应用[6-9]。本研究利用主成分分析法建立山核桃品质评价模型,从品种特性、油脂特性、蛋白特性和营养特性4个角度,选择含仁率、含油率、出油率、粗蛋白质含量等20个有代表性的品质指标进行分析研究。
1 材料与方法
1.1 试验材料
     来自不同地区的11种山核桃,分别为东北1、东北2、东北3、云南1、云南2、云南3、云南4、云南5、四川1、四川2和四川3(所采的每种样品均代表真实的采样,为避免不必要的纠纷,适当淡化样品名称)。样品由云南省粮油科学研究院收集。
     石油醚、正己烷、氢氧化钾、硼酸等,均为分析纯。
     脂肪测定仪,全自动凯氏定氮仪,气相色谱仪等。
1.2 试验方法
1.2.1 山核桃理化品质指标的测定
     十果重:随机抽取10个山核桃,称量其质量。
     十仁重:随机抽取10个山核桃,剥壳后,称量山核桃仁的质量。
     仁壳比:称取一定质量的山核桃,剥壳后山核桃仁比山核桃壳的质量,即为仁壳比。
     含仁率:参照SN/T 0803.10—1999检测。
     含油率:参照GB/T 5512—2008检测山核桃仁的含油率。
     粗纤维含量:参照GB/T 5515—2008检测山核桃仁的粗纤维含量。
     粗蛋白质含量:参照GB/T 5511—1985检测山核桃仁的粗蛋白质含量。
     出油率:称取1 000 g剥壳后的山核桃仁,采用液压冷榨法得到山核桃油,用山核桃油的质量比山核桃仁的质量,即为出油率。
     灰分:550 ℃灼烧法检测山核桃仁的灰分。
     微量元素总量:用原子吸收光谱仪分别检测山核桃仁中的铁、铜、钙、锌、硒、镁、锰含量,将其相加后为微量元素总量。
     碳水化合物含量:碳水化合物含量=100%-(水分含量+粗蛋白质含量+含油率+粗纤维含量)[4]。
     蛋白质提取率:参照GB/T 5511—1985方法用凯氏定氮仪分别对山核桃仁、山核桃蛋白样品中的粗蛋白质含量进行测定,然后计算蛋白质提取率[10] 。
     氮溶解指数:参照GB/T 5511—1985方法检测。
1.2.2 山核桃油理化品质指标的测定
1.2.2.1 碘值
     参照GB/T 5532—2008检测。
1.2.2.2 脂肪酸组成分析
     甲酯化:取2滴离心后的山核桃油于玻璃试管中,加入2 mL正己烷,充分摇匀溶解,再加入0.3 mL 2 mol/L KOH甲醇溶液,摇匀后40~45 ℃水浴加热25 min,在加热过程中时时摇动使之充分甲酯化,加蒸馏水静置,取上清液进行气相色谱分析。
     气相色谱条件:色谱柱为Agilent DB-23石英毛细管柱(60 m×0.25 mm×0.25 μm);色谱柱升温程序为150 ℃初始温度保持1 min,以6 ℃/min的速率上升至温度为230 ℃,保持20 min;载气为高纯度氮气,流量2.00 mL/min,空气流量为50 mL/min;氢气流量为50 mL/min;检测器为氢火焰离子检测器(FID),检测器温度250 ℃,进样口温度230 ℃;进样量0.5 μL,分流比1∶ 5。
     脂肪酸通过与脂肪酸甲酯标准品保留时间比较鉴定,采用面积归一化法计算各脂肪酸相对含量。
1.2.3 统计分析
     数据处理及分析采用Excel 2003及SPSS17.0软件。
2 结果与讨论
2.1 山核桃和山核桃油理化品质指标测定结果
     对11种山核桃和山核桃油理化品质指标进行测定,结果见表1。对11种山核桃品种的20个理化品质指标进行数据分析,结果见表2。

表1 11种山核桃和山核桃油的理化品质指标测定结果


样品 十果重/
g
十仁重/
g
含仁率/
%
仁壳比 含油率/
%
粗蛋白质
含量/%
粗纤维
含量/%
灰分/
%
微量元素
总量/%
碳水化合物
含量/%
东北1 127.56 22.86 17.92 0.23 58.12 22.96 2.11 2.88 1.76 8.80
东北2 120.78 17.53 14.51 0.18 60.65 22.26 1.98 2.95 1.77 7.37
东北3 143.08 18.32 13.80 0.19 60.36 24.60 1.77 2.76 1.84 4.16
云南1 139.07 20.71 14.89 0.33 58.83 18.80 1.98 2.61 1.90 12.46
云南2 131.01 32.02 24.44 0.27 61.94 15.49 1.73 2.89 2.01 12.92
云南3 162.35 35.46 21.84 0.39 64.68 18.56 1.58 2.99 2.12 6.16
云南4 154.76 47.10 30.49 0.46 64.05 16.69 1.79 2.48 1.67 10.74
云南5 179.37 41.93 23.38 0.31 66.55 18.36 2.00 3.01 2.33 5.87
四川1 139.51 19.55 14.01 0.20 57.87 24.33 1.89 2.23 1.78 9.05
四川2 135.24 18.34 13.56 0.18 56.76 25.24 1.90 2.99 2.34 7.50
四川3 133.71 28.96 21.66 0.28 61.05 18.46 2.07 3.16 2.00 11.26
样品 出油
率/%
蛋白质提
取率/%
氮溶解
指数/%
碘值(I)/
(g/100 g)
油酸
(O)/%
亚油酸
(L)/%
O/L 饱和脂肪
酸(S)/%
不饱和脂肪
酸(U)/%
U/S
东北1 49.54 71.24 47.32 152.92 17.66 66.56 0.27 3.74 96.19 25.72
东北2 52.66 73.54 46.78 153.54 17.45 67.75 0.26 3.66 96.27 26.30
东北3 50.12 74.33 45.98 156.56 20.23 66.75 0.30 3.71 96.17 25.92
云南1 48.98 76.72 47.89 151.96 26.73 57.37 0.47 7.50 92.29 12.31
云南2 53.10 75.89 46.33 155.78 26.05 57.39 0.45 8.99 91.01 10.13
云南3 47.72 74.37 48.77 154.62 31.58 52.03 0.61 8.46 91.25 10.79
云南4 49.87 72.18 45.71 158.45 30.53 53.06 0.58 7.69 92.25 12.00
云南5 50.98 77.34 43.79 158.52 27.08 56.54 0.48 8.77 91.17 10.40
四川1 50.92 75.49 44.92 157.83 24.94 60.89 0.41 4.36 95.12 21.82
四川2 51.89 74.39 46.79 157.34 23.16 61.22 0.38 4.05 95.84 23.67
四川3 52.73 75.67 48.71 156.93 24.07 59.90 0.40 8.25 91.68 11.12

表2 11种山核桃和山核桃油的理化品质指标数据分析结果


项目 最大值 最小值 变幅 平均值 标准差 变异系数(CV)/%
十果重/g 179.37 120.78 58.59 142.40 16.96 0.12
十仁重/g 47.10 17.53 29.57 27.49 10.40 0.38
含仁率/% 30.49 13.56 16.93 19.14 5.62 0.29
仁壳比 0.46 0.18 0.28 0.27 0.09 0.34
含油率/% 66.55 56.76 9.79 60.99 3.10 0.05
粗蛋白质含量/% 25.24 15.49 9.75 20.52 3.44 0.17
粗纤维含量/% 2.11 1.58 0.53 1.89 0.16 0.08
灰分/% 3.16 2.23 0.93 2.81 0.27 0.10
微量元素总量/% 2.34 1.67 0.67 1.96 0.23 0.12
碳水化合物含量/% 12.92 4.16 8.76 8.75 2.85 0.33
出油率/% 53.10 47.72 5.38 50.77 1.72 0.03
蛋白质提取率/% 77.34 71.24 6.10 74.65 1.84 0.02
氮溶解指数/% 48.77 43.79 4.98 46.64 1.53 0.03
碘值(I)/(g/100 g) 158.52 151.96 6.56 155.86 2.29 0.01
油酸(O)/% 31.58 17.45 14.13 24.50 4.66 0.19
亚油酸(L)/% 67.75 52.03 15.72 59.95 5.37 0.09
O/L 0.61 0.26 0.35 0.42 0.11 0.27
饱和脂肪酸(S)/% 8.99 3.66 5.33 6.29 2.33 0.37
不饱和脂肪酸(U)/% 96.27 91.01 16.15 93.57 2.30 0.02
U/S 26.28 10.13 16.15 17.92 7.21 0.42
 
  由表1可知,山核桃和山核桃油的20个理化品质指标,在加工过程中对山核桃产品的品质均有影响。但在加工不同产品时应侧重什么指标,需要通过主成分分析解决。
2.2 山核桃理化品质指标主成分分析
     品质评价是由多个指标构成的,为了避免量纲和数量级的影响,采用SPSS17.0对数据进行标准化处理,将数据转化为无量纲数据。标准化后的数据见表3,主成分分析(方差贡献分析)结果见表4。

表3 原始数据标准化


样品 X1 X2 X3 X4 X5 X6 X7 X8 X9 X10
东北1 -0.874 4 -0.445 1 -0.216 6 -0.484 1 -0.926 2 0.709 2 1.371 2 0.243 0 -0.859 9 0.016 3
东北2 -1.273 8 -0.957 4 -0.823 7 -1.027 5 -0.108 9 0.505 5 0.557 6 0.499 3 -0.816 1 -0.486 0
东北3 0.039 8 -0.881 5 -0.950 1 -0.918 8 -0.202 6 1.186 4 -0.756 7 -0.196 4 -0.509 6 -1.613 6
云南1 -0.196 4 -0.689 2 -0.756 0 0.602 7 -0.696 8 -0.501 3 -0.557 6 -0.745 6 -0.246 8 1.3019
云南2 -0.671 2 0.435 5 0.944 2 -0.049 4 0.307 8 -1.464 5 -1.007 1 0.279 6 0.234 9 1.463 5
云南3 1.175 0 0.766 1 0.481 4 1.254 7 1.192 8 -0.571 1 -1.945 9 0.645 8 0.716 6 -0.911 1
云南4 0.727 9 1.885 1 2.021 4 2.015 4 0.989 3 -1.115 3 -0.631 6 -1.221 7 -1.254 0 0.697 8
云南5 2.177 7 1.388 1 0.755 5 0.385 3 1.796 9 -0.629 3 0.682 8 0.719 0 1.636 2 -1.012 9
四川1 -0.170 5 -0.763 3 -0.912 7 -0.810 1 -1.006 9 1.107 9 -0.005 7 -2.137 1 -0.772 3 0.104 1
四川2 -0.422 0 -0.879 6 -0.992 8 -1.027 5 -1.365 5 1.372 7 0.056 9 0.645 8 1.680 0 -0.440 4
四川3 0.512 1 0.141 3 0.449 3 0.059 3 0.020 3 -0.600 2 1.120 9 1.268 3 0.191 1 0.880 4
样品 X11 X12 X13 X14 X15 X16 X17 X18 X19 X20
东北1 -0.719 3 -1.849 4 0.447 8 -1.285 5 -1.466 6 1.230 9 -1.291 4 -1.096 0 1.138 7 1.172 5
东北2 1.099 9 -0.602 4 0.094 6 -1.014 4 -1.511 6 1.452 5 -1.378 0 -1.128 6 1.173 4 1.246 0
东北3 -0.381 1 -0.174 0 -0.428 8 0.306 6 -0.915 5 1.266 3 -1.031 5 -1.107 1 1.130 0 1.197 4
云南1 -1.045 8 1.121 9 0.820 7 -1.705 4 0.478 4 -0.480 7 0.441 0 0.520 0 -0.554 0 -0.690 8
云南2 1.356 4 0.671 9 -0.199 8 -0.034 6 0.332 6 -0.476 9 0.266 7 1.159 7 -1.109 5 -0.993 0
云南3 -1.780 5 -0.152 3 1.396 4 -0.542 0 1.518 4 -1.475 2 1.653 6 0.932 2 -1.005 3 -0.901 5
云南4 -0.526 9 -1.339 8 -0.605 4 1.133 3 1.293 3 -1.283 4 1.393 7 0.601 6 -0.571 3 -0.733 8
云南5 0.120 3 1.458 1 -1.861 5 1.163 9 0.555 6 -0.635 3 0.527 6 1.065 3 -1.040 1 -0.955 6
四川1 0.085 3 0.455 0 -1.122 2 0.862 1 0.094 6 0.174 9 -0.078 7 -0.828 1 0.670 0 0.630 4
四川2 0.650 9 -0.141 5 0.101 1 0.647 7 -0.287 2 0.236 4 -0.338 6 -0.961 1 0.986 8 0.884 1
四川3 1.140 7 0.552 6 1.357 2 0.468 4 -0.092 0 -0.009 5 -0.165 4 0.842 9 -0.818 7 -0.855 8
  

表4 方差贡献分析


主成分 特征值 方差的贡献率/% 方差总贡献率/%
1 10.000 50.002 50.002
2 2.585 12.926 62.927
3 2.387 11.933 74.860
4 1.772 8.858 83.718
5 1.479 7.395 91.113
 
  计算样品的相关矩阵及主成分数量各项指标的表示如下:十果重X1,十仁重X2,含仁率X3,仁壳比X4,含油率X5,粗蛋白质含量X6,粗纤维含量X7,灰分X8,微量元素总量X9,碳水化合物含量X10,出油率X11,蛋白质提取率X12,氮溶解指数X13,碘值X14,油酸X15,亚油酸X16,O/L X17,饱和脂肪酸X18,不饱和脂肪酸X19,U/S X20。
     由表4可知,第1个主成分的方差贡献率为50.002%,第2个主成分的方差贡献率为12.926%,第3、4、5个主成分的方差贡献率分别为11.933%、8.858%和7.395%。根据特征值大于1.000,方差总贡献率大于85%的原则[11],这5个主成分已经能够提供原始数据的足够信息,因此选择前5个成分进行分析。
2.3 主成分分类与评分结果的分析
     通过SPSS17.0对表1中的数据进行处理得主成分的载荷矩阵,结果见表5。通过对表5中数据的分析、归纳得出表6。

表5 主成分载荷矩阵(a值)结果


项目 1 2 3 4 5
十果重 0.720 0.606 -0.087 -0.164 0.017
十仁重 0.891 0.135 -0.094 0.218 0.347
含仁率 0.827 -0.098 -0.080 0.334 0.411
仁壳比 0.880 -0.186 -0.363 -0.025 0.129
含油率 0.796 0.279 0.047 -0.010 0.045
粗蛋白质含量 -0.856 0.391 -0.146 -0.158 -0.147
粗纤维含量 -0.437 -0.200 0.372 0.273 0.135
灰分 0.044 -0.056 0.675 -0.453 0.565
微量元素总量 0.286 0.412 0.646 -0.433 -0.107
碳水化合物含量 0.266 0.792 0.116 0.415 -0.288
出油率 -0.249 -0.050 0.707 0.543 0.063
蛋白质提取率 0.345 0.160 0.621 -0.069 -0.596
氮溶解指数 -0.033 -0.705 0.008 -0.601 0.111
碘值 0.326 0.661 0.113 0.475 -0.033
油酸 0.918 0.060 -0.185 -0.095 -0.286
亚油酸 -0.945 0.024 0.114 0.090 0.206
O/L 0.926 0.027 -0.226 -0.125 -0.204
饱和脂肪酸 0.933 -0.196 0.274 -0.014 -0.029
不饱和脂肪酸 -0.938 0.187 -0.250 0.023 0.073
U/S -0.941 0.210 -0.221 -0.001 0.110

表6 主成分分析


主成分 主要影响指标 加工特性
1 十果重、十仁重、含仁率、仁壳比、含油率、粗蛋白质含量、油酸、
亚油酸、O/L、饱和脂肪酸,不饱和脂肪酸、U/S
品种特性、油脂特性、营养特性和蛋白特性
2 碳水化合物含量、氮溶解指数、碘值、十果重 营养特性、蛋白特性
3 灰分、微量元素总量、出油率、蛋白质提取率 营养特性、油脂特性和蛋白特性
4 灰分、微量元素总量、碳水化合物含量、出油率、氮溶解指数、碘值 营养特性、油脂特性
5 灰分、蛋白质提取率 营养特性、蛋白特性
 
  由表5和表6可知,主成分1与十果重、十仁重、含仁率、仁壳比、含油率、油酸、O/L、饱和脂肪酸呈正相关,与粗蛋白质含量、亚油酸、不饱和脂肪酸、U/S呈负相关,反映了山核桃的品种特性、油脂特性、营养特性和蛋白特性;主成分2与十果重、碳水化合物含量、碘值呈正相关,与氮溶解指数呈负相关,反映了山核桃的营养特性、蛋白特性;主成分3与灰分、微量元素总量、出油率、蛋白质提取率呈正相关,反映了山核桃的营养特性、油脂特性和蛋白特性;主成分4与碳水化合物含量、出油率、碘值呈正相关,与微量元素总量、灰分、氮溶解指数呈负相关,反映了山核桃的营养特性、油脂特性;主成分5与灰分呈正相关,与蛋白质提取率呈负相关,反映了山核桃的营养特性和蛋白特性。
     通过SPSS17.0对数据的主成分值进行计算并对主成分值进行排名,结果见表7。

表7 主成分值及排名


样品 F主成分值 排名   F1主成分值 排名   F2主成分值 排名   F3主成分值 排名   F4主成分值 排名   F5主成分值 排名
东北1 -3.668 010 10   -2.887 357 11   -1.219 070 8   -1.071 660 8   -0.124 150 7   1.593 711 1
东北2 -3.996 220 11   -2.481 282 10   -0.518 520 7   0.446 547 5   0.254 020 5   1.135 905 2
东北3 -3.112 880 9   -1.836 850 9   1.822 550 2   -0.824 640 7   -0.501 600 9   0.194 725 6
云南1 0.646 428 6   0.370 353 5   -2.262 840 11   -0.246 210 6   -0.957 260 10   -1.991 830 11
云南2 2.214 007 4   1.515 349 4   -1.408 680 9   1.509 604 3   1.127 553 3   0.079 373 7
续表7
样品 F主成分值 排名   F1主成分值 排名   F2主成分值 排名   F3主成分值 排名   F4主成分值 排名   F5主成分值 排名
云南3 3.939 260 2   3.226 403 1   0.173 153 5   -1.280 780 10   -2.932 160 11   0.308 989 3
云南4 4.103 584 1   2.513 589 2   -0.135 170 6   -2.605 590 11   1.931 497 1   0.305 525 4
云南5 3.494 949 3   2.097 093 3   2.893 793 1   1.885 598 2   0.319 338 4   0.203 042 5
四川1 -1.895 930 7   -1.210 595 7   1.096 916 4   -1.145 880 9   1.425 673 2   -0.284 760 10
四川2 -2.582 290 8   -1.552 444 8   1.183 663 3   1.098 511 4   -0.183 330 8   -0.187 190 9
四川3 0.857 118 5   0.245 754 6   -1.625 790 10   2.234 492 1   0.099 002 6   0.047 466 8
 
  由表7可知,主成分综合排名前三的品种为云南4、云南3和云南5,说明以上3种山核桃的综合利用率高,无论品种特性、油脂特性、蛋白特性还是营养特性均较好,既可以作为坚果食用也可提取油脂和蛋白质;主成分1排名前三的品种为云南3、云南4和云南5,结合主成分1所反映的山核桃特性,说明以上品种核桃适用于提取营养价值高的食用油脂;主成分2排名前三的品种为云南5、东北3和四川2,结合主成分2所反映的山核桃品种特性,说明以上品种山核桃适用于作为坚果食用;主成分3排名前三的品种为四川3、云南5和云南2,结合主成分3反映的山核桃特性,说明以上山核桃适用于提取营养价值高的山核桃油,也可用来提取蛋白质,深加工为蛋白粉类、蛋白乳饮料等产品,或把蛋白质进一步分解多肽,制成功能性产品,还可以加工为含有优质油脂的蛋白粉,满足不同人群的需要;主成分4排名前三的品种为云南4、四川1和云南2,结合主成分4反映的山核桃特性,说明以上山核桃适用于提取营养价值高的功能性油脂;主成分5排名前三的品种为东北1、东北2和云南3,结合主成分5反映的山核桃特性,说明以上山核桃适用于作为坚果直接食用。
     但利用山核桃作为坚果食用或提取高档食用油脂和山核桃蛋白多肽产品时,存在剥壳难的问题。因此,结合山核桃的外形特点,早日研发出山核桃的剥壳机,对于解决山核桃加工中的剥壳问题非常必要。
3 结 论
     对11种山核桃的理化品质指标进行研究测定,选取20个理化品质指标进行主成分分析,筛选出5个主成分,从品种特性、油脂特性、蛋白特性和营养特性4个不同角度综合评价山核桃理化品质,并针对不同的理化品质特点对不同的山核桃利用方向做了简要说明。云南5、东北3、四川2、东北1、东北2和云南3的山核桃适宜于作为坚果食用;云南4、云南2和四川1的山核桃适宜于加工成营养价值高的功能性油脂;云南4、云南3和云南5的山核桃适宜于加工营养价值较高的食用油脂;四川3、云南5和云南2的山核桃适宜于加工为营养价值高的食用油脂,也适用于提取蛋白质,制成蛋白粉、蛋白乳饮料或多肽,也可以结合自身特点制成含有优质油脂的山核桃蛋白粉,满足不同人群的需要。
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