基于主成分分析的糖尿病專用山藥品種篩選

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(1.揚州大學旅游烹飪學院，江蘇揚州 225127; 2.山東省農業科學院農產品研究所,山東省農產品精深加工技術重點實驗室, 農業部新食品資源加工重點實驗室,山東濟南 250100; 3.山東省農業科學院蔬菜花卉所,山東濟南 250100)

近年來,隨著人們生活水平的提高,糖尿病的發病率也逐漸提高。根據國際糖尿病聯盟(IDF)數據顯示,2015年全球糖尿病患者約有4.15億人,每11個人就有1人患有糖尿病。預測到2040年,全球將會有6.42億人患有糖尿病,中國糖尿病患者也將達到1.51億[1]。山藥是我國常見食物,同為中藥,屬薯蕷科多年生宿根蔓草植物,具有益精、固腎、益肺、補脾等功效,國內部分學者從山藥化學成分、藥理成分分析用于糖尿病治療中的作用,使山藥在糖尿病患者中治療研究取得較大進展[2]。

山藥(DioscoreaoppositaThunb),別名鮮山藥、懷山藥、山薯、山藥薯等,在我國已經有3000多年的歷史。作為一種傳統藥食同源植物,山藥具有多種生理功效,在漢代《神農本草經》、宋代《圖經本草》以及明代的《本草綱目》中都有所記載?，F代研究表明山藥具有顯著的降糖功效。楊宏莉等[3]研究發現山藥多糖對2型糖尿病的治療機制之一可能是山藥多糖提高了糖代謝關鍵的酶活性。張忠泉等人[4]研究發現山藥多糖能提高血液中的C肽,具有改善受損的胰島細胞功能。由于現代膳食結構的不合理,糖尿病發病率逐年上升,已成為繼心血管疾病、腫瘤之后的威脅我國居民身體健康的主要疾病。在糖尿病的治療方法中,飲食治療是糖尿病人有效控制血糖、進而減少或延緩并發癥的關鍵之一[5]。山藥由于其中多糖的降血糖作用,以及抗性淀粉含量較高的特點,是開發糖尿病人專用食品的理想原料。

主成分分析是一個采用少量綜合指標來代替原來多個指標大部分信息的一種降維的分析方法,剔除不重要的部分,保留重要信息,具有減少計算工作量、減少原始數據信息損失、簡化數據結構以及避免主觀隨意性等優點[6]。近年來,該方法應用較為廣泛,逐漸應用于小麥[7]、蕓豆[8]、蘋果[9]、綠豆[10]、大豆[11]等作物或領域。而將主成分分析應用于山藥綜合評價及品種篩選的研究還未見報道。本研究對10種山藥的12項指標進行主成分分析,根據主成分載荷及主成分得分分析各個主成分和品質指標與品種間關系,可以為山藥品種篩選獲得直觀的依據。

不同品種的山藥在基本營養成分、外觀形狀以及消化特性上都有所不同,本研究廣泛收集了我國主栽山藥品種,分析其基本營養成分含量、活性成分、消化特性的不同,主要以多糖、快慢抗消化淀粉、體外升糖指數(Glycemic Index,GI)為主要指標利用主成分分析從中篩選出一種糖尿病人專用山藥品種,為更好地開發利用山藥這一藥食同源的資源提供實驗基礎和理論依據。

1　材料與方法

1.1　材料與儀器

小白嘴山藥、大和長芋山藥、大久保德利2號山藥、西施山藥、溫縣壚土山藥山東省農業科學院蔬菜花卉所提供;云南拉市海野生山藥云南麗江拉市海菜市場;鐵棍山藥、陳集山藥山東省濟南市華聯超市;佛手山藥湖北武穴;長山細毛山藥鄒平長山山藥開發基地;憑證樣品(02112～02122)存放于山東省農業科學院農產品研究所；α-淀粉酶50 U/mg,Sigma公司;糖化酶80 U/mg,Sigma公司;瓜爾豆膠河南通宇化工有限公司;3,5-二硝基水楊酸國藥集團化學試劑有限公司;胃蛋白酶3000 U/mg,北京索萊寶科技有限公司。

DHG-92435烘箱上海一恒科技有限公司;FW-80粉碎機北京市永光明醫療儀器有限公司;ML104電子分析天平瑞士METTLER公司;TDL-40B-Ⅱ低速大容量離心機上海安亭科學儀器廠;UV-800紫外可見分光光度計日本島津;SZF-06A索式提取儀杭州匯爾儀器設備有限公司;DFD-700水浴鍋上海樹立儀器儀表有限公司;SHA水浴恒溫振蕩器上海上天精密儀器源頭廠家;SRJX4-3箱式電爐上海陽光實驗儀器有限公司。

1.2　實驗方法

1.2.1樣品預處理將山藥洗凈,去皮,切成3～4 mm的薄片,放入托盤,60 ℃烘8 h左右,將山藥片取出,在粉碎機中粉碎,過120目篩,放入自封袋,于干燥皿中長時間保存。

1.2.2基本營養成分的測定水分含量參照GB/T 5009.3-2003常壓干燥法測定;蛋白質含量測定參照GB/5009.5-2010《食品安全國家標準食品中蛋白質的測定》,第一法:凱氏定氮法;脂肪含量參照GB/T 5009.6-2003索氏提取法進行測定;灰分含量測定參照GB/T 22510-2008/ISO 2171:2007《谷物、豆類及副產品灰分含量的測定》:550 ℃馬弗爐灼燒法;淀粉含量測定參照GB/T 5009.9-2008《食品中淀粉的測定》;直、支鏈淀粉測定參照GB/T 15683-2008/ISO 6647-1:2007《大米直鏈淀粉含量的測定》。

1.2.3活性成分的測定多糖含量測定參考文獻[12]的方法;多酚含量測定參考文獻[13]的方法;皂苷含量測定參考文獻[14]的方法。

1.2.4山藥淀粉消化性測定參考文獻[15]的方法。

1.2.5體外升糖指數(GI)的測定采用Goni法[16],有所修改。準確稱取粉碎均勻的山藥樣品粉末200 mg于離心管中,加入20 mL磷酸鹽混合緩沖液(pH=7.5),用HCl(1 mol/L)調pH至1.5,加入0.4 mL胃蛋白酶溶液(115 U/mL),37 ℃水浴30 min后冷卻至室溫,用NaOH(1 mol/L)調pH至6.9,加入2 mLα-淀粉酶溶液(110 U/mL),用PBS(pH=6.9)定容至50 mL。37 ℃恒溫水浴振蕩,0～3 h內每隔30 min取樣品1 mL,于100 ℃水浴振蕩使酶失活,然后冷卻至室溫,加入3 mL、0.4 mol/L醋酸鈉緩沖液(pH=4.75)及40 μL葡萄糖淀粉酶(110 U/mL),55 ℃恒溫水浴振蕩45 min。DNS法測定葡萄糖含量[17],計算水解率,建立淀粉水解動力學模型,用體外碳水化合物水解指數(Hydrolysis Index,HI)對食物可能產生的估計血糖生成指數進行預測。

1.3　數據處理

采用SPSS 18.0 進行主成分分析。

2　結果與分析

2.1　山藥基礎成分的含量分析

現代研究表明山藥中含有較多的成分,除了80%水分外,山藥塊莖主要包括淀粉、糖類、蛋白質等。除營養成分之外,山藥中還含有山藥多糖、皂苷、糖蛋白、甘露聚糖、尿囊素、膽堿、多巴胺等活性成分。由表1可知,山藥中水分含量在63.03%～85.17%之間,水分含量最高的是大和長芋山藥,最低的為大久保德利2號;淀粉含量在62.35%～77.69%之間,最高為云南拉市海野生山藥,最低為小白嘴山藥;蛋白質在8.25%～14.30%之間,最高為大久保德利2號,最低為佛手山藥;脂肪含量在0.33%～1.83%之間,最高為鐵棍山藥,最低為長山細毛山藥;直鏈淀粉含量在23.17%～32.56%之間,最高與最低分別為佛手山藥和大和長芋山藥;支鏈淀粉在38.09%～49.89%之間,最高與最低分別為鐵棍山藥和長山細毛山藥;灰分在2.56%～4.88%之間,最高與最低分別是長山細毛山藥和佛手山藥。

表1　山藥基本營養成分Table 1　Basic nutritional content of yam

周玥等[18]研究鐵棍山藥中主要營養成分時,通過實驗測定鐵棍山藥中總氮量占0.616%、總灰分占2.03%、淀粉占15.29%和粘性多糖占1.59%,鐵棍山藥中總灰分與黏性多糖這兩個指標的含量與本實驗中鐵棍山藥測定的結果相似。由于本實驗淀粉采用的是干粉測定,周玥采用的是濕基測定,所以兩者淀粉含量相差較大,將本實驗中干粉的淀粉含量換算成濕基中淀粉含量約為15%～20%左右,與周玥的實驗結果相差不大。

2.2　山藥主要活性成分的含量分析

山藥多糖具有顯著的降血糖作用,高禹啟等人[19]研究發現山藥多糖能顯著降低小鼠的血糖、血脂,而且高劑量的山藥多糖降血糖、血脂效果更明顯。由圖1可知,山藥的多糖含量均在1%左右。長山細毛山藥中的多糖含量高于其余九種山藥,多糖含量為1.48%,其次是陳集山藥與大和長芋山藥,多糖含量分別為1.41%和1.35%。小白嘴山藥的多糖含量最低,為0.82%。這與馬建華[20]測定的5.56%的多糖含量相差較大,原因可能是提取過程中大量山藥淀粉溶出,采用硫酸苯酚法測定時會將析出的淀粉默認為多糖,而使測定結果大幅偏高,本實驗山藥多糖的提取采用的是酶解水提法,不僅消除了淀粉的干擾,也使多糖得到了充分的溶解和釋放,其結果應該更加接近樣品的真實含量。與其他品種相比,長山細毛山藥多糖含量最高。圖1同時也顯示了不同品種之間皂苷的含量,小白嘴山藥的皂苷含量最高,佛手山藥最低,分別為10.48、6.60 mg/g。

圖1　不同山藥品種中的多糖、皂苷含量Fig.1　The content of polysaccharide and saponin in different yam varieties

由圖2可知,山藥中多酚的含量在0.18～0.38 mg/g,多酚含量最高的是大和長芋山藥,其次是云南拉市海野生山藥和長山細毛山藥,分別為0.37、0.32 mg/g。多酚含量最低的是陳集山藥,含量為0.18 mg/g。李寧寧等人[21]在提取山藥多酚時測定山藥中多酚的含量為173.38 μg/mL,這與陳集山藥中多酚的含量近似。

圖2　不同山藥品種中的多酚含量Fig.2　The content of polyphenols in different yam varieties

表2　不同品種山藥淀粉消化性測定Table 2　Starch digestibility determination in different yam varieties

注：同列字母不同表示差異顯著(p<0.05)。

2.3　山藥淀粉的消化特性分析

根據消化時間不同,淀粉可分為快消化淀粉(RDS)、慢消化淀粉(SDS)和抗消化淀粉(RS)。這三種淀粉含量的多少決定了淀粉消化性的快慢,淀粉的消化性能直接決定著其被人體消化吸收利用的情況,消化率高,說明其被人體利用率高,容易轉化為被人體吸收的葡萄糖,為人體所用。在某種程度上,快消化淀粉含量過高,人體短時間內吸收的葡萄糖含量高,餐后血糖升高過快,不利用糖尿病人的身體健康;慢消化淀粉和抗性淀粉含量過高,餐后血糖上升緩慢,適宜糖尿病人。由表2可知,10種不同品種的山藥所含的快消化、慢消化、抗消化淀粉含量相差不多,其中快消化淀粉含量最高的是小白嘴山藥,含量為21.24%,慢消化淀粉最高的是溫縣壚土山藥,含量為9.80%,抗性淀粉含量最高的是長山細毛山藥,含量為75.01%。本研究中快消化淀粉、慢消化淀粉、抗性淀粉含量與賀永朝等人[22]的研究基本一致。對不同品種山藥樣品中快消化淀粉、慢消化淀粉、抗消化淀粉進行顯著性差異分析表明,不同品種山藥的快消化淀粉、慢消化淀粉、抗消化淀粉存在顯著性的差異(p<0.05)。

升糖指數反映了某種食物與葡萄糖相比升高血糖的速度和能力,是反映食物引起人體血糖升高程度的重要指標。當升糖指數升高過快,不利于糖尿病人的身體健康。一般升糖指數低于55的為低升糖指數食物,介于55～70之間的為中升糖指數食物,高于70的為高升糖指數食物[23]。由圖3可知,10種山藥的升糖指數均低于70,可以判定山藥為中升糖指數食物。山藥的升糖指數在55～61之間,云南拉市海野生山藥的體外升糖指數最高,為60.88,體外升糖指數最低的是佛手山藥,為55.41,其次是長山細毛山藥,為56.57。其他幾個山藥品種的升糖指數基本在57左右,升糖指數相差不大。

圖3　不同品種山藥體外升糖指數Fig.3　In vitro glycemic index in different yam cultivars

2.4　不同品種的山藥主成分分析

由于本研究中主要營養成分的單位與多酚和GI的單位不同,因此需先將各指標數據標準化,再進行主成分分析。主成分分析結果見表3、表4。

由表3可知,前5個主成分的特征值均大于1,其中第一主成分的方差貢獻率為30.54%,第二主成分的方差貢獻率為24.81%,第三主成分的方差貢獻率為19.18%,第四主成分的方差貢獻率為10.23%,第五主成分的方差貢獻率為8.92%,累積方差貢獻率為93.68%,滿足大于80%的原則,說明這五個主成分反應了原始變量的絕大部分信息。根據綜合評價的需要,采用前5個主成分來代替原來的12個指標變量。

表3　主成分的初始特征值及累計貢獻率Table 3　The initial eigenvalue and cumulative contribution of the principal component

表4　山藥各品質指標的主成分載荷Table 4　Principal component loading matrix of yam quality indexes

主成分的載荷系數絕對值越接近1,得到的主成分越能更好的解釋和命名變量。由表4可知,第一主成分主要以快消化淀粉、多糖、皂苷、淀粉的影響為主,其次是直鏈淀粉,說明在第一個主成分中主要反映了這5個指標的信息;第二主成分主要以抗性淀粉、脂肪、灰分為主,其次是慢消化淀粉、水分;第三主成分主要以慢消化淀粉為主;第四主成分主要以水分為主,其次是脂肪和直鏈淀粉;第五主成分主要以GI為主。根據各主成分的貢獻率,說明對山藥品質影響最大的是多糖含量、皂苷含量、快消化淀粉含量、直鏈淀粉含量。

表5　10個山藥品種的主成分得分及排序Table 5　Principal component scores and rankings of 10 yam cultivars

2.5　山藥品質的綜合評判

根據表4中各主成分載荷系數除以主成分相對應的特征值開平方根,可以得到5個主成分中每個指標所對應的系數(特征向量),從而得到各主成分表達式,結果如下,ZX1～ZX12分別表示各原始指標變量經過標準化處理后的數值。

Y1=0.379ZX1+0.307ZX2-0.388ZX3+0.204ZX4-0.482ZX5+0.202ZX6-0.096ZX7+0.006ZX8+0.319ZX9-0.010ZX10+0.368ZX11+0.228ZX12

Y2=-0.036ZX1+0.281ZX2-0.044ZX3+0.421ZX4-0.029ZX5-0.361ZX6-0.430ZX7+0.423ZX8-0.058ZX9+0.359ZX10-0.308ZX11-0.110ZX12

Y3=0.160ZX1+0.288ZX2+0.372ZX3-0.354ZX4-0.093ZX5+0.402ZX6-0.235ZX7+0.304ZX8-0.394ZX9-0.039ZX10-0.115ZX11+0.373ZX12

Y4=0.209ZX1+0.201ZX2-0.036ZX3+0.004ZX4+0.061ZX5-0.053ZX6+0.430ZX7-0.230X8-0.417ZX9+0.681ZX10+0.176ZX11+0.011ZX12

Y5=-0.479ZX1+0.344ZX2+0.004ZX3+0.046ZX4+0.225ZX5-0.225ZX6-0.204ZX7-0.395ZX8+0.039ZX9-0.028ZX10+0.174ZX11+0.564ZX12

以各主成分的特征值占所提取主成分特征值之和的比例作為權重系數,建立主成分綜合得分模型:

Y=0.325Y1+0.266Y2+0.204Y3+0.109Y4+0.095Y5

根據主成分綜合得分模型可計算出各山藥品種的綜合得分值,根據得分進行排序,即可對不同品種山藥進行綜合評價比較,結果見表5。

從表5可以看出,第一主成分Y1值最高的是云南拉市海野生山藥,為3.112,其次是長山細毛山藥,為2.357;由表4可以看出,第一主成分中以快消化淀粉、多糖、皂苷、淀粉的影響為主,其次是直鏈淀粉,說明云南拉市海野生山藥和長山細毛山藥的多糖、直鏈淀粉含量較高,這與圖1和表1的結果相一致。在第二主成分Y2值最高的是長山細毛山藥,從表4可知,第二主成分主要以抗性淀粉、脂肪、灰分為主,說明長山細毛山藥的抗性淀粉含量較高,這與表2中的結果相一致。由于長山細毛山藥具有較高的多糖、直鏈淀粉以及抗性淀粉,從而使得它在第一與第二主成分上均有較大的載荷,最終導致其綜合得分為1.175,在10個山藥品種中綜合得分第一。

3　結論

不同品種、產地的山藥在營養成分含量、活性物質含量以及其消化特性上都存在一定的差異,本研究的主要目的在于利用主成分分析方法對10種山藥主栽品種進行品質評價分析,同時通過分析結果篩選出一種適合糖尿病人食用的山藥品種。通過主成分分析法提取了5個主成分,方差貢獻率分別為30.54%、24.81%、19.18%、10.23%、8.92%,累積貢獻率為93.68%,在分析結果的基礎上建立主成分綜合得分模型,主成分綜合得分最高的是長山細毛山藥,為1.175。第一主成分以快消化淀粉、多糖、皂苷、淀粉的影響為主,其次是直鏈淀粉,其中快消化淀粉、直鏈淀粉這兩個指標與餐后血糖有直接的關系,山藥多糖經實驗證明有較好的降血糖作用,直鏈淀粉可以減緩餐后血糖上升速度,篩選出來的長山細毛山藥第一主成分得分為2.357,表明這一品種有較高的多糖、直鏈淀粉以及抗性淀粉,可以作為一種適宜糖尿病人鮮食的山藥品種,同時可以對長山細毛山藥進行精加工可以作為生產糖尿病人專用主食的一種原料。

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