基于主成分和聚類分析評價山東地區生姜品質

譚金霞，李萌，韓太利，孫繼峰，宋銀行，周陸紅

（濰坊市農業科學院，山東 濰坊 261071）

生姜又名地辛、百辣云，具有發汗解表、化痰止咳等功效，其用途十分廣泛，既是日常生活中一種經常食用的香辛調味料，也是集食用兼藥用于一體的一種藥食同源作物[1]。我國自古以來也有“生姜治百病”的說法，生姜深受老百姓的喜愛。生姜因其獨特的風味和特殊的利用價值，需求量正隨著人們生活水平的提高和深加工產品的多樣化而逐年增加，現已發展成一種重要的經濟作物，在我國多地廣泛種植。據統計，2018年我國的生姜種植面積已達29.3萬公頃，其中山東省的種植面積是7.19萬公頃，總產量達482.2萬噸，分別占全國的30.90%和51.41%，是全國最主要的生姜產地之一[2]。

生姜的功能性成分和營養物質豐富，其中姜辣素是其辛辣味道的主要呈味物質，姜黃素則是一種重要的天然色素，另外還含有蛋白質、可溶性糖以及纖維素等[3-5]。諸多研究表明，生姜中的有效成分具有抗氧化、抑菌、止嘔止吐、護肝、抗炎、抗腫瘤等多種功效，具有較高的藥用價值[6-11]。目前生姜的相關研究也主要集中在藥理作用和成分提取等方面，而品質評價和加工特性方面的研究比較少。

生姜的地方品種繁多，其營養成分和加工特性也有所不同。為了研究山東地區生姜品種間的差異，本課題組對12個生姜品種進行了粗蛋白、粗纖維、干物質、可溶性糖、6-姜酚、8-姜酚、10-姜酚、6-姜烯酚和姜黃素等9種成分的含量測定，并通過主成分分析和聚類分析進行品種間的品質評價，以期為生姜品質評價和深加工產品的品種選擇提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

供試生姜品種共計12份，分別包括昌邑娃娃姜、昌邑生姜、昌邑黃姜、昌邑緬姜、昌邑小姜、安丘大姜、安丘黃姜、安丘小姜、萊蕪娃娃姜、萊蕪緬姜、萊蕪小姜和沂水小姜。

6-姜酚標品、8-姜酚標品、6-姜烯酚標品、10-姜酚標品、姜黃素標品：上海安譜實驗科技股份有限公司；其余試劑均為分析純：普天試劑公司。

UV-5100型紫外分光光度計：上海光譜儀器有限公司；12C00型高效液相色譜儀：美國Agilent公司；ATN-100型凱氏定氮儀：上海洪紀儀器設備有限公司；DHG-9240A型電熱恒溫鼓風干燥箱：上海精宏試驗設備有限公司；PX822ZH型電子分析天平：上海奧豪斯儀器有限公司。

1.2 試驗設計與方法

1.2.1 試驗設計

供試12份生姜品于2019年10月中上旬在濰坊市農業科學院試驗站進行采收，采后當天立即運回實驗室。之后挑選形狀整齊，大小均勻，無機械損傷的姜塊，進行混合取樣。取樣后一部分用液氮進行速凍并置于-20℃冰箱進行貯存，另一部分殺青（105℃，15 min）、烘干（65℃）、研磨、過篩（40目）后置于密封袋中貯存。樣品用于后續粗蛋白、粗纖維、干物質、可溶性糖、6-姜酚、8-姜酚、10-姜酚、6-姜烯酚、姜黃素等含量的測定。

1.2.2 試驗方法

粗蛋白含量采用凱氏定氮法，粗纖維含量采用過濾法測定[12]；干物質含量采用烘干法，可溶性含量采用蒽酮比色法測定[13]。

姜辣素（6-姜酚、8-姜酚、6-姜烯酚、10-姜酚）含量測定方法參考文獻[14]，采用高效液相色譜法，原材料采用干樣并過40目篩。色譜條件：Kromasil-C18柱（4.6 mm×250 mm，5 μm）；流動相為乙腈-0.1%的醋酸溶液，流速1.0 mL/min；檢測波長為275 nm；柱溫為30 ℃；進樣體積為 10 μL。

姜黃素含量測定方法參考文獻[15]，采用高效液相色譜法，原材料采用干樣并過40目篩。色譜條件：Ultimate XB-C18 柱（100 mm×4.6 mm，3 μm）；流動相為乙腈-4%冰乙酸溶液，流速0.8 mL/min；檢測波長為430 nm；柱溫為35℃；進樣體積為5 μL。

1.3 數據處理

采用Excel軟件進行數據統計與整理，采用IBM SPSS 22軟件進行差異顯著性、相關性、主成分和聚類分析，綜合評價各品種生姜品質。

2 結果與分析

2.1 生姜的各成分含量

生姜主要品質指標統計分析見表1。

表1 生姜主要品質指標統計分析Table 1 Date analysis of main quality indicators of gingers

從表1中可以看出，不同品種生姜的各成分含量均有差異。以6-姜烯酚、10-姜酚、8-姜酚、6-姜酚的變異系數較大，這4種成分均是姜辣味的呈味物質，說明山東地區這12個品種的辣味差別較為明顯，品種間變異程度較大。4種姜辣素中，6-姜酚的含量最高，在6.92 mg/g～14.59 mg/g之間，平均值是8.82 mg/g。其次是6-姜烯酚、10-姜酚和8-姜酚，含量分別是0.69mg/g～3.15 mg/g，0.67 mg/g～1.65 mg/g 和 0.68 mg/g～1.55 mg/g?？扇苄蕴堑淖儺愊禂凳?0.89%，說明品種間含量差異也較大，在4.57 mg/g～9.82 mg/g之間。以粗蛋白、粗纖維和姜黃素這3種成分的變異系數小，數據離散程度小，說明這3種成分在山東地區12個品種間的含量差異較小。

不同生姜品種的營養物質含量分析見表2。

表2 不同生姜品種的營養物質含量分析Table 2 Analysis of nutrient content of different ginger varieties

由表2可知，粗蛋白含量較高的是安丘大姜、沂水小姜、昌邑生姜、萊蕪娃娃姜、昌邑娃娃姜和安丘黃姜，且品種間不存在顯著性差異。粗纖維含量較高的有昌邑生姜、安丘大姜、萊蕪小姜、沂水小姜、昌邑娃娃姜和萊蕪緬姜，5個品種間不存在顯著性差異，昌邑黃姜的粗纖維含量顯著低于其它品種。昌邑生姜和萊蕪娃娃姜的姜黃素含量顯著高于其它品種。昌邑黃姜的干物質含量顯著高于其它品種，昌邑生姜的6-姜酚和8-姜酚含量顯著高于其它品種。6-姜烯酚含量最高的是沂水小姜，10-姜酚含量最高的是萊蕪娃娃姜，均顯著高于其它品種。萊蕪緬姜的可溶性糖含量最高，顯著高于其它品種，其次是沂水小姜。各成分含量在12個生姜品種間均存在不同程度的差異，說明品種間綜合品質較難比較，因此需要對其進行綜合評價。

本研究對12個生姜品種的9種成分含量進行測定，粗蛋白、粗纖維、干物質及可溶性糖含量范圍與高德民等[16]的研究結果一致（粗蛋白6.25%～10.8%，粗纖維3.95%～6.17%，可溶性糖6.97%～22.5%），具體含量可能因品種而有所不同。田紅梅等[17]也對生姜地方資源品質進行了比較研究，發現由于氣候、土壤等條件不一致使得生姜品質不同。本試驗將收集到的生姜品種統一種植在農科院試驗站，排除光照、土壤和氣候等條件的干擾，品質差異主要來源于品種不同，也可為之后本地區生姜品種的選育提供依據。有研究表明[2]，6-姜酚是姜辣素中主要組成成分，占姜辣素含量的75%，姜烯酚中含量最高的是6-姜烯酚。且本研究中安丘大姜的姜辣素含量相較于小姜品種是較低的，這與之前研究中小姜品種辛辣味較濃的結論一致[2]。

2.2 生姜品種各成分間的相關性分析

生姜品種各指標的相關性分析見表3。由表3可知，粗蛋白與粗纖維、姜黃素極顯著正相關，與干物質極顯著負相關，與6-姜烯酚顯著正相關。粗纖維與干物質和姜黃素分別極顯著負相關和極顯著正相關，與6-姜烯酚顯著正相關。干物質與姜黃素顯著負相關，與6-姜烯酚極顯著負相關。姜黃素與10-姜酚極顯著正相關。6-姜酚與8-姜酚、6-姜烯酚分別極顯著正相關和顯著負相關。8-姜酚與10-姜酚極顯著正相關，與6-姜烯酚顯著負相關。相關性分析結果顯示，各指標間存在不同程度的相關性，且生姜營養成分豐富，因此僅以某一種指標來評價生姜品質是不合理的，可能會導致結果出現偏差。

表3 生姜各指標間的相關性分析Table 3 Correlation analysis of main indicators of different ginger varieties

2.3 生姜品種綜合性狀的主成分分析及綜合評價

主成分分析法是一種降維的統計分析方法，可以將多種指標轉化為少數不相關的幾種指標。農產品品質評價的相關研究大多采用主成分分析法[18-20]。為了提高評價結果的可靠性，采用主成分分析法將眾多具有一定相關性的指標重新組合成一組新的互相無關聯的綜合指標，再用新的綜合指標對12個生姜品種的品質進行綜合評價。對12種生姜品種的9種成分含量進行Bartlett's球狀檢驗，結果表明顯著性值為0.001（P<0.05），說明本研究可以采用主成分分析法[21]。生姜主成分的特征值、累積貢獻率和成分載荷矩陣分析見表4。

表4 主成分的特征值、累積貢獻率和成分載荷矩陣Table 4 Eigenvalues，contributions and components matrix of principal components

生姜主成分分析碎石圖見圖1。

圖1 主成分分析碎石圖Fig.1 Screen plot of principal component analysis

從表4和圖1中可以看出，特征值大于1.00的前3個主成分累積貢獻率達88.32%，說明前3個主成分已能將所測定生姜品種主要品質性狀88.32%的信息反映出來，可選取前3個主成分作為評價12個生姜品種在山東地區表現的綜合指標[22]。第1主成分的特征值為4.04，貢獻率最高，為44.87%，主要代表粗蛋白、粗纖維、干物質及姜黃素，因此該因子可認為是內在品質因子。且粗蛋白、粗纖維和姜黃素呈現正向分布，干物質則呈現負向分布。第2主成分貢獻率為28.94%，包含了原始信息量的28.94%，其中6-姜酚和8-姜酚的載荷系數較大，且均呈現正向分布，可認為是姜辣素因子。第3主成分的貢獻率為14.51%，其中可溶性糖的載荷系數較大，呈正向分布，可認為是甜味因子。

根據各主成分特征值和方差貢獻率的不同，構建生姜品質綜合評價指數見表5。

表5 因子得分及果實品質綜合得分Table 5 Principal component scores and corresponding comprehensive quality scores

如表5所示，以山東地區12個生姜品種綜合品質指標來說，昌邑生姜、萊蕪娃娃姜和安丘大姜的得分較高，說明本研究中這3種的綜合品質較好。昌邑黃姜和昌邑緬姜的得分較低，說明其綜合品質較差，其它樣品品質居中。

2.4 聚類分析

生姜品質指標的原始數據較為離散，不易對生姜各類品質指標進行直觀評價。因此將品質指標數據進行標準化處理后，采用離差平方和法（Ward法）分別對三大主成分因子進行聚類分析，結果見圖2。

圖2 基于各主成分因子的聚類分析圖Fig.2 Quality cluster charter of the principal components

圖2（a）顯示，在歐氏距離為10時，可將12個生姜品種分為3類。其中昌邑娃娃姜、沂水小姜、安丘黃姜、昌邑生姜、安丘大姜、萊蕪娃娃姜的內在品質因子得分較高，表明其粗蛋白、粗纖維和姜黃素含量較高，干物質含量較低。昌邑黃姜的內在品質因子得分最低，其余品種居中。粗蛋白含量高的品種多適用于加工生姜蛋白制品，其提取物可用作乳化劑和添加劑。干物質含量高和粗纖維較少的品種則加工為腌漬和醬制產品比較合適[16，23]。姜黃素是一種純天然著色劑，無毒無害，且具有一定的抑菌和抗氧化作用[24]。姜黃素含量高的品種更適于提取特征活性成分，作為添加劑或生產功能性產品[25]。

圖2（b）顯示，在歐氏距離為10時，可將12個生姜品種分為3類。昌邑生姜的姜辣素因子得分最高，說明其6-姜酚和8-姜酚含量最高，為較高姜辣素含量品種。安丘小姜、萊蕪小姜、昌邑娃娃姜、沂水小姜、安丘黃姜、昌邑緬姜的姜辣素因子得分較低，說明6-姜酚和8-姜酚含量較低，其余品種居中。姜辣素可以作為天然抗氧化劑或添加劑加入到產品生產過程中，提高產品的營養品質，延長保質期[26]。姜辣素含量高的生姜品種還可直接作為原料，生產具有獨特辛辣味和功能性產品等[27]。

圖2（c）顯示，在歐氏距離為15時，可將12個生姜品種分為3類。其中昌邑黃姜、沂水小姜和萊蕪緬姜的可溶性糖含量較高，昌邑生姜和昌邑緬姜的可溶性糖含量最低，其余品種可溶性糖含量居中?？扇苄蕴呛扛叩钠贩N適用于加工成糖姜和姜脯等產品[23]。

綜上，昌邑生姜的干物質和可溶性糖含量較低，粗蛋白、粗纖維以及姜黃素含量較高，昌邑黃姜則剛好相反，同時昌邑黃姜和昌邑生姜的姜辣素含量（6-姜酚和8-姜酚）都較高。因此昌邑生姜可能更適用于提取特征活性成分和用于鮮食、調味等用途，昌邑黃姜則適于加工糖姜、姜片以及腌漬姜等產品；而昌邑緬姜的姜辣素和姜黃素含量較低，則不適合提取特征活性成分，其干物質含量較高且粗纖維少，適合加工腌漬和醬制姜產品；萊蕪緬姜和沂水小姜的可溶性糖含量較高，而其它因子含量并不很高，因此更適合加工糖姜和姜脯等產品；萊蕪娃娃姜和安丘黃姜的粗蛋白含量較高，適用于加工生姜蛋白類制品；另外萊蕪娃娃姜的姜黃素含量較高，適用于提取特征性活性成分；安丘大姜的粗纖維和粗蛋白含量相對較高，可以加工成姜粉等產品。

3 結論

本研究對山東地區12個生姜品種的9種成分含量進行測定，結果表明各成分間略有差異。采用主成分分析和聚類分析法對其進行品種間品質的綜合評價，最終選定粗蛋白、粗纖維、干物質和姜黃素作為第1主成分因子，6-姜酚和8-姜酚作為第2主成分因子，可溶性糖作為第3主成分因子，綜合以上品質指標來衡量12個生姜品種品質優劣。其中昌邑生姜、萊蕪娃娃姜和安丘大姜綜合品質較好，昌邑黃姜和昌邑緬姜的綜合品質較差，其它樣品綜合品質居中。進一步對三大主成分因子分別進行品種的聚類分析，可按照不同的食用方法和加工用途選擇所需要的品種。目前生姜多用于鮮食，出口貿易也主要是保鮮生姜，其產品附加值并不高。因此本研究可以為之后本地區不同生姜產品的品種選用提供理論依據，提高生姜利用率和產品附加值，并為生姜品質評價及綜合利用奠定基礎。