4種薯類食品多項指標的灰色模式識別分析

周利兵,侯守芳

(廣西科技師范學院 食品與生化工程學院,廣西 來賓 546199)

紅薯作為主要的農作物之一,紅薯是人們熟知的食物[1].紫薯中含有人體所需的多種氨基酸和礦物質元素[2].為準確地評價不同紫薯營養品質差異,測定9個品種紫薯的水分、淀粉、蛋白質、膳食纖維、花青素、總酚、類黃酮、維生素C、維生素B2營養成分指標[3].薯類食品含有蛋白質、人體必需的微量元素、膳食纖維等成分.本文選擇我國不同地區紅薯、山藥、葛根、紫薯4種薯類食品作為研究對象,建立4種薯類食品的多指標綜合評價體系.

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

選取我國不同地區紅薯、山藥、葛根、紫薯4種薯類食品作為分析樣本,4種薯類食品購于來賓市農貿市場,樣品均用研缽研細并過40目藥典篩.

HR-15BH系列燃燒熱測定實驗裝置、點火絲(鎳鉻絲)、壓片機(湖南長沙長興高教儀器設備開發有限公司);粉碎機(FW135型,天津市泰斯特儀器有限公司);FA200電子天平(上海舜宇恒平科學儀器有限公司);NETZSCH STA 2500熱重分析儀、坩堝(德國NETZSCH公司);SE206脂肪測定儀、F1600全自動纖維測定儀(濟南阿爾瓦儀器有限公司);AUY120萬分之一電子分析天平(島津公司);GZX-GF101-3-S干燥箱(上海滬粵明科學儀器有限公司);SX-4-10P馬弗爐(天津市泰斯特儀器有限公司).

苯甲酸(分析純,天津市科密歐化學試劑有限公司);2006003藥用膠囊(廣東生物有限公司)、石油醚(沸程30～60 ℃)、石油醚(沸程60～90 ℃)、濾袋,耐酸堿筆、水(三級水)、硫酸溶液 0.13 mol/L、氫氧化鉀溶液 0.23 mol/L、鹽酸溶液 0.5 mol/L,均為國產分析純.

1.2 各指標測定方法

薯品燃燒熱的測定利用氧彈量熱計測定燃燒熱,參閱文獻[4];熱重分析是在程序控溫和一定氣氛下,測量試樣的質量變化與溫度或時間關系的技術,熱重測定參閱文獻[5-6];脂肪測定參照《GB5009.6—2016食品安全國家標準食品中脂肪的測定》方法測定[7];灰分的測定參照《GB5009.4—2016食品安全國家標準食品中灰分的測定》方法測定;粗纖維測定參照《GBT5009.10—2003 植物類食品中粗纖維的測定》方法測定.每個樣品重復3次試驗(n=3,CV%<3%)

1.3 多指標綜合評價方法

構建我國不同地區紅薯、山藥、葛根、紫薯4種薯類食品燃燒熱、燃燒性(燃燒穩定性)、脂肪含量、灰分、粗纖維的多指標綜合分析的評價方法.

2 結果與討論

2.1 薯類食品燃燒熱的測定

根據實驗數據,繪制樣品紅薯燃燒熱測定曲線,重復3次實驗,雷諾溫度ΔT曲線圖(見圖1).樣品名稱：紅薯第一組實驗樣品.求得W卡=14 466.140 J/℃,Q膠囊=20 265.7760 J/g,點火絲質量 0.008 9 g,樣品質量為 0.254 2 g,空膠囊質量為 0.101 3 g,根據,Δm粗糧Qv=W卡ΔT-Q點火絲Δm點火絲-Q膠囊m膠囊,Qv紅薯=15 947.234 4 J/g.

同理,測定山藥、葛根、紫薯燃燒熱,重復3次試驗.

4種薯類食品燃燒熱見表1.由表1知,紅薯、山藥、葛根、紫薯4種薯類食品燃燒熱大小順序為：葛根>紅薯>山藥>紫薯.4種食品測試樣燃燒熱在 10 163.79～18 206.898 J/g 之間,CV%=2.35%～4.77%,其中葛根燃燒熱 18 206.90 J/g,能量最高,紫薯的燃燒熱為 10 163.79 J/g,能量相對較小.薯類食品的能量價值,在一定程度上也可從燃燒熱上反映出來,在薯類食品分類研究方面提供有力地科學依據.

圖1 紅薯雷諾溫度ΔT曲線圖表1 4種薯類食品燃燒熱(n=3)樣品名稱QV平均值/(J·g-1)CV紅薯15 592.962 50.023 5山藥12 805.900 70.024 9葛根18 206.897 50.047 7紫薯10 163.791 90.040 8

2.2 熱重分析

2.2.1 熱重分析結果

1) 紅薯熱重分析 紅薯的熱重、熱差曲線見圖2、圖3,熱重分析數據見表2.損失率為5.07%;溫度直至 411.5 ℃,損失率為63.77%;剩余樣品質量為22.36%.DTG曲線峰形的拐點分別為94.3和 305.9 ℃.放熱峰峰值為 120 ℃,溫度范圍為85.5～170.7 ℃,峰面積為 196.3 μVs[8].

表2 紅薯TG-DTG數據

2) 山藥熱重分析 山藥的熱重、熱差曲線見圖4、圖5,熱重分析數據見表3.損失率為6.5%;溫度至 393.0 ℃,損失率為63.65%;剩余樣品質量為20.3%.DTG曲線峰形的拐點分別為 95.9 ℃、297.4 ℃.山藥的DTA曲線峰值分別為 121.7 ℃和 238.7 ℃,溫度范圍分別為85.0～181.3 ℃ 和195.6～281.4 ℃,峰面積分別為 187.2 μVs 和 121.2 μVs.

圖2 紅薯熱重(TG)曲線、微商熱重(DTG)曲線

圖3 紅薯的熱差分析(DTA)曲線

圖4 山藥熱重(TG)曲線、微商熱重(DTG)曲線

圖5 山藥熱差分析(DTA)曲線

3) 葛根熱重分析 葛根的熱重、熱差曲線見圖6、圖7,熱重分析數據見表4.損失率為5.2%;溫度至 419.9 ℃,損失率為65.71%;剩余樣品質量為21.26%.DTG曲線峰形的拐點分別為 107.1和300.9 ℃.葛根的DTA曲線峰值分別為128.5和 240.9 ℃,溫度范圍分別為99.8～180.9 ℃ 和198.1～285.7 ℃,峰面積分別為89.0和 113.1 μVs.

圖6 葛根熱重(TG)曲線、微商熱重(DTG)曲線

圖7 葛根熱差分析(DTA)曲線

表4 葛根TG-DTG數據

4)紫薯熱重分析 紫薯的熱重見圖8、圖9和熱重分析數據見表5.損失率為4.58%;溫度至 407.7 ℃,損失率為62.26%;剩余樣品質量為24.69%.DTG曲線峰形的拐點分別為 125.4和303.5 ℃.

2.2.2 燃燒穩定性分析

根據4種薯類食品燃燒性參數數據構建燃燒熱多指標評價體系.熱重則是通過熱重分析儀研究食品顆粒在不同升溫速率中的燃燒特性指數,判斷食品的燃燒穩定性[9].本課題根據熵值法[10],采用EXCEL計算,紅薯、山藥、葛根、紫薯4種薯類食品F值為 0.349 2、0.556 0、0.486 4、0.398 6,4種食品燃燒穩定性排序為：山藥>葛根>紫薯>紅薯.這項研究為熱重分析方法研究薯類食品燃燒穩定性評價與研究提供有力地科學依據.

圖8 紫薯熱重(TG)曲線、微商熱重(DTG)曲線

圖9 紫薯熱差分析(DTA)曲線

表5 紫薯TG-DTG數據

2.3 脂肪、灰分、粗纖維的測定

4種薯類食品脂肪、灰分、粗纖維含量測定結果見表6.由表6 知,紅薯、山藥、葛根、紫薯4種薯類食品脂肪含量(%)大小順序為：葛根>紫薯>紅薯>山藥,灰分含量大小順序為：葛根>山藥>紅薯>紫薯,粗纖維含量大小順序為：紫薯>山藥>葛根>紅薯.4種食品測試樣脂肪含量在0.23%～0.48%之間,CV%<3%,其中葛根、紫薯脂肪含量0.45%左右,脂肪含量最高,紅薯、山藥脂肪含量0.3%左右.薯類食品的營養價值,在一定程度上也可從脂肪、灰分、粗纖維含量上反映出來.把脂肪、灰分、粗纖維含量作為評價食品營養的一個重要依據之一.

表6 4種薯類食品脂肪、灰分、粗纖維含量測定結果 (n=3,CV%<3%)

3 討論與結語

3.1 多指標分析綜合評價方法

根據灰色模式識別方法[11],構建我國不同地區紅薯、山藥、葛根、紫薯4種薯類食品多指標燃燒熱、燃燒性(燃燒穩定性)、脂肪含量、灰分、粗纖維含量多指標分析綜合評價方法,計算得到紅薯、山藥、葛根、紫薯4種薯類食品關聯度為 0.787 2、0.880 2、0.869 6、0.791 7.由多指標分析綜合評價結果知,我國不同地區紅薯、山藥、葛根、紫薯4種薯類食品多指標燃燒熱、燃燒性(燃燒穩定性)、脂肪含量、灰分、粗纖維含量的化學計量分析綜合評價如下：山藥>葛根>紫薯>紅薯.從燃燒熱、燃燒性(燃燒穩定性)、脂肪含量、灰分、粗纖維含量多指標分析綜合評價來看,山藥食品營養最高,葛根次之.

3.2 灰色關聯系數聚類分析

根據灰色關聯系數聚類分析文獻方法[12],構建我國不同地區紅薯、山藥、葛根、紫薯4種薯類食品多指標燃燒熱、燃燒性(燃燒穩定性)、脂肪含量、灰分、粗纖維含量多指標分析聚類分析圖.灰色關聯系數聚類分析樹圖見圖10.由圖10可見,根據我國不同地區紅薯、山藥、葛根、紫薯4種薯類食品多指標燃燒熱、燃燒性(燃燒穩定性)、脂肪含量、灰分、粗纖維含量灰色關聯系數聚類分析的樹形結果知,多指標分析聚類分析圖分為兩大類,一類為山藥、葛根,紫薯、紅薯為一類,通過灰色系統聚類分析可以尋找不同產地薯類食品間的性質的相類程度及親緣關系,可以幫助我們更好地根據食品多指標評價體系及從食品營養方面研究分類.

圖10 灰色關聯系數聚類分析的樹形圖

本文把薯類食品的熱值、差熱-熱重分析、脂肪含量、粗纖維以及灰分含量數據等指標通過灰色模式識別方法、灰色關聯系數聚類分析方法構建一個系統的多指標綜合評價體系,這項研究建立的多指標綜合評價體系為食品營養評價提供一種新思路,這項研究為大規模開發薯類食品資源以及分類研究提供有力地科學依據.