田朝杰，孫嬋嬋，陳寧，李佳慧，張民

(天津科技大學(xué) 食品科學(xué)與生物技術(shù)學(xué)院，天津，300457)

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主成分分析在蛋清蛋白基脂肪模擬物綜合評(píng)價(jià)中的應(yīng)用

田朝杰，孫嬋嬋，陳寧，李佳慧，張民*

(天津科技大學(xué) 食品科學(xué)與生物技術(shù)學(xué)院，天津，300457)

摘要為了科學(xué)、直觀的對(duì)蛋清蛋白基脂肪模擬物的品質(zhì)做出綜合評(píng)價(jià)，文中采用主成分分析法(principal components analysis，PCA)分析了不同條件對(duì)蛋清蛋白基脂肪模擬物的影響。研究了不同濕熱處理?xiàng)l件(濕熱溫度、濕熱時(shí)間)、原料添加量(蛋白添加量、蛋黃粉添加量)、蛋白分散液pH值和微粒化處理?xiàng)l件(剪切轉(zhuǎn)速、剪切時(shí)間)等因素條件對(duì)脂肪模擬物的感官指標(biāo)(保型性、細(xì)膩度、外觀、氣孔數(shù)、氣味)、物性指標(biāo)(硬度、稠度、內(nèi)聚性、黏性指數(shù))、粒徑及持水性的影響。通過計(jì)算綜合評(píng)分值篩選出綜合評(píng)價(jià)最高的制備工藝條件為：按照100 g/L及0.5 g/L的比例添加蛋清蛋白和蛋黃粉，充分混勻配制蛋白分散液，以檸檬酸調(diào)節(jié)pH值為3.5；置于75 ℃水浴中濕熱處理16 min；待4 ℃冷藏陳化24 h后，采用10 000 r/min的剪切轉(zhuǎn)速處理90 s, 得到持水能力較高、細(xì)膩均勻、產(chǎn)品物性與感官指標(biāo)與市售沙拉醬接近的蛋清蛋白基脂肪模擬物。

關(guān)鍵詞脂肪模擬物；主成分分析；蛋清蛋白；蛋黃粉

蛋白基脂肪模擬物一般以蛋白質(zhì)為主要原料，通過濕熱處理、冷藏陳化及微?；幚碇苽涞玫?。評(píng)價(jià)模擬物的指標(biāo)包括感官評(píng)價(jià)、物性評(píng)價(jià)、粒徑值、持水性、乳化能力、黏度、流變特性、色差分析等[1-2]，上述指標(biāo)之間通常都具有多重線性相關(guān)性，但現(xiàn)有的文獻(xiàn)報(bào)道一般只選取單個(gè)指標(biāo)，因而不能全面反應(yīng)脂肪模擬物的質(zhì)量。

主成分分析法(principal components analysis，PCA)，是利用降維的思想，把多個(gè)有一定相關(guān)性的變量轉(zhuǎn)化為幾個(gè)綜合指標(biāo)(主成分)的多元統(tǒng)計(jì)方法[3]。近年來，在生物性狀分析和產(chǎn)品品質(zhì)綜合分析中有較多的應(yīng)用[4-6]，但在食品產(chǎn)品工藝配方優(yōu)化中的應(yīng)用尚少。本文采用主成分分析法研究了不同處理?xiàng)l件對(duì)蛋清蛋白基脂肪模擬物的影響，建立綜合評(píng)價(jià)模型，以確定最優(yōu)工藝配方，并為類似研究提供方法上的借鑒。

1材料與方法

1.1材料與儀器

1.1.1材料

雞蛋蛋清蛋白(蛋白質(zhì)含量為84.45%)，北京九州天瑞科技有限公司；雞蛋蛋黃粉，河北同和生物制品有限公司；檸檬酸，鄭州泰伯貿(mào)易有限公司。

1.1.2儀器

高剪切均質(zhì)機(jī)(IKA T25)，德國(guó)；物理特性測(cè)定儀(TA-XT2i Stable Micro Systems)，英國(guó)；激光粒度儀(BT9300S)，中國(guó)丹東百特儀器公司。

1.2實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1蛋清蛋白基脂肪模擬物制備工藝

將蛋清蛋白粉及蛋黃粉充分混勻配制蛋白分散液；添加檸檬酸調(diào)節(jié)pH值，然后置于恒溫水浴條件下濕熱處理，使蛋白適度變性；將濕熱處理后的蛋白樣品于0～5 ℃條件下陳化24 h，以形成穩(wěn)定、柔軟的蛋白凝膠結(jié)構(gòu)；使用高速剪切機(jī)進(jìn)行微?；幚?，得到均勻(平均粒子直徑<10 μm)、潤(rùn)滑的乳狀液即為蛋清蛋白基脂肪模擬物。

1.2.2蛋清蛋白基脂肪模擬物感官評(píng)價(jià)

脂肪模擬物制備完成后，在冷藏放置24 h后進(jìn)行感官評(píng)價(jià)，選取10名有感官評(píng)價(jià)經(jīng)驗(yàn)并對(duì)沙拉醬產(chǎn)品了解的食品專業(yè)研究生按照感官評(píng)分表(表1)對(duì)各樣品保型性、細(xì)膩度、外觀、氣孔數(shù)及氣味逐一進(jìn)行打分，每項(xiàng)20分，總分100分。

1.2.3質(zhì)構(gòu)測(cè)定方法

脂肪模擬物制備完成后，在冷藏放置24 h后將樣品恢復(fù)至室溫進(jìn)行物性數(shù)據(jù)的測(cè)定，采用反擠壓方法，每個(gè)樣品測(cè)定3次[7]。測(cè)定條件為：測(cè)試前速度1.0 mm/s；測(cè)試速度1.0 mm/s；測(cè)試后速度10.0 mm/s；測(cè)試距離80 %；感應(yīng)力Auto～10.0 g；紀(jì)錄速率200 pps。

表1　感官評(píng)分表

1.2.4持水性測(cè)定

稱取20～40 g的脂肪模擬物加入到50 mL離心管中，在3 400 r/min下離心15 min中，取出用濾紙將表面水分吸干后稱重，按照公式(1)計(jì)算持水性[8]：

(1)

式中：m0，空離心管的質(zhì)量，g； m1,離心前裝有脂肪模擬物的離心管質(zhì)量，g；m2,離心去水分后離心管質(zhì)量，g。

1.2.5粒徑測(cè)定

粒徑測(cè)定采用百特激光粒度儀(BT9300S)進(jìn)行，使用超純水為分散相。由于樣品粒子呈正態(tài)分布，以中位徑(D50)代表樣品粒子大小。

1.2.6實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

以濕熱處理溫度，濕熱處理時(shí)間，蛋白分散液pH值，蛋白添加量，蛋黃粉添加量，剪切轉(zhuǎn)速及剪切時(shí)間為單因素，以感官評(píng)分、物性指標(biāo)、粒徑值(D50)及持水性為指標(biāo)，利用主成分分析方法將多元變量轉(zhuǎn)化成2個(gè)主成分進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。固定各因素值分別取濕熱溫度72 ℃、濕熱時(shí)間14 min、pH 3.5、蛋白添加量100 g/L、蛋黃粉添加量 1.5 g/L、剪切轉(zhuǎn)速 11 000 r/min、剪切時(shí)間9 s，各單因素試驗(yàn)條件見表2。

表2　不同因素試驗(yàn)條件

1.2.7數(shù)據(jù)分析和統(tǒng)計(jì)分析

采用主成分分析法(PCA)對(duì)11個(gè)變量(X1(硬度)、X2(稠度)、X3(內(nèi)聚性)、X4(黏性指數(shù))、X5(持水性)、X6(粒徑)、X7(保型性)、X8(細(xì)膩度)、X9(外觀)、X10(氣孔數(shù))、X11(氣味) )進(jìn)行分析[9]，共抽取2個(gè)主成分因子；根據(jù)主成分載荷矩陣以得到每個(gè)主成分與變量的相關(guān)關(guān)系式Ai和Bi，以各主成分相應(yīng)的方差貢獻(xiàn)率做為權(quán)重得公式Fi=λ1/(λ1+λ2)Ai+λ2/(λ1+λ2) Bii=1,2……7(λ1與λ2分別為每個(gè)因素試驗(yàn)條件計(jì)算的第一主成分與第二主成分方差貢獻(xiàn)率)，該方法避免了人為賦予權(quán)重造成的影響。根據(jù)輸出各因素下主成分綜合得分公式F，計(jì)算不同條件的綜合評(píng)分值。

2結(jié)果與分析

2.1濕熱處理?xiàng)l件對(duì)蛋清蛋白基脂肪模擬物的綜合評(píng)分影響

通過計(jì)算各溫度下2個(gè)主成分得分，并投影到因子1-因子2的二維坐標(biāo)上(如圖1-A所示)。在溫度較低時(shí)，第一、二主成分得分為負(fù)值；隨著溫度升高，兩個(gè)主成分得分逐漸變大，說明模擬物的質(zhì)地變硬、更粘稠細(xì)膩，保型性和持水能力提高，同時(shí)表面氣孔數(shù)變少、蛋腥味減弱，產(chǎn)品的總體接受度增大；當(dāng)溫度繼續(xù)升高，兩主成分得分變成負(fù)值，說明過高的處理溫度下得到模擬物的整體性狀變差，78 ℃以上的處理溫度不適宜制備蛋清蛋白基脂肪模擬物。輸出濕熱溫度下主成分綜合得分公式為：F1=0.324 674X1+0.270 265X2+0.291 182X3+0.322 689X4+0.048 174X5-0.110 434X6+0.156 905X7-0.003 267X8+0.049 456X9+0.201 301X10+0.224 020X11(Xi為標(biāo)準(zhǔn)化后的變量值)。

通過計(jì)算各濕熱時(shí)間下主成分得分，并投影到因子1-因子2的二維坐標(biāo)上如圖1-B所示。在加熱時(shí)間較短時(shí)，模擬物的第一二主成分得分為負(fù)值；隨著時(shí)間增大，2個(gè)主成分得分變?yōu)檎担f明一定程度上延長(zhǎng)處理時(shí)間，可使得模擬物產(chǎn)品與沙拉醬整體更接近；而當(dāng)處理時(shí)間繼續(xù)增大至18 min，2主成分得分開始變小，因此過度延長(zhǎng)處理時(shí)間制備的模擬物并不適宜用于模擬沙拉醬產(chǎn)品。輸出濕熱時(shí)間下主成分綜合得分公式為：F2=0.323 418X1+0.309 129X2+0.327 383X3+0.328 109X4-0.028 529X5-0.128 624X6+0.109 377X7-0.003 195X8+0.225 196X9+0.092 397X10+0.053 905X11(Xi為標(biāo)準(zhǔn)化后的指標(biāo)值)。

A：濕熱溫度各主成分得分在因子1—因子2 上的投影；B：濕熱時(shí)間各主成分得分在因子1—因子2 上的投影圖1　不同濕熱條件各主成分得分在因子1-因子2 上的投影Fig.1　Differentheat treatment of each principal component scores in the projection of the attribute factor 1-factor 2

2.2分散液pH對(duì)蛋清蛋白基脂肪模擬物的綜合評(píng)分影響

計(jì)算各pH下主成分得分投影到因子1-因子2的二維坐標(biāo)上如圖2所示。pH值為3.1時(shí)，兩主成分得分為正值；隨著pH值增大，第一主成分得分增大而第二主成分得分降低，說明提高pH值，可使得模擬物的質(zhì)地與沙拉醬產(chǎn)品更接近，粒子逐漸變小，持水能力上升，但模擬物的細(xì)膩度將受到影響，蛋腥味加重；而當(dāng)pH值升高至3.7，第一主成分得分變?yōu)樨?fù)值，第二主成分得分值經(jīng)過短暫的升高也趨于負(fù)值，說明此段pH條件下制備的蛋清蛋白基脂肪模擬物，其質(zhì)地變差，不適宜用于模擬沙拉醬產(chǎn)品。輸出pH條件下主成分綜合評(píng)分公式為：F3=0.290 012X1+0.233 842X2+0.254 048X3+0.241 850X4-0.071 174X5-0.290 788X6+0.238 063X7+ 0.008 728X8+0.227 443X9+0.264 555X10+0.188 269X11(Xi為標(biāo)準(zhǔn)化后的指標(biāo)值)。

圖2　不同pH條件各主成分得分在因子1-因子2 上的投影Fig.2　Different pH value of each principal component scores in the projection of the attribute factor 1-factor 2

2.3原料添加量對(duì)蛋清蛋白基脂肪模擬物的綜合評(píng)分影響

計(jì)算不同蛋白添加量下各主成分得分，并投影到因子1-因子2的二維坐標(biāo)上如圖3-A所示。在添加量為80 g/L時(shí)，模擬物的主成分得分為負(fù)值；隨著蛋清蛋白含量增大，2個(gè)主成分得分逐漸變?yōu)檎担f明一定程度上增加蛋白，可使得模擬物的質(zhì)地變硬、變黏稠，持水能力提高，產(chǎn)品與沙拉醬整體更接近；而當(dāng)添加增加至130 g/L時(shí)，兩主成分得分均變小，接近于0，說明過量地添加蛋清蛋白使得制備的脂肪模擬物其整體可接受度下降，不適宜用于模擬沙拉醬。輸出不同蛋白添加量下主成分綜合得分公式為：F4=0.290 038X1+0.256 300X2+0.293 718X3+0.306 687X4+ 0.170 691X5+0.123 381X6+0.154 167X7+ 0.011 421X8+0.094 008X9+0.252 257X10+0.180 059X11(Xi為標(biāo)準(zhǔn)化后的指標(biāo)值)。

將不同蛋黃粉添加量下各主成分得分投影到因子1-因子2的二維坐標(biāo)上如圖3-B所示。當(dāng)添加量為0.5 g/L時(shí)，兩主成分得分值均為正值；而添加量為1.0 g/L時(shí)，兩主成分變?yōu)樨?fù)值，可能由于蛋黃粉加入能提高蛋清蛋白的熱穩(wěn)定性，而該比例的蛋黃粉最大程度地提高了蛋白熱穩(wěn)定性，因形成的模擬物物理性狀最差；此后隨著蛋黃粉含量增大，第一主成分得分為正值，而第二主成分得分為負(fù)，說明一定程度上增加蛋黃粉的加入，可使得模擬物的質(zhì)地變黏稠，保型性和持水能力提高，同時(shí)表面氣孔數(shù)變少，模擬物產(chǎn)品與沙拉醬整體更接近。輸出不同蛋黃粉添加量主成分綜合得分公式為：F5=0.291 620X1+0.320 945X2+0.216 722X3+0.306 687X4+0.170 691X5+0.123 381X6+0.154 167X7+ 0.011 421X8+0.094 008X9+0.252 257X10+0.180 059X11(Xi為標(biāo)準(zhǔn)化后的指標(biāo)值)。

A-蛋白添加量主成分得分在因子1-因子2 的投影；B-蛋黃粉添加量主成分得分在因子1-因子2 的投影圖3　不同原料添加量各主成分得分在因子1-因子2 上的投影Fig.3 Different material addition amounts of each principal component scores in the projection of the attribute factor 1-factor 2

2.4微?；幚韺?duì)蛋清蛋白基脂肪模擬物的綜合評(píng)分影響

將不同剪切轉(zhuǎn)速下各主成分得分投影到因子1-因子2的二維坐標(biāo)上如圖4-A所示。在轉(zhuǎn)速較低時(shí)，模擬物的第一主成分得分為正值，第二主成分為負(fù)值；隨著轉(zhuǎn)速逐漸增大，2個(gè)主成分得分逐漸變?yōu)樨?fù)值，說明增大剪切力，使得模擬物的質(zhì)地變稀，產(chǎn)生較多的氣孔，蛋腥味加重，但模擬物也會(huì)變得更加細(xì)膩，持水能力提高；當(dāng)剪切力繼續(xù)增大至13 000 r/min，兩主成分得分均變大，說明此條件下制備的蛋清蛋白基脂肪模擬物，其質(zhì)構(gòu)特性及外觀與沙拉醬產(chǎn)品十分接近，但持水能力變得更差；隨后繼續(xù)增大剪切轉(zhuǎn)速，各主成分得分又開始下降，可能由于過高的轉(zhuǎn)速，將濕熱處理的蛋白凝膠破碎成很小的粒子，破壞了穩(wěn)定的分散體系，使得其產(chǎn)品質(zhì)地變差，并不適宜作為模擬物模擬沙拉醬產(chǎn)品。輸出不同剪切轉(zhuǎn)速下主成分綜合評(píng)分公式為：F6=0.277 179X1+ 0.310 097X2+0.305 141X3+0.307 884X4-0.290 952X5-0.209 501X6+0.228 716X7-0.017 991X8-0.215 116X9+0.257 060X10+0.102 939X11(Xi為標(biāo)準(zhǔn)化后的指標(biāo)值)。

將不同剪切時(shí)間下各主成分得分投影到因子1-因子2的二維坐標(biāo)上如圖4-B所示。

A-剪切轉(zhuǎn)速各主成分得分在因子1-因子2 上的投影；B-剪切時(shí)間各主成分得分在因子1-因子2 上的投影圖4　不同微?；瘲l件各主成分得分在因子1-因子2上的投影Fig.4　Different microparticulation conditions of each principal component scores in the projection of the attribute factor 1-factor 2

剪切時(shí)間時(shí)，主成分為負(fù)值、第二主成分為正，可能由于微?；幚頃r(shí)間較短，模擬物的質(zhì)地過硬，同時(shí)產(chǎn)品不夠細(xì)膩，外觀粗糙，持水能力較差；隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，在處理時(shí)間為90 s時(shí)，2個(gè)主成分得分逐漸變大，說明一定程度上延長(zhǎng)處理時(shí)間，可使得模擬物的質(zhì)地變軟、變黏稠，持水能力提高，細(xì)膩度及外觀水潤(rùn)度增加，模擬物產(chǎn)品與沙拉醬整體更加接近；而當(dāng)處理時(shí)間繼續(xù)增大，兩主成分得分均變小，說明過度延長(zhǎng)處理時(shí)間制備的蛋清蛋白基脂肪模擬物，雖然表面更加細(xì)膩水潤(rùn)，但并不適宜用于模擬沙拉醬產(chǎn)品。輸出不同剪切時(shí)間下綜合評(píng)分公式為：F7=0.274 834X1+0.255 129X2+0.308 398X3+0.325 518X4+0.192 313X5+0.007 483X6+0.193 002X7-0.001 911X8+0.037 387X9+0.280 444X10+0.056 283X11(Xi為標(biāo)準(zhǔn)化后的指標(biāo)值)。

2.5蛋清蛋白基脂肪模擬物最優(yōu)處理工藝的篩選

將不同處理?xiàng)l件輸出的2個(gè)主成分特征根及貢獻(xiàn)率進(jìn)行匯總得表3。

表3　不同因素下各主成分特征根和貢獻(xiàn)率

由表3可知，前2個(gè)主成分至少解釋了全部方差的79.08%，即包含原始數(shù)據(jù)的信息總量達(dá)到79.08%，這說明對(duì)每個(gè)處理因素提取2個(gè)主成分可以代表原來的11個(gè)指標(biāo)評(píng)價(jià)蛋清蛋白基脂肪模擬物的品質(zhì)已經(jīng)有足夠的把握[10]。以各主成分的方差貢獻(xiàn)率為權(quán)重輸出綜合評(píng)分公式。由于采用不同原料制作不同用途的脂肪模擬物，其各個(gè)指標(biāo)對(duì)產(chǎn)品最終的品質(zhì)影響不確定，若人為設(shè)定權(quán)重則不能更客觀的反映實(shí)際情況，因此在研究類似不容易確定權(quán)重的數(shù)據(jù)中，采用主成分綜合評(píng)價(jià)法處理的結(jié)果能夠比主觀賦權(quán)或模糊評(píng)判更加合理[11]。

同時(shí)根據(jù)綜合評(píng)分公式F1-F7計(jì)算綜合評(píng)分值并排序[12](表4)，蛋清蛋白基脂肪模擬物綜合評(píng)價(jià)最高的處理?xiàng)l件為：溫度75 ℃，濕熱時(shí)間16 min，分散液pH 3.5，蛋清蛋白添加量100 g/L，蛋黃粉添加量0.5 g/L，剪切轉(zhuǎn)速10 000 r/min，剪切時(shí)間90 s。

表4　不同水平處理?xiàng)l件的綜合評(píng)分排名

按照最佳處理?xiàng)l件制備蛋清蛋白基脂肪模擬物，并將所測(cè)指標(biāo)與各單因素最佳條件對(duì)比如表5所示。

表5　不同處理?xiàng)l件脂肪模擬物的指標(biāo)數(shù)據(jù)

注：同列大寫字母不同表示有極顯著性差異，P<0.01；同列小寫字母不同表示有顯著性差異，P<0.05；同列無字母標(biāo)注表示相互之間無顯著性差異。

根據(jù)市售全脂沙拉醬的物性測(cè)定結(jié)果：硬度值的范圍是(159.51，267.60)、稠度值的范圍為(5 260.84，8 364.64)、內(nèi)聚性值的范圍為(186.06，342.65)、 黏性指數(shù)的范圍為(609.62，1 011.03)，優(yōu)化工藝所得物性指標(biāo)均處于沙拉醬物性測(cè)定范圍，說明最佳處理?xiàng)l件下制備得到的脂肪模擬物與市售沙拉醬的質(zhì)地非常接近。其粒徑、持水能力與感官評(píng)價(jià)雖然相對(duì)于單因素結(jié)果差異性不大，但就數(shù)值而言，組合工藝所得持水力與感官評(píng)價(jià)結(jié)果均處于較高水平；同時(shí)粒徑數(shù)值較低。這說明采用主成分綜合評(píng)價(jià)法得到最佳的蛋清蛋白基脂肪模擬物的處理工藝客觀可行，按照此條件制備的脂肪模擬物不僅具有與市售沙拉醬非常接近的質(zhì)地，同時(shí)微?；牧Ｗ泳鶆蚣?xì)膩并能很好的保持水分，感官可接受度較高。

3結(jié)論

采用主成分分析法從11個(gè)變量中提取出2個(gè)主成分計(jì)算各因素水平的綜合評(píng)分值，篩選出綜合評(píng)價(jià)最高的制備工藝條件：按照100 g/L及0.5 g/L的比例添加蛋清蛋白和蛋黃粉，充分混勻配制蛋白分散液，以檸檬酸調(diào)節(jié)pH值為3.5；置于75 ℃水浴中濕熱處理16 min；待4 ℃冷藏陳化24 h后，采用10 000 r/min的剪切轉(zhuǎn)速處理90 s即可得到持水能力較高、細(xì)膩均勻、產(chǎn)品物性與感官指標(biāo)與市售沙拉醬接近的蛋清蛋白基脂肪模擬物。該方法可以更科學(xué)、直觀的評(píng)價(jià)蛋清蛋白基脂肪模擬物的品質(zhì)，同時(shí)為脂肪模擬物的綜合評(píng)價(jià)提供了方法參考。然而單個(gè)條件對(duì)各個(gè)指標(biāo)的影響只是初探，最佳組合需在后續(xù)工藝中優(yōu)化得出，此過程為后續(xù)的研究提供了理論依據(jù)。

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The application of principal component analysis in comprehensive evaluation of egg white protein based fat mimetic

TIAN Zhao-jie, SUN Chan-chan, CHEN Ning, LI Jia-hui, ZHANG Min*

(College of Food Science and Biotechnology, Tianjin University of Science and Technology, Tianjin 300457, China)

ABSTRACTIn order to evaluate egg white protein based fat mimetic scientifically and intuitively, the effects of temperature, damp heat time, the amount of protein and egg yolk powder addition, protein dispersion pH value, shear speed and shearing time on quality of egg white protein based fat mimetic were observed by the methods of sensory evaluation (the type, delicate degree, appearance, number of stomata, smell), texture evaluation (hardness, consistency, cohesiveness, index of viscosity), and so on. The results were analyzed using a method of principal component analysis. The results showed that the optimal parameters were that the mixture of 0.5 g/L of egg yolk powder and 100 g/L of egg white protein were sheared under 10 000 r/min for 90 s after heated at 75 ℃ for 16 min under pH 3.5.

Key wordsfat mimetic; principal component analysis; egg white protein; egg yolk powder

收稿日期：2015-06-01，改回日期：2015-11-03

基金項(xiàng)目：國(guó)家高新科技研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)(2013AA102204)資助

DOI:10.13995/j.cnki.11-1802/ts.201604013

第一作者：碩士研究生(張民教授為通訊作者，E-mail:zm0102@tust.edu.cn)。