基于主成分分析算法的市售南极磷虾油<p>品质分析模型构建</p><p><br/></p>

南方农业学报JournalofSouthernAgriculture2020，51（09）：2227-22359期2095-1191；ISSNCODENNNXAABhttp://www.nfnyxb.com·2227·DOI：10.3969/j.issn.2095-1191.2020.09.023基于主成分分析算法的市售南极磷虾油

品质分析模型构建

2

侯钟令1，，朱兰兰3*，周德庆1，苏

4

婷1，，孙伟红1，冷凯良1，苗钧魁1，刘小芳1

（1中国水产科学研究院黄海水产研究所，山东青岛

山东淄博

266071；2上海海洋大学食品学院，上海201306；3山东理工大学，

255000；4中国海洋大学食品科学与工程学院，山东青岛266003）

摘要：【目的】分析和评价市售南极磷虾油产品营养品质，为南极磷虾油的质量监管提供技术参考。【方法】对市售

18个南极磷虾油产品的功能性成分（4个指标）、挥发性风味物质（14个指标）和色泽（3个指标）进行检测分析，建立基于主成分分析（PCA）算法的南极磷虾油品质分析模型。【结果】通过PCA算法对功能性成分、挥发性风味物质和色泽3类指标进行数据降维至每类1个主成分指标，3个主成分指标的贡献率分别为93.23%、94.32%和95.49%，均能较好地代表对应多个指标的特征。建立了市售南极磷虾油产品品质的分析和对比模型，该模型包括三部分，分别为基于现有18个样品的基础模型、现有18个样品的品质指标基础数据库和实现数据库相关及PCA相关的Python程序模块。由模型分析可知，样品2和样品7的功能性成分指标相对于其余样品较为突出，18个样品的色泽和挥发性风味物质指标能够在模型中得到显著区分。【结论】建立的市售南极磷虾油产品品质分析和对比模型能够实现对南极磷虾油产品品质进行分析并与市售同类产品进行对比，且可在分析新样本时，通过基于Python的程序语言模块根据新样本对模型自身进行优化。

关键词：南极磷虾油；功能性成分；挥发性风味物质；色泽；主成分分析（PCA）；品质分析模型中图分类号：S986.1文献标志码：A文章编号：2095-1191（2020）09-2227-09

ConstructionofqualityanalysismodelofAntarctickrilloil

basedonprincipalcomponentanalysisalgorithm

24

HOUZhong-ling1，，ZHULan-lan3*，ZHOUDe-qing1，SUTing1，，SUNWei-hong1，

LENGKai-liang1，MIAOJun-kui1，LIUXiao-fang1

（1YellowSeaFisheriesResearchInstitute，ChineseAcademyofFisherySciences，Qingdao，Shandong266071，China；

23CollegeofFoodScience，ShanghaiOceanUniversity，Shanghai201306，China；ShandongUniversityofTechnology，

4

Zibo，Shandong255000，China；CollegeofFoodScienceandEngineering，OceanUniversityofChina，

Qingdao，Shandong266003，China）Abstract：【Objective】ToanalyzeandevaluatethenutritionalqualityofAntarctickrilloilproducts，andprovidetech-nicalreferencefortheproductionsupervisionofAntarctickrilloil.【Method】Thefunctionalcomponents（4indicators），

volatileflavorcompounds（14indicators）andcolor（3indicators）of18Antarctickrilloilproductsweredetectedandana-lyzed，andaprincipalcomponentanalysis（PCA）basedqualityanalysismodelwasestablished.【Result】ThethreesetsofindicatorswerereducedfrommultipleindicatorstooneprincipalcomponentindicatorthroughthePCAalgorithm.Thecontributionratesofthesethreeprincipalcomponentswere93.23%，94.32%and95.49%，whichcouldrepresentthecha-racteristicsofmultipleindicatorsofthecorrespondinggroup.ThemodelthatanalyzedandcomparedthequalityofAntarc-tickrilloilproductsonmarkethasbeenestablished.Themodelconsistedofthreeparts：thebasicmodelbasedontheexis-ting18samples，thequalityindexbasicdatabaseoftheexisting18samples，andthePythonprogrammoduletorealizeda-tabasecorrelationandPCAcorrelation.Accordingtothemodelanalysis，thefunctionalcomponentindexesofsample2andsample7weremoreprominentthanthoseoftheothersamples，andthecolorandvolatilematterindexesof18sam-plescouldbedistinguishedsignificantlyinthemodel.【Conclusion】ThemodelthatanalyzesandcomparesthequalityofAntarctickrilloilproductsonmarketcananalyzethequalityofAntarctickrilloilproductsandcomparewiththesameproductsonthemarket.Whenanalyzingnewsamples，themodelcanbeoptimizedbytheprogramlanguagemodulebasedonPythonaccordingtothenewsamples.

Keywords：Antarctickrilloil；functionalcomponents；volatileflavourcompounds；colorandlustre；principalcom-ponentanalysis（PCA）；qualityanalysismodelFoundationitem：NationalKeyResearchandDevelopmentProgramofChina（2018YFC1406805）；GeneralProgramofNationalNaturalScienceFoundationofChina（31571915）收稿日期：2020-05-12基金项目：国家重点研发计划项目（2018YFC1406805）；国家自然科学基金面上项目（31571915）作者简介：*为通讯作者，朱兰兰（1981-），博士，副教授，主要从事水产品加工与食品质量安全研究工作，E-mail：chinaxiaolan@

163.com。侯钟令（1995-），研究方向为水产品加工与食品质量安全，E-mail：houzhongling@foxmail.com

·2228·南方农业学报51卷0引言

【研究意义】南极磷虾（EuphausiasuperbaDa-na）是海洋中储量最大的单种生物之一，因富含氨基酸配比合理的蛋白质、结构优异的脂质、丰富多样的矿物质及多种活性成分（Watkinsetal.，2004；Tar-lingetal.，2006），其营养成分得到广泛关注和深入研究，资源开发利用潜力巨大。南极磷虾富含脂类，由于自身生理特性和捕捞时间等因素，南极磷虾中脂肪含量在10%~50%范围内变化（Godoyetal.，2014）。其中，不饱和脂肪酸约占南极磷虾脂肪总量的60%，二十二碳五烯酸（EPA）和二十二碳六烯酸DHA）含量可达28.9%（Phlegeretal.，2002），在海洋生物中亦处于较高水平。南极磷虾油具有一系列营养和保健功效，包括降血脂、降血糖、抗氧化、提高学习和记忆能力（Tandyetal.，2009；Fosshaugetal.，2011；刘云等，2011；Grimstadetal.，2012），商业开发和利用前景广阔，目前国内外南极磷虾油保健食品已上市，其功效得到了认可。磷脂是构成细胞膜的重要结构成分，南极磷虾油中的不饱和脂肪酸多以与磷脂结合的形态存在。正是这种磷脂型结构使得功能性成分更易通过细胞膜，提高生物利用效率。此外，磷虾油还富含营养价值和生物活性得到公认的虾青素，虾青素与磷脂结合，赋予了南极磷虾油较强的抗氧化性。因此，磷脂和虾青素是衡量南极磷虾油功能性的最重要指标，其含量与组成用以衡量产品的质量和功效；色泽和挥发性呈味物质指标是评价南极磷虾油产品的重要感官品质指标，对产品的等级区分具有重要意义，对产品综合品质的评价也有影响。因此，建立覆盖南极磷虾油产品多个品质指标、系统全面评价南极磷虾油产品品质的方法，可为南极磷虾油的生产监管提供技术参考，同时对于南极磷虾油的高值化利用有积极意义。【前人研究进展】目前，针对南极磷虾油品质评价的研究中，多见于分析南极磷虾油的功能成分。Burri等（2012）研究表明，南极磷虾油中富含磷脂，包括磷脂酰胆碱、溶血磷脂酰胆碱和磷脂酰乙醇胺等，占总脂肪的40%；孙来娣等（2013）测定了8个市售和自制南极磷虾油中的磷脂和虾青素，含量分别为315.0~528.3mg/g和151.46~1048.38mg/kg；阴法文等（2016）采用液相色谱—串联质谱法（HPLC-ESI-MS/MS）分析了南极磷虾油中磷脂酰胆碱和磷脂酰乙醇胺的种类，发现南极磷虾总脂中含有55种磷脂酰胆碱和32种磷脂酰乙醇胺；陈京美等（2017）、陈京美（2017）、刘志东等（2017）基于虾青素、磷脂等成分含量进行了不

同加工、贮藏方式下南极磷虾油品质的影响研究；苏

婷等（2018）分别采用薄层色谱法、钼蓝染色法和核磁共振法测定南极磷虾油中的磷脂，结果发现核磁共振法具有操作简单、准确性高且可准确区分不同种类磷脂的特点；谢丹（2019）开发了基于有机萃取的南极磷虾油提取工艺，并发现有机溶剂种类对南极磷虾油中磷脂组成比例无显著影响。对南极磷虾油的风味和色泽研究较少，赵泓博等（2018）使用电子鼻分析添加南极磷虾油的调和大豆油，发现南极磷虾油可为调和大豆油增加显著的虾肉味。近年来，基于传感器及数学模型分析的食品评价研究逐渐增加。一方面，新型仪器分析技术如电子鼻、电子舌、色差计和质构仪（林芳栋等，2009；徐吉祥和楚炎沛，2010；田晓静等，2015）为相关品质指标的量化提供了有力支持；另一方面，主成分分析（PCA）等算法在香气成分分析等方面（黄盼等，2020；薛友林等，2020；杨进军等，2020）有了一定的应用。【本研究切入点】当前对于南极磷虾油品质评价问题，一方面，研究者较多地关注功能性成分磷脂和虾青素等的含量，而对磷虾油色泽和风味指标关注较少；另一方面，无论是功能性成分、气味还是色泽，通常均需要使用较多的指标进行评价，而多个指标的评价虽然能更全面准确地评价产品品质，但显然会带来对比和描述复杂度的增加。基于此背景，PCA算法可将具有关联的一组多个指标降维至较少指标，在品质评价过程中有一定的应用潜力；Python是一门解释型、面向对象的计算机程序语言，在数理统计分析和科学运算领域，相对于传统的商业软件工具SPSS、MATLAB等，Python具有开源、易于维护、免费易用等优点（Gaoetal.，2013），其应用日益广泛。在食品相关领域的研究中，利用Python语言进行统计分析和模型构建的报道较少。【拟解决的关键问题】以PCA算法为基础、Python为工具，从功能性成分含量、挥发性风味物质和色泽3类指标，对市售南极磷虾油保健食品进行品质分析模型的构建，以期能以较少的数据维度替代多个参数对南极磷虾油产品品质进行评价，从而实现多因素协同分析南极磷虾油的营养品质，为相关产品的质量安全监管提供技术支持。

1材料与方法

1.1

试验材料

试验用南极磷虾油样品共18个，其中，样品1、样品2（胶囊）、样品4（软胶囊）、样品5（胶囊）、样品7（胶囊）、样品13（胶囊）、样品15（胶囊）和（（胶囊）9期侯钟令等：基于主成分分析算法的市售南极磷虾油品质分析模型构建

·2229·样品18（胶囊）为美国产品，样品3（软胶囊）、样品8（胶囊）和样品16（软胶囊）为德国产品，样品6（软胶囊）为英国产品，样品9（胶囊）为加拿大产品，样品10（夹心型凝胶糖果）、样品11（凝胶糖果）和样品14（凝胶糖果）为中国产品，样品12（胶囊）和样品17（软胶囊）为澳大利亚产品。所有样品经正规途径购入，且均来源于不同公司。95%乙醇、无水乙醇、正己烷、石油醚、丙酮、磷酸三甲酯和氘代氯仿等均为分析纯，购自国药集团化学试剂有限公司。主要仪器设备：BrukerAV500核磁共振波谱仪（德国布鲁克公司）、Milli-Q超纯水系统（美国Millipore公司）、UV1102Ⅱ紫外/可见分光光度计（上海天美科学仪器有限公司）、IsensoiNose电子鼻（上海瑞忿智能科技有限公司）和3NHNR3080色差仪（深圳三恩时公司）。1.2试验方法

1.2.1功能性成分含量测定

1.2.1.1核磁共振法定量磷脂检测参考邓冬艳等（2018）、苏婷（2018）的方法，确定基于核磁共振法的磷脂定量检测方法：称取磷酸三甲酯130.5mg，加入4mL氘代氯仿配成内标储备溶液待用。取约0.025g南极磷虾油加入900μL氘代氯仿复溶，加入内标储备溶液100μL，500W振荡/超声10min，过0.22μm滤膜，转移至5mm核磁管；在温度25℃、谱宽40000Hz、检测频率202.416MHz、脉冲宽度12.5μs、采集时间0.4s、延迟时间3.5s的条件下测定；代入下式计算：

Xa=Sa/S内标×n内标×M内标/m式中，Xa为组分a含量（mg/g）；Sa为组分a的峰面积；S内标为内标PMG的峰面积；n内标为内标PMG的摩尔量（mol）；M内标为组分a的摩尔质量（mg/mol）；m为虾油质量（g）。

1.2.1.2分光光度法测定虾青素含量称取约0.1g的南极磷虾油，反复用丙酮溶解至上清液基本无色，合并上清液，用丙酮定容至25mL，在474nm处测定其吸光值。根据下式计算虾青素含量：

x=（A×y×106）（/A0×100×m）式中，x为样品中所含的虾青素质量（μg/g）；y为样品溶液体积（mL）；A为样品溶液吸光值；A0为吸光系数，即在1cm光程长比色杯中1%（w/v）浓度溶质的理论吸收值，在此釆用值为2500。

1.2.2挥发性风味物质区分通过预试验确定相关参数，准确移取500μL南极磷虾油置于电子鼻仪器配套的玻璃样品瓶中，密封，25℃静置，顶空30min以上。电子鼻参数：气体流量1.0L/min，数据采集时间120s，间隔清洗时间300s。每个样品3组

平行，选取各传感器的稳定值进行分析。1.2.3

色泽测定

在相同、均匀且适宜的自然光

环境下，取适量南极磷虾油涂布于色差仪配套的标准白板上，并用配套的测试组件将液滴涂布为同一厚度。色度计经白场和黑场校正后，依次读取各样品基于CIEXYZ色空间的色值。1.3

统计分析

采用Excel2016进行原始数据记录及初步分析；利用电子鼻设备配套的SmartNose收集并初步处理电子鼻数据，对各产品进行区分；使用Python第三方发行版本Anaconda3-5.20（AnacondaInc.）进行PCA分析和建模操作，包含Python3.6.5、Numpy1.14.3、Matplotlib2.2.2、Pandas0.23.0及各前置包；使用SPSS22.0对Python各项分析结果进行验证。

2结果与分析

2.1

三类参数试验结果

2.1.1

磷脂和虾青素含量测定结果

对18个市售

南极磷虾油产品的磷脂和虾青素含量进行测定，结果如表1所示，在市售18个产品中，样品1、4、8、11、14和16有1~3种磷脂成分未检出；18个样品磷脂酰胆碱、磷脂酰乙醇胺、溶血磷脂酰胆碱、总磷脂和虾青素含量的相对标准偏差（RSD）为44.78%~97.62%，即磷脂组成和含量均差异较大，虾青素含量差异也较大，仅通过总磷脂和虾青素含量指标区分各成分，将会造成忽视各磷脂成分的结果，而将全部指标一一对比，又需要较繁琐的描述，这将增大品质描述的工作量。2.1.2电子鼻对南极磷虾油挥发性风味物质区分结果

使用SmartNose软件自带的PCA算法对18个

样品进行PCA分析，结果如图1所示。由图1可知，18个样品分布在坐标系的不同区域，鉴别指数（Dis-criminationindex，DI）为87.0%，表征18个样品在主成分图中分布无重叠；主成分1和主成分2的总贡献率为99.7%，且主成分1的贡献率达93.4%。说明电子鼻能将所测定的18个样品较好地区分，且主成分1的值大小能代表样品的风味物质特点。

根据上述结果导出18个样品的稳定值数据，基于电子鼻14个传感器的数据（表2），测定的18个样品在雷达图中形状较一致（图2）。虽然存在一定的细节差别，但参考表2的电子鼻不同传感器对应气味，仍然很难简洁地描述出不同产品气味方面的差异。2.1.3南极磷虾油样品色泽的测定结果18个南

极磷虾油产品色泽的测定结果如表3所示，样品的X、Y和Z色值的RSD分别为21.05%、27.18%和