层次分析法在烹调蔬菜营养评价中的应用

发布时间：2024-12-03 23:02

蔬菜水果颜色搭配的营养价值解析 #生活技巧# #饮食烹饪技巧# #营养配餐指南#

层次分析法在烹调蔬菜营养评价中的应用
Application of Analytic Hierarchy Process on Nutritional Evaluation of Cooked Vegetables

1. 引言

绿叶蔬菜不仅可提供维生素C、维生素B2、维生素K1、钾等营养素，还富含类胡萝卜素、类黄酮等保健成分，有利于预防多种慢性疾病 [1] [2] 。在我国，这类蔬菜一般在烹调之后食用，而烹调方法会对其中的营养素、植物化学物、抗营养物质和热量值产生一定影响。焯煮可能造成水溶性营养素的损失 [3] [4] ，但有利类胡萝卜素的保存和利用 [5] ；蒸制有利于保存水溶性营养成分，但去除草酸的效率较低 [6] ；油炒有利于多种抗氧化成分的保存 [7] ，但会引入较多脂肪，不利控制体重。仅考虑少数营养素和保健成分的变化，很难对营养价值整体进行综合评价。

营养素度量法(Nutrient Profiling系统)综合评价了食物中多种营养素的分布 [8] ，但不能反映各类人群对食物营养需求的差异性。层次分析法(Analytic Hierarchy Process, AHP)是Saaty等 [9] 在20世纪70年代提出的一种将定性与定量分析相结合的多准则决策分析法，可以针对不同人群的营养目标构建评分指标体系，并对多项指标进行综合评价，在管理科学与工程专业的应用已相当广泛，但在营养评价方面的应用国内外只有少数报道 [10] [11] 。

本研究拟用层次分析法设定两类营养目标，以菠菜(Spinacia oleracea L.)的不同烹调工艺为例，结合实际测定结果对层次分析法在食物烹饪营养综合评价中的应用价值进行探讨。

2. 材料与方法

2.1. 材料与仪器

新鲜菠菜(Spinacia oleracea L./夏播王F1-188杂交一代)于2015年秋季购自北京市金五星菜市场。

维生素K1(纯度 > 98%)、TRO、α-胡萝卜素(纯度 > 95%)、β-胡萝卜素(纯度 > 97%)、叶黄素(纯度 > 99%)为分析纯，Sigma公司；硫脲、2,4-二硝基苯肼、三水合乙酸钠、亚硝酸钠、硝酸钾、对氨基苯磺酸、盐酸萘乙二胺、磺基水杨酸、氯化钾、FeCl3·6H2O、抗坏血酸、福林-酚试剂、芦丁、香草醛、没食子酸、儿茶素为分析纯，北京化学试剂厂；甲醇、正己烷、乙腈为色谱纯，北京化学试剂厂。

LC-20AD高效液相色谱系统，日本岛津公司；Synergy多功能酶标仪，美国伯腾仪器有限公司；5200紫外分光光度计，上海元析仪器有限公司；SHA-B水浴恒温振荡器，国华公司；HD9120电蒸锅，荷兰飞利浦公司；汤锅，电磁炉等。

2.2. 试验方法

2.2.1. 蔬菜的烹调方法

将菠菜除去不可食部分并于流水下洗净后用纱布擦干多余水分，选择大小较为均匀的菠菜，自叶片与叶柄连接处切开。

1) 水焯处理。向汤锅中加入500 mL沸水，置于电磁炉上烧至水再次沸腾。然后将称好的50 g菠菜放于锅中，盖上锅盖。待水再度沸腾时，计时，烹调时间为0.5、1.0、2.0和3.0 min。到达规定时间后，迅速将菠菜从锅中夹出，冷却方法同汽蒸处理。

2) 汽蒸处理。将电蒸锅的水箱加至最大刻度(1.1 L)，称取预处理后的50 g样品于预热完毕的电蒸锅蒸架中后计时，烹调时间为3.0、4.5、6.0和7.5 min。到达规定时间后，迅速将样品取下，倒在下垫冰块的纱布上吸水冷却至室温。

热处理时用温度探头测定蔬菜的中心温度，均在99℃~100℃。将需要冷冻干燥的样品在冷至室温后立即切碎置于−40℃冰箱速冻24 h，然后置于真空冷冻干燥机中48 h至恒重。取冻干样品研磨成粉，密封后于−20℃冰箱中保存待用。

2.2.2. 蔬菜中营养相关成分的测定

维生素C的测定参考《GB/T5009.86~2003蔬菜、水果及其制品中总抗坏血酸的测定(荧光法和2,4-二硝基苯肼法)》中的2,4-二硝基苯肼法 [12] ；维生素K1的测定参考《GB/T5009.158~2003蔬菜中维生素K1的测定》 [13] ；类胡萝卜素的测定参考Gutautis [14] 的方法；硝酸盐和亚硝酸盐的测定参考《GB/T5009.33~2010食品中亚硝酸盐与硝酸盐的测定》 [15] ；总草酸的测定参考段丽珍等 [16] 的方法；总单宁的测定采用香草醛-甲醇法 [17] ，质量分数以单宁酸当量表示，mg/100 g；总多酚的测定采用福林-酚法 [18] ，质量分数以没食子酸当量表示，mg/100 g。

各营养相关成分均进行3次平行测定，并进行3次重复测定。

2.2.3. 蔬菜在烹调过程中体积变化的测定

采用液体溢出法。取一烧杯放入玻璃培养皿中，在烧杯中倒入蒸馏水至水面刚刚不溢出。每次烹调处理前后，分别将擦干生样和烹调菠菜上的水，将其缓慢放入盛满水的烧杯中，然后用量筒称量皿中溢出水的体积。计算烹调菠菜与菠菜生样的体积比(V/V)。进行3次平行测定，3次重复测定。

2.2.4. 通过层次分析法建立烹蔬菜营养评价的分层结构模型

1) 构造层次分析结构

蔬菜烹调营养评价的分层结构模型自上而下分为3个层次：目标层(A层)、中间因素层(含子层B和C)和方案层(D层)。

a) 目标层(A层)。目标层即烹调蔬菜最终的营养目标。本研究以两类典型人群为营养目标：第一类是其消化功能正常的一般健康人群(A1)，这类人群的营养目标是通过每日摄入足量绿叶蔬菜来获得均衡全面的营养素和保健成分，从而预防肥胖、心脑血管病、糖尿病慢性疾病的发生 [19] 。目前这类人群所占比例较高。第二类为消化功能较弱的人群，包括营养不良的老年人、幼儿、胃肠疾病患者、其他病弱人群等(A2)，这类人群患心脑血管疾病的风险较低，对抗氧化物质的需求较小，摄入蔬菜的主要目标是预防营养素摄入不足 [20] ；而蔬菜中过多的膳食纤维、草酸和单宁等妨碍营养素吸收利用的物质可能对这类人群产生一些负面影响。

b) 中间因素层(B和C层)。中间因素层即基于最终营养目标的相关健康成分。其中B层分为“可提供基本营养的成分(B1)”、“补充增加的活性成分(B2)”和“需要控制的不利成分(B3)”三种情形。C层为蔬菜中与心脑血管疾病预防有关的主要生物活性物质及主要的抗营养因子，如膳食纤维(C1)、维生素C(C2)、维生素K1(C3)等。

c) 方案层(D层)。方案层为蔬菜的处理方式，即上文中提到的水焯和汽蒸两种烹调方法。

2) 构造判断矩阵

层次分析结构模型建立后，通过各层中因素之间进行两两比较，构造判断矩阵。对于n个元素来说，

其判断矩阵 A=(aij)n×n" role="presentation">A=(aij)n×n ，其中aij表示因素Xi与Xj比较时的重要比值。本研究中用到的判断矩阵的形式为：

A=[a11a12⋯a1na21a22⋯a2n⋮⋮⋱⋮an1an2⋯ann]" role="presentation">A=[a11a12⋯a1na21a22⋯a2n⋮⋮⋱⋮an1an2⋯ann]

3) 各层次赋值权重

判断矩阵构造后，需要对各层因素的权重赋值。设A层的权重为1，B和C层采用Delphi专家问询法 [21] 赋值，D层采用实测营养成分结果进行赋值。

a) Delphi专家问询法赋值

要求12位营养与食品相关专家采用本研究设计的11点(−5~5)标度法对各因素的重要性进行打分(见表1)，根据所得结果对B和C层进行赋值。

b) 营养成分测定结果赋值

将实验所测得的绿叶蔬菜中的营养成分含量对D层进行赋值，少数未测项目参考《中国食物营养成分表(2009)》 [22] 中的数值。

不同烹调方法不仅影响各营养相关成分含量，同时对体积也有影响。考虑到烹调后蔬菜质地变软、体积变小，便利人们摄入更多蔬菜，因此假定每种烹调方式食用蔬菜的总体积一致，再对D层因素进行赋值，故需根据烹调后C层因素的成分保存率与烹调体积变化率的比值进行校正。

标度含义

Scaling meaning

标度值

Scale value

该因素极显著有利于健康：蔬菜是其最主要来源，且该因素受烹调影响不大

该因素显著有利于健康：蔬菜是其较主要来源，且该因素受烹调影响不大

该因素很有利于健康：蔬菜是其较主要来源，但该因素受烹调有一定影响

该因素比较有利于健康：蔬菜含有该因素但不是主要来源，但该因素受烹调影响不大

该因素略微有利于健康：蔬菜含有该因素但不是主要来源，且该因素受烹调有一定影响

该因素对健康没有影响

该因素略微不利于健康：蔬菜含有该因素但不是主要来源，且该因素受烹调有一定影响

−1

该因素比较不利于健康：蔬菜含有该因素但不是主要来源，但该因素受烹调影响不大

−2

该因素很不利于健康：蔬菜是其较主要来源，但该因素受烹调有一定影响

−3

该因素显著不利于健康：蔬菜是其较主要来源，且该因素受烹调影响不大

−4

该因素极显著不利于健康：蔬菜是其最主要来源，且该因素受烹调影响不大

−5

Table 1. Definition of 11 points scale

表1. 11点标度及含义

4) 烹调蔬菜营养综合评分的计算

赋值完成后，先进行层次单排序，即计算出某层次因素相对于上一层次中某一因素的相对重要性。然后根据公式 [23] ：

W=∑i=1n(Ci×Pi)  (n=1,2,3,⋯,n)" role="presentation">W=∑i=1n(Ci×Pi) (n=1,2,3,⋯,n)

依次沿递阶层次结构由上而下逐层计算，得出层次总排序。

烹调菠菜对于预防慢性疾病的一般健康人群营养，总排序：

W1=∑ b1ci(i=1,2,⋯,8)+∑ b2ci(i=9,10,11)+∑ b3ci(i=12,13,14)" role="presentation">W1=∑ b1ci(i=1,2,⋯,8)+∑ b2ci(i=9,10,11)+∑ b3ci(i=12,13,14) (1-1)

烹调菠菜对于消化不良的特殊人群营养，总排序：

W2=∑ b1ci(i=1,2,⋯,8)+∑ b2ci(i=9,10,11)+∑ b3ci(i=1,12,13,14)" role="presentation">W2=∑ b1ci(i=1,2,⋯,8)+∑ b2ci(i=9,10,11)+∑ b3ci(i=1,12,13,14) (1-2)

2.3. 统计分析方法

蔬菜中营养成分测定结果采用SPSS 21.0软件进行处理，不同烹调处理的样品间差异采用单因素方差分析(one-way ANOVA)检验差异的显著性，以P < 0.05差异有统计学意义。采用yaahpV7软件建立分层结构模型。

3. 结果与分析

3.1. 烹调蔬菜营养评价的分层结构模型

针对预防慢性病且消化功能正常的一般健康人群(A1)建立的层次分析结构见图1。当A层所设的营养目标转为对于消化功能不良的人群(A2)时，C1因素“膳食纤维”同时从属于B1和B3。

3.2. 各层次判断矩阵及赋值结果

3.2.1. 判断矩阵构造结果

表2为经两两比较后的判断矩阵结果。用一致性指标(Consistency index, CI)检验各元素间的重要性次序是否存在逻辑混乱 [23] ，各矩阵偏离度CI < 0.1，一致性良好。

对于构造好的C层判断矩阵进行计算 [23] ，所得结果见表3。

3.2.2. 赋值结果

1) Delphi专家询问法赋值

对专家赋值权重结果进行分析，确定“烹调蔬菜营养价值评分体系”赋值权重，结果见表4。可见，

因素

Factor

以预防慢性疾病为目标

To prevent chronic diseases as the goal

以预防营养素不足为目标

To prevent nutrient deficiency as the goal

W = [ 0.4037 0.3761 0.2202 ] ， λ max = 3

W = [ 0.3981 0.3398 0.2621 ] ， λ max = 3

W = [ 0.1388 0.1222 0.1318 0.1158 0.1158 0.1254 0.1190 0.1383 ] ， λ max = 8

W = [ 0.1977 0.1306 0.1377 0.1165 0.1165 0.1236 0.1032 0.0741 ] ， λ max = 8

W = [ 0.4022 0.4239 0.1739 ] ， λ max = 3

W = [ 0.4595 0.4189 01216 ] ， λ max = 3

W = [ 0.5000 0.3214 0.1786 ] ， λ max = 3

W = [ 0.3053 0.3684 0.1053 0.2211 ] ， λ max = 4

Table 2. Judgment matrix results of A and B level factors

表2. A和B层判断矩阵结果

Table 3. Judgment matrix results of C level factors

表3. C层判断矩阵结果

因素

Factor

赋值

Evaluation

因素

Factor

赋值

Evaluation

因素

Factor

赋值

Evaluation

B1提供基本营养

4.4

4.1

B2增加活性成分

4.1

3.5

B3控制不利成分

−2.4

−2.7

C1膳食纤维

4.3

0.8

C9类胡萝卜素

3.7

3.4

C12亚硝酸盐

−2.8

−2.9

C2维生素C

3.7

3.9

C10多酚

3.9

3.1

C13草酸

−1.8

−3.5

C3维生素K1

3.9

3.5

C11硝酸盐

1.6

0.9

C14单宁

−1.0

C4维生素B2

4.1

4.2

C1膳食纤维

---

−2.1

C5叶酸

3.8

3.7

C6钾

4.1

3.6

C7钙

3.6

3.3

C8镁

3.6

3.3

Table 4. Value assignment for intermediate level factors

表4. 中间层因素赋值权重

注：1) A1表示健康人群以预防慢性疾病为核心的营养目标，A2表示消化功能不足者预防营养素不足的营养目标；2) 类胡萝卜素指α-胡萝卜素、β-胡萝卜素和叶黄素三项测定值之和，草酸指总草酸。Note：1) A1 represents the nutritional goals of healthy people at the core of prevention of chronic diseases, A2 represents the nutrition goal of preventing undernutrition by digestive insufficiency；2) carotenoids refer to the three measured values of α-carotene, β-carotene and lutein, oxalic acid refers to the total oxalic acid.

对于不同营养目标人群，各因素之间权重存在差异。与以预防慢性疾病目标(A1)相比，以预防营养素不足为目标(A2)时，钾、多酚和硝酸盐的权重明显降低，草酸的权重更低，膳食纤维的权重则从4.3大幅降低至0.8，成为需要控制的不利因素。这反映出本研究的特色之一，即基于研究证据，可以针对不同的营养膳食目标进行评分权重调整，使之同时适应各类人群的需求。

2) 实验测定结果赋值

菠菜经水焯和汽蒸烹调后各成分含量见表5。菠菜在烹调过程中维生素C损失较大，尤其是水焯烹调，最大可损失58.4%，与马洪波 [24] 等的研究结果类似。而部分抗氧化物质，如总多酚和总单宁的含量经某些烹调处理后反而有上升的趋势，保存率最高为119.1%。这可能是因为烹调时的高温会使多酚、单宁与蛋白质、多糖的复合体，从而导致多酚与单宁以单体的形式游离出来，此外高温还能够钝化多酚氧化酶，减少对多酚和单宁的破坏 [4] [25] [26] 。

根据表5中的结果计算各烹调处理下菠菜中各营养成分的保存率，再通过烹调后蔬菜体积变化进行换算。由表6可以发现，因为蔬菜烹调之后体积减少，所以对于原本损失显著的成分(如维生素C)，除水焯3.0 min以外，不同烹调的影响差异不大，甚至优于生样。而对于另一些原本烹调变化不大、或烹调后有升高趋势的成分，烹调对于健康有益成分的作用更为突出，同时对于部分不利成分的影响也变大。

3.3. 烹调蔬菜营养综合评分

图2表明，菠菜汽蒸烹调的综合营养评分高于水焯烹调。对两类目标人群，均以汽蒸3.0 min的处理的综合营养评分最高，其次是汽蒸7.5 min；而水焯的综合营养评分随烹调时间增长变化不大。

考虑营养素保存状态，结合两类营养目标人群在咀嚼和消化能力上差异，认为对于消化能力正常、需要预防慢性病的人群，以汽蒸3 min的菠菜营养最佳；而对于消化能力弱、需要预防营养素不足的人群，则以汽蒸7.5 min的菠菜营养最佳。

4. 结论

1) 应用层次分析法，从提供营养素、增加活性成分和控制不利成分3方面设定蔬菜的营养评价目标，

处理方法

Treatment

维生素C

/(mg/100 g)

Vitamin C

维生素K1

/(mg/100 g)

Vitamin K1

总多酚

/(mg/100 g)

Total polyphenols

类胡萝卜素

/(μg/100 g)

Carotenoid

硝酸盐

/(mg/kg)

Nitrate

亚硝酸盐

/(mg/kg)

Nitrite

总单宁

/(mg/100 g)

Total tannin

生样

34.04 ± 0.93a

207.1 ± 6.3a

92.31 ± 2.12a

14 698 ± 101c

450.4 ± 4.6a

0.90 ± 0.17b

68.86 ± 6.65a

D1水焯1

24.50 ± 1.14bc

199.5 ± 5.7a

83.92 ± 1.74b

14 966 ± 50c

375.6 ± 1.6b

4.99 ± 0.80a

66.31 ± 4.63a

D2水焯2

21.87 ± 0.56d

196.9 ± 5.1a

82.79 ± 1.42b

14 463 ± 174c

353.9 ± 4.1c

5.66 ± 1.01a

63.57 ± 5.91a

D3水焯3

19.26 ± 0.36e

192.2 ± 6.0b

86.27 ± 3.39b

14 622 ± 130c

287.5 ± 13.1e

6.47 ± 0.87a

63.03 ± 6.58a

D4水焯4

14.15 ± 0.11f

189.0 ± 6.3b

70.85 ± 3.26c

14 608 ± 119c

251.3 ± 4.5f

5.56 ± 0.69a

65.74 ± 6.76a

D5汽蒸1

26.36 ± 0.76b

203.4 ± 5.9a

91.50 ± 1.34a

14 813 ± 175bc

362.0 ± 3.8c

0.44 ± 0.10c

69.15 ± 3.20a

D6汽蒸2

23.43 ± 0.94c

202.6 ± 4.6a

89.80 ± 0.91a

14 444 ± 191c

342.4 ± 15.3cd

0.52 ± 0.11c

65.28 ± 2.07a

D7汽蒸3

22.59 ± 1.10cd

200.7 ± 4.8a

88.88 ± 1.95a

15 179 ± 107b

324.3 ± 11.4d

0.95 ± 0.19b

67.51 ± 3.37a

D8汽蒸4

23.18 ± 0.58c

200.1 ± 5.4a

90.50 ± 1.53a

15 599 ± 169a

303.7 ± 2.3e

0.69 ± 0.12bc

66.28 ± 3.35a

Table 5. Effects of cooking treatments on health-related ingredients of spinach

表5. 烹调对菠菜中健康相关成分的影响

注：1) 水焯1、2、3和4分别对应菠菜烹调时间0.5、1.0、2.0和3.0 min；汽蒸1、2、3和4分别对应菠菜烹调时间3.0、4.5、6.0和7.5 min；2) 上述结果通过蔬菜鲜重进行换算；2) a、b、c等小写字母表示对同一列各值之间的差异性，其中不同字母表示结果间差异性显著，P < 0.05。Note: 1) 1, 2, 3 and 4 respectively corresponding to the water boiled spinach cooking time and 3 0.5, 1.0, 2.0 min and 4 1, 2, 3 respectively; the steam cooking time corresponding to spinach 3.0, 4.5, 6.0 and 7.5 min; 2) the results of fresh vegetable conversion; 2) a, b, c and other small letters about the difference between the values of the same column among them, different letters indicate significant difference between the results, P < 0.05.

处理方法

维生素C

维生素K1

总多酚

β-胡萝卜素

硝酸盐

亚硝酸盐

草酸

总单宁

生样

1.00

D1水焯1

0.90

1.20

1.14

1.27

1.04

6.93

0.98

1.20

D2水焯2

0.91

1.34

1.27

1.40

1.11

8.89

1.05

1.30

D3水焯3

0.90

1.48

1.49

1.60

1.02

11.46

1.04

1.46

D4水焯4

0.67

1.47

1.24

1.61

0.90

9.96

0.88

1.54

D5汽蒸1

0.97

1.24

1.25

1.28

1.01

0.61

1.21

1.26

D6汽蒸2

0.96

1.36

1.35

1.37

1.06

0.80

1.32

D7汽蒸3

0.96

1.40

1.39

1.50

1.04

1.52

1.41

1.50

D8汽蒸4

1.06

1.50

1.52

1.65

1.05

1.19

1.49

1.65

Table 6. Ratio of components retention rate to volume retention factors

表6. 菠菜烹调后营养成分保存率与体积变化率比值

注：1) 水焯1、2、3和4分别对应菠菜烹调时间0.5、1.0、2.0和3.0 min；汽蒸1、2、3和4分别对应菠菜烹调时间3.0、4.5、6.0和7.5 min； Note: 1) 1, 2, 3 and 4 respectively corresponding to the water boiled spinach cooking time and 3 0.5, 1.0, 2.0 min and 4 1, 2, 3 respectively; the steam cooking time corresponding to spinach 3.0, 4.5, 6.0 and 7.5 min.

可以对多种烹调加工方法的健康效果进行综合评价。这种营养素度量模型也适合用于食品加工工艺的营养评价当中。

2) 基于Delphi专家问询法和实际测定结果建立的“烹调蔬菜营养价值评分体系”，可以针对营养需求不同的各类人群建立有差异的营养目标，用于食物烹调加工处理的综合营养评价当中。

3) 综合烹调方法对各健康相关成分保存率和蔬菜体积变化率的影响，发现汽蒸烹调的综合营养评分