小米飯食用品質(zhì)評(píng)價(jià)模型的建立

尹瑞旸 李 星 沈 群

（中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與營(yíng)養(yǎng)工程學(xué)院 植物蛋白與谷物加工北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室國(guó)家果蔬加工工程技術(shù)研究中心 北京100083）

小米（Foxtail Millet）屬于禾本科，狗尾草屬，學(xué)名栗，俗稱谷子，起源于我國(guó)的黃河流域，是世界上第六大產(chǎn)量的谷物，是重要的抗旱作物之一[1]。由于其種植地域的限制，對(duì)小米的研究并不多，從國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的關(guān)于小米研究的資料來看， 主要集中在對(duì)不同小米品種營(yíng)養(yǎng)成分分析及小米淀粉理化性質(zhì)的研究方面， 只有很少的研究涉及小米的加工品質(zhì)和加工適應(yīng)性。 我國(guó)擁有豐富的小米資源，卻仍未建立對(duì)小米品質(zhì)評(píng)價(jià)指標(biāo)的體系，對(duì)小米品質(zhì)的評(píng)價(jià)往往參照大宗糧食作物的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，不能充分體現(xiàn)小米的特點(diǎn)。 相比之下，國(guó)內(nèi)外對(duì)稻米食用品質(zhì)的研究相對(duì)較多。 對(duì)大米的評(píng)價(jià)主要有3 種：一是感官評(píng)價(jià)，二是食味指標(biāo)評(píng)價(jià)[2]，三是儀器評(píng)價(jià)[3]。 由于感官評(píng)定存在主觀性強(qiáng)，耗時(shí)耗力等缺點(diǎn)， 難以快速有效的對(duì)食味品質(zhì)進(jìn)行鑒定。 目前趨向于利用食味指標(biāo)及儀器評(píng)價(jià)來代替感官評(píng)價(jià)法。其中，主成分分析利用降維的方法將具有信息重疊的多個(gè)理化指標(biāo)及食味品質(zhì)指標(biāo)通過少數(shù)主成分進(jìn)行描述， 便于得出清晰簡(jiǎn)明的規(guī)律。 Bhat 等[4]對(duì)水稻品種理化性質(zhì)、蒸煮特性和質(zhì)構(gòu)特性進(jìn)行研究， 利用主成分分析闡述各特性之間的關(guān)系并篩選具備較好加工特性品種。 張敏等[5]對(duì)小米的化學(xué)組成及糊化特性進(jìn)行測(cè)定，利用主成分分析和回歸分析研究小米特性與感官品質(zhì)間的關(guān)系，建立小米食味品質(zhì)評(píng)價(jià)的數(shù)學(xué)模型。

目前，中國(guó)食用小米的方法多為煮粥，而蒸制成小米飯的方式并不多見。 主要原因是小米飯的口感沒有大米飯好。為了讓小米有較好的適口性，作物學(xué)家在品種選育過程中進(jìn)行篩選。 本文在此基礎(chǔ)上，選取產(chǎn)自內(nèi)蒙古地區(qū)的5 個(gè)小米品種，參照大米評(píng)價(jià)方法，對(duì)小米的理化指標(biāo)、糊化特性及質(zhì)構(gòu)特性16 個(gè)指標(biāo)進(jìn)行主成分分析，構(gòu)建小米食味品質(zhì)評(píng)價(jià)模型， 為我國(guó)小米的育種提供一些思路， 為小米食味品質(zhì)評(píng)價(jià)體系的建立提供有效支持。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

選取產(chǎn)自內(nèi)蒙古的5 個(gè)小米品種， 分別為赤谷6 號(hào)、赤谷17 號(hào)、張雜谷10 號(hào)、豫谷18 號(hào)、黃金谷，使用礱谷機(jī)進(jìn)行脫殼。

試驗(yàn)所用的試劑有氫氧化鈉、 乙醚、 碘鹽酸等， 購(gòu)自國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司， 均為分析級(jí)。

1.2 儀器與設(shè)備

Tecmaster 型快速黏度測(cè)量?jī)x（RVA）；TA.XT.plus 質(zhì)構(gòu)儀；Spectra Max M2e 多功能酶標(biāo)儀；COLOR Quest XE 色差儀。

1.3 方法

1.3.1 小米化學(xué)性質(zhì)測(cè)定 粗蛋白含量按照GB/T 5009.5-2010《食品中蛋白質(zhì)的測(cè)定》進(jìn)行測(cè)定。粗脂肪含量按照GB/T 5009.6-2003 《食品脂肪的測(cè)定》進(jìn)行測(cè)定?；曳趾堪凑誈B/T 5009.4-2010《食品中灰分的測(cè)定》進(jìn)行測(cè)定。 粗纖維按照GB/T 5009.10-2003《植物類食品中粗纖維的測(cè)定》進(jìn)行測(cè)定。 直、支鏈淀粉含量采用雙波長(zhǎng)法測(cè)定[6]。

1.3.2 色澤的測(cè)定 用標(biāo)準(zhǔn)白瓦片對(duì)儀器進(jìn)行外部校準(zhǔn)，采用三色協(xié)調(diào)系統(tǒng)L*、a*、b*表示色澤。采用色彩空間坐標(biāo)的色澤描述。 把約為50 g 的小米倒進(jìn)用于測(cè)量的石英皿中， 通過標(biāo)準(zhǔn)光源照射即可測(cè)得樣品的L*、a*、b*與X、Y、Z 值。

1.3.3 小米粉糊化特性測(cè)定 根據(jù)AACC76-21[7]方法的規(guī)定，采用快速黏度分析儀進(jìn)行測(cè)定。

1.3.4 小米飯質(zhì)構(gòu)特性測(cè)定 稱取30 g 小米，用自來水淘洗5 遍， 放入陶瓷碗中并添加60 mL 的自來水，放入鍋中，在電磁爐上（2 000 W）蒸20 min，關(guān)火繼續(xù)燜15 min，即得小米飯。樣品中隨機(jī)挑出20 粒完整粒的小米， 以測(cè)定中心為圓心，均勻地?cái)[放成一個(gè)圓形，使用質(zhì)構(gòu)儀測(cè)定其硬度。質(zhì)構(gòu)儀的參數(shù)設(shè)定為： 選用P36/R 探頭， 變形量90%；操作模式為TPA 測(cè)定；操作類型：壓縮；測(cè)定循環(huán)次數(shù)：2 次；試驗(yàn)前中后速度分別為1，0.5，1 mm/s。 每個(gè)樣品測(cè)定20 次， 選取平行性好的3組，求其平均值。

測(cè)定參數(shù)指標(biāo)：硬度、黏性、膠粘性、咀嚼性。

1.3.5 小米飯感官評(píng)定 小米飯的感官評(píng)定指標(biāo)主要是參照GB/T 15682-2008，稻谷、大米蒸煮食用品質(zhì)感官評(píng)價(jià)方法。 僅選取外觀結(jié)構(gòu)及適口性對(duì)小米飯進(jìn)行評(píng)分（表1）。

表1 小米飯感官評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)Table 1 Sensory evaluation criteria of cooked millet

1.3.6 小米飯品質(zhì)模型建立 由5 個(gè)不同品種小米的化學(xué)組成、 色澤特性、 糊化特性及質(zhì)構(gòu)特性16 個(gè)指標(biāo)構(gòu)成主成分分析相關(guān)矩陣。 按設(shè)計(jì)的累計(jì)方差貢獻(xiàn)率選取少數(shù)成分對(duì)小米飯進(jìn)行綜合評(píng)定。 利用SPSS 進(jìn)行主成分分析，計(jì)算出小米飯的食味品質(zhì)綜合指標(biāo)結(jié)果，與感官評(píng)定得分相驗(yàn)證。

1.3.7 數(shù)據(jù)處理方法 采用Excel 軟件統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)， 所有數(shù)據(jù)均為3 次重復(fù)試驗(yàn)的平均值和標(biāo)準(zhǔn)誤差。 采用SPSS 16.0 軟件進(jìn)行顯著性分析，P<0.05 表示差異顯著性。

2 結(jié)果與分析

2.1 小米（飯）理化性質(zhì)分析

對(duì)小米（飯）的化學(xué)成分、色澤、糊化特性、質(zhì)構(gòu)特性及感官進(jìn)行評(píng)定。 從小米組成分析，5 種小米的蛋白質(zhì)、脂肪、灰分、纖維素、直鏈淀粉平均含量分別是11.08%，4.41%，1.43%，1.00%，22.42%?？梢钥闯?，除淀粉以外蛋白質(zhì)含量最多，其次是脂肪。 淀粉組成中，直鏈淀粉占比小于支鏈淀粉。 其中赤谷6 號(hào)、 赤谷17 號(hào)和張雜谷10 號(hào)有較高的蛋白、脂肪和直鏈淀粉含量。 從色澤方面分析，小米L*指數(shù)范圍為51.53～56.54，L*值越大表明小米色澤越光亮，外觀品質(zhì)越受歡迎。 張雜谷10 號(hào)的L*值最大，為56.54，赤谷6 號(hào)的L*值（51.53）明顯低于其它品種小米的L*值。 a*值表示紅綠，小米的a*值范圍為4.69～6.69， 其中豫谷18 號(hào)的a*值最高為6.69，赤谷6 號(hào)的a*值明顯低于其它品種；b*值為正，表示偏黃，b*值為負(fù)表示偏藍(lán)，隨著正直的增加，黃色也越深。 小米的b*值在18.58～25.09 之間變化， 其中張雜谷10 號(hào)的b*值最大，為25.09，其次是豫谷18 號(hào)為24.66，二者均具有優(yōu)良的外觀品質(zhì)，赤谷6 號(hào)的b*值明顯小于其它品種；米黃色素是一種天然色素，其化學(xué)成分主要為葉黃素（3，3′-二羥基-α-胡蘿卜素）、玉米黃素（3，3′-二羥基-β-胡蘿卜素）及隱黃素（3-羥基-β-胡蘿卜素）等，均屬于類胡蘿卜素[8-9]。 楊延兵等[10]對(duì)不同地區(qū)小米黃色素的含量與外觀品質(zhì)進(jìn)行了研究，結(jié)果表明：小米黃色素的含量與外觀品質(zhì)之間存在顯著的相關(guān)性， 由此可推測(cè)， 張雜谷10 號(hào)、豫谷8 號(hào)的小米黃色素含量可能高于其它品種。 從糊化特性分析，小米粉的峰值黏度、低谷黏度、最終黏度、糊化溫度變化范圍分別在797.33～1 092.0 cP、637.33～939.33 cP、1 467.33～1 859.33 cP、80.93～85.58 ℃之間； 其中赤谷17 號(hào)的峰值黏度、低谷黏度、最終黏度明顯低于其它品種，糊化溫度明顯高于其它品種， 說明赤谷17 號(hào)不易糊化。 從質(zhì)構(gòu)特性分析， 蒸煮小米飯的硬度在6 758.35～7 746.69 g 之間。 其中硬度最大的是張雜谷10 號(hào)，為7 746.69 g，赤谷6 號(hào)的硬度小于其它品種，為6 758.35 g。 小米飯的黏度之間也存在顯著差異。 其中赤谷17 號(hào)的黏度明顯高于其它品種，豫谷18 號(hào)的黏度最低。從感官評(píng)定分析，外觀結(jié)構(gòu)及適口性評(píng)分順序?yàn)椋簭堧s谷10 號(hào)>黃金谷>豫谷18 號(hào)>赤谷17 號(hào)>赤谷6 號(hào)（表2）。

從品種間差異分析， 小米黏性的變異系數(shù)絕對(duì)值最大，為42.76%。 其次為直鏈淀粉含量、咀嚼性、 低谷黏度和a*值， 變異系數(shù)分別為29.35%，25.50%，14.84%和13.40%。 糊化溫度和L*值變異系數(shù)最小，分別為2.14%和3.72%（表2）。 說明不同品種的小米大部分理化性質(zhì)存在差異， 其中黏性差異最大。

2.2 小米（飯）理化性質(zhì)相關(guān)性分析

利用主成分分析的前提條件為各指標(biāo)之間有信息重疊，即有一定的相關(guān)性。 因此用X1-X2分別代表粗蛋白含量、粗脂肪含量、灰分含量、粗纖維含量、直鏈淀粉含量、L*值、a*值、b*值、峰值黏度、低谷黏度、最終黏度、糊化溫度、硬度、黏性、膠粘性和咀嚼性，對(duì)各指標(biāo)間的相關(guān)性進(jìn)行分析。

由表3 可知， 粗蛋白與粗脂肪含量和糊化溫度呈顯著相關(guān)；粗纖維含量與膠粘性呈顯著相關(guān)；直鏈淀粉含量與峰值黏度和低谷黏度呈極顯著相關(guān)，與最終黏度和糊化溫度呈顯著相關(guān)；L*值與a*值和b*值呈極顯著相關(guān)， 與咀嚼性呈顯著相關(guān)；硬度與膠粘性呈極顯著相關(guān)?？梢园l(fā)現(xiàn)，小米中的直鏈淀粉、 粗蛋白及粗脂肪含量直接影響小米飯的糊化特性。有研究表明淀粉的性質(zhì)受蛋白質(zhì)、脂肪及灰分含量的影響， 這些成分可以降低淀粉膨脹的速率和程度[11]。 而在糊化起始階段由于溶出的直鏈淀粉纏繞在淀粉顆粒表面阻礙了淀粉顆粒的吸水膨脹， 而未溶出的直鏈淀粉會(huì)與支鏈淀粉的分支結(jié)合形成半晶體結(jié)構(gòu)。 因此當(dāng)?shù)矸鄣闹辨満枯^高時(shí)，會(huì)延緩淀粉結(jié)晶結(jié)構(gòu)的破壞，從而使峰值黏度降低[12]，與本試驗(yàn)結(jié)果一致。

而總體來看， 相關(guān)系數(shù)絕對(duì)值大于0.5 的數(shù)據(jù)達(dá)到54.17%，大于0.3 的數(shù)據(jù)達(dá)到75%。說明各指標(biāo)之間具有信息重疊，可以進(jìn)行主成分分析。

表2 小米（飯）理化指標(biāo)及感官評(píng)定Table 2 Physicochemical index and sensory evaluation of （cooked）millet

表3 小米（飯）特性指標(biāo)相關(guān)系數(shù)Table 3 Correlation coefficient of （cooked）millet characteristics

2.3 主成分分析

為排除各指標(biāo)不同的綱量及數(shù)量級(jí)對(duì)差異，在對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行主成分分析之前對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理（表4）。

表4 小米（飯）理化及感官指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化處理結(jié)果Table 4 Results of physicochemical and sensory standardization of （cooked）millet

主成分分析基于相關(guān)性分析， 利用降維的方法將多個(gè)信息重疊的指標(biāo)轉(zhuǎn)化為幾個(gè)綜合性的指標(biāo)。 可利用主成分的方差貢獻(xiàn)率來選擇主成分個(gè)數(shù)。一般認(rèn)為累計(jì)方差貢獻(xiàn)率大于85%時(shí)，選取的主成分可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。由表5 可知，前3 個(gè)主成分構(gòu)成的信息占總信息量的94.48%，幾乎反映了原變量的所有信息。 選取3 個(gè)主成分進(jìn)行分析。

主成分1 的向量特征方程為：

F1=-0.222X1-0.149X2+0.190X3-0.219X4-0.285X5+0.270X6+0.279X7+0.270X8+0.302X9+0.310X10+0.213X11-0.2137X12+0.257X13+0.227X14+0.293X15+0.242X16

主成分1 的方差貢獻(xiàn)率最大，為56.589%。 由線性方程F1可知，特征向量絕對(duì)值較大的有X10、X9、X15、X5等， 其值分別為0.310，0.302，0.293和-0.285。 說明第1 主成分大的品種有較高的峰值黏度、低谷黏度、膠粘性，較低的直鏈淀粉含量。

主成分2 向量特征方程：

F2=0.293X1+0.208X2-0.130X3-0.366X4+0.252X5+0.278X6+0.241X7+0.281X8-0.205X9-0.164X10-0.314X11+0.392X12+0.192X13+0.001X14+0.186X15+0.221X16

主成分2 的方差貢獻(xiàn)率為23.775%。 由線性方程F2可知， 特征向量絕對(duì)值較大的有X12、X4、X11、X1等，其值分別為0.392，-0.366，-0.314 和0.293。 說明第2 主成分大的品種有較高的糊化溫度、粗蛋白含量，較低的最終黏度及粗纖維含量。

主成分3 向量特征方程：

F3=0.310X1+0.483X2+0.467X3-0.137X4-0.085X5-0.110X6-0.168X7-0.089X8-0.005X9+0.053X10+0.288X11+0.034X12+0.332X13-0.127X14+0.199X15-0.354X16

主成分3 的方差貢獻(xiàn)率為14.117%。 由線性方程F3可知， 特征向量絕對(duì)值較大的有X2、X3、X16、X13等， 其值分別為0.483，0.467，-0.354 和0.332。 說明第3 主成分大的品種有較高的粗脂肪、灰分、硬度，較低的咀嚼性。

綜合評(píng)價(jià)函數(shù)：

F=0.566F1+0.238F2+0.141F3=-0.012X1+0.033X2+0.142X3-0.230X4-0.113X5+0.203X6+0.192X7+0.207X8+0.121X9+0.144X10+0.086X11-0.022X12+0.238X13+0.111X14+0.238X15+0.140X16

各變量對(duì)小米飯食味品質(zhì)影響的順序?yàn)椋河捕取⒛z粘性>粗纖維>b*值>L*值>a*值>低谷黏度>灰分含量>咀嚼性>峰值黏度>直鏈淀粉>黏性>最終黏度>粗脂肪含量>糊化溫度>粗蛋白含量。 說明質(zhì)構(gòu)特性中的硬度、膠粘性及色澤特性對(duì)小米飯的綜合評(píng)價(jià)影響較大。

利用所得的綜合評(píng)價(jià)函數(shù)對(duì)5 種小米進(jìn)行綜合評(píng)分。 由表6 可知，綜合評(píng)分的順序?yàn)閺堧s谷10 號(hào)>黃金谷>豫谷18 號(hào)>赤谷17 號(hào)>赤谷6號(hào)，與表中感官評(píng)定得分順序一致。 進(jìn)一步將主成分分析得出的小米飯食味品質(zhì)綜合得分與感官評(píng)定得分進(jìn)行線性擬合。 由圖1 可知，主成分回歸法得到的小米飯預(yù)測(cè)值與感官評(píng)價(jià)得分具有線性關(guān)系（R2=0.991）。 因此可以說明由主成分分析建立的小米飯食味品質(zhì)模型可較準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)小米飯的食味品質(zhì)。

3 結(jié)論

雖然選取相同地區(qū)種植的小米，但發(fā)現(xiàn)小米淀粉的性質(zhì)存在差異，可見造成差異的原因不僅僅是種植環(huán)境，還有種內(nèi)基因因素。 根據(jù)不同品種小米的化學(xué)組成變化可知，粗纖維及灰分雖然不是小米的重要組成成分，變異系數(shù)只有12.20%和9.65%，但是對(duì)小米飯的食味品質(zhì)影響較大，對(duì)小米加工過程中適口性起決定性作用。 色澤特性中，指標(biāo)間具有顯著相關(guān)，L*值品種間差異不大，但同樣對(duì)小米飯的外觀品質(zhì)起主要作用。 小米飯的糊化特性與小米的化學(xué)組成密切相關(guān)，其中糊化溫度品種間差異不顯著，對(duì)小米食用品質(zhì)影響不大。

在小米飯的食用品質(zhì)評(píng)價(jià)中，本試驗(yàn)通過對(duì)小米及小米飯的16 個(gè)理化指標(biāo)進(jìn)行主成分分析，得出小米飯食味品質(zhì)綜合評(píng)價(jià)，所得結(jié)果與感官評(píng)定得分具有較高的擬合度。 表明利用數(shù)學(xué)分析方法可將多個(gè)與食味品質(zhì)相關(guān)的理化指標(biāo)量化為小米飯的品質(zhì)綜合指標(biāo)。 此方法克服了感官評(píng)價(jià)的主觀性等缺點(diǎn)， 更客觀評(píng)價(jià)了小米的食用品質(zhì)。

表5 特征向量Table 5 Character vector

表6 小米飯食味品質(zhì)綜合得分Table 6 Comprehensive score of the quality of millet

圖1 主成分分析得分與感官評(píng)定得分的關(guān)系Fig.1 Relationship between principal component analysis and sensory evaluation

此外，小米的理化性質(zhì)會(huì)受種植環(huán)境（播種地土壤、溫度等）影響，進(jìn)而影響小米的食用品質(zhì)。本試驗(yàn)感官評(píng)定僅集中在外觀及適口性評(píng)價(jià)， 還可利用儀器分析對(duì)小米風(fēng)味成分進(jìn)行測(cè)定， 綜合評(píng)定小米的食用品質(zhì)。 同時(shí)本試驗(yàn)只選取了相同地區(qū)的不同品種小米進(jìn)行研究，有待加大受試品種，并做進(jìn)一步研究。