物料加水量對重組米品質(zhì)的影響及其評價模型的研究

王達(dá)，周彩欣，簡沛儀，黃卓權(quán)，莊新棟，李美英，孫遠(yuǎn)明

（華南農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)院，廣東省食品質(zhì)量安全重點實驗室，廣東 廣州 510642）

重組米是一種以淀粉類原料為主體，經(jīng)擠壓熟化、切割、干燥等工藝制成的外形類似天然大米的顆粒[1]。通過添加營養(yǎng)強(qiáng)化劑或剔除原料中的某種成分即可制備出具有特殊營養(yǎng)功能的重組米，如富鋅強(qiáng)化大米[2]、富硒重組米[3]、降血糖大米[4]、低蛋白重組米[5]等。這些特殊營養(yǎng)功能的產(chǎn)品社會需求龐大，因此重組米的開發(fā)已受到廣泛關(guān)注。

制備重組米所使用的擠壓蒸煮系統(tǒng)是一個復(fù)雜的多輸入多輸出（mutiple input mutiple output，MIMO）系統(tǒng)[6]，屬于典型的黑箱模型體系。作為關(guān)鍵擠壓參數(shù)，物料加水量對重組米品質(zhì)的影響未被完全掌握，成品重組米常存在外形不飽滿、質(zhì)構(gòu)特性與天然大米相差大、蒸煮品質(zhì)差等問題[7-10]。此外，重組米當(dāng)前的評價體系不完善，主要依靠感官評價作出判斷[7，11-13]。但感官評價受主觀影響較大，難以得出準(zhǔn)確和客觀的意見，導(dǎo)致試驗結(jié)果不具有普遍性[14]。

因此，本文研究物料加水量對重組米千粒重、徑向膨化率、糊化度、硬度等15個品質(zhì)指標(biāo)的影響，并利用主成分分析對各品質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行分析，建立重組米品質(zhì)評價的綜合模型，以期為重組米的研發(fā)提供理論支持。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

圣白象小香米（秈米）：廣州穗方源實業(yè)有限公司；α-淀粉酶（9 U/mg）：上海源葉生物科技有限公司；氫氧化鈉（分析純）：南京化學(xué)試劑有限公司；3，5-二硝基水楊酸、丙三醇（分析純）：國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

雙螺桿擠壓機(jī)（FMHE36-24R）：湖南富馬科食品工程技術(shù)有限公司；粉碎機(jī)（BJ-150）：德清拜杰電器有限公司；電子天平（EL204-IC）：瑞士Merrler Toledo公司；超微量紫外分光光度計（NanoDrop 2000c）：美國Thermo Fisher有限公司；電磁爐（MC-H18S012）：美的集團(tuán)有限公司；質(zhì)構(gòu)儀（TA-XT Plus）：英國 Stable Micro System公司；槽式混合機(jī)（CH-10）：江蘇省泰興市藥機(jī)制造廠；連續(xù)波長多功能微孔板檢測儀（Spectra Maxi3x）：美谷分子儀器（上海）有限公司；快速黏度分析儀（Techmaster）：波通瑞華科學(xué)儀器（北京）有限公司。

1.3 方法

1.3.1 樣品制備

工藝流程：原料粉碎、過篩→原料混合→調(diào)濕→擠壓→造?！A(yù)干燥→干燥→成品。

將大米原料粉碎過60目篩后送入雙螺桿擠壓機(jī)。制得的重組米于流化床中干燥，直至含水量降至14%左右。

1.3.2 試驗設(shè)計

選取物料加水量（15%、20%、25%、30%、35%）作為試驗因素。其它擠壓參數(shù)分別為：螺桿轉(zhuǎn)速200 r/min，Ⅱ區(qū)溫度50℃，Ⅲ區(qū)溫度70℃，Ⅳ區(qū)溫度110℃，Ⅴ區(qū)溫度50℃，Ⅵ區(qū)溫度90℃，喂料速度7 kg/h，切刀轉(zhuǎn)速500 r/min。

1.3.3 重組米飽滿程度的測定

參照賈喜午[15]的方法進(jìn)行千粒重的測定；參照裴斐等[16]的方法進(jìn)行徑向膨化率的測定。

1.3.4 重組米糊化度的測定

參考安紅周等[17]的酶水解法。將重組米打粉過60目篩，再分別稱取0.50 g粉末于兩個100 mL錐形瓶中，分別標(biāo)記A1、A2，另取1個100 mL的錐形瓶不加試樣作空白，標(biāo)記為B。向這3個瓶中加入三級水50 mL。把A1置于沸水浴中煮沸60min，然后迅速冷卻到20℃。再在A1、A2、B中各加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的α-淀粉酶1mL，在39℃水浴中加熱1.5 h，加1 mL 1 mol/L鹽酸使酶失活，用蒸餾水定容至100 mL，并用濾紙過濾。取濾液用3，5-二硝基水楊酸（3，5-dinitrosalicylic acid，DNS）法測定還原糖的含量，并以三級水加酶液作對照。

糊化度/%=（CA2-CB）/（CA1-CB）×100

式中：CA1為 A1定容后的還原糖含量，mg/mL；CA2為A2定容后的還原糖含量，mg/mL；CB為B定容后的還原糖含量，mg/mL。

1.3.5 重組米質(zhì)構(gòu)特性的測定

參照張克等[18]的方法進(jìn)行質(zhì)構(gòu)的測定。采用P/5型探頭，測前速度3.00 mm/s，測中速度3.00 mm/s，測后速度3.00 mm/s，壓縮程度70%，停留間隔5.00 s，觸發(fā)值5.00 g。

1.3.6 重組米蒸煮特性的測定

參照林俊帆等[19]的方法，對體積膨脹率、蒸煮吸水率、糊化時間、蒸煮損失率進(jìn)行測定。

1.3.7 重組米糊化特性的測定

參照GB/T 24852—2010《大米及米粉糊化特性測定快速粘度儀法》，對峰值黏度、谷值黏度、最終黏度、崩解值、回生值進(jìn)行測定。

1.3.8 重組米的感官評價

參照王嫻等[20]的方法對重組米進(jìn)行感官評價。

1.4 數(shù)據(jù)處理

試驗結(jié)果均以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示。采用GraphPad Prism 6.0的單因素方差分析進(jìn)行差異顯著性分析，顯著水平為0.05；采用GraphPad Prism 6.0和Origin 2019b對數(shù)據(jù)作圖分析；采用SPSS 16.0對數(shù)據(jù)進(jìn)行Z-標(biāo)準(zhǔn)化處理、描述統(tǒng)計分析和主成分分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 物料加水量對重組米品質(zhì)的影響

2.1.1 物料加水量對重組米外觀形態(tài)的影響

物料加水量對重組米外觀形態(tài)的影響見圖1。

圖1 物料加水量對重組米外觀形態(tài)的影響Fig.1 Effects of water quantities on visual appearance of recombinant rice

如圖1所示，當(dāng)物料加水量為15%～25%時，米粒形態(tài)細(xì)長，兩端有“尖頭”。隨著加水量的升高，米粒外觀變得圓潤，兩端的“尖頭”逐漸消失，這可能與水降低熔融體的黏度有關(guān)。經(jīng)蒸煮后得到的重組米飯，在加水量15%～25%時，其外觀形態(tài)呈扁平的片狀，而隨著加水量的升高形態(tài)逐漸飽滿。當(dāng)加水量為30%時，重組米飯的外觀形態(tài)最佳。

2.1.2 物料加水量對重組米飽滿程度的影響

重組米米粒的飽滿程度與外觀品質(zhì)密切相關(guān)，本研究選取千粒重和徑向膨化率兩個指標(biāo)來衡量重組米的飽滿程度。物料加水量對重組米飽滿程度的影響見圖2。

圖2 物料加水量對重組米千粒重及徑向膨化率膨化度的影響Fig.2 Effects of water quantities on 1000-grain weight and radial expansion rate of recombinant rice

在物料加水量為15%～25%時，重組米的千粒重和徑向膨化率變化不顯著（P＞0.05），在加水量增加至30%時，千粒重和徑向膨化率增加顯著（P＜0.05），而加水量為35%時千粒重下降顯著（P＜0.05），徑向膨化率變化不顯著（P＞0.05）。一方面，物料加水量的升高增加了熔融體的水分含量，使得更多的水分在?？谔幩查g汽化，進(jìn)而導(dǎo)致重組米千粒重和徑向膨化率的升高。另一方面，物料加水量過高時會減少物料與螺桿、機(jī)筒間的摩擦[7]，使物料在機(jī)筒內(nèi)停留時間縮短，熔融體更快速地從?？诒粩D出，從而導(dǎo)致千粒重降低。

2.1.3 物料加水量對重組米糊化度的影響

糊化度是重組米品質(zhì)的一項重要評價指標(biāo)。糊化度高的重組米中α-淀粉含量高，蒸煮后米飯軟爛，質(zhì)構(gòu)特性不佳。物料加水量對重組米糊化度的影響見圖3。

圖3 物料加水量對重組米糊化度的影響Fig.3 Effects of water quantities on gelatinization degree of recombinant rice

物料加水量為15%～30%時，重組米的糊化度從（85.6±1.9）%下降至（57.9±4.9）%。而當(dāng)加水量升至35%時，糊化度升高至（73.6±6.5）%。這可能是因為物料加水量的增加不僅可縮短熔融體在機(jī)筒內(nèi)的停留時間，還會在一定程度上降低熔融體的溫度、減少機(jī)筒內(nèi)的擠壓和剪切作用力，進(jìn)而降低重組米的糊化度[21-22]。但當(dāng)加水量過高時，物料與水分之間的接觸面積增大，物料受熱更充分，導(dǎo)致糊化度升高。

2.1.4 物料加水量對重組米質(zhì)構(gòu)特性的影響

質(zhì)構(gòu)儀通過模擬人體口腔的咀嚼運(yùn)動，可對食物的口感進(jìn)行客觀的評價。前期預(yù)試驗發(fā)現(xiàn)重組米和天然大米的質(zhì)構(gòu)差異主要體現(xiàn)在硬度、咀嚼性和內(nèi)聚性，因此本試驗選取硬度、內(nèi)聚性和咀嚼度作為關(guān)鍵性指標(biāo)。

物料加水量對重組米質(zhì)構(gòu)特性的影響見圖4，重組米質(zhì)構(gòu)特性的相關(guān)性分析見表1。

圖4 物料加水量對重組米硬度、內(nèi)聚性及咀嚼性的影響Fig.4 Effects of water quantities on hardness，cohesiveness and chewiness of recombinant rice

表1 重組米質(zhì)構(gòu)特性、蒸煮特性與飽滿程度、糊化度的相關(guān)性分析Table 1 Correlation matric of texture and cooking characteristics with plumpness and gelatinization degree of recombinant rice

如圖4所示，隨著物料加水量的升高，重組米的硬度和咀嚼性在加水量20%～30%呈上升趨勢，35%時有所下降，與糊化度的變化趨勢相反，而內(nèi)聚性呈不斷下降的趨勢。表1中的相關(guān)性分析表明，硬度和咀嚼性均與千粒重呈顯著正相關(guān)（P＜0.05），且硬度還與糊化度呈顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.05），說明重組米飽滿程度越高、糊化度越低，則硬度、咀嚼性越高，質(zhì)構(gòu)特性越接近天然大米。此外，加水量的升高使物料流動性變高，降低了機(jī)筒內(nèi)壁的摩擦力及螺桿間的擠壓剪切力[18]，從而減少構(gòu)成重組米的內(nèi)部鍵力，進(jìn)而降低重組米內(nèi)聚性。

2.1.5 物料加水量對重組米蒸煮特性的影響

物料加水量對重組米蒸煮特性的影響見圖5。

圖5 物料加水量對重組米體積膨脹率、蒸煮吸水率、糊化時間及蒸煮損失率的影響Fig.5 Effects of water quantities on volume expansion ratio，water uptake ratio，pasting time and solids loss ratio of recombinant rice

物料加水量15%～20%時，隨著加水量的升高，重組米的體積膨脹率和蒸煮吸水率顯著升高（P＜0.05），20%～30%時變化不顯著（P＞0.05），30%～35%時顯著降低（P＜0.05）。體積膨脹率和蒸煮吸水率的變化反映重組米親水能力的變化，這可能與重組米中水溶性成分的分子降解程度及淀粉顆粒的完整程度有關(guān)，水溶性成分降解程度越高、淀粉顆粒越完整，體積膨脹率和蒸煮吸水率越低[18]。結(jié)合表1中的相關(guān)性分析，糊化時間和蒸煮損失率均與徑向膨化率呈顯著正相關(guān)（P＜0.05），表明徑向膨化率越高，則糊化時間越長、蒸煮損失率越高。糊化時間延長可能是徑向膨化率較高時，重組米與水分的相對接觸面積較小，蒸煮時米粒受熱較慢所致；蒸煮損失率升高可能是徑向膨化率較高時重組米內(nèi)部結(jié)構(gòu)相對疏松所致。

2.2 重組米品質(zhì)評價模型的建立

2.2.1 重組米品質(zhì)指標(biāo)的主成分分析

主成分分析是通過降維的方法，將原來較多的評價指標(biāo)概括為較少的幾個綜合指標(biāo)。為消除不同指標(biāo)間不同數(shù)量級和量綱影響，首先對數(shù)據(jù)進(jìn)行Z-標(biāo)準(zhǔn)化處理（見表2），然后經(jīng)主成分分析得到方差貢獻(xiàn)結(jié)果（見表3）。各指標(biāo)變量的主成分載荷見表4。

表2 重組米品質(zhì)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化處理結(jié)果Table 2 Result of standardization of quality index of recombinant rice

表3 方差貢獻(xiàn)率Table 3 Variance contribution rates

表4 主成分載荷矩陣Table 4 Principal component load matrix

由表3可知，前3個主成分的特征值大于1，其中主成分1貢獻(xiàn)率為57.791%，主成分2貢獻(xiàn)率為27.574%，主成分3貢獻(xiàn)率為11.241%，累計貢獻(xiàn)率為96.606%，幾乎反映了初始指標(biāo)的所有信息，因此可將初始的15項指標(biāo)降為3個主成分。

由表4可知，主成分1主要以徑向膨化率、谷值黏度、糊化時間和蒸煮損失率的影響為主，其次是糊化度和回生值；主成分2主要以最終黏度、咀嚼性、體積膨脹率、蒸煮吸水率的影響為主，其次是千粒重、硬度和內(nèi)聚性；主成分3主要以峰值黏度和崩解值的影響為主。此外，15項品質(zhì)指標(biāo)在各主成分中的絕對權(quán)重值距離0或1普遍較遠(yuǎn)，說明這15項指標(biāo)對重組米的綜合評價均十分重要，少數(shù)幾項指標(biāo)難以反映重組米的整體品質(zhì)。

2.2.2 重組米品質(zhì)評價模型的建立及驗證

以各主成分的特征值占所提取主成分特征值之和的比值作為權(quán)重系數(shù)，建立品質(zhì)綜合評價模型：Y=0.598Y1+0.285Y2+0.116Y3=0.216X1+0.178X2-0.252X3-0.139X4-0.233X5-0.023X6-0.072X7+0.136X8+0.239X9-0.101X10+0.236X11+0.078X12+0.069X13+0.204X14+0.193X15。

根據(jù)綜合評價模型中系數(shù)絕對值的大小，可將重組米的品質(zhì)指標(biāo)分為3類。第一類指標(biāo)對重組米品質(zhì)影響程度最大，分別為糊化度、硬度、咀嚼性和谷值黏度；第二類指標(biāo)影響程度其次，分別為千粒重、糊化時間、蒸煮損失率、徑向膨化率、峰值黏度、回生值和內(nèi)聚性；第三類指標(biāo)影響程度最小，分別為體積膨脹率、崩解值、蒸煮吸水率、最終黏度。

特征向量、主成分得分及感官得分見表5。

表5 特征向量、主成分得分及感官得分Table 5 Character vector，principal component scores and sensory score

利用綜合評價模型計算各組重組米的綜合得分。綜合得分的順序為30%>35%>25%>15%>20%，與表中感官得分順序一致。進(jìn)一步利用線性回歸檢驗?zāi)Ｐ?，橫坐標(biāo)（x）為感官得分、縱坐標(biāo)（y）為綜合得分。感官評分與綜合評價模型的擬合度分析見圖6。

圖6 重組米感官評價-綜合評價模型驗證Fig.6 Fitness test for sensory-principal component analysis model of recombinant rice

感官得分和綜合評價模型二者的線性關(guān)系為y=0.547 4x-44.145，其R2=0.937 3，說明綜合評價模型和感官評分的擬合度好，該模型可較準(zhǔn)確地評價重組米的食用品質(zhì)。

3 結(jié)論

本試驗考察了物料加水量對重組米外觀形態(tài)、飽滿程度、糊化度、質(zhì)構(gòu)特性、蒸煮特性等多品質(zhì)指標(biāo)的影響。結(jié)果表明物料加水量為30%時，重組米品質(zhì)最佳，千粒重、硬度、咀嚼性顯著高于其它組，糊化度顯著低于其它組。

通過主成分分析對重組米的15項品質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行分析。結(jié)果表明15項指標(biāo)對重組米綜合評價均具有重要意義，忽視任何指標(biāo)對準(zhǔn)確評價都是不利的。進(jìn)一步利用綜合評價模型對重組米進(jìn)行綜合評分，經(jīng)驗證，綜合得分與感官得分的相關(guān)系數(shù)為0.937 3，說明該評價模型可較準(zhǔn)確地評價重組米的食用品質(zhì)。此方法克服了感官評價的主觀性，能更客觀地對重組米進(jìn)行綜合評價。