基于主成分分析法綜合評價即食米飯品質(zhì)特性

張曉繪　李汴生　阮征　李丹丹

摘要：為探討即食米飯的品質(zhì)并建立評價體系，該研究選取8種不同品種的大米制備即食米飯，并對包含理化性質(zhì)、蒸煮特性和質(zhì)構(gòu)特性的15個指標進行測定分析，考察不同品種大米制得的即食米飯各項品質(zhì)指標之間的差異性和相關(guān)性。同時采用主成分分析法對即食米飯品質(zhì)進行綜合評價并建立即食米飯品質(zhì)評價模型。結(jié)果表明，8種原料米各指標變異系數(shù)范圍為1.64%～28.74%，咀嚼性、碘值受品種的影響最大，且咀嚼性與碘值呈顯著負相關(guān)（P<0.05）。主成分分析共提取了3個主成分，3個主成分方差貢獻率分別為45.508%、29.235%、13.583%，累計方差貢獻率達88.326%。評價模型為F=－0.100x1+0.127x2－0.084x3+0.140x4+0.064x5+0.091x6－0.093x7－0.059x8+0.144x9。該模型與感官評分之間存在良好線性關(guān)系，決定系數(shù)R2為0.878 8，說明該模型能較全面、客觀地反映即食米飯的優(yōu)劣程度。

關(guān)鍵詞：即食米飯；主成分分析；品質(zhì)評價

中圖分類號：TS213.3文獻標志碼：A 文章編號：1000-9973（2024）01-0001-07

Comprehensive Evaluation of Quality Characteristics of Instant Rice Based on Principal Component Analysis

ZHANG Xiao-hui， LI Bian-sheng*， RUAN Zheng， LI Dan-dan

Abstract： In order to explore the quality of instant rice and establish an evaluation system， eight different varieties of rice are selected to prepare instant rice， and fifteen indexes of physicochemical properties， cooking characteristics and texture characteristics are determined and analyzed.The differences and correlations among various quality indexes of instant rice prepared from different varieties of rice are investigated.? At the same time， principal component analysis is used to comprehensively evaluate the quality of instant rice and establish a quality evaluation model for instant rice. The results show that the variation coefficient of each index for the eight raw materials of rice ranges from 1.64% to 28.74%. The chewiness and iodine value are most affected by the varieties， and there is a significant negative correlation between chewiness and iodine value （P<0.05）. A total of three principal components are extracted by principal component analysis， and the variance contribution rates of the three principal components are 45.508%， 29.235% and 13.583% respectively， with the cumulative variance contribution rate reaching 88.326%. The evaluation model is F=－0.100x1+0.127x2－0.084x3+0.140x4+0.064x5+0.091x6－0.093x7－0.059x8+0.144x9. There is a good linear relationship between this model and sensory score， and the determination coefficient R2 is 0.878 8， indicating that this model can reflect the advantages and disadvantages of instant rice comprehensively and objectively.

Key words： instant rice; principal component analysis; quality evaluation

即食米飯又叫保鮮米飯、預包裝米飯等[1-3]，是將生米或一定熟度的米飯?zhí)畛涞侥透邷氐拿芊庹糁蟠?，在高溫、高壓下進行微生物和孢子滅活處理的米飯，室溫下貯藏期較久，能滿足現(xiàn)代人快節(jié)奏生活中對健康飲食和消費的需要。

目前國內(nèi)外對即食米飯的研究主要集中在生產(chǎn)工藝優(yōu)化、品質(zhì)改良和抑制米飯的老化上[4-6]，關(guān)于其品質(zhì)評價體系的研究比較少。Mestres等[7]發(fā)現(xiàn)直鏈淀粉含量與米飯的硬度相關(guān)，蛋白質(zhì)含量與米飯的黏性相關(guān)，阿拉伯木聚糖與米飯的變形度相關(guān)。Li等[8]發(fā)現(xiàn)米飯的品質(zhì)受直鏈淀粉含量、粳秈品種等性質(zhì)的影響，可知米飯原料對其品質(zhì)特性有重要影響。因此，即食米飯原料篩選對米飯品質(zhì)有重要意義，如何建立快速簡便、可靠性高的即食米飯品質(zhì)評價體系尤為重要。目前對大米食味品質(zhì)評價的方法主要包括指標評價法、儀器評價法和感官評價法[9-11]。

主成分分析法是一種將數(shù)量較多的原變量通過降維的方式重新組成一組新的互相無關(guān)的幾個綜合指標，并使這些指標能盡可能多地反映原來變量信息的統(tǒng)計方法，能較好地綜合評定即食米飯的品質(zhì)。目前主成分分析法在許多領(lǐng)域都有廣泛應用[12-14]。本研究以8種大米為原料制備即食米飯，測定其原料大米理化特性、即食米飯蒸煮特性和質(zhì)構(gòu)特性的15個指標，分析各品質(zhì)指標間的差異性和相關(guān)性。并結(jié)合主成分分析法建立即食米飯品質(zhì)評價模型，得出各原料大米的綜合得分，通過感官評價對該模型進行驗證，以期為即食米飯的工業(yè)化生產(chǎn)及品質(zhì)改良提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

1號盒馬有機五常大米：產(chǎn)于黑龍江省哈爾濱市；2號農(nóng)夫山泉東北香米：產(chǎn)于吉林省延邊朝鮮族自治州；3號金龍魚有機稻米：產(chǎn)于黑龍江省綏化市；4號金龍魚長粒香米：產(chǎn)于吉林省白城市；5號金龍魚油黏米、7號江南鶴山水絲苗米、8號太糧香軟米：產(chǎn)于廣東省東莞市；6號孟乍隆泰國茉莉香米：產(chǎn)于泰國；1～4號大米為粳米，5～8號大米為秈米：均購于盒馬生鮮超市。

1.2 主要儀器設(shè)備

ZY-50F反壓高溫蒸煮鍋 浙江新豐醫(yī)療器械有限公司；CR400便攜式色差儀 日本Konica Minolta公司；TA-XT Plus質(zhì)構(gòu)儀 英國Stable Micro Systems公司；752N紫外分光光度計 上海精科儀器有限公司；H2050R臺式高速冷凍離心機 湖南湘儀實驗室儀器開發(fā)有限公司。

1.3 方法

1.3.1 原料米指標的測定

1.3.1.1 原料米主要成分的測定

水分含量：參照GB 5009.3－2016進行測定；脂肪含量：參照GB 5009.6－2016進行測定；蛋白質(zhì)含量：參照GB 5009.5－2016進行測定；直鏈淀粉含量：參照GB/T 15683－2008進行測定。

1.3.1.2 膠稠度的測定

參照GB/T 22294－2008進行測定。

1.3.1.3 堿消值的測定

參照金達麗等[15]的方法測定并稍作修改。在培養(yǎng)皿內(nèi)注入10 mL 1.7%的氫氧化鈉溶液，將7粒完整且大小相近的米粒均勻地分散在溶液中，加蓋，在室溫下靜置23 h后觀察分級情況。

堿消值級數(shù)=7粒米級別之和/7。

1.3.2 即食米飯樣品的制備

將原料米快速淘洗3次，按米水比1∶2加水浸泡30 min，浸泡后將水倒掉，按照粳米和水的比例為1∶1.3加水，秈米和水的比例為1∶1.4加水，然后分別取220 g米水混合物裝袋（15 cm×21 cm，材質(zhì)：PA+RCP）密封，最后高溫滅菌。滅菌參數(shù)：升溫時間12 min；滅菌溫度121 ℃；保溫時間10 min；反壓時間6 min；殺菌效果：F值為3.0 min。滅菌結(jié)束后將米飯置于冰水中快速冷卻至室溫，保持室溫30 min后測定相關(guān)指標。

1.3.3 即食米飯蒸煮特性的測定

1.3.3.1 膨脹率的測定

參照朱夢琴[16]的方法測定并稍作修改。

膨脹率=（蒸煮后米飯體積-原料米體積）/原料米體積×100%。

1.3.3.2 白度的測定

參照Leelayuthsoontorn等[17]的方法測定。取直徑90 mm的潔凈干燥的玻璃培養(yǎng)皿，放入60 g米飯，適度擠壓米飯，盡量使米飯平整分布，然后將培養(yǎng)皿倒置，用色差儀測定，每個樣品平行測定6次，并記錄L*（亮度）、a*（紅度）、b*（黃度）值。白度計算公式如下：

W=100－[（100－L*）2+a*2+b*2]1/2。

1.3.3.3 還原糖的測定

采用3，5-二硝基水楊酸比色法測定還原糖含量。

1.3.3.4 碘值的測定

參照熊善柏等[18]的方法測定并稍作修改。稱取2.50 g米飯樣品于50 mL離心管中，加入25 mL蒸餾水，在40 ℃下振動浸提1 h，在6 000 r/min轉(zhuǎn)速下離心10 min；取1 mL上清液，加入0.2 mL KI-I2溶液、0.2 mL 0.1 mol/L HCl，加蒸餾水定容至10 mL，靜置15 min后于620 nm處測定吸光值，該吸光值即為碘藍值；空白組以蒸餾水代替樣液。

1.3.4 質(zhì)構(gòu)的測定

參照陳健敏[19]的方法，利用物性測試儀進行TPA測定。用干凈的鑷子從待測米飯樣品中央取出3粒大小相近且完整的米粒，將其首尾相接呈三角形放至測量臺中央進行測量。測定參數(shù)：探頭類型P/36，測前速度1.0 mm/s，測中速度0.5 mm/s，測后速度0.5 mm/s，停留時間3 s，壓縮率65%，觸發(fā)力100 g。測量指標包括硬度、彈性、黏附性和咀嚼性。

1.3.5 即食米飯感官評定方法

參照GB/T 15682－2008《糧油檢驗 稻谷、大米蒸煮食用品質(zhì)感官評價方法》對即食米飯進行評價，評價標準見表1。

挑選20名專業(yè)感官評價人員組成感官評定小組，男、女生各占一半，年齡范圍為25～55歲。飯后2 h，感官評價員獨立對即食米飯品評并根據(jù)表1進行打分。去掉最高分，去掉最低分，以評價人員對每份樣品評分結(jié)果的平均值作為樣品的評價結(jié)果。

1.4 數(shù)據(jù)處理

本文所有實驗至少重復3次，所示數(shù)據(jù)為平行實驗的平均值。測定結(jié)果和分析結(jié)果采用SPSS 27.0和Origin 2023進行處理，方差分析采用Duncan's新復極差分析法，取95%置信區(qū)間（P<0.05）。

2 結(jié)果與分析

2.1 原料米理化指標描述性分析

對8種即食米飯的原料米理化特性進行描述性分析，結(jié)果見表2。

變異系數(shù)是衡量數(shù)據(jù)離散程度的統(tǒng)計量，變異系數(shù)越大，說明該組數(shù)據(jù)在均數(shù)水平上越分散[20]。由表2可知，在原料米理化特性中，水分含量、蛋白質(zhì)含量的變異系數(shù)均小于10%，分別為6.67%、6.89%，說明水分含量與蛋白質(zhì)含量這兩個指標相對穩(wěn)定，這與Kowsalya等[21]的結(jié)果相符。但Chen等[22]的研究表明，雖然不同品種原料米的蛋白質(zhì)含量差異較小，但該微小差異可能導致不同品種的米飯在食用品質(zhì)上的實質(zhì)性差異。脂肪含量、直鏈淀粉含量、膠稠度、堿消值的變異系數(shù)均大于10%，分別為17.72%、13.27%、17.23%、12.19%，說明上述品質(zhì)特性受品種的影響相對較大。膠稠度是大米淀粉膠體的流體特性，反映了淀粉糊化和冷卻的回生趨勢。粳米的膠稠度顯著高于秈米。堿消值是反映大米糊化溫度的有效方法，堿消值越小，糊化溫度越高；堿消值越大，糊化溫度越低。有研究[23]發(fā)現(xiàn)高直鏈淀粉含量會導致糊化溫度升高，因此直鏈淀粉含量高的大米可能會有偏高的糊化溫度，即較小的堿消值。秈米的直鏈淀粉含量顯著高于粳米，秈米的堿消值顯著低于粳米，與上述推測相符。

2.2 不同品種即食米飯的蒸煮特性與質(zhì)構(gòu)特性

對8種即食米飯的蒸煮特性進行描述性分析，結(jié)果見表3。

由表3可知，含水率、白度、膨脹率的變異系數(shù)均小于10%，分別為6.02%、2.00%、8.22%，說明這3個品質(zhì)特性受品種的影響相對較?。坏庵?、還原糖含量的變異系數(shù)均大于10%，分別為28.74%、18.17%，說明大米品種較大程度地影響了這2個品質(zhì)特性。碘值是通過直鏈淀粉與碘絡(luò)合來測定樣品中直鏈淀粉的含量，然而直鏈淀粉重結(jié)晶后則無法與碘絡(luò)合，所以回生的直鏈淀粉與碘的絡(luò)合能力會降低，碘值也會降低。碘值越小，表明直鏈淀粉的回生越嚴重[24]。蒸煮特性中，碘值的變異系數(shù)最大，受品種的影響最大，對即食米飯食用品質(zhì)的影響也較大。還原糖分子量小、溶解性好，對米飯的風味和消化性有所貢獻[25]，但表3中即食粳米飯和即食秈米飯的還原糖含量并無明顯區(qū)別。

對8種即食米飯的質(zhì)構(gòu)特性進行描述性分析，結(jié)果見表4。

由表4可知，除彈性外，硬度、黏附性、咀嚼性的變異系數(shù)均大于10%，分別為16.41%、17.00%、21.27%，彈性的變異系數(shù)僅為1.64%，說明稻米品種對彈性的影響程度相對較小，而對硬度、黏附性、咀嚼性的影響較大。直鏈淀粉含量一直被認為是影響米飯食用品質(zhì)的重要指標，有研究[26-27]表明稻米的直鏈淀粉含量與米飯的硬度、黏性等有密切關(guān)系。二者最能直接反映米飯食用品質(zhì)，硬度、黏附性適中的米飯食味更好。

上述結(jié)果表明，不同品種大米制得的即食米飯的品質(zhì)指標之間均存在差異，不同品質(zhì)特性呈現(xiàn)不同程度的變化。

2.3 即食米飯品質(zhì)指標相關(guān)性分析

即食米飯蒸煮特性與質(zhì)構(gòu)特性的相關(guān)性見圖1。

橢圓向右傾斜代表正相關(guān)，橢圓向左傾斜代表負相關(guān)，橢圓越細窄說明兩指標之間的相關(guān)性越高。由圖1可知，膨脹率與還原糖含量呈極顯著負相關(guān)（P<0.01），黏附性與碘值呈顯著正相關(guān)（P<0.05），咀嚼性與碘值呈顯著負相關(guān)（P<0.05），咀嚼性與硬度呈極顯著負相關(guān)（P<0.01），咀嚼性與黏附性呈極顯著負相關(guān)（P<0.01），彈性與含水率呈顯著負相關(guān)（P<0.05）?？芍词趁罪堈糁筇匦约百|(zhì)構(gòu)特性的各指標之間存在不同程度的相關(guān)性，導致呈現(xiàn)的信息出現(xiàn)重疊現(xiàn)象，且各指標各有優(yōu)劣。因此，有必要通過主成分分析法對即食米飯的品質(zhì)指標進行降維，簡化數(shù)據(jù)結(jié)果，提高評價的精準性并進行綜合評價。

2.4 主成分分析

以8種即食米飯的蒸煮特性和質(zhì)構(gòu)特性指標作為依據(jù)，通過主成分分析法對其進行綜合性評價。一般認為，當主成分累計方差貢獻率超過85%且特征值大于1時，所提取的主成分能較全面地反映原始變量的所有信息。

由表5可知，前3個成分的方差貢獻率依次為45.508%、29.235%、13.583%，共占即食米飯品質(zhì)特性總信息量的88.326%，特征值依次為4.096，2.631，1.223，均大于1，能夠反映即食米飯品質(zhì)的大部分信息，因此選取前3個成分作為8種即食米飯品質(zhì)評價的指標。

主成分載荷矩陣見表6，原有向量在降維后所形成的綜合變量中貢獻率越高，載荷絕對值越大，其與主成分的關(guān)系越密切，也更能表征該變量[28]。

由表6可知，成分1與硬度、黏附性、咀嚼性、彈性、碘值等指標的荷載絕對值相對較高，且與咀嚼性、彈性呈負相關(guān)，與硬度、黏附性、碘值呈正相關(guān)，說明主成分1主要代表了即食米飯質(zhì)構(gòu)特性的相關(guān)信息；主成分2與膨脹率、還原糖含量、含水率等指標的載荷絕對值相對較高，且與還原糖含量呈負相關(guān)，與膨脹率、含水率呈正相關(guān)，說明主成分2主要反映了即食米飯膨脹率、還原糖、含水率的相關(guān)信息；主成分3與白度指標的載荷絕對值相對較高，且與白度呈負相關(guān)，說明主成分3反映了即食米飯白度的信息。

2.5 主成分得分和綜合評價得分

前3個主成分包含了即食米飯大部分的品質(zhì)信息，因此可以用這3個主成分對即食米飯做初步分析。得主成分得分公式，見式（1）～式（3）：

F1=0.024x1+0.210x2+0.036x3+0.031x4+0.214x5+0.207x6－0.186x7－0.221x8+0.158x9。（1）

F2=－0.019x1+0.037x2－0.366x3+0.337x4－0.087x5－0.116x6－0.169x7+0.145x8+0.245x9。（2）

F3=－0.778x1+0.149x2+0.046x3+0.203x4－0.061x5+0.224x6+0.304x7－0.008x8+0.007x9。（3）

式中：x1～x9分別表示白度、碘值、還原糖含量、膨脹率、硬度、黏附性、彈性、咀嚼性、含水率；F1～F3分別表示各主成分得分。

以各主成分的方差貢獻率為權(quán)重，得到即食米飯品質(zhì)綜合評價模型：

F=0.455F1+0.292F2+0.136F3。（4）

即：F=－0.100x1+0.127x2－0.084x3+0.140x4+0.064x5+0.091x6－0.093x7－0.059x8+0.144x9。（5）

2.6 綜合評價得分公式的回歸驗證

為了驗證該模型評價即食米飯品質(zhì)的可行性，將上述樣品的感官指標評分及感官總分與模型得分結(jié)果進行比較，結(jié)果見圖2和圖3。

由圖2可知，模型得分與感官評價指標得分之間存在良好的線性關(guān)系，不同品種即食米飯的顏色、光澤、完整性、氣味、彈性、黏性、軟硬度、滋味擬合直線的決定系數(shù)依次為0.842 1，0.769 4，0.837 5，0.769 4，0.678 9，0.685 1，0.633 7，0.816 9。其中，顏色與完整性得分的擬合程度最好，軟硬度得分擬合直線的決定系數(shù)最小，但也達到了0.6。當決定系數(shù)R2>0.6時，回歸直線對觀測值的擬合程度較高，觀測值之間可近似替代[29]，說明上述模型得分與感官指標具有良好的線性關(guān)系。由圖3可知主成分得分與感官總分之間的線性擬合結(jié)果，決定系數(shù)為0.878 8，擬合效果較好，說明二者之間也具有良好的線性關(guān)系。因而所得模型能較全面、客觀地反映即食米飯品質(zhì)的優(yōu)劣程度。

3 結(jié)論

8種原料米各指標變異系數(shù)范圍為1.64%～28.74%。膨脹率與還原糖含量呈極顯著負相關(guān)（P<0.01），黏附性與碘值呈顯著正相關(guān)（P<0.05），咀嚼性與碘值呈顯著負相關(guān)（P<0.05），咀嚼性與硬度呈極顯著負相關(guān)（P<0.01），咀嚼性與黏附性呈極顯著負相關(guān)（P<0.01），彈性與含水率呈顯著負相關(guān)（P<0.05）。通過主成分分析法對即食米飯品質(zhì)進行綜合評價，共提取了3個主成分，3個主成分方差貢獻率分別為45.508%、29.235%、13.583%，累計方差貢獻率達88.326%。主成分1主要反映了即食米飯質(zhì)構(gòu)特性的相關(guān)信息；主成分2主要反映了膨脹率、還原糖含量、含水率的相關(guān)信息；主成分3主要反映了白度的相關(guān)信息。評價模型：F=－0.100x1+0.127x2－0.084x3+0.140x4+0.064x5+0.091x6－0.093x7－0.059x8+0.144x9。該模型與感官評分之間存在良好的線性關(guān)系，決定系數(shù)R2為0.878 8，說明該模型能較全面、客觀地反映即食米飯的優(yōu)劣程度。

本研究建立的評價方法對即食米飯食用品質(zhì)評價方法有一定參考意義，但米飯食用品質(zhì)的影響因素較多，不同感官評定員對米飯的偏好也有一定差異，因而本研究的人群適應性有待提高。同時，本研究選取的樣本數(shù)量較少，后續(xù)實驗中應擴充樣本量來進一步完善綜合評分公式。

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收稿日期：2023-07-04

基金項目：廣東省重點領(lǐng)域研發(fā)計劃項目（2019B020219002）

作者簡介：張曉繪（1998－），女，河南周口人，碩士，研究方向：食品加工與保藏。

*通信作者：李汴生（1962－），男，河南開封人，教授，博士，研究方向：食品加工與保藏。