米飯適口性儀器評(píng)價(jià)模型的建立

王菁華，謝振華，張釙，孫廣梅，馬曉紅，李月興，孫義敏，劉威

（1.黑龍江省科學(xué)院火山與礦泉研究所，黑龍江五大連池 164155）

（2.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150030）

稻谷是我國約2/3人口的主要食糧。隨著生活水平的提高，人們對(duì)米飯?zhí)岢隽烁叩母泄僖?。適口性是米飯感官評(píng)定中的重要一項(xiàng)，其在對(duì)米飯的總體感官評(píng)分貢獻(xiàn)最大[1～4]。方便米飯食品開發(fā)[5]，和針對(duì)提高稻米口感的品種選育的研究，亟需要一種能夠客觀、快速測定米飯適口性的方法。國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T15682通過感官評(píng)價(jià)人員的感覺器官與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)對(duì)米飯的適口性進(jìn)行評(píng)價(jià)鑒定，但受到評(píng)價(jià)人員肌肉張力、牙齒等因素影響，主觀性較強(qiáng)，需專業(yè)人員，時(shí)間長，難以進(jìn)行快捷有效的大米食味品質(zhì)鑒定，不能滿足米飯食品研發(fā)及稻米品種選育的需求。因此，通過專業(yè)人員對(duì)標(biāo)儀器分析技術(shù)，開發(fā)一種通過儀器客觀測定大米食味品質(zhì)對(duì)大米品種選育、米飯加工工藝開發(fā)非常重要。

米飯的適口性評(píng)價(jià)，是米飯力學(xué)特性的綜合反映。質(zhì)構(gòu)儀是一類用于測定食品力學(xué)特性的儀器，能夠給出食品的彈性、黏聚性、硬度、黏著性等力學(xué)剖面數(shù)據(jù)。因此，通過對(duì)質(zhì)構(gòu)儀測得的指標(biāo)和根據(jù)感官評(píng)價(jià)的國標(biāo)方法進(jìn)行相關(guān)和回歸分析，建立基于儀器客觀測定米飯適口性的方法是可行的。一些研究者對(duì)此進(jìn)行了深入研究，并生成了具體的模型用以評(píng)價(jià)米飯的適口性[6]。但是這些研究，要么沒有嚴(yán)格采用國標(biāo)方法進(jìn)行感官評(píng)價(jià)，導(dǎo)致儀器取得的分?jǐn)?shù)不能和國標(biāo)取得的感官評(píng)價(jià)分?jǐn)?shù)對(duì)比[6]。要么采用多變量回歸建立模型，忽略了質(zhì)構(gòu)儀獲得的各參數(shù)對(duì)感官評(píng)價(jià)分?jǐn)?shù)的權(quán)重[7]。不利于這些方法的推廣。本研究根據(jù)國標(biāo)GB/T16291.1-2012選拔、培訓(xùn)感官評(píng)價(jià)員，以國標(biāo)GB/T15682-2008為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行米飯制備和感官評(píng)價(jià)，使用質(zhì)構(gòu)儀測定米飯的感官特性，采用偏最小二乘法建立適口性感官評(píng)價(jià)得分與質(zhì)構(gòu)儀測得參數(shù)之間的預(yù)測模型，通過質(zhì)構(gòu)儀測得的參數(shù)預(yù)測米飯適口性。為開發(fā)方便米飯食品、基于米飯感官進(jìn)行稻米品種選育，建立一種符合國標(biāo)的基于客觀質(zhì)構(gòu)參數(shù)預(yù)測米飯適口性的數(shù)學(xué)模型，使不同研究獲得的數(shù)據(jù)能夠進(jìn)行橫向比較。

1 材料與方法

1.1 原料

稻谷樣本120個(gè)。粳米60份，產(chǎn)地黑龍江、吉林和遼寧各20份。秈米60個(gè)，產(chǎn)地為湖南、江蘇及江西各20個(gè)。將稻谷制備成GB1354-2009中規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)三級(jí)精度的大米，置于4 ℃冰柜保存。蒸煮米飯用水為哇哈哈純凈水。

1.2 方法

1.2.1 米飯制備及感官評(píng)價(jià)

按照GB/T15682-2008中大量樣本制作米飯樣本。依照 GB/T15682-2008提供的方法挑選評(píng)價(jià)員，然后根據(jù)GB/T10220培訓(xùn)并選定感官評(píng)價(jià)員。將上述制備好的米飯，按照標(biāo)準(zhǔn)感官評(píng)價(jià)流程置于感官評(píng)價(jià)室（東北農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)院內(nèi)），依據(jù)GB/T15682-2008中評(píng)分方法一所述的評(píng)價(jià)方法對(duì)米飯進(jìn)行感官評(píng)定。

1.2.2 米飯質(zhì)構(gòu)測定

采用飯餅法測定米飯的質(zhì)構(gòu)參數(shù)，講蒸煮燜制后的米飯冷卻至室溫，裝入6×6×3的鋁盒內(nèi)，測定前用200 g的壓砣壓至米飯表面平整，然后移去壓砣，將裝有飯餅的鋁盒置于質(zhì)構(gòu)儀（TA XT Plus，英國Stable Micro System公司）載物臺(tái)上進(jìn)行測定。質(zhì)構(gòu)儀測試探頭為P/36R型圓柱型壓縮探頭。測定參數(shù)為：測前速度5.00 mm/s；測試速度1.00 mm/s，測后速度2.00 mm/s；觸發(fā)力值5.0 g，壓縮比例為50.0%；兩次壓縮間隔時(shí)間：5.00 s。每次測定后用擦鏡紙將探頭和載物臺(tái)擦拭干凈，準(zhǔn)備下一個(gè)米樣的測定。每個(gè)樣品做 5個(gè)平行樣，去掉最大值和最小值，取其平均值。

1.2.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

使用Microsoft Excel 2007收集、整理和清洗數(shù)據(jù)。將120份粳米和秈米米飯的感官評(píng)價(jià)分?jǐn)?shù)和質(zhì)構(gòu)參數(shù)數(shù)據(jù)，隨機(jī)選擇其中的70%作為訓(xùn)練集，30%作為測試集。感官評(píng)價(jià)各項(xiàng)作為因變量，將質(zhì)構(gòu)參數(shù)各項(xiàng)作為自變量進(jìn)行偏最小二乘回歸。利用 R語言（version 3.4.1）進(jìn)行偏最小二乘建模。最終建立的偏最小二乘回歸模型為 Y=a1X1+a2X2+……+anXn+b。其中a為權(quán)重系數(shù)，b為截距。

2 結(jié)果與討論

2.1 米飯感官評(píng)價(jià)及其質(zhì)構(gòu)測試數(shù)據(jù)分析

圖1 粳米和秈米的感官評(píng)價(jià)結(jié)果Fig.1 Senses evaluation of rice and indica rice

圖 1為粳米和秈米的米飯適口性的感官評(píng)價(jià)結(jié)果。圖中EA為感官評(píng)價(jià)黏性項(xiàng)；ES為感官評(píng)價(jià)的彈性項(xiàng)；EH為感官評(píng)價(jià)的軟硬度項(xiàng)，ET為感官評(píng)價(jià)的滋味項(xiàng)，ETs為感官評(píng)價(jià)的總分項(xiàng)。圖例中，IR為秈米，R為粳米。從箱線圖可知，秈米之間的差異較粳米大。比較兩種米飯的適口性感官評(píng)價(jià)結(jié)果，粳米米飯的感官適口性分?jǐn)?shù)平均值較秈米米飯高，也即粳米米飯的感官適口性更好，但除了總體評(píng)分差異顯著（p＜0.05）外，其他各項(xiàng)差異不顯著。各項(xiàng)感官評(píng)價(jià)中，粳米米飯和秈米米飯的滋味項(xiàng)變異系數(shù)最小，分別為12.5%和9.89%，其次是適口性總分、軟硬度和彈性，變異系數(shù)最大的是黏性，分別為 18.56%和31.65%，說明供試樣品各品種間，黏性的差異最大。從圖中可以看出，粳米的食味品質(zhì)均高于秈米，這與我們現(xiàn)實(shí)情況類似。

圖2 粳米和秈米的質(zhì)構(gòu)測定結(jié)果Fig.2 Texture properties of rice and indica rice

圖2為儀器測定的質(zhì)構(gòu)參數(shù)的測定結(jié)果。圖中TA為質(zhì)構(gòu)參數(shù)的黏著性項(xiàng)；TS為質(zhì)構(gòu)參數(shù)的彈性項(xiàng)；TCo為質(zhì)構(gòu)參數(shù)的黏聚性；TG為質(zhì)構(gòu)參數(shù)的膠著性；TCh為質(zhì)構(gòu)參數(shù)的咀嚼度項(xiàng)，TR為質(zhì)構(gòu)參數(shù)的韌性項(xiàng)。

從質(zhì)構(gòu)的盒須圖看，秈米的品種間差異較粳米大。粳米米飯除黏著性比秈米略低，其他各項(xiàng)都比秈米高。從質(zhì)構(gòu)指標(biāo)的變異系數(shù)可知，粳米米飯的變異系數(shù)最小的是韌性，為 6.35%，其次依次為黏聚性、彈性、黏著性，最大的也是咀嚼度，為25.98%；秈米米飯黏聚性變異系數(shù)最小，數(shù)值為 8.94%，其次為韌性、彈性、咀嚼度和黏著性，咀嚼度的變異系數(shù)最大，為33.65%。也進(jìn)一步說明，無論是粳米還是秈米，各樣品之間的黏聚性、彈性、韌性和黏著性之間都有顯著的遺傳差異，尤其在咀嚼度方面，差異最為明顯（p＜0.01）。

比較適口性感官評(píng)價(jià)分?jǐn)?shù)和儀器測定的質(zhì)構(gòu)參數(shù)，無論是粳米還是秈米，質(zhì)構(gòu)測定指標(biāo)的黏著性、彈性的變異系數(shù)均較相應(yīng)的感官評(píng)價(jià)指標(biāo)彈性和黏性的變異系數(shù)小，說明雖然感官評(píng)價(jià)員經(jīng)過訓(xùn)練，但在品評(píng)過程中難免以自己的喜好為主，主觀性較強(qiáng)。

2.2 質(zhì)構(gòu)參數(shù)與感官評(píng)價(jià)分?jǐn)?shù)之間的相關(guān)性

圖3 粳米米飯質(zhì)構(gòu)和感官評(píng)價(jià)各項(xiàng)之間的相關(guān)性圖Fig.3 Correlation between properties from texture and sense evaluation of rice

圖4 秈米米飯質(zhì)構(gòu)和感官評(píng)價(jià)各項(xiàng)之間的相關(guān)性圖Fig.4 Correlation between properties from texture and sense evaluation of indica rice

要利用儀器測定參數(shù)來表征感官評(píng)價(jià)參數(shù)，需要確定各質(zhì)構(gòu)參數(shù)、各感官評(píng)價(jià)分項(xiàng)之間的相關(guān)性。同時(shí)，也可為建立回歸模型的參考。圖3和圖4分別顯示了粳米米飯和秈米米飯質(zhì)構(gòu)和感官評(píng)價(jià)各項(xiàng)之間的相關(guān)性。EA為感官評(píng)價(jià)黏性項(xiàng)；ES為感官評(píng)價(jià)的彈性項(xiàng)；EH為感官評(píng)價(jià)的軟硬度項(xiàng)，ET為感官評(píng)價(jià)的滋味項(xiàng)，ETs為感官評(píng)價(jià)的總分項(xiàng)。TA為質(zhì)構(gòu)參數(shù)的黏著性項(xiàng)；TS為質(zhì)構(gòu)參數(shù)的彈性項(xiàng)；TCo為質(zhì)構(gòu)參數(shù)的黏聚性；TG為質(zhì)構(gòu)參數(shù)的膠著性；TCh為質(zhì)構(gòu)參數(shù)的咀嚼度項(xiàng)，TR為質(zhì)構(gòu)參數(shù)的韌性項(xiàng)。圖中的上半部分三角，為各參數(shù)項(xiàng)的散點(diǎn)圖，下部分三角為擬合曲線和置信橢圓。從圖中可以看出，無論是粳米還是秈米，相關(guān)性為顯著（p＜0.05）或極顯著(p＜0.01)的項(xiàng)目均較為類似。其中相關(guān)性最為顯著的為EA和TA。由于滋味項(xiàng)評(píng)分總分為25分，占總分比例比較大，所以ETs和ET之間顯著相關(guān)。這是數(shù)據(jù)層面導(dǎo)致的原因，不會(huì)影響后續(xù)的模型建立。在質(zhì)構(gòu)參數(shù)各項(xiàng)中，TA和TCo，TS和TG顯著相關(guān)，這是由于質(zhì)構(gòu)儀針對(duì)黏著性和黏聚性、彈性和膠著性的計(jì)算方法類似導(dǎo)致的。在后續(xù)建立模型的時(shí)候，必須注意這一點(diǎn)，同時(shí)也說明，普通的多元線性回歸忽略了各項(xiàng)目間內(nèi)在相關(guān)性，導(dǎo)致最終線性模型相關(guān)性較差。從散點(diǎn)圖可知，相比感官測定，質(zhì)構(gòu)測定結(jié)果存在較多異常值，這些異常值在圖1和圖2中也有所體現(xiàn)。如果去除這些異常值，適口性感官評(píng)價(jià)和質(zhì)構(gòu)參數(shù)之間的相關(guān)性會(huì)更強(qiáng)。在后續(xù)的研究中，我們比較了去除異常值前后模型優(yōu)劣。

同樣，通過圖中散點(diǎn)圖部分，可以明顯看到感官評(píng)價(jià)各項(xiàng)與質(zhì)構(gòu)參數(shù)各項(xiàng)之間的具備相關(guān)性，通過圖中下三角部分的置信橢圓部分，能夠確定這些相關(guān)的顯著性。這些相關(guān)和前述感官評(píng)價(jià)及質(zhì)構(gòu)參數(shù)內(nèi)部各項(xiàng)的相關(guān)性不同，是建立模型的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。如EA和TA之間的極顯著性相關(guān)，表明可以通過儀器的黏著性直接表示感官評(píng)價(jià)的黏性。

圖5 粳米米飯去除異常值前后回歸模型比較Fig.5 Regression model comparison after removing outliers

從圖5和圖6中可以看出，質(zhì)構(gòu)儀測定的結(jié)果包含一些異常值，這可能是由于試劑質(zhì)構(gòu)測定時(shí)，樣品的壓實(shí)密度不同導(dǎo)致的。本研究也比較了三點(diǎn)法質(zhì)構(gòu)測定[8]的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)三點(diǎn)法測定的結(jié)果異常值及結(jié)果的離散度更大，因此本研究才用飯餅法進(jìn)行質(zhì)構(gòu)測試。從散點(diǎn)圖部分可以看出，異常值所聚集的區(qū)域和其他數(shù)值所處區(qū)域明顯不同，如果去掉這些異常值，能夠明顯改善項(xiàng)目間的相關(guān)性。

2.3 米飯適口性評(píng)價(jià)模型的建立

建立模型顯著性檢驗(yàn)p值均達(dá)到顯著性水平。所建立的回歸方程如下。黏性：EA=3.68TA+0.89TCo+0.22；彈性：ES=2.38TA+2.22TR-0.33；軟硬度：EH=3.68+0.005TC+0.002TG；滋味：ET=15.69+2.33TS+0.65TG-0.98TCh；適口性總分：ETo=40.69+12.65TCo+1.68TA+2.26TS。

從各回歸方程可知，黏性的感官評(píng)分主要取決于黏聚性和黏著性的影響，這與圖5和圖6中所以體現(xiàn)的二者與黏性極顯著相關(guān)一致。經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)化系數(shù)計(jì)算后，黏聚性和黏著性的標(biāo)準(zhǔn)化系數(shù)分別為 0.46和-0.26，說明相比黏聚性，黏著性對(duì)感官評(píng)價(jià)的黏性影響更大。對(duì)感官彈性評(píng)分影響比較大的是黏著性和韌性；對(duì)感官評(píng)價(jià)軟硬度分值影響較大的市咀嚼度和膠著性；對(duì)感官評(píng)價(jià)滋味分值影響比較大的是彈性，咀嚼度和黏著性；對(duì)總分影響比較大的是黏聚性，黏著性，彈性。在進(jìn)行回歸分析時(shí)，對(duì)異常值進(jìn)行了去除。圖5表明去除異常值對(duì)最終的線性方程有明顯影響。

2.4 米飯適口性評(píng)價(jià)模型的評(píng)價(jià)

圖6 米飯適口性預(yù)測值與其評(píng)分之間的關(guān)系Fig.6 Correlation between predicted and measured value from rice palatability

使用訓(xùn)練集對(duì)得到的回歸模型進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果如圖6所示。從圖中可以看出，以適口性感官評(píng)價(jià)各項(xiàng)為因變量，以質(zhì)構(gòu)儀測定的質(zhì)構(gòu)各參數(shù)項(xiàng)為自變量建立的預(yù)測模型計(jì)算所得適口性感官評(píng)價(jià)各項(xiàng)的分?jǐn)?shù)，與實(shí)際評(píng)價(jià)結(jié)果較為一致。各適口性預(yù)測值與感官評(píng)價(jià)評(píng)分相關(guān)性最好的是彈性，擬合度為98.87%。通過偏最小二乘法進(jìn)行模型建立，各參數(shù)間的擬合度明顯高于單純使用多元線性回歸的方法[7]。

3 結(jié)論

3.1 本研究和前人的研究一起，對(duì)推動(dòng)形成標(biāo)準(zhǔn)化的米飯感官測定方法具有重要意義[9]。質(zhì)構(gòu)儀為進(jìn)口儀器，國外米飯產(chǎn)品消費(fèi)量較小，沒有專門針對(duì)米飯的測定方法。我國約9.2億人以米飯為主食，研究利用儀器測定米飯的食味品質(zhì)，進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化的樣品制備、測定參數(shù)研究，為更新國家標(biāo)準(zhǔn)奠定理論基礎(chǔ)，為開發(fā)專用米飯感官測定儀器奠定實(shí)踐基礎(chǔ)。

3.2 消費(fèi)者對(duì)大米食味品質(zhì)要求的提高，促使在稻米育種、大米生產(chǎn)及方便米飯食品研發(fā)中，都亟需利用客觀的儀器分析技術(shù)代替主觀的感官評(píng)價(jià)小組評(píng)價(jià)米飯感官特性的方法[10,11]。通過質(zhì)構(gòu)儀進(jìn)行米飯的感官評(píng)價(jià)[4,12]，能夠提高結(jié)果準(zhǔn)確性和通用性，能夠滿足食品研發(fā)和農(nóng)業(yè)育種的需求[13]。對(duì)米飯的食味品質(zhì)評(píng)價(jià)，除利用紅外技術(shù)[1,14]或常規(guī)檢測技術(shù)[15]探尋理化特性與食味品質(zhì)的關(guān)系，主要是利用測定米飯的力學(xué)特性[16,17]客觀描述米飯的適口性特征，形成了一些利用質(zhì)構(gòu)儀進(jìn)行米飯感官評(píng)定方法的研究[8,16,18,19]。本研究綜合這些研究成果，建立了米飯適口性感官評(píng)價(jià)和質(zhì)構(gòu)儀測定的質(zhì)構(gòu)參數(shù)之間的回歸模型。為了提高研究的適用性，研究感官評(píng)價(jià)部分，完全按照國標(biāo)的方法執(zhí)行。在建立回歸模型時(shí)，考慮了各質(zhì)構(gòu)參數(shù)的權(quán)重，建立的回歸模型，比前人等的研究結(jié)果略好。各自變量與因變量的關(guān)系與張玉榮[7]，周顯青等類似，對(duì)模型的擬合度，標(biāo)準(zhǔn)化系數(shù)，變異系數(shù)等參數(shù)做出了進(jìn)一步的改進(jìn)。

3.3 質(zhì)構(gòu)儀評(píng)估米飯的食味品質(zhì)雖然較為客觀，但也存在異常值較多的問題。我們的研究發(fā)現(xiàn)，質(zhì)構(gòu)儀測定的質(zhì)構(gòu)參數(shù)結(jié)果有較多的異常值（圖1～4），這些異常值的來源于樣品的制備過程。我們采用飯餅法進(jìn)行樣品制備，相比使用三粒法進(jìn)行質(zhì)構(gòu)測定的樣品制備方法[20]，使用更多的米飯制備成飯餅來進(jìn)行測定。但是即使每次填裝米飯的質(zhì)量一致，但是不可避免的導(dǎo)致米飯內(nèi)部空間的密度不同，導(dǎo)致飯餅在空間力學(xué)特性上表現(xiàn)不均勻，從而導(dǎo)致在質(zhì)構(gòu)參數(shù)上，出現(xiàn)較多的異常值。在劉建偉[8]，郝麗萍[21]，郝偉[22]及 Ouyang[23]的研究中也出現(xiàn)了同樣的問題。一些研究對(duì)這些方法進(jìn)行了比較優(yōu)選[22]，但是上述研究由于采用了不同的質(zhì)構(gòu)測試儀器和感官評(píng)價(jià)方法，研究中獲得的結(jié)果難以進(jìn)行有意義的比較，需要更多的關(guān)于米飯質(zhì)構(gòu)參數(shù)與感官體系關(guān)系[24]的研究，擴(kuò)大我們對(duì)二者相關(guān)性的理解。在我們的研究中，比較了去除異常值前后模型的變化，可以看出，去除異常值后模型的線性、擬合度均有明顯提升（圖5），在其他的研究中，雖然探討了時(shí)間、環(huán)境溫度對(duì)測定的影響，但是并沒有明確異常值的來源和去除辦法[18]，我們對(duì)這方面的研究做了一點(diǎn)改進(jìn)，但是仍然不夠。需要更多的研究，來規(guī)范樣品的制備過程。

3.4 米飯食用的方便化對(duì)通過儀器測定米飯的食味品質(zhì)提出了新的需求。近年來，隨著生活節(jié)奏加快，方便米飯、罐頭米飯產(chǎn)品的需求越來越多。在實(shí)際生產(chǎn)中，為提高方便米飯的風(fēng)味和口感，方便米飯會(huì)加入各種配料，因此進(jìn)一步研究混合米飯的質(zhì)構(gòu)特征是一個(gè)有利于我國方便米飯產(chǎn)業(yè)發(fā)展的方向[26]。

3.5 通過對(duì)60種粳米，60種秈米制成的米飯質(zhì)構(gòu)品質(zhì)和適口性感官評(píng)價(jià)進(jìn)行分析可知：無論粳米還是秈米，均可以以適口性感官評(píng)價(jià)各項(xiàng)為因變量，以質(zhì)構(gòu)儀測定的質(zhì)構(gòu)參數(shù)項(xiàng)為自變量，通過偏最小二乘法建立的預(yù)測模型。方程的回歸系數(shù)達(dá)到了顯著水平，回歸模型預(yù)測效果較好，方程的擬合度較高，因此，在一定情況下，可以通過質(zhì)構(gòu)儀代替感官評(píng)定對(duì)米飯的適口性進(jìn)行評(píng)價(jià)。