基于主成分分析和模糊數(shù)學(xué)構(gòu)建親水膠體影響湯圓品質(zhì)的綜合評價(jià)模型

王 艷，王 睿，張艷艷,3，劉興麗,3，張 華,3，王宏偉,3,*

（1.鄭州輕工業(yè)大學(xué)食品與生物工程學(xué)院，河南 鄭州 450002；2.鄭州輕工業(yè)大學(xué)國際教育學(xué)院，河南 鄭州 450002；3.鄭州輕工業(yè)大學(xué) 食品生產(chǎn)與安全河南省協(xié)同創(chuàng)新中心，河南省冷鏈?zhǔn)称焚|(zhì)量安全控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 鄭州 450002）

湯圓作為我國的一種傳統(tǒng)糯米食品，因其外觀圓潤光滑，口感香甜軟糯，深受人們的喜愛。然而，糯米粉制得的湯圓存在黏附性大，吞咽困難，不利于老人與兒童食用，且復(fù)煮后口感較差等不足。此外，湯圓還存在延展性差、組織松散、不易成型、持水能力弱且水分容易遷移、凍裂率高、凝膠結(jié)構(gòu)弱、易塌陷、渾湯、露餡等品質(zhì)問題，從而嚴(yán)重影響湯圓的貯藏和蒸煮品質(zhì)。為解決上述問題，生產(chǎn)企業(yè)及相關(guān)學(xué)者主要通過調(diào)控糯米粉來源、改善加工工藝和添加改良劑等方法改善湯圓的品質(zhì)。

親水膠體作為天然植物多糖或其衍生物，含有大量親水基團(tuán)，常作為增稠劑應(yīng)用于乳制品、肉制品和面制品中。親水膠體具有良好的吸水和持水能力，能夠促進(jìn)水分子的遷移和分布，從而形成穩(wěn)定的凝膠結(jié)構(gòu)。此外，親水膠體還可有效調(diào)節(jié)體系的黏度，改善產(chǎn)品的感官和品質(zhì)特性。Ai等發(fā)現(xiàn)海藻酸鈉的加入能有效降低米糕的硬度，抑制年糕的回生；黃原膠和瓜爾膠與糯米粉的協(xié)同作用可降低年糕的塌陷率，并使得年糕口感軟糯。亞麻籽膠（flaxseed gum，F(xiàn)G）和沙蒿膠（Krasch. gum，ASKG）作為亞麻和沙蒿的提取物，是一種新型陰離子雜多糖天然植物膠，具有較強(qiáng)的吸水和保水能力。此外，二者還具有預(yù)防和治療心血管疾病和糖尿病的潛力。目前有關(guān)FG和ASKG的研究主要集中在肉制品和面制品中，如張帥將ASKG添加到面團(tuán)中，發(fā)現(xiàn)ASKG能夠通過增強(qiáng)面團(tuán)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的延展性和穩(wěn)定性進(jìn)而提高面團(tuán)的加工特性，最終改善饅頭的比容、柔軟度等品質(zhì)特性。目前，有關(guān)FG和ASKG添加到糯米粉中進(jìn)而調(diào)控湯圓品質(zhì)的研究較少。開展此方面的研究可能會改善湯圓目前存在的品質(zhì)問題，對于提升湯圓品質(zhì)具有重要意義。

本研究通過將FG和ASKG與糯米粉進(jìn)行復(fù)配，探討不同添加量（0%、0.1%、0.3%、0.5%、0.7%、0.9%，/）的親水膠體對糯米粉糊化和流變特性的影響規(guī)律；同時(shí)研究所制備湯圓水分損失率、凍裂率、湯汁透光率及質(zhì)構(gòu)特性的變化規(guī)律；將感官評價(jià)與模糊數(shù)學(xué)相結(jié)合，采用主成分分析構(gòu)建湯圓品質(zhì)的綜合評價(jià)模型；以期為湯圓的實(shí)際生產(chǎn)和改良提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

糯米粉（水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)12.18%） 鄭州三全食品股份有限公司；FG（水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)6.72%，1%黏度326 mPags） 新疆利世得生物科技有限公司；ASKG（水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)12.93%，1%黏度9 200 mPags） 河南樂泰食品有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

RVA4500快速黏度測定儀 澳大利亞波通儀器有限公司；Discovery流變儀 美國TA儀器公司；UV-1100紫外分光光度儀 上海美普達(dá)儀器有限公司；IXXT.plus物性測定儀 英國Stable Micro Systems公司。

1.3 方法

1.3.1 混合糯米粉的制備

將FG和ASKG分別按照0%、0.1%、0.3%、0.5%、0.7%和0.9%（/）等比例替代糯米粉，混合攪拌均勻，即得混合糯米粉樣品。

1.3.2 混合糯米粉的糊化特性測定

按照GB/T 24852ü2010《快速粘度儀法》測定混合糯米粉的糊化特性。稱取1.5 g（干基）的混合糯米粉樣品于測試鋁罐中，加適量蒸餾水配制成6%（/）的混合糯米粉懸浮液。將攪拌漿置于鋁罐上，測試前上下攪拌10 次，使樣品分散均勻。采用RVA4500快速黏度測定儀進(jìn)行分析測試，設(shè)置程序如下：以960 r/min在35 ℃保持1 min；降速到160 r/min并保持恒定，以5 ℃/min的速率升溫至95 ℃并保持10 min；隨后5 ℃/min降溫至50 ℃并保溫10 min。

1.3.3 混合糯米粉的流變特性測定

將1.3.2節(jié)獲得的糊化樣品放置于流變儀上，采用直徑40 mm的平板探頭，設(shè)置測量間隙為1.0 mm。測試前，刮去平板外側(cè)多余樣品，并將硅油均勻的覆蓋在樣品邊緣，防止測試過程中水分的蒸發(fā)。首先在動態(tài)測量模式下進(jìn)行振幅掃描測定線性黏彈區(qū)，最終確定應(yīng)變?yōu)?%。最后，采用振蕩頻率模式，在25 ℃進(jìn)行頻率掃描（0.1～10 Hz），測定樣品的彈性模量（’）、黏性模量（”）和損耗角正切值（tan）。

1.3.4 湯圓的制備

參照肖乃勇的方法制備湯圓。將混合糯米粉與蒸餾水按照5∶4（/）的比例混合，揉搓均勻，用保鮮膜包裹靜置20 min。準(zhǔn)確稱取10 g粉團(tuán)，手工搓圓后裝盤、密封。將湯圓放置于超低溫冰箱使其中心溫度迅速降至－18 ℃（30 min以內(nèi)），并在－18 ℃冰箱中貯藏7 d后取出，用于湯圓品質(zhì)的測定。

1.3.5 湯圓水分損失率的測定

準(zhǔn)確稱量凍藏前后湯圓的質(zhì)量，并按下式計(jì)算水分損失率：

式（1）中：為凍藏前湯圓的質(zhì)量/g；為凍藏后湯圓的質(zhì)量/g。

1.3.6 湯圓凍裂率的測定

根據(jù)速凍湯圓凍藏后表面有無裂口，將其分為3 個(gè)等級：表面無裂口，沒有明顯的褶皺，記為凍裂0 個(gè)；無明顯裂口，表面有一半以上的褶皺，記為凍裂0.5 個(gè)；表明有裂口，收縮褶皺明顯，記為凍裂1 個(gè)。凍裂率公式如下：

式（2）中：為凍裂湯圓個(gè)數(shù)；為湯圓總個(gè)數(shù)。

1.3.7 湯圓湯汁透光率的測定

取5 個(gè)湯圓作為一個(gè)實(shí)驗(yàn)組，放入500 mL沸水中，煮制5 min后，開蓋繼續(xù)煮制3 min。撈出湯圓，將煮制后的湯圓湯汁冷卻至室溫，加入適量的蒸餾水，將湯圓湯汁定容到500 mL。以蒸餾水為空白對照，在620 nm波長處測定樣品的透光率。

1.3.8 湯圓質(zhì)構(gòu)特性的測定

采用IXXT.plus物性測定儀測定湯圓的硬度、黏附性、凝聚性、咀嚼性和回復(fù)性。將煮制過后的湯圓，瀝干表面水分放置于載物臺上，設(shè)定儀器參數(shù)：TPA模式；探頭型號為P/36R；測前速率為2 mm/s；測中速率為1 mm/s；測后速率為1 mm/s；壓縮比為50%；兩次壓縮停留時(shí)間為5 s。

1.3.9 湯圓感官評價(jià)

參考黃忠民和雷萌萌等的感官評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，制訂煮制后湯圓感官評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。其中各項(xiàng)占比為色澤5%、完整性26%、黏性21%、彈性21%、軟硬度21%、滋味6%，具體評價(jià)細(xì)則見表1。

表1 煮制后的湯圓感官評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)Table 1 Criteria for sensory evaluation of cooked sweet dumplings

續(xù)表1

1.3.10 湯圓模糊數(shù)學(xué)評價(jià)

根據(jù)感官評價(jià)結(jié)果建立11 個(gè)單因素評價(jià)矩陣。評價(jià)對象為不添加親水膠體、添加FG、添加ASKG的11 種湯圓；感官評分包括1.3.9節(jié)的6 個(gè)因素，分別用1～5 分表示差、較差、一般、較好、好；權(quán)重集＝｛,,,,,｝，～分別代表色澤、完整性、黏性、彈性、軟硬度和滋味在感官評價(jià)中的占比。根據(jù)得分結(jié)果，得到模糊矩陣，根據(jù)模糊變化原理：＝h，對樣品進(jìn)行綜合評價(jià)。其中，為綜合評分結(jié)果，為權(quán)重集。

1.4 數(shù)據(jù)處理

2 結(jié)果與分析

2.1 親水膠體對糯米粉糊化特性的影響

糯米粉的糊化特性對其最終產(chǎn)品的質(zhì)量屬性（如蒸煮品質(zhì)和口感）至關(guān)重要。由表2可知，與空白相比，F(xiàn)G和ASKG的添加使得混合糯米粉的糊化黏度（峰值黏度、終值黏度和谷值黏度）增加（除添加0.1% FG的混合糯米粉終值黏度），且隨著添加量的增加而不斷增加?；旌吓疵追酆ざ鹊脑黾涌赡苁且?yàn)橛H水膠體具有強(qiáng)吸水能力，能夠與淀粉顆粒形成競爭性吸水并抑制連續(xù)相中水分子的擴(kuò)散移動，限制了淀粉顆粒的膨脹，從而有利于體系黏度的提高；另一方面，糯米粉顆粒膨脹時(shí)，親水膠體可以與其內(nèi)部的聚合物分子（如淀粉和蛋白質(zhì)）形成氫鍵或交聯(lián)，穩(wěn)定體系結(jié)構(gòu)，從而抑制顆粒的膨脹，提升體系黏度。此外，親水膠體自身能夠形成均勻的溶膠體系，覆蓋在淀粉顆粒表面，抑制了淀粉顆粒的膨脹，從而導(dǎo)致體系黏度升高。由表2可知，在同等添加量下，ASKG的添加對其糊化黏度的影響明顯高于FG，這可能與兩種膠體自身的糖鏈組成有關(guān)。此外，崩解值可反映糯米粉在加熱過程中的穩(wěn)定性，崩解值越小說明體系具有更好的熱穩(wěn)定性和抗剪切變稀性。由表2可知，親水膠體的加入會提高樣品的崩解值，這可能是因?yàn)榛旌象w系黏度的提高致使剪切過程中有更大的剪切力作用于膨脹顆粒，顆粒更易產(chǎn)生變形及破壞，與此同時(shí)，淀粉顆粒的破壞減弱了二者因相分離作用而產(chǎn)生的黏度增加效應(yīng)，致使崩解值提高。

表2 添加FG和ASKG的混合糯米粉的糊化特性Table 2 Pasting properties of glutinous rice flour with added FG or ASKG mPags

2.2 親水膠體對糯米粉流變特性的影響

由圖1可知，混合糯米粉凝膠的’均大于’’，表現(xiàn)出典型的弱凝膠行為。在測試范圍內(nèi)，’隨著頻率的增加而增加，且隨添加膠體比例的增大而逐漸升高，其中FG的添加對體系’的影響較大?！脑黾颖砻饔H水膠體與糯米粉分子鏈間更容易發(fā)生相互作用，使其體系內(nèi)分子鏈段間形成較多的纏結(jié)點(diǎn)，三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更強(qiáng)。此外，一些親水膠體既能與淀粉鏈發(fā)生相互作用，也會與蛋白質(zhì)分子之間競爭性地結(jié)合水，弱化蛋白網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致tan發(fā)生變化。由圖1可知，與空白相比，在同一頻率下，當(dāng)FG添加量為0.1%時(shí)，tan增加，這可能因?yàn)榈吞砑恿康腇G對蛋白網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的弱化作用強(qiáng)于其對淀粉鏈的增強(qiáng)作用，進(jìn)而導(dǎo)致凝膠結(jié)構(gòu)減弱；而FG添加量大于0.1%時(shí)tan降低（圖1），這可能因?yàn)殡S著FG添加量的增加，F(xiàn)G對淀粉鏈的增強(qiáng)作用占主導(dǎo)地位，使得凝膠向固體形態(tài)發(fā)展，從而增加凝膠的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。Zheng Mingjing等發(fā)現(xiàn)殼聚糖可以鑲嵌于蓮子淀粉三維網(wǎng)絡(luò)中，形成較為穩(wěn)定的剛性結(jié)構(gòu)。如圖1所示，ASKG的加入，在低頻率范圍內(nèi)增加了tan，說明凝膠向流體形態(tài)發(fā)展，增加了體系的流動性，這可能是由于ASKG在糊化過程中形成連續(xù)相，包裹在糯米粉分子表面，抑制糯米粉分子鏈間的相互作用，阻礙了其凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的形成。Qiu Shuang等指出，由于膠體與淀粉組分的熱力學(xué)不相容性，致使兩者之間發(fā)生相分離，導(dǎo)致淀粉和膠體在各自兩相中的有效濃度增加，進(jìn)而導(dǎo)致′增強(qiáng)，流動性增強(qiáng)。

圖1 添加FG和ASKG的混合糯米粉的流變特性Fig.1 Dynamic rheological properties of glutinous rice flour with added FG or ASKG

2.3 親水膠體對湯圓水分損失率的影響

在冷凍過程中，湯圓的中心溫度低于表面溫度，存在一定的氣壓差導(dǎo)致湯圓表面冰晶的升華，從而造成水分的流失并出現(xiàn)干耗現(xiàn)象。因此，水分損失率是反映速凍湯圓產(chǎn)品貯藏穩(wěn)定性的重要指標(biāo)。由圖2可知，親水膠體的加入明顯降低了湯圓的水分損失率（＜0.05），且隨著添加量的增加而降低。這可能是因?yàn)樵趦霾剡^程中，親水膠體為連續(xù)相，分布于糯米粉顆粒的周圍，并與糯米粉分子產(chǎn)生一定相互作用，增強(qiáng)了其與水分子的結(jié)合能力，進(jìn)而阻止了水分的析出。此外，親水膠體上大量的羥基與水分子結(jié)合形成氫鍵，也可減少水分的損失。

圖2 添加FG和ASKG湯圓的水分損失率Fig.2 Water loss rates of sweet dumplings with added FG or ASKG

2.4 親水膠體對湯圓凍裂率的影響

在冷凍過程中，由于水分分布不均，易形成不均一、體積較大的冰晶，導(dǎo)致湯圓表面出現(xiàn)開裂和褶皺等現(xiàn)象。因此，通過衡量湯圓的凍裂率可以直觀反映速凍湯圓品質(zhì)。如圖3所示，親水膠體的添加顯著降低了湯圓的凍裂率，且隨著添加比例的增加，凍裂率進(jìn)一步降低。其中，ASKG對其凍裂率的影響更為顯著。這是由于親水膠體具有較好的保水能力，能夠促進(jìn)湯圓中水分的均勻分布，使得速凍過程中形成體積較小的冰晶，進(jìn)而降低了湯圓的凍裂率。

圖3 添加FG和ASKG湯圓的凍裂率Fig.3 Cracking rates of sweet dumplings with added FG or ASKG

2.5 親水膠體對湯圓湯汁透光率的影響

湯圓的湯汁透光率可反映湯圓的蒸煮品質(zhì)，這與湯圓冷凍過程中的脫粉、塌陷等品質(zhì)劣變密切相關(guān)，主要與湯圓在形成凝膠過程中結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和穩(wěn)定性相關(guān)。由圖4可知，親水膠體的添加能提高湯圓的湯汁透光率（除添加0.1% FG），且透光率隨著膠體添加量的增加而增加。其中，F(xiàn)G添加量高于0.3%方可表現(xiàn)出明顯的效果，而ASKG的少量加入就能夠顯著增加其湯汁透光率，但對膠體添加量的依賴性不強(qiáng)。湯汁透光率的增加可能是由于親水膠體與淀粉分子形成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)體系網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，減少了可溶性組分的溶出，進(jìn)而保持了湯圓的完整性。而當(dāng)FG添加量為0.1%時(shí)湯汁透光率變化不明顯，主要是由于FG在淀粉鏈發(fā)生相互作用的同時(shí)會弱化蛋白結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致其凝膠穩(wěn)定性變化不顯著，透光率與空白相比變化較小。

圖4 添加FG和ASKG湯圓湯汁的透光率Fig.4 Transmittance of the soup of sweet dumplings with added FG or ASKG

2.6 親水膠體對湯圓質(zhì)構(gòu)特性的影響

食品的質(zhì)構(gòu)特性是通過模擬人體口腔咀嚼運(yùn)動評價(jià)食品加工和品質(zhì)的重要指標(biāo)。其中硬度通常作為總質(zhì)構(gòu)屬性的指標(biāo)，可以較為有效地衡量湯圓綜合品質(zhì)。由表3可知，F(xiàn)G和ASKG的加入對湯圓的硬度、黏附性、凝聚性和咀嚼性均有一定程度的影響。除添加0.1% ASKG外，親水膠體會增加湯圓的硬度，且隨著添加量的增加而增加。硬度的增加可能是由于親水膠體與糯米淀粉發(fā)生相互作用，增強(qiáng)了凝膠強(qiáng)度進(jìn)而提高湯圓的硬度。與空白相比，添加低濃度膠體對湯圓黏附性和凝聚性無顯著影響，而添加高濃度膠體會降低湯圓的黏附性和凝聚性。這可能是由于親水膠體具有較好的持水性，當(dāng)其與糯米粉復(fù)配制備湯圓時(shí)，由于膠體與水的相互作用，使得糯米粉與水的結(jié)合能力減弱，導(dǎo)致湯圓黏附性降低，口感良好。

表3 添加FG和ASKG的湯圓質(zhì)構(gòu)特性Table 3 Texture properties of sweet dumplings with added FG or ASKG

2.7 湯圓品質(zhì)指標(biāo)數(shù)據(jù)化主成分分析結(jié)果

如表4所示，根據(jù)主成分的特征值（特征值大于1）可從品質(zhì)指標(biāo)中提取3 個(gè)主成分。這3 個(gè)主成分的累計(jì)貢獻(xiàn)率為96.934%，能夠反映湯圓品質(zhì)的絕大部分信息。在提取的3 個(gè)主成分中，第1主成分的方差貢獻(xiàn)率為68.273%，主要反映湯圓粉的糊化特性和湯圓的蒸煮特性；第2主成分的方差貢獻(xiàn)率為19.561%，主要反映湯圓質(zhì)構(gòu)指標(biāo)中的黏附性、硬度和凝聚性；第3主成分的方差貢獻(xiàn)率為9.100%，主要反映咀嚼性。根據(jù)因子得分系數(shù)矩陣可得各主成分的函數(shù)表達(dá)式：

表4 添加親水膠體的湯圓指標(biāo)因子載荷矩陣Table 4 PCA loading matrix

式（3）～（5）中：～分別為峰值黏度、谷值黏度、終值黏度、崩解值、水分損失率、凍裂率、透光率、硬度、黏附性、凝聚性、咀嚼性和回復(fù)性的標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)值。

根據(jù)3 個(gè)主成分的特征值建立湯圓品質(zhì)綜合評價(jià)模型：

根據(jù)上述評價(jià)模型計(jì)算湯圓綜合評價(jià)得分并進(jìn)行排名。由表5可知，在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)，當(dāng)ASKG添加量為0.9%時(shí)，湯圓綜合得分最高。對于已知的品質(zhì)指標(biāo)可以采用該模型對湯圓的品質(zhì)進(jìn)行評價(jià)，進(jìn)而對親水膠體的添加量進(jìn)行調(diào)控。

表5 添加親水膠體的湯圓各主成分得分Table 5 Principal component scores for sweet dumplings with added hydrocolloids

2.8 感官評分驗(yàn)證主成分分析結(jié)果

為了減小感官評價(jià)中主觀評價(jià)帶來的誤差，采用模糊數(shù)學(xué)感官評分法測定樣品的感官特性。根據(jù)權(quán)重比得到權(quán)重集：

＝｛0.05，0.26，0.21，0.21，0.21，0.06｝

親水膠體添加量的湯圓評分結(jié)果見表6。

表6 11 種湯圓的模糊數(shù)學(xué)感官評分Table 6 Fuzzy mathematics sensory evaluation scores of 11 sweet dumpling samples

所得分?jǐn)?shù)以不添加親水膠體的空白湯圓為例：

根據(jù)所得的感官評價(jià)得分，可得矩陣：

將矩陣進(jìn)行歸一化處理的’：

根據(jù)模糊變化原理，對空白樣品的綜合評價(jià)結(jié)果為：

對其進(jìn)行賦值：＝0h100＋0.351h90＋0.303h80＋0.204h70＋0.122h60＝77.43。同理可得：＝78.98，＝81.63，＝82.14，＝82.17，＝82.19，＝79.58，＝82.26，＝83.67，＝84.12，＝84.56。為不添加親水膠體的湯圓感官評分；～分別為添加0.1%、0.3%、0.5%、0.7%和0.9% FG的湯圓感官評分；～分別為添加0.1%、0.3%、0.5%、0.7%和0.9% ASKG的湯圓感官評分。

感官評價(jià)結(jié)果表明，添加0.9% ASKG，湯圓的品質(zhì)最優(yōu)，而不添加親水膠體時(shí)口感最差。這與主成分分析的綜合評分基本一致，表明可以利用主成分綜合評價(jià)模型對湯圓品質(zhì)進(jìn)行評價(jià)。

3 結(jié) 論

除0.1% FG，其余親水膠體的加入提高了糯米粉的糊化黏度，增加了糯米粉凝膠的彈性模量，增強(qiáng)了其結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性；親水膠體的添加不僅可降低湯圓在貯藏過程中的水分損失率和凍裂率，增加湯圓蒸煮過程中的湯汁透光率（除添加0.1% FG），還可增加湯圓的硬度和咀嚼性，降低湯圓的黏附性，有效改善湯圓的品質(zhì)特性。此外，對混合糯米粉糊化特性和湯圓品質(zhì)相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行主成分分析，并通過模糊數(shù)學(xué)構(gòu)建湯圓品質(zhì)的綜合評價(jià)模型，其中，ASKG的添加量為0.9%時(shí)，感官評分最高。該模型可為親水膠體在湯圓中的應(yīng)用提供參考。