基于主成分分析的21種粳性黃米品質(zhì)評價

趙 寧 解 菲 梁雞保 馮佰利 杜雙奎

(1. 西北農(nóng)林科技大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 咸陽 712100；2. 糧油功能化加工陜西省高校工程研究中心，陜西 咸陽 712100；3. 神木市農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心，陜西 榆林 719000；4. 西北農(nóng)林科技大學(xué)農(nóng)學(xué)院，陜西 咸陽 712100)

糜子(PanicummiliaceumL.)，禾本科黍?qū)?，是起源于中國的古老農(nóng)作物，耐旱、耐貧瘠、生育期短，過去常被用于救災(zāi)備荒、復(fù)種增收及調(diào)節(jié)農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)[1]。在中國，糜子作為一種特色的經(jīng)濟(jì)糧食作物，廣泛種植于山西、陜西、河北等地，品種繁多，但目前許多糜子產(chǎn)區(qū)種植規(guī)模以小農(nóng)戶為主，經(jīng)濟(jì)較為落后，對糜子市場空間和經(jīng)濟(jì)效益的關(guān)注有限[2]。此外，糜子不含面筋蛋白，在產(chǎn)品加工中不易成型，因此在面制食品加工中應(yīng)用不廣泛[3]。

糜子脫殼、碾米得到產(chǎn)品為黃米，其蛋白含量達(dá)12.2%，含有18種氨基酸，其中人體8種必需氨基酸的含量均高于小麥、大米和玉米，且構(gòu)成比例較為均衡，易被人體吸收和利用[4]。黃米中含有豐富的礦質(zhì)元素，含量高于大米、小麥和玉米[5]。淀粉所占比例最多，約為70%[6]，與小麥、大米接近。依據(jù)直鏈淀粉含量高低，黃米可分為粳性黃米和糯性黃米兩種，粳性黃米直鏈淀粉含量在21.87%～23.58%，糯性黃米直鏈淀粉含量在3.7% 以下[7]。粳性黃米直鏈淀粉含量與小米接近，但口感差異較大[8]。國內(nèi)外關(guān)于粳性黃米的研究主要集中在抗逆品種栽培[9]、粳糯黃米品質(zhì)比較[7]、蛋白質(zhì)[10]、淀粉[11]等方面，對粳性黃米品質(zhì)差異的研究較少，且僅限于少量的種植資源。在中國，粳性黃米多年來一直以黃米飯、黃米饅頭、煎餅等傳統(tǒng)家庭加工產(chǎn)品形式呈現(xiàn)，缺乏工業(yè)化主打產(chǎn)品[12]，這與其品質(zhì)評價及研究不系統(tǒng)有關(guān)。

目前，黃米品質(zhì)評價指標(biāo)較多，但所選品種較少，不具代表性，且粳性黃米品質(zhì)的多指標(biāo)綜合評價尚未涉及，缺乏實(shí)踐指導(dǎo)意義，影響了優(yōu)質(zhì)粳性黃米品種的篩選及加工。主成分分析法(principal component analysis，PCA)是將多個變量經(jīng)線性變換為少數(shù)幾個有代表性的變量，來反映不同物質(zhì)之間差異的一種多元統(tǒng)計分析方法[13]。利用PCA可減少指標(biāo)，簡化評價過程，適用于多指標(biāo)的綜合評價，近年來已被廣泛用于農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)差異的研究。周顯青等[14]對59個秈稻品種的基本理化指標(biāo)及加工成米飯后的感官指標(biāo)進(jìn)行測定，利用PCA建立了秈米的食味品質(zhì)評價模型，并用感官評價法驗(yàn)證了其適用性。韋露露等[15]測定了15種小米的主要營養(yǎng)、功能成分及理化特性，利用PCA對其品質(zhì)進(jìn)行了評價，經(jīng)評價模型得到了綜合品質(zhì)較優(yōu)的小米品種。研究擬對21個粳性黃米品種的營養(yǎng)成分、糊化特性、蒸煮特性及質(zhì)構(gòu)特性15個品質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行測定，采用PCA對其進(jìn)行品質(zhì)評價并篩選，確定出影響粳性黃米品質(zhì)的關(guān)鍵指標(biāo)，為粳性黃米品種的篩選及黃米產(chǎn)品的加工提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

粳性黃米：隴糜5號、隴糜7號、隴糜8號、隴糜9號、隴糜10號、隴糜11號、寧糜9號、寧糜10號、寧糜13號、寧糜14號、寧糜16號、寧糜17號、固糜21號、伊糜5號、內(nèi)糜3號、內(nèi)糜5號、內(nèi)糜6號、內(nèi)糜9號、赤糜2號、榆糜2號、榆糜3號，陜西神木縣農(nóng)技推廣中心。用高速粉碎機(jī)粉碎30 s，全部過60目篩，備用。

1.2 主要儀器設(shè)備

高速萬能粉碎機(jī)：FW-100型，天津泰斯特儀器有限公司；

電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱：DHG-9146A型，上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司；

低速離心機(jī)：KDC-40型，科大創(chuàng)新股份有限公司中佳分公司；

全自動凱氏定氮儀：KJELTEC 2300型，瑞典FOSS公司；

快速黏度分析儀：RVA-Tec Master型，瑞典Perten公司；

物性測定儀：TA.XT PLUS/50型，英國STABLEMICVO公司。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 營養(yǎng)成分測定

(1) 粗蛋白含量：按GB 5009.5—2016執(zhí)行。

(2) 淀粉含量：按GB/T 5009.9—2016執(zhí)行。

(3) 粗脂肪含量：按GB 5009.6—2016執(zhí)行。

(4) 直鏈淀粉含量：參照Yang等[6]的方法。

1.3.2 糊化特性測定 稱取3 g樣品與25 mL蒸餾水在鋁罐中混合均勻，將樣品以12 ℃/min的速度從50 ℃升高到95 ℃，保持2.5 min，再以12 ℃/min的速度冷卻到50 ℃，保持2 min。起始10 s轉(zhuǎn)速設(shè)定為960 r/min，之后勻速160 r/min。

1.3.3 蒸煮特性測定 參照Yang等[6]的方法略有改動。稱取2.0 g黃米，測得其初始體積后，加30 mL蒸餾水在100 ℃蒸煮30 min，冷卻至室溫。將米湯轉(zhuǎn)移至離心管中，定容至40 mL，3 800 r/min離心5 min，取10 mL上清于烘干的鋁盒中，105 ℃干燥至恒重，測得米湯干物質(zhì)重量。將蒸煮后的黃米瀝干水分，測其重量，利用排水法測得黃米蒸煮后的體積，計算黃米的加熱吸水率、體積膨脹率和溶出率。

(1)

(2)

(3)

式中：

a——加熱吸水率，%；

v——體積膨脹率，%；

d——溶出率，%；

m1——黃米初始質(zhì)量，g；

m2——米湯固形物質(zhì)量，g；

m3——蒸煮后黃米質(zhì)量，g；

V1——黃米初始體積，mL；

V2——蒸煮后黃米體積，mL。

1.3.4 質(zhì)構(gòu)特性的測定 根據(jù)T/YCXH 1—2016《黃米蒸煮食用品質(zhì)感官評價方法》制備黃米飯。將裝有黃米飯的鋁盒置于載物臺上，測定其TPA特性。參數(shù)設(shè)定為：選用P36/R探頭，測試前、中、后速度分別為1，1，2 mm/s，壓縮距離5 mm。

1.4 數(shù)據(jù)分析

所有數(shù)據(jù)均為3次重復(fù)試驗(yàn)的平均值，采用SPSS 18.0對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，采用Origin 2021軟件進(jìn)行圖形繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 品質(zhì)特性

對21個粳性黃米品種的營養(yǎng)成分、糊化特性、蒸煮特性及質(zhì)構(gòu)特性進(jìn)行分析，結(jié)果見表1。從營養(yǎng)成分來看，粳性黃米的粗蛋白、淀粉、粗脂肪、直鏈淀粉含量分別在10.67%～13.63%，69.08%～83.57%，2.50%～5.40%，17.48%～21.86%，粗脂肪的變異系數(shù)最大。伊糜5號粗蛋白和粗脂肪含量較高，內(nèi)糜9號淀粉含量較高。由糊化特征值可以看出，粳性黃米的起糊溫度、峰值黏度、最終黏度、破損值、回生值分別在77.40～88.80 ℃、1.01～1.46 Pa·s、2.19～3.72 Pa·s、0.34～0.65 Pa·s、1.58～2.85 Pa·s，回生值差異最大。內(nèi)糜5號的回生值最低，表明其抗老化程度強(qiáng)，冷糊穩(wěn)定性較好；赤糜2號的峰值黏度和破損值最低，起糊溫度最高，表明其不易糊化，熱糊穩(wěn)定性及抗剪切能力較強(qiáng)[16]。從蒸煮特性分析，粳性黃米的加熱吸水率、體積膨脹率、溶出率分別在527.86%～745.00%，545.00%～745.00%，2.95%～4.05%。吸水率的差異與其含有的親水物質(zhì)如淀粉、蛋白質(zhì)、纖維組成與性質(zhì)不同有關(guān)，也與米粒的結(jié)構(gòu)特性有關(guān)[17]。米飯的TPA特性主要受淀粉的溶脹、蛋白質(zhì)含量及細(xì)胞壁抗壓強(qiáng)度的影響，可用于反映米飯的食用品質(zhì)[18]。黃米米飯的硬度、黏附性、咀嚼性分別在5.76～13.81 N、286.46～893.52、247.07～777.48。內(nèi)糜5號的硬度、黏附性、咀嚼性高于其他品種，寧糜16號的硬度、黏附性最低。劉厚清等[19]研究發(fā)現(xiàn)，在TPA指標(biāo)中，最能直接反映米飯品質(zhì)的參數(shù)是硬度和黏附性，其中硬度、黏附性適中的大米食用品質(zhì)更好。

表1 粳性黃米的品質(zhì)性狀差異Table 1 Differences in quality traits of non-waxy proso millet

由離散程度可以看出，參試品種的品質(zhì)指標(biāo)差異較大。其中質(zhì)構(gòu)特性、粗脂肪含量、回生值、破損值、最終黏度的變異系數(shù)均大于10%，品種間差異較大，起糊溫度和淀粉含量的變異系數(shù)較小，是較為穩(wěn)定的指標(biāo)。

2.2 相關(guān)性分析

如表2所示，蛋白質(zhì)含量與粗脂肪含量(r=0.535*)、起糊溫度(r=0.561**)呈顯著或極顯著正相關(guān)，與峰值黏度(r=-0.488*)、破損值(r=-0.596**)、溶出率(r=-0.552**)呈顯著或極顯著負(fù)相關(guān)。丁毅等[20]研究表明高蛋白質(zhì)含量的稻米米粒結(jié)構(gòu)致密，淀粉粒之間空隙小，影響淀粉的吸水和膨脹，導(dǎo)致糊化溫度升高，與試驗(yàn)結(jié)果一致。Kolawole等[21]研究認(rèn)為糊化行為是淀粉與非淀粉相互作用的結(jié)果。淀粉含量與直鏈淀粉含量、體積膨脹率和溶出率顯著正相關(guān)。體積膨脹率主要受支鏈淀粉分子的大小、結(jié)構(gòu)影響[22]。直鏈淀粉含量與最終黏度、回生值、溶出率顯著正相關(guān)，與周小理等[23]報道的蕎麥品種直鏈淀粉含量與最終黏度、回生值呈正相關(guān)一致，這是由于直鏈淀粉含量高的淀粉糊在冷卻過程中直鏈淀粉間容易發(fā)生重排，使凝膠強(qiáng)度變大，最終黏度和回生值隨之增大。加熱吸水率與體積膨脹率極顯著正相關(guān)，與杜春微等[24]的研究結(jié)果一致。黃米米飯硬度、黏附性、咀嚼性三者之間存在高度的正相關(guān)性。粳性黃米各指標(biāo)間存在不同程度的相關(guān)性，信息出現(xiàn)重疊現(xiàn)象，因此需利用主成分分析將數(shù)據(jù)降維。

表2 黃米品質(zhì)指標(biāo)間的相關(guān)性?Table 2 Correlation among quality indexes of non-waxy proso millet

2.3 主成分分析

對15個指標(biāo)進(jìn)行主成分分析，結(jié)果見表3。前3個主成分累計方差貢獻(xiàn)率達(dá)到72.04%，解釋了絕大部分原始信息。3個主成分載荷矩陣見表4。由表3、表4可知，PC1(34.95%)主要表征樣品的營養(yǎng)成分、峰值黏度、破損值和蒸煮特性；PC2(25.46%)主要表征樣品的直鏈淀粉含量、起糊溫度、最終黏度和回生值；PC3(11.63%)主要表征樣品的質(zhì)構(gòu)特性。粳性黃米各品質(zhì)指標(biāo)的共同度在0.312～0.934，其中最終黏度、回生值、硬度和黏附性的共同度高，均在0.900以上，是評價粳性黃米品質(zhì)的關(guān)鍵指標(biāo)。

表3 主成分總方差解釋Table 3 Total variance explanation of principal component

表4 3個主成分的載荷矩陣Table 4 Load matrices of three principal components

根據(jù)主成分分析結(jié)果，計算粳性黃米的前3個主成分得分(F1、F2、F3)和綜合得分(F)，得分越高說明其綜合品質(zhì)越好，結(jié)果如表5所示，綜合得分排名前5的品種是隴糜10號、內(nèi)糜9號、隴糜8號、榆糜3號、寧糜13號，表現(xiàn)出較好的綜合品質(zhì)；得分較低的3個品種分別是隴糜5號、赤糜2號、寧糜16號，綜合品質(zhì)相對較差。對21個粳性黃米品種得分進(jìn)行作圖，可以直觀地反映出不同品種在各主成分上的分布情況(圖1)?？梢钥闯?，不同粳性黃米品種離散程度大，差異主要體現(xiàn)在PC1和PC上。綜合得分較高的品種主要集中在PC1和PC2的正向區(qū)域，表明其營養(yǎng)成分、糊化特性和蒸煮特性較好。

表5 粳性黃米品種的主成分得分Table 5 Principal component scores of non-waxy proso millet varieties

圖1 粳性黃米品種PCA分布圖Figure 1 PCA distribution diagram of non-waxy proso millet varieties

3 結(jié)論

試驗(yàn)對21個粳性黃米品種的營養(yǎng)成分、糊化特性、蒸煮特性及質(zhì)構(gòu)特性共15項品質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行了分析，粳性黃米各品質(zhì)指標(biāo)間呈不同程度的差異，變異系數(shù)范圍為4.78%～27.18%，其中質(zhì)構(gòu)特性、粗脂肪含量、回生值、破損值、最終黏度的變異系數(shù)均大于10%，品種間差異較大，起糊溫度和淀粉含量的變異系數(shù)較小。主成分分析提取出3個主成分，累積方差貢獻(xiàn)率達(dá)72.04%，主成分1主要表征營養(yǎng)成分、峰值黏度、破損值和蒸煮特性，主成分2主要綜合了直鏈淀粉含量、起糊溫度、最終黏度和回生值等信息，主成分3反映了質(zhì)構(gòu)特性。影響粳性黃米品質(zhì)的關(guān)鍵指標(biāo)為最終黏度、回生值、硬度和黏附性，其共同度均在0.900以上。綜合得分較高的品種為隴糜10號、內(nèi)糜9號、隴糜8號、榆糜3號、寧糜13號，得分較低為隴糜5號、赤糜2號、寧糜16號。