粳型糙米糊化特性與陳化品質相關性擬合研究

王熠瑤 許啟杰 孫 俊 常亞飛 張烝彥 呂 飛 丁玉庭 周緒霞

(浙江工業大學食品工程與質量控制研究所1，杭州 310014)

(杭州市糧食收儲有限公司2，杭州 310014)

(杭州市糧油中心檢驗監測站3，杭州 310014)

關鍵字 粳型糙米 回生值 主成分分析 最小二乘法 陳化

儲藏過程中的自發生理活動和儲藏環境均會對糧食物理特性和功能性質產生不同程度的影響，并引起化學指標的變化從而導致糧食陳化[1,2]。而探索儲藏過程中糧食品質的變化規律，獲得能夠準確有效評價糧食陳化等品質特性的敏感性指標,以更好地指導儲糧作業一直是研究的重點[3]。

糙米儲藏過程中，脂類物質會先后發生水解和氧化反應形成游離脂肪酸、羰基化合物等，引起脂肪酸值和硬度上升，其中己醛是導致糙米產生不良風味的主要因素[4，5]?？偹岫然蛑舅岷靠勺鳛闄z測糙米陳化度的常用指標，而國家相關標準中也以脂肪酸值作為稻谷品質的評判基準。與此同時，糙米中的蛋白質與淀粉的相互作用會得到進一步加強，蛋白質分子量不斷增加，淀粉顆粒膨脹力下降，阻止了淀粉吸水糊化和多糖游離析出，米飯烹飪質地和食用口感逐漸降低，表現為淀粉糊化特性的變化[6，7]。目前，糙米糊化特性的測定通常采用快速黏度分析(RVA)法，由于樣品用量少、檢測速度快、自動分析、誤差小， RVA法已開始廣泛應用于糙米蒸煮品質的評價[8]。RVA特征曲線的特征參數包括峰值黏度、最低黏度、最終黏度、崩解值、回生值、糊化溫度和峰值時間。糙米的糊化特征值與其食味品質具有很好的相關性，郭玉寶[9]認為RVA特征參數是作為表征大米在儲藏過程中陳化變化的提供信息最豐富、最有規律且最靈敏的指標。Indudhara等[10]認為，稻谷在儲藏期中其峰值黏度隨著時間延長呈先上后下的趨勢變化。國內外研究普遍認可通過糊化指標值對大米的優劣品質進行區分[11]，但目前對糙米儲藏過程中糊化特性變化與傳統陳化品質評價指標，尤其是脂肪酸值變化的相關性鮮見報道。

本研究設置了4組儲糧模式(臭氧預處理和非臭氧預處理、普通包裝和N2氣調包裝)對粳型糙米進行儲藏，采集儲藏過程中粳型糙米理化指標、微生物指標(菌落總數、霉菌總數)和品質指標等的變化情況，通過基于SPSS分析軟件的主成分分析(PCA)比較脂肪酸值與糊化特性變化趨勢及RVA曲線中各特征參數值與關聯指標的相關性，探索得到反映粳型糙米陳化品質變化的糊化特征最佳參數指標，并用MATLAB分析軟件擬合得出指標參數閾值區間，為粳型糙米儲糧過程中品質評價提供參考。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

粳型糙米(2016年12月收獲于浙江杭州)。糙米出廠檢測評定等級一級，糙米容重836 kg/m3，含水量13.5%，整精米率85%，雜質總量0.2%，稻谷粒10 粒/kg，不完善粒1.5%(霉變粒0.3%)，互混率0.6%。

1.2 儀器設備

HFL-20型臭氧發生器；RXZ智能型人工氣候箱；BLH-3120型精米機；FSD-100A型電動粉碎機；DDS-12DW型電導率儀；759UV型紫外可見分光光度計；RVA-TecMaster快速黏度分析儀；DHG-9055A型300度臺式烘箱；MAP-H360型復合氣調保鮮包裝機；MB-WFS4029型電飯煲。

1.3 方法

1.3.1 儲藏模式設計

4組粳型糙米儲藏條件分別為：A(18 ℃普通包裝)、B(18 ℃ N2包裝)、C(18 ℃ O3預處理后普通包裝)、D(18 ℃ O3預處理后N2包裝)。其中C、D組粳型糙米臭氧預處理濃度為1 700～1 900 mg/kg，時間為22 min。每組樣品30 kg，分裝成盒，每盒300 g，包裝盒采用聚苯乙烯(19 cm×13.5 cm×4 cm)，包裝膜采用聚對苯二甲酸類塑料結合流延聚丙烯薄膜(MAP-H360)。B、D組樣品的包裝盒里充入N2(濃度≥98%)進行氣調包裝，A、C組樣品為空氣包裝。將4組樣品(各3個重復)置于18 ℃的RXZ智能型人工氣候箱內儲藏12個月，每3個月取樣測定各指標。

1.3.2 粳型糙米理化特性的測定

發芽率(GR)按照GB/T 5520—2011測定；電導率(EC)測定方法參照文獻[12]并稍作修改：隨機選取外觀無損傷、大小均勻的糙米40粒，用蒸餾水重洗3次后置于50 mL蒸餾水中浸泡, 25 ℃恒溫下靜置24 h，用電導儀測定浸出液的電導率；降落數值(FN)按照GB/T 10361—2008測定；過氧化氫酶活度(CAT)按照GB/T 5522—2008采用高錳酸鉀滴定法進行測定；直鏈淀粉含量(AC)按照GB/T 15683—2008采用分光光度法測定；脂肪酸值(FA)按照GB/T 20569—2006(附錄A 稻谷脂肪酸值測定方法)氫氧化鉀滴定法測定；丙二醛(MDA)的測定參照賈少英[13]的方法。

從行業的特點上看，建筑業本身就是高危行業，在建筑施工中諸多的安全隱患一直都是企業要面對的問題，對施工人員有著非常高的要求，需要施工人員保持非常好的安全意識。因此在建筑施工中需要施工人員不斷加強在安全知識以及安全管理方面的學習，對各類的安全措施要進行完善。施工單位的負責人需要對建筑施工有足夠的認知，具備極強的安全意識，認識到在建筑施工實際開展中，安全質量方面的監督是不可松懈的，對施工各個方面展開嚴格的監督，然后對建筑施工中的各類安全措施進行完善。

1.3.3 粳型糙米微生物指標的測定

細菌總數 (TBC)按照GB 4789.2—2016配制平板計數瓊脂培養基(PCA)進行測定；霉菌總數(TMC)按照GB/T 4789.15—2016(第一法 霉菌和酵母平板計數法)配制馬鈴薯葡萄糖瓊脂培養基進行測定。

1.3.4 粳型糙米加工品質的測定

整精米率(HRY)按照GB/T 21719—2008測定；糙米食味品質感官評分(SE)參考GB/T 15682—2008《糧油檢驗 稻谷、大米蒸煮食用品質感官評價方法》中的綜合評分法；米飯糊化特性(PP)按照GB/T 24852—2010采用快速黏度儀(RVA分析儀)進行測定。

1.4 數據統計與分析

實驗數據采用SPSS 25.0進行主成分分析(PCA)、Duncan顯著性分析、(ANOVA)雙因素相關性分析；采用MATLAB.R2017b進行最小二乘法多項式擬合。其中，對電導率、發芽率、降落數值、整精米率、直鏈淀粉含量、過氧化氫酶活度、感官評價、丙二醛、菌落總數、霉菌總數等10項理化指標分別與脂肪酸值、糊化特征值(峰值黏度、最低黏度、最終黏度、崩解值、回生值、糊化時間、糊化溫度)進行多因子降維分析(PCA)，獲得綜合評判得分標準；用MATLAB對得分曲線作最小二乘法n階多項式擬合，基于Duncan顯著性分析(P<0.01)和ANOVA雙因素相關性分析，篩選出最佳糊化特征值；通過MATLAB擬合得出該糊化特征參數與脂肪酸值的最佳擬合曲線方程，計算出該參數值閾值區間。

2 結果與分析

2.1 粳型糙米品質變化描述性分析

儲藏期內各組粳糙米理化指標變化如表1所示。臭氧殺菌不僅使粳糙米中初始微生物的數量減少，而且也改變了粳糙米的細胞膜的通透性，從而對粳糙米正常的新陳代謝產生影響。儲藏中后期N2氣調包裝2組樣品的發芽率下降速度有所減緩。粳糙米受到臭氧脅迫整精米率也略有下降，而整精米率受時間影響變化差異并不顯著(P>0.05)，這與沈士博等[14]針對陵風優18和武粳15水稻的研究結果相一致。

如圖1所示，儲藏前期粳糙米未分裝時脂肪酸值僅為14.95 mg/100 g，而經過臭氧殺菌預處理的粳糙米脂肪酸值上升至16.87 mg/100 g ，丙二醛含量變化不顯著。造成這種變化的原因是臭氧的強氧化作用，在殺菌過程中，臭氧快速穿過細菌體內部，與細胞壁的脂多糖和脂蛋白等脂類物質發生雙鍵反應，加速脂類物質水解，致使游離脂肪酸含量增加[15]。充氮過程是將密閉糧堆中的空氣抽出轉換成氮氣，造成缺氧的效果，從而抑制粳糙米細胞呼吸，減緩脂類物質酸敗，達到保鮮效果。儲藏12個月時B和D組粳糙米的脂肪酸值均低于普通包裝組，丙二醛含量走勢與脂肪酸值大體相同。圖2對粳糙米食味品質評分曲線可以看出，儲藏到第12個月時，A組粳糙米口感不佳已不宜再存放，D組粳糙米感官評分值高于其他3組，陳化速度較慢。綜合分析，隨儲藏期的延長，粳糙米口感發生劣變，品質下降，而N2氣調包裝和臭氧殺菌預處理均可在一定程度上延緩粳糙米的陳化速度。

表1 儲藏期內粳型糙米品質指標變化

注：同列數值標以相同字母表示差異不顯著(P>0.05)，標以不同字母表示差異顯著(P<0.05)。

圖1 儲藏期內粳型糙米脂肪酸值及丙二醛變化

圖2 儲藏期內粳型糙米感官評價變化

2.2 基于SPSS粳型糙米理化指標主成分分析

對粳糙米的品質指標利用SPSS進行降維主成分分析，以獲得判斷粳糙米陳化品質變化更精準的分析依據。其中選取的可以反映粳糙米品質變化的11個理化指標分別為：電導率(EC)、脂肪酸值(FAV)、整精米率(HRY)、感官評價(SE)、發芽率(GR)、丙二醛(MDA)、直鏈淀粉含量(AC)、霉菌總數(TMC)、菌落總數(TBC)、降落數值(FN)、過氧化氫酶活度(CAT)。

圖3 粳型糙米儲藏過程中11個指標的主成分分析圖和主成分分析載荷圖

2.3 儲藏期內粳型糙米糊化特性變化趨勢的分析

通過SPSS得到了4種儲藏模式下5個糊化特征參數的20條綜合評分曲線。以脂肪酸值綜合評分曲線為基準，將4組樣品各5條糊化特征參數綜合評分曲線與脂肪酸值綜合評分曲線進行擬合，結果如圖4所示。

圖4 4種儲藏模式下粳型糙米糊化特征參數PCA擬合圖

表2 粳型糙米糊化特性與品質指標相關性分析

注：**在 0.01 級別(雙尾)，相關性極顯著。*在 0.05 級別(雙尾)，相關性顯著。

根據儲藏期為0、3、6、9、12個月的數據采集點分布情況綜合分析判斷，選擇了四階多項式最小二乘法對數據進行擬合比較，此時所得曲線的殘差模最小，擬合度最高。4種儲藏模式的綜合評分曲線走勢各不相同，儲藏模式一致，縱向比較5條糊化特征參數曲線擬合度發現，脂肪酸值綜合評分曲線變化趨勢與5條糊化特征參數綜合評分曲線變化趨勢保持一致，擬合曲線的相關性皆處于合理范圍內上下波動。通過圖像對比分析，粳糙米的糊化特性變化趨勢與脂肪酸值相同，表明其與儲藏期內粳糙米的品質陳化相關，可作為反映粳糙米陳化特性的參考指標值。

2.4 關聯陳化品質糊化特征值的篩選

對糊化特征參數值與粳糙米的理化指標進行相關性分析,以進一步篩選出關聯粳糙米陳化品質的糊化特征參數。由表2可見，回生值和崩解值與脂肪酸值、感官評價、發芽率、直鏈淀粉含量、降落數值、過氧化氫酶活度等多項品質指標均為極顯著相關(P<0.01)。最終黏度與糊化溫度、峰值時間及回生值都分別呈極顯著正相關。李先喆等[16]從RVA曲線一系列加熱-高溫-冷卻的黏滯性變化中發現，峰值黏度、回生值、崩解值等與糙米的蒸煮食味品質密切相關，皆可作為評價粳糙米陳化評判的重要指標。其中，回生值是最終黏度與最低黏度的差值，常常被用作反映淀粉的老化程度及淀粉在熟化冷卻后形成凝膠物質的能力，因此，本研究篩選出回生值作為糊化特性指標值，并進一步通過MATLAB擬合關聯性指標確定其閾值區間。

2.5 基于MATLAB擬合關聯性指標閾值區間的確定

如圖5所示，分別對每種儲藏模式下粳糙米的回生值與脂肪酸值做了線性擬合、三次多項式最小二乘擬合、四階多項式最小二乘擬合，得到擬合曲線圖。

通過對比每組擬合曲線殘差模，確保擬合曲線方程矩陣在合理值范圍內殘差模盡可能的小，從而確定了四階多項式最小二乘曲線為最佳擬合曲線。4種儲藏模式下的擬合曲線方程分別為：

參照GB/T 20569—2006《稻谷儲存品質評判規則》，以脂肪酸值作為指標對粳糙米儲藏過程中品質進行評價，即脂肪酸值(KOH/干基)≤25.0 mg/100 g 時宜存；脂肪酸值(KOH/干基)≤35.0 mg/100 g 時輕度不宜存；脂肪酸值(KOH/干基)>35.0 mg/100 g 時重度不宜存，以此可以確定關聯粳糙米陳化品質的糊化特征參數回生值的閾值區間，即當回生值≤1 246.5 cP時粳糙米宜存。

圖5 粳型糙米回生值與脂肪酸值擬合曲線

3 結論

本實驗分析的11個理化指標與粳糙米的陳化品質顯著相關，可作為粳糙米降維分析綜合評分標準。通過SPSS主成分分析及MATLAB最小二乘曲線擬合分析，在綜合評分曲線中粳糙米糊化特性與脂肪酸值變化趨勢一致。粳糙米糊化特征參數回生值與感官評分值、發芽率、直鏈淀粉含量、降落數值、過氧化氫酶活度等多個品質指標極顯著相關，篩選出其作為關聯粳糙米陳化品質的指標。進一步參照國家標準規定的脂肪酸值閾值，對回生值與代表性指標脂肪酸值進行最小二乘擬合，獲得了反映粳糙米品質變化關聯性指標回生值閾值區間，即當回生值≤1 246.5 cP時，粳糙米品質良好且處于適宜存放狀態。RVA快速黏度儀可就近在糧倉內進行檢測，大幅度降低了外界因素對實驗結果的干擾，便于更準確判斷粳糙米儲藏期間內品質的優劣變化。但本實驗樣本品相較為單一，今后研究可擴大實驗樣品數量，對多品種粳型糙米的各理化指標同時測定和分析，進而縮小回生值閾值誤差。