基于組成成分和米飯質構性狀的東北粳稻聚類分析

陳鳳蓮 賀殷媛 管哲賢 石彥國 張 娜 孫貴堯

(哈爾濱商業大學食品工程學院；黑龍江省普通高等學校食品科學與工程重點實驗室；黑龍江省谷物食品與資源綜合加工重點實驗室，哈爾濱 150076)

稻米作為我國人民日常生活中的主食，以其高產、穩產、經濟價值高的優點在國民經濟中占有極其重要的地位[1]。稻米(干物質)蛋白質質量分數為8.2%～15.2%，氨基酸配比合理，具有高營養價值和低過敏性[2]，是谷物蛋白中營養價值較高的一種。

隨著生活水平和消費水平的提高，人們對優質大米的需求量也日益增加。大米食用品質主要包括外觀、適口性、氣味、味道等指標。大米的適口性(硬度、黏性等)是衡量大米食用品質的主要指標之一，客觀反映了大米的質地和組織結構[3]。不同品種大米的蛋白質及其組分含量有一定的差異，這種差異性對稻米的食味和營養品質起著重要的作用[4-7]。目前針對稻米蛋白質含量對蒸煮食味品質的影響效應，認識尚不一致[8]。稻米的分類指標主要集中于外觀品質、碾磨品質和蒸煮品質等，對其蒸煮后米飯質構作為分類指標的研究鮮見報道。由于得天獨厚的自然條件，東北粳米素有高產、優質著稱，本實驗對東北34個粳稻品種的基本組成成分及其米飯的蒸煮質構特性進行測定，并運用相關性分析，探討大米蛋白組分間、各蛋白組分與米飯質構之間的相互關系，通過聚類分析方法評估粳米品質性狀，為更好發展東北粳稻生產加工以及品質評價提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

東北地產34種水稻品種：五優稻4號、松836、松粳9號、松粳18、松粳19、松粳14號、松粳28、松粳6號、松粳20由黑龍江省農業科學院五常水稻研究所提供；牡育稻42、牡丹江28號、牡響1號、牡丹江35由黑龍江省農業科學院牡丹江分院提供；綏粳18由黑龍江省農業科學院綏化分院提供；龍粳21號、龍粳31號、龍粳39、龍粳46、龍粳50、龍粳63、龍粳64、龍粳65由黑龍江省農業科學院佳木斯分院提供；龍稻29、盛譽1號、綏粳14、綏粳26、墾稻32、空育131、長粳717、中亞粳稻5、龍稻28由東北農業大學農學院提供；吉粳512、吉農大158、吉農大738由吉林省農業科學院提供。

721紫外可見分光光度計，TA.newplus質構儀，JLG-II型礱谷機，VP-32碾米機，JXFM110錘石旋風磨，XMT-F9消化爐，JK-9830自動凱氏定氮儀。

1.2 方法

1.2.1 原料預處理

稻米→晾曬→脫粒→挑選→礱谷→碾米→大米→磨粉(80目篩)→米粉

1.2.2 組成成分測定

水分含量測定參照GB 5009.3—2016；蛋白質含量測定參照GB 5009.5—2016；脂肪含量測定參照GB 5009.6—2016；淀粉含量測定參照GB 5009.9—2016；直鏈淀粉含量測定參照GB/T 15683—2008。

1.2.3 粳米蛋白質含量的測定

參照徐慶國等[9]的方法改進測定。其中，絕對含量是蛋白質占整個米粉的含量，相對含量是蛋白質占總蛋白質的含量。

清蛋白含量的測定：稱取1 g米粉于15 mL離心管中，加入10 mL蒸餾水，放置在搖床上振蕩提取2 h，然后在10 000 r/min條件下離心10 min，將上清液傾入100 mL燒杯中，重復提取3次，合并提取液，加10 mL 0.1%考馬斯亮藍-G250比色液定容至100 mL，然后用分光光度計于595 nm處比色。另外，配置牛血清白蛋白標準溶液作工作曲線，從工作曲線上讀出清蛋白含量。

球蛋白含量的測定：在上述提取過清蛋白的沉淀中加入5%的氯化鈉溶液10 mL，振搖、離心、上清液轉移，重復提取3次，定容同上。

醇溶蛋白含量的測定：在提取過球蛋白的米粉沉淀中加入70%的乙醇10 mL以提取醇溶蛋白，搖勻，離心，上清液轉移，重復提取3次，定容同上。

在提取過醇溶蛋白的米粉沉淀中加入0.2%的氫氧化鈉溶10 mL，放置在搖床上振蕩提取2 h，然后在10 000 r/min條件下離心10min，離心后將上清液傾入500 mL容量瓶中。提取重復3次后，合并提取液，定容。從定容液中取出30 ml轉移至100 mL容量瓶中，再向容量瓶中加入10 mL 0.1%考馬斯亮藍-G250比色液，并加水定容至100 mL；然后用分光光度計于595 nm處比色。

1.2.4 米飯的蒸煮以及質構的測定

米飯的蒸煮品質參照GB/T 15682—2008。米飯質構的測定擺放方法采用3粒法：將蒸煮好的米飯挑出3粒，呈放射性狀布置，應用質構儀P35圓盤形擠壓探頭進行測定，測試前速度為1.00 mm/s、測試速度為1.00 mm/s、測試后速度為1.00 mm/s，壓縮比為50%，接觸點力為10.00 gf，上升高度為10 mm。

1.3 數據處理

每個試樣重復測定3次，結果取平均值。所有數據均采用Excel和SPSS24數據分析軟件進行數據的顯著性分析、相關性分析和聚類分析。

2 結果與分析

2.1 不同品種粳稻的基礎組成成分

稻谷籽粒主要成分為淀粉和蛋白質，其中以淀粉的形式儲藏能量。從表1可以看出，淀粉占其質量(以干基計)的83.53%～88.74%，居所有組成成分的首位。其中松粳18的淀粉質量分數最高，而龍粳64最低。一般優質米的直鏈淀粉質量分數為17%～22%，本實驗樣品的直鏈淀粉質量分數15.76%～22.57%，其中有26個樣品在此范圍內，綏粳18質量分數最高，吉農大738最低。直鏈淀粉含量直接影響米飯的質地，盧毅等[10]研究表明大米直鏈淀粉含量是影響大米食用品質的最主要因素，可作為衡量稻米食味品質的重要指標，一般直鏈淀粉含量過高，米飯質地較硬，黏性較小。

稻米的蛋白質含量僅次淀粉，因品種、產地、生長條件等不同而不同，本實驗的34種稻米蛋白質質量分數約為7.20%～10.34%，吉農大738的質量分數最高，墾稻32次之，而松粳20的質量分數最低。Champagne等[11]通過增加施氮量來增加稻米中的蛋白質含量，結果表明蛋白質含量與米飯的黏性、光滑性負相關，和硬度、吸水性正相關，同時此研究還表明不同的稻米之間至少要相差2個百分點的蛋白質含量其黏性才會發生變化。

除淀粉和蛋白質組分影響外，脂肪也是影響食味品質的重要因素。有研究表明稻米的脂肪含量不高，精米約為0.80%，多為優質的不飽和脂肪酸或淀粉脂肪的復合物，是影響稻米食用品質的重要因素[12]。本實驗的稻米樣品的脂肪質量分數為0.20%～2.19%，江谷馳弘等[13]研究表明提高脂肪含量有利于改良粳稻的蒸煮食味品質。

表1 不同品種的粳稻的基本組成成分/%

2.2 不同品種粳稻的4種蛋白組分含量

稻米蛋白質基于溶解性可分為清蛋白、球蛋白、谷蛋白和醇溶蛋白是4種主要的大米蛋白質組分。谷蛋白和醇溶蛋白是貯藏蛋白，主要分布在胚乳中，而清蛋白、球蛋白主要分布在糊粉層。這4種蛋白質在稻米中的含量相差很大，就同一種蛋白質而言，不同稻米品種中的含量也是有差異的。由表2可知，谷蛋白絕對含量和相對含量平均值最高，變異系數最小，說明谷蛋白是大米中的主要蛋白成分，并且各品種間谷蛋白含量的差異相對比較小。而醇溶蛋白、清蛋白和球蛋白的絕對含量和相對含量差別不大，變異系數相差略大，表明這3種蛋白質各大米品種間的蛋白含量相差略大。

表2 不同品種粳稻的蛋白組分差異性分析

2.3 粳稻蛋白組分含量與總蛋白含量的關系

由表3可知，不同品種粳稻的總蛋白含量只與谷蛋白含量存在顯著的相關性(r=0.91)，與其他3種蛋白含量無統計學意義。其中谷蛋白與其他3種蛋白均呈現出負相關，與醇溶蛋白和球蛋白呈極顯著負相關(P<0.01)，表明粳稻中隨著谷蛋白含量增高，而醇溶蛋白和球蛋白的含量明顯減少。醇溶蛋白與球蛋白呈極顯著正相關(r=0.58)，與清蛋白含量沒有統計學意義。球蛋白含量與其他3種蛋白有極顯著的相關性(P<0.01)，其中與谷蛋白含量呈極顯著的負相關(r=-0.51)，但醇溶蛋白含量和清蛋白含量呈極顯著正相關。這與徐慶國等[9]的研究結果不一致，可能是選取的稻米種類及品種不一樣，蛋白質組分含量略有差異。

表3 不同品種粳稻蛋白組分含量的相關系數

2.4 粳稻蛋白組分含量與米飯質構的關系

由表4可知，不同粳稻品種中各蛋白組分含量與其蒸煮米飯質構中的內聚性、膠著性、回復性和黏附性均無統計學意義。粳稻的總蛋白質含量僅與米飯的彈性存在顯著正相關性(r=0.42)，而蛋白質含量和食味品質之間的關系不能用簡單的相關性[14]來表述，并且有研究認為食用品質的影響是由于不同的水稻品種引起的[7]。而本研究采用粳稻品種較多，且產地不同，各組成成分差異性大，因此與Park等[15]的研究不一致。Singh等[16]的實驗表明，蛋白質含量的增加會使米飯的黏性降低，蛋白質含量的改變可能導致稻米的物理化學特征以及組織特征的改變。錢春榮等[14]的實驗表明，在一定范圍內減少蛋白質含量可以提高食用品質大米，但如果蛋白質含量過高或過低，烹飪和飲食質量不同程度下降，表明蛋白質含量之間不是簡單的線性關系。

谷蛋白是稻米的主要蛋白質，其質量分數約占總蛋白的70%～85%。在本實驗中，谷蛋白含量僅與米飯的硬度有顯著正相關性(P<0.05)。有研究表明稻米蛋白質含量與米飯黏性呈負相關[17]，與米飯硬度呈正相關[18]。其他3種蛋白的含量與米飯的硬度和彈性均呈負相關，即隨著這3種蛋白含量的增加，米飯的硬度和彈性都減小。醇溶蛋白的含量與米飯的彈性有顯著負相關性(r=-0.43)。

Furukawa等[19]的研究表明，分別加入外源的醇溶蛋白和谷蛋白都會導致米飯的食味下降，而同時這2種蛋白則會使米飯的硬度接近對照，黏性增加。清蛋白含量與米飯的硬度呈極顯著負相關(r=-0.44)。Baxter[20]報道清蛋白與凝膠硬度呈負相關，與黏度呈正相關。球蛋白含量則與米飯的硬度和彈性呈極顯著的負相關(P<0.01)。

表4 稻米蛋白組分含量與米飯質構的相關系數

2.5 基于粳稻組成成分和米飯質構性狀的聚類分析

以粳稻的組成成分及米飯質構特性為指標進行聚類分析,可將其分為 4 類(圖1)。第Ⅰ類包括五優稻4號、松836、松粳9號、松粳18、松粳19、牡育稻42、牡丹江28號、牡響1號、龍稻29、綏粳18、龍粳21號、龍粳31號、龍粳39、龍粳46、龍粳50、龍粳63、龍粳64、綏粳26、墾稻32、空育131、龍粳65、長粳717、吉粳512、中亞粳稻5，共計24種粳稻。這類品種的粳稻其蛋白質質量分數平均值最高為8.64%，脂肪質量分數最高為1.22%，谷蛋白質量分數較高為6.44%，蒸煮米飯的質構特性中彈性和膠著性的平均值最高，而黏附性比較小。

第Ⅱ類包括松粳14號、松粳28、松粳6號、牡丹江35、盛譽1號、綏粳14、吉農大158和吉農大738等8個品種粳稻。這類品種的粳稻其蛋白質質量分數平均值比較高為8.60%，清蛋白、球蛋白和醇溶蛋白的含量平均值比較高，分別為0.51%、0.81%和0.65%。蒸煮后的米飯質構特性中硬度、膠著性和回復性的平均值最低。

第Ⅲ類只有松粳20。松粳20的蛋白質和脂肪的質量分數最低，總淀粉和直鏈淀粉的質量分數平均值最高；球蛋白和醇溶蛋白的含量平均值最高；谷蛋白含量平均值最低；米飯質構特性中內聚性、回復性最高，而硬度、彈性和黏附性偏低。

第Ⅳ類僅有龍稻28。其淀粉和直鏈淀粉質量分數比較高，且清蛋白、球蛋白和醇溶蛋白的含量最低，谷蛋白含量最高；而米飯質構特性中硬度和黏附性最高。

圖1 粳稻的組成成分和米飯質構性狀聚類分析

3 結論

對34個東北粳稻的基本組成成分與米飯質構進行分析，結果表明，各品種粳稻的組成成分不同，蛋白質各組分含量之間存在差異。相關性分析表明谷蛋白含量與總蛋白含量存在正相關，與醇溶蛋白含量存在極顯著負相關。球蛋白含量與醇溶蛋白含量和清蛋白含量存在極顯著正相關，與谷蛋白含量呈極顯著負相關，表明各蛋白組分含量間彼此互相影響。

粳米中總蛋白含量僅與米飯的彈性相關，4種蛋白含量與米飯的硬度和彈性顯著相關。谷蛋白質含量高的粳米品種，其米飯硬度較大，彈性較低，而有關粳米中各蛋白組分在蒸煮米飯過程中如何影響米飯質構特性有待深入研究。

應用系統聚類方法將34個東北粳稻品種分為4類，其中Ⅰ類24個品種的谷蛋白含量比較高，蒸煮米飯的質構特性中彈性和膠著性比較高，而黏附性比較小；Ⅱ類8個品種的清蛋白、球蛋白和醇溶蛋白的含量比較高，蒸煮后的米飯質構特性中硬度、彈性、膠著性和回復性比較低；Ⅲ類松粳20的球蛋白和醇溶蛋白的含量最高；米飯質構特性中內聚性、回復性最高，而硬度、彈性偏低；Ⅳ類龍稻28的清蛋白、球蛋白和醇溶蛋白的含量最低，谷蛋白含量偏高；而米飯質構特性中硬度和黏附性最高。