基于主成分分析和聚類分析綜合評價蒸谷米的品質特性

雷 月，宮彥龍，鄧茹月，張大雙，朱速松，唐會會，陳重遠，張志斌

（貴州省農業科學院水稻研究所，貴州貴陽 550006）

蒸谷米也稱半熟米或半煮米，是以稻谷為原料，經清理、浸泡和蒸煮等水熱處理后，再按照常規稻谷加工方法生產出來的大米產品[1-2]。稻谷經水熱處理后，其皮層和胚中大量水溶性營養物質會滲透到胚乳內部，使得蒸谷米營養價值極大提升，是一種純天然、無添加的營養強化米[3-5]。蒸谷米具有易于消化吸收、籽粒結構緊實、糙米率高、碎米率低、出飯率高和耐儲存等優點[6-7]。

近幾年，關于蒸谷米的研究主要集中在不同浸泡方式[8-9]、干燥條件[10-11]和工藝技術優化[12-13]等對蒸谷米品質變化的影響。周顯青等[14]通過實驗研究發現檸檬酸浸泡會改變蒸谷糙米的顏色，提高蒸谷米單位時間的碾減率，同時對蒸谷米的營養物質以及蒸煮特性和食味品質均有顯著性影響。高雅文等[15]比較分析不同干燥方式對蒸谷米品質的影響，結果得出微波干燥蒸谷米的品質相對較優。劉園等[16]通過考察不同工藝條件對蒸谷米營養品質和食用品質的影響，從而確定制備蒸谷米的最佳工藝條件。Chanakan等[17-19]將稻谷經鐵離子浸泡液處理后制備成蒸谷米，實現了鐵強化蒸谷米，同時還發現其生物利用率提高。但是，針對不同品種稻谷制備蒸谷米并對其品質性狀和糊化特性進行系統分析評價的研究鮮有報道，因此探討不同品種稻谷制備蒸谷米并評價分析其品質特性對蒸谷米專用稻篩選及稻米制品深加工具有重要意義。

目前，主成分和聚類分析方法已廣泛應用于果蔬原料篩選及各類食品加工品質評價分析[20-21]。有學者運用主成分和聚類分析法對62種裸燕麥進行分類并測定其脂肪酸含量，建立了燕麥的脂肪酸標準指紋圖譜[22]；孟慶虹[23]、扶定等[24]分別以粳稻品種和秈型雜交稻品種為試材，應用主成分和聚類分析方法考察相關品質指標的變化趨勢，確定了代表性品質指標并對其稻米品質特性進行了綜合評價及分類。本文選取12個不同品種的稻谷原料并將其制備成蒸谷米，采用主成分分析和聚類分析方法對蒸谷米品質性狀及糊化特性進行系統分析，探索不同品種稻谷制得的蒸谷米品質特性的差異性和關聯性，篩選出最適制備蒸谷米的專用稻品種及影響蒸谷米品質的關鍵性指標，旨在為蒸谷米專用稻的選育和蒸谷米制品的研發應用提供理論基礎和科學依據。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

實驗用12種稻谷原料（大粒香、玉針香、金麻粘、天豐B、粵豐B、紅香米、津原香98、SN16-236、15L-Z156、貴豐優785、兩優68、徽兩優1898） 均于2018年初種植于貴州省農業科學院水稻研究所實驗田中，并于當年正季進行收獲。對受試材料進行清理篩選，去除沙石雜質和病蟲霉變粒，篩選出籽粒飽滿、粒型完整均勻的谷粒，抽真空包裝并存貯于4 ℃冰箱中備用。

BS600L型電子分析天平 北京賽多利斯科學儀器有限公司；THZ-82型水浴恒溫振蕩器 上海科榕實業有限公司；FC2K型糙米機、VP-32型精米機

日本YAMAMOTO公司；蘇泊爾壓力鍋 浙江蘇泊爾股份有限公司；GZX-9240MBE型電熱鼓風干燥箱 上海博訊實業有限公司醫療設備廠；ES-1000型大米外觀品質判別儀 日本 SHIZUOKA 公司；INFRATEC Nova型近紅外谷物分析儀 日本靜岡制機株式會社；STA-1B型米飯食味計 日本廣島市中竹株式會社；RVA Super 4型快速粘度分析儀 澳大利亞New-port Scientific儀器公司；HF-500A型高速多功能粉碎機 辰禾盛豐工貿有限公司；BCD-21SDN型冰箱 青島海爾股份有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 蒸谷米的制備 參考付桂明等[13]、謝健等[9]方法略作改動。分別準確稱取不同品種稻谷原料300 g，置于500 mL沸水中浸泡，待水溫降至70 ℃時，用保鮮膜封口并移入溫度為70 ℃，轉速為180 r/min的水浴恒溫振蕩器中進行振蕩，處理2.5 h后取出，用濾網濾去浸泡水，置于100 ℃的壓力鍋中汽蒸15 min，將汽蒸后的稻谷進行熱風干燥，首先在熱風溫度150 ℃下快速干燥20 min后，取出稻谷在常溫通風條件下緩蘇1 h，再進行慢速干燥，包括熱風溫度60 ℃，干燥1 h，期間通風緩蘇30 min，直至蒸谷米水分含量降至16%～18%，接著在熱風溫度50 ℃條件下，干燥5 h，直至蒸谷米水分含量降至14%左右。將制得的蒸谷米試樣進行真空包裝并置于4 ℃避光條件下保存，備用。

1.2.2 蒸谷米碾磨品質的測定 取出真空包裝的受試材料平衡至室溫，利用糙米機和精米機處理并測定其碾磨品質。其中，爆腰率的測定參考李逸鶴等[7]的方法，糙米率和脫殼率均按照GB 1350-2009《稻谷》[25]所述方法進行測定。

1.2.3 蒸谷米外觀品質的測定 蒸谷米碎米總量、整精米率、黃米粒和長寬比等外觀品質指標的測定均參考GB-17891-1999《優質稻谷》[26]并利用ES-1000型大米外觀品質判別儀進行測定。

1.2.4 蒸谷米營養品質的測定 蒸谷米水分含量、蛋白質和直鏈淀粉含量利用INFRATEC Nova型近紅外谷物分析儀測定，蒸谷米維生素B1和維生素B2含量分別參考GB 5009.84-2016《食品安全國家標準食品中維生素 B1的測定》[27]和GB 5009.85-2016《食品安全國家標準 食品中維生素B2的測定》[28]所述方法進行。

1.2.5 蒸谷米食味品質的測定 參考Fan等[29]的方法測定蒸谷米食味品質。分別準確稱取碾磨成精米的蒸谷米受試樣品30 g，置于有孔蓋的鋁制杯中（蒸谷米不能通過此孔），蓋上杯蓋后用流動水沖洗杯中蒸谷米，至淘米水渾濁度較低為止，然后擦干鋁制杯外表面的水分并加水稱重，使得蒸谷米和水的總重量為72 g，將其靜置于室溫條件下浸泡30 min后，再將鋁制杯放入電飯煲中進行蒸煮，樣品蒸煮30 min后再保溫燜10 min，然后將煮好的米飯用塑料飯勺混合攪拌均勻后，先用紙蓋蓋住置于通風櫥內冷卻20 min，然后換成鐵蓋并轉移至室溫條件下冷卻90 min，從煮好的米飯中隨機稱取8 g壓成米餅，采用STA-1B型米飯食味計測定蒸谷米的外觀、硬度、黏度和食味值等指標來評價其食味品質。每個指標分別測定3次，取其平均值。

1.2.6 蒸谷米糊化特性（RVA值）測定 將碾磨處理后的蒸谷米試樣用高速多功能粉碎機粉碎、過篩并稱重，備用。蒸谷米糊化特性的測定依據GB 24852-2010《大米及米粉糊化特性測定 快速粘度儀法》[30]并參考李棒棒等[31]、王曉菁[32]的方法進行。通過RVA快速粘度分析儀可測得蒸谷米的峰值黏度、谷值黏度、崩解值、最終黏度、回生值、糊化溫度和峰值時間等糊化特性指標。每個指標分別測定3次，取其平均值。

1.3 數據處理

通過Excel 2007整理實驗數據，應用統計分析軟件SPSS 20.0對數據進行描述性分析、相關性分析、主成分分析和聚類分析，其中聚類分析采用系統聚類，樣本之間的距離采用平方歐式距離，同時運用Ducan新復極差法進行多重比較分析，顯著性水平為P＜0.05，極顯著性水平為P＜0.01。

2 結果與分析

2.1 蒸谷米品質指標描述性分析

對12個不同品種稻谷制得的蒸谷米的碾磨品質、外觀品質、營養品質和食味品質各指標進行描述性分析，結果如表1所示。由表1可知，“大粒香”具有最低的碎米總量、長寬比、水分含量、VB2、外觀、黏度和食味值；“玉針香”的長寬比、外觀、黏度和食味值最高，而其爆腰率和硬度最低；“金麻粘”具有最高的脫殼率和硬度；“天豐B”直鏈淀粉含量最高；“粵豐B”具有最高的碎米總量和VB1含量以及最低的整精米率；“紅香米”具有最高的VB2含量和最低的糙米率；“津原香98”的糙米率最高，其黃米粒最低；“SN16-236”具有最高的整精米率和蛋白質含量；“15L-Z156”具有最高的爆腰率以及最低的脫殼率和蛋白質含量；“貴豐優785”的水分含量最高，其直鏈淀粉含量最低；“徽兩優1898”具有最高的黃米粒和最低的VB1含量。上述結果表明，不同品種稻谷制得的蒸谷米各項品質指標之間均存在差異性。同時，實驗結果還發現，蒸谷米品質指標間變異系數各不相同，說明不同品種稻谷制得的蒸谷米在不同品質性狀之間呈現不同程度的變化。其中，在碾磨品質中，蒸谷米糙米率和脫殼率的變異系數均＜10%，分別為4.84%和6.29%，而爆腰率的變異系數＞10%，為121.43%，表明爆腰率對蒸谷米碾磨品質的影響較大，而糙米率和脫殼率這2個指標相對較穩定；在外觀品質中，蒸谷米各項指標的變異系數均＞10%，變異系數從高到低依次為：黃米粒、碎米總量、整精米率、長寬比，說明不同品種稻谷制得的蒸谷米外觀品質指標差異較大；在營養品質中，蒸谷米水分和蛋白質含量的變異系數均＜10%，分別為2.47%和8.05%，而VB1、VB2和直鏈淀粉含量的變異系數均＞10%，分別為13.45%、28.99%和15.65%，表明不同品種稻谷對蒸谷米VB2、直鏈淀粉和VB1含量的影響相對較大，其次為蛋白質和水分含量；在食味品質中，蒸谷米外觀、黏度和食味值的變異系數均＞10%，分別為23.44%、34.48%和10.52%，而硬度的變異系數＜10%，僅為2.96%，表明外觀、黏度和食味值對蒸谷米食味品質的影響較大，而硬度對蒸谷米食味品質的影響相對較小。通過比較均值和中位數發現，除蒸谷米爆腰率和黃粒米外，其余各項指標的中位數均接近平均數，說明這些指標測定值的離群點較少。綜合蒸谷米品質指標描述性分析結果可知，實驗所選蒸谷米受試材料各項指標測定值均在可接受范圍內，其品質特性差異較大，具有一定的廣泛性和代表性。

表1 不同品種蒸谷米品質指標描述性分析Table 1 Descriptive statistics of quality indexes of parboiled rice by different rice cultivars

表2 不同品種蒸谷米糊化特性分析Table 2 Gelatinization properties of different kinds of parboiled rice

2.2 蒸谷米糊化特性分析

由表2可知，蒸谷米的峰值黏度、崩解值、最終黏度和回生值的變異系數均＞10%，且崩解值的變異系數最大，為38.35%，表明崩解值對蒸谷米糊化特性的影響最大，其次為回生值、峰值黏度和最終黏度，谷值黏度、峰值時間和糊化溫度的變異系數均＜10%，說明不同品種稻谷制得的蒸谷米這3個糊化特性指標相對較為穩定；通過比較分析12個稻谷品種制得的蒸谷米糊化特性指標的最值發現，“大粒香”具有最高的峰值時間和最低的崩解值，“玉針香”的峰值黏度和回生值最高，“金麻粘”和“天豐B”分別具有最高的最終黏度和谷值黏度，“粵豐B”具有最高的糊化溫度和最低的峰值黏度、最終黏度以及回生值，“津原香98”的谷值黏度最低，“貴豐優785”具有最高的崩解值和最低的峰值時間及糊化溫度；同時，對比均值和中位數發現，蒸谷米糊化特性各指標的中位數接近均值，表明蒸谷米糊化特性測定值均在可接受范圍內，離群點較少，其糊化特性具有較大的差異性。

2.3 蒸谷米品質指標的相關性分析

由表3可知，對12個不同品種稻谷原料制得的蒸谷米品質性狀進行相關性分析發現，不同品種稻谷制得的蒸谷米各項品質指標之間存在不同程度的相關性，且部分品質指標之間的相關性呈顯著或極顯著狀態。糙米率與整精米率呈極顯著正相關（P＜0.01），與碎米總量呈極顯著負相關（P＜0.01），而碎米總量與整精米率呈極顯著負相關（P＜0.01）；脫殼率與長寬比呈極顯著正相關（P＜0.01），與爆腰率呈極顯著負相關（P＜0.01），而爆腰率與長寬比呈極顯著負相關（P＜0.01）；水分含量與外觀、黏度、崩解值、最終黏度和回生值均呈顯著正相關（P＜0.05），與峰值黏度呈極顯著正相關（P＜0.01），與峰值時間呈顯著負相關（P＜0.05），與糊化溫度呈極顯著負相關（P＜0.01）；直鏈淀粉含量與峰值時間呈顯著正相關（P＜0.05），與崩解值和回生值均呈顯著負相關（P＜0.05）。外觀與黏度和食味值均呈極顯著正相關（P＜0.01），與硬度呈極顯著負相關（P＜0.01），而硬度與黏度和食味值均呈極顯著負相關（P＜0.01）；黏度與峰值黏度和回生值均呈顯著正相關（P＜0.05），與食味值呈極顯著正相關（P＜0.01），與峰值時間和糊化溫度均呈顯著負相關（P＜0.05）；峰值黏度與崩解值、最終黏度和回生值均呈極顯著正相關（P＜0.01），與峰值時間和糊化溫度均呈極顯著負相關（P＜0.01）；崩解值與最終黏度呈顯著正相關（P＜0.05），與回生值呈極顯著正相關（P＜0.01），與糊化溫度呈顯著負相關（P＜0.05），與峰值時間呈極顯著負相關（P＜0.01）；最終黏度與回生值和谷值黏度均呈極顯著正相關（P＜0.01），與峰值時間和糊化溫度均呈顯著負相關（P＜0.05）；回生值與糊化溫度呈顯著負相關（P＜0.05），與峰值時間呈極顯著負相關（P＜0.01），而峰值時間和糊化溫度呈極顯著正相關（P＜0.01）。上述相關性分析結果表明，蒸谷米碾磨品質、外觀品質、營養品質和食味品質及其糊化特性各指標之間存在一定的相關性，且各指標測定值所呈現的信息出現重疊現象，因此可應用主成分分析和聚類分析的方法對蒸谷米品質指標通過降維來簡化數據結構，進而提高不同品種稻谷制備蒸谷米品質特性綜合評價的精準性。

表3 蒸谷米品質指標間的相關性分析Table 3 Correlation analysis between quality indexes of parboiled rice

2.4 蒸谷米品質指標的主成分分析

2.4.1 主成分提取及成分荷載矩陣 圖1和表4反映了不同品種稻谷制得的蒸谷米品質性狀的主成分分析結果。一般認為當主成分特征值大于1且累積方差貢獻率大于85%時，就可利用所提取的主成分表示原始變量大部分主要信息[33-34]。圖1為主成分特征值的碎石圖，根據碎石圖中曲線坡度的陡峭程度，可以直觀的反映各成分的變化趨勢，進而明確主成分的提取數量[35]。由圖1可知，前6個主成分的特征值呈快速下降的趨勢，但從第7個主成分特征值開始，碎石圖曲線緩慢下降并趨于平穩狀態；同時由表4可知，前6個主成分的累積方差貢獻率為91.083%，即這6個主成分包含了原始變量91.083%的信息，具有較高的代表性，且其特征值分別為8.826、4.516、2.747、1.919、1.539和1.403，均大于1，表明這6個主成分已經基本涵蓋了蒸谷米品質性狀的所有信息。結合圖1和表4的分析結果，應選取前6個主成分作為受試材料品質評價分析的指標。

圖1 主成分分析碎石圖Fig.1 Screen plot of PCA

成分荷載是主成分與變量的相關系數，其數值大小表示原有變量在降維后所構成的綜合變量中的貢獻率高低，同時相對于一個變量而言，荷載絕對值越大的主成分與其關系越密切，也更能代表這個變量[21,36]。結合表4和表5可知，主成分1的特征值和累積方差貢獻率分別為8.826和38.373%，與崩解值、回生值、峰值黏度和峰值時間等指標荷載絕對值相對較高，表明主成分1主要代表的是蒸谷米糊化特性指標的相關信息；主成分2的特征值是4.516，累積方差貢獻率為58.008%，與外觀、食味值、黏度和硬度等指標荷載絕對值較高，表明主成分2主要反映的是蒸谷米食味品質指標的相關信息；主成分3的特征值為2.747，累積方差貢獻率為69.951%，與爆腰率、脫殼率、長寬比和整精米率等指標具有較高的荷載絕對值，表明主成分3主要代表的是蒸谷米加工品質指標的相關信息；主成分4的特征值為1.919，累積方差貢獻率為78.294%，與谷值黏度的荷載絕對值相對較高，其次是最終黏度，表明主成分4主要反映的是蒸谷米糊化特性指標中黏度的相關信息；主成分5的特征值和累積方差貢獻率分別為1.539和84.984%，與黃米粒和VB1具有相對較高的荷載絕對值；主成分6的特征值是1.403，累積方差貢獻率為91.083%，與蛋白質的荷載絕對值相對較高，表明主成分6主要代表蒸谷米品質指標中蛋白質的相關信息。

2.4.2 主成分得分及綜合得分評價 由表6可知，根據表6的因子得分系數矩陣及其所對應的主成分，可以計算出個主成分因子得分，公式如下所示：

式中：X1～X23分別表示糙米率、脫殼率、爆腰率、碎米總量、黃米粒、長寬比、整精米率、水分、蛋白質、直鏈淀粉、VB1、VB2、外觀、硬度、黏度、食味值、峰值黏度、谷值黏度、崩解值、最終黏度、回生值、峰值時間、糊化溫度23個品質指標；F1～F6分別表示各主成分得分。

結合主成分因子得分公式并以各主成分方差貢獻率為權重，構建蒸谷米品質綜合評價得分函數，公式如下所示：

表4 主成分特征值、方差貢獻率和累積貢獻率Table 4 Eigenvalues, variance contribution rates and cumulative contribution rates of principal components

表5 旋轉后成分荷載矩陣Table 5 Component loading matrix after rotation

表6 因子得分系數矩陣表Table 6 Rotated factor loading matrix

表7 因子得分與綜合得分Table 7 Factor scores and comprehensive scores

式中：F為不同品種稻谷制得的蒸谷米品質的綜合評價得分。

根據綜合評價得分函數可計算出不同品種稻谷制得的蒸谷米品質的綜合得分及其排序，其中F值越大，表明該品種稻谷制得的蒸谷米的綜合品質越好，結果如表7所示。針對12個不同品種稻谷制得的蒸谷米綜合品質排名的順序而言，“玉針香”的綜合品質得分最高，即其綜合品質最佳，其次為“貴豐優785”；“津原香98”、“兩優68”、“紅香米”、“15LZ156”、“粵豐B”和“大粒香”的綜合得分均為負值，其得分在-0.0972～-0.8772范圍內，且排名靠后，表明這6個品種的稻谷制得的蒸谷米品質特性較差，其中“大粒香”的綜合品質得分最低，故品質最差。

2.5 蒸谷米品質的聚類分析

系統聚類分析法可將受試樣本劃分為不同類群進行評價分析，其結果具有綜合性、客觀性和科學性[37-38]。在聚類分析中，對樣品的聚類稱為Q型聚類，對變量的聚類稱為R型聚類[39]。本試驗是在主成分分析的基礎上，采用系統聚類分析法對蒸谷米的23個品質指標進行R型聚類，同時對制備蒸谷米的12個稻谷品種進行Q型聚類。其中，聚類方法采用組間聯接法，聚類區間為平方Euclidean距離，聚類結果如圖2和圖3所示。

由圖2可知，在歐氏距離為2.5處時，可將蒸谷米品質指標劃分為5大類，第1類為外觀、黏度、長寬比、VB1、VB2、蛋白質、硬度、爆腰率、水分含量、脫殼率、直鏈淀粉含量、黃米粒、碎米總量、食味值、糙米率、整精米率和峰值時間、糊化溫度；崩解值單獨聚為第2類；第3類為谷值黏度和回生值；峰值黏度和最終黏度分別聚為第4類和第5類。同時，結合主成分荷載分析結果，最終確定選用爆腰率、黃米粒、外觀、蛋白質、崩解值、峰值黏度、最終黏度和回生值作為綜合評價蒸谷米品質優劣的關鍵性指標。

由圖3可知，在歐氏距離為5時，制備蒸谷米的12個稻谷品種可劃分為4類，第1類為“天豐B”、“紅香米”、“津原香98”、“兩優68”、“15L-Z156”；第2類為“SN16-236”、“徽兩優1898”、“玉針香”、“貴豐優785”、“金麻粘”；“大粒香”和“粵豐B”分別單獨聚為第3類和第4類。同時，結合主成分分析中因子得分與綜合得分結果可知，由“玉針香”制得的蒸谷米的綜合得分最高，即蒸谷米品質最佳，“貴豐優785”和“金麻粘”的綜合得分次之，且其與“玉針香”同聚為一類，故這3個稻谷品種制得的蒸谷米品質之間存在密切的相關性，結果表明“玉針香”、“貴豐優785”和“金麻粘”均屬于品質較優的一類，而“大粒香”的品質最差，其次為“粵豐B”。

圖2 蒸谷米品質指標的R型聚類Fig.2 R-type cluster analysis of quality indexes of parboiled rice

3 結論

通過對12個不同品種稻谷制得的蒸谷米的碾磨品質、外觀品質、營養品質、食味品質和糊化特性各項品質指標進行描述性分析和相關性分析，發現蒸谷米各項品質指標之間均存在差異性（P＜0.05），且蒸谷米在不同品質性狀之間呈現不同程度的變化。同時，采用主成分分析和聚類分析法對12個不同品種稻谷制得的蒸谷米的23個品質指標進行系統性分析，最終確定爆腰率、黃米粒、外觀、蛋白質、崩解值、峰值黏度、最終黏度和回生值8個指標作為評價蒸谷米品質優劣的關鍵性指標。通過主成分分析，提取了6個主成分，累積方差貢獻率為91.083%；結合蒸谷米品質指標的評價函數和聚類分析結果，發現“玉針香”的綜合得分最高，即品質最佳，“貴豐優785”和“金麻粘”的綜合得分次之且與“玉針香”同聚為一類，說明這3個品種的蒸谷米品質之間相關性密切，均屬于品質較優的一類，而“大粒香”的品質最差，其次為“粵豐B”，采用主成分分析和聚類分析綜合評價方法獲得的試驗研究結果對蒸谷米專用稻的選育及稻米制品的精深加工具有重要的指導意義。

圖3 蒸谷米品質指標的Q型聚類Fig.3 Q-type cluster analysis of quality indexes of parboiled rice