基于主成分分析的21種粳性黃米品質評價

趙 寧 解 菲 梁雞保 馮佰利 杜雙奎

(1. 西北農林科技大學食品科學與工程學院，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. 神木市農業技術推廣中心，陜西 榆林 719000；4. 西北農林科技大學農學院，陜西 咸陽 712100)

糜子(PanicummiliaceumL.)，禾本科黍屬，是起源于中國的古老農作物，耐旱、耐貧瘠、生育期短，過去常被用于救災備荒、復種增收及調節農業種植結構[1]。在中國，糜子作為一種特色的經濟糧食作物，廣泛種植于山西、陜西、河北等地，品種繁多，但目前許多糜子產區種植規模以小農戶為主，經濟較為落后，對糜子市場空間和經濟效益的關注有限[2]。此外，糜子不含面筋蛋白，在產品加工中不易成型，因此在面制食品加工中應用不廣泛[3]。

糜子脫殼、碾米得到產品為黃米，其蛋白含量達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]。國內外關于粳性黃米的研究主要集中在抗逆品種栽培[9]、粳糯黃米品質比較[7]、蛋白質[10]、淀粉[11]等方面，對粳性黃米品質差異的研究較少，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、煎餅等傳統家庭加工產品形式呈現，缺乏工業化主打產品[12]，這與其品質評價及研究不系統有關。

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

1 材料與方法

1.1 試驗材料

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、內糜3號、內糜5號、內糜6號、內糜9號、赤糜2號、榆糜2號、榆糜3號，陜西神木縣農技推廣中心。用高速粉碎機粉碎30 s，全部過60目篩，備用。

1.2 主要儀器設備

高速萬能粉碎機：FW-100型，天津泰斯特儀器有限公司；

電熱恒溫鼓風干燥箱：DHG-9146A型，上海精宏實驗設備有限公司；

低速離心機：KDC-40型，科大創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 試驗方法

1.3.1 營養成分測定

(1) 粗蛋白含量：按GB 5009.5—2016執行。

(2) 淀粉含量：按GB/T 5009.9—2016執行。

(3) 粗脂肪含量：按GB 5009.6—2016執行。

(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轉速設定為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——黃米初始質量，g；

m2——米湯固形物質量，g；

m3——蒸煮后黃米質量，g；

V1——黃米初始體積，mL；

V2——蒸煮后黃米體積，mL。

1.3.4 質構特性的測定 根據T/YCXH 1—2016《黃米蒸煮食用品質感官評價方法》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。參數設定為：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 數據分析

所有數據均為3次重復試驗的平均值，采用SPSS 18.0對數據進行統計分析，采用Origin 2021軟件進行圖形繪制。

2 結果與分析

2.1 品質特性

對21個粳性黃米品種的營養成分、糊化特性、蒸煮特性及質構特性進行分析，結果見表1。從營養成分來看，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%，粗脂肪的變異系數最大。伊糜5號粗蛋白和粗脂肪含量較高，內糜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。內糜5號的回生值最低，表明其抗老化程度強，冷糊穩定性較好；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，熱糊穩定性及抗剪切能力較強[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如淀粉、蛋白質、纖維組成與性質不同有關，也與米粒的結構特性有關[17]。米飯的TPA特性主要受淀粉的溶脹、蛋白質含量及細胞壁抗壓強度的影響，可用于反映米飯的食用品質[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]研究發現，在TPA指標中，最能直接反映米飯品質的參數是硬度和黏附性，其中硬度、黏附性適中的大米食用品質更好。

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

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

2.2 相關性分析

如表2所示，蛋白質含量與粗脂肪含量(r=0.535*)、起糊溫度(r=0.561**)呈顯著或極顯著正相關，與峰值黏度(r=-0.488*)、破損值(r=-0.596**)、溶出率(r=-0.552**)呈顯著或極顯著負相關。丁毅等[20]研究表明高蛋白質含量的稻米米粒結構致密，淀粉粒之間空隙小，影響淀粉的吸水和膨脹，導致糊化溫度升高，與試驗結果一致。Kolawole等[21]研究認為糊化行為是淀粉與非淀粉相互作用的結果。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。體積膨脹率主要受支鏈淀粉分子的大小、結構影響[22]。直鏈淀粉含量與最終黏度、回生值、溶出率顯著正相關，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生重排，使凝膠強度變大，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，與杜春微等[24]的研究結果一致。黃米米飯硬度、黏附性、咀嚼性三者之間存在高度的正相關性。粳性黃米各指標間存在不同程度的相關性，信息出現重疊現象，因此需利用主成分分析將數據降維。

表2 黃米品質指標間的相關性?Table 2 Correlation among quality indexes of non-waxy proso millet

2.3 主成分分析

對15個指標進行主成分分析，結果見表3。前3個主成分累計方差貢獻率達到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%)主要表征樣品的質構特性。粳性黃米各品質指標的共同度在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的關鍵指標。

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

根據主成分分析結果，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越好，結果如表5所示，綜合得分排名前5的品種是隴糜10號、內糜9號、隴糜8號、榆糜3號、寧糜13號，表現出較好的綜合品質；得分較低的3個品種分別是隴糜5號、赤糜2號、寧糜16號，綜合品質相對較差。對21個粳性黃米品種得分進行作圖，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)。可以看出，不同粳性黃米品種離散程度大，差異主要體現在PC1和PC上。綜合得分較高的品種主要集中在PC1和PC2的正向區域，表明其營養成分、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 結論

試驗對21個粳性黃米品種的營養成分、糊化特性、蒸煮特性及質構特性共15項品質指標進行了分析，粳性黃米各品質指標間呈不同程度的差異，變異系數范圍為4.78%～27.18%，其中質構特性、粗脂肪含量、回生值、破損值、最終黏度的變異系數均大于10%，品種間差異較大，起糊溫度和淀粉含量的變異系數較小。主成分分析提取出3個主成分，累積方差貢獻率達72.04%，主成分1主要表征營養成分、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反映了質構特性。影響粳性黃米品質的關鍵指標為最終黏度、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。