基于主成分分析對氣調包裝面包質量和保質期的研究

陳作毅

（寧德市食品藥品審評認證中心，福建寧德 352100）

短效的穩定性和有限的貨架期是焙烤類面包產品的共性。面包在儲存過程中發生著快速的質變老化，近年來，國內外都致力研究各種延緩面包質變老化的方法，但多在面包加工初期原輔料及加工工藝優化方面進行控制[1-2]。面包的質變老化過程復雜且未被充分研究，通常被認為是由微生物生長以外的因素引起的面包成分多方面變化造成的[3]，主要體現為面包瓤硬度、干燥度和易碎度增加，彈性下降；面包皮脆度下降等結構和質地的改變以及面包香氣風味的喪失。有研究認為淀粉老化機制使淀粉重結晶度增加和面包瓤保水能力下降，這些膠體結構的變化使水分從面包瓤遷移到面包皮，而不一定是水分流失導致面包的老化[4]。

使用改性氣氛包裝和儲存面包來延長其保質期和保持原始質量越來越普遍。因此，本文從面包儲運的保存工藝上，探究復合氣體氣調包裝（Modifed Atmosphere Packaging，MAP）（40% CO2，60% N2，v/v）對室溫（25±3）℃下面包的品質和貨架期的影響。使用主成分分析法（Principal Component Analysis，PCA）降維評估氣調包裝面包的感官品質、質構特性以及物理化學指標之間的相互關系，同時檢測了儲存期間微生物的變化情況，以期為提高面包儲運質量和獲得更長的貨架期提供一定的理論指導。

1 材料與方法

1.1 材料、試劑及儀器

KM20-100-3氣體混配器，德國WITT；40%CO2，60% N2，慈溪市三江氣體有限公司；全自動氣調包裝機，Linus 1100高速托盤封口機，德國Variovac；聚酰胺/聚乙烯復合封口膜；TA-XT2i/5物性分析儀，英國Stable.Micro System公司；722型分光光度計，儀電分析。

1.2 面包制作及包裝

和面工序按照參考文獻[1]的方法進行，將和好的面團分切成單重100 g小面團，并滾圓成型。預醒發、烘烤、冷卻等步驟及控制參數同陳作毅[1]的方法。使用氣體混配器制備混合氣體（40% CO2，60%N2），焙烤冷卻后的面包使用全自動氣調包裝機裝入氣調盒托盤及聚酰胺/聚乙烯復合封口膜中，包裝后即為成品。

1.3 感官評價

在感官評價中，面包瓤的每個屬性（滋味、氣味及彈性）和面包皮（滋味、氣味和脆度）使用5分制量表。經由10名受過評分標準訓練和感官測試的小組成員品評。采用以下歸一系數：面包瓤的滋味和氣味0.5，面包皮的滋味和氣味為0.2，面包瓤彈性0.2，面包皮脆度為0.1。在整體感官水平上評估，5分、4分、3分、2分、1分對應于很好、好、可以接受、不能接受和不好。

1.4 理化指標測定

1.4.1 微生物測試

面包的菌落總數根據《食品安全國家標準 食品微生物學檢驗 菌落總數測定》（GB 4789.2—2022）進行測定；大腸菌群根據《食品安全國家標準 食品微生物學檢驗 大腸菌群計數》（GB 4789.3—2016）第二法大腸菌群平板計數法進行測定；霉菌根據《食品安全國家標準 食品微生物學檢驗 霉菌和酵母計數》（GB 4789.15—2016）第一法霉菌和酵母平板計數法進行測定。其中菌落總數和大腸菌群均按照《食品安全國家標準 糕點、面包》（GB 7099—2015）3.5中的要求測定，但結果只取最大值。

1.4.2 質構測試

使用TA-XT2i/5物性分析儀測量面包質地。將面包放在面包切片機上切成厚度12.5 mm的厚薄均勻的薄片，采用壓盤式測試探頭P/35測量，儀器設定參數及計算方法具體同楚炎沛[5]的方法。

1.4.3 水分含量和持水能力測定

面包水分含量根據《食品安全國家標準 食品中水分的測定》（GB 5009.3—2016）第一法直接干燥法進行測定。持水能力的測量參照FIK等[3]的方法并調整為取10 g面包瓤，用50 mL水在均質機中均質2 min，勻漿在室溫下磁力攪拌混合20 min。漿液在1 600×g下離心10 min。取上清液用于顯色分析的測定，稱取沉積物重量，減去樣品干重即為沉積物中的含水量。持水能力表示每克干樣品中含水的克重。

1.4.4 顯色分析測定

取1.4.3方法制得的上清液20 mL，倒入離心管中。加入2 mL亞鐵氰化鉀和2 mL乙酸鋅溶液沉淀蛋白，輕輕混勻后靜置10 min，最后在5 000×g下離心5 min。取4 mL上清液與20 mL 0.02%的碘溶液混合；于610 nm處使用分光光度計測量吸光度[6]，用蒸餾水做空白試驗。

1.4.5 酸度測定

稱取面包本體中心部分25 g，精確到0.1 g，加入無二氧化碳蒸餾水60 mL，用玻璃棒搗碎，移入250 mL容量瓶中，定容至刻度，搖勻。靜置10 min后再搖晃2 min，靜置10 min，用濾紙過濾，取濾液25 mL移入200 mL三角瓶中，加入酚酞指示液2～6滴，用0.1 mol·L-1氫氧化鈉標準溶液滴定至微紅色30 s不褪色，記錄消耗氫氧化鈉標準溶液的體積，同時用蒸餾水做空白試驗。

1.4.6 比容值測定

比容值測定參考陳作毅[1]的方法。

1.4.7 酸價和過氧化值測定

將撕碎的面包樣品置于廣口瓶中，加入2～3倍樣品體積的石油醚（沸程：30～60 ℃），封口搖勻，充分混合后靜置浸提12 h以上，經裝有無水硫酸鈉的漏斗過濾，取濾液，在低于40 °C的水浴中，用旋轉蒸發儀減壓蒸干石油醚，殘留物即為待測試樣。酸價根據《食品安全國家標準 食品中酸價的測定》（GB 5009.229—2016）第一法冷溶劑指示劑滴定法進行測定；過氧化值根據《食品安全國家標準 食品中過氧化值的測定》（GB 5009.227—2016）第一法滴定法進行測定。

1.5 統計分析

使用IBM SPSS Statistics 21軟件對表1中X1～X14進行降維因子分析，儲存時間（X0）作為自變量以及微生物指標（X15～X17）因數值格式不適合主成分分析而舍棄，得出解釋方差表、成分矩陣表；使用Origin 2021軟件中Principal Component Analysis插件對所得結果進行主成分統計分析制圖，得到載荷圖和得分圖。

表1 氣調包裝儲存下面包各項品質指標測定結果

2 結果與分析

2.1 感官品質分析

面包在改性氣氛儲存期間的整體感官品質變化如表1。以初始的面包感官得分最高為5分。結果顯示，經過12 d的儲存，面包的質量仍然較好。隨著貯藏時間的延長，面包的硬度持續增加，彈性、黏聚性、黏著性及恢復性明顯下降，感官得分會隨之降低。值得注意的是，在整個MAP儲存期間，面包的外觀幾乎沒有變化；直至30 d、33 d，感官評測小組發現面包品質劣化，出現異味。

2.2 理化指標

2.2.1 微生物分析

由表1可知，最初的細菌總數、大腸菌群以及霉菌水平均低于10 CFU·g-1。整個儲存直到第24天，未觀察到微生物的變化。在儲存27 d后，計數瓊脂培養平板上形成非常小的白色菌落，此時檢出低發生率的霉菌。33 d后，菌落總數和霉菌分別達到260 CFU·g-1和27 CFU·g-1。

2.2.2 質構分析

由表1可知，在新鮮產品中，所有參數的測量值可作為高質量面包參照，新鮮面包的彈性、黏聚性和恢復性值最高，硬度值最低。在進一步MAP儲存期間，硬度值變化最大，33 d后面包的硬度值比新鮮面包高88.2 N。彈性和黏聚性在儲存第9天下降后保持較穩定，直到第33天呈現明顯下降。

2.2.3 水分含量和持水能力分析

由表1可知，面包的水分含量逐漸下降。相對于面包水分含量下降，其每克干樣品的持水能力變化不明顯。數據顯示，持水能力在整個儲存期間與水分含量的多少并無明顯關系。

2.2.4 顯色分析

顯色分析定義了水溶性淀粉的含量，通常隨著面包劣變而減少。由表1可知，以MAP包裝的面包，其顯色分析數值僅在3 d后就大幅下降（與初始值相比下降了45%），6 d后，進一步下降了58%。在隨后的存儲過程中，顯色分析值變化不明顯。儲存30 d后，出現了明顯下降，這一情況的出現伴隨著微生物的檢出，可能是因為微生物代謝活動導致游離可溶性直鏈淀粉的水平下降。

2.2.5 酸度分析

在整個儲存期間，面包的酸度有輕微增加的趨勢（表1）。然而變化的程度不足以對味覺和風味產生可察覺的影響。

2.2.6 比容值分析

面包的在整個貯藏期間比容值沒有明顯變化，基本保持在3.00 mL·g-1左右。從表1可以看出，面包在MAP貯存過程中，比容值能夠維持在新鮮產品的初始值左右。

2.2.7 酸價和過氧化值分析

由表1可知，面包在整個貯藏期間，過氧化值沒有明顯變化，提示油脂在氣調包裝氛圍中穩定性良好；面包在貯存初期，酸價呈增加趨勢，但在貯存30 d后，樣品出現酸價大幅躍增，這與菌落總數和霉菌的增殖有很大的聯系，微生物代謝產物和分泌的酶造成油脂水解，產生游離脂肪酸，造成酸價急劇增加。

2.3 PCA分析

2.3.1 對數據標準化處理及因子分析適用性檢驗

本文使用SPSS 21軟件，對原始數據進行標準化（Z-score法）處理，得到新的數據，然后通過KOM檢驗法和Bartlett球體檢驗法進行因子分析的適用性檢驗。其中Bartlett球體檢驗結果為近似卡方值為870.919，df值為105，Sig.值為0.000，表明該數據適用因子分析法。

2.3.2 計算主成分系數

一般認為，主成分分析是一種非常方便的食品多元表征方法[7]。在本研究中采用表1中的X1～X14數據進行主成分分析。表2列出了6個主要成分的結果。分析表明，總變異的63.981%是由PC1解釋的，而在考慮的14個變量中，79.404%的方差可以由兩個新變量（PC1和PC2）表示。圖1中，載荷圖表明恢復性（X7）、硬度（X2）、黏著性（X5）、黏聚性（X4）、酸度（X13）、水分含量（X8）、總體感官得分（X1）是PC1最重要的變量，PC2主要由酸價（X10）、過氧化值（X11）、比容（X14）、持水能力（X9）定義。而提取兩個主成分的評分散點圖顯示了面包在儲存的各個階段的分布得分情況，聚類分析大體識別出了3組數據：第一組為0～3 d的面包（PC1≤0；PC2≤0）；第二組為面包6～27 d；第三組為儲存的最后階段，即30～33 d。

圖1 PCA結果分析圖

表2 解釋的總方差

由表2可知，前2個主成分解釋了全部方差的79.404%，說明提取的2個主成分能夠代表原來14個指標信息的79.404%，所提取的主成分評價氣調包裝面包的品質情況已有一定的把握。因此，提取2個主成分，分別為Y1和Y2。根據表3中2個主成分系數，基于標準化后數據建立關系表達式，得到Y1、Y2的線性組合為

表3 成分矩陣

綜合得分Y=0.639 8Y1+0.154 2Y2

由式（1）（2）可知，在主成分Y1中，總體感官得分（X1）、硬度（X2）、黏聚性（X4）、黏著性（X5）、恢復性（X7）、水分含量（X8）、酸度（X13）的系數絕對值大于其他變量的系數絕對值，所以主成分Y1是7個物性及總體感官指標的綜合反映，它代表面包的質地及口感、滋味等，說明用這7個指標決定了面包品質63.981%的解釋性。在主成分Y2中，持水能力（X9）、酸價（X10）、過氧化值（X11）、比容（X14）的系數大于其他變量的系數，因此主成分Y2主要是由這4個指標來綜合反映。它標志著面包含有油脂品質的變化及特定理化指標。

2.3.3 主成分得分和綜合得分

表4是根據主成分方程計算的主成分得分和以各個主成分方差貢獻率占兩個主成分總方差貢獻率的比率為權重計算的綜合得分，從主成分得分和綜合得分來看，主成分Y1得分比較高的儲存期為9 d內的面包，說明面包在氣調包裝下，9天內均有良好的感官和物性品質。主成分Y2得分在儲存期的第3天、15天、33天，得分絕對值較高；綜合得分準確反映了面包實際儲存過程中品質的變化，新鮮的得分最高，隨著儲存時間的增加，品質逐步下降，得分也越低。

表4 主成分得分和綜合得分

3 結論與討論

質構特性是面包的一個重要品質屬性。本研究通過PCA分析，發現恢復性、硬度、黏著性、黏聚性對面包的品質有著極大的影響，這幾個指標也直接決定面包的總體感官得分。本研究觀察到，面包貯存后硬度增加，彈性和黏聚性下降，后兩個參數在第一周急劇下降，后呈緩慢衰減趨勢。值得關注的是，新鮮面包咀嚼度指標數值是由良好的彈性與黏聚性決定，但隨著面包產品的進一步儲存，咀嚼度指標數值又因面包硬度增加而呈上升趨勢，因此單純通過儀器測定咀嚼度無法直接判別面包品質好壞，感官評價結果可能更符合實際面包品質。在儲存過程中，發現面包質地的劣化均伴隨著面包瓤中水分含量的降低。

研究結果顯示，基于標準化后數據建立關系表達式符合實際面包儲存過程中品質變化的情況。改良氣氛（40% CO2和60% N2）可保障面包品質持續24 d，進一步證明了氣調包裝面包具有良好的微生物穩定性，濃度為40%的CO2能有效抑制細菌和真菌的生長，盡管使用CO2氣體可能會導致產品可滴定的酸度略有增加，但在感官評估中沒有感覺到酸味。N2能起到減緩面包中油脂氧化的作用，并對產品進行機械性保護，保持產品的外觀、氣味、風味和質地，從而保持其新鮮度，延長其貨架期，大幅降低運輸成本[8]。