王 莉,張新霞,楊曉娜,王 韌,陳正行

(江南大學糧食發(fā)酵工藝與技術國家工程實驗室,江蘇無錫 214122)

方便米飯原料適應性的因子、聚類分析研究

王 莉,張新霞,楊曉娜,王 韌,陳正行*

(江南大學糧食發(fā)酵工藝與技術國家工程實驗室,江蘇無錫 214122)

不同品種的大米對方便米飯的質量有很大的影響。本文通過因子分析、聚類分析對方便米飯的原料適應性進行研究,得到適宜加工成方便米飯的稻米原料的12個品質指標最佳取值范圍:最低粘度1300～2000cP,最終粘度2000～2800cP,峰值粘度2000～2500cP,回生值900～1200cP,峰值時間>6min,糊化溫度63～75℃,直鏈淀粉含量15.5%～17.5%(干基),蛋白含量<8%(干基),吸水率230%～275%,膨脹體積300%～340%,米湯碘藍值>0.18,米湯干物質>20mg/g。通過這些指標可以對優(yōu)質稻米品種進行有效篩選,為方便米飯工業(yè)化生產(chǎn)提供客觀依據(jù),同時為食味優(yōu)良的稻米育種工作提供了理論依據(jù)。

方便米飯,稻米,適應性,因子分析,聚類分析

方便米飯(也稱為即食米飯),因其口感和風味接近新鮮米飯,且成本低,可常溫流通,保質期長等優(yōu)勢,具有很大的發(fā)展空間,但它始終沒有像方便面一樣得到推廣[1]。其中一個重要的原因是生產(chǎn)方便米飯的稻米種類繁多,而不同品種的大米對方便米飯的質量有很大的影響[2-7]。對稻米原料的選擇,影響因素較復雜,單純依靠幾個品質指標或某一類品質并不能準確判斷稻米品種是否適宜加工成方便米飯[8-9]。因此,本實驗對稻米原料的18個品質指標運用因子分析及聚類分析,進行方便米飯原料適應性研究。因子分析(Factor analysis)是用少數(shù)幾個因子去描述多個變量之間的關系,反映了一種降維的思想,把諸多變量綜合為少數(shù)幾個公因子,根據(jù)變異的累積貢獻率提取一定個數(shù)的公因子,一般認為累積方差貢獻率大于75%,就可以保留大部分重要信息。聚類(Clustering)是將某個對象集劃分為若干組的過程,使得同一個組內的數(shù)據(jù)對象具有較高的相似度,而不同組的數(shù)據(jù)對象是不相似的[10]。以方便米飯感官評價綜合得分為依據(jù),將93個稻米品種分類,進一步得到適宜加工成方便米飯的稻米原料的12個品質指標最佳取值范圍。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

共收集來自九個省份2010年、2011年收獲產(chǎn)量較高具有代表性的93個水稻品種。每個省份選取的稻米品種分別為:黑龍江省:龍粳31、通粘1號、綏粳3號、牡粳1號、松粳9號、東農(nóng)428、綏粳9號、龍粳20號、早香稻、松粳12、五優(yōu)稻4號、東農(nóng)425、龍洋1號、北稻2號、綏粳4、普通長粒米、龍粳27、龍粳25、普粘8號、綏粳8號、空育131、東農(nóng)429、通糯3號、墾稻12號、龍粳26號、香稻1號、香稻2號、香稻3號。

遼寧省:東選2-10、撫粳8、富禾998、遼星15、中遼9052、沈農(nóng)2100、優(yōu)勝、金秧多利、富禾77、撫粳4、鵬潤超越、東研532、常勝將軍、沈粳4311、遼星1、遼優(yōu)5218、港玉2、沈農(nóng)315、九稻26、莊育3號、秋光、中作59、沈農(nóng)9816、富禾66、民喜9、沈稻9號、遼粳207、豐民18、遼星20、港玉10、東示15、遼粳530。

江蘇省:禾豐15、蘇秀9號、鎮(zhèn)稻88、淮稻6號、連粳3號、連粳7號、淮稻13號、鹽粳10、鹽粳7號、鎮(zhèn)稻7號、鎮(zhèn)稻10號、揚粳4227、連粳6號、鎮(zhèn)稻99、華粳5號、武運粳7號、武運粳21、泗稻12、徐稻5。

湖北省:華稻矮21、金優(yōu)402、T優(yōu)535、金優(yōu)433。

山東省:臨稻11、大糧203、臨稻16。

河南省:紅光粳1號、焦旱1號。

吉林省:吉粳803、吉粳88號。

天津:津9540、金粳18。

安徽省:皖稻86。

其中,華稻矮21、金優(yōu)402、T優(yōu)535、金優(yōu)433為秈稻,通粘1號、牡粳1號、普粘8號、通糯3號為粳糯,其余85個品種均為粳稻。

葡萄糖酸-δ-內酯(Glucono-δ-lactone) 連云港中壹精細化工有限公司；馬鈴薯直鏈淀粉(Amylose from potato)、玉米支鏈淀粉(Amylopectin from maize) Sigma-Aldrich公司；硫酸銅(CuSO4·5H2O)、硫酸鉀(K2SO4)、硫酸(H2SO4)、硼酸(H3BO3)、95%乙醇(C2H5OH)、冰乙酸(CH3COOH)、氫氧化鈉(NaOH)、碘(I2)、碘化鉀(KI)、溴甲酚綠指示劑(C21H14Br4O5S)、甲基紅指示劑(C15H15N3O2) 國藥集團化學試劑有限公司。以上試劑均為分析純。

RSKM5B型實驗碾米機、RGQI10B大米顆粒評定儀 日本佐竹公司；高速多功能粉碎機(100g) 上海冰都電器有限公司；標準檢驗篩 浙江上虞市道墟五四儀器廠；JLGJ 2.5實驗用礱谷機 中國浙江耀江機械有限公司；Starter 3C實驗室pH計 奧豪斯儀器(上海)有限公司制造；MZGl500S型微波實驗儀 南京匯研微波系統(tǒng)工程有限公司產(chǎn)品；UV-1800型紫外可見分光光度計 上海美譜達儀器有限公司；RVA-Tech Master 型快速黏度分析儀 澳大利亞Newport Scientific儀器公司；Centrifuge 5804 R高速離心機 eppendorf公司；KjeItec2300凱氏定氮儀 瑞典FOSS分析儀器有限公司；Sartorius BSA124S-CWD電子天平 賽多利斯科學儀器(北京)有限公司；KKE25681TI冰箱 博士家用電器(中國)有限公司；26cm不銹鋼兩層蒸鍋 浙江愛仕達電器股份有限公司；電磁爐 奔騰電器(上海)有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 原材料預處理 實驗原料以稻谷形式儲藏在4℃冰柜中,實驗前將樣品取出,平衡至室溫,脫殼,除糙(碾米率為88%),放入雙層PP自封袋中,并做好標記(品種名、編號、日期)。

1.2.2 方便米飯制作方法 方便米飯生產(chǎn)工藝流程:大米→清洗→浸泡→定量填充→殺菌→酸水填充→常壓蒸飯→封口→保溫→冷卻→成品

操作要點:清洗:稱取30g精米用自來水快速清洗2～3遍。

浸泡:將清洗過的大米在自來水中浸泡60～80min,使大米充分的吸收水分,有利于蒸煮過程中米粒的糊化。

定量填充:浸泡完成后將大米瀝水并放入容積為100mL的PP環(huán)保塑料飯盒中。

殺菌:將瀝干的大米進行微波滅菌,功率為800W,時間為50s。

酸水填充:使用0.15%葡萄糖酸-δ-內酯(可有效改善米飯凝結及軟硬度,降低pH,可起到抑菌和延長保鮮期的作用,同時對米飯的形態(tài)和口感無明顯不良影響。

調節(jié)酸水的酸度至pH3.0(30℃),并以米水比為1∶1.3填充。

常壓蒸飯:沸水蒸煮米飯30min,切斷電源后燜飯10min。

封口:采用100mL的PP環(huán)保塑料飯盒密封方便米飯。

保溫:冷卻至室溫后,放置4℃冰箱。

成品:方便米飯在冰箱內放置一周后供實驗分析研究。

1.2.3 方便米飯食用品質感官評定 將貯存一周的方便米飯從4℃冰箱中取出,平衡至室溫后,微波加熱60s,感官評價綜合得分評價具體步驟參照GB/T 15682-2008[11]。

1.2.4 大米外觀品質的測定 采用佐竹大米顆粒判定儀測定稻米的外觀品質,通過3個傳感器及畫面處理判別每粒米的外觀品質,將1000粒精米(約20g)放入樣品槽,掃描40s,得到測定結果。每組樣品做平行實驗四次,求其算術平均值作為測定結果。主要測定的指標:粒長、粒寬、白度。

1.2.5 大米理化性質的測定 直鏈淀粉:GB/T 15683-2008《大米直鏈淀粉含量的測定》[12],蛋白質:GB5009.5-2010《食品安全國家標準 食品中蛋白質的測定》[13],灰分:GB5009.3-2010《食品安全國家標準 食品中水分的測定》[14]。

1.2.6 大米蒸煮品質的測定 大米吸水率、膨脹體積、米湯pH、米湯碘藍值和米湯干物質的測定按照田紀春[15]介紹的方法。

1.2.7 米粉RVA糊化特性的測定 米粉糊化性質測定參照GB/T 24852-2010《大米及米粉糊化特性測定 快速粘度儀法》[16]和Bao等人[17]。

1.2.8 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計分析 使用Excel 2007、IBM SPSS Statistics19.0統(tǒng)計軟件進行數(shù)據(jù)處理與分析。

因子分析中,稻米品質指標的提取方法為“主成分法”,因子旋轉方法為“最大方差法”；聚類分析采用系統(tǒng)聚類,方法為“組間連接”,度量標準為“二元歐氏距離的平方”。

2 結果與分析

2.1 因子分析

表1公因子方差表中的“提取”項指公共因子對每個指標能夠解釋的方差的值。除糊化溫度外,其他值均較高。

表2給出了每個公因子所解釋的方差及其累積和,前六個公因子解釋的累積方差達到了77.679%,保留了原始變量的大部分信息,因此提取這六個公因子就可以較好的解釋原有變量所包含的信息了,經(jīng)過因子旋轉后得到的新公因子的方差貢獻值發(fā)生了變化,但最終的累積方差貢獻率不變。圖1為初始特征值的碎石圖,發(fā)現(xiàn)第六個公因子后的特征值變化趨緩,故而選取前六個公因子是比較恰當?shù)摹?/p>

圖1 碎石圖Fig.1 Scree plot

表3 旋轉后的因子載荷陣Table 3 Rotated component matrix

表4 成份得分系數(shù)矩陣Table 4 Component score coefficient matrix

因子旋轉是一種尋找因子的合理解釋,使新因子能夠反映問題的實質特征的改進方法,旋轉后每個公因子上的載荷分配更加清晰,因子載荷是公共

表1 公因子方差表Table 1 Communalities

因子與變量的相關系數(shù),對一個變量來說,載荷絕對值越大的因子與它的關系更為密切,也更能代表這個量。表3為大米品質指標旋轉后的因子載荷陣,第一公因子主要代表最低粘度、最終粘度、峰值粘度、直鏈淀粉含量、峰值時間、米湯碘藍值、回生值這七個變量；第二公因子主要代表長度、白度、衰減值這三個變量；第三公因子主要代表吸水率、膨脹體積、米湯干物質這三個變量；第四公因子主要代表厚度、水分含量這兩個變量；第五公因子主要代表蛋白含量、糊化溫度這兩個變量；第六公因子主要代表米湯pH這個變量。

表5 綜合評分與因子得分相關性Table 5 Correlation between overall acceptance and factor score

注:**. 在 0.01 水平(雙側)上顯著相關；*. 在 0.05 水平(雙側)上顯著相關。

表6 系統(tǒng)聚類分析結果Table 6 Results of hierarchical cluster analysis

表4為每個大米品質指標的公因子成份得分系數(shù)矩陣,由此可得最終的因子得分公式為:

F1=0.085×衰減值+0.088×回生值+0.239×峰值粘度+…+0.062×米湯pH；

F2=-0.163×衰減值+0.184×回生值-0.189×峰值粘度+…-0.082×米湯pH；

F3=0.207×衰減值+0.054×回生值+0.140×峰值粘度+…+0.072×米湯pH；

F4=0.281×衰減值-0.036×回生值+0.079×峰值粘度+…-0.034×米湯pH；

F5=0.125×衰減值+0.157×回生值-0.003×峰值粘度+…+0.010×米湯pH；

F6=-0.116×衰減值-0.033×回生值+0.02×峰值粘度+…+0.889×米湯pH。

通過因子分析將稻米品質18個指標簡化為六個公因子得分公式,每個公式都主要代表了稻米的一類品質信息,有利于對不同稻米品種的品質分析。

將大米品質指標值分別代入6個因子得分公式中,即得到每個品種的6個因子得分,每個因子得分代表了不同的稻米信息。表5為感官評定指標綜合得分與因子得分的相關性分析,綜合得分與因子得分1呈顯著正相關,與因子得分3、5分別呈極顯著負相關,說明綜合評分分別與因子得分1、3、5相關性較好；6個因子得分之間相關性均為0,說明6個公因子代表的大米品質信息不重疊,符合因子分析的要求。

2.2 聚類分析

以因子得分1、3、5為變量對93個稻米品種進行系統(tǒng)聚類分析,聚類分析樹形圖見圖2。

圖2 聚類分析樹形圖Fig.2 Cluster analysis tree

將93個稻米品種共分為七類,其中第六類有5個品種(金粳18號、富禾998、鵬潤超越、禾豐15號、紅光粳1號),第七類有1個品種

表7 T檢驗Table 7 T-test

表8 不同類別的大米品質取值范圍Table 8 The value range of rice quality in different category

(鎮(zhèn)稻88),這6個品種的品質指標數(shù)據(jù)無明顯特征,因此不作分析；其余五類的分類結果見表6。

第一類共包括55個稻米品種,感官評定指標綜合評分在70分左右；第二類共包括20個稻米品種,除津9540、遼星1號、沈農(nóng)2100、秋光外,其余品種的綜合評分在75分以上；第三類共包括4個稻米品種,綜合評分在80分以上；第四類為4個秈稻品種,綜合評分在70分以下；第五類為4個粳糯品種,綜合評分在70分以下。分類結果是以因子得分1、3、5為依據(jù)得到的,公因子1、3、5共代表了12個核心大米品質指標:最低粘度、最終粘度、峰值粘度、直鏈淀粉含量、峰值時間、米湯碘藍值、回生值、吸水率、膨脹體積、米湯干物質、蛋白含量、糊化溫度。秈稻、粳糯與粳稻的大米品質差異明顯,容易區(qū)分,對前三類的粳稻品種進行兩兩獨立樣本T檢驗,結果見表7。第一、二類中蛋白含量、吸水率、膨脹體積、糊化溫度、峰值粘度、最低粘度T檢驗的雙側Sig.值均在0.05的顯著水平上；第一、三類中直鏈淀粉含量、吸水率、膨脹體積、米湯碘藍值、米湯干物質、最終粘度、回生值T檢驗的雙側Sig.值均在0.05的顯著水平上；第二、三類中直鏈淀粉含量、蛋白含量、糊化溫度、回生值T檢驗的雙側Sig.值均在0.10的顯著水平上,吸水率、膨脹體積、米湯干物質、峰值粘度、最低粘度、最終粘度均在0.05的顯著水平上。除了峰值時間,三類中大米品質指標間均有顯著性差異,因此,可以認為第一類代表了綜合評分在70分左右的品種,不適宜加工成方便米飯；第二類代表了綜合評分在75分以上的品種,比較適宜加工成方便米飯；第三類代表了綜合評分在80分以上的品種,適宜加工成方便米飯。

2.3 大米品質最佳取值范圍分析

根據(jù)分類結果,分別對12個核心指標特征進行分析,不同類別的大米品質取值范圍見表8。第四類秈稻、第五類粳糯與前三類粳稻在大米品質指標的取值范圍上差異明顯,且秈稻、粳糯制作的方便米飯食用品質較低,因此對這兩個品系不作討論。

最低粘度在第一、二類的分布趨勢均為取值越大,綜合評分越高,而在第三類中,取值(1100～1500cP)均較小,但綜合評分高,根據(jù)分析結果最低粘度取值范圍在1300～2000cP之間,方便米飯食味值高；最終粘度在第一類中的取值與綜合評分無明顯相關性,在第二類中取值越低,綜合評分越高,第三類中,4個品種的取值(2000～2500cP)均較低,最終粘度在2000～2800cP之間,大米品種制作的方便米飯食用品質高；峰值粘度在第一、二類中的取值越大,綜合評分越高,而第三類中,取值(1600～1900cP)均較小,但綜合評分高；前三類中直鏈淀粉含量的取值范圍在15%～19%之間,第三類中的4個品種含量(17%～18%)較高,第一、二類中食用品質高的品種取值范圍在15.5%～17.5%之間；峰值時間與綜合評分的相關性較好,三個類別中,峰值時間越長,綜合評分越高,取值>6min的品種食味較好；米湯碘藍值在第三類中取值最高,第二類次之,第一類最低,取值越高,方便米飯食味越高,取值>0.18的品種食用品質較高；回生值與綜合評分呈負相關,第三類品種取值低,食味好,第二類居中,第三類的取值越高,綜合評分越低；吸水率在第一、三類中,取值越低,綜合評分越高,而在第二類中,吸水率高的品種,綜合評分也高；膨脹體積在第一、三類中,分布趨勢與吸水率一致,取值越低,綜合評分越高,而在第二類中,取值與綜合評分無明顯相關性；米湯干物質與綜合評分呈正相關,取值越高,方便米飯食用品質越高,一般取值>20mg/g的品種品質較好；蛋白含量與綜合評分呈負相關,第三類中的品種取值在7.3%～7.9%之間,品質較好,第二類居中,第一類中取值高的品種,綜合評分低；糊化溫度在第一類中,取值與綜合評分無明顯相關性,在第二、三類中取值越低,綜合評分越高,取值在63～75℃之間的品種食用品質較好。

表9 大米品質最佳取值范圍Table 9 The optimal value range of rice quality

綜上所述,將適宜加工成方便米飯的稻米品質指標最佳取值范圍進行歸納總結,見表9。通過這些指標可以對優(yōu)質稻米品種進行有效篩選,為方便米飯工業(yè)化生產(chǎn)提供客觀依據(jù),同時為食味優(yōu)良的稻米育種工作提供了理論依據(jù)。

3 結論

稻米的品種繁多,其特性具有較大差異,所生產(chǎn)的方便米飯的品質也有較大差異。本文選取具有代表性的93個水稻品種,通過因子分析、聚類分析對方便米飯的原料適應性進行研究,得到適宜加工成方便米飯的稻米原料的12個品質指標最佳取值范圍:最低粘度1300～2000cP,最終粘度2000～2800cP,峰值粘度2000～2500cP,回生值900～1200cP,峰值時間>6min,糊化溫度63～75℃,直鏈淀粉含量15.5%～17.5%(干基),蛋白含量<8%(干基),吸水率230%～275%,膨脹體積300%～340%,米湯碘藍值>0.18,米湯干物質>20mg/g。這些指標范圍的確定對生產(chǎn)質量穩(wěn)定的高品質的方便米飯產(chǎn)品具有重要的實踐意義。

[1]姚勇芳,朱美娟,鐘仕花. α化脫水方便米飯的研制[J]. 廣東輕工職業(yè)技術學院學報,2004(3):1-3.

[2]王佳,林親錄,吳躍,等. 脫水方便米飯的稻米品種篩選[J]. 食品科學,2013(3):16-20.

[3]陳天鵬,李里特,錢平. 凍干方便米飯品質評價方法及原料適應性的研究[J]. 中國糧油學報,2006(1):15-19.

[4]蒲彪,李建芳,周楓. 凍干方便米飯原料適應性及加工特性的研究[J]. 中國糧油學報,2007(1):9-13.

[5]鄭志,張原箕,羅水忠,等. 熱風干燥型方便米飯品質評價方法及原料適應性[J]. 中國糧油學報,2011(1):102-105.

[6]楊冰,王莉,王韌,等. 方便米飯品質特性與原料適應性的研究[J]. 食品工業(yè)科技,2012(16):165-170.

[7]Champagne E T,Lyon B G,Min B K,etal. Effects of postharvest processing on texture profile analysis of cooked rice[J]. Cereal chemistry,1998,75(2):181-186.

[8]崔晶森,田茂紀. 水稻食味學[M]. 天津:天津教育出版社,2007:5-19.

[9]Lim S J,Lee S K,Kim D U,etal. Varietal variation of amylogram properties and its relationship to other eating quality characteristics in rice[J]. Korean Journal of Breeding,1995，27(3):268-275.

[10]李新蕊. 主成分分析、因子分析、聚類分析的比較與應用[J]. 山東教育學院學報,2007(6):23-26.

[11]GB/T 15682-2008 糧油檢驗 稻谷、大米蒸煮食用品質感官評價方法[S]. 北京:中國標準出版社,2008.

[12]GB/T 15683-2008 大米直鏈淀粉含量的測定[S].北京:中國標準出版社,2008.

[13]GB5009.5-2010 食品安全國家標準 食品中蛋白質的測定[S]. 北京:中國標準出版社,2010.

[14]GB5009.3-2010 食品安全國家標準 食品中水分的測定[S]. 北京:中國標準出版社,2010.

[15]田紀春. 谷物品質測試理論與方法[M]. 北京:科學出版社,2006:458-460

[16]GB/T 24852-2010 大米及米粉糊化特性測定快速粘度儀法[S]. 北京:中國標準出版社,2010

[17]包勁松,沈圣泉,謝建坤. RVA輔助稻米食用品質改良研究(英文)[J]. 分子植物育種,2004(1):48-52.

Factor analysis and cluster analysis of adaptabilityof raw material for instant rice

WANG Li,ZHANG Xin-xia,YANG Xiao-na,WANG Ren,CHEN Zheng-xing*

(National Engineering Laboratory for Cereal Fermentation Technology,Jiangnan University,Wuxi 214122,China)

Different varieties of rice have a great impact on the quality of instant rice. In this research,the adaptability of raw rice was facilitated by factor analysis and cluster analysis and the optimal value range of 12 indicators of rice quality suitable for processing into instant rice were summarized. First of all,pasting property of rice should fall within the following range:ftrough viscosity(1300～2000cP),final viscosity(2000～2800cP),peak viscosity(2000～2500cP),set back(900～1200cP),peak time(>6min),pasting temperature(63～75℃). Moreover,amylose content should be ranged from 15.5% to 17.5%(dry basis),and protein content should be lower than 8%(dry basis). In addition,the scope of water uptake ratio and volume expansion ratio were 230%～275%,300%～340%,respectively. Finally,iodine blue value should be lower than 0.18 and solids in cooking residual should be lower than 20mg/g. Therefore,not only high-quality rice varieties could be effectively selected,an objective basis for industrial production of instant rice could also be provided. Meanwhile,a theoretical basis of breeding rice varieties with nice palatability can also be provided.

instant rice;raw rice;adaptability;factor analysis;cluster analysis

2014-04-03

王莉(1981-),女,博士,副教授,研究方向:糧食精深加工。

*通訊作者:陳正行(1960-),男,博士,教授,研究方向:糧食精深加工。

國家科技支撐計劃課題(2012BAD37B02，2012BAD34B02)。

TS217

A

1002-0306(2015)03-0109-07

10.13386/j.issn1002-0306.2015.03.014