基于相关性分析和主成分分析的 米豆腐品质评价

蔡方圆,王 沛,王智婷,刘 婧,姜 梅

(南京农业大学食品科技学院,江苏南京 210095)

米豆腐是我国湘鄂川黔等南方地区的一种传统小吃,光滑细腻,米香浓郁,因其外形似豆腐,故名为米豆腐。米豆腐是由米浆糊化而成,长期以来都保持着家庭和作坊式的生产模式,在传统工艺中,籼米经过除杂、清洗、浸泡、磨浆、糊化、冷却成型的一系列工艺制成米豆腐[1]。目前,对于米豆腐的研究停留在以感官评分为指标,探索配方优化及工业化工艺层面[1-2],但由于没有科学客观的质量评价指标,在产品生产和评价过程中缺乏可控性。因此,建立米豆腐品质的科学客观评价体系和产品评价标准,对米豆腐的标准化和工业化生产具有重要的推动作用。

相关性分析是用来衡量变量间相关性和密切程度的分析方法。主成分分析是一种有效的用于缩减变量的数据分析工具[3-4],通过数学程序实现这一过程,它能将原始变量转换成新的变量或主成分[5],主成分分析能够筛选品质指标[6]。聚类分析则可以根据相似度对研究对象或指标进行聚类[7]。已有研究者采用这些分析方法对大米食品的品质进行分析和评价[8-10]。

本文以10种市售米豆腐样品为研究对象,从化学成分、质构和色值方面,对其进行客观的品质分析,结合感官评价,用综合统计分析方法建立感官与品质特性间的联系,并对米豆腐样品进行分类,旨在筛选米豆腐品质评价指标,建立米豆腐科学评价方法,为其标准化和工业化提供依据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

米豆腐 市售,见图1,样品编号为1～10(来源地区分别为:四川阆中、湖北荆州、陕西汉中、四川广元、贵州凯里、四川南充、重庆秀山、湖南长沙、湖南怀化、贵州铜仁),10种样品中,只有1号和3号满足预包装食品的标准,便于转运、贮存和销售。除大米、水和碱性物质外,10种米豆腐样品中均未添加任何其它物质,且通过4 ℃储藏实验,确定样品储藏期不超过48 h。

图1 不同来源的10种米豆腐Fig.1 Ten kinds of rice tofu from different sources

Testo 205型便携式pH计 深圳德图仪表有限公司;Kjeltec 8400型全自动凯氏定氮仪 瑞典FOSS公司;SZF-06B型脂肪测定仪 上海新嘉电子有限公司;SX2-4-10型高温箱形电炉 上海博迅实业有限公司医疗设备厂;TA-XT Plus型物性测试仪(配备P/50探头) 英国Stable Micro Systems公司;CR-400型色差计 日本KONICA MINOLTA股份有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 感官评价 由10位感官评价员(男女比例1∶1,平均年龄24岁)对10种米豆腐样品进行感官评价。所有参与者均熟悉米豆腐,并有感官评价经验,同时在感官评价前,根据ISO标准[11]对感官评价人员进行训练,使他们熟悉评价体系。将相同储藏条件下的样品切成1 cm×1 cm×1 cm的小方块,并置于白瓷碗中。米豆腐的感官评价标准见表1,感官评价员从外观、质地、风味、口感四个方面评价样品并打分,同时对四个感官评价指标(外观、质地、风味、口感)的重要程度进行权重打分。

表1 米豆腐的感官评价标准Table 1 Sensory evaluation standard of rice tofu

1.2.2 化学成分分析 采用AOAC方法对米豆腐样品中水分[12]、淀粉[13]、蛋白质[14]、脂肪[15]和灰分[16]含量进行测定,测定前将米豆腐样品冻干,并研磨成粉。结果表示为样品湿基重。直链淀粉在总淀粉中所占的比例,通过Megazyme直链淀粉/支链淀粉试剂盒测定。

1.2.3 质构分析 将直径2.5 cm、高2 cm的米豆腐样品放置在质构仪的样品台上。实验参数为:测试前速度 1.0 mm/s、测试速度 1.0 mm/s、测试后速度 1.0 mm/s、形变量 30%、触发力 5 g。记录TPA曲线,并用质构仪配套的软件计算一系列参数。

1.2.4 色值分析 根据CIE(国际照明委员会)的方法,用色差仪测定米豆腐的颜色。在用标准白板校正后,对每个样品取3个点进行测定,并将其表示为L*值、a*值和b*值。L*值表示明度,范围为0到100,a*值代表绿(-128)到红(+127)的等级,b*值表示蓝(-128)到黄(+127)的程度。

1.3 数据分析

实验重复3次,数据用IBM SPSS 20.0软件进行单因素方差分析(ANOVA),结果表示为平均值±标准差。采用Duncan’s Multiple Range Test计算组均值之间的差异显著性(p<0.05)。将10种米豆腐样品作为评价单元,以感官评分、化学成分、质构和色值的16项评价指标作为变量进行相关性分析和主成分分析。在分析前,对原始数据进行极差标准化,得到范围为0～1的标准化数据,基于累积方差贡献率进行主成分分析。每个指标对数据集中的变量都有着相同的贡献率,并且在主成分计算中比重相同。同时根据样品的相似性和平方Euclidean距离,用聚类分析的差平方和方法(Ward法)对样品进行系统(Q型)聚类分析[17-18]。

2 结果与分析

2.1 感官评价

感官品质是决定消费者喜好的关键因素,通过感官评价可分析食品的整体感官品质[19]。但由于感官评价在描述上具有模糊性,应用模糊数学的方法则能够克服评分方法的主观性和片面性,并使模糊的问题科学化。模糊数学的方法已成功用在各种产品[20-23]的综合评价和准确分析中,本研究采用模糊数学的方法,根据感官评价指标的权重打分,计算得到权重集X=[0.292,0.240,0.260,0.207],计算每个指标的不同等级的得票率,得到10个样品的模糊关系矩阵R,结合权重集X和模糊关系矩阵R,得到模糊关系集Y=X×R。最后,引入综合得分矩阵W处理模糊关系集Y,根据感官评价的特殊性,设评价等级集Z=[87.5,62.5,37.5,12.5]T,米豆腐的感官评分W=Y×Z,计算得到10个样品的感官评分:W1=45.49,W2=62.54,W3=45.46,W4=50.48,W5=63.20,W6=46.48,W7=76.10,W8=63.88,W9=62.63,W10=50.84。根据感官评分,米豆腐样品感官评价分数不高(45.46～76.10),这主要是因为,米豆腐通常需要进一步烹饪加工和添加调味料食用,然而本文只对未加工和未添加调味料的原始状态的米豆腐进行研究。

2.2 物化特性分析

物化特性是评价米豆腐品质优劣的重要依据,能够直接反映米豆腐品质,并影响消费者的选择。本研究10种米豆腐样品的化学成分、质构和色值3方面的物化特性测定结果见表2。化学成分是判断米豆腐食用品质的一个重要组成部分[24],化学分析结果显示,10种米豆腐样品的7项化学指标的含量有明显差异。在这些化学指标中,样品间的pH、水分、淀粉和淀粉中直链淀粉含量差异较大。pH与加工过程中碱性物质的添加量和水分含量有关;10种米豆腐样品均呈碱性,pH最低为9.02,碱性最强的样品pH可达12.14。水分含量主要由加工过程中水分的添加量以及加工方式决定,10种样品水分含量相差较大,最低为57.25%,最高为87.61%。米豆腐样品中淀粉含量变化范围为10.50%～37.48%,这主要与加工工艺和大米种类有关。淀粉中直链淀粉含量在一定程度上,影响淀粉的凝胶强度和凝胶速度[25],进而影响大米的烹饪品质[26],其变化范围为7.29%～13.69%,这个差异可能来自于大米种类以及加工条件的差异。蛋白质含量在5号与9号样品间无显著性差异(p>0.05),但与其余8种样品间均有显著性差异(p<0.05)。脂肪含量在1号、2号以及6号样品间无显著性差异(p>0.05),4号、8号及9号样品间无显著性差异(p>0.05),3号与10号样品间无显著性差异(p>0.05),5号和7号样品与其余8种样品间有显著性差异(p<0.05)。灰分含量中,1号与2号样品间,5号、7号及8号样品间均无显著性差异(p>0.05)。蛋白质含量、脂肪含量和灰分含量在部分样品间虽有显著性差异(p<0.05),但差值较小,这与三种成分在米豆腐中含量低有关。

咀嚼性是综合了硬度、弹性、内聚性3项指标的综合指标,反映了把固态食品咀嚼成能够吞咽状态所需要的能量。表2中咀嚼性的结果显示,样品间咀嚼性呈现一定差异,咀嚼性范围为344.31～33227.13 g;除了7号和10号样品弹性有显著性差异(p<0.05),其余样品的弹性和10种样品的内聚性均无显著性差异(p>0.05),因此,硬度在样品的综合咀嚼性中作用最大。粘附性是指食品表面与其他物体附着时,剥离它们所需要的力[27]。实验结果中,6号样品粘附性最小为0.27 g×sec,9号样品粘附性最大为53.40 g×sec。与1、3、4、6、10号样品相比,2、5、7、8、9号样品咀嚼性较低且粘附性较大,同时其感官品质也较高,也就是说样品的咀嚼性和粘附性能反映出其感官品质,咀嚼性小且粘附性大的米豆腐感官品质更优。

已有研究发现,在大米食用品质的分析中,a*值与感官品质之间存在线性相关关系[28],从表2色值的分析中得到L*值、b*值和a*值的绝对值较大的样品,其对应的感官评分均较高,如2、5、7、8、9号样品,L*值均大于60,a*值的绝对值均大于4,感官评分均在60分以上。同时结合图1,明显看出这5种样品色泽明亮、淡黄色,消费者接受度更高。

表2 10种米豆腐物化特性Table 2 Physicochemical characterization of ten kind of rice tofu

结合感官评价结果,接受度较高的米豆腐样品,如2、5、7、8、9号,pH、水分含量和淀粉中直链淀粉含量均较高,淀粉含量不高;咀嚼性小且粘附性大;在色值上,L*值、b*值和a*值的绝对值较大,具有明亮的淡黄色。

2.3 相关性分析

感官评价虽然是最直接的品质评价方式,但依靠感官评价品评米豆腐品质,大多基于描述性语言,且受到不可控主观因素的影响,而物化特性的仪器量化测定,可弥补感官评价的不足,在一定程度上抵消主观因素的影响,但在实际应用中仍需结合感官评价。因此,研究主观感官与客观品质指标间的关系对米豆腐品质的综合评价有重要意义。10种米豆腐样品的感官指标、化学成分、质构以及色值的16项指标间的相关性见表3。结果表明,感官评分与米豆腐样品pH极显著正相关(r=0.840,p<0.01)。米豆腐制作工艺中,碱性物质的添加赋予米豆腐特有的质构和风味,所以,用pH作为评价米豆腐品质的指标。感官评分与硬度显著负相关(r=-0.710,p<0.05),与粘附性显著正相关(r=0.684,p<0.05),与咀嚼性显著负相关(r=-0.705,p<0.05),由于咀嚼性综合了硬度指标,因此,质构仪测定的粘附性和咀嚼性共同表征米豆腐的质地和口感品质,粘附性大且咀嚼所需能量少的米豆腐样品感官品质更优。此外,感官评分与L*值之间呈显著的正相关关系(r=0.654,p<0.05),与a*值极显著负相关(r=-0.780,p<0.01),L*值越大,a*值越小,对应的米豆腐呈现浅亮的黄色,感官评分更高,因此用色差仪测定的L*值和a*值表征感官中的外观品质。

在米豆腐化学成分与质构的相关性分析中,咀嚼性与水分含量间呈极显著的负相关关系(r=-0.877,p<0.01),同时咀嚼性与粘附性显著负相关(r=-0.695,p<0.05)。米豆腐水分含量的增大,能够增加米豆腐的粘附性,并降低咀嚼米豆腐至能够吞咽状态所需的能量。咀嚼性与淀粉含量和蛋白质含量间均呈极显著的正相关关系(r=0.834和r=0.927,p<0.01),米豆腐中较多的淀粉含量造成产品的固形物含量增大,增加咀嚼的能耗,产生不适口感;故米豆腐中淀粉含量不宜过高,宜控制在15%以下。同时,大米蛋白在大米淀粉的结构特性、糊化特性和流变特性中扮演重要角色[29],会抑制淀粉颗粒的膨胀并增强网络结构;因此,较多的大米蛋白和淀粉会造成咀嚼性增大和粘附性降低,不利于米豆腐感官品质。这与周晓晴[8]发现的大米蛋白含量与感官评定指标间负相关关系的结果相一致。表3中,咀嚼性与直链淀粉含量显著负相关(r=-0.689,p<0.05)。高直链淀粉含量的籼米是米豆腐传统工艺中的最佳原料[30],淀粉在水中加热时,直链淀粉的无定型区优先被破坏,随后支链淀粉的结晶区被挤压,淀粉的双螺旋结构破坏。最终,直链淀粉从淀粉颗粒中解析出来[31],包裹着膨胀淀粉颗粒的凝胶网络结构形成。冷却时,直链淀粉形成凝胶网络结构,并部分有序化形成微晶体。已有研究发现,直链淀粉含量和凝胶强度、凝胶速度之间均有明显的相关性[25]。因此,高直链淀粉含量的米豆腐粘附性更高,咀嚼性较低,感官品质更佳,这与王铃钊[30]在碎米制作米豆腐中的研究结果一致,也与米豆腐长期以来的制作工艺中,选择直链淀粉含量高的籼米的经验相吻合。

在米豆腐的高温加工过程中,籼米中的淀粉和蛋白质在碱性环境下,部分水解产生游离羰基和氨基,进而发生美拉德反应,影响产品的色值。表3中L*值与a*值显著负相关(r=-0.732,p<0.05),同时与水分含量和灰分含量分别显著正相关和负相关(r=0.678和r=-0.710,p<0.05),高的水分含量和低的灰分含量会使米豆腐呈现明亮的淡黄色。在米豆腐的制作工艺中,草木灰或石灰的加入,在提高pH的同时也会增加米豆腐中灰分物质的含量,同时使米豆腐的色泽变暗,明度值降低,结合感官评价,明度值低的米豆腐会降低感官接受度。

表3 参数间的相关性分析Table 3 Correlation analysis between parameters

但同时,pH与咀嚼性存在显著负相关关系(r=-0.688,p<0.05),也就是说,碱性物质的添加所带来的pH的增大,可以赋予米豆腐更好的感官品质。因此采用灰分含量较低的碱性物质替代草木灰或石灰,既能保证米豆腐具有良好的质地和口感品质,同时其外观色泽更佳。

因此,高水分含量、高直链淀粉含量、适当淀粉含量、低蛋白质含量、低灰分含量和高pH的米豆腐,其咀嚼性低、粘附性高、色泽明亮,米豆腐的感官品质更佳。

2.4 主成分分析

根据米豆腐感官评价和物化特性的相关性分析,16项评价指标间存在不同程度的相关性和信息冗杂重叠,大量信息造成了分析障碍。因此,采用主成分分析的方法,对从化学成分、质构、色值以及感官评分中得到的评价指标进行筛选,剔除不重要的信息,消除指标间的重叠性,保留少数几个综合指标,从而简化分析过程。根据表4中成分的特征根和累积方差贡献率,本研究选择特征根大于1的3个主成分[32],3个成分代表了总变量84.94%的信息。其中成分1代表数据集中所有变量的56.13%的信息,能够最大限度地反映数据集中的信息;成分2代表18.93%,成分3代表9.88%。如果主成分的累积贡献率大于70%,就能代表所有的变量[33],因此本实验选择的3个主成分能代表16个米豆腐品质综合评价的变量。

表4 主成分的累积贡献率Table 4 Total variance explained of PCA

主成分得分和载荷分布见图2～图3。载荷本质上描述的是由两个主成分构成的线性方程的系数,载荷的绝对值越大,对主成分的影响就越大,这个影响能通过载荷代表的点到原点的距离,来衡量,如果这个点离原点较远,表示这个特征属性的波动对样品间的差异贡献显著。由图2～图3可知,化学成分中,对成分1有显著正向影响的指标为淀粉含量和蛋白质含量,载荷值分别为0.979和0.947;负向影响的指标为水分含量,载荷值为-0.969;质构指标中,粘附性和咀嚼性对成分1产生负向和正向影响的载荷值分别为-0.806和0.869;且若成分1小,感官评分和pH均较高(载荷值分别为-0.928和-0.855)。内聚性和脂肪含量分别在图2中Y轴原点的正向和负向,且离原点较远,载荷值分别为0.872和-0.853,表示他们的波动对成分2的贡献最大。随着成分2增大,内聚性增大,脂肪含量小。在图3中,对成分3影响最大的正向和负向变量指标及载荷分别为b*值(0.559)、a*值(0.530)和弹性(-0.444),成分3中各指标的载荷值均较小,反映数据集中变量的能力有限。

基于主成分得分图,可描述样品和指标间的关系[7,34-36],在图2～图3中,2、5、7、8、9号样品均在成分1原点的左侧区域;结合载荷分布,这5种样品具有较高的水分含量和碱性,且蛋白质含量较低,同时淀粉含量均低于15%。对应的米豆腐质构粘附性较大、咀嚼性较小,在直接食用的情况下,整体感官品质优于1、3、4、6、10号样品。此结果与感官评分、物化特性以及相关性分析的结果一致,由此证明,主成分分析在米豆腐品质综合评价中具有可行性。周晓晴等[9]采用主成分分析的方法,对与米饭品质相关的指标进行分析,构建了品质评价模型。图2中3、5、8、9、10号样品相较于1、2、4、6、7号具有更高的内聚性和较低的脂肪含量,由于成分2在数据集中贡献率仅为18.93%,且根据内聚性和脂肪含量的测定结果,样品间差异不明显,故而不将其作为评价指标。图3中3、7、8、9号样品在Y轴的正向区间,但表2中4种样品对应的a*值、b*值和弹性结果与此并不一致,原因可能是,本研究中成分3筛选出的变量表征能力有限。因此,仅将水分含量、淀粉含量、蛋白质含量和pH作为米豆腐品质评价的化学衡量指标,用客观仪器测定的咀嚼性和粘附性反映样品的质地和口感。另外根据物化测定以及相关性分析的结果,L*值作为重要的品质指标,在样品间有显著性差异,因此将其列入客观品质评价指标中。

图2 成分1、成分2的得分和载荷双坐标图Fig.2 Biplots on PC1-PC2 plane overlapping scores and loadings注:底部的X轴和左侧的Y轴是主成分得分的 横坐标和纵坐标;顶部的X轴和右侧的 Y轴是载荷的横坐标和纵坐标；图3同。

图3 成分1、成分3的得分和载荷双坐标图Fig.3 Biplots on PC1-PC3 plane overlapping scores and loadings

2.5 聚类分析

对多重样本对象进行分类时,需要考虑众多因素,聚类分析就是一种多元分析工具,根据相似度对研究对象或者指标的特性进行分类[37],具有最大相似度的样品优先聚类[38]。根据紧密度和相似度将米豆腐样品分组,聚类结果见图4,当组间距为10时,聚类分析将样品分为2组。第一类包括2、5、7、8、9号,第二类为1、3、4、6、10号,此结果与主成分分析的结果一致。Lee等[39]根据淀粉水化和糊化特性指标的紧密度和相似度,对大米进行聚类分析,提供了根据大米实际加工性能分类的方法;孙婷琳等[10]也采用聚类分析的方法对鲜湿米粉进行分类,并验证了主成分分析模型的可行性。基于相关性分析和主成分分析的结果,第一类米豆腐粘附性较大且咀嚼性较小,此类米豆腐由米浆经过熬煮加工后冷却成型制成,适合鲜食。第二类米豆腐是烹饪型米豆腐,其加工工艺不同于鲜食米豆腐,米浆在熬煮加工并成型后,还需进一步蒸制,由于水分含量低咀嚼性大,不适宜鲜食,较为适宜进一步烹煮加工食用。

3 结论

科学客观评价方法的建立是实现标准化的前提,也是建立评价体系的基础。相关性分析得到,米豆腐样品的L*值与水分和灰分之间分别呈显著的正相关和负相关关系(r=0.678和r=-0.710,p<0.05);水分高、淀粉含量适当、蛋白质含量低和直链淀粉含量高的米豆腐,粘附性大且易咀嚼。结合物化特性指标与感官评价的相关性分析,易咀嚼、粘附性大且色泽浅亮的米豆腐感官接受度更高。因此,对米豆腐而言,水分、淀粉、蛋白质、直链淀粉和灰分含量,能够通过影响其粘附性和咀嚼性,使米豆腐呈现明暗不同的色泽,进而决定米豆腐的质地、口感以及外观品质。采用主成分分析的方法,从7个化学指标中筛选出水分含量、淀粉含量、蛋白质含量和 pH 4个指标,从5个质构指标中筛选出粘附性和咀嚼性2个指标,从色值指标中筛选出L*值作为评价因子。确定的7个指标分别从化学成分、质构和色值3方面全面评价米豆腐的品质。运用聚类分析的方法,验证相关性分析、主成分分析在米豆腐中应用的可行性,并根据10种米豆腐样品的相似度和紧密度将其聚为两大类,即鲜食型(水分含量均高于80%、咀嚼性均低于1000)和烹饪型(需进一步加工食用),加工工艺的差别造成其整体特性及食用方式存在明显差别。本研究的方法在米豆腐品质综合评价的应用上是可行的,为米豆腐的研究和工业化生产提供技术支持,并为建立统一的评价体系提供理论基础。