物料加水量对重组米品质的影响及其评价模型的研究

王达，周彩欣，简沛仪，黄卓权，庄新栋，李美英，孙远明

（华南农业大学食品学院，广东省食品质量安全重点实验室，广东 广州 510642）

重组米是一种以淀粉类原料为主体，经挤压熟化、切割、干燥等工艺制成的外形类似天然大米的颗粒[1]。通过添加营养强化剂或剔除原料中的某种成分即可制备出具有特殊营养功能的重组米，如富锌强化大米[2]、富硒重组米[3]、降血糖大米[4]、低蛋白重组米[5]等。这些特殊营养功能的产品社会需求庞大，因此重组米的开发已受到广泛关注。

制备重组米所使用的挤压蒸煮系统是一个复杂的多输入多输出（mutiple input mutiple output，MIMO）系统[6]，属于典型的黑箱模型体系。作为关键挤压参数，物料加水量对重组米品质的影响未被完全掌握，成品重组米常存在外形不饱满、质构特性与天然大米相差大、蒸煮品质差等问题[7-10]。此外，重组米当前的评价体系不完善，主要依靠感官评价作出判断[7，11-13]。但感官评价受主观影响较大，难以得出准确和客观的意见，导致试验结果不具有普遍性[14]。

因此，本文研究物料加水量对重组米千粒重、径向膨化率、糊化度、硬度等15个品质指标的影响，并利用主成分分析对各品质指标进行分析，建立重组米品质评价的综合模型，以期为重组米的研发提供理论支持。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

圣白象小香米（籼米）：广州穗方源实业有限公司；α-淀粉酶（9 U/mg）：上海源叶生物科技有限公司；氢氧化钠（分析纯）：南京化学试剂有限公司；3，5-二硝基水杨酸、丙三醇（分析纯）：国药集团化学试剂有限公司。

1.2 仪器与设备

双螺杆挤压机（FMHE36-24R）：湖南富马科食品工程技术有限公司；粉碎机（BJ-150）：德清拜杰电器有限公司；电子天平（EL204-IC）：瑞士Merrler Toledo公司；超微量紫外分光光度计（NanoDrop 2000c）：美国Thermo Fisher有限公司；电磁炉（MC-H18S012）：美的集团有限公司；质构仪（TA-XT Plus）：英国 Stable Micro System公司；槽式混合机（CH-10）：江苏省泰兴市药机制造厂；连续波长多功能微孔板检测仪（Spectra Maxi3x）：美谷分子仪器（上海）有限公司；快速黏度分析仪（Techmaster）：波通瑞华科学仪器（北京）有限公司。

1.3 方法

1.3.1 样品制备

工艺流程：原料粉碎、过筛→原料混合→调湿→挤压→造粒→预干燥→干燥→成品。

将大米原料粉碎过60目筛后送入双螺杆挤压机。制得的重组米于流化床中干燥，直至含水量降至14%左右。

1.3.2 试验设计

选取物料加水量（15%、20%、25%、30%、35%）作为试验因素。其它挤压参数分别为：螺杆转速200 r/min，Ⅱ区温度50℃，Ⅲ区温度70℃，Ⅳ区温度110℃，Ⅴ区温度50℃，Ⅵ区温度90℃，喂料速度7 kg/h，切刀转速500 r/min。

1.3.3 重组米饱满程度的测定

参照贾喜午[15]的方法进行千粒重的测定；参照裴斐等[16]的方法进行径向膨化率的测定。

1.3.4 重组米糊化度的测定

参考安红周等[17]的酶水解法。将重组米打粉过60目筛，再分别称取0.50 g粉末于两个100 mL锥形瓶中，分别标记A1、A2，另取1个100 mL的锥形瓶不加试样作空白，标记为B。向这3个瓶中加入三级水50 mL。把A1置于沸水浴中煮沸60min，然后迅速冷却到20℃。再在A1、A2、B中各加入质量分数为5%的α-淀粉酶1mL，在39℃水浴中加热1.5 h，加1 mL 1 mol/L盐酸使酶失活，用蒸馏水定容至100 mL，并用滤纸过滤。取滤液用3，5-二硝基水杨酸（3，5-dinitrosalicylic acid，DNS）法测定还原糖的含量，并以三级水加酶液作对照。

糊化度/%=（CA2-CB）/（CA1-CB）×100

式中：CA1为 A1定容后的还原糖含量，mg/mL；CA2为A2定容后的还原糖含量，mg/mL；CB为B定容后的还原糖含量，mg/mL。

1.3.5 重组米质构特性的测定

参照张克等[18]的方法进行质构的测定。采用P/5型探头，测前速度3.00 mm/s，测中速度3.00 mm/s，测后速度3.00 mm/s，压缩程度70%，停留间隔5.00 s，触发值5.00 g。

1.3.6 重组米蒸煮特性的测定

参照林俊帆等[19]的方法，对体积膨胀率、蒸煮吸水率、糊化时间、蒸煮损失率进行测定。

1.3.7 重组米糊化特性的测定

参照GB/T 24852—2010《大米及米粉糊化特性测定快速粘度仪法》，对峰值黏度、谷值黏度、最终黏度、崩解值、回生值进行测定。

1.3.8 重组米的感官评价

参照王娴等[20]的方法对重组米进行感官评价。

1.4 数据处理

试验结果均以平均值±标准差表示。采用GraphPad Prism 6.0的单因素方差分析进行差异显著性分析，显著水平为0.05；采用GraphPad Prism 6.0和Origin 2019b对数据作图分析；采用SPSS 16.0对数据进行Z-标准化处理、描述统计分析和主成分分析。

2 结果与分析

2.1 物料加水量对重组米品质的影响

2.1.1 物料加水量对重组米外观形态的影响

物料加水量对重组米外观形态的影响见图1。

图1 物料加水量对重组米外观形态的影响Fig.1 Effects of water quantities on visual appearance of recombinant rice

如图1所示，当物料加水量为15%～25%时，米粒形态细长，两端有“尖头”。随着加水量的升高，米粒外观变得圆润，两端的“尖头”逐渐消失，这可能与水降低熔融体的黏度有关。经蒸煮后得到的重组米饭，在加水量15%～25%时，其外观形态呈扁平的片状，而随着加水量的升高形态逐渐饱满。当加水量为30%时，重组米饭的外观形态最佳。

2.1.2 物料加水量对重组米饱满程度的影响

重组米米粒的饱满程度与外观品质密切相关，本研究选取千粒重和径向膨化率两个指标来衡量重组米的饱满程度。物料加水量对重组米饱满程度的影响见图2。

图2 物料加水量对重组米千粒重及径向膨化率膨化度的影响Fig.2 Effects of water quantities on 1000-grain weight and radial expansion rate of recombinant rice

在物料加水量为15%～25%时，重组米的千粒重和径向膨化率变化不显著（P＞0.05），在加水量增加至30%时，千粒重和径向膨化率增加显著（P＜0.05），而加水量为35%时千粒重下降显著（P＜0.05），径向膨化率变化不显著（P＞0.05）。一方面，物料加水量的升高增加了熔融体的水分含量，使得更多的水分在模口处瞬间汽化，进而导致重组米千粒重和径向膨化率的升高。另一方面，物料加水量过高时会减少物料与螺杆、机筒间的摩擦[7]，使物料在机筒内停留时间缩短，熔融体更快速地从模口被挤出，从而导致千粒重降低。

2.1.3 物料加水量对重组米糊化度的影响

糊化度是重组米品质的一项重要评价指标。糊化度高的重组米中α-淀粉含量高，蒸煮后米饭软烂，质构特性不佳。物料加水量对重组米糊化度的影响见图3。

图3 物料加水量对重组米糊化度的影响Fig.3 Effects of water quantities on gelatinization degree of recombinant rice

物料加水量为15%～30%时，重组米的糊化度从（85.6±1.9）%下降至（57.9±4.9）%。而当加水量升至35%时，糊化度升高至（73.6±6.5）%。这可能是因为物料加水量的增加不仅可缩短熔融体在机筒内的停留时间，还会在一定程度上降低熔融体的温度、减少机筒内的挤压和剪切作用力，进而降低重组米的糊化度[21-22]。但当加水量过高时，物料与水分之间的接触面积增大，物料受热更充分，导致糊化度升高。

2.1.4 物料加水量对重组米质构特性的影响

质构仪通过模拟人体口腔的咀嚼运动，可对食物的口感进行客观的评价。前期预试验发现重组米和天然大米的质构差异主要体现在硬度、咀嚼性和内聚性，因此本试验选取硬度、内聚性和咀嚼度作为关键性指标。

物料加水量对重组米质构特性的影响见图4，重组米质构特性的相关性分析见表1。

图4 物料加水量对重组米硬度、内聚性及咀嚼性的影响Fig.4 Effects of water quantities on hardness，cohesiveness and chewiness of recombinant rice

表1 重组米质构特性、蒸煮特性与饱满程度、糊化度的相关性分析Table 1 Correlation matric of texture and cooking characteristics with plumpness and gelatinization degree of recombinant rice

如图4所示，随着物料加水量的升高，重组米的硬度和咀嚼性在加水量20%～30%呈上升趋势，35%时有所下降，与糊化度的变化趋势相反，而内聚性呈不断下降的趋势。表1中的相关性分析表明，硬度和咀嚼性均与千粒重呈显著正相关（P＜0.05），且硬度还与糊化度呈显著负相关（P＜0.05），说明重组米饱满程度越高、糊化度越低，则硬度、咀嚼性越高，质构特性越接近天然大米。此外，加水量的升高使物料流动性变高，降低了机筒内壁的摩擦力及螺杆间的挤压剪切力[18]，从而减少构成重组米的内部键力，进而降低重组米内聚性。

2.1.5 物料加水量对重组米蒸煮特性的影响

物料加水量对重组米蒸煮特性的影响见图5。

图5 物料加水量对重组米体积膨胀率、蒸煮吸水率、糊化时间及蒸煮损失率的影响Fig.5 Effects of water quantities on volume expansion ratio，water uptake ratio，pasting time and solids loss ratio of recombinant rice

物料加水量15%～20%时，随着加水量的升高，重组米的体积膨胀率和蒸煮吸水率显著升高（P＜0.05），20%～30%时变化不显著（P＞0.05），30%～35%时显著降低（P＜0.05）。体积膨胀率和蒸煮吸水率的变化反映重组米亲水能力的变化，这可能与重组米中水溶性成分的分子降解程度及淀粉颗粒的完整程度有关，水溶性成分降解程度越高、淀粉颗粒越完整，体积膨胀率和蒸煮吸水率越低[18]。结合表1中的相关性分析，糊化时间和蒸煮损失率均与径向膨化率呈显著正相关（P＜0.05），表明径向膨化率越高，则糊化时间越长、蒸煮损失率越高。糊化时间延长可能是径向膨化率较高时，重组米与水分的相对接触面积较小，蒸煮时米粒受热较慢所致；蒸煮损失率升高可能是径向膨化率较高时重组米内部结构相对疏松所致。

2.2 重组米品质评价模型的建立

2.2.1 重组米品质指标的主成分分析

主成分分析是通过降维的方法，将原来较多的评价指标概括为较少的几个综合指标。为消除不同指标间不同数量级和量纲影响，首先对数据进行Z-标准化处理（见表2），然后经主成分分析得到方差贡献结果（见表3）。各指标变量的主成分载荷见表4。

表2 重组米品质指标标准化处理结果Table 2 Result of standardization of quality index of recombinant rice

表3 方差贡献率Table 3 Variance contribution rates

表4 主成分载荷矩阵Table 4 Principal component load matrix

由表3可知，前3个主成分的特征值大于1，其中主成分1贡献率为57.791%，主成分2贡献率为27.574%，主成分3贡献率为11.241%，累计贡献率为96.606%，几乎反映了初始指标的所有信息，因此可将初始的15项指标降为3个主成分。

由表4可知，主成分1主要以径向膨化率、谷值黏度、糊化时间和蒸煮损失率的影响为主，其次是糊化度和回生值；主成分2主要以最终黏度、咀嚼性、体积膨胀率、蒸煮吸水率的影响为主，其次是千粒重、硬度和内聚性；主成分3主要以峰值黏度和崩解值的影响为主。此外，15项品质指标在各主成分中的绝对权重值距离0或1普遍较远，说明这15项指标对重组米的综合评价均十分重要，少数几项指标难以反映重组米的整体品质。

2.2.2 重组米品质评价模型的建立及验证

以各主成分的特征值占所提取主成分特征值之和的比值作为权重系数，建立品质综合评价模型：Y=0.598Y1+0.285Y2+0.116Y3=0.216X1+0.178X2-0.252X3-0.139X4-0.233X5-0.023X6-0.072X7+0.136X8+0.239X9-0.101X10+0.236X11+0.078X12+0.069X13+0.204X14+0.193X15。

根据综合评价模型中系数绝对值的大小，可将重组米的品质指标分为3类。第一类指标对重组米品质影响程度最大，分别为糊化度、硬度、咀嚼性和谷值黏度；第二类指标影响程度其次，分别为千粒重、糊化时间、蒸煮损失率、径向膨化率、峰值黏度、回生值和内聚性；第三类指标影响程度最小，分别为体积膨胀率、崩解值、蒸煮吸水率、最终黏度。

特征向量、主成分得分及感官得分见表5。

表5 特征向量、主成分得分及感官得分Table 5 Character vector，principal component scores and sensory score

利用综合评价模型计算各组重组米的综合得分。综合得分的顺序为30%>35%>25%>15%>20%，与表中感官得分顺序一致。进一步利用线性回归检验模型，横坐标（x）为感官得分、纵坐标（y）为综合得分。感官评分与综合评价模型的拟合度分析见图6。

图6 重组米感官评价-综合评价模型验证Fig.6 Fitness test for sensory-principal component analysis model of recombinant rice

感官得分和综合评价模型二者的线性关系为y=0.547 4x-44.145，其R2=0.937 3，说明综合评价模型和感官评分的拟合度好，该模型可较准确地评价重组米的食用品质。

3 结论

本试验考察了物料加水量对重组米外观形态、饱满程度、糊化度、质构特性、蒸煮特性等多品质指标的影响。结果表明物料加水量为30%时，重组米品质最佳，千粒重、硬度、咀嚼性显著高于其它组，糊化度显著低于其它组。

通过主成分分析对重组米的15项品质指标进行分析。结果表明15项指标对重组米综合评价均具有重要意义，忽视任何指标对准确评价都是不利的。进一步利用综合评价模型对重组米进行综合评分，经验证，综合得分与感官得分的相关系数为0.937 3，说明该评价模型可较准确地评价重组米的食用品质。此方法克服了感官评价的主观性，能更客观地对重组米进行综合评价。