稻米理化、食味品质指标与米饭质构品质相关性分析

姜 平，许 柠，马占倩，吴娜娜，谭 斌*，李云辉

（1 国家粮食和物资储备局科学研究院 北京 100037 2 黑龙江省五常市金禾米业有限公司 哈尔滨 150000）

水稻是许多发展中国家最重要的谷类粮食作物，据统计，亚洲国家的水稻产量几乎占全球总产量的95%，大约有一半的世界人口以大米为主要的碳水化合物来源，因此水稻的品质尤为重要[1]。目前我国稻米产量居世界第一，水稻单产处于世界领先水平[2]。在我国粮油质量国家标准中，根据稻谷粒形和粒质的不同，分为3 类：粳稻、籼稻和糯稻，江淮地区和东北地区是我国著名的粳水稻产区，湖南、广东是我国著名的籼水稻产区。大米品种杂多，市场上对大米品质的衡量标准不一，粮食种植结构混乱，导致人们对稻米多元化、多层次的需求没有得到极大的满足，供给结构性矛盾突出[3]。随着人们生活水平的提高，对稻米品质的要求也越来越高，改善和提高稻米食味品质已成为优化我国农业结构的重要举措，这对加快推进水稻供给侧结构性改革具有重要意义[4]。

目前国内外对稻米品质的评价主要有以下4个方面：加工品质、外观品质、食味品质和营养品质[5]，其中食味品质直接影响消费者的最终接受程度，是对色泽、气味、甜香味觉、米饭黏性及软硬适口程度的综合评价，其不仅影响口感，而且直接影响消化和吸收，因此食味品质具有最重要的商品价值[6-7]。食味品质除受遗传因素、栽培管理与生态条件等影响外，还与蒸煮方式密切相关，主要与品种特性有关[8-10]。食味品质是一个综合性状，评价方法有直接的感官评价法、还有通过稻米理化指标和仪器来间接评价的方法，直到现在，国际上仍主要采用感官评价方法来评定稻米的食味品质，然而感官评价存在个人主观性强、不稳定性等缺点[11]。采用指标评价法虽排除了人的主观因素影响，但其结果有较大的误差；仪器评价方法虽然简便可靠，目前也有以中国大米为样本开发的食味品质评价仪器，但是价格昂贵，推广使用较为困难[12-14]。鉴于此，应从不同角度的指标来评价大米品质，建立一套全面、客观、简便、快捷评价大米综合品质的评价体系。

李苏红等[15]通过对20 种大米的理化特性与食味品质的相关性分析表明：对于化学特性，大米的水分含量、脂肪含量、蛋白质含量与食味品质呈显著相关性；对于蒸煮特性，大米的吸水率、膨胀率、米汤干物质与碘蓝值呈显著相关性；白婷等[16]采集了56 种青藏高原不同地区的青稞，利用主成分分析法对青稞样品的11 个营养品质进行综合分析；荆瑞勇等[17]对来源于黑龙江的11 个水稻品种和来源于日本的7 个水稻品种的糙米率等品质指标进行评价，并应用主成分分析得出龙粳39 水稻品种的综合品质最好；Albert 等[18]通过主成分和聚类分析证实海藻样品具有不同的物理功能特性，说明它们在食品开发中的独特用途；Qi 等[19]用色谱结合主成分分析和聚类分析建立燕麦的标准指纹图谱，这为标准的燕麦产品的质量控制提供了参考依据；Jain 等[20]将主成分分析、聚类分析方法应用于高粱基因型分类和基因型子集的鉴定，简化了高粱产量和产量参数的定量差异分析方法；Daniel 等[21]将主成分分析（PCA）和层次聚类分析（HCA）同时用于生物活性化合物和功能性质的研究，找到生物活性化合物和功能特性之间的联系。以上研究表明，利用主成分分析和聚类分析可以将复杂问题通过降维方式变得简单直观，可减少评价指标，简化评价过程，适用于对多指标的综合分析[22-24]。这种探索性的统计分析方法近年来被广泛应用在食品质量评价方面和农产品品质差异的研究方面，而在稻米品质方面的研究较少。

因此，本研究对来源于我国东北地区和江淮地区的9 个粳稻品种；来源于湖南、湖北地区的2个籼稻品种的15 个品质指标进行测定，选择10个品质指标进行主成分分析及聚类分析，对不同水稻品种品质进行评价、筛选，以期为水稻品质评价及优质品种的筛选提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料

共收集11 种稻谷，其中9 种粳稻（稻花香、金禾圆粒、绥粳18、武运粳32、淮119、苏秀867、淮稻5 号、扬粳3012、南粳5055）和2 种籼稻（桃优香占和五优61），产地信息见表1。

表1 收集稻谷产地信息Table 1 Origin information of collected rice

1.2 仪器与设备

JSWL 大米食味计，北京东孚久恒仪器有限公司；STA1B 米饭食味计，日本佐竹公司；RHS1A 硬度黏度仪，日本佐竹公司；PL2002-IC 型电子天平，METTLER TOLEDO 仪器有限公司；紫外-可见分光光度计，北京普析通用仪器有限责任公司；LM400-3G 型砻谷机，山东汶上凯华机械有限公司；CBS300BS 精米机，日本佐竹公司；SL-100 型粉碎机，浙江省永康市松青五金厂；SHZ-B 水浴恒温振荡器，上海博迅医疗生物仪器股份有限公司；TGL-16M 离心机，上海卢湘仪仪器有限公司；LabDancer 旋涡混合器，德国IKAR集团；小熊DZGD40A1 电蒸锅，小熊电器股份有限公司。

1.3 方法

1.3.1 样品前处理方法 稻谷经砻谷机去壳出糙，精米机设置7 档出精后获得精米。用粉碎机对精米进行粉碎，过100 目筛筛除大颗粒，获得精米米粉用于品质测定。

1.3.2 理化成分的测定 用大米食味计按仪器说明书对食味值、水分含量、蛋白质含量和直链淀粉含量进行测定；总淀粉含量采用爱尔兰Megazyme淀粉总量检测试剂盒（K-TSTA）进行测定。每个样品测定3 次重复，结果取平均值。

1.3.3 食味品质的测定 用米饭食味计对米饭的外观、口感和综合评分进行测定[25]。使用不锈钢罐称取精米（30±0.1）g，盖上洗米盖用水冲洗约30 s至水不浑浊，洗米后加水使大米和水比例为1 ∶1.4，加水时采用称重法，再用专用滤纸将罐口封住，浸泡30 min。使用电蒸锅进行蒸煮30 min 后，待米饭煮熟之后进行焖饭处理10 min，取出不锈钢罐，拿下滤纸，轻轻搅拌罐中的米饭，使米饭蓬松而不结团。搅拌后将滤纸重新盖好，放入冷却箱冷却20 min。称取8 g 米饭装入不锈钢试样圆环内，用压饭器压成饭饼后进行食味测定。每个样品测定3 次重复，结果取平均值。

1.3.4 米饭质构的测定 将1.3.3 节测定的样品直接用硬度黏度仪对米饭的质构进行测定，评定项目有硬度、黏度、平衡度和弹性。每个样品测定3 次重复，结果取平均值。

1.3.5 感官评价方法 按GB/T 15682-2008 粮油检验稻谷、大米蒸煮食用品质感官评价方法中要求进行[26]。

1.4 数据统计分析

采用Excel 2013 统计软件进行数据统计与整理，采用SPSS 22.0 数据分析软件对数据进行方差分析、相关性分析、主成分因子分析及层次聚类分析，方差分析选取Duncan 检验，在P＜0.05 检验水平上对数据进行统计学分析，数值以均值±标准差表示。

2 结果与分析

2.1 不同稻米品种的理化成分比较

从表2可以看出，本研究中稻米样品的总淀粉含量在70.96%～81.42%之间，变异系数为5.30%，在所有指标中是变异系数最小的，可知稻米品种对总淀粉含量的影响最小，其次是水分含量，其变异系数为5.73%，而变异系数最大的指标是黏度，其变异系数为35.27%，说明稻米品种对稻米米饭黏度的影响最大。按变异系数大小对本研究中15个品质指标进行排序，黏度＞硬度＞硬度/黏度＞平衡度＞直支比＞直链淀粉含量＞弹性＞蛋白质含量＞感官评价＞外观＞口感＞食味值＞综合评分＞水分含量＞总淀粉含量，由变异系数大小可知稻米品种各指标影响顺序为黏度＞硬度＞硬度/黏度＞平衡度＞直支比＞直链淀粉含量＞弹性＞蛋白质含量＞感官评价＞外观＞口感＞食味值＞综合评分＞水分含量＞总淀粉含量。

2.2 不同稻米品种品质指标的相关性分析

为了明确各品质相关性状间的关系，对各品质指标进行了相关性分析。由表3可以看出，大米食味计测定的食味值与米饭硬度、黏度和感官评价得分呈极显著正相关，而与蛋白质含量呈显著负相关；水分含量与直链淀粉含量、总淀粉含量呈极显著负相关，与直支比、黏度和弹性呈显著负相关；米饭硬度与黏度、感官评价呈显著正相关；米饭黏度与弹性呈显著负相关，与感官评价呈显著正相关。由于不同稻米品种的各品质指标有着不同的差异情况，而且一些指标间还存在着一定的相关性，因此单纯通过某一个或几个指标来评判稻米品种品质的优劣是不客观的，因此可以通过主成分分析来对不同稻米品种的品质进行综合性评价。

度/硬度黏9.08 9.13 9.20 12.66 6.16 5.41 8.10 6.56 5.64 9.28 8.56 8.16 8.56 26.01性弾0.83 ±ab 0.03 0.81 ±ab 0.01 0.79 ±ab 0.01 0.79 ±ab 0.01 0.74 ±bc 0.03 0.75 ±abc 0.01 0.74 ±bc 0.01 0.58 ±c 0.33 0.74 ±bc 0.03 0.94 ±a 0.01 0.93 ±ab 0.02 0.79 0.79 12.54标指质品构质饭米与标指质品味、食化理的种品米稻同不2表，taste quality indexes and rice texture quality indexes of different rice varieties Physical and chemical indexes Table 2 官感合综/值味食/粉淀总链直/质白蛋度衡平度黏度硬分/感口分/观外比支直/%分水/分价评/分分评分%/%粉淀%0.11 ±0.52 ±4.72 ±77.9 ±85.4 ±8.3 ±8.3 ±82.3 ±0.248 81.42 ±16.2 ±8.00 ±12.10 ±cd 0.03 bc 0.11 b 0.25 a 2.5 a 0.1 b 0.1 b 0.1 ab 0.6 a 0.68 c 0.36 e 0.20 h 0.10 0.11 ±0.54 ±4.93 ±79.0 ±78.6 ±7.6 ±7.6 ±80.3 ±0.263 79.30 ±16.5 ±8.00 ±12.97 ±cd 0.01 bc 0.09 b 0.28 a 5.6 e 0.0 e 0.1 d 0.1 bcd 1.5 bc 0.41 c 0.46 e 0.00 e 0.06 0.11 ±0.54 ±4.97 ±76.5 ±77.3 ±7.6 ±7.6 ±82.0 ±0.261 78.98 ±16.33 ±7.90 ±12.93 ±cd 0.02 bc 0.12 b 0.35 ab 3.8 f 0.2 f 0.1e d 0.1 abc 1.0 bc 0.60 c 0.32 e 0.17 e 0.06 0.08 ±0.44 ±5.57 ±68.4 ±71.1 ±6.7 ±6.6 ±77.3 ±0.250 70.96 ±14.2 ±9.27 ±13.70 ±e 0.01 c 0.06 a 0.17 b 6.1 i 0.1 g 0.0 e 0.2 e 1.5 f 0.85 d 0.46 c 0.06 c 0.00 0.16 ±0.64 ±3.94 ±80.2 ±76.2 ±7.5 ±7.5 ±77.3 ±0.247 71.70 ±14.2 ±9.63 ±14.00 ±a 0.03 ab 0.1 c 0.28 a 3.4 h 0.2 ef 0.2 d 0.0 e 0.6 ef 0.53 d 0.17 b 0.06 b 0.00 0.18 ±0.74 ±4.00 ±77.2 ±85.4 ±8.5 ±8.5 ±83.0 ±0.284 72.68 ±16.07 ±7.87 ±13.67 ±a 0.01 a 0.05 c 0.29 ab 5.0 a 0.1 a 0.1 a 0.1 a 1.7 e 0.32 c 0.06 e 0.21 c 0.06 0.12 ±0.61 ±4.94 ±74.2 ±81.5 ±8.1 ±8.0 ±81.7 ±0.262 80.45 ±16.70 ±8.00 ±12.63 ±bc 0.02 ab 0.09 b 0.33 ab 6.0 c 0.2 c 0.1 c 0.1 abc 0.6 ab 1.81 c 0.26 e 0.10 f 0.06 0.15 ±0.62 ±4.07 ±70.9 ±76.8 ±7.5 ±7.5 ±78.7 ±0.216 78.06 ±13.87 ±9.23 ±13.50 ±ab 0.02 ab 0.07 c 0.23 ab 5.6 g 0.5 ef 0.1 d 0.0 de 1.2 cd 0.92 d 0.31 c 0.12 d 0.00 0.18 ±0.55 ±3.10 ±71.3 ±84.0 ±8.1 ±8.0 ±80.0 ±0.142 70.98 ±8.80 ±10.13 ±14.13 ±a 0.01 bc 0.03 d 0.12 ab 4.9 b 0.0 bc 0.2 c 0.1 cd 2.0 f 1.35 e 0.70 a 0.21 a 0.06 0.11 ±0.18 ±1.67 ±68.2 ±85.5 ±7.8 ±8.0 ±74.0 ±0.303 79.47 ±18.47 ±8.87 ±12.30 ±cd 0.01 d 0.03 e 0.1 b 3.8 a 0.2 d 0.2 c 0.0 f 1.0 bc 0.50 a 0.06 d 0.06 g 0.00 0.12 ±0.18 ±1.54 ±58.7 ±79.9 ±7.4 ±7.5 ±67.0 ±0.293 77.17 ±17.47 ±9.70 ±12.10 ±bc 0.02 d 0.03 e 0.1 c 5.7 d 0.1 f 0.1 d 0.2 g 1.0 d 0.94 b 0.15 b 0.10 h 0.00 0.13 0.51 3.95 72.9 80.2 7.7 7.7 78.5 0.252 76.47 15.35 8.78 13.09 0.12 0.54 4.07 74.2 79.9 7.6 7.6 80.0 0.261 78.06 16.20 8.87 12.97 25.04 35.27 33.91 8.70 5.80 6.50 6.60 6.0 17.36 5.30 16.91 9.71 5.73（P＜0.05）。异差性著显的据数列一同表名种品香花稻粒圆禾金18粳绥32粳运武119淮867秀苏号5稻淮3012粳扬5055粳南占香优桃61优五值均平数位中/%数系异变代母字写：小注

2.3 不同稻米品种各品质指标的主成分因子分析（PCA）

首先对各品质指标进行主成分提取，具体步骤为：先对原来的15 个指标进行标准化，以消除变量在数量级或量纲上的影响，根据标准化后的数据矩阵求出协方差或相关阵，再求出协方差矩阵的特征根和特征向量，最后确定主成分[27]。最终用于不同稻米品种PCA 的品质指标为10 个，分别为食味值（X1）、蛋白质含量（X2）、直链淀粉含量（X3）、直支比（X4）、硬度（X5）、黏度（X6）、外观（X7）、口感（X8）、综合评分（X9）和感官评价（X10）。结合表4和图1可知，前3 个主成分的特征值均大于1，且累计贡献率达到93.801%，综合了稻米品质指标的大部分信息，说明这3 个主成分可以作为主因子代替上述众多品质指标对不同稻米品种品质进行评判。3 个主成分分别定义为F1、F2和F3，由表4可知其各主成分对应特征向量为：

图1 碎石图Fig.1 Scree plot

F1=0.241X1-0.185X2-0.008X3-0.019X4+0.271X5+0.224X6-0.011X7+0.019X8-0.089X9+0.234X10

F2=0.037X1-0.021X2-0.017X3-0.037X4-0.181X5+0.001X6+0.311X7+0.300X8+0.327X9+0.011X10

F3=-0.031X1-0.291X2+0.401X3+0.391X4+0.056X5-0.103X6-0.004X7-0.038X8-0.019X9+0.023X10

由表4、表5和图2可以看出，第1 主成分特征值为4.162，贡献率为41.616%，主要综合了食味值和感官评价，第2 主成分特征值为3.013，贡献率为30.134%，综合评分和外观载荷值较大，第3 主成分特征值为2.205，贡献率为22.051%，主要是直链淀粉含量和直支比。

图2 主成分分析图Fig.2 PCA plot

表4 主成分的特征值、贡献率和累计贡献率Table 4 Eigenvalue，contribution rate and cumulative contribution rate of principal components

对不同稻米品种品质进行综合评价，根据3个主成分的特征向量和标准化数据，以特征值的贡献率大小为分配系数[28]，应用不同稻米品质指标的评价函数计算出各产地的综合评价分值F，总分越高表明该稻米品种的综合品质越好，结果如表5所示。不同稻米品质指标的评价函数见下式：

表5 主成分的特征向量和载荷矩阵Table 5 Eigenvectors and load matrices of principal components

合综感口分评0.895**0.072 0.395析分性关相的间标指质品构质饭米和标指质品味、食标指化理米稻3表Correlation analysis of physical and chemical indexes，taste quality indexes and texture quality indexes of rice/度硬链直观外性弾度衡平度黏度硬比支直粉淀总分水质白蛋度黏粉淀0.394-0.775**-0.585 0.655*-0.839**-0.592 0.405 0.956**-0.613*-0.478-0.172 0.006-0.13 0.285-0.509 0.666*-0.39-0.244-0.4 0.613*-0.328 0.527-0.263-0.459-0.464-0.538 0.58 0.28-0.477-0.801**-0.502 0.581 0.234 0.556-0.653*-0.04 0.457-0.963**-0.508 0.291 0.364 0.23 0.385-0.402-0.165-0.609*0.061 0.511 0.246-0.243 0.04 0.31 0.122-0.236-0.417 0.985**-0.628*-0.047 0.546 0.37-0.118-0.072 0.248 0.011-0.141-0.426 0.937**-0.457 0.298 0.385-0.062-0.457 0.056 0.306 0.134-0.358-0.252 0.329-0.27-0.398 0.227 0.770**0.634*-0.134 0.045-0.09 0.313-0.543。关相著）显侧（双平水0.05：在；*Table 3 值味食-0.616*0.325-0.243 0.058-0.32 0.744**0.821**0.208-0.54-0.204 0.386 0.496 0.157 0.828**关相著显）极侧（双平标指量含质白蛋量含分水量含粉淀链直量含粉淀总比支直度硬度黏度衡平性弾度黏度/硬观外感口分评合综价评官感水0.01：在：**注

由表6可见，通过对综合得分进行排序得出不同稻米品种品质优劣顺序为苏秀867、稻花香、金禾圆粒、淮稻5 号、绥粳18、淮119、南粳5505、桃优香占、扬粳3012、武运粳32、五优61。

表6 不同稻米品质指标的主成分得分、综合得分及排序Table 6 Principal component scores，comprehensive scores and ranking of quality indexes of different rice varieties

（续表6）

2.4 不同水稻品种品质指标的聚类分析

聚类分析方法可同时综合考察大量的样本性状，可以解决数据离散而不易直观地进行相近程度比较的问题，分类结果更客观、更科学[29]，因此本研究采用层次聚类分析法对样本进行不同类群的评价[30]。采用组间联接法对表6中的综合得分进行层次聚类分析，建立聚类树状图，如图3所示。通过聚类分析将11 个稻米品种的品质划分为3 大类。其中，第I 类有苏秀867、稻花香、金禾圆粒、淮稻5 号、绥粳18，其品质最好；第II 类有淮119、南粳5505、桃优香占、扬粳3012、武运粳32，其品质居中；第Ⅲ类是五优61，其品质最差。

图3 不同稻米品种品质的聚类分析图Fig.3 Cluster analysis dendrogram of the quality of different rice varieties

3 结论

本研究对11 个稻米品种的15 个品质指标进行测定，得出稻米品种对品质指标的影响顺序为黏度＞硬度＞硬度/黏度＞平衡度＞直支比＞直链淀粉含量＞弹性＞蛋白质含量＞感官评价＞外观＞口感＞食味值＞综合评分＞水分含量＞总淀粉含量。通过主成分分析确定了3 个主成分，累计贡献率达到93.801%，可以代替上述众多品质指标对不同稻米品种品质进行评判。主成分1 主要综合了食味值和感官评价，主成分2 主要综合了综合评分和外观，主成分3 主要综合了直链淀粉含量和直支比。通过综合评价得出11 个稻米品种品质优劣顺序为苏秀867、稻花香、金禾圆粒、淮稻5 号、绥粳18、淮119、南粳5505、桃优香占、扬粳3012、武运粳32、五优61。通过聚类分析将11 个稻米品种的品质划分为3 大类。其中，第I 类有苏秀867、稻花香、金禾圆粒、淮稻5 号、绥粳18，其品质最好；第II 类有淮119、南粳5505、桃优香占、扬粳3012、武运粳32，其品质居中；第Ⅲ类是五优61。

稻米品质是在品种遗传特性和环境因素的共同作用下，通过籽粒灌浆充实过程中复杂的生理代谢变化而形成的，水稻从栽培到消费食用要经过生产、收获、干燥、贮藏、加工等多个环节，每个环节都会对稻米品质产生影响。本文选取了在品种原产地种植的稻米为研究对象，只是避免了品种自身生长习性的差异，后续研究中还应继续关注栽培环境（光照、海拔、土壤类型等）和农艺技术措施（施肥、灌溉、收获期及仓贮技术等）等因素对稻米品质的影响，从育种、种植、储藏、加工、蒸煮这5 个维度系统性建立精米的全程品质管理体系。