基于主成分分析的21种粳性黄米品质评价

赵 宁 解 菲 梁鸡保 冯佰利 杜双奎

(1. 西北农林科技大学食品科学与工程学院，陕西 咸阳 712100；2. 粮油功能化加工陕西省高校工程研究中心，陕西 咸阳 712100；3. 神木市农业技术推广中心，陕西 榆林 719000；4. 西北农林科技大学农学院，陕西 咸阳 712100)

糜子(PanicummiliaceumL.)，禾本科黍属，是起源于中国的古老农作物，耐旱、耐贫瘠、生育期短，过去常被用于救灾备荒、复种增收及调节农业种植结构[1]。在中国，糜子作为一种特色的经济粮食作物，广泛种植于山西、陕西、河北等地，品种繁多，但目前许多糜子产区种植规模以小农户为主，经济较为落后，对糜子市场空间和经济效益的关注有限[2]。此外，糜子不含面筋蛋白，在产品加工中不易成型，因此在面制食品加工中应用不广泛[3]。

糜子脱壳、碾米得到产品为黄米，其蛋白含量达12.2%，含有18种氨基酸，其中人体8种必需氨基酸的含量均高于小麦、大米和玉米，且构成比例较为均衡，易被人体吸收和利用[4]。黄米中含有丰富的矿质元素，含量高于大米、小麦和玉米[5]。淀粉所占比例最多，约为70%[6]，与小麦、大米接近。依据直链淀粉含量高低，黄米可分为粳性黄米和糯性黄米两种，粳性黄米直链淀粉含量在21.87%～23.58%，糯性黄米直链淀粉含量在3.7% 以下[7]。粳性黄米直链淀粉含量与小米接近，但口感差异较大[8]。国内外关于粳性黄米的研究主要集中在抗逆品种栽培[9]、粳糯黄米品质比较[7]、蛋白质[10]、淀粉[11]等方面，对粳性黄米品质差异的研究较少，且仅限于少量的种植资源。在中国，粳性黄米多年来一直以黄米饭、黄米馒头、煎饼等传统家庭加工产品形式呈现，缺乏工业化主打产品[12]，这与其品质评价及研究不系统有关。

目前，黄米品质评价指标较多，但所选品种较少，不具代表性，且粳性黄米品质的多指标综合评价尚未涉及，缺乏实践指导意义，影响了优质粳性黄米品种的筛选及加工。主成分分析法(principal component analysis，PCA)是将多个变量经线性变换为少数几个有代表性的变量，来反映不同物质之间差异的一种多元统计分析方法[13]。利用PCA可减少指标，简化评价过程，适用于多指标的综合评价，近年来已被广泛用于农产品品质差异的研究。周显青等[14]对59个籼稻品种的基本理化指标及加工成米饭后的感官指标进行测定，利用PCA建立了籼米的食味品质评价模型，并用感官评价法验证了其适用性。韦露露等[15]测定了15种小米的主要营养、功能成分及理化特性，利用PCA对其品质进行了评价，经评价模型得到了综合品质较优的小米品种。研究拟对21个粳性黄米品种的营养成分、糊化特性、蒸煮特性及质构特性15个品质指标进行测定，采用PCA对其进行品质评价并筛选，确定出影响粳性黄米品质的关键指标，为粳性黄米品种的筛选及黄米产品的加工提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

粳性黄米：陇糜5号、陇糜7号、陇糜8号、陇糜9号、陇糜10号、陇糜11号、宁糜9号、宁糜10号、宁糜13号、宁糜14号、宁糜16号、宁糜17号、固糜21号、伊糜5号、内糜3号、内糜5号、内糜6号、内糜9号、赤糜2号、榆糜2号、榆糜3号，陕西神木县农技推广中心。用高速粉碎机粉碎30 s，全部过60目筛，备用。

1.2 主要仪器设备

高速万能粉碎机：FW-100型，天津泰斯特仪器有限公司；

电热恒温鼓风干燥箱：DHG-9146A型，上海精宏实验设备有限公司；

低速离心机：KDC-40型，科大创新股份有限公司中佳分公司；

全自动凯氏定氮仪：KJELTEC 2300型，瑞典FOSS公司；

快速黏度分析仪：RVA-Tec Master型，瑞典Perten公司；

物性测定仪：TA.XT PLUS/50型，英国STABLEMICVO公司。

1.3 试验方法

1.3.1 营养成分测定

(1) 粗蛋白含量：按GB 5009.5—2016执行。

(2) 淀粉含量：按GB/T 5009.9—2016执行。

(3) 粗脂肪含量：按GB 5009.6—2016执行。

(4) 直链淀粉含量：参照Yang等[6]的方法。

1.3.2 糊化特性测定 称取3 g样品与25 mL蒸馏水在铝罐中混合均匀，将样品以12 ℃/min的速度从50 ℃升高到95 ℃，保持2.5 min，再以12 ℃/min的速度冷却到50 ℃，保持2 min。起始10 s转速设定为960 r/min，之后匀速160 r/min。

1.3.3 蒸煮特性测定 参照Yang等[6]的方法略有改动。称取2.0 g黄米，测得其初始体积后，加30 mL蒸馏水在100 ℃蒸煮30 min，冷却至室温。将米汤转移至离心管中，定容至40 mL，3 800 r/min离心5 min，取10 mL上清于烘干的铝盒中，105 ℃干燥至恒重，测得米汤干物质重量。将蒸煮后的黄米沥干水分，测其重量，利用排水法测得黄米蒸煮后的体积，计算黄米的加热吸水率、体积膨胀率和溶出率。

(1)

(2)

(3)

式中：

a——加热吸水率，%；

v——体积膨胀率，%；

d——溶出率，%；

m1——黄米初始质量，g；

m2——米汤固形物质量，g；

m3——蒸煮后黄米质量，g；

V1——黄米初始体积，mL；

V2——蒸煮后黄米体积，mL。

1.3.4 质构特性的测定 根据T/YCXH 1—2016《黄米蒸煮食用品质感官评价方法》制备黄米饭。将装有黄米饭的铝盒置于载物台上，测定其TPA特性。参数设定为：选用P36/R探头，测试前、中、后速度分别为1，1，2 mm/s，压缩距离5 mm。

1.4 数据分析

所有数据均为3次重复试验的平均值，采用SPSS 18.0对数据进行统计分析，采用Origin 2021软件进行图形绘制。

2 结果与分析

2.1 品质特性

对21个粳性黄米品种的营养成分、糊化特性、蒸煮特性及质构特性进行分析，结果见表1。从营养成分来看，粳性黄米的粗蛋白、淀粉、粗脂肪、直链淀粉含量分别在10.67%～13.63%，69.08%～83.57%，2.50%～5.40%，17.48%～21.86%，粗脂肪的变异系数最大。伊糜5号粗蛋白和粗脂肪含量较高，内糜9号淀粉含量较高。由糊化特征值可以看出，粳性黄米的起糊温度、峰值黏度、最终黏度、破损值、回生值分别在77.40～88.80 ℃、1.01～1.46 Pa·s、2.19～3.72 Pa·s、0.34～0.65 Pa·s、1.58～2.85 Pa·s，回生值差异最大。内糜5号的回生值最低，表明其抗老化程度强，冷糊稳定性较好；赤糜2号的峰值黏度和破损值最低，起糊温度最高，表明其不易糊化，热糊稳定性及抗剪切能力较强[16]。从蒸煮特性分析，粳性黄米的加热吸水率、体积膨胀率、溶出率分别在527.86%～745.00%，545.00%～745.00%，2.95%～4.05%。吸水率的差异与其含有的亲水物质如淀粉、蛋白质、纤维组成与性质不同有关，也与米粒的结构特性有关[17]。米饭的TPA特性主要受淀粉的溶胀、蛋白质含量及细胞壁抗压强度的影响，可用于反映米饭的食用品质[18]。黄米米饭的硬度、黏附性、咀嚼性分别在5.76～13.81 N、286.46～893.52、247.07～777.48。内糜5号的硬度、黏附性、咀嚼性高于其他品种，宁糜16号的硬度、黏附性最低。刘厚清等[19]研究发现，在TPA指标中，最能直接反映米饭品质的参数是硬度和黏附性，其中硬度、黏附性适中的大米食用品质更好。

表1 粳性黄米的品质性状差异Table 1 Differences in quality traits of non-waxy proso millet

由离散程度可以看出，参试品种的品质指标差异较大。其中质构特性、粗脂肪含量、回生值、破损值、最终黏度的变异系数均大于10%，品种间差异较大，起糊温度和淀粉含量的变异系数较小，是较为稳定的指标。

2.2 相关性分析

如表2所示，蛋白质含量与粗脂肪含量(r=0.535*)、起糊温度(r=0.561**)呈显著或极显著正相关，与峰值黏度(r=-0.488*)、破损值(r=-0.596**)、溶出率(r=-0.552**)呈显著或极显著负相关。丁毅等[20]研究表明高蛋白质含量的稻米米粒结构致密，淀粉粒之间空隙小，影响淀粉的吸水和膨胀，导致糊化温度升高，与试验结果一致。Kolawole等[21]研究认为糊化行为是淀粉与非淀粉相互作用的结果。淀粉含量与直链淀粉含量、体积膨胀率和溶出率显著正相关。体积膨胀率主要受支链淀粉分子的大小、结构影响[22]。直链淀粉含量与最终黏度、回生值、溶出率显著正相关，与周小理等[23]报道的荞麦品种直链淀粉含量与最终黏度、回生值呈正相关一致，这是由于直链淀粉含量高的淀粉糊在冷却过程中直链淀粉间容易发生重排，使凝胶强度变大，最终黏度和回生值随之增大。加热吸水率与体积膨胀率极显著正相关，与杜春微等[24]的研究结果一致。黄米米饭硬度、黏附性、咀嚼性三者之间存在高度的正相关性。粳性黄米各指标间存在不同程度的相关性，信息出现重叠现象，因此需利用主成分分析将数据降维。

表2 黄米品质指标间的相关性†Table 2 Correlation among quality indexes of non-waxy proso millet

2.3 主成分分析

对15个指标进行主成分分析，结果见表3。前3个主成分累计方差贡献率达到72.04%，解释了绝大部分原始信息。3个主成分载荷矩阵见表4。由表3、表4可知，PC1(34.95%)主要表征样品的营养成分、峰值黏度、破损值和蒸煮特性；PC2(25.46%)主要表征样品的直链淀粉含量、起糊温度、最终黏度和回生值；PC3(11.63%)主要表征样品的质构特性。粳性黄米各品质指标的共同度在0.312～0.934，其中最终黏度、回生值、硬度和黏附性的共同度高，均在0.900以上，是评价粳性黄米品质的关键指标。

表3 主成分总方差解释Table 3 Total variance explanation of principal component

表4 3个主成分的载荷矩阵Table 4 Load matrices of three principal components

根据主成分分析结果，计算粳性黄米的前3个主成分得分(F1、F2、F3)和综合得分(F)，得分越高说明其综合品质越好，结果如表5所示，综合得分排名前5的品种是陇糜10号、内糜9号、陇糜8号、榆糜3号、宁糜13号，表现出较好的综合品质；得分较低的3个品种分别是陇糜5号、赤糜2号、宁糜16号，综合品质相对较差。对21个粳性黄米品种得分进行作图，可以直观地反映出不同品种在各主成分上的分布情况(图1)。可以看出，不同粳性黄米品种离散程度大，差异主要体现在PC1和PC上。综合得分较高的品种主要集中在PC1和PC2的正向区域，表明其营养成分、糊化特性和蒸煮特性较好。

表5 粳性黄米品种的主成分得分Table 5 Principal component scores of non-waxy proso millet varieties

图1 粳性黄米品种PCA分布图Figure 1 PCA distribution diagram of non-waxy proso millet varieties

3 结论

试验对21个粳性黄米品种的营养成分、糊化特性、蒸煮特性及质构特性共15项品质指标进行了分析，粳性黄米各品质指标间呈不同程度的差异，变异系数范围为4.78%～27.18%，其中质构特性、粗脂肪含量、回生值、破损值、最终黏度的变异系数均大于10%，品种间差异较大，起糊温度和淀粉含量的变异系数较小。主成分分析提取出3个主成分，累积方差贡献率达72.04%，主成分1主要表征营养成分、峰值黏度、破损值和蒸煮特性，主成分2主要综合了直链淀粉含量、起糊温度、最终黏度和回生值等信息，主成分3反映了质构特性。影响粳性黄米品质的关键指标为最终黏度、回生值、硬度和黏附性，其共同度均在0.900以上。综合得分较高的品种为陇糜10号、内糜9号、陇糜8号、榆糜3号、宁糜13号，得分较低为陇糜5号、赤糜2号、宁糜16号。