基于主成分分析法构建高蛋白重组米品质评价体系

邓慧清，吴卫国，廖卢艳

（湖南农业大学食品科学技术学院，湖南长沙 410128）

蛋白质是人体生长发育不可或缺的营养素之一，能够提供人体激素、酶、抗体等物质合成的所需基础氨基酸。为满足消费者对蛋白质含量较高产品的需求，Yu 等在高蛋白膨化产品配方原料中添加蛋白粉。根据《食品安全国家标准预包装食品营养标签通则》达到“高蛋白”的标准，产品的总蛋白的含量必须不小于12 g/100 g（固体）。

高蛋白重组米是指以富含淀粉的材料为主要原料，通过添加适当辅料使蛋白含量不小于12 g/100 g（固体），经过挤压、切割、干燥等一系列工序制成与天然大米类似的颗粒米状制品，故又称营养强化米。王玉琦等以碎米为原料，添加乳化锌，采用挤压法制备了富锌强化大米。胡爱军等以L-赖氨酸盐作为营养强化剂，制得的强化米中赖氨酸含量为0.296%。Hussain 等以大米粉为原料，通过添加维生素A 和焦磷酸铁作为营养强化物质，采用双螺杆挤压机制备维生素A 和铁元素强化米。Beck等大米淀粉中添加豌豆蛋白和豌豆纤维，以满足对营养均衡的新型食品日益增长的需求。重组米因其独特的营养功能、食用操作简便、价格低廉等优点，受到广大消费者的青睐，它既不改变人们食用大米的习惯，又能通过日常饮食摄入所需营养，达到促进人体健康的目的。

目前，对重组米的研究主要集中在营养强化和加工工艺优化，尚未见对高蛋白重组米综合品质评价体系的报道。随着我国重组米销售市场日渐增大，产品品质参差不齐，建立合适的高蛋白重组米品质评价体系对其进一步开发新产品具有重要意义。主成分分析法是一种将多个变量，通过线性变换以选出重要变量来反应原始数据所提供信息的一种多元统计分析方法，是综合评定高蛋白重组米品质较好的方法。冯云霄等通过对32 个品种梨进行主成分分析和回归分析筛选出梨汁品质评价核心指标，并建立了梨汁品质等级判别函数。尹玲等采用主成分分析法将10 份口感明显不同的南瓜的感官指标和质构指标缩卫3 个主成分，通过主成分综合得分评价，提出选出南瓜感官评价的关键指标。王达等利用主成分分析法将5 个不同物料水分重组米的15 个指标浓缩为3 个主成分。本研究选取碎米为主要原料，16 种常见蛋白粉为辅料，采用双螺杆挤压技术制备高蛋白重组米。通过测定16 种高蛋白重组米的蒸煮品质、质构品质、糊化度、吸水性、水溶性、膨化度，分析高蛋白重组米品质之间的相关性，并结合主成分分析建立高蛋白重组米品质评价模型，得出高蛋白重组米综合得分。通过逐步回归分析建立高蛋白重组米综合评价理论模型，以期为高蛋白重组米的生产及其品质评价提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

鹰嘴豆蛋白粉、玉米蛋白粉、蛋清蛋白粉 西安泽郎生物升级有限公司；牛骨蛋白粉、蚕蛹蛋白粉、绿豆蛋白粉、豌豆蛋白粉、小麦蛋白粉、大米蛋白粉、土豆蛋白粉 陕西四海生物科技有限公司；乳清分离蛋白粉 郑州万搏化工产品有限公司；大豆分离蛋白粉 临沂山松生物制品有限公司；花生蛋白粉陕西川久生物科技有限公司；藜麦蛋白粉 鱼胶原蛋白粉、燕麦蛋白粉 西安恒基化工有限公司；碎米 湖南角山米业有限责任公司；单、双甘油脂肪酸酯 张家港市中鼎添加剂有限公司；碘液（2 g/L）以达科技有限公司；盐酸标定液（0.1004 mol/L） 北京北方伟业计量技术研究院；盐酸、硼酸、浓硫酸、氢氧化钾、氢氧化钠 分析纯，国药集团化学试剂有限公司。

TA-XT2i Plus 质构仪 英国Stable Micro Systems公司；MZ-SYS28-2B 美的中式电蒸锅 广东美的生活电器制造有限公司；Varioskan Flash 多功能读数仪赛默飞世尔科技；TDZ5 台式低速离心机 湖南赫西仪器装备有限公司；RST-100RB 热泵烘干除湿箱上海湿腾电器有限公司；ZNCL-B140×140 智能磁力搅拌器 巩义市中天仪器科技有限公司；FMHE36-24 双螺杆挤压机 湖南富马科食品工程技术有限公司；吸尘式粉碎机 长沙市岳麓区中南制药机械厂；GFL-230 电热鼓风干燥箱、DK-98-Ⅱ恒温水浴锅天津市泰斯特仪器有限公司；VAP 50s OT 全自动凯氏定氮仪 德国 Gerhardt 公司。

1.2 实验方法

1.2.1 配料设计 将碎米粉碎过80 目后，根据预实验称取占进料干基比重为11%的鹰嘴豆蛋白粉、玉米蛋白粉、蛋清蛋白粉、牛骨蛋白粉、蚕蛹蛋白粉、绿豆蛋白粉、豌豆蛋白粉、小麦蛋白粉、大米蛋白粉、土豆蛋白粉、乳清分离蛋白粉、大豆分离蛋白粉、花生蛋白粉、藜麦蛋白粉、鱼胶原蛋白粉、燕麦蛋白粉分别倒入碎米粉中，在每份样品中添加占进料干基比重为0.3%单、双甘油脂肪酸酯，搅拌均匀。

1.2.2 高蛋白重组米挤压制备 碎米（早籼米）→粉碎过筛→按比例混合→喂料→挤压蒸煮→切割造粒→干燥→冷却→成品

挤压工艺参数及干燥条件：喂料速度为13 kg/h，物料加水量为19%，螺杆转速为160 r/min，切刀转速为1400 r/min，挤压机腔体温度从进料端到出料端的各区（T2～T6）温度依次为45、100、100、70、50 ℃。制备的挤压重组米首先在温度为35 ℃的流化床中初步干燥10 min，再置于35 ℃烘箱中烘干7 h，取出备用。

1.2.3 糊化度测定 参考王宝石等方法，并做适当修改。将样品粉碎过筛（80 目），取0.1 g 样品悬浮于49 mL 蒸馏水中，加1 mL 10 mol/L 的KOH 溶液，磁力搅拌5min 后，4500 r/min，离心10 min。取0.2 mL 上层清液，加0.2 mL 的0.2 mol/L HCl 溶液，再加入15 mL 蒸馏水，最后加入碘液（1 g 碘、4 g碘化钾溶解到100 mL 蒸馏水中）0.2 mL，在波长为600 nm 的酶标仪下测定吸光度，A。

另取0.1 g 样品悬浮于47.5 mL 蒸馏水，加2.5 mL 10 mol/L 的KOH 溶液，磁力搅拌5 min 后，4500 r/min条件下离心10 min。取0.2 mL 上层清液，加入0.2 mL的0.5 mol/L HCl 溶液，再加入15 mL 蒸馏水，最后加入碘液0.2 mL，在波长为600 nm 的酶标仪下测定吸光度，A。

1.2.4 质构特性测定 参考陈轩等的方法并适当修改，采用物性测试仪对不同高蛋白重组米的硬度、弹性、内聚性、胶粘性、咀嚼性、回复性进行测定。称取重组米10 g 放入铝盒中，在装有挤压重组米的小铝盒中加入8 mL 水，然后迅速搅拌，并放入已预热的蒸锅中蒸13 min，冷却1 h 后，选取4 粒米饭均匀对称放在质构仪载物台上，用P/36R 探头进行测定，测试前速度1.0 mm/s，测试速度0.5 mm/s，测试返回速度1.0 mm/s，压缩比50%，触发力5.0 g。每个样品平行测定5 次，去掉结果中的最大值和最小值，取平均值为最后结果。

1.2.5 蒸煮特性的测定 蒸煮特性各指标参考王肇慈的方法测定并适当修改。

1.2.5.1 大米吸水率测定 称取m整大米样品，放入钢丝笼（m）中，置于250 mL 的烧杯中，加入50 ℃蒸馏水洗至100 mL，在沸水锅中蒸20 min，取出钢丝笼放置烧杯上至不再有米汤滴下，然后置于洁净的干纱布上冷却30 min，称重m。米汤干物质以每克干大米中含有干物质的毫克数来表示。

1.2.5.2 米汤干物质测定 将米汤稀释至100 mL，4500 r/min，离心10 min。取10 mL 放于干净铝盒（m）中，烘干，称重（m）。

1.2.5.3 碘蓝值测定 取测定米汤干物质的离心液1.0 mL 于约10 mL 蒸馏水中，加入0.5 mol/L HCl溶液5 mL 及0.2 g/100 mL 碘试剂1 mL，定容50 mL，于波长660 nm 处，测定吸光度。

1.2.6 水溶性指数（WSI）与吸水性指数（WAI）的测定 水溶性指数和吸水性指数参考文献[4,23-24]测定。称取0.5 g 样品放入带盖离心管（m）中，加水10 mL 后剧烈振荡使样品均匀分散于水中。于30 ℃水浴下放置，每间隔1 min 取出振荡，使样品粉末尽量维持悬浮状态，30 min 后取出以4000 r/min离心10 min，离心后将上清液倒入干燥铝盒（m），于105 ℃烘箱烘干至恒重（m），倒出上清液后称量离心管及内容物的重量（m）。WAI、WSI 分别依下列公式计算，每组样品测3 次，取平均值。

1.2.7 径向膨化度测定 参考蒋卉方法测定。用游标卡尺测量重组米的直径，每批样品随机测定10 次，取平均值d，再除以模口直径d，得到重组米的径向膨化度

1.2.8 高蛋白重组米感官评价方法 参考GB/T 15682-2008《粮油检验稻谷、大米蒸煮食用品质感官评价方法》并适当修改。称取挤压重组米各25 g 分别放入蒸饭小铝盒中，在装有挤压重组米的小铝盒中加入20 mL 水，迅速搅拌，放入已预热的蒸锅中蒸15 min。选择15 名食品专业同学，根据表1 进行评分，去掉最高分和最低分，取平均值。

表1 高蛋白重组米感官评价标准Table 1 Sensory evaluation scale of high protein reformed rice

1.3 数据处理

本试验除特殊说明外，所有指标测定均重复三次，结果所示数据均为3 次平行试验的平均值。选用SPSS Statistics 25.0 软件对实验数据进行描述性分析、相关性分析、主成分分析、逐步回归分析，用Origin 2018 64Bit 软件绘图。

2 结果与分析

2.1 不同高蛋白重组米主要品质分析

由表2 中可知，16 个样品糊化度的范围是79.006%～97.227%，其中大米蛋白的糊化度最高，达到97.227%，这比方冲的结果要高，这可能是由于挤压参数的差异；回复性的范围是0.464～0.603；大米吸水率的范围是301.025～397.612%；膨化度的范围是1.245～1.567；米汤干物质含量、碘蓝值、胶粘性、咀嚼性、硬度分别为32.396%、28.526%、21.200%、20.334%、19.100%，样品间存在显著性差异，其中米汤干物质又称固体溶出物，在一定程度上反映内部结构的稳定性；吸水性指数和水溶性指数的变异系数分别为20.240%、18.684%，这可能与所用蛋白质与水结合形成凝胶能力有关；弹性变异系数为3.561%，内聚性的变异系数为2.901%，数据离散度较小，其中内聚性反映物质内部结合程度，说明不同蛋白对重组米的弹性及其内聚性影响较小。综上所述，说明试验选取的蛋白具有代表性。由表3 可知，12 号高蛋白重组米的蛋白含量最低，为12.068%，14 号高蛋白重组米的蛋白含量最高，为17.564%，均属于高蛋白食品。

表3 挤压后重组米蛋白质含量（干基）Table 3 Protein content of reformed rice after extrusion (dry basis)

2.2 高蛋白重组米不同指标间的相关性分析

对13 个指标进行相关性分析，如表4 所示，胶粘性、米汤干物质和吸水性指数与其他指标相关性最好，受到11 个指标的影响；糊化度、硬度、内聚性受到10 个指标的影响，其中糊化度与吸水性指数呈极显著正相关（＜0.01），与水溶性指数呈显著负相关（＜0.05），这是因为在挤压过程中淀粉发生了糊化和降解，是此消彼长的关系，硬度与膨化度呈显著的负相关（＜0.05），这与前人的研究相一致，内聚性与米汤干物质呈极显著负相关（＜0.01），表明内聚性越大，内部结构越紧密，米汤干物质越小；咀嚼性、回复性和大米吸水率受到9 个指标的影响；碘蓝值和水溶性指数受到7 个指标的影响，弹性与大米吸水率、米汤干物质、碘蓝值呈极显著正相关（＜0.01），与内聚性、吸水性指数呈显著负相关（＜0.05）；膨胀度与其他指标相关性最差，仅与硬度、胶粘性和咀嚼性呈显著性关系（＜0.05）。可知，各指标之间均存在不同程度的相关性，从而导致各指标所提供的信息发生相互重叠，因此有必要选取具有代表性的评价指标，消除变量之间的相关性。

表4 高蛋白重组米不同指标间的相关性Table 4 Correlation between different indexes of hi gh protein reformed rice

2.3 主成分分析

对16 种不同高蛋白重组米的13 个指标进行主成分分析，以特征值＞1 为原则，提取出3 个主成分F、F和F，图1 为其碎石图。由表5 可知，第一主成分、第二主成分、第三主成分的特征值分别7.731、2.278、1.059，其累积贡献率分别为59.472%、76.999%、85.148%，信息损失较少，能比较全面地反映出高蛋白重组米品质指标构成的原始信息。高蛋白重组米的载荷矩阵与特征向量如表6 所示，载荷图如图2 所示，载荷绝对值的大小与其对主成分的贡献率呈正比。由表6 可知，胶粘性、米汤干物质、硬度、吸水性指数、咀嚼性、内聚性、糊化度、回复性、大米吸水率对第一主成分起主要作用，载荷绝对值均大于0.7；弹性、膨化度和碘蓝值对第二主成分起主要作用，其载荷值分别为0.639、-0.690、0.613；水溶性指数是第三主成分的重要指标，其载荷值为0.609。

表5 主成分的特征值及贡献率Table 5 Eigenvectors and percentage of accumulated contribution of principal components

表6 主因子载荷矩阵Table 6 Principal component matrix

图1 碎石图Fig.1 Gravel map

图2 高蛋白重组米的因子载荷图Fig.2 Plot factor loading of high protein reformed rice

为了消除不同单位和数据量纲的影响，需对各指标原始数据进行标准化处理，转化成均值为0，标准差为1 的无良纲数据，将标准化后的糊化度、硬度、弹性、内聚性、胶粘性、咀嚼性、回复性、大米吸水率、米汤干物质、水溶性指数、吸水性指数、膨化度以及碘蓝值数据记作X～X。根据表7 中的特征向量可得出主成分得分，公式如下：

以第一、第二、第三主成分的方差贡献率为权重，可得高蛋白重组米的品质评价模型：

通过式（4）计算，可得高蛋白重组米品质的综合评分，综合评分越高，高蛋白重组米品质越好，结果如表7 所示。由表7 可知，样品的感官评价和综合评价体系排名基本一致，因此可以认为基于主成分分析法的高蛋白重组米品质评价体系能较为客观地反映高蛋白重组米的品质，具有一定的可行性。依据此品质评价模型（表8），9 号大米蛋白制备的高蛋白重组米综合评分最高，其次是11 号大豆分离蛋白，评分最低的为4 号牛骨胶原蛋白。因此，高蛋白重组米品质优劣对应的蛋白顺序为：大米蛋白、大豆分离蛋白、花生蛋白、乳清分离蛋白、豌豆蛋白、蛋清蛋白、鹰嘴豆蛋白、玉米蛋白、绿豆蛋白、小麦蛋白、藜麦蛋白、燕麦蛋白、土豆蛋白、鱼胶原蛋白、蚕蛹蛋白、牛骨胶原蛋白。

表7 不同高蛋白重组米综合得分及感官评分排名Table 7 Rankin g of comprehensive scores and sensory scores of different high protein reformed rice

表8 高蛋白重组米预测模型得分及排名Table 8 Prediction model score and ranking of high protein reformed rice

2.4 高蛋白重组米综合品质评价理论模型的建立与验证

以主成分分析得到的各高蛋白重组米综合得分为因变量（F 值），以参加主成分分析的各指标值为自变量，进行逐步回归分析，建立高蛋白重组米品质理论预测模型，结果表明，胶粘性、糊化度、米汤干物质以及回复性被引入公式，能够代表3 个主成分，成为有效指标。因此，得到的回归模型为：Y=0.915X+0.208X-0.475X+0.436X，为0.996，调整为0.993，接近1，说明估计的模型对观测值的拟合程度很高。方差分析结果表明Sig 值＜0.05，因此认为回归方程有效。将不同高蛋白重组米的对应变量代入模型，得到每种高蛋白重组米综合品质的理论得分，并将该评分与利用主成分分析得到的综合得分进行相关性分析，如表9 所示，=0.996（＜0.01），说明该模型与实际评估结果相一致，具有很高的可靠性。基于此模型，未来可以对高蛋白重组米的胶粘性、糊化度、米汤干物质以及回复性4 个指标进行测定，计算得分，对高蛋白重组米品质进行综合评价。

表9 理论模型得分与综合评价模型得分的相关性Table 9 Correlation between theoretical model score and comprehensive evaluation model score

3 结论

不同蛋白制备的高蛋白重组米的质构品质、蒸煮品质具有较大的差异。本试验通过主成分分析，对不用蛋白制备高蛋白重组米的综合品质进行评价，结果表明大米蛋白制备的高蛋白重组米综合品质最好，其次是大豆分离蛋白，与感官评分结果具有较高的一致性。通过逐步回归法建立了高蛋白重组米综合品质评价理论模型：Y=0.915X+0.208X-0.475X+0.436X。此理论模型可以很好地和通过主成分分析建立的评价体系相拟合，说明其具有很高的可靠性。利用主成分法构建高蛋白重组米的品质评价模型，可将多维问题简化，并对开发不同挤压营养米的质量评价方法具有一定的指导意义。