一种大米的保鲜品质变化及评价模型的建立

杨海晴, 姚倩儒, 徐跃峰, 奉檐丽, 付正凯, 亓盛敏, 李 慧, 张连慧, 黄 金

(中粮营养健康研究院有限公司1,北京 102209)

(营养健康与食品安全北京市重点实验室2,北京 102209)

(中粮国际(北京)有限公司3,北京 100020)

大米作为主食,消费者对于大米需求已经从吃饱到吃好的转变。市售大米通常标注“新粮”“优质”和“好吃”等醒目字样标识。然而,关于如何量化评价新鲜程度及优质口感研究仍然不足,因此保鲜大米的评价方法显得尤为重要。保鲜大米是在新鲜大米的基础上保留了大米原有的营养比例及优质口感[1],故保鲜大米的保鲜期要短于大米的保质期。大米保鲜则是为保持大米新鲜品质而开发的技术方法。

GB/T 15682—2008《粮油检验 稻谷、大米蒸煮食用品质感官评价方法》、GB/T 5492—2008《粮油检验 粮食、油料的色泽、气味、口味鉴定》与GB/T 20569—2006《稻谷储存品质判定规则》中规定稻谷、大米的感官品质应由专业品评人员通过鉴定生米及米饭的气味、外观结构、适口性、滋味及冷饭质地等指标,以专业品评人员的综合评分均值来表示最终评定结果。最终的感官评价结果适宜用于判断米种的优劣和稻谷的储存水平,为改善米种口感、改良稻谷储存环境提供了参考。但当前鲜见关于保鲜大米及保鲜大米等级的评定标准。

日本的食味鉴定值是将大米外观、口感、鲜度与感官评价结果相结合,客观评定大米综合品质,但食味鉴定值仅适用于日本粳稻米的评价,不适用于中国粳稻米和籼稻米的评价,且食味鉴定值并未对保鲜大米标准进行评定。

当前保鲜大米研究多以品质变化[2-5]、风味变化[6,7]、保鲜技术[8,9]为主,市售保鲜大米则多以300～500 g小规格马口铁罐装或PE复合膜为主。赵卿宇等[10]研究发现,随着储藏时间的延长,大米的理化性质、外观特性、质构、蒸煮和糊化特性均发生明显改变,且储藏温度越高,变化越大。Monsoor等[11,12]检测发现,陈米中己醛、戊醛含量明显高于鲜大米,且在碎米中含量更高,是挥发性香味氧化后的重要组成部分,导致大米香气下降,出现陈化臭味。鲜有保鲜大米评价方法及保鲜大米评价模型建立的相关研究报道。

吉宏六号是吉林地域粳稻的标志性产品,是吉林省孕育成的香型中晚熟粳稻品种,具有综合抗性强、香味浓、产量高、蒸煮食用品质好的特点,并在黏度和回生性方面表现出色。

实验以吉宏六号(粳米)为主要研究对象,以300 g/罐马口铁罐装为主要包装形式,以感官、理化、糊化特性等指标检测为基础,分析其在25 ℃,60%RH储藏条件下保鲜品质变化,并基于神经网络模型建立保鲜大米品质评价模型,以期为筛选优质口感的新鲜大米提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

2020年收获吉宏六号(粳稻),产地:吉林。

包装形式:马口铁罐装,不充气。

1.2 仪器与设备

LG12-JLGJ2.5实验型砻谷机,TM05C实验型碾米机,JSWL大米食味计,STA1A硬度黏度仪,STA1B米饭食味计,MM1D精白度计,RVA4500快速黏度分析仪,GZX-9140 MBE电热鼓风干燥箱,HWS-288型恒温恒湿箱,DZGD40A1小熊电蒸锅。

1.3 实验方法

1.3.1 大米处理及储藏

利用实验型砻谷机将吉宏六号稻谷脱壳得到吉宏六号糙米,再利用实验型碾米机将糙米制成符合GB/T 1354—2018《大米》的标准一等大米,以300 g/罐规格进行马口铁罐装不充气包装,置于25 ℃,60%RH的恒温恒湿培养箱中放置200 d,每隔20 d取样,共计取样11次。

1.3.2 理化指标检测

水质量分数根据 GB/T 5009.3—2016 《食品中水分的测定》常压恒温烘干法测定;脂肪酸含量根据GB/T 5510—2011《粮油检验 粮食、油料脂肪酸值测定》索氏抽提法测定;白度、透过度、精白度根据MM1D精白度计测定;新鲜度根据GB/T 5502—2018《粮油检验 大米加工精度检验》、LS/T 6118—2017《粮油检验 稻谷新鲜度测定与判别》测定。

1.3.3 质构特性和米饭食味

称取30 g大米样品置于用中速滤纸封口的铝盒中,流水淘洗30 s;淘洗完成后按米水质量比1.0 ∶1.4的比例向铝盒中补充水分;从大米接触水开始计时,浸泡30 min后,在蒸饭锅内蒸煮30 min,后停止加热,保温焖制10 min;焖制完成后,翻搅米饭,放入冷却箱冷却20 min,冷却完成后拆掉滤纸盖,更换为铝盒盒盖。焖饭完成2 h后开始实验,每次取8 g样品置于不锈钢圆环内,使用压饭器将米饭压成饭饼,后置于STA1A硬度黏度仪、STA1B米饭食味计测定米饭硬度黏度、弹性及米饭食味,每个样品测定5次重复。

1.3.4 糊化特性

糊化特性根据GB/T 24852—2010《大米及米粉糊化特性测定 快速黏度仪法》测定。样品制备方法:20 g大米粉碎后过40目筛,保留筛下物进行测定。

1.3.5 感官评价

感官评价根据GB/T 15682—2008《粮油检验 稻谷、大米蒸煮食用品质感官评价方法》测定。专业评价人员数量为12人,年龄在25～45岁之间,男女各6人。

1.3.6 三点检验

三点检验根据GB/T 12311—2012《感官分析方法 三点检验》中差别检验方法测定。评价人员数量为36人,测定结果依据标准中表A.1分析(α=0.05)。

1.4 数据处理

所有数据采用SPSS 18.0软件进行统计学分析,实验数据以平均值±标准差表示,n=3,组间平均值比较采用Duncan多重比较法分析显著性差异(以P<0.05表示差异显著)。所有图像均采用 JMP Pro 16.0 软件进行统计学分析。

2 结果与分析

2.1 多元相关性分析结果

各项理化指标详细数据见表1。各项理化指标多元相关性热图矩阵如图1所示,矩阵下三角形为多个变量之间的双向趋势线图,矩阵上三角形为变量对之间的相关性热图。

图1 各项理化指标多元相关性热图矩阵

结果表明,吉宏六号在储藏期间,感官评价、新鲜度、米饭食味值、白度、精白度、黏度、峰值时间、水分呈显著下降趋势,脂肪酸值、硬度、衰减值、糊化温度呈显著上升趋势,透过度、弹性、最低黏度趋势变化不明显。

感官评价是评定大米食用品质最重要的一种方式,是筛选优质口感保鲜大米的最主要指标。储藏时间在0～20 d时,依据GB/T 15682—2008描述,感官评价为优;储藏时间在20～80 d时,感官评价为好;储藏时间在80～140 d时,感官评价为较好;储藏时间在140～60 d时,感官评价为一般;储藏时间为160～200 d时,感官评价为差,此时大米品质劣变程度最严重。在P<0.05的置信区间内,感官评价与新鲜度、米饭食味值、米饭食味外观、米饭食味口感、黏度、精白度呈显著正相关,相关系数分别为0.83、0.93、0.96、0.92、0.94、0.91;与储藏时间、脂肪酸值、衰减值、回升值呈显著负相关,相关系数分别为-0.98、-0.80、-0.85、-0.88,即随着储藏时间的增加,感官评价逐渐降低,新鲜度、米饭食味值、米饭食味外观、米饭食味口感、黏度、精白度均呈现降低趋势,脂肪酸值、衰减值、回升值则出现上升趋势。这与前人相关研究相同[9,15]。

由图1可知,米饭食味值与黏度呈显著正相关,与衰减值、糊化温度呈显著负相关。米饭食味值是由内置光源对压缩饭饼进行照射,通过检测反射光量与透过光量的值来测定的。米饭反射光量越少,透过光量越多,则证明米饭表面光泽度越高且接近透明状态,米饭食味外观、口感值就越高,米饭糊化程度越高,米饭食味值越高。因此米饭食味值也常用于优质稻米的判断与选择。当前研究表明[13-17],随着储藏时间的增加,大米的糊化特性会受到严重影响,淀粉黏度降低,导致大米饭糯性下降,米饭黏度降低,硬度增加[18-21],口感变劣,感官评价呈下降趋势,更多的游离脂肪酸生成并包裹淀粉粒,抑制淀粉糊化,同时淀粉无定形区发生变化,淀粉分子间的结缔状态发生改变,淀粉酶活性降低,导致淀粉糊化受阻,糊化温度升高[22-25],饭饼透明度降低。脂质分解,大米表面颜色加深变暗,饭饼光泽度降低。

白度、透过度、精白度可反映生米的外观颜色和透亮光泽程度。由图1可知,白度、精白度与脂肪酸值、峰值黏度、衰减值、回升值、糊化温度呈显著负相关,即随着储藏时间的延长,大米表面的脂类物质会在温度、湿度的影响下发生氧化,脂肪酸值升高,糊化率降低,大米颜色变黄,并出现脱糠、起筋现象,大米表面粗糙程度增加,白度、精白度下降。

脂肪酸值、新鲜度是评定大米新鲜程度最重要的指标。由图1可得,新鲜度与脂肪酸值呈显著负相关,相关系数为-0.9,即随着储藏时间的增加,大米新鲜度降低,脂肪酸值呈上升趋势。由表1数据可得,吉宏六号储藏100 d后,新鲜度维持在70分以下,且120～200 d样品无显著性差异(P<0.05),可认为,吉宏六号储藏100 d后,新鲜度下降趋势趋于平缓,大米品质劣变速度变慢,因此推断储藏100 d为吉宏六号保鲜期的终点,此时吉宏六号感官评价为79.7分,依据GB/T 15682—2008描述,感官评价在71～80分为较好。当前新鲜度的检测方法主要通过将规定加工精度等级的大米与显色剂反应,根据不同新鲜程度的大米含有的醛、酮类物质的量不同,显示不同的颜色特征,通过光谱分析颜色差异,得到新鲜度值。新鲜大米中,醛、酮类物质的量较少,随着储藏时间的增加,大米中的脂类通过水解产生游离脂肪酸,并在脂肪氧化酶的作用下产生氢过氧化物,并进一步分解产生醛、酮类等小分子产物,大米中醛、酮类物质的量增加,大米新鲜度逐渐降低。

2.2 三点检验结果

三点检验可用于测试2个样品间是否存在可感觉到的感官差别或相似。因此,三点检验常用于2个完全同类的样品在差别特性未确定时(即差别既不是由样品间差别的大小和范围确定,也没有代表差别的任何特征显示),一种或多种感官指标是否存在差别的判定。

将不同储藏时间样品分别与原始样品进行三点检验,记录每次三点检验正确人数,见表2,三点检验结果显示,与初始样品相比,储藏80 d样品与原始样品无显著性差异,储藏100 d样品与原始样品存在显著性差异,故认为储藏100 d为大米保鲜期终点(α=0.05)。这与表1数据中新鲜度结果相符。

表2 不同储藏天数样品与原始样品三点检验结果

2.3 模型拟合

神经网络是由大量的、简单的处理单元(称为神经元)广泛的互相连接而形成的复杂神经网路系统。神经网络模型是以神经元的数学模型为基础描述的,其具有高度鲁棒性和容错能力,能充分逼近复杂的非线性关系。目前神经网络模型多用于系统辨识、模式识别、智能控制等领域。

基于神经网络模型,以感官、理化、糊化特性等指标建立保鲜大米品质评价模型,具体模型如图2所示。

图2中的圆圈为神经网络模型的基本组成单位-神经元。

Y=77.4-9.2×H1-1- 0.2×H1-2+9.4×H1-3

H1-1=0.5×(54.99+0.01×储藏时间+0.03×新鲜度-0.77×水分-0.01×脂肪酸值+0.24×硬度+0.55×黏度-18.65×弹性+0.14×米饭食味外观-0.32×米饭食味口感-0.05×米饭食味值-52.59×白度-169.04×透过度-0.13×精白度-0.01×峰值黏度+0.01×最低黏度-0.01×衰减值+0.01×最终黏度+0.01×回生值+0.90×峰值时间+0.08×糊化温度)

H1-2=0.5×(-14.13+0.01×储藏时间-0.01×新鲜度-0.06×水分+0.01×脂肪酸值+0.05×硬度+0.02×黏度+5.52×弹性+0.13×米饭食味外观+0.19×米饭食味口感-0.03×米饭食味值+2.06×白度+46.86×透过度-0.01×精白度+0.01×峰值黏度-0.01×最低黏度+0.01×衰减值+0.01×最终黏度-0.01×回生值+0.36×峰值时间+0.18×糊化温度)

H1-3=0.5×(-17.27-0.01×储藏时间+0.04×新鲜度+0.07×水分-0.05×脂肪酸值-0.03×硬度+2.36×黏度-12.39×弹性+0.70×米饭食味外观+0.93×米饭食味口感+0.09×米饭食味值+23.44×白度+107.84×透过度+0.03×精白度-0.01×峰值黏度+0.01×最低黏度-0.01×衰减值+0.01×最终黏度+0.01×回生值+1.18×峰值时间-0.35×糊化温度)

式中:Y为感官评价;H1-1、H1-2、H1-3分别为图3中的神经元。

图3 决策树图示

神经网络模型的优劣由验证模型下的R2所决定(表3)。

表3 神经网络拟合模型分析

2.4 决策树分析

决策树是一种运用概率与图论中的树对决策中的不同方案进行比较,从而获得最优方案的风险性决策方法。决策树具有逻辑简单、算法高效、强解释性的特点,常用于判断及筛选多个变量中的关键性指标及监督分层。因此可以采取利用决策树来判断筛选保鲜大米评价方法中的关键性影响指标,并将其用于保鲜大米评价方法中保鲜大米的等级分割。

图3决策树中的所有行代表包括储藏时间、感官评价、新鲜度、米饭食味值在内的所有数据。决策树模型R2为0.86。

依据决策树结果可知,新鲜度为决策树第一节点,即新鲜度为保鲜大米品质评价方法的第一关键性指标,当新鲜度=70时,储藏时间为100 d,与三点检验结果、新鲜度结果相符,因此,可以进一步推断,储藏时间为100 d时,为保鲜期终点。

米饭食味值为决策树第二节点,因此,米饭食味值为保鲜大米品质评价方法第二关键性指标。当米饭食味值=80分时,储藏时间为160 d。由表1可得,当储藏时间为160 d时,脂肪酸值质量分数达到峰值,为32.8 mg KOH/100 g。脂肪酸值是大米储藏品质变化的重要指标之一,脂肪酸是脂类在酶的作用下,与水和空气发生水解反应和氧化反应产生的。由于病原微生物的生长产生的脂肪酶加速大米脂类的分解,从而使脂肪酸值上升,而后微生物继续生长又消耗脂肪酸使得脂肪酸值呈现下降趋势。脂肪酸值越高,哈败味越明显。因此,一般认为脂肪酸值达到峰值的时间为大米的保质期终点。故而推断储藏时间为160 d时,为保质期终点。

因此,可以推断,新鲜度为保鲜大米品质评价方法的第一关键性指标,米饭食味值为保鲜大米品质评价方法的第二关键性指标,大米保鲜期约为100 d,大米保质期约为160 d。

结合图3、图4,依据决策树结果可对保鲜大米进行等级评定,具体分级为:

当新鲜度≥70分,米饭食味值≥82分,预测感官评分≥80分时,为一级保鲜大米,此时大米处于保鲜期内,新鲜度高且口感更佳;

当新鲜度≥70分,82分>米饭食味值≥80分,80分>预测感官评分≥60分时,为二级保鲜大米此时大米处于保质期内,新鲜度高但口感一般;

当新鲜度<70分,米饭食味值<80分,仪器感官评分<60分时,为非保鲜大米,此时大米超过保质期,新鲜度与口感均差。

3 总结

吉宏六号在储藏期间,感官评价、新鲜度、米饭食味值、白度、精白度、黏度、峰值时间、水分呈显著下降趋势,脂肪酸值、硬度、衰减值、糊化温度呈显著上升趋势,透过度、弹性、最低黏度趋势变化不明显。基于神经网络模型,建立以感官、理化、糊化特性等指标的保鲜大米品质评价模型,模型具体为:Y=77.4-9.2×H1-1- 0.2×H1-2+9.4×H1-3,R2为0.99,拟合线性较优,并依据决策树模型筛选出新鲜度、米饭食味值为保鲜大米品质评价的关键性指标,并建立分级机制,最终确定当新鲜度≥70分,米饭食味值≥82分,预测感官评分≥80分时,此时大米处于保鲜期内,新鲜度高且口感更佳。

实验主要以粳米为分析对象,且当前大米品种繁多,包装及储藏条件多变,因此后续可持续搜集更多粳米及籼米品种,探究其在不同包装及储藏条件下的品质变化,扩大数据库,完善保鲜大米品质评价模型。