張 凡,李書田,王顯瑞,沈 群,*
(1.中國農(nóng)業(yè)大學食品科學與營養(yǎng)工程學院,植物蛋白與谷物加工北京市重點實驗室,國家果蔬加工工程技術(shù)研究中心,北京 100083;2.赤峰市農(nóng)牧科學研究院谷子研究所,內(nèi)蒙古 赤峰 024031)
小米是禾本科、狗尾草屬的一年生草本植物,營養(yǎng)豐富,各種營養(yǎng)素比例適宜。數(shù)據(jù)顯示,小米是我國居民攝入量第二多的雜糧,食用形式包含小米粥、小米飯、小米干面等[1]。隨著消費水平的提升,大眾的消費觀已從“吃得飽”轉(zhuǎn)變?yōu)椤俺缘煤谩保瑢π∶椎氖秤闷焚|(zhì)有了更高的要求,因而對不同品種的小米蒸煮食味品質(zhì)進行評價十分重要。
谷物的蒸煮品質(zhì)包括谷物在蒸煮過程中表現(xiàn)的各種理化性質(zhì),而食味品質(zhì)則為谷物蒸煮后的感官評定[2]。普通的感官評價主觀因素影響大,評價結(jié)果不具有一定的穩(wěn)定性和確定性。而模糊感官綜合評價可將感官評價中的定性評價轉(zhuǎn)化為定量評價,借助數(shù)學工具將復雜不確定的感官指標轉(zhuǎn)化為準確的數(shù)字,從而得到更加科學和客觀的評價結(jié)果,因此被廣泛應(yīng)用于食品領(lǐng)域[3-6]。除此之外,借助諸如電子鼻、電子舌等儀器與感官評價的聯(lián)合應(yīng)用進行研究,可獲得較為全面、準確的樣品品質(zhì)分析結(jié)果[7-8]。
本研究以10 種小米為對象,先分析其蒸煮品質(zhì)的差異,再通過感官模糊綜合評價聯(lián)合質(zhì)構(gòu)儀,對不同品種的小米的食味品質(zhì)進行分析,最后利用偏最小二乘回歸(partial least squares regression,PLSR)分析、電子舌對不同品種小米粥的滋味信號響應(yīng)值和感官評價中小米粥滋味得分,建立一種小米粥的食味品質(zhì)評價方法。將10 種小米的蒸煮品質(zhì)與食味品質(zhì)間建立相關(guān)性分析,找到影響小米蒸煮食味品質(zhì)的因素,為品種改良提供參考。
本實驗中共選取10 種小米進行品質(zhì)評價,其中‘紅苗壓破車’、‘黃金谷’、‘峰紅谷’、‘赤谷6號’、‘赤谷8號’、‘赤谷17號’、‘張雜谷10號’、‘昭農(nóng)21號’小米由赤峰市農(nóng)牧科學研究院提供,‘中谷2號’、‘豫谷18號’小米由中國農(nóng)業(yè)科學院作物科學研究所提供。實驗中所用試劑均為分析純。
碾米機 韓國雙龍公司;電熱鍋 中山市海馬電器有限公司;BD(E2)型熱風循環(huán)箱 德國Binder儀器公司;TA.XT.plus質(zhì)構(gòu)儀 英國Stable Micro Systems公司;ASTREE電子舌 法國Alpha M.O.S公司。
實驗前使用碾米機碾米兩次去掉小米的皮層。
1.3.1 小米物理性質(zhì)的測定
10 種小米的顆粒硬度、籽粒大小參照李星[9]的方法進行測定。千粒重參照GB/T 5519—2008《谷物與豆類千粒重的測定》進行測定。
1.3.2 小米化學性質(zhì)的測定
小米水分、粗淀粉、蛋白、脂肪、灰分及粗纖維素質(zhì)量分數(shù)的測定分別參照GB 5009.3—2016《食品安全國家標準 食品中水分的測定》、GB 5009.9—2016《食品安全國家標準 食品中淀粉的測定》、GB 5009.5—2016《食品安全國家標準 食品中蛋白質(zhì)的測定》、GB 5009.6—2016《食品安全國家標準 食品中脂肪的測定》、GB 5009.4—2016《食品安全國家標準 食品中灰分的測定》、GB 5009.88—2014《食品安全國家標準 食品中膳食纖維的測定》進行。
1.3.3 小米蒸煮品質(zhì)的測定
1.3.3.1 小米粥的制備
稱取40 g小米,蒸餾水清洗5 次,放入盛有1 000 mL蒸餾水的電熱鍋中,100 ℃煮沸20 min,即得小米粥。
1.3.3.2 蒸煮特性的測定
10 種小米粥的吸水率、膨脹率、米湯pH值、米湯固形物含量按照李星[9]的方法進行測定。
1.3.3.3 米粥稠度測定
使用質(zhì)構(gòu)儀中的反擠壓稠度測試裝置對10 種小米粥進行稠度測定。將煮好的小米粥晾置10 min后盛裝在圓柱體樣品杯中,樣品高度為杯高度的75%,選用直徑為45 mm的盤型擠壓部件,盤型部件中心和樣品杯中心對齊。質(zhì)構(gòu)參數(shù)設(shè)定:選用A/BE探頭,測試前、中、后速率分別為1、1、10 mm/s,下壓距離20 mm,觸發(fā)力5.0 g。
1.3.3.4 米粥色澤測定
用攪拌機將蒸煮后的小米粥進行勻漿,隨后倒入石英皿中,使用色差儀測定不同品種小米粥的色澤[8]。
1.3.3.5 小米凝膠的制備及質(zhì)構(gòu)測定
將小米通過高速萬能粉碎機進行粉粹,隨后過40 目篩得到小米粉,測定不同品種小米粉水分質(zhì)量分數(shù)。將蒸餾水加入小米粉中,配制成質(zhì)量分數(shù)(干基)為20%的淀粉乳,并與80 ℃水浴中加熱攪拌30 s成懸濁液,攪拌均勻后倒入玻璃培養(yǎng)皿中并用保鮮膜進行覆蓋,蒸制15 min,取出冷卻至室溫,于4 ℃冰箱中放置24 h,即獲得小米凝膠。
用刀片將制備好的凝膠切割成20 mm×20 mm×10 mm的長方體進行質(zhì)構(gòu)測試。選用TPA模式,探頭為選用P36/R,變形量45%,操作類型為壓縮,測定循環(huán)次數(shù)2 次,實驗前、中、后速率分別為2、1、10 mm/s。測定參數(shù)指標:硬度和彈性。
1.3.4 小米食味品質(zhì)的測定
1.3.4.1 小米粥感官模糊綜合評價
結(jié)合模糊綜合評價方法,選擇色澤、氣味、外觀、黏性、彈性、硬度,滋味及分層共7 個因素對10 種小米粥的口感進行評價,具體評價標準見表1[10]。邀請30 名感官靈敏的食品專業(yè)研究生組成評定小組,按照表1對以上10 種小米粥感官的各項指標進行等級評定并統(tǒng)計評價結(jié)果。
表 1 小米粥感官評價標準Table 1 Criteria for sensory evaluation of foxtail millet porridge
1.3.4.2 電子舌滋味測定
按1.3.3.1節(jié)方法制備不同品種小米粥,冷卻10 min后于4 000 r/min下離心20 min,并用普通濾紙進行抽濾,取濾液備用。
本實驗采用ASTREE電子舌系統(tǒng),共配有7 根傳感器。具體參照Feng Lei等[11]的方法并略作改動。測定前用相應(yīng)溶液對傳感器進行活化、校準及診斷,隨后取100 mL小米粥濾液放入電子舌專用燒杯中。實驗設(shè)置參數(shù):采樣時間120 s,清洗時間60 s,攪拌速率3 r/s,平行測定6 次。
所有實驗均重復3 次,使用SPSS Statistics 25軟件進行數(shù)據(jù)分析,采用Origin Pro 2015軟件進行繪圖。電子舌測試數(shù)據(jù)用系統(tǒng)自帶軟件進行處理。采用電子舌判別因子分析(discriminant factorial analysis,DFA)法對樣品進行定性的判別分析,并使用PLSR分析對原始數(shù)據(jù)進行采集分析。
2.1.1 10 種小米粥的感官模糊綜合評價
目前谷物食味品質(zhì)大多采用感官分析。本實驗將模糊數(shù)學分析法同感官分析相結(jié)合,將感官評價中存在的各種不確定性以精確的數(shù)字形式表現(xiàn)出來,從而得到更為準確的感官評價結(jié)果。
確定評價對象集A:評價對象集A,即在本次研究中需要進行感官評價的小米粥集合,A={a1,a2,a3,a4,a5,a6,a7,a8,a9,a10},其中a1...a10分別代表本次研究中的10 種小米粥(排序如表2所示),Aj代表對10 種小米粥感官的綜合評價,其中j=1, 2, 3... 10。具體編號情況見表3。
確定評價因素X:評價因素集X即對小米粥評價指標構(gòu)成的因素集合。X={x1,x2,x3,x4,x5,x6,x7},其中x1…x7分別代表本次實驗中在評價小米粥時需要評價的指標,故X={色澤,氣味,外觀,黏性,彈性,硬度,滋味及分層}。
確定評價得分集U:評價得分集U,即為對各項評價結(jié)果的等級組成的集合。U={u1,u2,u3},其中u1、u2、u3分別是好、中、差3 個等級,本實驗中3 個等級分別對應(yīng)90、70、50。即U={好,中,差}={90, 70, 50}。
確定感官模糊綜合評價中各項指標的權(quán)重集Y:對食品的感官進行模糊綜合評價時,評價因素的權(quán)重分配對整體評判結(jié)果具有很重要的影響[12]。權(quán)重集Y,即各評價因素的權(quán)重系數(shù)組成的集合。Y={y1,y2,y3,y4,y5,y6,y7},y1…y7分別代表色澤、氣味、外觀、黏性、彈性、硬度、滋味及分層的權(quán)重系數(shù)。采用二元對比決定法確定色澤、氣味、外觀、黏性、彈性、硬度、滋味及分層7 項指標的權(quán)重。由表2可知,小米粥感官評價指標的權(quán)重Y={0.16,0.18, 0.13, 0.13, 0.06, 0.11, 0.23}。從評價員給出的最終感官評價指標權(quán)重可知,小米粥的滋味及分層最影響小米粥的整體感官評價,其次分別是氣味和色澤。
表 2 小米粥的感官模糊綜合評價指標權(quán)重Table 2 Weight of quality indicators used for fuzzy sensory evaluation of foxtail millet porridge
小米粥模糊數(shù)學綜合評價結(jié)果:運用模糊數(shù)學原理,由30 名評價員對10 種小米粥進行感官評價。根據(jù)評價因素集分別進行等級確定,記錄各個因素在每個等級中的票數(shù)分布。模糊評定矩陣根據(jù)評價人員的評定結(jié)果確定,即將表2中得到的結(jié)果除以總?cè)藬?shù),得到10 個如Rj的模糊矩陣。
表 3 不同品種小米粥感官評定結(jié)果Table 3 Sensory evaluation results of different varieties of foxtail millet porridge
其中j=1, 2, 3…, 10為樣品編號;i=1, 2, 3…7為小米粥的各項評價指標;ri1、ri2、ri3分別表示第i個評價指標分數(shù)項所得票數(shù)。
以編號為1的‘張雜谷10’為例:
根據(jù)模糊變換原理,用權(quán)重Y乘以模糊矩陣R1得到綜合評價結(jié)果Y1。Y1=Y×R1={0.502, 0.455, 0.043},同理可得其他組樣品的綜合評價結(jié)果,同時將評價中好、中、差對應(yīng)的分值分別乘以Y1中的各分量并進行加和,最后得到感官模糊綜合評分(表4)。
表 4 不同品種小米粥感官模糊綜合評定結(jié)果Table 4 Comprehensive fuzzy sensory evaluation of different varieties of foxtail millet porridge
由表4可知,‘中谷2號’小米粥綜合評分最高,隨后依次是‘黃金谷’和‘峰紅谷’,具體排名順序為小米粥感官綜合評價排序:‘中谷2號’>‘黃金谷’>‘峰紅谷’>‘張雜谷10號’>‘豫谷18號’>‘昭農(nóng)21號’>‘赤谷8號’>‘赤谷6號’>‘赤谷17號’>‘紅苗壓破車’。這與前期調(diào)研消費者對小米品種的接受程度相吻合。
2.1.2 不同品種小米粥DFA結(jié)果
圖 1 10 種小米粥樣品的DFA得分圖Fig. 1 DFA score plot for 10 varieties of foxtail millet porridge
由圖1可知,數(shù)字1~10依次代表小米粥的感官得分排序,結(jié)合感官評價結(jié)果,可以看出電子舌可以很好地將10 種小米粥進行區(qū)分和歸類。樣品之間的差異性與其代表點間的距離成正比,距離越小,樣品差異性越小[13]。‘中谷2號’作為感官評價得分最高的小米粥,與其他9 個樣品均有一定的距離;排名前三的‘中谷’、‘黃金谷’和‘峰紅谷’分布在第二象限,其余幾種樣品分布在第一、三、四象限;排名第4及第5的‘張雜谷’和‘豫谷’也表現(xiàn)出了一定的聚集性,且與其他品種小米粥存在差異;排名靠后的‘赤谷’系列及‘紅苗壓破車’在圖中明顯聚集,說明電子舌不能很好地區(qū)分‘赤谷8號’、‘赤谷6號’、‘赤谷17’,這可能與‘赤谷’系列的育種有關(guān),且‘紅苗壓破車’與‘赤谷8號’區(qū)分度不高,但是從整體區(qū)分結(jié)果來看,電子舌能夠很好地區(qū)分并分類出不同口感等級的小米。
2.1.3 不同小米粥PLSR分析結(jié)果
由于小米粥成分復雜,而電子舌傳感器又具有選擇性、交互敏感性等特點,因而實驗中7 根傳感器響應(yīng)值之間存在多重相關(guān)性,普通的多元線性回歸無法獲得誤差小且穩(wěn)定性高的模型[14]。然而PLSR法可通過交互分解篩選數(shù)據(jù)信息,辨識系統(tǒng)噪聲,克服上述問題,獲得穩(wěn)定可靠的預測模型。
將10 種小米粥在電子舌實驗中由7 根傳感器得到響應(yīng)值為自變量,以模糊感官評價得到的綜合評分為因變量進行PLSR預測模型的建立。其中,對PLSR主因子數(shù)進行優(yōu)化,通過對比選取前5 個主因子建立模型,此時5 個主因子包含的方差貢獻率累計為0.99,模型擬合相關(guān)系數(shù)為0.91,擬合效果良好(圖2)。結(jié)果表明電子舌檢測可以實現(xiàn)對食味品質(zhì)有所差別的小米品種區(qū)分,其信號值可以預測小米粥的感官評價得分。
圖 2 10 種小米粥感官評價PLSR擬合結(jié)果Fig. 2 PLSR fitting plot for sensory scores of 10 varieties of foxtail millet porridge
谷物在蒸煮的過程中,顆粒內(nèi)部的淀粉、蛋白、纖維素等物質(zhì)會發(fā)生吸水、膨脹的現(xiàn)象,直鏈淀粉、蛋白質(zhì)、脂質(zhì)、礦物質(zhì)、可溶性糖等物質(zhì)溶出[15]。研究表明谷物吸水率越高,蒸煮時間越短,口感越好。較高的吸水率使得谷物在蒸煮后也具有較高的膨脹率,而吸水率的大小多與谷物顆粒硬度及所含營養(yǎng)物質(zhì)有關(guān),且多對蒸煮后谷物顆粒彈性產(chǎn)生影響[16]。前期研究表明,小米吸水率越高,其顆粒硬度小、黏性大,最適宜做粥[9]。
表 5 10 種小米粥的蒸煮特性Table 5 Cooking quality of different varieties of foxtail millet porridge
從表5中可以看出,‘峰紅谷’具有最高的吸水率以及膨脹率,且感官得分較高;而口感品質(zhì)得分較低的‘赤谷’系列和‘紅苗壓破車’具有低吸水率、低膨脹率的特點。小米在蒸煮過程中的吸水、膨脹、固形物溶出情況均對最終米粥的稠度產(chǎn)生影響,其中米湯固形物含量與稠度呈顯著正相關(guān)(P<0.01)?!泄?號’及‘黃金谷’在煮制過程中,米粒吸水膨脹情況雖不及‘峰紅谷’及‘張雜谷10號’,但兩者米湯固形物含量最高,因此,較好的米粒吸水膨脹性及高的米湯固形物含量保證了‘中谷2號’和‘黃金谷’的稠度,進一步影響其食味品質(zhì)。10 種小米粥的米湯pH值沒有顯著區(qū)別。研究認為,米湯pH值主要受到谷物中蛋白質(zhì)及脂肪酸含量的影響,兩者呈顯著負相關(guān)[17]。
圖 3 10 種小米粥色澤L*、a*、b*空間分布Fig. 3 L*, a*, b* spatial distribution of different varieties of foxtail millet porridge
小米粥是否具有金黃的色澤十分影響消費者的接受程度。圖3展示了感官得分不同的小米粥色澤L*a*b*空間分布情況,圖中圓圈的大小及顏色深淺與10 種小米粥的感官得分成正比??梢钥闯?,感官評價得分高的‘中谷2號’、‘黃金谷’、‘峰紅谷’、‘張雜谷10號’具有較高黃度(b*),得分最低的‘紅苗壓破車’小米粥黃色色澤最差。此外,圖3中還反映出米粥亮度在一定程度上也影響了其感官評分,得分高的米粥往往具有更高的亮度(L*)。10 種小米粥的紅綠度(a*)差異不大。
圖 4 10 種小米凝膠硬度及彈性氣泡圖Fig. 4 Bubble chart for hardness and elasticity of different varieties of foxtail millet porridge gels
不同品種小米凝膠硬度及彈性如圖4所示,圓圈邊數(shù)字1~10依次代表小米粥的感官得分排序,1號為最受歡迎的‘中谷2號’,10號為口感最差的‘紅苗壓破車’。小米凝膠的蒸煮、食味品質(zhì)與其凝膠特性密切相關(guān),其中凝膠的質(zhì)構(gòu)特性反映了其強度、黏彈性等特征,這對包括小米粥在內(nèi)的小米制品有一定影響[18-19]。
由圖4可知,‘中谷2號’小米凝膠硬度最大,‘張雜谷10號’小米凝膠硬度最小,硬度大小分布無法體現(xiàn)出小米粥的食味品質(zhì);‘中谷2號’、‘黃金谷’凝膠彈性適中,‘峰紅谷’最高,‘赤谷17號’最低,且食味品質(zhì)靠前的小米品種,其凝膠彈性均大于0.7,排名后3 位小米,其凝膠彈性小于0.7。小米凝膠的硬度主要來源于凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的強度,硬度越大,凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)越強,說明在糊化過程中有更多的直鏈淀粉溶出??梢钥闯?,食味品質(zhì)最佳的‘中谷2號’具有最大的凝膠硬度,且‘中谷2號’小米粥具有最大的稠度,這可能都與蒸煮過程中更多的直鏈淀粉分子溶出有關(guān)。當然,除加工方式外,谷物本身所含的蛋白質(zhì)、脂質(zhì)、纖維素等都會影響其凝膠強度[20-21]。因此對其他小米品種來講,凝膠硬度與其蒸煮品質(zhì)間的關(guān)系規(guī)律不明顯,但不能因此否認凝膠硬度對蒸煮品質(zhì)產(chǎn)生的影響。如大米粉的凝膠硬度被認為是影響面條蒸煮品質(zhì)的主要因素[22]。
表 6 不同品種小米理化特性Table 6 Physicochemical characteristics of different varieties of foxtail millet
如表6所示,根據(jù)不同理化指標的變異系數(shù)可知,不同品種間硬度差異最大,脂肪、粗纖維及灰分質(zhì)量分數(shù)也存在較大的差異程度,粗淀粉質(zhì)量分數(shù)差異最小。感官得分最高的‘中谷2號’蛋白質(zhì)量分數(shù)最低,且隨著食味品質(zhì)的下降,小米中蛋白質(zhì)量分數(shù)呈上升趨勢,‘中谷2號’和‘紅苗壓破車’兩者蛋白質(zhì)量分數(shù)相差3.31%。
從表6中可以看出,小米粒的千粒重和顆粒直徑之間存在一定的正相關(guān)性?!泄?號’的千粒重及顆粒直徑最小,‘紅苗壓破車’顆粒最大最重。不同小米品種的顆粒硬度存在顯著差異。谷物的硬度主要取決于胚乳具體的結(jié)構(gòu)及成分,其中細胞和細胞壁中的淀粉及蛋白是主要影響因素,而谷物中的淀粉和蛋白質(zhì)又主導了蒸煮過程中水分、熱量的吸收從而影響后續(xù)的糊化過程,由此可見顆粒硬度一定程度上也會影響谷物的蒸煮食味品質(zhì)[23-24]。
由表7可知,顆粒直徑、硬度、千粒重與所有蒸煮品質(zhì)指標呈負相關(guān),且與感官評分呈顯著負相關(guān)(P<0.05)。感官評分與蛋白質(zhì)量分數(shù)呈極顯著負相關(guān)(P<0.01),與灰分質(zhì)量分數(shù)顯著負相關(guān)(P<0.05),與脂肪質(zhì)量分數(shù)呈負相關(guān)。
表 7 小米主要成分與其蒸煮食味品質(zhì)間的相關(guān)系數(shù)Table 7 Correlation coefficients between main components of foxtail millet and its cooking and eating quality
以上結(jié)果表明,顆粒直徑過大、過硬的小米往往無法獲得較好的蒸煮食味品質(zhì)。這是因為顆粒直徑越大、硬度越高,越不利于小米在蒸煮過程中的吸水、吸熱、膨脹及糊化過程[23]。通常而言,淀粉含量(尤其是直鏈淀粉含量)、直支鏈淀粉比值、淀粉的精細結(jié)構(gòu)等是影響谷物蒸煮品質(zhì)的主要因素[25-26],但是許多研究者也認為,蛋白質(zhì)含量是影響谷物蒸煮食味品質(zhì)的另一重要因素,蛋白含量越高,蒸煮品質(zhì)越差,這與本實驗結(jié)論相一致。這是因為在胚乳細胞中,蛋白體與淀粉粒緊密鑲嵌,因而蛋白體的存在會抑制蒸煮過程中淀粉顆粒的糊化過程,淀粉糊化不完全從而影響其蒸煮品質(zhì);除蛋白質(zhì)含量外,蛋白質(zhì)的組成、分子質(zhì)量、特性(如水合性質(zhì))等也影響谷物的蒸煮性質(zhì)[27-30]。本實驗中小米蒸煮食味品質(zhì)與脂肪質(zhì)量分數(shù)呈負相關(guān)。王鵬躍等[31]認為脂肪和游離氨基酸含量對米飯食用品質(zhì)影響較大,當這兩者含量低時,米飯質(zhì)構(gòu)特性更優(yōu)良。然而也有研究認為,稻米中淀粉脂含量的增加可顯著提高其外觀品質(zhì)及蒸煮品質(zhì),研究體系、淀粉脂和非淀粉脂比例以及脂肪酸具體組成的不同可能導致了結(jié)果的差異[32-33]。
采用感官模糊綜合評價對10 種小米粥進行食味品質(zhì)分析,‘中谷2號’為口感最優(yōu)品種,‘紅苗壓破車’最差。使用電子舌自帶軟件對10 種小米粥進行DFA,結(jié)果表明DFA能夠很好地區(qū)分并分類出不同口感等級的小米粥。采用PLSR建立小米粥感官評價預測模型,電子舌信號值與小米粥感官評價結(jié)果存在相關(guān)性,相關(guān)系數(shù)為0.91,說明電子舌用于評價小米粥的口感評價是可行的。比較10 種小米粥的蒸煮品質(zhì)可知,‘中谷2號’小米粥具有最高的固形物含量、稠度以及誘人的金黃色澤,同時低蛋白質(zhì)量分數(shù)以及低顆粒硬度、直徑等理化性質(zhì),以及高吸水率和膨脹率特點,保證了‘中谷2號’淀粉的充分糊化,使其具有最佳的食味品質(zhì)。后期還需對小米營養(yǎng)組分如何影響其蒸煮食味品質(zhì)進行進一步探究。