稻米品質檢測技術的研究進展

孔憲琴 胡光蓮 張小惠 李春生

摘要 綜述了我國近年來稻米品質檢測技術的研究現狀與應用。從碾米品質、外觀品質、營養品質、蒸煮品質、食味品質5個方面闡述了稻米品質檢測技術的研究進展與應用以及存在的問題，并對今后稻米品質檢測技術的發展作出展望。

關鍵詞 稻米；食用品質；檢測技術

中圖分類號 TS212.7文獻標識碼 A文章編號 0517-6611（2018）01-0028-04

Abstract The research status and application of rice quality detection technology in recent years in China are reviewed. The research progress， application and existing problems of rice quality detection technology were expounded from 5 aspects of rice milling quality， appearance quality， nutritional quality， cooking quality and eating quality. The future development of rice quality detection technology was prospected.

Key words Rice； Edible quality； Detection technology

稻谷是我國主要糧食作物之一，其產量占全國糧食總產量的40%左右，全國60%以上人口以稻米為主食[1]。長久以來我國稻米產量高居世界第一，但由于稻米品種品質以及品質檢測技術落后等原因，我國的稻米出口在國際市場上缺乏競爭力，2010—2012年出口量僅占世界出口總量的1.4%，且呈逐年遞減趨勢[2]。隨著人們生活條件的不斷改善，人們對稻米的品質需求越來越高，有關部門和企業對稻米品質的快速、準確檢測技術的需求也日益強烈。對此，我國先后頒布并更新了一系列有關稻米品質的評價標準，主要有GB 1354—2009《大米》[3]、GB/T 17891—1999《優質稻谷》[4]、NY/T 593—2013《食用稻品種品質》[5]等，既為當前稻米品質檢測提供了參考，又有助于今后稻米品種品質的改良，同時為其檢測技術的發展指明了方向。

稻米品質是綜合性狀，稻米品質的優劣是品種遺傳特性與環境條件影響共同作用的結果。當前國內外評價稻米食用品質主要著重于5個方面，即碾米品質、外觀品質、營養品質、蒸煮品質和食味品質[6]。碾米品質是指稻谷在碾磨后保持的物理特性，主要指標包括出糙率、精米率和整精米率等。外觀品質是指稻米的外觀特性，主要包括稻米的大小、粒形、透明度、光澤、堊白度等外表特征。營養品質是指稻米中營養成分的含量，主要營養成分包括淀粉、脂肪、蛋白質、維生素及各種氨基酸和礦物質等。蒸煮品質主要是指稻米在蒸煮過程中表現出來的理化特征，主要由直鏈淀粉含量、糊化溫度和膠稠度3個指標來評價。食味品質主要是指人們在進食米飯過程中的視覺、嗅覺、味覺、觸覺等感受，如米飯的色澤、香味、黏性、硬度、彈性等，這些感受在不同地區和不同人群之間有一定的差異[6-7]。

根據稻米的物理或（和）化學特性，結合計算機科學、機械與材料科學等其他相關學科的知識，國內外專家學者研發的稻米品質檢測技術與儀器也日臻完善并逐漸應用于實際檢測中。

1 稻米品質檢測技術研究現狀

1.1 碾米品質檢測技術

稻米出糙率、精米率和整精米率等碾米品質的測定已有明確的國家或農業部標準，也是目前最權威且廣泛使用的方法。出糙率有常樣法與小樣法2種標準檢測方法[8-9]，常樣法參照農業標準NY147—88《稻米米質測定》，小樣法參照國標GB/T 5495—2008《糧油檢驗 稻谷出糙率檢驗》。精米率和整精米率的測定參照農業標準NY147—88《稻米米質測定》和國標GB/T 21719—2008《稻谷整精米率檢驗法》。這些標準方法都采用機器加工（脫殼、碾米）結合人工感官篩檢的方式，存在費時費力、一致性差等缺點。應用的儀器有：實驗室礱谷機、碾米機、整米分離機、不同孔徑的篩子等。

楊冬梅[10]以東北粳稻為研究對象，探討了篩孔大小和碾磨時間對稻谷出米率大小的影響，為統一稻谷出米率的檢驗方法、適應稻谷收購市場快速檢測的要求提供了試驗數據。王柯[11]探究了實驗室用碾米機的砂輪、磨倉、溫升、糠粉累積等因素對稻谷整精米率檢測的影響，為稻米整精米率檢測所用的碾米機的改良提供了參考。毛根武等[12]通過與秈稻、粳稻整精米率標準樣品結果的比對和長時間疲勞測試，研制了一種整精米率高、性能穩定、操作方便的JNM-Ⅲ 型檢驗用碾米機。

1.2 外觀品質檢測技術

稻米外觀品質的測定，農業標準NY147—88《稻米米質測定》亦作出了明確的規定[8]，包括長寬比、堊白度、堊白大小、透明度的檢測。其中，透明度依靠DWY-A型數字式稻米透明度測定儀檢測；長寬比依靠谷物輪廓儀和照相放大機輔助人工讀數檢測；堊白度、堊白大小則完全依靠人工感官檢測，費時費力、主觀性強。

隨著圖像處理技術、計算機軟硬件技術的迅速發展，計算機視覺技術在稻米品質尤其是外觀品質檢測中的應用也日益普及。計算機視覺系統能夠快速獲取大量信息，而且能夠自動化處理，便于統計分析和加工控制。計算機視覺技術可以對堊白、粒型、黃粒米率、整精米率、蛋白質含量、直鏈淀粉含量等品質指標進行測定[13]。侯彩云等[14]自行研制了三維圖像處理系統，用于稻米堊白度的定量化測定，為食品的定量形態學研究開辟了一條新的研究途徑。陳建華等[15]提出了以改進的最大類間方差法來自動確定圖像分割閾值，采用開運算去除圖像中的噪聲，使用最小外接矩形方法計算稻米粒型。較人工檢測大大提高了稻米粒型檢測的速度，而且還有很高的準確度。張巧杰等[16]研究了一套基于嵌入式計算機系統的稻谷品質快速裝置，初步實現了對直鏈淀粉、堊白度、堊白粒等參數的檢測。該裝置具有良好的擴展性，無需改動系統硬件，只要通過擴充系統軟件的方法，就可以增加大米其他品質參數的檢測功能，如異品種粒、色澤等。中日合作研制的JMWT 12型大米外觀品質檢測儀[17]，采用圖像掃描與計算機和專用軟件相結合的方式，能客觀、快速、準確地對稻米各項外觀品質指標進行判定，功能完善，使用便捷。

1.3 營養品質檢測技術

稻米的營養品質包含淀粉、蛋白質、脂肪、維生素以及各種礦物質含量等多項指標，其中脂肪、維生素及各種礦物質含量等指標所占成分比例小，檢測技術種類復雜且與其他谷物的檢測通用，筆者這里不進行詳細闡述。而稻米蛋白質因其合理的蛋白及氨基酸組成表現出優良的營養品質，稻米蛋白質的含量更成為優質稻米劃分的主要指標之一。

測定稻米蛋白質最常用的方法是凱氏定氮法，它是測定總氮最為準確的方法之一，也是國內外稻米蛋白質測定普遍應用的標準方法。基本原理是：在催化劑的作用下，硫酸分解氧化有機物，使含氮物轉化成硫酸銨；再加入強堿并蒸餾使氨逸出，用硼酸吸收后，用硫酸滴定測出氮含量，乘以氮與蛋白質的換算系數，得到粗蛋白質量[18]。

除了凱氏定氮法之外，稻米蛋白質的測定還有近紅外光譜法、福林-酚試劑反應法、雙縮脲分光光度比色法、染料結合分光光度比色法、水楊酸比色法等簡便快捷的測定法。無論是雙縮脲分光光度比色法、染料結合分光光度比色法，還是水楊酸比色法，均包括對所處理的樣品利用分光光度計測定吸光度的步驟，以采集液體的光學信息。利用這種方式進行蛋白質分析，具有靈敏度高、信息采集準確的優點，但檢測效率較低，且對被測液體的澄清度和透明度要求較高，很容易受到一些外界因素的干擾，影響所采集信息的準確性。孫建平等[19]基于樣液色度值與蛋白質含量在一定范圍內的高度相關性，提出通過采集樣液的數字圖像信息，進行稻米蛋白質測定的數字圖像檢測方法。該方法檢測結果準確，且檢測效率較傳統方法顯著提高。

1.4 蒸煮品質檢測技術

1.4.1 直鏈淀粉含量檢測技術。

稻米主要由直鏈淀粉和支鏈淀粉組成，兩者之和約占稻米成分的90%。稻米中直鏈淀粉和支鏈淀粉的比例以及支鏈淀粉的精細結構決定了水稻籽粒的理化性質和營養品質。直鏈淀粉含量（AC）值則直接影響了稻米在蒸煮過程中水分的吸收、體積的擴張及飯粒的散裂性等，是決定蒸煮品質最重要的性狀之一，也是評價稻米食用品質的重要指標。

目前已開發的直鏈淀粉含量檢測技術可以歸為四大類14種方法[20]。自1970年首次提出碘比色法測定稻米AC值以來，稻米AC值測定技術不斷豐富發展。從單波長比色法，經過改進提出了雙波長、多波長比色法，進一步發展出基于碘比色法的一系列新測定技術，如碘親和力測定法、伴刀豆球蛋白法、自動分析檢測儀等。一些學者利用稻米理化特性，引進新的檢測儀器，開發出近紅外光譜分析法、高光譜法、RVA快速勁度分析法等檢測手段；以及基于分子基團特性開發出的色譜分析法、差示掃描量熱法、非對稱流場流分離技術等檢測技術。

碘比色法是測定稻米AC值的最經典且最常用的方法。我國推薦試驗測定稻米AC值的標準方法有3種，即國際標準ISO 6647-1—2015《稻米直鏈淀粉含量測定》[21]、國家標準GB/T 15683—2008《大米直鏈淀粉含量的測定》[22]及農業標準NY/T 83—1988《米質測定方法》[23]。方法大致相似：先將大米粉碎至細粉，使其易于完全分散和糊化；試樣脫脂后分散在氫氧化鈉溶液中，加入適量碘試劑，于波長720 nm處用分光光度計測定顯色復合物的吸光度；并利用馬鈴薯直鏈淀粉與支鏈淀粉混合標樣制作的校正曲線，讀出樣品的直鏈淀粉含量[22]。標準方法的主要技術局限性在于前處理較麻煩、操作步驟較繁鎖、技術性要求較高。梅淑芳等[24]提出，可按比例相應減少樣品與試劑用量進行的簡易測定法，簡易法測定值與標準法測定值呈高度正相關（ r =0.999 6），絕對誤差小于1.2%。

1.4.2 糊化溫度檢測技術。

糊化溫度（GT）的檢測已有明確的國家標準，主要是將一定濃度的淀粉水懸浮液，按一定溫升速率加熱，使淀粉糊化，隨著溫度升高，淀粉充分糊化，產生最高的黏度峰值，此時對應的溫度即為糊化溫度，測量儀器為Brabender型黏度儀[25]。

除了國標法以外，還可采用快速黏度分析儀（RVA）、差示掃描量熱分析（DSC）、定量差示熱分析（DTA）、偏光下雙折射現象的馬耳他十字（Maltanese Cross）的顯微觀察、激光光散射法以及核磁共振分析等方法，通過對淀粉糊化過程中的特征黏度、溫度值、熱焓、微結晶結構等進行分析來檢測糊化溫度[26]。這些方法一般是基于熱傳導或對流的間接加熱方式，利用糊化過程中黏度、吸收熱量或淀粉顆粒吸水膨脹等相關特性進行分析。李里特等[27]提出了利用通電加熱測定淀粉懸浮液的電導率，進而確定淀粉糊化溫度的方法，并申請了發明專利。許永偉等[26]改進了通電加熱淀粉懸浮液過程中電導率的測定裝置，有效地防止了淀粉懸浮液的沉淀及水分散失，提高了裝置的測量精度。

1.4.3 膠稠度檢測技術。

膠稠度（GC）的檢測亦有明確的標準方法：稻米試樣經稀堿熱糊化后成膠狀物質，經冷水浴冷卻后，在水平放置的試樣管中做緩慢流動延伸，其延伸長度即為膠稠度，可測量求得[28]。這種方法所用儀器普通，使用藥品少，操作過程簡單，但檢測時要獲得理想的數據較難，常常會出現雙試驗數據超差、重復性不穩定的情況。影響膠稠度測定的因素較多，操作技術看似簡單，但實際操作每步都要求精準，對檢測人員的操作能力要求較高。

謝黎明[29]分析了大米膠稠度檢測的影響因素，對該標準方法提出了兩點改進建議：①樣品細度由原標準的“7.2”試樣的制備中米粉至少“95%以上通過100目篩”調整為“90%以上通過200目篩”。②由原標準的“7.6”測量米膠長度中測量米膠在“（25±2）℃條件下靜置1 h”調整為“（22±1）℃條件下靜置1 h”。

1.5 食味品質檢測技術

1.5.1 感官評價法。

感官評價法是以品嘗人員的感覺為計量器，一種以人主觀判斷為主的測定方法。國家標準GB/T 15682—2008《糧油檢驗 稻谷、大米蒸煮食用品質感官評價方法》測定過程如下：取一定量試樣，在規定條件下蒸煮成米飯，品評人員感官鑒定米飯的氣味、外觀結構、適口性、滋味和冷飯質地等，評價結果以參與品評人員的綜合評分的平均值表示[30]。此法以最直接、最主觀的方式評價了稻米的食味品質。但缺點也很明顯，感官評定的結果容易受到評價人員的年齡、性別、地區等影響，這就需要多次重復，耗時較長。

1.5.2 理化和儀器測定法。

理化和儀器測定法是借助儀器測定稻米的某些理化特性，用圖或數學方法來表示評定結果[6]。相較感官評價法，理化和儀器測定法在結果的客觀性和操作的簡便性、可重復性上具有明顯的優勢。下面是近些年用于評價稻米食味品質的常用檢測方法。

1.5.2.1 基于稻米的質構特性。稻米的質構特性是指其彈性、硬度、黏度、剪切性等理化指標。這些指標與適口性感官評價指標具有顯著的相關性[31]，因此與稻米食味品質密切相關。測定稻米質構特性的儀器有很多：包括質地譜儀、平板塑壓計、組織測定儀、改進型托盤天平等。如米飯質地測定儀是用馬達驅動上下顎運動，通過示波器測定咀嚼時飯粒受應力變化的儀器，用于測定米飯的質地；平板塑壓計是在兩板中間夾上樣品，上面加力，根據試樣壓碎變形的程度測定黏彈性率；組織測定儀用于測定硬度、黏度、彈性、咀嚼性[32]。

1.5.2.2 基于稻米的糊化特性。米飯的食味還可由淀粉的糊化特性表示，主要儀器有淀粉黏度譜儀、RAV快速黏度分析儀。兩種儀器的特征參數都包括：糊化溫度、最高黏度、淀粉崩解值、最低黏度、回冷值等[33]。上述糊化溫度檢測技術同樣適用于稻米糊化特性的測定。

1.5.3.3 基于稻米的氣味特性。米飯氣味特性是米飯食味品質檢測的重要指標，實際測定一般采用直接主觀的感官評價法檢測。張玉榮等[34]通過電子鼻測定15種秈型和15種粳型米飯樣品有關氣味的10個傳感器指標信息，利用主成分分析，分別構建了秈型和粳型米飯的氣味品質預測評價模型，建立了基于電子鼻技術的米飯氣味評價方法。構建了米飯氣味評價模型，分別為 Z=0.782Z1+0.126Z2（秈米）和Z=0.838Z1+0.159Z2（粳米），證明了使用電子鼻技術對米飯食味品質中氣味特性進行評價的可行性，為米飯氣味品質的客觀評價探索了一條新途徑。

1.5.2.4 其他測定方法。如味度計、Mixolab混合試驗儀、近紅外評價裝置、神經網絡法等檢測技術。

蘇澤勝[35]采用日本 57個水稻品種，較為系統地分析鑒定了味度計測定值與食味品質性狀間的相關性，證明了利用味度計是準確、快速、有效地鑒定稻米食味品質優劣的一項重要手段。

李俊輝[32]探索了Mixolab混合試驗儀在稻米食味品質檢測上的應用。以國稻1號、國稻8號、長粳稻和糯稻Y4為對象研究了該裝置檢測稻米食味品質的最適條件；探索Mixolab特征值與稻米食味品質理化指標和稻米食味的關系，證明了Mixolab應用于稻米食味品質檢測的可行性。通過選擇適宜的Mixolab參數，Mixolab圖譜不僅具有很好的穩定性，而且其特征值可很好地表征稻米理化品質和食味品質。

近紅外評價裝置基于近紅外光譜分析技術，通過測定稻米特定化學成分含量，運用計算機及相應軟件來計算食味值，從而對稻米食味品質作出評價。運用近紅外分析技術均能對影響稻米食味品質的蛋白質含量、直鏈淀粉含量、糊化溫度、膠稠度等作出檢測[36-41]。孫園園[42]利用近紅外谷物分析儀分析構建了預測性能較好的稻米品質特性定標模型，可用于稻米品質的快速檢測，并完成了多項品質特性與SSR標記之間的關聯分析，為育種材料品質特性的遺傳機理提供了參考。

神經網絡法基于人工神經網絡理論，模擬專家的定量、定性評價工作，進行數據聚類，從而滿足稻米品質科學評價的要求。黃麗蘇等[43]利用RBF神經網絡模型，對2004年國家南方稻區晚秈優質稻區試品種的品質進行了綜合評價。實際仿真結果表明，RBF神經網絡用于米質評價是科學有效的，而且方便、快捷，但由于技術難度高，推廣困難。

2 發展趨勢

近年來稻米品質檢測技術發展迅速，逐漸顯示出自動化、無損化和綜合化等特點。由傳統的人工、感官檢測，到借助各種儀器進行檢測，自動化程度極大提高，尤其在稻米碾米、外觀品質檢測方面，計算機視覺技術等快速儀器檢測法將逐漸取代費時費力、一致性差的人工檢測法，成為檢測技術的主流；而食味品質的感官檢測因其鮮明的主觀性，目前無法被儀器完全替代，且感官檢測食味品質分級標準逐年精細化，所以一直被采用。

無損檢測技術（近紅外光譜分析技術、電子鼻技術、計算機視覺技術等）在不破壞待測物原來的物理狀態、化學性質等前提下，運用各種物理學方法（光、電、聲、圖像視覺技術等）從外部給待測物能量，待測物受能量作用反饋信息，從輸入和輸出的關系可獲得待測物不易直接測定的物理化學特性[44]，進而研究稻米的品質。相較于傳統的破壞性的檢測技術，在可重復性、精確度和操作便捷等方面，都有著長足的進步，近些年被很多學者運用到稻米的品質檢測中。

此外，近年來被專家學者普遍研究、應用的檢測技術和儀器（如近紅外光譜分析技術），在技術儀器構成和應用上都展現出綜合化的特征：技術、儀器本身的構成包含了多學科、多領域的知識應用，如計算機科學、機械與材料科學、食品流變學等；在檢測稻米品質時，能夠綜合檢測多個稻米品質理化指標，從而對稻米品質作出多方面的綜合評價。并且隨著技術的不斷研究與發展，稻米品質檢測技術會更加簡便、精確和全面。

3 展望

隨著我國人民生活水平的日益提高，對稻米的品質及檢測需求也必將不斷提升，稻米品質檢測技術的研發與創新難題也不斷出現。對于未來稻米品質檢測技術的發展，從發展趨勢來看，在自動化、無損化、綜合化等方面，還需要大量的研究來不斷豐富發展當前無法充分滿足社會需求的稻米品質檢測技術。

自動化方面，更簡便、快速、精確的稻米碾米、外觀品質檢測技術與儀器亟需研發與完善，有望取代費時費力、一致性差的人工檢測方法，成為國家標準方法；稻米蒸煮、食味品質相關理化特性指標的自動化檢測更需要充分地研發，以期達到能夠完全取代人工感官檢測的水平。同時也期望能夠研發出更多更全面精確的無損化綜合檢測技術，降低檢測技術的專業知識技能要求，增強可操作性，滿足市場稻米品質檢測需求，造福平常百姓的生活，進而推動我國乃至世界稻米產業貿易的發展。

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