基于相關性分析和主成分分析的 米豆腐品質評價

蔡方圓,王 沛,王智婷,劉 婧,姜 梅

(南京農業大學食品科技學院,江蘇南京 210095)

米豆腐是我國湘鄂川黔等南方地區的一種傳統小吃,光滑細膩,米香濃郁,因其外形似豆腐,故名為米豆腐。米豆腐是由米漿糊化而成,長期以來都保持著家庭和作坊式的生產模式,在傳統工藝中,秈米經過除雜、清洗、浸泡、磨漿、糊化、冷卻成型的一系列工藝制成米豆腐[1]。目前,對于米豆腐的研究停留在以感官評分為指標,探索配方優化及工業化工藝層面[1-2],但由于沒有科學客觀的質量評價指標,在產品生產和評價過程中缺乏可控性。因此,建立米豆腐品質的科學客觀評價體系和產品評價標準,對米豆腐的標準化和工業化生產具有重要的推動作用。

相關性分析是用來衡量變量間相關性和密切程度的分析方法。主成分分析是一種有效的用于縮減變量的數據分析工具[3-4],通過數學程序實現這一過程,它能將原始變量轉換成新的變量或主成分[5],主成分分析能夠篩選品質指標[6]。聚類分析則可以根據相似度對研究對象或指標進行聚類[7]。已有研究者采用這些分析方法對大米食品的品質進行分析和評價[8-10]。

本文以10種市售米豆腐樣品為研究對象,從化學成分、質構和色值方面,對其進行客觀的品質分析,結合感官評價,用綜合統計分析方法建立感官與品質特性間的聯系,并對米豆腐樣品進行分類,旨在篩選米豆腐品質評價指標,建立米豆腐科學評價方法,為其標準化和工業化提供依據。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

米豆腐 市售,見圖1,樣品編號為1～10(來源地區分別為:四川閬中、湖北荊州、陜西漢中、四川廣元、貴州凱里、四川南充、重慶秀山、湖南長沙、湖南懷化、貴州銅仁),10種樣品中,只有1號和3號滿足預包裝食品的標準,便于轉運、貯存和銷售。除大米、水和堿性物質外,10種米豆腐樣品中均未添加任何其它物質,且通過4 ℃儲藏實驗,確定樣品儲藏期不超過48 h。

圖1 不同來源的10種米豆腐Fig.1 Ten kinds of rice tofu from different sources

Testo 205型便攜式pH計 深圳德圖儀表有限公司;Kjeltec 8400型全自動凱氏定氮儀 瑞典FOSS公司;SZF-06B型脂肪測定儀 上海新嘉電子有限公司;SX2-4-10型高溫箱形電爐 上海博迅實業有限公司醫療設備廠;TA-XT Plus型物性測試儀(配備P/50探頭) 英國Stable Micro Systems公司;CR-400型色差計 日本KONICA MINOLTA股份有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 感官評價 由10位感官評價員(男女比例1∶1,平均年齡24歲)對10種米豆腐樣品進行感官評價。所有參與者均熟悉米豆腐,并有感官評價經驗,同時在感官評價前,根據ISO標準[11]對感官評價人員進行訓練,使他們熟悉評價體系。將相同儲藏條件下的樣品切成1 cm×1 cm×1 cm的小方塊,并置于白瓷碗中。米豆腐的感官評價標準見表1,感官評價員從外觀、質地、風味、口感四個方面評價樣品并打分,同時對四個感官評價指標(外觀、質地、風味、口感)的重要程度進行權重打分。

表1 米豆腐的感官評價標準Table 1 Sensory evaluation standard of rice tofu

1.2.2 化學成分分析 采用AOAC方法對米豆腐樣品中水分[12]、淀粉[13]、蛋白質[14]、脂肪[15]和灰分[16]含量進行測定,測定前將米豆腐樣品凍干,并研磨成粉。結果表示為樣品濕基重。直鏈淀粉在總淀粉中所占的比例,通過Megazyme直鏈淀粉/支鏈淀粉試劑盒測定。

1.2.3 質構分析 將直徑2.5 cm、高2 cm的米豆腐樣品放置在質構儀的樣品臺上。實驗參數為:測試前速度 1.0 mm/s、測試速度 1.0 mm/s、測試后速度 1.0 mm/s、形變量 30%、觸發力 5 g。記錄TPA曲線,并用質構儀配套的軟件計算一系列參數。

1.2.4 色值分析 根據CIE(國際照明委員會)的方法,用色差儀測定米豆腐的顏色。在用標準白板校正后,對每個樣品取3個點進行測定,并將其表示為L*值、a*值和b*值。L*值表示明度,范圍為0到100,a*值代表綠(-128)到紅(+127)的等級,b*值表示藍(-128)到黃(+127)的程度。

1.3 數據分析

實驗重復3次,數據用IBM SPSS 20.0軟件進行單因素方差分析(ANOVA),結果表示為平均值±標準差。采用Duncan’s Multiple Range Test計算組均值之間的差異顯著性(p<0.05)。將10種米豆腐樣品作為評價單元,以感官評分、化學成分、質構和色值的16項評價指標作為變量進行相關性分析和主成分分析。在分析前,對原始數據進行極差標準化,得到范圍為0～1的標準化數據,基于累積方差貢獻率進行主成分分析。每個指標對數據集中的變量都有著相同的貢獻率,并且在主成分計算中比重相同。同時根據樣品的相似性和平方Euclidean距離,用聚類分析的差平方和方法(Ward法)對樣品進行系統(Q型)聚類分析[17-18]。

2 結果與分析

2.1 感官評價

感官品質是決定消費者喜好的關鍵因素,通過感官評價可分析食品的整體感官品質[19]。但由于感官評價在描述上具有模糊性,應用模糊數學的方法則能夠克服評分方法的主觀性和片面性,并使模糊的問題科學化。模糊數學的方法已成功用在各種產品[20-23]的綜合評價和準確分析中,本研究采用模糊數學的方法,根據感官評價指標的權重打分,計算得到權重集X=[0.292,0.240,0.260,0.207],計算每個指標的不同等級的得票率,得到10個樣品的模糊關系矩陣R,結合權重集X和模糊關系矩陣R,得到模糊關系集Y=X×R。最后,引入綜合得分矩陣W處理模糊關系集Y,根據感官評價的特殊性,設評價等級集Z=[87.5,62.5,37.5,12.5]T,米豆腐的感官評分W=Y×Z,計算得到10個樣品的感官評分:W1=45.49,W2=62.54,W3=45.46,W4=50.48,W5=63.20,W6=46.48,W7=76.10,W8=63.88,W9=62.63,W10=50.84。根據感官評分,米豆腐樣品感官評價分數不高(45.46～76.10),這主要是因為,米豆腐通常需要進一步烹飪加工和添加調味料食用,然而本文只對未加工和未添加調味料的原始狀態的米豆腐進行研究。

2.2 物化特性分析

物化特性是評價米豆腐品質優劣的重要依據,能夠直接反映米豆腐品質,并影響消費者的選擇。本研究10種米豆腐樣品的化學成分、質構和色值3方面的物化特性測定結果見表2。化學成分是判斷米豆腐食用品質的一個重要組成部分[24],化學分析結果顯示,10種米豆腐樣品的7項化學指標的含量有明顯差異。在這些化學指標中,樣品間的pH、水分、淀粉和淀粉中直鏈淀粉含量差異較大。pH與加工過程中堿性物質的添加量和水分含量有關;10種米豆腐樣品均呈堿性,pH最低為9.02,堿性最強的樣品pH可達12.14。水分含量主要由加工過程中水分的添加量以及加工方式決定,10種樣品水分含量相差較大,最低為57.25%,最高為87.61%。米豆腐樣品中淀粉含量變化范圍為10.50%～37.48%,這主要與加工工藝和大米種類有關。淀粉中直鏈淀粉含量在一定程度上,影響淀粉的凝膠強度和凝膠速度[25],進而影響大米的烹飪品質[26],其變化范圍為7.29%～13.69%,這個差異可能來自于大米種類以及加工條件的差異。蛋白質含量在5號與9號樣品間無顯著性差異(p>0.05),但與其余8種樣品間均有顯著性差異(p<0.05)。脂肪含量在1號、2號以及6號樣品間無顯著性差異(p>0.05),4號、8號及9號樣品間無顯著性差異(p>0.05),3號與10號樣品間無顯著性差異(p>0.05),5號和7號樣品與其余8種樣品間有顯著性差異(p<0.05)。灰分含量中,1號與2號樣品間,5號、7號及8號樣品間均無顯著性差異(p>0.05)。蛋白質含量、脂肪含量和灰分含量在部分樣品間雖有顯著性差異(p<0.05),但差值較小,這與三種成分在米豆腐中含量低有關。

咀嚼性是綜合了硬度、彈性、內聚性3項指標的綜合指標,反映了把固態食品咀嚼成能夠吞咽狀態所需要的能量。表2中咀嚼性的結果顯示,樣品間咀嚼性呈現一定差異,咀嚼性范圍為344.31～33227.13 g;除了7號和10號樣品彈性有顯著性差異(p<0.05),其余樣品的彈性和10種樣品的內聚性均無顯著性差異(p>0.05),因此,硬度在樣品的綜合咀嚼性中作用最大。粘附性是指食品表面與其他物體附著時,剝離它們所需要的力[27]。實驗結果中,6號樣品粘附性最小為0.27 g×sec,9號樣品粘附性最大為53.40 g×sec。與1、3、4、6、10號樣品相比,2、5、7、8、9號樣品咀嚼性較低且粘附性較大,同時其感官品質也較高,也就是說樣品的咀嚼性和粘附性能反映出其感官品質,咀嚼性小且粘附性大的米豆腐感官品質更優。

已有研究發現,在大米食用品質的分析中,a*值與感官品質之間存在線性相關關系[28],從表2色值的分析中得到L*值、b*值和a*值的絕對值較大的樣品,其對應的感官評分均較高,如2、5、7、8、9號樣品,L*值均大于60,a*值的絕對值均大于4,感官評分均在60分以上。同時結合圖1,明顯看出這5種樣品色澤明亮、淡黃色,消費者接受度更高。

表2 10種米豆腐物化特性Table 2 Physicochemical characterization of ten kind of rice tofu

結合感官評價結果,接受度較高的米豆腐樣品,如2、5、7、8、9號,pH、水分含量和淀粉中直鏈淀粉含量均較高,淀粉含量不高;咀嚼性小且粘附性大;在色值上,L*值、b*值和a*值的絕對值較大,具有明亮的淡黃色。

2.3 相關性分析

感官評價雖然是最直接的品質評價方式,但依靠感官評價品評米豆腐品質,大多基于描述性語言,且受到不可控主觀因素的影響,而物化特性的儀器量化測定,可彌補感官評價的不足,在一定程度上抵消主觀因素的影響,但在實際應用中仍需結合感官評價。因此,研究主觀感官與客觀品質指標間的關系對米豆腐品質的綜合評價有重要意義。10種米豆腐樣品的感官指標、化學成分、質構以及色值的16項指標間的相關性見表3。結果表明,感官評分與米豆腐樣品pH極顯著正相關(r=0.840,p<0.01)。米豆腐制作工藝中,堿性物質的添加賦予米豆腐特有的質構和風味,所以,用pH作為評價米豆腐品質的指標。感官評分與硬度顯著負相關(r=-0.710,p<0.05),與粘附性顯著正相關(r=0.684,p<0.05),與咀嚼性顯著負相關(r=-0.705,p<0.05),由于咀嚼性綜合了硬度指標,因此,質構儀測定的粘附性和咀嚼性共同表征米豆腐的質地和口感品質,粘附性大且咀嚼所需能量少的米豆腐樣品感官品質更優。此外,感官評分與L*值之間呈顯著的正相關關系(r=0.654,p<0.05),與a*值極顯著負相關(r=-0.780,p<0.01),L*值越大,a*值越小,對應的米豆腐呈現淺亮的黃色,感官評分更高,因此用色差儀測定的L*值和a*值表征感官中的外觀品質。

在米豆腐化學成分與質構的相關性分析中,咀嚼性與水分含量間呈極顯著的負相關關系(r=-0.877,p<0.01),同時咀嚼性與粘附性顯著負相關(r=-0.695,p<0.05)。米豆腐水分含量的增大,能夠增加米豆腐的粘附性,并降低咀嚼米豆腐至能夠吞咽狀態所需的能量。咀嚼性與淀粉含量和蛋白質含量間均呈極顯著的正相關關系(r=0.834和r=0.927,p<0.01),米豆腐中較多的淀粉含量造成產品的固形物含量增大,增加咀嚼的能耗,產生不適口感;故米豆腐中淀粉含量不宜過高,宜控制在15%以下。同時,大米蛋白在大米淀粉的結構特性、糊化特性和流變特性中扮演重要角色[29],會抑制淀粉顆粒的膨脹并增強網絡結構;因此,較多的大米蛋白和淀粉會造成咀嚼性增大和粘附性降低,不利于米豆腐感官品質。這與周曉晴[8]發現的大米蛋白含量與感官評定指標間負相關關系的結果相一致。表3中,咀嚼性與直鏈淀粉含量顯著負相關(r=-0.689,p<0.05)。高直鏈淀粉含量的秈米是米豆腐傳統工藝中的最佳原料[30],淀粉在水中加熱時,直鏈淀粉的無定型區優先被破壞,隨后支鏈淀粉的結晶區被擠壓,淀粉的雙螺旋結構破壞。最終,直鏈淀粉從淀粉顆粒中解析出來[31],包裹著膨脹淀粉顆粒的凝膠網絡結構形成。冷卻時,直鏈淀粉形成凝膠網絡結構,并部分有序化形成微晶體。已有研究發現,直鏈淀粉含量和凝膠強度、凝膠速度之間均有明顯的相關性[25]。因此,高直鏈淀粉含量的米豆腐粘附性更高,咀嚼性較低,感官品質更佳,這與王鈴釗[30]在碎米制作米豆腐中的研究結果一致,也與米豆腐長期以來的制作工藝中,選擇直鏈淀粉含量高的秈米的經驗相吻合。

在米豆腐的高溫加工過程中,秈米中的淀粉和蛋白質在堿性環境下,部分水解產生游離羰基和氨基,進而發生美拉德反應,影響產品的色值。表3中L*值與a*值顯著負相關(r=-0.732,p<0.05),同時與水分含量和灰分含量分別顯著正相關和負相關(r=0.678和r=-0.710,p<0.05),高的水分含量和低的灰分含量會使米豆腐呈現明亮的淡黃色。在米豆腐的制作工藝中,草木灰或石灰的加入,在提高pH的同時也會增加米豆腐中灰分物質的含量,同時使米豆腐的色澤變暗,明度值降低,結合感官評價,明度值低的米豆腐會降低感官接受度。

表3 參數間的相關性分析Table 3 Correlation analysis between parameters

但同時,pH與咀嚼性存在顯著負相關關系(r=-0.688,p<0.05),也就是說,堿性物質的添加所帶來的pH的增大,可以賦予米豆腐更好的感官品質。因此采用灰分含量較低的堿性物質替代草木灰或石灰,既能保證米豆腐具有良好的質地和口感品質,同時其外觀色澤更佳。

因此,高水分含量、高直鏈淀粉含量、適當淀粉含量、低蛋白質含量、低灰分含量和高pH的米豆腐,其咀嚼性低、粘附性高、色澤明亮,米豆腐的感官品質更佳。

2.4 主成分分析

根據米豆腐感官評價和物化特性的相關性分析,16項評價指標間存在不同程度的相關性和信息冗雜重疊,大量信息造成了分析障礙。因此,采用主成分分析的方法,對從化學成分、質構、色值以及感官評分中得到的評價指標進行篩選,剔除不重要的信息,消除指標間的重疊性,保留少數幾個綜合指標,從而簡化分析過程。根據表4中成分的特征根和累積方差貢獻率,本研究選擇特征根大于1的3個主成分[32],3個成分代表了總變量84.94%的信息。其中成分1代表數據集中所有變量的56.13%的信息,能夠最大限度地反映數據集中的信息;成分2代表18.93%,成分3代表9.88%。如果主成分的累積貢獻率大于70%,就能代表所有的變量[33],因此本實驗選擇的3個主成分能代表16個米豆腐品質綜合評價的變量。

表4 主成分的累積貢獻率Table 4 Total variance explained of PCA

主成分得分和載荷分布見圖2～圖3。載荷本質上描述的是由兩個主成分構成的線性方程的系數,載荷的絕對值越大,對主成分的影響就越大,這個影響能通過載荷代表的點到原點的距離,來衡量,如果這個點離原點較遠,表示這個特征屬性的波動對樣品間的差異貢獻顯著。由圖2～圖3可知,化學成分中,對成分1有顯著正向影響的指標為淀粉含量和蛋白質含量,載荷值分別為0.979和0.947;負向影響的指標為水分含量,載荷值為-0.969;質構指標中,粘附性和咀嚼性對成分1產生負向和正向影響的載荷值分別為-0.806和0.869;且若成分1小,感官評分和pH均較高(載荷值分別為-0.928和-0.855)。內聚性和脂肪含量分別在圖2中Y軸原點的正向和負向,且離原點較遠,載荷值分別為0.872和-0.853,表示他們的波動對成分2的貢獻最大。隨著成分2增大,內聚性增大,脂肪含量小。在圖3中,對成分3影響最大的正向和負向變量指標及載荷分別為b*值(0.559)、a*值(0.530)和彈性(-0.444),成分3中各指標的載荷值均較小,反映數據集中變量的能力有限。

基于主成分得分圖,可描述樣品和指標間的關系[7,34-36],在圖2～圖3中,2、5、7、8、9號樣品均在成分1原點的左側區域;結合載荷分布,這5種樣品具有較高的水分含量和堿性,且蛋白質含量較低,同時淀粉含量均低于15%。對應的米豆腐質構粘附性較大、咀嚼性較小,在直接食用的情況下,整體感官品質優于1、3、4、6、10號樣品。此結果與感官評分、物化特性以及相關性分析的結果一致,由此證明,主成分分析在米豆腐品質綜合評價中具有可行性。周曉晴等[9]采用主成分分析的方法,對與米飯品質相關的指標進行分析,構建了品質評價模型。圖2中3、5、8、9、10號樣品相較于1、2、4、6、7號具有更高的內聚性和較低的脂肪含量,由于成分2在數據集中貢獻率僅為18.93%,且根據內聚性和脂肪含量的測定結果,樣品間差異不明顯,故而不將其作為評價指標。圖3中3、7、8、9號樣品在Y軸的正向區間,但表2中4種樣品對應的a*值、b*值和彈性結果與此并不一致,原因可能是,本研究中成分3篩選出的變量表征能力有限。因此,僅將水分含量、淀粉含量、蛋白質含量和pH作為米豆腐品質評價的化學衡量指標,用客觀儀器測定的咀嚼性和粘附性反映樣品的質地和口感。另外根據物化測定以及相關性分析的結果,L*值作為重要的品質指標,在樣品間有顯著性差異,因此將其列入客觀品質評價指標中。

圖2 成分1、成分2的得分和載荷雙坐標圖Fig.2 Biplots on PC1-PC2 plane overlapping scores and loadings注:底部的X軸和左側的Y軸是主成分得分的 橫坐標和縱坐標;頂部的X軸和右側的 Y軸是載荷的橫坐標和縱坐標；圖3同。

圖3 成分1、成分3的得分和載荷雙坐標圖Fig.3 Biplots on PC1-PC3 plane overlapping scores and loadings

2.5 聚類分析

對多重樣本對象進行分類時,需要考慮眾多因素,聚類分析就是一種多元分析工具,根據相似度對研究對象或者指標的特性進行分類[37],具有最大相似度的樣品優先聚類[38]。根據緊密度和相似度將米豆腐樣品分組,聚類結果見圖4,當組間距為10時,聚類分析將樣品分為2組。第一類包括2、5、7、8、9號,第二類為1、3、4、6、10號,此結果與主成分分析的結果一致。Lee等[39]根據淀粉水化和糊化特性指標的緊密度和相似度,對大米進行聚類分析,提供了根據大米實際加工性能分類的方法;孫婷琳等[10]也采用聚類分析的方法對鮮濕米粉進行分類,并驗證了主成分分析模型的可行性。基于相關性分析和主成分分析的結果,第一類米豆腐粘附性較大且咀嚼性較小,此類米豆腐由米漿經過熬煮加工后冷卻成型制成,適合鮮食。第二類米豆腐是烹飪型米豆腐,其加工工藝不同于鮮食米豆腐,米漿在熬煮加工并成型后,還需進一步蒸制,由于水分含量低咀嚼性大,不適宜鮮食,較為適宜進一步烹煮加工食用。

3 結論

科學客觀評價方法的建立是實現標準化的前提,也是建立評價體系的基礎。相關性分析得到,米豆腐樣品的L*值與水分和灰分之間分別呈顯著的正相關和負相關關系(r=0.678和r=-0.710,p<0.05);水分高、淀粉含量適當、蛋白質含量低和直鏈淀粉含量高的米豆腐,粘附性大且易咀嚼。結合物化特性指標與感官評價的相關性分析,易咀嚼、粘附性大且色澤淺亮的米豆腐感官接受度更高。因此,對米豆腐而言,水分、淀粉、蛋白質、直鏈淀粉和灰分含量,能夠通過影響其粘附性和咀嚼性,使米豆腐呈現明暗不同的色澤,進而決定米豆腐的質地、口感以及外觀品質。采用主成分分析的方法,從7個化學指標中篩選出水分含量、淀粉含量、蛋白質含量和 pH 4個指標,從5個質構指標中篩選出粘附性和咀嚼性2個指標,從色值指標中篩選出L*值作為評價因子。確定的7個指標分別從化學成分、質構和色值3方面全面評價米豆腐的品質。運用聚類分析的方法,驗證相關性分析、主成分分析在米豆腐中應用的可行性,并根據10種米豆腐樣品的相似度和緊密度將其聚為兩大類,即鮮食型(水分含量均高于80%、咀嚼性均低于1000)和烹飪型(需進一步加工食用),加工工藝的差別造成其整體特性及食用方式存在明顯差別。本研究的方法在米豆腐品質綜合評價的應用上是可行的,為米豆腐的研究和工業化生產提供技術支持,并為建立統一的評價體系提供理論基礎。