基于多元統計分析方法建立北方饅頭品質評價體系

閆博文，管璐靜，趙建新，* ，范大明，楊化宇，蔡一芥，馬申嫣，連惠章，張 灝

(1.江南大學食品學院，江蘇無錫214122;2.無錫華順民生食品有限公司，江蘇無錫214218;3.蘇州旅游與財經高等職業技術學校，江蘇蘇州215104)

饅頭作為一種中國傳統主食，深受我國老百姓的喜愛。然而，由于不同地域對饅頭品質要求的差異，通?？蓪z頭分為北方饅頭、南方饅頭和廣式饅頭，三者的質地、配方及加工方法等均存在著一定的差異［1］。在質地方面，北方饅頭主要表現為質地均勻、咬勁強且爽口不粘牙;而南方饅頭傾向于結構松軟、咬勁一般，且富有彈性［2］;廣式饅頭則與南方饅頭較為相似，產品結構松軟，口感細膩，并通常伴有一定的甜味［3］。在配方上，北方饅頭主要以面粉、水以及酵母為主，而南方饅頭與廣式饅頭則在其基礎上，加有糖、起酥油以及泡打粉等輔料，用于改善其質構特征。而針對加工方法，北方饅頭多采用間接面團法加工制作產品，其主要特點在于加工方式包含兩個醒發過程，面團需二次醒發前再次加入生粉，揉制成型。而這種方法不適用于南方饅頭和廣式饅頭的加工，其主要原因在于采用間接面團法制得產品質構較硬，與南方饅頭和廣式饅頭的松軟結構相悖，因此多采用直接面團法加工制作［4］。據統計，市售約40%的小麥被用于制作饅頭，尤其是北方饅頭［5］，此外，調查還發現饅頭在我國北方百姓膳食結構組成中約占到三分之二［6］。因此，上述事實反映出北方饅頭在我國占據著重要的主導地位。

關于饅頭品質評價體系構建方面的研究，早在20 世紀 90 年代便有學者進行了相關的研究［7－8］。Huang等［9］基于相關性分析研究發現色度儀參數可較好地反映饅頭的色澤屬性。何勝美等［10］利用計算機數字圖像分析提取饅頭結構的氣孔特征，以評價計算機視覺分析在饅頭品質評價中的作用。結果表明饅頭氣孔圖像特征的評價與感官評價具有較高的一致性，因此計算機圖像分析能夠較好地反映饅頭內部結構優劣。孫輝等［11］研究小麥粉饅頭品嘗評分與物性測試儀質構指標之間的關系，探討質構測試在評價小麥粉饅頭加工品質中的應用。結果表明，質構測試能夠使品嘗指標量化，便于數據處理和分析。然而，基于北方饅頭客觀物性量化指標而建立的綜合性品質評價體系的相關報道較少。目前，中國常用饅頭品質評價通常由3～5人組成的專家小組對饅頭品質進行感官評定［12－13］。感官評定前期，專家小組需通過專門的感官培訓，耗時長，成本投入較大。因此，探索一種簡單易行、標準化程度高、且重復性好的品質評價方法，已成為我國北方饅頭研究領域中亟待解決的問題之一。

為此，本文以17種市售北方饅頭為研究對象，基于多元統計分析方法研究其物性指標和感官評價指標間的相互關系，篩選出客觀評價北方饅頭品質的關鍵指標，進而基于主成分分析建立了北方饅頭的品質評價體系。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

供試饅頭樣品 山東省濟南市購買饅頭樣品6種，河南省鄭州市購買饅頭樣品6種，河南省濮陽市購買饅頭樣品5種。供試樣品均來自于當地具有良好消費客戶群體的商家，具備北方饅頭的基本特征，共計17種，編號為1～17。驗證饅頭樣品:在山東省青島市購買饅頭樣品5種;在河南省洛陽市購買饅頭樣品5種。驗證樣品均來自于當地具有良好消費客戶群體的商家，均具備北方饅頭的基本特征，共計10 種，編號為 A～J。

SM－302N型切片機 無錫新麥機械有限公司;TA－XTPlus物性分析儀 英國Stable Micro System公司;高精度分光測色儀 美國Hunterlab公司;蒸箱博西家用電器(中國)有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 北方饅頭的復熱處理 為了保證饅頭物性品質的一致性，對市售采購得到的饅頭進行復熱處理，即汽蒸復熱15 min，室溫冷卻30 min，待其冷卻自然后進行理化性質檢測和感官評價分析。

1.2.2 北方饅頭感官評價 由于加工方法與配方的不同而導致北方饅頭與南方饅頭在質地和風味均存在著顯著的差異，而風味因其成分復雜，且不同物質之間存在著協同效應，定性較為困難［9］。因此本文在制定北方饅頭的感官評價方法中忽略了其風味屬性的構成，主要針對北方饅頭質地特性進行比較分析。本文所采用的饅頭感官評價方法參照GB/T 17320－2013［13］和澳大利亞面包研究所(BRI)中國北方饅頭評價方法［14］，并做適當修改，具體評價指標見表1。

表1 北方饅頭感官品質指標評分表Table 1 Scoring system of sensory quality items of Chinese northern steamed bread

感官評價小組由10名以前從事過饅頭感官評定的專業食品感官人員組成(其中男性5名、女性5名)，感官評定前期，所有成員需接受為期3 d的關于饅頭的感官術語的培訓，以便了解并接觸饅頭評價指標和具體評價流程［15］。

1.2.3 北方饅頭比容的測定 北方饅頭比容的測定采用菜籽置換法［16］。

1.2.4 北方饅頭徑高比的測定 用游標卡尺測量饅頭的高度和饅頭底部的直徑，徑高比=饅頭直徑/饅頭高度，每批次樣品重復三次取平均值［17］。

1.2.5 色度測定 饅頭色度測定使用高精度分光測色儀。L值表示黑－白(亮)度，值越大則越白(亮)［18］。饅頭色澤:取蒸制好冷卻1 h后的饅頭，取饅頭皮，直接放置在高精度分光測色儀上進行測量，每批樣品測量3次求其平均值。

1.2.6 TPA測試 取同批的三個饅頭，切成長、寬均為35 mm、厚度為25 mm的均勻長方體。采用TAXT2i型物性分析儀，P/35壓盤式探頭。測試參數設定為:壓縮率為40%，測前速度1 mm/s，測試速度1.7 mm/s，測后速度10 mm/s，測應量:strain。每個樣品重復三次取平均值［19］。

1.3 數據處理

利用SPSS Statistics 17.0軟件對實驗數據進行單因素 ANOVA分析、相關性分析及主成分分析(Principle Component Analysis，PCA);利用 Xlstat軟件對實驗數據進行聚類分析及偏最小二乘法分析;所有數據結果均來自于三次獨立試驗測定結果的平均值。

2 結果與分析

2.1 北方饅頭基礎物性指標的確立

為了確定北方饅頭物性指標間的關系以便縮減物性指標的數量，本文對北方饅頭包括硬度、咀嚼度、膠著性、彈性、黏聚性、回復性、比容、徑高比和色差L值在內的9個物性指標進行了系統聚類分析，結果如圖1所示。其中同聚為一類的物性指標之間具有密切的相關性，可選用1個因素代表同一類中的其余因素;單為一類的品質因素則具有相對獨立性［20］。

圖1 北方饅頭物性指標的聚類分析譜系圖Fig.1 Cluster dendrogram of physical items of Chinese northern steamed bread

如圖1所示，在相似系數為0.40時，比容、徑高比與彈性歸為一類，硬度、咀嚼度、膠著性與L歸為一類，其它屬性各為一類;而在相似系數為0.90時，硬度、咀嚼度與膠著性可歸為一類，其它屬性則各為一類。為使同類物性指標間具有更好的可替代性，故本文選擇高相似系數0.90，即將硬度、咀嚼度與膠著性歸為一類，屬性間可相互替代，而其他屬性則各成一類。上述結論與部分研究報道具有相似的結論，崔麗琴等［21］研究發現隨著豆渣粉添加量的增加，饅頭的硬度、咀嚼性及膠著性呈顯著增加趨勢;馮世德等［22］研究發現隨著玉米粉的添加，饅頭的硬度、膠著性及咀嚼性均增加。何承云等［23］研究發現添加一定量的黃原膠，饅頭的硬度、膠著性和咀嚼性均減小。為了進一步驗證試驗結果的準確性，本文對北方饅頭物性指標進行了相關性分析，結果如圖2所示(不相關及相關不顯著的特征未列出)。由圖2可知，北方饅頭硬度、咀嚼性與膠著性三者之間呈極顯著正相關(p＜0.01)，即硬度、咀嚼度與膠著性間可相互替代。此外，研究報道表明，硬度是發酵面食品品質評價的重要的指標之一［14，16，19，24］，因此，本文選用硬度代替咀嚼度與膠著性屬性開展后續的研究工作。

圖2 北方饅頭物性指標的相關性分析Fig.2 Correlation analysis of physical items of Chinese northern steamed bread

2.2 北方饅頭基礎物性指標與感官品質評價關系的建立

為了進一步研究物性指標與感官品質評價間的相互關系，本文將篩選得到的北方饅頭基礎物性指標與感官品質數據進行了偏最小二乘法的(Partial Least Squares Regression，PLS)分析，結果如圖 3所示。在PLS分析中，兩個變量之間的距離說明兩者之間的相關性:距離越接近，正相關性越強;相反，兩者在距離圓心相反的位置，則負相關性越強［25］。由圖3所示，指標主要分為三類，第一類為物性指標硬度、L值與感官指標外觀形狀、凝聚性、表面結構、內部結構、表面色澤;第二類為物性指標比容、徑高比、彈性與感官指標比容得分、彈性得分、粘性、總分;由于物性徑高比測定指標與饅頭感官品質呈反比，即物性測定徑高比值越大，則感官指標徑高比分值越低。通過圖3可以得出，物性指標徑高比與感官指標徑高比得分在距離圓心相反的位置，兩指標呈顯著的負相關性。其中在物性指標徑高比的測定中，故可將徑高比與徑高比得分歸為第三類。

圖3 北方饅頭物性指標與感官品質的PLS圖Fig.3 PLScorrelation plot of注:X:感官品質，Y:物性指標。

為了更直觀的表示實驗結果，對北方饅頭物性指標與感官品質評價數據進行了相關性分析，結果如表2所示，L值與表面色澤、表面結構呈極顯著正相關，硬度、L值與外觀形狀、內部結構、凝聚性呈極顯著正相關。因此，物性指標硬度、L值與感官指標外觀形狀、凝聚性、表面結構、內部結構、表面色澤可歸為一類，可以選用硬度、L值代替外觀形狀、凝聚性、表面結構、內部結構、表面色澤。此外，比容和比容得分、粘性呈極顯著正相關性(p＜0.01)，彈性、比容與比容得分呈極顯著正相關(p＜0.01)，彈性與彈性得分呈極顯著正相關(p＜0.01)，故物性指標比容、彈性與感官指標比容得分、彈性得分、粘性、總分可歸為一類，可選用比容、彈性代替比容得分、彈性得分、粘性和總分。由于徑高比與徑高比得分呈極顯著負相關性(p＜0.01)，因此，本文將兩者作為第三類指標，并選用徑高比代替徑高比得分。

表2 北方饅頭物性指標與感官品質間的相關關系Table 2 Correlation analysis of Chinese northern steamed bread sensory quality and physical items

綜上所述，物性指標和感官品質評價間存在一定的相關性，故可選用物性指標硬度、彈性、比容、徑高比和L值作為饅頭品質評價中的關鍵性物性指標。此外，基于樣品的屬性特征，此品質評價體系中關鍵性物性指標應具有適當范圍加以限定，即硬度在684.5～2307.2 g，彈性在 0.90～0.97，比容在 2.24～2.62 mL/g，徑高比在1.32～1.63，L 值在73.5～90.1。

2.3 基于主成分分析的北方饅頭品質評價體系的建立

主成分分析法是將原來的指標壓縮，重新組成一組新的互相無關的幾個綜合指標來代替原來指標，利用幾個較少的綜合指標反映原來指標的一種統計方法［26］。為了建立北方饅頭品質評價體系，本實驗對北方饅頭的硬度、彈性、比容、徑高比、L值5個關鍵性物性指標結果進行了主成分分析，以特征值大于1為標準，選擇前兩個分量，其主成分特征值及累計百分比見表3，結果可知，第1主成分的貢獻率為43.014%，第2主成分的方差貢獻率為31.047%，二者累計方差貢獻率為74.061%，包含了絕大多數信息，能反映北方饅頭的整體信息，因而可以選前兩個主成分進行分析。

表3 北方饅頭評價指標前2個主成分的特征值與累計百分比Table 3 Eigenvalues and cumulative percentage of first three principal components

各評價指標在主成分上的分布如表4所示。根據表4中北方饅頭評價指標主成分特征向量表的數據，計算每個主成分的表達式，結果如公式(1)、式(2)所示。

表4 北方饅頭評價指標主成分特征向量表Table 4 Eigenvalues for principal components for all the parameters of Chinese northern steamed bread

以表3初始結果方差百分比，即每個主成分所對應的特征值占所提取的主成分特征值之和的比例為權重，得主成分綜合得分公式Z=0.43014Z1+0.31047Z2=0.115X1+0.452X2+0.391X3+0.421X4+0.017X5，此公式顯示在合適的范圍內，硬度、彈性、比容、徑高比和L值越高越好。

為使主成分綜合得分在一百以內，令主成分綜合得分Y=(Z－Zmin) ×100/(Zmax－Zmin)，計算各樣品的主成分綜合得分。

為了檢驗基于主成分分析評價北方饅頭品質的可行性，本文對比了各樣品的感官評分、主成分綜合得分及排名，結果如表5所示。表5結果顯示除了11號、13號、16號有較大的浮動，其它樣品的主成分綜合得分排名與感官評分排名基本一致，這顯示基于主成分分析物性指標評價北方饅頭具有一定的可行性。

表5 北方饅頭感官評分與主成分綜合得分及排名Table 5 Ranking of Northern steamed bread sensory score and principal component comprehensive score

2.4 北方饅頭品質評價體系的驗證

為了進一步驗證基于主成分分析評價北方饅頭品質的可行性，本文選擇了10種北方饅頭樣品，標記為A至J對比了其主成分綜合得分排名與感官評分排名，驗證結果如表6北方饅頭主成分綜合得分與感官評分及排名所示。表6結果顯示除了C、G、J有略微的浮動外，其它樣品的主成分綜合得分排名與感官評分排名基本一致，因此基于主成分分析物性指標評價北方饅頭具有可行性。

表6 北方饅頭主成分綜合得分與感官評分及排名Table 6 Ranking of Northern steamed bread sensory score and principal component comprehensive score

因此本文利用主成分分析法，將復雜的信息簡單化，提供了一種儀器化評價北方饅頭品質的方法。該方法可操作性強，重復性好，便于客觀評價北方饅頭品質。

3 結論

以17種市售北方饅頭為材料，采用系統聚類分析北方饅頭包括硬度、咀嚼度、膠著性、彈性、黏聚性、回復性、比容、徑高比和色差L值在內的9個物性指標，結果顯示在相似系數為0.90時，硬度、咀嚼度與膠著性歸為一類，屬性間可相互替代，其它屬性則各為一類。并且，本文對北方饅頭物性指標的相關性分析證明北方饅頭硬度、咀嚼性與膠著性三者之間呈極顯著正相關。因此，本文選用硬度代替咀嚼度與膠著性屬性開展后續的研究工作。

基于北方饅頭感官品質數據與北方饅頭基礎物性指標的PLS分析與相關性分析，北方饅頭物性指標和感官品質評價間存在一定的相關性，故可選用物性指標硬度、彈性、比容、徑高比和L值作為饅頭品質評價中的關鍵性物性指標。此外，基于樣品的屬性特征，此品質評價體系中關鍵性物性指標應具有一定范圍，即硬度在684.5～2307.2 g，彈性在0.90～0.97，比容在 2.24～2.62 mL/g，徑高比在 1.32～1.63，L 值在73.5～90.1。

基于主成分分析北方饅頭的關鍵性物性指標，得到主成分綜合得分公式Z=0.115X1+0.452X2+0.391X3+0.421X4+0.017X5(X1:硬度;X2:彈性;X3:比容;X4:徑高比;X5:L)，顯示在合適的范圍內，硬度、彈性、比容、徑高比和L值越高越好。同時為使主成分綜合得分在一百以內，令主成分綜合得分Y=(Z－Zmin)×100/(Zmax－Zmin)。并且，本文對比了10種北方饅頭主成分綜合得分排名與感官評分排名進行驗證，結果顯示主成分綜合得分排名與感官評分排名基本一致，證明了基于主成分分析物性指標評價北方饅頭具有良好的可行性。