基于主成分分析和模糊數學構建親水膠體影響湯圓品質的綜合評價模型

王 艷，王 睿，張艷艷,3，劉興麗,3，張 華,3，王宏偉,3,*

（1.鄭州輕工業大學食品與生物工程學院，河南 鄭州 450002；2.鄭州輕工業大學國際教育學院，河南 鄭州 450002；3.鄭州輕工業大學 食品生產與安全河南省協同創新中心，河南省冷鏈食品質量安全控制重點實驗室，河南 鄭州 450002）

湯圓作為我國的一種傳統糯米食品，因其外觀圓潤光滑，口感香甜軟糯，深受人們的喜愛。然而，糯米粉制得的湯圓存在黏附性大，吞咽困難，不利于老人與兒童食用，且復煮后口感較差等不足。此外，湯圓還存在延展性差、組織松散、不易成型、持水能力弱且水分容易遷移、凍裂率高、凝膠結構弱、易塌陷、渾湯、露餡等品質問題，從而嚴重影響湯圓的貯藏和蒸煮品質。為解決上述問題，生產企業及相關學者主要通過調控糯米粉來源、改善加工工藝和添加改良劑等方法改善湯圓的品質。

親水膠體作為天然植物多糖或其衍生物，含有大量親水基團，常作為增稠劑應用于乳制品、肉制品和面制品中。親水膠體具有良好的吸水和持水能力，能夠促進水分子的遷移和分布，從而形成穩定的凝膠結構。此外，親水膠體還可有效調節體系的黏度，改善產品的感官和品質特性。Ai等發現海藻酸鈉的加入能有效降低米糕的硬度，抑制年糕的回生；黃原膠和瓜爾膠與糯米粉的協同作用可降低年糕的塌陷率，并使得年糕口感軟糯。亞麻籽膠（flaxseed gum，FG）和沙蒿膠（Krasch. gum，ASKG）作為亞麻和沙蒿的提取物，是一種新型陰離子雜多糖天然植物膠，具有較強的吸水和保水能力。此外，二者還具有預防和治療心血管疾病和糖尿病的潛力。目前有關FG和ASKG的研究主要集中在肉制品和面制品中，如張帥將ASKG添加到面團中，發現ASKG能夠通過增強面團網絡結構的延展性和穩定性進而提高面團的加工特性，最終改善饅頭的比容、柔軟度等品質特性。目前，有關FG和ASKG添加到糯米粉中進而調控湯圓品質的研究較少。開展此方面的研究可能會改善湯圓目前存在的品質問題，對于提升湯圓品質具有重要意義。

本研究通過將FG和ASKG與糯米粉進行復配，探討不同添加量（0%、0.1%、0.3%、0.5%、0.7%、0.9%，/）的親水膠體對糯米粉糊化和流變特性的影響規律；同時研究所制備湯圓水分損失率、凍裂率、湯汁透光率及質構特性的變化規律；將感官評價與模糊數學相結合，采用主成分分析構建湯圓品質的綜合評價模型；以期為湯圓的實際生產和改良提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

糯米粉（水分質量分數12.18%） 鄭州三全食品股份有限公司；FG（水分質量分數6.72%，1%黏度326 mPags） 新疆利世得生物科技有限公司；ASKG（水分質量分數12.93%，1%黏度9 200 mPags） 河南樂泰食品有限公司。

1.2 儀器與設備

RVA4500快速黏度測定儀 澳大利亞波通儀器有限公司；Discovery流變儀 美國TA儀器公司；UV-1100紫外分光光度儀 上海美普達儀器有限公司；IXXT.plus物性測定儀 英國Stable Micro Systems公司。

1.3 方法

1.3.1 混合糯米粉的制備

將FG和ASKG分別按照0%、0.1%、0.3%、0.5%、0.7%和0.9%（/）等比例替代糯米粉，混合攪拌均勻，即得混合糯米粉樣品。

1.3.2 混合糯米粉的糊化特性測定

按照GB/T 24852ü2010《快速粘度儀法》測定混合糯米粉的糊化特性。稱取1.5 g（干基）的混合糯米粉樣品于測試鋁罐中，加適量蒸餾水配制成6%（/）的混合糯米粉懸浮液。將攪拌漿置于鋁罐上，測試前上下攪拌10 次，使樣品分散均勻。采用RVA4500快速黏度測定儀進行分析測試，設置程序如下：以960 r/min在35 ℃保持1 min；降速到160 r/min并保持恒定，以5 ℃/min的速率升溫至95 ℃并保持10 min；隨后5 ℃/min降溫至50 ℃并保溫10 min。

1.3.3 混合糯米粉的流變特性測定

將1.3.2節獲得的糊化樣品放置于流變儀上，采用直徑40 mm的平板探頭，設置測量間隙為1.0 mm。測試前，刮去平板外側多余樣品，并將硅油均勻的覆蓋在樣品邊緣，防止測試過程中水分的蒸發。首先在動態測量模式下進行振幅掃描測定線性黏彈區，最終確定應變為1%。最后，采用振蕩頻率模式，在25 ℃進行頻率掃描（0.1～10 Hz），測定樣品的彈性模量（’）、黏性模量（”）和損耗角正切值（tan）。

1.3.4 湯圓的制備

參照肖乃勇的方法制備湯圓。將混合糯米粉與蒸餾水按照5∶4（/）的比例混合，揉搓均勻，用保鮮膜包裹靜置20 min。準確稱取10 g粉團，手工搓圓后裝盤、密封。將湯圓放置于超低溫冰箱使其中心溫度迅速降至－18 ℃（30 min以內），并在－18 ℃冰箱中貯藏7 d后取出，用于湯圓品質的測定。

1.3.5 湯圓水分損失率的測定

準確稱量凍藏前后湯圓的質量，并按下式計算水分損失率：

式（1）中：為凍藏前湯圓的質量/g；為凍藏后湯圓的質量/g。

1.3.6 湯圓凍裂率的測定

根據速凍湯圓凍藏后表面有無裂口，將其分為3 個等級：表面無裂口，沒有明顯的褶皺，記為凍裂0 個；無明顯裂口，表面有一半以上的褶皺，記為凍裂0.5 個；表明有裂口，收縮褶皺明顯，記為凍裂1 個。凍裂率公式如下：

式（2）中：為凍裂湯圓個數；為湯圓總個數。

1.3.7 湯圓湯汁透光率的測定

取5 個湯圓作為一個實驗組，放入500 mL沸水中，煮制5 min后，開蓋繼續煮制3 min。撈出湯圓，將煮制后的湯圓湯汁冷卻至室溫，加入適量的蒸餾水，將湯圓湯汁定容到500 mL。以蒸餾水為空白對照，在620 nm波長處測定樣品的透光率。

1.3.8 湯圓質構特性的測定

采用IXXT.plus物性測定儀測定湯圓的硬度、黏附性、凝聚性、咀嚼性和回復性。將煮制過后的湯圓，瀝干表面水分放置于載物臺上，設定儀器參數：TPA模式；探頭型號為P/36R；測前速率為2 mm/s；測中速率為1 mm/s；測后速率為1 mm/s；壓縮比為50%；兩次壓縮停留時間為5 s。

1.3.9 湯圓感官評價

參考黃忠民和雷萌萌等的感官評價標準，制訂煮制后湯圓感官評價標準。其中各項占比為色澤5%、完整性26%、黏性21%、彈性21%、軟硬度21%、滋味6%，具體評價細則見表1。

表1 煮制后的湯圓感官評價標準Table 1 Criteria for sensory evaluation of cooked sweet dumplings

續表1

1.3.10 湯圓模糊數學評價

根據感官評價結果建立11 個單因素評價矩陣。評價對象為不添加親水膠體、添加FG、添加ASKG的11 種湯圓；感官評分包括1.3.9節的6 個因素，分別用1～5 分表示差、較差、一般、較好、好；權重集＝｛,,,,,｝，～分別代表色澤、完整性、黏性、彈性、軟硬度和滋味在感官評價中的占比。根據得分結果，得到模糊矩陣，根據模糊變化原理：＝h，對樣品進行綜合評價。其中，為綜合評分結果，為權重集。

1.4 數據處理

2 結果與分析

2.1 親水膠體對糯米粉糊化特性的影響

糯米粉的糊化特性對其最終產品的質量屬性（如蒸煮品質和口感）至關重要。由表2可知，與空白相比，FG和ASKG的添加使得混合糯米粉的糊化黏度（峰值黏度、終值黏度和谷值黏度）增加（除添加0.1% FG的混合糯米粉終值黏度），且隨著添加量的增加而不斷增加。混合糯米粉糊化黏度的增加可能是因為親水膠體具有強吸水能力，能夠與淀粉顆粒形成競爭性吸水并抑制連續相中水分子的擴散移動，限制了淀粉顆粒的膨脹，從而有利于體系黏度的提高；另一方面，糯米粉顆粒膨脹時，親水膠體可以與其內部的聚合物分子（如淀粉和蛋白質）形成氫鍵或交聯，穩定體系結構，從而抑制顆粒的膨脹，提升體系黏度。此外，親水膠體自身能夠形成均勻的溶膠體系，覆蓋在淀粉顆粒表面，抑制了淀粉顆粒的膨脹，從而導致體系黏度升高。由表2可知，在同等添加量下，ASKG的添加對其糊化黏度的影響明顯高于FG，這可能與兩種膠體自身的糖鏈組成有關。此外，崩解值可反映糯米粉在加熱過程中的穩定性，崩解值越小說明體系具有更好的熱穩定性和抗剪切變稀性。由表2可知，親水膠體的加入會提高樣品的崩解值，這可能是因為混合體系黏度的提高致使剪切過程中有更大的剪切力作用于膨脹顆粒，顆粒更易產生變形及破壞，與此同時，淀粉顆粒的破壞減弱了二者因相分離作用而產生的黏度增加效應，致使崩解值提高。

表2 添加FG和ASKG的混合糯米粉的糊化特性Table 2 Pasting properties of glutinous rice flour with added FG or ASKG mPags

2.2 親水膠體對糯米粉流變特性的影響

由圖1可知，混合糯米粉凝膠的’均大于’’，表現出典型的弱凝膠行為。在測試范圍內，’隨著頻率的增加而增加，且隨添加膠體比例的增大而逐漸升高，其中FG的添加對體系’的影響較大?！脑黾颖砻饔H水膠體與糯米粉分子鏈間更容易發生相互作用，使其體系內分子鏈段間形成較多的纏結點，三維網絡結構更強。此外，一些親水膠體既能與淀粉鏈發生相互作用，也會與蛋白質分子之間競爭性地結合水，弱化蛋白網絡結構，導致tan發生變化。由圖1可知，與空白相比，在同一頻率下，當FG添加量為0.1%時，tan增加，這可能因為低添加量的FG對蛋白網絡結構的弱化作用強于其對淀粉鏈的增強作用，進而導致凝膠結構減弱；而FG添加量大于0.1%時tan降低（圖1），這可能因為隨著FG添加量的增加，FG對淀粉鏈的增強作用占主導地位，使得凝膠向固體形態發展，從而增加凝膠的網絡結構。Zheng Mingjing等發現殼聚糖可以鑲嵌于蓮子淀粉三維網絡中，形成較為穩定的剛性結構。如圖1所示，ASKG的加入，在低頻率范圍內增加了tan，說明凝膠向流體形態發展，增加了體系的流動性，這可能是由于ASKG在糊化過程中形成連續相，包裹在糯米粉分子表面，抑制糯米粉分子鏈間的相互作用，阻礙了其凝膠網絡結構的形成。Qiu Shuang等指出，由于膠體與淀粉組分的熱力學不相容性，致使兩者之間發生相分離，導致淀粉和膠體在各自兩相中的有效濃度增加，進而導致′增強，流動性增強。

圖1 添加FG和ASKG的混合糯米粉的流變特性Fig.1 Dynamic rheological properties of glutinous rice flour with added FG or ASKG

2.3 親水膠體對湯圓水分損失率的影響

在冷凍過程中，湯圓的中心溫度低于表面溫度，存在一定的氣壓差導致湯圓表面冰晶的升華，從而造成水分的流失并出現干耗現象。因此，水分損失率是反映速凍湯圓產品貯藏穩定性的重要指標。由圖2可知，親水膠體的加入明顯降低了湯圓的水分損失率（＜0.05），且隨著添加量的增加而降低。這可能是因為在凍藏過程中，親水膠體為連續相，分布于糯米粉顆粒的周圍，并與糯米粉分子產生一定相互作用，增強了其與水分子的結合能力，進而阻止了水分的析出。此外，親水膠體上大量的羥基與水分子結合形成氫鍵，也可減少水分的損失。

圖2 添加FG和ASKG湯圓的水分損失率Fig.2 Water loss rates of sweet dumplings with added FG or ASKG

2.4 親水膠體對湯圓凍裂率的影響

在冷凍過程中，由于水分分布不均，易形成不均一、體積較大的冰晶，導致湯圓表面出現開裂和褶皺等現象。因此，通過衡量湯圓的凍裂率可以直觀反映速凍湯圓品質。如圖3所示，親水膠體的添加顯著降低了湯圓的凍裂率，且隨著添加比例的增加，凍裂率進一步降低。其中，ASKG對其凍裂率的影響更為顯著。這是由于親水膠體具有較好的保水能力，能夠促進湯圓中水分的均勻分布，使得速凍過程中形成體積較小的冰晶，進而降低了湯圓的凍裂率。

圖3 添加FG和ASKG湯圓的凍裂率Fig.3 Cracking rates of sweet dumplings with added FG or ASKG

2.5 親水膠體對湯圓湯汁透光率的影響

湯圓的湯汁透光率可反映湯圓的蒸煮品質，這與湯圓冷凍過程中的脫粉、塌陷等品質劣變密切相關，主要與湯圓在形成凝膠過程中結構的強度和穩定性相關。由圖4可知，親水膠體的添加能提高湯圓的湯汁透光率（除添加0.1% FG），且透光率隨著膠體添加量的增加而增加。其中，FG添加量高于0.3%方可表現出明顯的效果，而ASKG的少量加入就能夠顯著增加其湯汁透光率，但對膠體添加量的依賴性不強。湯汁透光率的增加可能是由于親水膠體與淀粉分子形成三維網絡結構，增強體系網絡結構的強度和穩定性，減少了可溶性組分的溶出，進而保持了湯圓的完整性。而當FG添加量為0.1%時湯汁透光率變化不明顯，主要是由于FG在淀粉鏈發生相互作用的同時會弱化蛋白結構，導致其凝膠穩定性變化不顯著，透光率與空白相比變化較小。

圖4 添加FG和ASKG湯圓湯汁的透光率Fig.4 Transmittance of the soup of sweet dumplings with added FG or ASKG

2.6 親水膠體對湯圓質構特性的影響

食品的質構特性是通過模擬人體口腔咀嚼運動評價食品加工和品質的重要指標。其中硬度通常作為總質構屬性的指標，可以較為有效地衡量湯圓綜合品質。由表3可知，FG和ASKG的加入對湯圓的硬度、黏附性、凝聚性和咀嚼性均有一定程度的影響。除添加0.1% ASKG外，親水膠體會增加湯圓的硬度，且隨著添加量的增加而增加。硬度的增加可能是由于親水膠體與糯米淀粉發生相互作用，增強了凝膠強度進而提高湯圓的硬度。與空白相比，添加低濃度膠體對湯圓黏附性和凝聚性無顯著影響，而添加高濃度膠體會降低湯圓的黏附性和凝聚性。這可能是由于親水膠體具有較好的持水性，當其與糯米粉復配制備湯圓時，由于膠體與水的相互作用，使得糯米粉與水的結合能力減弱，導致湯圓黏附性降低，口感良好。

表3 添加FG和ASKG的湯圓質構特性Table 3 Texture properties of sweet dumplings with added FG or ASKG

2.7 湯圓品質指標數據化主成分分析結果

如表4所示，根據主成分的特征值（特征值大于1）可從品質指標中提取3 個主成分。這3 個主成分的累計貢獻率為96.934%，能夠反映湯圓品質的絕大部分信息。在提取的3 個主成分中，第1主成分的方差貢獻率為68.273%，主要反映湯圓粉的糊化特性和湯圓的蒸煮特性；第2主成分的方差貢獻率為19.561%，主要反映湯圓質構指標中的黏附性、硬度和凝聚性；第3主成分的方差貢獻率為9.100%，主要反映咀嚼性。根據因子得分系數矩陣可得各主成分的函數表達式：

表4 添加親水膠體的湯圓指標因子載荷矩陣Table 4 PCA loading matrix

式（3）～（5）中：～分別為峰值黏度、谷值黏度、終值黏度、崩解值、水分損失率、凍裂率、透光率、硬度、黏附性、凝聚性、咀嚼性和回復性的標準化數值。

根據3 個主成分的特征值建立湯圓品質綜合評價模型：

根據上述評價模型計算湯圓綜合評價得分并進行排名。由表5可知，在實驗范圍內，當ASKG添加量為0.9%時，湯圓綜合得分最高。對于已知的品質指標可以采用該模型對湯圓的品質進行評價，進而對親水膠體的添加量進行調控。

表5 添加親水膠體的湯圓各主成分得分Table 5 Principal component scores for sweet dumplings with added hydrocolloids

2.8 感官評分驗證主成分分析結果

為了減小感官評價中主觀評價帶來的誤差，采用模糊數學感官評分法測定樣品的感官特性。根據權重比得到權重集：

＝｛0.05，0.26，0.21，0.21，0.21，0.06｝

親水膠體添加量的湯圓評分結果見表6。

表6 11 種湯圓的模糊數學感官評分Table 6 Fuzzy mathematics sensory evaluation scores of 11 sweet dumpling samples

所得分數以不添加親水膠體的空白湯圓為例：

根據所得的感官評價得分，可得矩陣：

將矩陣進行歸一化處理的’：

根據模糊變化原理，對空白樣品的綜合評價結果為：

對其進行賦值：＝0h100＋0.351h90＋0.303h80＋0.204h70＋0.122h60＝77.43。同理可得：＝78.98，＝81.63，＝82.14，＝82.17，＝82.19，＝79.58，＝82.26，＝83.67，＝84.12，＝84.56。為不添加親水膠體的湯圓感官評分；～分別為添加0.1%、0.3%、0.5%、0.7%和0.9% FG的湯圓感官評分；～分別為添加0.1%、0.3%、0.5%、0.7%和0.9% ASKG的湯圓感官評分。

感官評價結果表明，添加0.9% ASKG，湯圓的品質最優，而不添加親水膠體時口感最差。這與主成分分析的綜合評分基本一致，表明可以利用主成分綜合評價模型對湯圓品質進行評價。

3 結 論

除0.1% FG，其余親水膠體的加入提高了糯米粉的糊化黏度，增加了糯米粉凝膠的彈性模量，增強了其結構的穩定性；親水膠體的添加不僅可降低湯圓在貯藏過程中的水分損失率和凍裂率，增加湯圓蒸煮過程中的湯汁透光率（除添加0.1% FG），還可增加湯圓的硬度和咀嚼性，降低湯圓的黏附性，有效改善湯圓的品質特性。此外，對混合糯米粉糊化特性和湯圓品質相關指標進行主成分分析，并通過模糊數學構建湯圓品質的綜合評價模型，其中，ASKG的添加量為0.9%時，感官評分最高。該模型可為親水膠體在湯圓中的應用提供參考。