基于主成分分析和模糊数学构建亲水胶体影响汤圆品质的综合评价模型

王 艳，王 睿，张艳艳,3，刘兴丽,3，张 华,3，王宏伟,3,*

（1.郑州轻工业大学食品与生物工程学院，河南 郑州 450002；2.郑州轻工业大学国际教育学院，河南 郑州 450002；3.郑州轻工业大学 食品生产与安全河南省协同创新中心，河南省冷链食品质量安全控制重点实验室，河南 郑州 450002）

汤圆作为我国的一种传统糯米食品，因其外观圆润光滑，口感香甜软糯，深受人们的喜爱。然而，糯米粉制得的汤圆存在黏附性大，吞咽困难，不利于老人与儿童食用，且复煮后口感较差等不足。此外，汤圆还存在延展性差、组织松散、不易成型、持水能力弱且水分容易迁移、冻裂率高、凝胶结构弱、易塌陷、浑汤、露馅等品质问题，从而严重影响汤圆的贮藏和蒸煮品质。为解决上述问题，生产企业及相关学者主要通过调控糯米粉来源、改善加工工艺和添加改良剂等方法改善汤圆的品质。

亲水胶体作为天然植物多糖或其衍生物，含有大量亲水基团，常作为增稠剂应用于乳制品、肉制品和面制品中。亲水胶体具有良好的吸水和持水能力，能够促进水分子的迁移和分布，从而形成稳定的凝胶结构。此外，亲水胶体还可有效调节体系的黏度，改善产品的感官和品质特性。Ai等发现海藻酸钠的加入能有效降低米糕的硬度，抑制年糕的回生；黄原胶和瓜尔胶与糯米粉的协同作用可降低年糕的塌陷率，并使得年糕口感软糯。亚麻籽胶（flaxseed gum，FG）和沙蒿胶（Krasch. gum，ASKG）作为亚麻和沙蒿的提取物，是一种新型阴离子杂多糖天然植物胶，具有较强的吸水和保水能力。此外，二者还具有预防和治疗心血管疾病和糖尿病的潜力。目前有关FG和ASKG的研究主要集中在肉制品和面制品中，如张帅将ASKG添加到面团中，发现ASKG能够通过增强面团网络结构的延展性和稳定性进而提高面团的加工特性，最终改善馒头的比容、柔软度等品质特性。目前，有关FG和ASKG添加到糯米粉中进而调控汤圆品质的研究较少。开展此方面的研究可能会改善汤圆目前存在的品质问题，对于提升汤圆品质具有重要意义。

本研究通过将FG和ASKG与糯米粉进行复配，探讨不同添加量（0%、0.1%、0.3%、0.5%、0.7%、0.9%，/）的亲水胶体对糯米粉糊化和流变特性的影响规律；同时研究所制备汤圆水分损失率、冻裂率、汤汁透光率及质构特性的变化规律；将感官评价与模糊数学相结合，采用主成分分析构建汤圆品质的综合评价模型；以期为汤圆的实际生产和改良提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

糯米粉（水分质量分数12.18%） 郑州三全食品股份有限公司；FG（水分质量分数6.72%，1%黏度326 mPags） 新疆利世得生物科技有限公司；ASKG（水分质量分数12.93%，1%黏度9 200 mPags） 河南乐泰食品有限公司。

1.2 仪器与设备

RVA4500快速黏度测定仪 澳大利亚波通仪器有限公司；Discovery流变仪 美国TA仪器公司；UV-1100紫外分光光度仪 上海美普达仪器有限公司；IXXT.plus物性测定仪 英国Stable Micro Systems公司。

1.3 方法

1.3.1 混合糯米粉的制备

将FG和ASKG分别按照0%、0.1%、0.3%、0.5%、0.7%和0.9%（/）等比例替代糯米粉，混合搅拌均匀，即得混合糯米粉样品。

1.3.2 混合糯米粉的糊化特性测定

按照GB/T 24852ü2010《快速粘度仪法》测定混合糯米粉的糊化特性。称取1.5 g（干基）的混合糯米粉样品于测试铝罐中，加适量蒸馏水配制成6%（/）的混合糯米粉悬浮液。将搅拌浆置于铝罐上，测试前上下搅拌10 次，使样品分散均匀。采用RVA4500快速黏度测定仪进行分析测试，设置程序如下：以960 r/min在35 ℃保持1 min；降速到160 r/min并保持恒定，以5 ℃/min的速率升温至95 ℃并保持10 min；随后5 ℃/min降温至50 ℃并保温10 min。

1.3.3 混合糯米粉的流变特性测定

将1.3.2节获得的糊化样品放置于流变仪上，采用直径40 mm的平板探头，设置测量间隙为1.0 mm。测试前，刮去平板外侧多余样品，并将硅油均匀的覆盖在样品边缘，防止测试过程中水分的蒸发。首先在动态测量模式下进行振幅扫描测定线性黏弹区，最终确定应变为1%。最后，采用振荡频率模式，在25 ℃进行频率扫描（0.1～10 Hz），测定样品的弹性模量（’）、黏性模量（”）和损耗角正切值（tan）。

1.3.4 汤圆的制备

参照肖乃勇的方法制备汤圆。将混合糯米粉与蒸馏水按照5∶4（/）的比例混合，揉搓均匀，用保鲜膜包裹静置20 min。准确称取10 g粉团，手工搓圆后装盘、密封。将汤圆放置于超低温冰箱使其中心温度迅速降至－18 ℃（30 min以内），并在－18 ℃冰箱中贮藏7 d后取出，用于汤圆品质的测定。

1.3.5 汤圆水分损失率的测定

准确称量冻藏前后汤圆的质量，并按下式计算水分损失率：

式（1）中：为冻藏前汤圆的质量/g；为冻藏后汤圆的质量/g。

1.3.6 汤圆冻裂率的测定

根据速冻汤圆冻藏后表面有无裂口，将其分为3 个等级：表面无裂口，没有明显的褶皱，记为冻裂0 个；无明显裂口，表面有一半以上的褶皱，记为冻裂0.5 个；表明有裂口，收缩褶皱明显，记为冻裂1 个。冻裂率公式如下：

式（2）中：为冻裂汤圆个数；为汤圆总个数。

1.3.7 汤圆汤汁透光率的测定

取5 个汤圆作为一个实验组，放入500 mL沸水中，煮制5 min后，开盖继续煮制3 min。捞出汤圆，将煮制后的汤圆汤汁冷却至室温，加入适量的蒸馏水，将汤圆汤汁定容到500 mL。以蒸馏水为空白对照，在620 nm波长处测定样品的透光率。

1.3.8 汤圆质构特性的测定

采用IXXT.plus物性测定仪测定汤圆的硬度、黏附性、凝聚性、咀嚼性和回复性。将煮制过后的汤圆，沥干表面水分放置于载物台上，设定仪器参数：TPA模式；探头型号为P/36R；测前速率为2 mm/s；测中速率为1 mm/s；测后速率为1 mm/s；压缩比为50%；两次压缩停留时间为5 s。

1.3.9 汤圆感官评价

参考黄忠民和雷萌萌等的感官评价标准，制订煮制后汤圆感官评价标准。其中各项占比为色泽5%、完整性26%、黏性21%、弹性21%、软硬度21%、滋味6%，具体评价细则见表1。

表1 煮制后的汤圆感官评价标准Table 1 Criteria for sensory evaluation of cooked sweet dumplings

续表1

1.3.10 汤圆模糊数学评价

根据感官评价结果建立11 个单因素评价矩阵。评价对象为不添加亲水胶体、添加FG、添加ASKG的11 种汤圆；感官评分包括1.3.9节的6 个因素，分别用1～5 分表示差、较差、一般、较好、好；权重集＝｛,,,,,｝，～分别代表色泽、完整性、黏性、弹性、软硬度和滋味在感官评价中的占比。根据得分结果，得到模糊矩阵，根据模糊变化原理：＝h，对样品进行综合评价。其中，为综合评分结果，为权重集。

1.4 数据处理

2 结果与分析

2.1 亲水胶体对糯米粉糊化特性的影响

糯米粉的糊化特性对其最终产品的质量属性（如蒸煮品质和口感）至关重要。由表2可知，与空白相比，FG和ASKG的添加使得混合糯米粉的糊化黏度（峰值黏度、终值黏度和谷值黏度）增加（除添加0.1% FG的混合糯米粉终值黏度），且随着添加量的增加而不断增加。混合糯米粉糊化黏度的增加可能是因为亲水胶体具有强吸水能力，能够与淀粉颗粒形成竞争性吸水并抑制连续相中水分子的扩散移动，限制了淀粉颗粒的膨胀，从而有利于体系黏度的提高；另一方面，糯米粉颗粒膨胀时，亲水胶体可以与其内部的聚合物分子（如淀粉和蛋白质）形成氢键或交联，稳定体系结构，从而抑制颗粒的膨胀，提升体系黏度。此外，亲水胶体自身能够形成均匀的溶胶体系，覆盖在淀粉颗粒表面，抑制了淀粉颗粒的膨胀，从而导致体系黏度升高。由表2可知，在同等添加量下，ASKG的添加对其糊化黏度的影响明显高于FG，这可能与两种胶体自身的糖链组成有关。此外，崩解值可反映糯米粉在加热过程中的稳定性，崩解值越小说明体系具有更好的热稳定性和抗剪切变稀性。由表2可知，亲水胶体的加入会提高样品的崩解值，这可能是因为混合体系黏度的提高致使剪切过程中有更大的剪切力作用于膨胀颗粒，颗粒更易产生变形及破坏，与此同时，淀粉颗粒的破坏减弱了二者因相分离作用而产生的黏度增加效应，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 亲水胶体对糯米粉流变特性的影响

由图1可知，混合糯米粉凝胶的’均大于’’，表现出典型的弱凝胶行为。在测试范围内，’随着频率的增加而增加，且随添加胶体比例的增大而逐渐升高，其中FG的添加对体系’的影响较大。’的增加表明亲水胶体与糯米粉分子链间更容易发生相互作用，使其体系内分子链段间形成较多的缠结点，三维网络结构更强。此外，一些亲水胶体既能与淀粉链发生相互作用，也会与蛋白质分子之间竞争性地结合水，弱化蛋白网络结构，导致tan发生变化。由图1可知，与空白相比，在同一频率下，当FG添加量为0.1%时，tan增加，这可能因为低添加量的FG对蛋白网络结构的弱化作用强于其对淀粉链的增强作用，进而导致凝胶结构减弱；而FG添加量大于0.1%时tan降低（图1），这可能因为随着FG添加量的增加，FG对淀粉链的增强作用占主导地位，使得凝胶向固体形态发展，从而增加凝胶的网络结构。Zheng Mingjing等发现壳聚糖可以镶嵌于莲子淀粉三维网络中，形成较为稳定的刚性结构。如图1所示，ASKG的加入，在低频率范围内增加了tan，说明凝胶向流体形态发展，增加了体系的流动性，这可能是由于ASKG在糊化过程中形成连续相，包裹在糯米粉分子表面，抑制糯米粉分子链间的相互作用，阻碍了其凝胶网络结构的形成。Qiu Shuang等指出，由于胶体与淀粉组分的热力学不相容性，致使两者之间发生相分离，导致淀粉和胶体在各自两相中的有效浓度增加，进而导致′增强，流动性增强。

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

2.3 亲水胶体对汤圆水分损失率的影响

在冷冻过程中，汤圆的中心温度低于表面温度，存在一定的气压差导致汤圆表面冰晶的升华，从而造成水分的流失并出现干耗现象。因此，水分损失率是反映速冻汤圆产品贮藏稳定性的重要指标。由图2可知，亲水胶体的加入明显降低了汤圆的水分损失率（＜0.05），且随着添加量的增加而降低。这可能是因为在冻藏过程中，亲水胶体为连续相，分布于糯米粉颗粒的周围，并与糯米粉分子产生一定相互作用，增强了其与水分子的结合能力，进而阻止了水分的析出。此外，亲水胶体上大量的羟基与水分子结合形成氢键，也可减少水分的损失。

图2 添加FG和ASKG汤圆的水分损失率Fig.2 Water loss rates of sweet dumplings with added FG or ASKG

2.4 亲水胶体对汤圆冻裂率的影响

在冷冻过程中，由于水分分布不均，易形成不均一、体积较大的冰晶，导致汤圆表面出现开裂和褶皱等现象。因此，通过衡量汤圆的冻裂率可以直观反映速冻汤圆品质。如图3所示，亲水胶体的添加显著降低了汤圆的冻裂率，且随着添加比例的增加，冻裂率进一步降低。其中，ASKG对其冻裂率的影响更为显著。这是由于亲水胶体具有较好的保水能力，能够促进汤圆中水分的均匀分布，使得速冻过程中形成体积较小的冰晶，进而降低了汤圆的冻裂率。

图3 添加FG和ASKG汤圆的冻裂率Fig.3 Cracking rates of sweet dumplings with added FG or ASKG

2.5 亲水胶体对汤圆汤汁透光率的影响

汤圆的汤汁透光率可反映汤圆的蒸煮品质，这与汤圆冷冻过程中的脱粉、塌陷等品质劣变密切相关，主要与汤圆在形成凝胶过程中结构的强度和稳定性相关。由图4可知，亲水胶体的添加能提高汤圆的汤汁透光率（除添加0.1% FG），且透光率随着胶体添加量的增加而增加。其中，FG添加量高于0.3%方可表现出明显的效果，而ASKG的少量加入就能够显著增加其汤汁透光率，但对胶体添加量的依赖性不强。汤汁透光率的增加可能是由于亲水胶体与淀粉分子形成三维网络结构，增强体系网络结构的强度和稳定性，减少了可溶性组分的溶出，进而保持了汤圆的完整性。而当FG添加量为0.1%时汤汁透光率变化不明显，主要是由于FG在淀粉链发生相互作用的同时会弱化蛋白结构，导致其凝胶稳定性变化不显著，透光率与空白相比变化较小。

图4 添加FG和ASKG汤圆汤汁的透光率Fig.4 Transmittance of the soup of sweet dumplings with added FG or ASKG

2.6 亲水胶体对汤圆质构特性的影响

食品的质构特性是通过模拟人体口腔咀嚼运动评价食品加工和品质的重要指标。其中硬度通常作为总质构属性的指标，可以较为有效地衡量汤圆综合品质。由表3可知，FG和ASKG的加入对汤圆的硬度、黏附性、凝聚性和咀嚼性均有一定程度的影响。除添加0.1% ASKG外，亲水胶体会增加汤圆的硬度，且随着添加量的增加而增加。硬度的增加可能是由于亲水胶体与糯米淀粉发生相互作用，增强了凝胶强度进而提高汤圆的硬度。与空白相比，添加低浓度胶体对汤圆黏附性和凝聚性无显著影响，而添加高浓度胶体会降低汤圆的黏附性和凝聚性。这可能是由于亲水胶体具有较好的持水性，当其与糯米粉复配制备汤圆时，由于胶体与水的相互作用，使得糯米粉与水的结合能力减弱，导致汤圆黏附性降低，口感良好。

表3 添加FG和ASKG的汤圆质构特性Table 3 Texture properties of sweet dumplings with added FG or ASKG

2.7 汤圆品质指标数据化主成分分析结果

如表4所示，根据主成分的特征值（特征值大于1）可从品质指标中提取3 个主成分。这3 个主成分的累计贡献率为96.934%，能够反映汤圆品质的绝大部分信息。在提取的3 个主成分中，第1主成分的方差贡献率为68.273%，主要反映汤圆粉的糊化特性和汤圆的蒸煮特性；第2主成分的方差贡献率为19.561%，主要反映汤圆质构指标中的黏附性、硬度和凝聚性；第3主成分的方差贡献率为9.100%，主要反映咀嚼性。根据因子得分系数矩阵可得各主成分的函数表达式：

表4 添加亲水胶体的汤圆指标因子载荷矩阵Table 4 PCA loading matrix

式（3）～（5）中：～分别为峰值黏度、谷值黏度、终值黏度、崩解值、水分损失率、冻裂率、透光率、硬度、黏附性、凝聚性、咀嚼性和回复性的标准化数值。

根据3 个主成分的特征值建立汤圆品质综合评价模型：

根据上述评价模型计算汤圆综合评价得分并进行排名。由表5可知，在实验范围内，当ASKG添加量为0.9%时，汤圆综合得分最高。对于已知的品质指标可以采用该模型对汤圆的品质进行评价，进而对亲水胶体的添加量进行调控。

表5 添加亲水胶体的汤圆各主成分得分Table 5 Principal component scores for sweet dumplings with added hydrocolloids

2.8 感官评分验证主成分分析结果

为了减小感官评价中主观评价带来的误差，采用模糊数学感官评分法测定样品的感官特性。根据权重比得到权重集：

＝｛0.05，0.26，0.21，0.21，0.21，0.06｝

亲水胶体添加量的汤圆评分结果见表6。

表6 11 种汤圆的模糊数学感官评分Table 6 Fuzzy mathematics sensory evaluation scores of 11 sweet dumpling samples

所得分数以不添加亲水胶体的空白汤圆为例：

根据所得的感官评价得分，可得矩阵：

将矩阵进行归一化处理的’：

根据模糊变化原理，对空白样品的综合评价结果为：

对其进行赋值：＝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。为不添加亲水胶体的汤圆感官评分；～分别为添加0.1%、0.3%、0.5%、0.7%和0.9% FG的汤圆感官评分；～分别为添加0.1%、0.3%、0.5%、0.7%和0.9% ASKG的汤圆感官评分。

感官评价结果表明，添加0.9% ASKG，汤圆的品质最优，而不添加亲水胶体时口感最差。这与主成分分析的综合评分基本一致，表明可以利用主成分综合评价模型对汤圆品质进行评价。

3 结 论

除0.1% FG，其余亲水胶体的加入提高了糯米粉的糊化黏度，增加了糯米粉凝胶的弹性模量，增强了其结构的稳定性；亲水胶体的添加不仅可降低汤圆在贮藏过程中的水分损失率和冻裂率，增加汤圆蒸煮过程中的汤汁透光率（除添加0.1% FG），还可增加汤圆的硬度和咀嚼性，降低汤圆的黏附性，有效改善汤圆的品质特性。此外，对混合糯米粉糊化特性和汤圆品质相关指标进行主成分分析，并通过模糊数学构建汤圆品质的综合评价模型，其中，ASKG的添加量为0.9%时，感官评分最高。该模型可为亲水胶体在汤圆中的应用提供参考。