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        儲(chǔ)藏粳稻揮發(fā)物質(zhì)與質(zhì)量指標(biāo)關(guān)系的回歸分析

        2014-03-13 08:54:44甘小玉
        中國(guó)糧油學(xué)報(bào) 2014年11期
        關(guān)鍵詞:模型

        宋 偉 張 明 甘小玉 陸 蕊

        (糧食儲(chǔ)運(yùn)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室南京財(cái)經(jīng)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院,南京 210046)

        稻谷質(zhì)量和氣味(揮發(fā)物質(zhì))會(huì)隨儲(chǔ)藏時(shí)間的延長(zhǎng)而不斷發(fā)生變化。目前能夠反映稻谷儲(chǔ)藏質(zhì)量變化的指標(biāo)有很多,如:脂肪酸值、酶活性、色澤氣味、糊化特性等[1-2],可從多方面反映稻谷質(zhì)量的變化情況,很多學(xué)者對(duì)其做了深入研究。近年來(lái),隨著高新儀器的發(fā)展,國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)稻谷的揮發(fā)性物質(zhì)也做了一定的研究,Bryant等[3]用頂空固相微萃取-氣質(zhì)聯(lián)用法分析了芳香和非芳香稻谷品種之間揮發(fā)性物質(zhì)的差異;林家永等[4]用頂空固相微萃取-氣質(zhì)聯(lián)用法分析了稻谷揮發(fā)性成分。但是對(duì)儲(chǔ)藏期間稻谷質(zhì)量指標(biāo)與揮發(fā)物質(zhì)的變化關(guān)系研究卻鮮有報(bào)道。

        偏最小二乘法(PLS)是一種集主成分分析、相關(guān)性分析、最小二乘分析法為一體的多元回歸分析技術(shù),能克服各變量之間的多重相關(guān)性,提高回歸模型的精度。PLS建模在各行各業(yè)應(yīng)用都較廣泛,王韜等[5]用此法建立了大豆質(zhì)量的近紅外光譜定量分析模型;徐靜文等[6]利用此法擬合了耐藥性結(jié)核病的耐藥率;李洪軍等[7]基于PLS法對(duì)冷藏豬肉的感官特性與揮發(fā)物質(zhì)變化進(jìn)行了回歸分析。本文研究?jī)?chǔ)藏條件對(duì)粳稻谷質(zhì)量指標(biāo)、揮發(fā)物質(zhì)的影響,結(jié)合偏最小二乘分析法,探討兩者之間的變化關(guān)系,初步建立特征性揮發(fā)物質(zhì)對(duì)質(zhì)量指標(biāo)變化的預(yù)測(cè)模型。

        1 材料與方法

        1.1 材料與設(shè)備

        1.1.1 2011 年產(chǎn)晚粳稻谷:南京遠(yuǎn)望富硒農(nóng)產(chǎn)品有限責(zé)任公司。

        1.1.2 GC(7890A)-MS(5975C)氣質(zhì)聯(lián)用分析儀:美國(guó)安捷倫公司;50μm-PDMS/DVB/CAR固相微萃取頭:美國(guó)supelco公司;722N型分光光度計(jì):上海精科公司;快速黏度分析儀Super 3:澳大利亞Newport Scientific儀器公司;PQX型分段可編程人工氣候箱:寧波東南儀器有限公司。

        1.2 模擬儲(chǔ)藏方法

        供試粳稻谷樣品含水量調(diào)為13.5%、14.5%、15.5%,分多組裝入密閉容器中,分置于溫度為15、20、25、30℃的人工氣候箱中進(jìn)行模擬儲(chǔ)藏(限于篇幅,用含水量15.5%在15、30℃溫度條件下的樣品數(shù)據(jù)建模,25℃條件下的樣品數(shù)據(jù)進(jìn)行外部驗(yàn)證)。儲(chǔ)藏時(shí)間180 d,測(cè)定周期30 d。

        1.3 質(zhì)量指標(biāo)的測(cè)定方法

        1.3.1 過(guò)氧化物酶活性測(cè)定方法[8]

        提取:取2.5 g樣品粉,加入50 mL濃度為0.1 mol/L pH6.5的磷酸氫二鈉-檸檬酸緩沖溶液,于25℃攪拌30min后以4 000 r/min的轉(zhuǎn)速離心10min,取2.5 mL上清液用緩沖溶液稀釋定容至100 mL。

        測(cè)定:取稀釋液2份,每份25 mL,1份加入0.5 mL 1%鄰苯二胺和0.5 mL 0.3%過(guò)氧化氫溶液,于25℃反應(yīng)5 min,立即加入1 mL飽和亞硫酸氫鈉溶液終止反應(yīng),于430 nm處測(cè)定吸光度;另1份加入0.5 mL 1%鄰苯二胺和1 mL飽和亞硫酸氫鈉溶液,再加入0.5 mL 0.3%過(guò)氧化氫溶液后作為空白。酶活力以吸光度/g樣品粉表示。試驗(yàn)重復(fù)3次,取其平均值,以減小誤差。

        式中:A為吸光度;W為樣品干基質(zhì)量/g。

        1.3.2 糊化特性的測(cè)定方法

        參照快速黏度分析儀操作說(shuō)明中大米淀粉質(zhì)量測(cè)試法。

        1.3.3 脂肪酸值的測(cè)定方法

        按照GB/T 15684—1995進(jìn)行測(cè)定。

        1.4 粳稻谷揮發(fā)性物質(zhì)的提取與分析

        1.4.1 樣品準(zhǔn)備

        稱(chēng)取20.00 g粳稻谷樣品置于頂空樣品瓶中,用錫紙做隔墊加塞密閉處理后,放入80℃的恒溫水浴中平衡1 h,再將萃取頭插入頂空瓶中萃取50 min,于GC/MS進(jìn)樣口(250℃不分流模式)解析5 min。

        1.4.2 GC/MS分析條件

        氣相色譜條件:HP-5MS毛細(xì)管柱(30 m×0.25 mm,0.25μm),載氣為氦氣,設(shè)定流速。柱初溫為50℃,以8℃/min升溫至125℃,保持3 min,之后以4℃/min升至165℃,保持3 min,最后以10℃/min升至230℃,保持2 min,再運(yùn)行2 min。采用無(wú)分流進(jìn)樣模式。

        質(zhì)譜條件:接口溫度280℃,離子源為EI,離子源溫度230℃,電子能量70 eV,運(yùn)用全掃描采集模式,掃描范圍(m/z)50~400 amu。

        1.5 數(shù)據(jù)處理

        樣品中各未知揮發(fā)性物質(zhì)的定性由計(jì)算機(jī)檢索與NIST08標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)譜庫(kù)匹配求得;揮發(fā)性物質(zhì)的定量分析采用峰面積歸一化法,求得粳稻谷各揮發(fā)性物質(zhì)的相對(duì)含量;應(yīng)用Excel軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì);The Unscrambler 9.7和SAS 9.2軟件進(jìn)行偏最小二乘回歸分析。

        2 結(jié)果與分析

        2.1 粳稻谷儲(chǔ)藏過(guò)程中質(zhì)量指標(biāo)的變化

        儲(chǔ)藏條件對(duì)粳稻谷質(zhì)量指標(biāo)變化的影響如圖1~圖4所示。

        圖1 不同溫度下粳稻谷過(guò)氧化物酶活性變化

        圖2 不同溫度下粳稻谷脂肪酸值變化

        圖3 不同溫度下粳稻谷峰值黏度變化

        圖4 不同溫度下粳稻谷最終黏度變化

        從圖1~圖4可看出,粳稻谷過(guò)氧化物酶活性隨著儲(chǔ)藏時(shí)間的延長(zhǎng)而不斷減弱,且溫度越高,過(guò)氧化物酶活性減弱的越明顯。在15℃條件下儲(chǔ)藏180 d后,粳稻谷過(guò)氧化物酶殘余活力減弱至37.8%;而在30℃條件下儲(chǔ)藏180 d后,過(guò)氧化物酶殘余活力減弱至14.09%,其中在120~150 d,粳稻谷過(guò)氧化物酶活性有一個(gè)上升過(guò)程,這是因?yàn)楦邷馗邼竦沫h(huán)境有利于微生物的生長(zhǎng)繁殖,從而導(dǎo)致了酶活性小幅度上升。粳稻谷過(guò)氧化物酶活性越弱意味著粳稻谷的抗氧化能力越低,品質(zhì)劣變程度越高。粳稻谷脂肪酸值、峰值黏度、最終黏度均隨著時(shí)間的延長(zhǎng)而呈現(xiàn)波動(dòng)上升的趨勢(shì),且溫度越高,各質(zhì)量指標(biāo)上升的幅度越大,粳稻谷品質(zhì)劣變速度越快。15℃條件下儲(chǔ)藏180 d,粳稻谷脂肪酸值、峰值黏度、最終黏度依次上升至 52.39 mg KOH/100 g、2 851 cP、2 811 cP;而在30℃條件下儲(chǔ)藏180 d后,粳稻谷脂肪酸值、峰值黏度、最終黏度依次上升至64.94 mgKOH/100 g、3 526 cP、3 595 cP。對(duì)不同溫度條件下儲(chǔ)藏的粳稻谷質(zhì)量指標(biāo)變化進(jìn)行方差分析,結(jié)果顯示,儲(chǔ)藏溫度、儲(chǔ)藏時(shí)間對(duì)各質(zhì)量指標(biāo)變化的影響均極其顯著(P<0.01),且兩者交互作用明顯(表1);進(jìn)一步進(jìn)行新復(fù)極差檢驗(yàn)表明(表2),粳稻谷過(guò)氧化物酶活性、脂肪酸值、峰值黏度、最終黏度在儲(chǔ)藏溫度間變化差異均極顯著。綜上所述,低溫可以有效減緩粳稻谷品質(zhì)的劣變速度。

        表1 儲(chǔ)藏條件對(duì)質(zhì)量指標(biāo)影響的方差分析表

        表2 儲(chǔ)藏溫度對(duì)質(zhì)量指標(biāo)影響的新復(fù)極差檢驗(yàn)表

        2.2 儲(chǔ)藏期間粳稻谷特征性揮發(fā)性物質(zhì)的選擇

        結(jié)合粳稻谷揮發(fā)物質(zhì)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)以及主成分分析結(jié)果,選擇粳稻谷儲(chǔ)藏期間14種特征性揮發(fā)物質(zhì)進(jìn)行分析,依次為:異硫氰基環(huán)己烷(A)、1-次乙基-4-甲氧基苯(B)、2,6-二叔丁基苯醌(C)、1-壬醇(D)、辛醛(E)、椰子醛(F)、3,4-二甲氧基苯甲醛(G)、香葉基丙酮(H)、6,10,14-三甲基 -2-十五烷酮(I)、二氫獼猴桃內(nèi)酯(J)、棕櫚酸甲酯(K)、2-正戊基呋喃(L)、苯并噻唑(M)、2,3-二氫 -1,1,3-三甲基-3-苯基-1H-茚(N)。特征性揮發(fā)物質(zhì)與脂肪酸值(Y1)、過(guò)氧化物酶活性(Y2)、峰值黏度(Y3)、最終黏度(Y4)的變化見(jiàn)表3。

        表3 儲(chǔ)藏期間特征性揮發(fā)物質(zhì)與質(zhì)量指標(biāo)的變化(標(biāo)準(zhǔn)化處理后的數(shù)據(jù))

        2.3 建立粳稻谷特征性揮發(fā)物質(zhì)與質(zhì)量指標(biāo)的回歸模型

        粳稻谷在不同儲(chǔ)藏條件下儲(chǔ)藏180 d,質(zhì)量指標(biāo)與特征性揮發(fā)物質(zhì)變化的數(shù)據(jù)可建立(13×18)的數(shù)據(jù)分析矩陣。以特征性揮發(fā)物質(zhì)為自變量(X),質(zhì)量指標(biāo)為因變量(Y),進(jìn)行偏最小二乘回歸分析,最終建立質(zhì)量指標(biāo)與特征性揮發(fā)物質(zhì)的回歸模型,所有數(shù)據(jù)在分析前均進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理(表3)。

        2.3.1 剔除異常值

        若某個(gè)樣本點(diǎn)對(duì)成分的貢獻(xiàn)較大,那么它的存在有可能使分析發(fā)生偏差,這樣的點(diǎn)就是所謂的特異點(diǎn)(異常值),它們的取值遠(yuǎn)離所有樣本點(diǎn)的平均水平。圖5所示,各樣本點(diǎn)都落在橢圓內(nèi)部,它們的分布是均勻的,不存在異常值。

        圖5 粳稻谷樣品在前二類(lèi)主成分上的分布圖

        圖6 各變量在前二類(lèi)主成分上分布的相關(guān)系數(shù)圖

        2.3.2 揮發(fā)物質(zhì)與質(zhì)量指標(biāo)之間的回歸分析

        由圖6可知,脂肪酸值(Y1)、峰值黏度(Y3)、最終黏度(Y4)三者之間正相關(guān),且相關(guān)度很大,它們與過(guò)氧化物酶活性(Y2)均呈現(xiàn)很強(qiáng)的負(fù)相關(guān)性。脂肪酸值(Y1)、峰值黏度(Y3)、最終黏度(Y4)與 1-次乙基-4-甲氧基苯(B)、3,4-二甲氧基苯甲醛(G)、2,3-二氫 -1,1,3-三甲基 -3-苯基 -1H-茚(N)、苯并噻唑(M)、異硫氰基環(huán)己烷(A)呈正相關(guān),其中與1-次乙基-4-甲氧基苯(B)、3,4-二甲氧基苯甲醛(G)、2,3-二氫 -1,1,3-三甲基 -3-苯基-1H-茚(N)的相關(guān)性較大;過(guò)氧化物酶活性(Y2)與椰子醛(F)、香葉基丙酮(H)、6,10,14-三甲基-2-十五烷酮(I)、二氫獼猴桃內(nèi)酯(J)、棕櫚酸甲酯(K)、1-壬醇(D)、辛醛(E)、2,6-二叔丁基苯醌(C)、2-正戊基呋喃(L)正相關(guān),其中與椰子醛(F)、香葉基丙酮(H)、6,10,14-三甲基 -2-十五烷酮(I)、二氫獼猴桃內(nèi)酯(J)、棕櫚酸甲酯(K)強(qiáng)正相關(guān),與2,6-二叔丁基苯醌(C)、2-正戊基呋喃(L)相關(guān)性較弱;與脂肪酸值(Y1)、峰值黏度(Y3)、最終黏度(Y4)正相關(guān)的揮發(fā)物質(zhì)均與過(guò)氧化物酶活性(Y2)呈負(fù)相關(guān),同理與過(guò)氧化物酶活性(Y2)正相關(guān)的揮發(fā)物質(zhì)均與脂肪酸值(Y1)、峰值黏度(Y3)、最終黏度(Y4)負(fù)相關(guān)。

        由于隨著儲(chǔ)藏時(shí)間的延長(zhǎng),粳稻谷脂肪酸值、峰值黏度、最終黏度逐漸的增大,過(guò)氧化物酶活性逐漸的降低,粳稻谷品質(zhì)發(fā)生劣變。所以與脂肪酸值、峰值黏度、最終黏度呈現(xiàn)正相關(guān)的揮發(fā)物質(zhì)均可作為判定粳稻谷劣變的特征性揮發(fā)物質(zhì)。同理,與過(guò)氧化物酶活性呈現(xiàn)正相關(guān)的揮發(fā)物質(zhì)均可作為判定粳稻谷新鮮陳度的特征性揮發(fā)物質(zhì)。

        最終得到各質(zhì)量指標(biāo)的預(yù)測(cè)模型:

        3 回歸預(yù)測(cè)模型的評(píng)價(jià)

        3.1 內(nèi)部驗(yàn)證

        3.1.1 累計(jì)的解釋能力分析

        由表4可知,前二類(lèi)主成分對(duì)揮發(fā)性物質(zhì)(自變量X)的解釋能力為63.4%,對(duì)質(zhì)量指標(biāo)(因變量Y)的信息利用率為82.7%。說(shuō)明回歸預(yù)測(cè)模型包含了數(shù)據(jù)矩陣中大部分的信息,偏最小二乘回歸的預(yù)測(cè)模型可靠。

        表4 偏最小二乘回歸的精度分析

        3.1.2 偏最小二乘回歸中自變量與因變量主成分的相關(guān)性分析

        由圖7知,粳稻谷揮發(fā)物質(zhì)(自變量X)的第一主成分T與質(zhì)量指標(biāo)(因變量Y)的第一主成分U之間存在顯著的相關(guān)性,相關(guān)系數(shù)R=0.92。所以應(yīng)用偏最小二乘法對(duì)粳稻谷質(zhì)量指標(biāo)與揮發(fā)物質(zhì)變化進(jìn)行回歸分析合理。

        圖7 T/U的平面圖

        3.1.3 預(yù)測(cè)模型的擬合效果

        采用擬合系數(shù)R2、相關(guān)系數(shù)R、相對(duì)均方差RRMSE來(lái)衡量預(yù)測(cè)模型的有效性。由圖8~圖11可知,脂肪酸值實(shí)際值直線(xiàn)的決定系數(shù)R2=0.62,與對(duì)角線(xiàn)的相關(guān)系數(shù)R=0.79,相對(duì)均方差R-RMSE=0.16;預(yù)測(cè)值的決定系數(shù)R2=0.51,與對(duì)角線(xiàn)的相關(guān)系數(shù)R=0.66,相對(duì)均方差R-RMSE=0.18。過(guò)氧化物酶活性實(shí)際值直線(xiàn)的決定系數(shù)R2=0.69,與對(duì)角線(xiàn)的相關(guān)系數(shù)R=0.83,相對(duì)均方差R-RMSE=0.27;預(yù)測(cè)值的決定系數(shù)R2=0.61,與對(duì)角線(xiàn)的相關(guān)系數(shù)R=0.74,相對(duì)均方差R-RMSE=0.32。峰值黏度實(shí)際值直線(xiàn)的決定系數(shù)R2=0.90,與對(duì)角線(xiàn)的相關(guān)系數(shù)R=0.95,相對(duì)均方差R-RMSE=0.04;預(yù)測(cè)值的決定系數(shù)R2=0.86,與對(duì)角線(xiàn)的相關(guān)系數(shù)R=0.91,相對(duì)均方差R-RMSE=0.06。最終黏度實(shí)際值直線(xiàn)的決定系數(shù)R2=0.81,與對(duì)角線(xiàn)的相關(guān)系數(shù)R=0.90,相對(duì)均方差R-RMSE=0.06;預(yù)測(cè)值的決定系數(shù)R2=0.75,與對(duì)角線(xiàn)的相關(guān)系數(shù)R=0.84,相對(duì)均方差R-RMSE=0.08。綜上所述,粳稻谷揮發(fā)物質(zhì)變化對(duì)峰值黏度、最終黏度的回歸預(yù)測(cè)模型效果較好,對(duì)脂肪酸值、過(guò)氧化物酶活性的預(yù)測(cè)模型效果相對(duì)較差。

        圖8 粳稻谷揮發(fā)物質(zhì)對(duì)脂肪酸值的預(yù)測(cè)值/實(shí)際值

        圖9 粳稻谷揮發(fā)物質(zhì)對(duì)過(guò)氧化物酶活性的預(yù)測(cè)值/實(shí)際值

        圖10 粳稻谷揮發(fā)物質(zhì)對(duì)峰值黏度的預(yù)測(cè)值/實(shí)際值

        圖11 粳稻谷揮發(fā)物質(zhì)對(duì)最終黏度的預(yù)測(cè)值/實(shí)際值

        3.2 外部驗(yàn)證

        選用未參與定標(biāo)(25℃條件下儲(chǔ)藏)的粳稻谷樣品對(duì)定標(biāo)方程進(jìn)行外部檢驗(yàn)(表5)。

        表5 粳稻谷儲(chǔ)藏期間揮發(fā)物質(zhì)對(duì)質(zhì)量指標(biāo)的預(yù)測(cè)值與實(shí)際值比較

        由表5可知,粳稻谷揮發(fā)性物質(zhì)對(duì)峰值黏度、最終黏度預(yù)測(cè)的相對(duì)誤差均低于8%,說(shuō)明預(yù)測(cè)模型的精度和正確率高。揮發(fā)物質(zhì)對(duì)脂肪酸值的預(yù)測(cè)相對(duì)誤差最大超過(guò)了10%,對(duì)過(guò)氧化物酶活性的預(yù)測(cè)相對(duì)誤差達(dá)到了20%,達(dá)不到精確預(yù)測(cè)的要求,說(shuō)明預(yù)測(cè)模型精度偏低。與內(nèi)部驗(yàn)證結(jié)果一致。

        經(jīng)內(nèi)、外部模型驗(yàn)證知,峰值黏度、最終黏度的回歸預(yù)測(cè)模型效果較好;脂肪酸值、過(guò)氧化物酶活性的預(yù)測(cè)模型精度偏低,原因可能是由于粳稻谷儲(chǔ)藏期間,相較于峰值黏度、最終黏度的變化,脂肪酸值、過(guò)氧化物酶活性的變化更易受外界因素的影響,變化更復(fù)雜,用脂肪酸值的變化來(lái)評(píng)價(jià)稻谷的品質(zhì)必須考慮稻谷經(jīng)歷和原始品種[9],過(guò)氧化物酶活性受微生物生長(zhǎng)繁殖的影響較大;脂肪酸值、過(guò)氧化物酶活性受測(cè)定因素的影響也很大,比如脂肪酸值的滴定終點(diǎn)不易判斷,提取的酶活性易失活等;粳稻谷儲(chǔ)藏期間揮發(fā)性物質(zhì)量大且變化復(fù)雜,對(duì)揮發(fā)性物質(zhì)總體信息利用不全,需在以后的工作中,嘗試擴(kuò)大建模的樣品集來(lái)弱化外界因素的影響作用,優(yōu)化質(zhì)量指標(biāo)測(cè)定以及建模方法,提高模型精度。

        4 結(jié)論

        4.1 粳稻谷過(guò)氧化物酶活性隨著儲(chǔ)藏時(shí)間的延長(zhǎng)而不斷減弱,且溫度越高,減弱的越明顯;粳稻谷脂肪酸值、峰值黏度、最終黏度均隨著時(shí)間的延長(zhǎng)而呈現(xiàn)波動(dòng)上升的趨勢(shì),且溫度越高,各質(zhì)量指標(biāo)上升的幅度越大。儲(chǔ)藏溫度、儲(chǔ)藏時(shí)間對(duì)粳稻谷各質(zhì)量指標(biāo)的影響均極其顯著,且在不同溫度下儲(chǔ)藏的各質(zhì)量指標(biāo)之間差異均極顯著。

        4.2 1 -次乙基-4-甲氧基苯、3,4-二甲氧基苯甲醛、2,3-二氫 -1,1,3-三甲基 -3-苯基 -1H-茚、苯并噻唑、異硫氰基環(huán)己烷這些與脂肪酸值、峰值黏度、最終黏度呈現(xiàn)正相關(guān)的揮發(fā)物質(zhì)均可作為劣變粳稻谷的特征性揮發(fā)物質(zhì);椰子醛、香葉基丙酮、6,10,14-三甲基-2-十五烷酮、二氫獼猴桃內(nèi)酯、棕櫚酸甲酯、1-壬醇、辛醛、2,6-二叔丁基苯醌、2-正戊基呋喃這些與過(guò)氧化物酶活性呈現(xiàn)正相關(guān)的揮發(fā)物質(zhì)均可作為新鮮粳稻谷的特征性揮發(fā)物質(zhì)。

        4.3 運(yùn)用偏最小二乘分析法建立氣味對(duì)質(zhì)量指標(biāo)變化的預(yù)測(cè)模型。經(jīng)內(nèi)、外部模型驗(yàn)證知,峰值黏度、最終黏度的回歸預(yù)測(cè)模型效果較好;脂肪酸值、過(guò)氧化物酶活性的預(yù)測(cè)模型精度偏低。

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