基于主成分與聚類分析的不同粉路小麥次粉品質(zhì)綜合評價

隋勇，施建斌，蔡沙，熊添，王少華，梅新

（湖北省農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)產(chǎn)品加工與核農(nóng)技術研究所，湖北 武漢 430064）

次粉是小麥加工的副產(chǎn)物，主要是由小麥胚、糊粉層、果皮及部分胚乳組成的混合物，約占小麥籽粒的 3%～5%[1，2]。除了富含礦物質(zhì)、維生素、膳食纖維等營養(yǎng)成分，次粉還含有大量的多酚、類胡蘿卜素和烷基間苯二酚等活性物質(zhì)，具有抑制氧化損傷、降低慢性代謝疾病發(fā)生等生理功效[3，4]，且次粉經(jīng)乳酸菌[5]和芽孢桿菌[6]發(fā)酵后，抗氧化、抑菌和益生功能顯著增強。但次粉中含有較多的酶、脂、膳食纖維等，影響加工特性及產(chǎn)品感官特性，且由于小麥加工過程中不同粉路次粉的主要理化特性存在差異，導致次粉品質(zhì)不穩(wěn)定，制約了次粉的食品化利用[7，8]。次粉的食品化應用能夠提高食品的營養(yǎng)價值，研究表明，次粉強化小麥面粉后，混粉中戊聚糖、B族維生素及四種蛋白質(zhì)組分（清蛋白、球蛋白、醇溶蛋白、麥谷蛋白）的含量顯著增加[9]，且在面條、饅頭及烙餅等食品中添加適量的小麥次粉對其感官品質(zhì)無顯著影響[10，11]。然而，目前對不同粉路次粉理化特性及與加工產(chǎn)品品質(zhì)的關系研究較少，對其開展研究在提高次粉食品化利用方面具有重要意義。

主成分分析法和聚類分析法都是一種多元統(tǒng)計分析方法，能夠研究不同樣品中多個變量之間相互關聯(lián)的統(tǒng)計規(guī)律性[12]。主成分分析法主要是通過降維思想簡化數(shù)據(jù)結構，按照設定的原則將測定的眾多指標中縮減為少數(shù)幾個綜合指標，全面反映原本指標的信息量；聚類分析則依據(jù)數(shù)據(jù)集的內(nèi)在聯(lián)系對大量的數(shù)據(jù)進行分組歸類，將樣本分成相對同質(zhì)群組，聚到同一群組則表示研究對象性質(zhì)彼此相似[13]?；谥鞒煞趾途垲惙治?，采集多個樣品及多個指標的數(shù)據(jù)，篩選出少數(shù)幾個綜合品質(zhì)進行評價，評價方法具有客觀性、公正性、科學性，已廣泛應用于食品營養(yǎng)[14-16]和風味評價[17，18]、食品加工特性分析[19-21]、優(yōu)質(zhì)果蔬品種篩選[22，23]等研究領域。

基于此，本研究以小麥加工過程中不同粉路小麥次粉為研究對象，通過測定其營養(yǎng)品質(zhì)、色澤、面筋特性和糊化特性，采用主成分分析和聚類分析方法分析比較不同粉路小麥次粉間的綜合品質(zhì)差異，篩選出品質(zhì)較好的次粉，為提高各粉路次粉利用率和后續(xù)相關產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究提供一定的理論依據(jù)和技術參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

12個不同粉路小麥次粉（皮磨系統(tǒng)4BF下、5BF上；心磨系統(tǒng)7M下、8M上、8M下；尾磨系統(tǒng)1T下、2T下；重篩系統(tǒng)粉D4；打麩粉和吸風粉DF1XF1上、DF1XF1下、DF2XF2上、DF2XF2下）和2個不同等級小麥粉（普通面粉、精制面粉）由湖北金銀豐食品有限公司提供。

乙酸鉛、無水乙醇、氫氧化鈉、硫酸銅、硫酸鋅、酒石酸鉀鈉、乙酸鋅、硫酸等分析純試劑，國藥集團化學試劑有限公司。

1.2 儀器與設備

GM2200型面筋儀，瑞典波通公司；RVA-super4快速粘度分析儀，瑞典波通公司；1900型降落數(shù)值儀，瑞典波通公司；SKD-08S2型紅外智能消化爐，上海沛歐分析儀器有限公司；K9840型自動凱氏定氮儀，濟南海能儀器股份有限公司；CS-600C便攜式45/0分光測色儀，杭州彩譜科技有限公司；TE214S型分析天平，德國賽多利斯公司；GZX-9240型電熱鼓風干燥箱，上海博迅實業(yè)有限公司醫(yī)療設備廠；SX2-4-10NP型馬弗爐，上海一恒科學儀器有限公司；HHS-21-6型水浴鍋，上海百典儀器設備有限公司。

1.3 方法

1.3.1 小麥次粉營養(yǎng)品質(zhì)測定

水分含量采用進行直接干燥法測定，具體參照GB 5009.3-2016；灰分含量采用灼燒法進行測定，具體參照GB 5009.4-2016；淀粉含量采用酸水解法進行測定，具體參照GB 5009.9-2016；蛋白質(zhì)含量采用凱氏定氮法進行測定，具體參照GB 5009.5-2016；脂肪含量采用索氏抽提法進行測定，具體參照 GB 5009.6-2016；破損淀粉含量采用α-淀粉酶法進行測定，具體參照 GB/T 9826-2008；降落數(shù)值采用Hagberg-Perten法進行測定，具體參照 GB/T 10361-2008。

1.3.2 小麥次粉色度測定

樣品色度采用CS-600C便攜式45/0分光測色儀進行測定，用標準白板校正后測定各樣品的亮度值（L）、紅綠值（a）、黃藍值（b）。

1.3.3 小麥次粉面筋特性測定

干面筋含量采用快速干燥法進行測定，具體參照GB/T 5506.1-2008；濕面筋含量采用儀器法進行測定，具體參照GB/T 5506.2-2008；面筋水分含量等于濕面筋水分含量減去干面筋水分含量；面筋指數(shù)采用面筋指數(shù)法進行測定，具體參照SB/T 10248-1995。

1.3.4 小麥次粉糊化特性測定

糊化特性采用快速粘度分析儀進行測定，具體參照GB/T 24853-2010。

1.3.5 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計分析

試驗數(shù)據(jù)采用SPSS 16.0軟件進行統(tǒng)計分析，結果以平均值±標準差表示，通過一元方差分析（One-Way ANOVA）進行多個組間平均數(shù)的比較，如果組間存在顯著性差異（p＜0.05），則采用 Duncan檢驗進行組間多重比較。

運用SPSS 16.0數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)提取樣品主成分并得到各主成分因子得分情況，根據(jù)得分情況對其進行排序，分析比較不同樣品間的品質(zhì)優(yōu)劣情況；根據(jù)樣品主要品質(zhì)指標，采用SPSS 16.0對14個樣品進行系統(tǒng)聚類分析，得到聚類樹狀圖。

2 結果與討論

2.1 不同粉路小麥次粉的營養(yǎng)品質(zhì)特性

12個不同粉路小麥次粉和2個不同等級小麥粉的營養(yǎng)品質(zhì)特性如表1所示，水分、蛋白質(zhì)、淀粉、降落數(shù)值和破損淀粉含量樣品間差異較小，其變異系數(shù)分別為4.93%、8.67%、10.94%、11.55%和14.18%；而灰分和脂肪含量樣品間差異較大，分別高達59.96%和66.89%。精制面粉和普通面粉的淀粉含量顯著高于12個不同粉路小麥次粉（p＜0.05），相比于面粉，多數(shù)粉路小麥次粉的脂肪、灰分和破損淀粉含量較高，降落數(shù)值較小。本研究結果與文獻報道相近，中筋粉和高筋粉次粉的淀粉含量均低于60%[24]；7種不同粉路次粉的灰分含量均高于市售面粉，而淀粉含量低于市售面粉[11]；高筋、中筋次粉的破損淀粉含量高于高筋、中筋面粉，而降落數(shù)值低于高筋、中筋面粉[10]。破損淀粉是小麥在制粉過程中受到機械損傷形成，其含量隨著研磨強度增強而升高，研磨強度較大時，α-淀粉酶活性也會增強，被水解的淀粉增加，導致降落數(shù)值降低，面團的形成時間和穩(wěn)定時間下降，弱化度增大[25]。因此，次粉中過高的破損淀粉含量和較低的降落數(shù)值可能是影響面制品最終品質(zhì)的主要原因[26，27]。

表1 不同粉路小麥次粉的營養(yǎng)品質(zhì)Table 1 Nutritional qualities of different wheat middlings

2.2 不同粉路小麥次粉的色澤

12個不同粉路小麥次粉和2個不同等級小麥粉的色澤如表2所示，L值樣品間差異較小，其變異系數(shù)為3.08%；a值和b值樣品間差異較大，分別為72.87%和20.77%。L值代表亮度，可反映面粉的白度；a值代表紅綠，正值越大表示色值偏紅；b值代表黃藍，正值越大表示偏黃。除次粉DF1XF1上、DF1XF1下和DF2XF2上外，其它次粉的a值和b值顯著高于面粉（p＜0.05），表明次粉色澤偏紅黃。王杰[9]比較了特精粉、特制粉和次粉的色度，次粉的L值最小，a值和b值最大，與本研究結果一致，且隨著次粉在混配粉中占比的增加，饅頭和面條的白度顯著下降，進而降低了產(chǎn)品的感官評分，次粉的色澤也影響了以次粉為原料的烙餅的色澤和外觀等感官特性[11]。

表2 不同粉路小麥次粉的色澤Table 2 Color of different wheat middlings

2.3 不同粉路小麥次粉的面筋特性

12個不同粉路小麥次粉和2個不同等級小麥粉的面筋特性如表3所示，干面筋、濕面筋和面筋水分含量變異系數(shù)在 15%左右，面筋指數(shù)變異系數(shù)最大（23.42%），表明不同粉路次粉和面粉間面筋特性差異顯著。

表3 不同粉路小麥次粉的面筋特征值Table 3 Gluten profile characteristics of different wheat middlings

結果顯示，次粉DF1XF1下和8M上與普通面粉面筋指數(shù)相當，顯著大于其它粉路次粉（p＜0.05），這與文獻報道一致，打麩粉和吸風粉接近糊粉層和外層胚乳，濕面筋含量較高，而心磨粉的面筋指數(shù)更大[28]，隨著混粉中次粉占比增加，面筋指數(shù)明顯降低[9]；添加不同比例全麥粉的復配粉，其面筋指數(shù)顯著低于小麥粉[29]。面筋指數(shù)與面制品品質(zhì)密切相關，面筋指數(shù)越大，面制品品質(zhì)越高，次粉較低的面筋指數(shù)也是影響面制品品質(zhì)的重要因素[30，31]。

2.4 不同粉路小麥次粉的糊化特性

糊化特性是反映面粉中淀粉性質(zhì)的重要指標，峰值粘度反映結合水的能力或者顆粒的膨脹程度；衰減值是峰值粘度和最低粘度的差值，反映的是淀粉糊的熱穩(wěn)定性，衰減值越小，表示淀粉糊越穩(wěn)定；回生值是最終粘度和最低粘度的差值，反映的是淀粉重結晶的程度大小，回生值越大，表明淀粉回生越明顯，抗老化能力越差[32，33]。

12個不同粉路小麥次粉和2個不同等級小麥粉的糊化特性由快速粘度分析儀（RVA）特征值表示，如表4所示，不同樣品的峰值時間和糊化溫度變異系數(shù)較小（4.14%和7.58%），表明其起始糊化難易程度相當；峰值粘度、最低粘度、衰減值、最低粘度和回生值變異系數(shù)分別為32.55%、39.55%、32.02%、36.49%和36.61%，表明不同粉路次粉和面粉顆粒膨脹程度、淀粉糊熱穩(wěn)定性及老化特性差異較大。精制面粉的峰值粘度、最低粘度和衰減值最大，顯著高于各路次粉（p＜0.05），這可能與次粉中過高的破損淀粉含量有關，破損淀粉的增加會影響小麥粉的糊化特性，導致峰值粘度、最終粘度、衰減值和回生值不斷降低[25，34]。

表4 不同粉路小麥次粉的RVA特征值Table 4 RVA profile characteristics of different wheat middlings

2.5 小麥次粉主要品質(zhì)特性的主成分分析

對12個不同粉路小麥次粉和2個不同等級小麥粉的主要品質(zhì)特性指標進行主成分分析。首先，利用SPSS軟件對原始數(shù)據(jù)進行標準化處理，得到12個變量的相關系數(shù)矩陣，再轉(zhuǎn)換初始因子載荷矩陣，使載荷矩陣旋轉(zhuǎn)之后載荷系數(shù)更接近1或者0，從而使因子載荷矩陣中系數(shù)更加顯著[18]。結果如表5所示，前4個主成分的特征值大于1，分別為λ1＝5.134、λ2＝2.817、λ3＝1.581、λ4＝1.413，且前 4個因子的方差貢獻率達到84.182%，因此只提取前4個公因子進行后續(xù)分析已足夠?qū)Υ畏鄣钠焚|(zhì)特性進行評價。

表5 特征值與貢獻率Table 5 Eigenvalues and contribution rates

如表6所示，主成分分析生成的4個主成分在和矩陣，其絕對值越大，對該主成分影響越主要[15]。因此，主成分1以峰值粘度和破損淀粉的影響為主，水分和峰值時間的影響為輔；主成分2以蛋白質(zhì)的影響為主，脂肪、白度、糊化溫度的影響為輔；主成分 3以灰分和濕面筋的影響為主，淀粉的影響為輔；主成分4以降落數(shù)值的影響為主，淀粉的影響為輔。

表6 4個主成分的載荷矩陣Table 6 The loading matrix of four principal components

以各個主成分方差貢獻率作為權數(shù)，由主成分得分和對應的權數(shù)相乘求和建立次粉品質(zhì)預測評價方程F 綜=α1*Z1+α2*Z2+α3*Z3+α4*Z4，即主成分綜合方程：F綜=0.423Z1+0.191Z2+0.122Z3+0.102Z4，依據(jù)主成分綜合評價模型，計算得出不同粉路次粉的綜合得分和排序結果。由表7可知，綜合排名前三位的小麥次粉為DF1XF1下、DFXF1上和D4，其綜合得分與14號精制面粉持平，品質(zhì)最好；綜合排名后三位的小麥次粉為7M下、8M上和2T下，品質(zhì)最差。

表7 不同粉路小麥次粉的主成分綜合得分Table 7 Comprehensive principal component value of different wheat middlings

2.6 小麥次粉主要品質(zhì)特性的聚類分析

根據(jù)次粉主要理化特性指標，采用 SPSS16.0對14個樣品進行系統(tǒng)聚類分析，得到聚類樹狀圖。如圖1所示，當歐式距離為5.0時，將14個樣品品種聚為4類，次粉DF1XF1下和DFXF1上與14號精制面粉歸為一類，品質(zhì)較為接近，食品化利用價值更大，次粉DF2XF2上、1T下、DF2XF2下和D4與普通面粉品質(zhì)較為接近，而次粉7M下、2T下和8M上與精制面粉和普通面粉距離最遠，食品化利用價值最小。綜上，聚類分析結果與主成分得分對12個不同粉路小麥次粉和2個不同等級小麥粉品質(zhì)分類的判定結果較為一致，表明主成分分析和聚類分析可用來綜合評價不同粉路小麥次粉品質(zhì)的優(yōu)劣，可為小麥次粉的食品化利用提供參考。

3 結論

在對12個不同粉路小麥次粉和2個不同等級小麥粉的營養(yǎng)品質(zhì)、面筋特性和糊化特性進行統(tǒng)計分析的基礎上，通過對不同指標進行主成分分析和聚類分析，篩選適合食品化利用的小麥次粉。結果顯示：不同粉路小麥次粉的品質(zhì)特性中，脂肪、灰分、面筋指數(shù)、峰值粘度、最低粘度、最終粘度、衰減值、回生值變異系數(shù)較大，均超過20%；通過主成分分析將多指標變量進行簡化處理，得到的4個主成分可以替代評價次粉特性的多個指標，并計算出綜合得分較高的次粉是DF1XF1下和DFXF1上，其分值與精制面粉接近，食品化利用價值高，而7M下、8M上和2T下綜合得分較低。聚類分析將不同粉路次粉分為 4類，次粉DF1XF1下和DFXF1上與精制面粉品質(zhì)較為接近，次粉7M下、8M上和2T下與精制面粉距離最遠，品質(zhì)差異大，結果與主成分分析一致。12個不同粉路小麥次粉中，DF1XF1下和DFXF1上品質(zhì)最好，7M下、8M上和2T下品質(zhì)最差。基于主成分分析法和聚類分析法篩選適宜食品化利用的特定粉路小麥次粉，可以簡化分析指標，具有快速、簡便、合理、科學的優(yōu)勢，能夠為小麥次粉的食品化利用提供理論支撐。