基于主成分分析法評價谷朊粉品質

王六強，張春紅，高 爽，李 晨，馬 濤

（1.渤海大學化學化工與食品安全學院，遼寧錦州 121013；2.沈陽農業大學食品學院，遼寧沈陽 110866）

基于主成分分析法評價谷朊粉品質

王六強1，2，張春紅2，高 爽2，李 晨2，馬 濤1，*

（1.渤海大學化學化工與食品安全學院，遼寧錦州 121013；2.沈陽農業大學食品學院，遼寧沈陽 110866）

以10種市售谷朊粉為試材，在分析谷朊粉的水分、灰分、粗脂肪、粗蛋白等理化指標及吸水率、溶解性、持水力、起泡性及泡沫穩定性等功能性的基礎上，利用主成分分析法對谷朊粉的品質進行了的評價。結果表明：不同企業生產的谷朊粉品質不同，通過主成分分析，提取3個主成分累計方差貢獻率為83.824%，其中第1、第2和第3主成分方差貢獻率分別為54.443%、18.039%和11.341%。確定泡沫穩定性、溶解性、吸水率、起泡性、水分及粗蛋白含量是影響谷朊粉品質的重要指標，建立了綜合評價谷朊粉品質的方法，對谷朊粉品質進行綜合評分并排序。谷朊粉綜合得分越高，谷朊粉的品質越好，10種谷朊粉中排在前三位的依次是8號、5號和7號谷朊粉。

谷朊粉，功能性，品質評價，主成分分析

谷朊粉是以小麥面粉為原料，水洗掉淀粉及其他水溶性成分得到的一種天然植物蛋白，是淀粉加工行業的副產物，以小麥為原料的發酵工業也生產部分谷朊粉[1]。2010年中國谷朊粉的年產量已達到30萬噸[2]，而且每年還在增長。作為一種天然植物蛋白，谷朊粉具有優良的黏彈性、延伸性、熱凝固性等功能特性，使其作為食品添加劑、品質改良劑在食品工業中廣泛應用[3]。

隨著谷朊粉應用領域的不斷擴大，谷朊粉的生產越來越受到中國乃至世界淀粉生產行業的重視[4]。目前，中國谷朊粉生產企業眾多，不同企業生產的谷朊粉品質不同，這就為谷朊粉使用企業帶來困擾。究其原因，我國現在還沒有完善的谷朊粉評價體系，沒有全面的標準去指導谷朊粉的生產與應用[5]。我國現有的谷朊粉評價方法僅有國標一種，而國標方法僅對谷朊粉的水分、粗脂肪、粗蛋白、灰分和粗細度等理化指標進行分析，對于谷朊粉活性的評價僅有吸水率一項指標，而谷朊粉的功能性影響著谷朊粉的加工應用，所以現有的國標不能全面評價谷朊粉的應用品質，因此，建立一種全面客觀的谷朊粉評價體系迫在眉睫。主成分分析法是將多個變量通過線性變換以選出較少的重要變量的一種多元統計分析方法。近年來，主成分分析法廣泛應用品質評價領域，周妍等利用主成分分析法對面條的品質進行了評價[6]，扶定等利用主成分分析法對稻米的品質進行了評價[7]，馬龍等將主成分分析方法應用于醬牛肉質構特性的評價中[8]，黃毅將主成分分析方法應用于醬油質量的評價中[9]。目前，主成分分析法在糧食及產品的品質評價中應用較少，因此，可以運用主成分分析方法，對谷朊粉的品質進行評價，建立一種客觀、全面、方便的品質評價體系。

本研究選用10種市售谷朊粉為試材，按照國標方法測定谷朊粉的理化指標及吸水性，同時分析谷朊粉的溶解性、持水力、起泡性及泡沫穩定性等功能性，應用主成分分析方法對數據進行處理[10]，全面客觀評價谷朊粉的品質，為企業選用優質的谷朊粉產品提供指導。

表1 谷朊粉品質評價指標Table 1 The quality evaluation index of wheat gluten

1 材料及方法

1.1 材料與儀器

谷朊粉 市售，分別購自山東新瑞集團、安徽省碧綠春釀酒有限公司、河南蓮花面粉有限公司、安陽眾鑫食品有限公司、徐州德隆生物科技有限公司、安徽安特生物化學有限公司、安徽瑞福祥食品有限公司、河南天冠企業集團有限公司、封丘縣華豐粉業有限公司、河南大康糧食深加工有限公司；無水乙醇、NaOH、HCl、乙醚、H2SO4、硫酸鉀、五水硫酸銅、酒石酸鉀鈉 分析純。

85-2型恒溫磁力攪拌器、HH-數顯恒溫水浴鍋 常州國華電器有限公司；DHG-9246A型電熱恒溫鼓風干燥箱 上海精宏實驗儀器設備有限公司；ALC-210.2型電子天平 北京賽多利斯儀器系統有限公司；PHS-3C型數字式pH計 上海理達儀器廠；T18分散機 德國IKA公司。

1.2 谷朊粉理化指標測定

水 分 測 定 ：參 照 國 標 GB 5009.3-2010；灰 分 測定：參照國標GB/T 5505－2008；粗蛋白質測定：參照國標GB/T 5511－2008；粗脂肪測定：參照國標GB/T 5512－2008。

1.3 谷朊粉功能性測定

1.3.1 溶解性的測定 采用雙縮脲法測定[11]。

1.3.2 持水力的測定 采用差量法測定[12]。

1.3.3 吸水率的測定 參照國標GB/T 21924-2008測定。

1.3.4 起泡性及泡沫穩定性測定 采用攪打法測定[13]。

1.4 數據分析

本實驗數據均3次測量取平均值，數據處理采用Excel 2003及SPSS 17.0。

2 結果及分析

2.1 谷朊粉品質評價指標的選擇

本實驗選擇的谷朊粉品質評價指標有：水分（X1）、粗 脂 肪（X2）、粗 蛋 白（X3）、灰 分（X4）、溶 解 性（X5）、吸 水 率（X6）、持 水 力（X7）、起 泡 性（X8）、泡 沫 穩定性（X9），共9個指標。其中水分、粗脂肪、粗蛋白、灰分、吸水率是GB/T 21924-2008用來評價谷朊粉的基本指標。測定結果見表1。

表2 各品種谷朊粉品質描述性統計Table 2 Descriptive statistics of wheat gluten of every one

由表1及表2可知，不同谷朊粉品質之間差異較大。分析原因認為，谷朊粉的品質主要受原料小麥品質及加工工藝的影響，我國谷朊粉生產企業眾多，不同廠家生產谷朊粉用的原料不同，生產工藝不相同，因此生產谷朊粉的品質各不相同。

由表2可知，10種谷朊粉中，灰分、溶解性、起泡性及泡沫穩定性的變異系數較大，分別為26.37%、29.63%、17.98%和21.17%，說明不同谷朊粉的上述4個指標差異較大。其余5個指標變異系數均小于10%，說明不同谷朊粉的這幾個指標相對穩定。而這5個指標中有4個指標是國標規定的評價谷朊粉的指標，可見對于國標沒有要求的功能性指標，不同企業生產的谷朊粉差異較大。因此，建議在評定谷朊粉品質時，除了測定國標規定的指標外，還應分析谷朊粉的功能性，這樣才能更加客觀的評定谷朊粉的品質。為了進一步說明各個指標的相對重要性，對谷朊粉的9個指標進行主成分分析。

表3 谷朊粉品質評價指標相關系數矩陣Table 3 Correlation coefficient matrix of wheat gluten guality evaluation index

2.2 谷朊粉品質指標的主成分分析

主成分分析是一種數學變換的方法，在不損失原變量太多信息的條件下盡可能地降低原變量的維數，即用為數較少的“新變量”代替原來的各變量，既揭示了事物內部變量之間的規律性，又簡化了問題、提高了效率[14]。

評價指標是由多個指標構成，為了避免量綱和數量級的影響，必須對數據進行標準化處理，將它們都轉化成無量綱數據。另外，在國標評定中，水分、粗脂肪、灰分含量越小越好，它們的含量高會降低谷朊粉的品質，所以在做標準化處理前需先將它們的數據 取 倒 數 使 其 正 向 化[15]，然 后 運 用SPSS 17.0軟 件 對標準化的數據進行主成分分析，得到相關系數表3、方差分析表4和主成分載荷矩陣表5。

由表3可知，溶解性與水分含量顯著相關；吸水率與水分含量極顯著相關；起泡性與水分含量、吸水率顯著相關，起泡性與溶解性極顯著相關；泡沫穩定性與水分含量、溶解性、吸水率、起泡性極顯著相關。這表明所分析的指標反映的信息有一定的重疊，因此有必要對相關性狀指標進行歸類和簡化，以提高谷朊粉品質評價的效率。

表4 相關矩陣的特征值與方差貢獻率Table 4 Eigenvalues and percentage of the correlation matrix

由表4可以看到每個主成分的特征值，它的大小表示了對應成分能夠描述原有信息的多少，前3個主成分特征值都大于1，累計貢獻率為83.824%，基本上反映了原來指標的信息，因此可用3個彼此不相關的綜合指標代替原來的9個指標評價谷朊粉的品質。

表5 主成分載荷矩陣Table 5 Component matrix

表5是主成分載荷矩陣，其中每個載荷量表示主成分與對應的變量的相關關系。由表5可知，第一主成分主要包含谷朊粉的泡沫穩定性、溶解性、吸水率、起泡性、水分及粗蛋白含量等信息，貢獻率為54.443%，說明谷朊粉的水分、粗蛋白含量和主要功能性在谷朊粉品質評價中起關鍵作用。第二主成分主要包含了谷朊粉的灰分及粗脂肪等信息，貢獻率為18.039%，表明這兩個指標對谷朊粉的品質評價也有重要作用。第三主成分主要反映了谷朊粉的持水力，貢獻率為11.341%。通過以上對主成分的分析，可以看出提取的3個主成分基本能反應9個指標的信息，因此用這3個具有代表性主成分可以代替原來的指標來評定谷朊粉的綜合品質，使得谷朊粉的品質評價變得更加簡單。每一個載荷量表示主成分與對應變量的相關系數，主成分相應特征值的平方根與特征向量乘積為載荷量，因此，通過相關計算可以得到每個指標的主成分特征向量，結果見表6。

表6 主成分特征向量Table 6 Eigenvectors for principal components

根據表6的數據，計算每個主成分的表達式，結果如式（1～3）所示（式中x1、x2、x3…x9為標準化后的數據）。通過每個表達式可以計算出每個主成分的得分，結果見表7。

以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，根據公式Z=0.6495Z1+ 0.2152Z2+0.1353Z3計算主成分綜合得分并排序，結果見表7。

由表7可以看出，第一主成分得分排名與綜合排名基本一致，說明谷朊粉的泡沫穩定性、溶解性、吸水率、起泡性、水分及粗蛋白含量在綜合評價谷朊粉品質中起到重要作用，谷朊粉的內在功能性對谷朊粉的品質影響較大。谷朊粉綜合得分高，則谷朊粉的品質好。居排名前三位的分別是8號、5號和7號谷朊粉，其中8號的綜合得分最高，為1.68，說明8號谷朊粉的品質最好；居排名后三位的分別是9號、4號和10號，其中10號的綜合得分最低，僅為-2.37，則10號谷朊粉的品質相比其他谷朊粉最差。利用主成分分析方法，在分析過程中考慮樣品的理化指標及功能性指標，計算綜合得分，對不同谷朊粉的品質進行量化，能更全面的客觀的評價谷朊粉的品質。同時也能為企業選擇優質的谷朊粉提供參考，為谷朊粉生產企業提高產品質量提供幫助，有利于增加產品的競爭力。

3 結論

隨著科技的發展，研究的深入，谷朊粉的應用領域越來越廣，建立一個全面客觀的谷朊粉品質評價體系也顯得越來越重要，這將能很好地指導谷朊粉的生產及使用，為企業創造更高的經濟效益。本實驗采用主成分分析的方法評價了10種谷朊粉的品質，從以上實驗可以得出如下結論：

3.1 不同企業生產的谷朊粉品質不同，其中灰分、溶解性、起泡性及泡沫穩定性4個指標差異較大，所以評價谷朊粉品質時，除了參照國標方法測定谷朊粉的常規理化指標，應同時分析谷朊粉的功能性，利用主成分分析進行全面客觀的評價。

3.2 通過主成分分析方法，提取3個主成分累計方差貢獻率為83.824%，其中第1主成分占總方差貢獻率的54.443%，第2主成分占總方差貢獻率的18.039%，第3主成分占總方差貢獻率的11.341%，說明這3個主成分包含樣品的大部分信息。確定泡沫穩定性、溶解性、吸水率、起泡性、水分含粗蛋白含量是影響谷朊粉品質的重要指標，并建立了谷朊粉品質的綜合評分方法，對谷朊粉品質進行綜合評分并排序。

3.3 谷朊粉綜合得分越高，則谷朊粉品質越好，10種谷朊粉中排在前三位的依次是8號、5號和7號谷朊粉。

表7 主成分得分及綜合得分排名Table 7 Principal component scores and overall scores of the quality evaluation

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表8 不同濃度的尿素對測定結果的影響Table 8 The influence of different concentrations of urea on determination results

3 結論

快速滴定法測定牛奶中蛋白質時，樣品的取樣量為1.00mL，0.1mol/L鹽酸加入量為1.00mL較為合理有效，采用2次滴定法能得到理想滴定結果。與凱氏定氮法和TNM-1儀器法測定結果對比無顯著差異（p＞0.05）；干燥法的實驗結果再次驗證快速滴定法的準確性。一定濃度范圍內，含氮摻雜物也不干擾牛奶中蛋白質的測定。

快速滴定法全程耗時約10min，操作簡單，所需試劑種類少，較傳統的凱氏定氮法節約時間，較TNM-1儀器法節約成本，且有助于發現含氮摻雜物，對于大量原料奶的驗收和在生產過程中適時掌握牛奶的品質特別適用。

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Quality evaluation of wheat gluten based on principal component analysis

WANG Liu-qiang1，2，ZHANG Chun-hong2，GAO Shuang2，LI Chen2，MA Tao1，*
（1.College of Chemistry Chemical Engineering and Food Safety，Bohai University，Jinzhou 121013，China；2.College of Food，Shenyang Agriculture University，Shenyang 110866，China）

Ten kinds of different wheat gluten were selected as samples in this experiment，the quality of different wheat gluten was evaluated by the principal component analysis method based on the main quality index of gluten including moisture，ash，crude fat，crude protein，water absorption，solubility，retention ability，foaming ability and foam stability.The results showed that the quality of different productions was different，the first three principal components were selected from nine parameters of wheat gluten and the cumulative contribution to variance was up to 83.824%with principal component analysis method.The first，second and third principal component of total variability accounts for 54.443%，18.039%and 11.341%respectively.Moisture，crude protein，water absorption，solubility，foaming ability and foam stability were the most important factors affecting the quality of wheat gluten.According to the method，the wheat gluten were scored and ranked，the higher the score was，the better the quality was，and the top three were No.8，No.5，and No.7.

wheat gluten；function；quality evaluation；principal component analysis

TS239

A

1002-0306（2014）20-0086-05

10.13386/j.issn1002-0306.2014.20.010

2014－01－02

王六強（1987-），男，碩士研究生，主要從事植物油脂及蛋白科學與工程方面的研究。

* 通訊作者：馬濤（1962-），男，博士，教授，主要從事糧油食品儲藏保鮮與深加工方面的研究。

鄭州市科技創新體系建設計劃（N2013NC1072）。