基于主成分小米-小麥混合粉面團流變學特性綜合評價

張桂英,張喜文,*,申瑞玲,李 萍,杜文娟,姜龍波

(1.山西農業科學院谷子研究所,山西長治 046011;2.鄭州輕工業學院,河南鄭州 450000)

谷子[Setariaitalica(L.)Beauv.]又名粟,禾本科狗尾草屬植物,脫殼后為小米,起源于我國黃河流域,其種植歷史距今已有7000余年,是世界上最古老的農作物之一[1-2]。我國谷子分布面積較廣,主產區為華北、西北、東北地區。其中山西省由于地形復雜、氣候多樣化,特殊的生態環境造就了山西不僅是谷子的主產區,也是擁有沁州黃等多個知名谷子品種的優質產區[3]。小米營養豐富,含有蛋白質、糖類、脂肪、多種維生素及硒、鐵等多種人體所必需的營養物質,營養素配比合理,人體吸收消化率高[4-5]。

面團流變學特性是衡量面團耐揉性和粘彈性的綜合指標[6],是目前國內育種和品質檢測單位的首要分析指標,決定著饅頭、面條、餅干等最終產品的加工品質,為面粉的分類和用途提供科學的參考依據[7-8]。小米本身不含面筋蛋白,不能形成面團,限制了其現代工業的發展。因此,將小米粉添加到小麥粉中,研究其面團流變學特性可以了解小米混合粉的品質,對指導小米制品的品質改良和加工具有十分重要的意義。

目前,在有關小米-小麥粉面團品質研究中,主要是依據測定的指標對相關樣品進行單指標的比較或簡單的匯總分析[9-12],而采用統計學方法對小米-小麥粉面團品質進行綜合評價的研究較少。主成分分析法將原來眾多的并且相關的指標轉化為個數較少且彼此獨立或不相關的變量,使用較少的變量去解釋原有變量的大部分變異,將復雜的信息簡單化,構建評價模型,避免了重復信息的干擾[13-15]。本研究主要是以13個小米品種為材料,按0～35%比例添加到小麥粉中,對小米-小麥混合粉面團粉質特性和拉伸特性進行研究,基于主成分分析,綜合評價了小米-小麥混合粉面團流變學特性,篩選出小米品種及其較適宜的添加比例,旨在為小米粉在食品加工中的開發利用和工業化生產提供技術支撐和理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

長農35、青谷、長生07、長農40、112、113 其中112、113為糯性品種,山西農科院谷子研究所;白谷 吉林農科院;豫谷18 河南農科院;冀谷19 河北農科院;黃金苗 內蒙古農科院;大同29 山西農科院高寒區作物研究所;晉谷51 山西農科院作物科學研究所;晉谷21 山西農科院經濟作物研究所;小麥粉 中糧神象香雪特一粉,鄭州中糧糧油工業有限公司。

Farinograph-AT粉質儀、Extensograph-E拉伸儀 德國布拉本德公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 小米粉的制備 小米經除雜后,在40 ℃干燥至恒重后進行磨粉,將磨好的小米粉過100目篩。

1.2.2 混合粉的制備 將小米粉分別與小麥粉按質量比進行梯度配粉,其配粉比例分別為0%、5%、10%、15%、20%、25%、30%、35%。配粉充分混勻后,過80目篩。

1.2.3 流變學特性測定 粉質參數采用德國布拉本德粉質儀測定,參照ICC標準(No.115)和GB/T 14614-2006進行測定;拉伸參數采用德國布拉本德拉伸儀測定,參照ICC標準(No.114)和GB/T 14615-2006進行測定。

1.2.4 數據處理 采用SPSS 18.0統計分析軟件,對小米-小麥混合粉流變學特性的主成分進行分析。

2 結果與分析

2.1 小米-小麥混合粉面團流變學特性與統計分析

由表1可以看出,除吸水率的變異系數為4.1%較小外,其他16項指標的變異系數均較大,特別是形成時間、穩定時間和拉伸曲線面積的變異系數最大。這說明不同品種、不同比例的小米-小麥混合粉面團品質指標差異較大,隨著小米粉添加量的不同,對混合粉面團粉質拉伸特性有較大的影響;比較均值和中位數發現,指標的中位數均接近其平均數,說明這些數據點分布均勻。以上結果表明,小米-小麥混合粉面團各指標測定值均在接受范圍內,離群點較少,混合粉面團特性差異較大,具有一定的廣泛性和代表性。這些差異一方面是由于小米粉添加比例不同造成的;另一方面是不同品種造成的,但是單個指標不能綜合評價小米-小麥混粉面團粉質和拉伸特性,需要進一步的統計分析。

表1 小米-小麥混合粉面團流變學特性與統計分析Table 1 Statistical analysis and rheological properties of dough made by millet and wheat mixed flour

2.2 小米-小麥混粉面團流變學特性的主成分分析

2.2.1 小米-小麥混粉面團特性KMO和Bartlett的檢驗 通過SPSS軟件將原始數據標準化做KMO和Bartlett檢驗,其結果如表2所示。KMO值為0.843,接近于1,說明變量間的相關性顯著,原有變量適合作因子分析;Bartlett球度檢驗的Sig值為0,小于顯著水平0.05,說明變量之間存在相關關系,適宜用因子分析研究變量之間的關系。

表2 KMO和Bartlett的檢驗Table 2 Verification of KMO and Bartlett

2.2.2 主成分確定 由表3所得原始數據相關系數矩陣的特征值及累計方差貢獻率可見,前兩個主成分方差貢獻率分別為72.346%和12.860%;其相關矩陣特征值分別為12.299和2.186,前兩個主成分的累計方差貢獻率達到85.21%,說明前兩個主成分所包含的要素信息量已達到原始變量的大部分信息。因此,可將17個變量壓縮成2個主成分。

表3 小米-小麥混合粉面團的相關系數矩陣特征值及累計方差貢獻率Table 3 The eigenvalues and accumulative variance contribution of correlation coefficient matrix of the dough made by millet and wheat mixed flour

2.2.3 主成分載荷矩陣和公因子方差 由表4可知,形成時間、質量指數、45 min拉伸曲線面積、45 min拉伸阻力、45 min延伸度、45 min最大拉伸阻力、90 min拉伸曲線面積、90 min拉伸阻力、90 min延伸度、90 min最大拉伸阻力、135 min拉伸曲線面積、135 min拉伸阻力、135 min延伸度、135 min最大拉伸阻力在第一主成分上有較高的載荷量,分別為0.83、0.86、0.98、0.91、0.88、0.98、0.98、0.84、0.86、0.98、0.98、0.78、0.86、0.96,表明第1主成分對這14個指標起支配作用;吸水率、穩定時間、弱化度在第2主成分的載荷量分別為0.71、-0.47、0.50,與第2主成分存在很強的相關性。因此,第1、2主成分可較好的解釋17個變量。

表4 主成分的初始因子載荷矩陣和公因子方差Table 4 The principal components load matrix and common factors variance

2.3 小米-小麥混粉面團流變學特性的綜合評價

提取出來的兩個主成分可以基本反映全部指標信息。因此,需計算出主成分表達式的系數,即主成分載荷的數據(表4)除以主成分相對應的特征根(或特征值)開平方根得到兩個主成分中每個指標所對應的系數。

主成分1(F1)、主成分2(F2)與各個變量的線性組合表達式如下:

F1=0.18X1+0.24X2+0.10X3-0.14X4+0.25X5+0.28X6+0.26X7+0.25X8+0.28X9+0.28X10+0.24X11+0.25X12+0.28X13+0.28X14+0.22X15+0.25X16+0.27X17

F2=0.48X1+0.05X2-0.32X3+0.34X4-0.22X5+0.07X6-0.22X7+0.27X8-0.07X9+0.09X10-0.26X11+0.29X12-0.09X13+0.10X14-0.29X15+0.32X16-0.11X17

以表4中前2個主成分對應的方差貢獻率作為權重,由小米-小麥混粉面團流變學特性的評價函數計算主成分綜合表達式如下:

F=0.19X1+0.18X2+0.03X3-0.06X4+0.15X5+0.21X6+0.16X7+0.22X8+0.19X9+0.21X10+0.14X11+0.22X12+0.19X13+0.22X14+0.12X15+0.22X16+0.18X17

根據第1主成分、第2主成分及綜合主成分的表達式及系數,計算出主成分值及綜合主成分值如表5所示。小米粉按不同比例添加到小麥粉中使面團品質發生了較大的變化;從不同的小米添加量來看,根據綜合主成分值,豫谷18、白谷、冀谷19排在前三,說明在這13個小米品種中,豫谷18、白谷、冀谷19綜合主成分值高,品質優,適宜制作高筋類的食品;113、112綜合主成分值明顯低于其他品種,112和113是糯小米,綜合主成分值低,較適宜加工低筋類的食品;糯小米粉加入對混合粉品質影響較大。小米配粉在配比為5%～15%時,綜合主成分值為正值,對配粉面團品質不會產生太大影響,當小米粉添加量超過15%時,除白谷、豫谷18這兩個品種之外,其余品種綜合主成分值均為負值,說明小米小麥混合粉面團品質顯著降低。

表5 小米-小麥混合粉面團品質的綜合排名Table 5 The comprehensive ranking of quality of dough made by millet and wheat mixed flour

續表

續表

3 結論

混合粉面團流變學特性隨著小米粉添加量的增加而變差,不適合面制品的加工利用,但不同品種與添加量的小米粉對面團粉質拉伸特性的影響程度不同。主成分分析表明,隨著小米粉添加量的增加,綜合主成分值降低,粉質拉伸特性降低;小米粉較適宜的添加量為15%。根據綜合主成分值,豫谷18、白谷和冀谷19最適宜加工高筋類食品,112和113較適宜制作低筋類食品。因此,在制作小米-小麥混合粉的面制食品時,可根據產品的需求選擇合適的小米粉品種和添加量。

[1]Bourassa P,Hasni I,Tajmir-Riahi H A. Folic acid complexes with human and bovine serum albumins[J]. Food Chemistry,2011,129(3):1148-1155.

[2]薛月圓,李鵬,林勤保. 小米的化學成分及物理性質的研究進展[J]. 中國糧油學報,2008,23(3):199-203.

[3]王強,孫曉明,宋玉麗,等.小米資源的開發利用[J]. 中國食物與營養,2000(6):26-27.

[4]王殿瀛,郭桂蘭,王節之,等. 中國谷子主產區谷子生態區劃[J]. 華北農學報,1992,7(4):123-128.

[5]蔡金星,劉秀鳳. 論小米的營養及其食品開發[J]. 西部糧油科技,1999,24(1):38-39.

[6]Sarita S,Anju T,Anju B. Development and nutrition evaluation of proso millet-based conveniencemix for infants and children[J].Food Science and Technolog,2001,38(5):480-483.

[7]Shinoj S,Viswanathan R,Sajeev M S,et al. Gelatinisation and rheological characteristics of minor millet flours[J]. Biosystems Engineering,2006,95(1):51-59.

[8]Nishizawa N,Sato D,Lto Y,et al. Effects of dietary protein of proso miller on liver injury induced by D-galactosamine in rats[J]. Bioscience Biotechnology & Biochemistry,2002,66(1):92-96.

[9]田小紅,汪麗萍,譚斌,等. 小米粉含量對小米小麥混合粉及其掛面品質特性的影響研究[J]. 中國糧油學報,2014,29(8):17-22.

[10]李紫云,曾凡坤,汪麗萍,等. 小米-小麥預混合粉的粉質特性和糊化特性研究[J]. 糧食加工,2013,21(4):1-6.

[11]杜文娟,馬玉玲,姜龍波,等. 黃米-小麥混合粉流變學特性的研究[J]. 食品工業科技,2016,37(6):114-118.

[12]鄧麗,Kizzy Nerissa Kira Ereia Rennie,梁葉星,等. 脫脂糯小米米糠粉對面團流變學性質及饅頭品質的影響[J]. 食品科學,2015,36(7):50-55.

[13]方晨,楊葉,伍書劍,主成分分析和聚類分析在軟件重構中的應用[J]. 計算機軟件與計算方法,2009,30(2):366-367.

[14]張敏,劉輝. 基于主成分分析法的小米食用品質評價模型的建立[J]. 東北農業大學學報,2011,42(8):7-12.

[15]宋江峰,李大婧,劉春泉,等. 甜糯玉米軟耀頭主要揮發性物質主成分分析和聚類分析中國農業科學[J]. 中國農業科學,2010,43(10):2122-2131.