基于主成分分析的不同小麥品種大曲發酵動態品質評價

劉淼，丁麗，趙夢夢，葉映彤，熊燕飛，韓保林，陳國躍，蒲至恩，李偉*

1(瀘州老窖股份有限公司，四川 瀘州，646000)2(四川農業大學小麥研究所，四川 成都，611130)3(四川農業大學 農學院，四川 成都，611130)4(四川輕化工大學 生物工程學院，四川 宜賓，644000)

中國白酒是世界上最古老的蒸餾酒之一，大曲在白酒釀造過程中影響出酒率，酒質和酒的香型[1]。大曲質量評價主要根據感官、理化和微生物指標[2-3]。優質大曲取決于在生產中對關鍵因素的有效控制[4]。小麥具有豐富的淀粉和蛋白質[5]，可為微生物的生長、繁殖及代謝提供基礎，是大曲的主要原料[6]。近年來，小麥品質對大曲和釀酒的影響日益受到重視。如花小麥所制曲塊在多個質量指標上優于白小麥[7]，有機原糧大曲較普通大曲更有利于釀酒產量與質量的提高[8]，而添加糯小麥可提升粳高粱和普通小麥的釀酒品質[9]。

由于對原糧品質與大曲質量間關系了解較少，對專用型品種選育的目標性狀尚不明確。因此，本研究選用不同品質特征小麥品種，對其品質與大曲質量指標間關系進行分析，為原糧選擇和專用品種選育提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

甲醛、可溶性淀粉、NaOH、己酸、無水碳酸鈉、酚酞指示劑、鄰苯二甲酸氫鉀、無水乙醇、碘、KI、甲醛、重鉻酸鉀、濃H2SO4和葡萄糖，西隴化工有限公司。

1.2 儀器與設備

JYDB 100x40小麥硬度指數測定儀，布勒糧食檢測儀器無錫有限公司；UPH-Ⅲ-10T型超純水機，四川優普超純科技有限公司；Allegra X-30R Centrifuge 型離心機，貝克曼庫爾特商貿(中國)有限公司；CP224S電子天平，德國賽多利斯公司；UV-2000型紫外可見分光光度計，上海尤尼柯有限公司；Infratec TM 1241近紅外谷物籽粒分析儀，福斯分析儀器(丹麥)有限公司；FW80高速萬能粉碎機，天津市工業電器廠。

1.3 實驗方法

1.3.1 小麥籽粒原糧品質測定方法

利用近紅外谷物籽粒分析儀[10]測定小麥籽粒的品質性狀，包括容重、脂肪、濕面筋含量等9個品質性狀。室內測定千粒重，進行發芽試驗，小麥硬度指數測定儀測定籽粒硬度(hardness index，HI)，粉質率采用目測法(GB1351—2008)測定。

1.3.2 大曲發酵的方法及取樣要點

將小麥除雜，潤料后粉碎，加水拌料，用模具壓制成型，然后進行入房培養。在0、3、6、9、15 d取樣，同一時期的曲隨機取3塊，取3個批次的1/4粉碎混合，過40目篩于-20 ℃保存待測。具體發酵工藝參數及要點參考文獻[11-12]。

1.3.3 大曲分析測定方法

水分、酸度、還原糖、氨基酸態氮、淀粉消耗、糖化力、發酵力、液化力和酯化力的測定參照行業標準《釀酒大曲通用分析方法》[13]；失重變化為取樣時曲塊質量和0 d的差值所占的百分比；乙醇的制備為底物為8%的蔗糖溶液下，加入各發酵時期的1 g干曲粉，于30 ℃發酵72 h，其測定方法參照文獻[14]進行；蛋白質質量增加量利用凱氏定氮法測定[15]。

結果顯示，C組中的功能水平明顯超過AB組與對照組，差異有統計學意義（P＜0.05）。B組血清水平超過A組和對照組，差異有統計學意義（P＜0.05），AB組相比較，差異無統計學意義（P＞0.05）。

1.3.4 數據分析

數據經過Excel初步處理后，軟件Origin 6.0做圖，采用SPSS 19.0進行單因素方差分析(ANOVA)、Turkey差異顯著性檢驗、簡單相關分析、回歸分析和主成分分析(principal component analysis，PCA)。利用主成分因子計算主成分得分并和相應的權重進行線性加權求和[16]，計算出各品種的綜合評價得分。

2 結果與分析

2.1 小麥籽粒和大曲品質性狀分析

供試品種在12個品質性狀上存在顯著或極顯著差異(表1)。其中，昌麥34千粒重最大，蜀麥482容重最大，綿麥51在千粒重和容重上均表現為最小值。川麥39蛋白質含量最高，吸水率、濕面筋含量和沉降值也較高。昌麥34和蜀麥691的淀粉含量較高，而川麥39最低。方差分析表明(表2)，蛋白質質量分數增加量和糖化力在品種間差異達到顯著和極顯著，水分、酸度等多個理化指標在不同發酵階段差異顯著和極顯著，并且品種與發酵時間的互作對大曲品質的影響達到顯著和極顯著。

表1 小麥品種品質性狀表現

注：*，質量分數；表中不同小寫字母在同行水平上表示差異顯著(P<0.05)

2.2 大曲理化指標的變化

大曲發酵過程中水分均緩慢下降(圖1-a)，發酵前9 d下降較快，之后趨于穩定。所有材料曲塊重量降低了約25%(圖1-b)，蜀麥691的失重變化較平緩。酸度和氨基酸態氮與曲香呈極顯著正相關[17]，曲塊酸度先增加后減小(圖1-c)。氨基酸態氮含量呈升高趨勢(圖1-d)，其可衡量蛋白質利用率和氨基酸轉化率[3, 18-19]，原料高蛋白質含量有利于微生物的生長從而提高曲塊質量[20-21]。還原糖的變化差異較大(圖1-e)，蜀麥691持續增加后略有下降。材料間乙醇產量差異較大，受基因型影響[22]，昌麥34和綿麥51先增加后下降并再次上升(圖1-f)，蜀麥691持續上升并穩定。淀粉消耗量持續下降并穩定(圖1-g)，在第15天蜀麥691消耗最多，川麥39最低。淀粉消耗能保證微生物和生化酶的富集[15, 23]。綿麥51曲塊蛋白質含量增加較快，而川麥39和昌麥34變化幅度較小(圖1-h)。高蛋白含量小麥通常硬度較大[21, 24]，制曲中較難壓制成型。

表2 不同小麥制曲發酵的品質性狀方差分析(F值)

注：*表示差異顯著(P<0.05)；**表示差異極顯著(P<0.01)(下同)

a-水分；b-失重變化；c-酸度；d-氨基酸態氮；e-還原糖；f-乙醇；g-淀粉消耗；h-蛋白質質量分數增加量

2.3 大曲品質質量指標的變化

供試材料在發酵中糖化力均先減小后增加并趨于穩定的變化(圖2-a)，蜀麥691呈波浪式變化，綿麥51變化較平緩。液化力呈現出增加的趨勢(圖2-b)，綿麥51最高(4.20 U/g)，昌麥34最低(1.64 U/g)。發酵力均呈先增加后下降的趨勢(圖2-c)，前3 d均急劇增加，到第9天有所下降，但昌麥34表現持續增加。酯化力變化均先增加后降低(圖2-d)，其中綿麥51最大，蜀麥482最小，其余材料表現較為相近。

a-糖化力；b-液化力；c-發酵力；d-酯化力

2.4 小麥品質性狀與大曲質量指標間的多元回歸分析

簡單相關分析表明(表3)，小麥品質性狀與大曲質量指標間存在復雜的相關關系，有12對性狀間顯著或極顯著正相關，12對指標間存在顯著或極顯著負相關。籽粒容重、脂肪含量、吸水率、濕面筋含量、沉降值與大曲中蛋白增加含量極顯著正相關；籽粒蛋白質含量與液化力、酯化力呈極顯著負相關。以小麥品質為自變量(X)(表3)，以大曲質量指標(YD)為因變量得到多元逐步回歸方程。其中，糖化力回歸方程為YD1=98.06+72.01X5+4.23X9+3.53X10(R2=0.58)，表明脂肪含量、沉降值和淀粉含量是影響糖化力的主要因素。液化力回歸方程為YD2=32.15-0.34X4-0.07X10(R2=0.44)，表明容重和淀粉含量是影響液化力的主要因素。發酵力回歸方程為YD3=6.208+0.03X1-0.01X4-0.007X10(R2=0.44)，表明千粒重、容重和淀粉含量是影響發酵力的主要因素。酯化力回歸方程為YD4=201.38-0.21X4-0.58X10(R2=0.49)，表明容重和淀粉含量是影響酯化力的主要因素。

表3 大曲質量指標與小麥品質的相關系數

注：D1,水分;D2,酸度;D3,氨基酸態氮;D4,還原糖;D5,乙醇;D6,蛋白增加含量;D7,淀粉消耗;D8,失重變化;YD1,糖化力;YD2,液化力;YD3,發酵力;YD4,酯化力；X1,千粒重;X2,硬度;X3,粉質率;X4,容重;X5,脂肪;X6,纖維;X7,吸水率;X8,濕面筋含量;X9,沉降值;X10,淀粉含量;X11,蛋白含量(下同)

2.5 大曲品質指標的相關性和主成分分析

大曲質量指標間相關分析表明(表4)，有24對性狀間呈顯著或極顯著正相關，18對指標間呈顯著或極顯著負相關。酸度、液化力、發酵力與氨基酸態氮含量呈極顯著正相關，液化力、乙醇與酯化力呈極顯著正相關，淀粉消耗與糖化力、液化力和酯化力呈極顯著負相關，這與前人結論一致[25]。適量的酸度可抑制有害雜菌生長繁殖，也為有益微生物提供營養和參與酯化反應生成香味物質。而水解淀粉生成的還原糖既可為微生物生長提供能量，又可生成酒精，反映了糖化與發酵速度的協調關系。還原糖和氨基酸態化合物既是微生物的碳源、氮源和能源物質，也是美拉德反應的主要反應物，可增加復合曲香。大曲糖化力和液化力影響出酒率并受淀粉消耗影響[26]。對所有指標標準化后進行主成分分析(表5)，其中前3個主成分的累積貢獻率為74.57%。第1主成分的貢獻率為50.97%，其中主要的是水分、氨基酸態氮、乙醇、淀粉消耗、失重變化、液化力和酯化力；第2主成分指標中主要是還原糖、酸度和發酵力，貢獻率為15.09%；第3主成分指標中主要是蛋白增加含量、乙醇產量、糖化力，貢獻率為8.51%。

表4 大曲品質性狀的相關系數

表5 品質評價因子成分矩陣和特征值

2.6 小麥品種發酵后質量綜合評價

對各品質指標進行標準化處理，轉化成均值為0、標準差為1 的無量綱數據。根據標準化后的各指標與因子載荷矩陣計算各主成分得分，公式如下：

PCA1=-0.37D1+0.23D2+0.30D3+0.21D4+0.32D5+0.15D6-0.33D7+0.38D8-0.22YD1+0.33YD2+0.26YD3+0.29YD4；

PCA2=0.04D1+0.29D2+0.22D3+0.36D4-0.20D5+0.55D6-0.002D7-0.04D8+0.45YD1-0.18YD2+0.21YD3-0.34YD4；

PCA3=0.25D1+0.43D2-0.26D3+0.50D4+0.19D5-0.25D6-0.04D7-0.19D8-0.38YD1-0.38YD2+0.13YD3+0.03YD4；

以3個主成分對應的方差相對貢獻率為權重，計算各品種的綜合評價得分,公式為F綜=0.68PCA1+0.20 PCA2+0.11 PCA3。

根據綜合得分模型計算出各主成分的得分，第1主成分得分川麥39和綿麥51較高，第2主成分得分蜀麥482和昌麥34較高，第3主成分得分蜀麥691和昌麥34較高。而綜合得分最好的是昌麥34和蜀麥691，表明其制曲的綜合品質相對較好。但昌麥34的粉質率較低，硬度較高，不利于曲塊的壓制。

3 結論

本研究利用5個品質特征差異較大的小麥品種制曲，對小麥的11個品質性狀和大曲發酵中5個階段的12個質量指標進行了測定，并采用方差分析、多元回歸分析和主成分分析對性狀間關系進行了深入研究。結果表明使用不同品質特征的小麥品種，對大曲質量指標有顯著的影響，因此生產中有必要選育和使用制曲專用型小麥品種。大曲主要質量指標受小麥淀粉含量、千粒重、容重、沉降值和脂肪含量等的影響，因而在品種選擇時要關注多個品質性狀的相互組合。盡管多元回歸中未檢測到小麥蛋白質含量與大曲主要質量指標間的顯著關系，這可能是因為材料間蛋白含量區間較小，材料數有限。通過主成分分析，利用性狀各主成分值和權重所得主成分綜合得分的方法來評價小麥品種制曲優劣，能更好地篩選小麥制曲原糧，克服了傳統方法根據少數指標選擇的缺點，可應用于生產實踐。