基于主成分分析的糯小麥品質評價和分類

尚保華，孫 睿,2，姜文超,2，何海濤,2，裴雪霞，黨建友,*

（1.山西農業大學小麥研究所，山西 臨汾 041000；2.山西農業大學農學院，山西 晉中 030801）

糯小麥作為功能性小麥代表，其開發和應用引起了研究者的廣泛關注，由于其特殊的淀粉組成，在食品加工應用方面有很大的潛能[1]。近10 a，我國相繼培育出‘紫糯麥1號’‘晉麥99’‘首佳糯麥801’等多個糯小麥品種。但由于氣候、土壤和環境等自然環境條件的差異[2]，造成了不同產地糯小麥在籽粒（硬度）、面團及烘焙品質等方面存在差異，而這些指標是決定糯小麥綜合品質的重要指標。因此，研究不同產地糯小麥綜合品質差異，對糯小麥的高價值開發利用具有十分重要的意義。

淀粉是面制食品的主要成分，其次是蛋白質和脂類等，對食品的外觀、結構、口感和質量具有重要作用。普通小麥淀粉由70%～80%的高支鏈淀粉和20%～30%的直鏈淀粉組成，而糯小麥淀粉基本由98%的支鏈淀粉組成[3]。因此，與普通小麥淀粉相比，糯小麥淀粉具有較高的糊化溫度、峰值黏度和溶脹力[4]等獨特的功能特性。糯小麥粉可以形成黏稠的面團，具有黏彈性和保留氣體的能力，這對于生產質地輕盈的烘焙產品[5]必不可少。面團流變學的重要特性包括黏彈性、延展性、凝聚性、持水持油能力[6]。這些特性影響面團混合、成片和烘焙性能，對于預測最終烘焙產品的質量非常重要，其最終產品性能由面粉的糊化性能[7]決定。面團流變性取決于小麥品種、面團發酵、攪拌時間和溫度以及添加劑的應用等多種因素[8-10]。以往的糯小麥相關研究主要集中在品種選育[11]、分子標記[12]及其淀粉理化性質方面[13]，相比之下，雖然有一些關于個別糯小麥粉在食品加工中的應用研究，但關于不同糯小麥品種硬度差異、綜合品質評價及分類卻少有研究。

本研究以近10 a審定的17 個糯小麥品種為研究對象，測定其22 個品質指標，包括籽粒品質（硬度指數、蛋白質含量、沉降值、濕面筋含量）、面團流變學（吸水率、形成時間、穩定時間、延伸度、最大阻力、拉伸面積）和淀粉品質（淀粉含量、直鏈淀粉含量、淀粉粒體積平均粒徑和體積占比）和糊化指標（峰值黏度、低谷黏度、稀懈值、最終黏度、回生值、峰值時間和糊化溫度），并對其進行主成分分析[14]（principal component analysis，PCA），得出不同類型糯小麥品質的綜合評價模型，確定影響糯小麥品質差異的主要指標，進而利用聚類分析對不同品種糯小麥分類，旨在為糯小麥品質評價、分類和利用提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

供試材料為2008—2021年山西、山東、四川、安徽、江蘇、河南審定的17 個糯小麥品種（表1），均來源于各育種單位，2021年種植于山西農業大學小麥研究所韓村試驗基地（東經110°22’，北緯35°23’，年平均氣溫15.3 ℃）。

表1 供試糯小麥品種基本信息Table 1 General information of waxy wheat varieties tested

所有供試品種均于2021年10月24日播種，采用隨機區組設計，2 行區，行長3.0 m，3 次重復，統一采用常規管理方法。生育期降水總量為258.2 mm，2022年6月11日收獲。新收獲的糯小麥放置1 個月后，使用brabender小型實驗磨進行磨粉，出粉率為69%～71%，過80 目篩，所得面粉用于面團流變學和糊化特性指標測定。粗蛋白含量、淀粉含量及淀粉粒度分布所用樣品均為糯小麥全麥粉樣品。

1.2 儀器與設備

SKCS4100單籽粒谷物特性測定儀、2200自動面筋洗滌系統 瑞典Perten儀器公司；B-324全自動凱氏定氮儀 瑞士Büchi公司；880508沉降值測定儀、810130電子粉質儀、860704電子拉伸儀 德國Brabender公司；Multiskan GO多功能酶標儀 美國賽默飛公司；Matersizer3000激光粒度儀 英國Malvern Panalytical公司；RVA-supers 3快速黏度儀 澳大利亞Newport公司。

1.3 方法

1.3.1 籽粒硬度指數測定

將糯小麥籽粒在同一條件下晾曬3 d，水分質量分數控制在11%～13%之間，使用單籽粒谷物特性測定儀測定硬度指數，測定樣本量為300 粒。

1.3.2 品質指標測定

蛋白質含量：根據GB/T 24871—2010《糧油檢驗 小麥粉粗蛋白質含量測定》，采用凱氏定氮法測定；濕面筋含量：參照AACC Method 38-12A標準方法，采用自動面筋洗滌系統進行測定；沉降值：根據GB/T 21119—2007《小麥 沉淀指數測定 Zeleny試驗》，采用沉降值測定儀測定；粉質參數：根據GB/T 14614—2019《糧油檢驗 小麥粉面團流變學特性測試 粉質儀法》，采用電子粉質儀測定；拉伸參數：根據GB/T 14615—2019《糧油檢驗 小麥粉面團流變學特性測試 拉伸儀法》，采用電子拉伸儀測定。淀粉含量：根據NY/T 11—1985《谷物籽粒粗淀粉測定法》提取小麥籽粒總淀粉，采用酶標儀在510 nm波長處測定吸光度，計算葡萄糖含量，通過標準曲線求出總淀粉含量；直鏈淀粉含量：根據NY/T55—1987《水稻、玉米、谷子籽粒直鏈淀粉測定法》提取后，通過酶標儀在620 nm波長處測定吸光度，計算直鏈淀粉含量。

1.3.3 淀粉粒徑分布測定

參考徐家露[15]的方法，采用激光粒度儀對樣品中淀粉粒徑分布進行檢測。

1.3.4 糊化特性測定

稱取3.5 g糯小麥粉（水分質量分數14%）于鋁盒，并加入25 mL蒸餾水，旋轉漿片使其充分混勻，置于快速黏度儀測定糊化特性。

1.4 數據處理與分析

通過Excel 2007軟件處理實驗數據，運用SPSS 22.0統計軟件進行PCA與聚類分析。

2 結果與分析

2.1 不同糯小麥品種籽粒硬度及其類型

如表2、3所示，17 個供試糯小麥品種籽粒硬度指數在25.2～73.82之間，存在較大差異。按照籽粒硬度指數大小及級別將供試品種分為3 類：軟質型、混合型和硬質型。符合硬質型標準的糯小麥品種為7 個，比例為41.18%，硬度指數平均值為63.07，變異系數為11.20%；混合型和軟質型的品種數相同，均為5 個，比例為29.41%，軟質型硬度指數平均值為36.29，變異系數最大（18.13%），混合型硬度指數平均值為49.02，變異系數最小（5.07%）。從適宜麥區來看，黃淮北片麥區糯小麥籽粒偏硬質型，南方麥區籽粒偏軟質型或者混合型。

表2 供試糯小麥品種的硬度分類Table 2 Classification of hardness of waxy wheat varieties tested

表3 不同類型糯小麥的硬度指數Table 3 Hardness indexes of different waxy wheat types

2.2 不同硬度糯小麥品種面團流變學特性

如表4所示，糯小麥籽粒品質中蛋白質量分數和沉降值分別在12.25%～16.03%和18.9～33.9 mL之間。軟質型、混合型和硬質型糯小麥品種的平均蛋白質量分數分別為14.80%、14.46%和15.09%；平均沉降值分別為25.8、28.4 mL和29.4 mL，硬質型糯小麥品種的平均蛋白質含量和沉降值均高于混合型和軟質型。17 個供試糯小麥品種籽粒流變學特性中，粉質指標吸水率、形成時間和穩定時間分別在66.9～77.6 mL/100 g、2.2～5.5 min和1.5～4.1 min之間，‘濟糯1號’吸水率最高，‘運糯32號’吸水率最低，軟質型、混合型和硬質型糯小麥品種的平均吸水率分別為71.4、69.2 mL/100 g和72.6 mL/100 g；平均形成時間分別為3.3、3.3 min和4.0 min；平均穩定時間分別為2.6、2.6 min和2.8 min；硬質型糯小麥品種的平均吸水率、形成時間和穩定時間均高于混合型和軟質型，且形成時間大于穩定時間。流變學特性中拉伸指標延展性和最大拉伸阻力分別在128～185 mm和124～255 BU之間，軟質型、混合型和硬質型糯小麥品種的平均延展性分別為162、159 mm和152 mm，平均最大拉伸阻力分別為163、169 BU和162 BU。對照小麥蛋白質質量分數、沉降值、吸水率、延展性和最大拉伸阻力分別在13.24%～14.28%、30～40.5 mL、58.8～63.7 mL/100 g、112～146 mm和219～449 BU之間。糯小麥品種與對照普通小麥相比，吸水率（平均值為71.1 mL/100 g）明顯較高，蛋白質量分數（平均值為14.78%）和延展性（平均值為157.7 mm）略高，但沉降值、穩定時間和最大拉伸阻力略低于普通小麥，因其化學成分含量、結構的不同，在面團持水性、延伸性方面表現出較普通小麥粉更好的加工特性。

表4 糯小麥品種籽粒品質和面團流變學特性Table 4 Grain quality and dough rheological properties of waxy wheat varieties

2.3 不同硬度糯小麥品種淀粉含量及粒度分布

由表5可知，不同硬度糯小麥品種分離得到的直鏈淀粉相對含量均較低，在0.61%～1.84%之間，平均值為1.01%，也證實了其糯性特征，其中‘首佳糯麥801’直鏈淀粉含量最低，‘冀糯200’直鏈淀粉含量最高。軟質糯小麥品種的平均淀粉質量分數（70.40%）和直鏈淀粉相對含量（0.76%）均低于混合型和硬質型。對照普通小麥的直鏈淀粉相對含量在22.58%～24.22%之間，遠高于糯小麥直鏈淀粉相對含量。

表5 糯小麥品種的淀粉含量及粒度分布Table 5 Starch content and granule size distribution of waxy wheat varieties

不同糯小麥品種的淀粉粒度分布呈雙峰型。大顆粒（≥10 μm）和小顆粒（＜10 μm）分為A型和B型。如表5所示，A型淀粉粒所占比例高達74.04%～83.75%，B型淀粉粒所占比例為17.46%～26.08%。混合型淀粉中A型淀粉粒的平均比例最高且淀粉體積平均粒徑最大（18.64 μm），B型顆粒的平均比例最小，而硬質淀粉中B型顆粒的平均比例最高，A型顆粒的平均比例最小，體積平均粒徑最小（16.92 μm）。普通小麥A型淀粉和B型淀粉所占比例、體積平均粒徑與硬質糯小麥淀粉相當。

2.4 不同硬度糯小麥品種糊化特性分析

如表6所示，不同糯小麥品種的峰值黏度和稀懈值分別在1 071～3 260 cP和876～2 130 cP之間。‘首佳糯麥801’的峰值黏度和稀懈值最高。軟質型、混合型和硬質型糯小麥品種的平均峰值黏度分別為2 236、2 027 cP和2 026 cP。軟質型糯小麥品種的平均峰值黏度高于混合型和硬質型。軟質型、混合型和硬質型糯小麥品種的平均稀懈值分別為1 548、1 324 cP和1 281 cP。淀粉的最終黏度和回生值分別為335～1 590 cP和138～523 cP。‘寧糯麥1號’的最終黏度和回生值最低，‘安農1012’的最高。軟質型、混合型和硬質型糯小麥品種的平均最終黏度分別為957、1 045 cP和1 006 cP，平均回生值分別為268、341 cP和261 cP。淀粉的糊化時間在3.20～3.87 min之間，軟質型、混合型和硬質型品種的平均糊化時間分別為3.52、3.60 min和3.65 min，平均糊化溫度分別為67.5、66.8 ℃和66.5 ℃。不同硬度糯小麥糊化溫度和糊化時間平均值間無顯著差異。3 個對照小麥品種的峰值黏度、最終黏度、回生值和糊化時間分別在2 744～3 097 cP、3 457～3 874 cP、1 215～1 765 cP和6.27～6.60 min之間，以上糊化指標均比糯小麥品種的數值高。與對照品種相比，糯小麥面粉具有較短的糊化時間（平均值為3.59 min），較低的峰值黏度（平均值為2 096 cP）、最終黏度（平均值為1 003 cP）和回生值（平均值為290 cP）（圖1），因此具有快速糊化且不易老化的趨勢。

圖1 不同硬度糯小麥和普通小麥面粉的糊化特性Fig.1 Flour pasting properties of waxy wheat and common wheat varieties with different hardnesses

表6 不同硬度糯小麥品種的糊化特性Table 6 Gelatinization characteristics of waxy wheat varieties with different hardnesses

2.5 PCA

參照邱珊蓮等[16]的方法分別對不同硬度類型的糯小麥品質性狀進行PCA，提取特征值大于1的PC，得到PC的特征值和方差貢獻率，根據楊玉寧[17]和姜蘭芳[18]等的方法，以各PC對應的方差貢獻率作為權重，對PC得分和相應的權重進行線性加權，建立不同類型糯小麥綜合品質評價模型，如表7所示。軟質型和混合型糯小麥都提取到4 個PC因子，累計貢獻率均達到100%。其中，對軟質型糯小麥提取因子F1貢獻較大的指標有淀粉粒體積平均粒徑、A型淀粉粒體積占比和濕面筋含量，載荷值分別為－1.000、－0.988和0.971，對F2因子貢獻較大的為回生值、最終黏度和低谷黏度，載荷值分別為0.983、0.977和0.974，F1和F2的累計貢獻率達69.052%，超過總貢獻率的50%，說明淀粉粒體積平均粒徑、A型淀粉粒體積占比、濕面筋含量、回生值、最終黏度和低谷黏度6 個指標是影響軟質糯小麥品質差異的主要因素。

表7 糯小麥PCA的特征值、貢獻率和評價模型Table 7 PCA eigenvalues,contribution rates and evaluation models for waxy wheat varieties with different hardnesses

對混合型糯小麥提取因子F1貢獻較大的指標有最終黏度、低谷黏度、峰值時間、回生值和峰值黏度，載荷值分別為0.990、0.986、0.959、0.950和0.917，對F2因子貢獻較大的為蛋白含量、最大拉伸阻力和淀粉含量，載荷值分別為0.978、0.976和－0.922，F1和F2的累計貢獻率達70.316%，說明糊化特性、蛋白質含量、最大拉伸阻力和淀粉含量是影響混合型糯小麥品質差異的主要指標。

硬質型糯小麥PCA提取到5 個PC因子，累計貢獻率達到95.472%。對F1貢獻較大的指標有淀粉粒體積平均粒徑和A型淀粉粒體積占比，載荷值分別為0.984和0.974，對F2貢獻較大的為最終黏度、回生值和低谷黏度，載荷值分別為0.967、0.945和0.929，F1和F2的累計貢獻率達52.300%，說明淀粉粒體積平均粒徑、A型淀粉粒體積占比、最終黏度、回生值和低谷黏度5 個指標是影響硬質型糯小麥品質差異的主要指標。

由此可知，影響軟質型和硬質型糯小麥品質差異的主要因素是相同的，均為淀粉粒體積平均粒徑、體積占比及其糊化特性指標。而糊化特性、蛋白質含量、最大拉伸阻力和淀粉含量是影響混合型糯小麥品質差異的主要指標。

2.6 聚類分析

聚類分析被認為是研究作物資源差異和分類的主要評價方法之一，通常參與聚類的指標越多越能綜合反映品種的客觀品質。將22 個品質性狀進行標準化后，采用組間連接法基于歐氏距離進行聚類，如圖2所示，在歐氏距離16.5處可將供試材料聚類為3 大類，進一步對各類群糯小麥的品質參數進行統計分析。第I類聚集了軟質型和混合型糯小麥綜合評分最高的3 個品種，其面粉糊化特性參數均最高，與其他類群相比，濕面筋含量最高。第II類聚集了6 個硬質型糯小麥品種，面粉流變學特性較好，糊化特性指標居中，A型淀粉粒體積占比和體積平均粒徑最低，表明該類群的加工品質最好。第III類聚集了4 個軟質型（‘運糯32號’‘川糯麥1314’‘天糯158’和‘臨糯88’）、3 個混合型（‘科糯2號’‘寧糯麥1號’和‘川糯麥1456’）和1 個硬質型（‘紫糯麥1號’），總計8 個品種，與其他類群相比，其蛋白質含量和糊化特性指標均最低，表明該類群的加工品質相對較差。

圖2 糯小麥品種品質性狀聚類分析Fig.2 Cluster analysis of quality characteristics of waxy wheat varieties

3 討論

3.1 不同硬度糯小麥品種流變學特性

小麥胚乳質地是最重要和最具決定性的品質特征，有助于小麥分類，并影響碾磨、烘焙和最終使用質量。本研究17 個供試糯小麥品種中，適宜黃淮北片麥區的籽粒偏硬質型，南方麥區籽粒偏軟質型或混合型，且硬質型糯小麥的比例高于混合型和軟質型，這與以往研究中認為糯小麥籽粒主要表現為軟質型的結論[11]有所不同。由于研究選取的供試材料均為審定品種，首先通過對實驗測定的蛋白質含量、沉降值、濕面筋含量、吸水率、形成時間和穩定時間與該品種在審定公告中的品質信息進行比較，發現這些指標基本一致，其中蛋白質含量略有差異，這主要是由于種植地點、氣候環境及管理條件的差異所致；進一步對不同硬度小麥供試材料的流變學參數進行比較發現，硬質型糯小麥的蛋白質含量、吸水率和穩定時間均高于混合型和軟質型，其中籽粒硬度表現為硬質型的‘濟糯1號’吸水率最高，軟質型的‘運糯32號’吸水率最低，這與Pasha等[19]的研究結果類似，該研究表明軟質型小麥籽粒易碎裂，從而在磨粉過程中產生大量完整的淀粉粒，形成對淀粉損傷較小的細面粉，而硬質型籽粒在磨粉過程中淀粉斷裂面顆粒破碎，淀粉損傷程度較高，從而形成質地較粗的面粉。受損的淀粉具有更高的吸水能力[20]，更容易被α-淀粉酶水解。Yu Jinglin等[21]研究認為蛋白質含量高的小麥往往較硬，面筋網絡較強，蛋白質含量低的小麥往往較軟，面筋網絡較弱。但本研究中，軟質型糯小麥‘首佳糯麥801’和‘天糯158’蛋白質含量較高，表現出較好的面團流變學特性，說明糯小麥筋力強弱受遺傳背景及環境影響較大，為培育強筋優質的糯小麥提供可能性。而無論生態區域、硬度指數如何，糯小麥的吸水率明顯高于普通小麥，與前人研究[22]一致，這種差異可能與糯小麥的支鏈淀粉結構有關，高度支化的大分子往往能迅速吸收蛋白質溶劑化所不能吸收的水分[23]。與普通小麥相比，用糯小麥制作的面團具有較低的混合穩定性和較高的軟化度，雖然蛋白質含量較高，但面筋網絡較弱，結構較松散[24]，本研究中，‘濟糯1號’和‘冀糯200’的拉伸特性參數延展性顯著大于其他糯小麥品種和3 個對照（普通小麥），延展性更好，在加工領域具有極大的研究價值和開發潛力。

3.2 不同硬度糯小麥品種淀粉特性

淀粉是面制品的主要成分，對食品的外觀、結構和質量具有重要的作用。淀粉老化被認為是面包在貯存期間變硬的主要原因之一，通常被稱為面包變質，而直鏈淀粉被認為是烘烤后最初幾個小時內出現這種現象的主要原因[25]。本研究中，不同硬度的糯小麥品種分離得到的直鏈淀粉相對含量在0.61%～1.84%之間，相比審定公告中直鏈淀粉含量（0%）相對偏高，直鏈淀粉含量的變化與基因型、植物來源和氣候條件的差異有關[26-28]；在不同供試品種中，硬質型糯小麥的直鏈淀粉含量高于軟質型，而軟質型糯小麥的糊化特性參數平均峰值黏度（2 236 cP）和稀懈值（1 548 cP）高于硬質型峰值黏度（2 026 cP）和稀懈值（1 281 cP）。這可能是由于硬質糯小麥品種中游離脂含量較低所致。Yu Jinglin等[21]研究表明糯小麥胚乳淀粉主要由支鏈淀粉組成，且直鏈淀粉（1.2%～2.0%）和脂肪質量分數（0.12%～0.29%）遠低于普通小麥直鏈淀粉（26.0%～28.4%）和脂肪質量分數（1.05%～1.17%）。峰值黏度主要與支鏈淀粉分子性質有關，而直鏈淀粉脂復合物或直鏈淀粉可抑制顆粒膨脹，降低峰值黏度[29]。本研究中不同硬度指數糯小麥品種的淀粉顆粒體積比例與普通小麥相似，混合型淀粉中A型淀粉粒的體積比例最大，而硬質型淀粉中B型淀粉粒的體積比例最大。前人研究指出，B型淀粉粒在硬質小麥籽粒中占比較高，蛋白骨架與淀粉粒結合致密，從而使得面團具有高吸水力[30]，這也是硬質型糯小麥面團吸水率較高的原因。本研究也進一步證實，硬質糯小麥中B型淀粉粒體積占比高，且吸水率較高。與普通面粉相比，糯小麥面粉有較短的峰值時間，較低的峰值黏度、最終黏度及回生值，因此具有更快糊化和不易老化趨勢[31]。本研究中，‘寧糯麥1號’的糊化特性參數均顯著小于其他糯小麥粉，有研究表明，糯小麥品種（系）間糊化特性參數的差異主要與直鏈淀粉含量及B型淀粉粒的體積比例有關[32]。

借助PCA方法，揭示不同硬度類型的糯小麥品種品質差異，精準找到淀粉粒體積平均粒徑、體積占比及其糊化特性指標（回生值、最終黏度和低谷黏度）是影響軟質型和硬質型糯小麥的主要差異指標。而糊化特性、蛋白質含量、最大拉伸阻力和淀粉含量是影響混合型糯小麥品質差異的主要指標。由此可知，籽粒的硬度影響糯小麥面粉中破損淀粉粒的粒徑，進而影響淀粉的糊化特性，最終影響面粉的綜合加工品質，在今后的糯小麥育種工作中，在注重提升面筋筋力的同時也需關注糯小麥淀粉粒的特性。本研究后續還需進一步豐富樣品容量，如不同的生態區、軟硬度、品種等樣品，同時繼續通過聚類分析與因子分析相結合的方式全面、客觀地對糯小麥的綜合品質進行分析和評價。

4 結論

不同硬度糯小麥品種的籽粒品質、面團流變學特性和糊化特性之間存在較大差異。其中硬質型糯小麥的蛋白質含量、吸水率和穩定時間均高于混合型和軟質型，且硬質糯小麥中直鏈淀粉含量相對較高，B型淀粉粒體積占比高。結合PCA法精準找到影響不同硬度類型糯小麥品質差異的主要指標，其中，淀粉粒體積平均粒徑和體積占比及其糊化特性（回生值、最終黏度和低谷黏度）是影響軟質型和硬質型品質差異的主要指標。而糊化特性指標（最終黏度、低谷黏度、峰值時間、回生值和峰值黏度）、蛋白質含量、最大拉伸阻力和淀粉含量是影響混合型糯小麥品質差異的主要指標。17 個糯小麥品種根據綜合品質可聚為3 類，第II類（‘山農糯麥1號’‘晉麥99號’‘濟糯116’‘濟糯1號’‘冀糯200’‘揚糯麥1號’）品質相對最優；第I類（‘安農1012’‘安農1019’和‘首佳糯麥801’）次之；第III類（‘運糯32號’‘川糯麥1314’‘天糯158’‘臨糯88’‘科糯2號’‘寧糯麥1號’‘川糯麥1456’‘紫糯麥1號’）品質相對最差。