基于主成分分析的72份中強筋小麥面粉加工品質綜合評價

摘要：為有效評價不同中強筋小麥品種面粉加工品質的差異，以72份中強筋小麥品種為研究對象，對10個小麥面粉加工品質性狀進行考察，利用變異系數分析、相關性分析、主成分分析、聚類分析對供試材料面粉加工品質進行綜合評價并對其分類。結果表明，在10個品質性狀指標中，容重的變異系數最小（1.64%），穩定時間的變異系數最大（50.17%）；各品質性狀間呈現不同程度的相關性，蛋白質含量與濕面筋含量相關性最強（0.94）。通過主成分分析將10個品質性狀劃分為3個主成分因子，累計貢獻率達83.16%，可代表中強筋小麥10個品質性狀指標的大部分信息；第1主成分可概括為蛋白質質量因子，第2主成分為高容重、低弱化度因子，第3主成分為吸水率因子。聚類分析將72份小麥品種分為三大類群，類群Ⅰ表現為高穩定時間特征，聚集了37個小麥品種；類群Ⅱ聚集了綜合品質表現較差的28個小麥品種，整體表現為低吸水率、低沉降值、低穩定時間、低形成時間的特征；類群Ⅲ聚集小麥品種最少，共7個品種，其濕面筋含量、吸水率、穩定時間表現適中。

關鍵詞：中強筋小麥；面粉加工品質；主成分分析；聚類分析；綜合評價

Comprehensive Processing Quality Evaluation of 72 Medium Strong Gluten Wheat Flour Samples Based on Principal Component Analysis

HAN Xue，KONG Xinxin，YANG Dandan，ZHAO Guoxuan，SU Yazhong，

ZHAO Pengfei，JIN Jianmeng，QIU Xueling，YU Junjie，ZHAO Guojian

（Kaifeng Academy of Agriculture and Forestry Sciences，Kaifeng 475004，Henan）

小麥是全球最重要的糧食作物之一，小麥生產直接關系著我國農業生產總值與國家糧食安全，我國小麥種植面積常年在2500萬/hm2左右，每年產量可達1.3億t左右[1-2]。自1950年起，我國小麥育種常年以“穩產、高產、抗病”為主要育種目標，矮稈基因與1B/1R易位系在小麥育種生產中的廣泛應用，使小麥的生產水平顯著提高[3]。與優質小麥的供不應求相比，低品質小麥出現大量積壓銷售困難的現象，我國小麥生產結構不平衡的問題隨即凸顯出來[4]。隨著小麥品質改良工作的推進和評價標準的制定，我國小麥品質有了較大的提高，但仍具有小麥面粉加工品質變異大、優質強筋小麥品種較少的特點[5]。

小麥加工品質是復雜的數量性狀，受環境和遺傳因素影響較大，包含面粉品質、面團品質、烘焙品質、蒸煮率、吸水率、面團形成時間、面團穩定時間、濕面筋含量、粉質延伸度、弱化度、沉降值、評價值等多個性狀指標。相關研究表明，影響小麥面粉加工質量的性狀指標可主要涵蓋為蛋白質含量與面團流變學特性。常斌[6]以親本構建的RIL群體為研究對象，測定小麥品質主要性狀參數，發現蛋白質含量與吸水率、濕面筋含量、形成時間呈極顯著正相關。阮學

香[7]對低筋、中筋、強筋3種饅頭類小麥粉進行測定，發現隨著面筋值的升高，粉質曲線吸水率、峰值時間、評價值、穩定時間也有所提高，在小麥面粉加工中，應重點關注面筋值與穩定時間2項性狀指標。陳后慶等[8]利用種子性狀遺傳表達鑒定方法，研究雜種植株F2小麥SDS沉降值與濕面筋含量遺傳規律，發現SDS沉降值在F2有顯著的遺傳分離，而濕面筋含量在F2未發生遺傳分離，表明親本的選擇較為重要。

具有優良遺傳基礎的優質小麥種質資源的育成與推廣，對提升小麥品質育種起到了重要的支撐作用。為更好地闡明各性狀間的關系，以主成分分析和聚類分析為主的處理分析方法廣泛應用于多種作物的性狀分析與評價[9-11]。杜曉宇等[12]通過聚類分析、相關性分析和主成分分析對參試小麥的10個主要性狀進行綜合評價，將小麥品系分為五大類群，篩選出優良雜交親本。孫彩玲等[13]對參試的297個小麥品種（系）的品質進行分析與綜合評價，主成分綜合評價中品質較好的品系與Q型聚類結果一致，進一步表明主成分分析可用于小麥品種品質性狀綜合評價。

開展小麥品質性狀鑒定研究，進行小麥品質性狀相關性及資源差異分類，對小麥優質品種資源篩選、鑒定及優質小麥育種有重要意義。本研究對72份中強筋小麥品種進行加工品質性狀檢測鑒定，進行主成分分析與聚類分析，以期為優質小麥育種提供參考依據。

1 材料與方法

1.1 供試材料 供試材料為72份中強筋小麥品種，分別編號1～72（表1）。其中河南17份，山東16份，河北13份，陜西5份，四川5份，黑龍江4份，湖北4份，江蘇4份，安徽2份，遼寧1份，山西1份。

1.2 試驗設計 供試材料于2022年種植在開封市農林科學研究院試驗基地，采用隨機區組設計，每個小區首尾設置2行保護行，每個品種種植2行，行長1.2m，成熟期每個品種收獲2行小麥單株，脫粒機脫粒并編號記錄。

利用DA7250多功能谷物近紅外分析儀測定小麥籽粒相關品質性狀：蛋白質含量、濕面筋含量、吸水率、粉質延伸度、弱化度、沉降值、最大拉伸阻力、穩定時間、形成時間、容重。將收獲脫粒后干凈無雜質的小麥籽粒置于分析儀標準樣品盤中，每次檢測完成后的小麥籽粒與原待測籽粒充分混勻后再次取樣進行測定，每個小麥品種進行3次重復。

1.3 數據分析 使用Excel 2007、SPSS 26.0對數據進行分析處理，使用R語言進行數據整理繪圖，使用NTSYS-pc 2.10軟件根據UPGMA（非加權算數平均對群法）方法進行聚類分析。

2 結果與分析

2.1 品質性狀變異分析 對72份中強筋小麥品種的品質性狀進行變異分析（表2）。結果表明，最大拉伸阻力變異范圍最大，為332.57～1060.50E.U.，形成時間變異范圍最小，為3.43～7.26min；各品質性狀呈現不同程度的變異，變異系數表現為穩定時間gt;最大拉伸阻力gt;弱化度gt;形成時間gt;沉降值gt;粉質延伸度gt;蛋白質含量gt;濕面筋含量gt;吸水率gt;容重，容重、吸水率的變異系數分別為1.64%、4.86%，遺傳特性相對穩定；穩定時間變異系數最大，為50.17%，遺傳特性相對不穩定。

2.2 不同品質性狀間的相關性分析 相關性分析可衡量性狀間的相關密切程度，以10個品質性狀的均值進行相關性分析（表3）。結果表明，各品質性狀間存在不同程度的相關性，且多數性狀間存在極顯著或顯著相關性。蛋白質含量與弱化度、最大拉伸阻力呈負相關，與吸水率、容重呈正相關，與濕面筋含量、粉質延伸度、沉降值、穩定時間、形成時間呈極顯著正相關；濕面筋含量與各性狀均呈正相關，其中與粉質延伸度、沉降值、穩定時間、形成時間呈極顯著正相關；吸水率與粉質延伸度、沉降值、最大拉伸阻力、形成時間、容重呈正相關，與弱化度、穩定時間呈負相關；粉質延伸度與弱化度呈極顯著負相關，與沉降值、穩定時間、形成時間、容重呈極顯著正相關；弱化度與沉降值、穩定時間、形成時間、容重呈極顯著負相關，與最大拉伸阻力呈顯著負相關；沉降值與穩定時間、形成時間、容重呈極顯著正相關；最大拉伸阻力與穩定時間、形成時間、容重呈正相關；穩定時間與形成時間、容重呈極顯著正相關；形成時間與容重呈極顯著正相關。

蛋白質含量與濕面筋含量相關性最強，相關系數為0.94；濕面筋含量與最大拉伸阻力、吸水率、容重、強化度相關性較弱。小麥品質各性狀間相關性復雜，可進一步引入主成分分析以探尋評價中強筋小麥綜合品質的主要性狀指標。

2.3 品質性狀主成分分析及綜合評價

2.3.1 主成分分分析 將10個小麥品質性狀進行主成分分析（表4），結果共提取出10個主成分，每個主成分都有貢獻，當特征值gt;1.0時，對72個小麥品種的10個品質性狀進行主成分提取，共提取到3個主成分（F1、F2、F3），特征值分別為5.59、1.65、1.07，貢獻率分別為55.93%、16.51%、10.72%，累計貢獻率達83.16%，表明前3個主成分因子可代表72個中強筋小麥品種10個品質性狀指標的大部分信息。

為明確各主成分載荷區分，將3個主成分進行正交方差最大旋轉（表5），第1主成分F1=0.98X1+0.97X2+0.08X3+0.86X4-0.23X5+0.92X6-0.04X7+0.73X8+0.89X9+0.25X10，其中載荷較高且為正值的為蛋白質含量（X1）、濕面筋含量（X2）和沉降值（X6），分別為0.98、0.97、0.92，均可反映小麥蛋白質質量，因此，可以將第1主成分稱為蛋白質質量因子。第2主成分F2=-0.05X1-0.19X7-0.19X8+0.04X9-0.17X10，其中吸水率（X3）載荷值最高，可將第3主成分稱為吸水率因子。

2.3.2 綜合評價 根據3個主成分因子對供試小麥品種進行綜合分析，建立供試小麥綜合評價數學模型F=55.93/83.16×F1+16.51/83.16×F2+10.72/

83.16×F3[14]，利用該數學模型計算各小麥品種主要品質性狀綜合得分并進行排序（表6）。以綜合得分作為評價指標，排名前15的小麥品種依次為龍麥26、陜麥150、遼春10號、陜253、鎮麥9號、鎮麥5號、克豐6號、龍麥33、冀麥3號、陜麥159、鎮麥168、小偃6號、藁優2018、藁城9411、冀麥22。其中，龍麥26、陜麥150、遼春10號、陜253、鎮麥9號、克豐6號、龍麥33、陜麥159、藁優2018、藁城9411為強筋小麥品種，可作為選育優質強筋小麥品系的重點親本。

對供試小麥品種10個品質性狀與綜合得分進行相關性分析（表7），結果表明，綜合得分與蛋白質含量、濕面筋含量、粉質延伸度、沉降值、穩定時間、形成時間、容重呈極顯著正相關，與吸水率呈顯著正相關，與弱化度呈極顯著負相關，表明綜合得分可以作為供試小麥品質性狀的綜合評價依據。

2.4 聚類分析 聚類分析是研究作物品種資源差異和分類的評價方法。將72份中強筋小麥品種的10個品質性狀以歐式平方距離進行標準化，當定義聚類分析歐式平方距離為7時可將72個小麥品種分為三大類（圖1），對各類群小麥品質性狀進行統計分析（表8）。聚類分析結果表明，類群Ⅰ包含小麥品種最多，共37個，占小麥材料總數的51.4%，與其他類群相比，濕面筋含量、粉質延伸度、容重表現最差，蛋白質含量、吸水率、弱化度、沉降值、最大拉伸阻力、形成時間表現適中，穩定時間表現最好；包含以師欒02-1、豫麥47、藁優2018、藁城9411為代表的強筋小麥與冀5265、小偃22、小偃6號為代表的中強筋小麥。

類群Ⅱ共包含28個小麥品種，吸水率、沉降值、最大拉伸阻力、穩定時間、形成時間表現最差，容重表現適中，蛋白質含量、濕面筋含量、弱化度表現最好；主要包含以中育12、開麥1502、鄭麥9201、周麥32、周麥26為代表的中強筋小麥。

類群Ⅲ包含小麥品種最少，共7個，占小麥材料總數的9.7%，與其他類群相比，蛋白質含量、弱化度表現最差，濕面筋含量、穩定時間表現適中，粉質延伸度、沉降值、最大拉伸阻力、形成時間、容重、吸水率表現最好，包括強筋小麥鎮麥9號、濟麥20，中強筋小麥豫麥70、鎮麥168、石4185、豫麥13、鎮麥5號。

3 討論

河南省是優質中強筋小麥適宜生態區，何中虎等[3]初步將我國小麥種植區劃分為北方強中筋麥區、南方中弱筋麥區、中強筋春麥區三大品質區。但強筋品種育成數量與種植面積及市場的發展前景不匹配，強筋小麥品種數量少已成為限制河南省強筋小麥生產的主要因素[15]。小麥品質性狀綜合分析是品質研究和品種改良的基礎，本研究對72份中強筋小麥的10個品質性狀進行分析，結果表明10個小麥品質性狀存在廣泛遺傳變異，容重與吸水率的變異系數較小，變異系數表現為穩定時間gt;最大拉伸阻力gt;弱化度gt;形成時間gt;沉降值gt;粉質延伸度gt;蛋白質含量gt;濕面筋含量gt;吸水率gt;容重，與李曉麗等[16]的研究結果基本一致。

10個品質性狀的相關性分析結果表明，各個品質性狀間存在不同程度的相關性，多數性狀間存在顯著或極顯著相關性。蛋白質含量的提升對小麥面粉加工品質的改良有重要作用，面筋是小麥面粉中特有的黏性、彈性物質，蛋白質含量與濕面筋含量是衡量小麥加工品質的關鍵性狀指標。楊路加等[17]將參試小麥磨粉后測定蛋白質含量與濕面筋含量，發現蛋白質含量與濕面筋含量呈極顯著正相關，相關系數為0.941。本研究中蛋白質含量與濕面筋含量相關性最強，呈極顯著正相關，相關系數為0.94。面粉吸水率表現很大程度上取決于蛋白質含量與蛋白質質量，林江濤等[18]對小麥品系磨粉性狀與吸水率進行研究，結果發現吸水率與蛋白質含量、濕面筋含量均呈顯著正相關，與沉降值呈正相關。本研究中吸水率與蛋白質含量、濕面筋含量、沉降值均呈正相關。穩定時間是蛋白質含量與面筋的綜合表現，也是評價面粉加工品質的重要指標，李春等[19]對18個面粉筋力不同的小麥品系的研究結果表明，穩定時間與蛋白質含量呈極顯著正相關，與沉降值呈顯著正相關。本研究中穩定時間與蛋白質含量、濕面筋含量、沉降值均呈極顯著正相關。李曉麗等[16]將穩定時間分別與面筋含量、面筋指數進一步分析，發現當濕面筋含量大于30.5mL時，面筋指數更適合作為評價強筋小麥面粉加工質量的性狀指標。

小麥品質性狀是一個復雜的數量性狀，小麥加工品質是多個性狀指標相互作用的綜合表現。已有不少關于小麥品質性狀主成分分析方面的研究，李桂萍等[20]為探究雜交親本與后代的品質改良關系，對4組雜交組合的品質性狀進行主成分分析，其中沉降值、蛋白質含量、形成時間、穩定時間是小麥綜合品質貢獻率最大的性狀指標。本研究通過主成分分析將10個性狀簡化為3個主成分，累計貢獻率達到83.16%，可反映中強筋小麥大部分的品質性狀信息，其中第1主成分貢獻率為55.93%，第2主成分貢獻率為16.51%，第3主成分貢獻率為10.72%。本研究以各品質性狀歐式平方距離進行聚類分析，將72份小麥品種分為三大類，類群Ⅱ綜合品質表現較差，可大致區分小麥品質性狀綜合表現。在強筋小麥育種改良工作中，可優先考慮類群Ⅰ中以師欒02-1、豫麥47、藁優2018、藁城9411等為代表的強筋小麥與以小偃22、小偃6號等為代表的中強筋小麥作為組合親本，有效利用品質優良的育成品種對小麥加工品質改良及種質資源創新具有重要意義。

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（收稿日期：2024-02-21）