基于主成分分析的糯小麦品质评价和分类

尚保华，孙 睿,2，姜文超,2，何海涛,2，裴雪霞，党建友,*

（1.山西农业大学小麦研究所，山西 临汾 041000；2.山西农业大学农学院，山西 晋中 030801）

糯小麦作为功能性小麦代表，其开发和应用引起了研究者的广泛关注，由于其特殊的淀粉组成，在食品加工应用方面有很大的潜能[1]。近10 a，我国相继培育出‘紫糯麦1号’‘晋麦99’‘首佳糯麦801’等多个糯小麦品种。但由于气候、土壤和环境等自然环境条件的差异[2]，造成了不同产地糯小麦在籽粒（硬度）、面团及烘焙品质等方面存在差异，而这些指标是决定糯小麦综合品质的重要指标。因此，研究不同产地糯小麦综合品质差异，对糯小麦的高价值开发利用具有十分重要的意义。

淀粉是面制食品的主要成分，其次是蛋白质和脂类等，对食品的外观、结构、口感和质量具有重要作用。普通小麦淀粉由70%～80%的高支链淀粉和20%～30%的直链淀粉组成，而糯小麦淀粉基本由98%的支链淀粉组成[3]。因此，与普通小麦淀粉相比，糯小麦淀粉具有较高的糊化温度、峰值黏度和溶胀力[4]等独特的功能特性。糯小麦粉可以形成黏稠的面团，具有黏弹性和保留气体的能力，这对于生产质地轻盈的烘焙产品[5]必不可少。面团流变学的重要特性包括黏弹性、延展性、凝聚性、持水持油能力[6]。这些特性影响面团混合、成片和烘焙性能，对于预测最终烘焙产品的质量非常重要，其最终产品性能由面粉的糊化性能[7]决定。面团流变性取决于小麦品种、面团发酵、搅拌时间和温度以及添加剂的应用等多种因素[8-10]。以往的糯小麦相关研究主要集中在品种选育[11]、分子标记[12]及其淀粉理化性质方面[13]，相比之下，虽然有一些关于个别糯小麦粉在食品加工中的应用研究，但关于不同糯小麦品种硬度差异、综合品质评价及分类却少有研究。

本研究以近10 a审定的17 个糯小麦品种为研究对象，测定其22 个品质指标，包括籽粒品质（硬度指数、蛋白质含量、沉降值、湿面筋含量）、面团流变学（吸水率、形成时间、稳定时间、延伸度、最大阻力、拉伸面积）和淀粉品质（淀粉含量、直链淀粉含量、淀粉粒体积平均粒径和体积占比）和糊化指标（峰值黏度、低谷黏度、稀懈值、最终黏度、回生值、峰值时间和糊化温度），并对其进行主成分分析[14]（principal component analysis，PCA），得出不同类型糯小麦品质的综合评价模型，确定影响糯小麦品质差异的主要指标，进而利用聚类分析对不同品种糯小麦分类，旨在为糯小麦品质评价、分类和利用提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

供试材料为2008—2021年山西、山东、四川、安徽、江苏、河南审定的17 个糯小麦品种（表1），均来源于各育种单位，2021年种植于山西农业大学小麦研究所韩村试验基地（东经110°22’，北纬35°23’，年平均气温15.3 ℃）。

表1 供试糯小麦品种基本信息Table 1 General information of waxy wheat varieties tested

所有供试品种均于2021年10月24日播种，采用随机区组设计，2 行区，行长3.0 m，3 次重复，统一采用常规管理方法。生育期降水总量为258.2 mm，2022年6月11日收获。新收获的糯小麦放置1 个月后，使用brabender小型实验磨进行磨粉，出粉率为69%～71%，过80 目筛，所得面粉用于面团流变学和糊化特性指标测定。粗蛋白含量、淀粉含量及淀粉粒度分布所用样品均为糯小麦全麦粉样品。

1.2 仪器与设备

SKCS4100单籽粒谷物特性测定仪、2200自动面筋洗涤系统 瑞典Perten仪器公司；B-324全自动凯氏定氮仪 瑞士Büchi公司；880508沉降值测定仪、810130电子粉质仪、860704电子拉伸仪 德国Brabender公司；Multiskan GO多功能酶标仪 美国赛默飞公司；Matersizer3000激光粒度仪 英国Malvern Panalytical公司；RVA-supers 3快速黏度仪 澳大利亚Newport公司。

1.3 方法

1.3.1 籽粒硬度指数测定

将糯小麦籽粒在同一条件下晾晒3 d，水分质量分数控制在11%～13%之间，使用单籽粒谷物特性测定仪测定硬度指数，测定样本量为300 粒。

1.3.2 品质指标测定

蛋白质含量：根据GB/T 24871—2010《粮油检验 小麦粉粗蛋白质含量测定》，采用凯氏定氮法测定；湿面筋含量：参照AACC Method 38-12A标准方法，采用自动面筋洗涤系统进行测定；沉降值：根据GB/T 21119—2007《小麦 沉淀指数测定 Zeleny试验》，采用沉降值测定仪测定；粉质参数：根据GB/T 14614—2019《粮油检验 小麦粉面团流变学特性测试 粉质仪法》，采用电子粉质仪测定；拉伸参数：根据GB/T 14615—2019《粮油检验 小麦粉面团流变学特性测试 拉伸仪法》，采用电子拉伸仪测定。淀粉含量：根据NY/T 11—1985《谷物籽粒粗淀粉测定法》提取小麦籽粒总淀粉，采用酶标仪在510 nm波长处测定吸光度，计算葡萄糖含量，通过标准曲线求出总淀粉含量；直链淀粉含量：根据NY/T55—1987《水稻、玉米、谷子籽粒直链淀粉测定法》提取后，通过酶标仪在620 nm波长处测定吸光度，计算直链淀粉含量。

1.3.3 淀粉粒径分布测定

参考徐家露[15]的方法，采用激光粒度仪对样品中淀粉粒径分布进行检测。

1.3.4 糊化特性测定

称取3.5 g糯小麦粉（水分质量分数14%）于铝盒，并加入25 mL蒸馏水，旋转浆片使其充分混匀，置于快速黏度仪测定糊化特性。

1.4 数据处理与分析

通过Excel 2007软件处理实验数据，运用SPSS 22.0统计软件进行PCA与聚类分析。

2 结果与分析

2.1 不同糯小麦品种籽粒硬度及其类型

如表2、3所示，17 个供试糯小麦品种籽粒硬度指数在25.2～73.82之间，存在较大差异。按照籽粒硬度指数大小及级别将供试品种分为3 类：软质型、混合型和硬质型。符合硬质型标准的糯小麦品种为7 个，比例为41.18%，硬度指数平均值为63.07，变异系数为11.20%；混合型和软质型的品种数相同，均为5 个，比例为29.41%，软质型硬度指数平均值为36.29，变异系数最大（18.13%），混合型硬度指数平均值为49.02，变异系数最小（5.07%）。从适宜麦区来看，黄淮北片麦区糯小麦籽粒偏硬质型，南方麦区籽粒偏软质型或者混合型。

表2 供试糯小麦品种的硬度分类Table 2 Classification of hardness of waxy wheat varieties tested

表3 不同类型糯小麦的硬度指数Table 3 Hardness indexes of different waxy wheat types

2.2 不同硬度糯小麦品种面团流变学特性

如表4所示，糯小麦籽粒品质中蛋白质量分数和沉降值分别在12.25%～16.03%和18.9～33.9 mL之间。软质型、混合型和硬质型糯小麦品种的平均蛋白质量分数分别为14.80%、14.46%和15.09%；平均沉降值分别为25.8、28.4 mL和29.4 mL，硬质型糯小麦品种的平均蛋白质含量和沉降值均高于混合型和软质型。17 个供试糯小麦品种籽粒流变学特性中，粉质指标吸水率、形成时间和稳定时间分别在66.9～77.6 mL/100 g、2.2～5.5 min和1.5～4.1 min之间，‘济糯1号’吸水率最高，‘运糯32号’吸水率最低，软质型、混合型和硬质型糯小麦品种的平均吸水率分别为71.4、69.2 mL/100 g和72.6 mL/100 g；平均形成时间分别为3.3、3.3 min和4.0 min；平均稳定时间分别为2.6、2.6 min和2.8 min；硬质型糯小麦品种的平均吸水率、形成时间和稳定时间均高于混合型和软质型，且形成时间大于稳定时间。流变学特性中拉伸指标延展性和最大拉伸阻力分别在128～185 mm和124～255 BU之间，软质型、混合型和硬质型糯小麦品种的平均延展性分别为162、159 mm和152 mm，平均最大拉伸阻力分别为163、169 BU和162 BU。对照小麦蛋白质质量分数、沉降值、吸水率、延展性和最大拉伸阻力分别在13.24%～14.28%、30～40.5 mL、58.8～63.7 mL/100 g、112～146 mm和219～449 BU之间。糯小麦品种与对照普通小麦相比，吸水率（平均值为71.1 mL/100 g）明显较高，蛋白质量分数（平均值为14.78%）和延展性（平均值为157.7 mm）略高，但沉降值、稳定时间和最大拉伸阻力略低于普通小麦，因其化学成分含量、结构的不同，在面团持水性、延伸性方面表现出较普通小麦粉更好的加工特性。

表4 糯小麦品种籽粒品质和面团流变学特性Table 4 Grain quality and dough rheological properties of waxy wheat varieties

2.3 不同硬度糯小麦品种淀粉含量及粒度分布

由表5可知，不同硬度糯小麦品种分离得到的直链淀粉相对含量均较低，在0.61%～1.84%之间，平均值为1.01%，也证实了其糯性特征，其中‘首佳糯麦801’直链淀粉含量最低，‘冀糯200’直链淀粉含量最高。软质糯小麦品种的平均淀粉质量分数（70.40%）和直链淀粉相对含量（0.76%）均低于混合型和硬质型。对照普通小麦的直链淀粉相对含量在22.58%～24.22%之间，远高于糯小麦直链淀粉相对含量。

表5 糯小麦品种的淀粉含量及粒度分布Table 5 Starch content and granule size distribution of waxy wheat varieties

不同糯小麦品种的淀粉粒度分布呈双峰型。大颗粒（≥10 μm）和小颗粒（＜10 μm）分为A型和B型。如表5所示，A型淀粉粒所占比例高达74.04%～83.75%，B型淀粉粒所占比例为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体积平均粒径最大（18.64 μm），B型颗粒的平均比例最小，而硬质淀粉中B型颗粒的平均比例最高，A型颗粒的平均比例最小，体积平均粒径最小（16.92 μm）。普通小麦A型淀粉和B型淀粉所占比例、体积平均粒径与硬质糯小麦淀粉相当。

2.4 不同硬度糯小麦品种糊化特性分析

如表6所示，不同糯小麦品种的峰值黏度和稀懈值分别在1 071～3 260 cP和876～2 130 cP之间。‘首佳糯麦801’的峰值黏度和稀懈值最高。软质型、混合型和硬质型糯小麦品种的平均峰值黏度分别为2 236、2 027 cP和2 026 cP。软质型糯小麦品种的平均峰值黏度高于混合型和硬质型。软质型、混合型和硬质型糯小麦品种的平均稀懈值分别为1 548、1 324 cP和1 281 cP。淀粉的最终黏度和回生值分别为335～1 590 cP和138～523 cP。‘宁糯麦1号’的最终黏度和回生值最低，‘安农1012’的最高。软质型、混合型和硬质型糯小麦品种的平均最终黏度分别为957、1 045 cP和1 006 cP，平均回生值分别为268、341 cP和261 cP。淀粉的糊化时间在3.20～3.87 min之间，软质型、混合型和硬质型品种的平均糊化时间分别为3.52、3.60 min和3.65 min，平均糊化温度分别为67.5、66.8 ℃和66.5 ℃。不同硬度糯小麦糊化温度和糊化时间平均值间无显著差异。3 个对照小麦品种的峰值黏度、最终黏度、回生值和糊化时间分别在2 744～3 097 cP、3 457～3 874 cP、1 215～1 765 cP和6.27～6.60 min之间，以上糊化指标均比糯小麦品种的数值高。与对照品种相比，糯小麦面粉具有较短的糊化时间（平均值为3.59 min），较低的峰值黏度（平均值为2 096 cP）、最终黏度（平均值为1 003 cP）和回生值（平均值为290 cP）（图1），因此具有快速糊化且不易老化的趋势。

图1 不同硬度糯小麦和普通小麦面粉的糊化特性Fig.1 Flour pasting properties of waxy wheat and common wheat varieties with different hardnesses

表6 不同硬度糯小麦品种的糊化特性Table 6 Gelatinization characteristics of waxy wheat varieties with different hardnesses

2.5 PCA

参照邱珊莲等[16]的方法分别对不同硬度类型的糯小麦品质性状进行PCA，提取特征值大于1的PC，得到PC的特征值和方差贡献率，根据杨玉宁[17]和姜兰芳[18]等的方法，以各PC对应的方差贡献率作为权重，对PC得分和相应的权重进行线性加权，建立不同类型糯小麦综合品质评价模型，如表7所示。软质型和混合型糯小麦都提取到4 个PC因子，累计贡献率均达到100%。其中，对软质型糯小麦提取因子F1贡献较大的指标有淀粉粒体积平均粒径、A型淀粉粒体积占比和湿面筋含量，载荷值分别为－1.000、－0.988和0.971，对F2因子贡献较大的为回生值、最终黏度和低谷黏度，载荷值分别为0.983、0.977和0.974，F1和F2的累计贡献率达69.052%，超过总贡献率的50%，说明淀粉粒体积平均粒径、A型淀粉粒体积占比、湿面筋含量、回生值、最终黏度和低谷黏度6 个指标是影响软质糯小麦品质差异的主要因素。

表7 糯小麦PCA的特征值、贡献率和评价模型Table 7 PCA eigenvalues,contribution rates and evaluation models for waxy wheat varieties with different hardnesses

对混合型糯小麦提取因子F1贡献较大的指标有最终黏度、低谷黏度、峰值时间、回生值和峰值黏度，载荷值分别为0.990、0.986、0.959、0.950和0.917，对F2因子贡献较大的为蛋白含量、最大拉伸阻力和淀粉含量，载荷值分别为0.978、0.976和－0.922，F1和F2的累计贡献率达70.316%，说明糊化特性、蛋白质含量、最大拉伸阻力和淀粉含量是影响混合型糯小麦品质差异的主要指标。

硬质型糯小麦PCA提取到5 个PC因子，累计贡献率达到95.472%。对F1贡献较大的指标有淀粉粒体积平均粒径和A型淀粉粒体积占比，载荷值分别为0.984和0.974，对F2贡献较大的为最终黏度、回生值和低谷黏度，载荷值分别为0.967、0.945和0.929，F1和F2的累计贡献率达52.300%，说明淀粉粒体积平均粒径、A型淀粉粒体积占比、最终黏度、回生值和低谷黏度5 个指标是影响硬质型糯小麦品质差异的主要指标。

由此可知，影响软质型和硬质型糯小麦品质差异的主要因素是相同的，均为淀粉粒体积平均粒径、体积占比及其糊化特性指标。而糊化特性、蛋白质含量、最大拉伸阻力和淀粉含量是影响混合型糯小麦品质差异的主要指标。

2.6 聚类分析

聚类分析被认为是研究作物资源差异和分类的主要评价方法之一，通常参与聚类的指标越多越能综合反映品种的客观品质。将22 个品质性状进行标准化后，采用组间连接法基于欧氏距离进行聚类，如图2所示，在欧氏距离16.5处可将供试材料聚类为3 大类，进一步对各类群糯小麦的品质参数进行统计分析。第I类聚集了软质型和混合型糯小麦综合评分最高的3 个品种，其面粉糊化特性参数均最高，与其他类群相比，湿面筋含量最高。第II类聚集了6 个硬质型糯小麦品种，面粉流变学特性较好，糊化特性指标居中，A型淀粉粒体积占比和体积平均粒径最低，表明该类群的加工品质最好。第III类聚集了4 个软质型（‘运糯32号’‘川糯麦1314’‘天糯158’和‘临糯88’）、3 个混合型（‘科糯2号’‘宁糯麦1号’和‘川糯麦1456’）和1 个硬质型（‘紫糯麦1号’），总计8 个品种，与其他类群相比，其蛋白质含量和糊化特性指标均最低，表明该类群的加工品质相对较差。

图2 糯小麦品种品质性状聚类分析Fig.2 Cluster analysis of quality characteristics of waxy wheat varieties

3 讨论

3.1 不同硬度糯小麦品种流变学特性

小麦胚乳质地是最重要和最具决定性的品质特征，有助于小麦分类，并影响碾磨、烘焙和最终使用质量。本研究17 个供试糯小麦品种中，适宜黄淮北片麦区的籽粒偏硬质型，南方麦区籽粒偏软质型或混合型，且硬质型糯小麦的比例高于混合型和软质型，这与以往研究中认为糯小麦籽粒主要表现为软质型的结论[11]有所不同。由于研究选取的供试材料均为审定品种，首先通过对实验测定的蛋白质含量、沉降值、湿面筋含量、吸水率、形成时间和稳定时间与该品种在审定公告中的品质信息进行比较，发现这些指标基本一致，其中蛋白质含量略有差异，这主要是由于种植地点、气候环境及管理条件的差异所致；进一步对不同硬度小麦供试材料的流变学参数进行比较发现，硬质型糯小麦的蛋白质含量、吸水率和稳定时间均高于混合型和软质型，其中籽粒硬度表现为硬质型的‘济糯1号’吸水率最高，软质型的‘运糯32号’吸水率最低，这与Pasha等[19]的研究结果类似，该研究表明软质型小麦籽粒易碎裂，从而在磨粉过程中产生大量完整的淀粉粒，形成对淀粉损伤较小的细面粉，而硬质型籽粒在磨粉过程中淀粉断裂面颗粒破碎，淀粉损伤程度较高，从而形成质地较粗的面粉。受损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]研究认为蛋白质含量高的小麦往往较硬，面筋网络较强，蛋白质含量低的小麦往往较软，面筋网络较弱。但本研究中，软质型糯小麦‘首佳糯麦801’和‘天糯158’蛋白质含量较高，表现出较好的面团流变学特性，说明糯小麦筋力强弱受遗传背景及环境影响较大，为培育强筋优质的糯小麦提供可能性。而无论生态区域、硬度指数如何，糯小麦的吸水率明显高于普通小麦，与前人研究[22]一致，这种差异可能与糯小麦的支链淀粉结构有关，高度支化的大分子往往能迅速吸收蛋白质溶剂化所不能吸收的水分[23]。与普通小麦相比，用糯小麦制作的面团具有较低的混合稳定性和较高的软化度，虽然蛋白质含量较高，但面筋网络较弱，结构较松散[24]，本研究中，‘济糯1号’和‘冀糯200’的拉伸特性参数延展性显著大于其他糯小麦品种和3 个对照（普通小麦），延展性更好，在加工领域具有极大的研究价值和开发潜力。

3.2 不同硬度糯小麦品种淀粉特性

淀粉是面制品的主要成分，对食品的外观、结构和质量具有重要的作用。淀粉老化被认为是面包在贮存期间变硬的主要原因之一，通常被称为面包变质，而直链淀粉被认为是烘烤后最初几个小时内出现这种现象的主要原因[25]。本研究中，不同硬度的糯小麦品种分离得到的直链淀粉相对含量在0.61%～1.84%之间，相比审定公告中直链淀粉含量（0%）相对偏高，直链淀粉含量的变化与基因型、植物来源和气候条件的差异有关[26-28]；在不同供试品种中，硬质型糯小麦的直链淀粉含量高于软质型，而软质型糯小麦的糊化特性参数平均峰值黏度（2 236 cP）和稀懈值（1 548 cP）高于硬质型峰值黏度（2 026 cP）和稀懈值（1 281 cP）。这可能是由于硬质糯小麦品种中游离脂含量较低所致。Yu Jinglin等[21]研究表明糯小麦胚乳淀粉主要由支链淀粉组成，且直链淀粉（1.2%～2.0%）和脂肪质量分数（0.12%～0.29%）远低于普通小麦直链淀粉（26.0%～28.4%）和脂肪质量分数（1.05%～1.17%）。峰值黏度主要与支链淀粉分子性质有关，而直链淀粉脂复合物或直链淀粉可抑制颗粒膨胀，降低峰值黏度[29]。本研究中不同硬度指数糯小麦品种的淀粉颗粒体积比例与普通小麦相似，混合型淀粉中A型淀粉粒的体积比例最大，而硬质型淀粉中B型淀粉粒的体积比例最大。前人研究指出，B型淀粉粒在硬质小麦籽粒中占比较高，蛋白骨架与淀粉粒结合致密，从而使得面团具有高吸水力[30]，这也是硬质型糯小麦面团吸水率较高的原因。本研究也进一步证实，硬质糯小麦中B型淀粉粒体积占比高，且吸水率较高。与普通面粉相比，糯小麦面粉有较短的峰值时间，较低的峰值黏度、最终黏度及回生值，因此具有更快糊化和不易老化趋势[31]。本研究中，‘宁糯麦1号’的糊化特性参数均显著小于其他糯小麦粉，有研究表明，糯小麦品种（系）间糊化特性参数的差异主要与直链淀粉含量及B型淀粉粒的体积比例有关[32]。

借助PCA方法，揭示不同硬度类型的糯小麦品种品质差异，精准找到淀粉粒体积平均粒径、体积占比及其糊化特性指标（回生值、最终黏度和低谷黏度）是影响软质型和硬质型糯小麦的主要差异指标。而糊化特性、蛋白质含量、最大拉伸阻力和淀粉含量是影响混合型糯小麦品质差异的主要指标。由此可知，籽粒的硬度影响糯小麦面粉中破损淀粉粒的粒径，进而影响淀粉的糊化特性，最终影响面粉的综合加工品质，在今后的糯小麦育种工作中，在注重提升面筋筋力的同时也需关注糯小麦淀粉粒的特性。本研究后续还需进一步丰富样品容量，如不同的生态区、软硬度、品种等样品，同时继续通过聚类分析与因子分析相结合的方式全面、客观地对糯小麦的综合品质进行分析和评价。

4 结论

不同硬度糯小麦品种的籽粒品质、面团流变学特性和糊化特性之间存在较大差异。其中硬质型糯小麦的蛋白质含量、吸水率和稳定时间均高于混合型和软质型，且硬质糯小麦中直链淀粉含量相对较高，B型淀粉粒体积占比高。结合PCA法精准找到影响不同硬度类型糯小麦品质差异的主要指标，其中，淀粉粒体积平均粒径和体积占比及其糊化特性（回生值、最终黏度和低谷黏度）是影响软质型和硬质型品质差异的主要指标。而糊化特性指标（最终黏度、低谷黏度、峰值时间、回生值和峰值黏度）、蛋白质含量、最大拉伸阻力和淀粉含量是影响混合型糯小麦品质差异的主要指标。17 个糯小麦品种根据综合品质可聚为3 类，第II类（‘山农糯麦1号’‘晋麦99号’‘济糯116’‘济糯1号’‘冀糯200’‘扬糯麦1号’）品质相对最优；第I类（‘安农1012’‘安农1019’和‘首佳糯麦801’）次之；第III类（‘运糯32号’‘川糯麦1314’‘天糯158’‘临糯88’‘科糯2号’‘宁糯麦1号’‘川糯麦1456’‘紫糯麦1号’）品质相对最差。