基于主成分分析法評價(jià)谷朊粉品質(zhì)

王六強(qiáng)，張春紅，高 爽，李 晨，馬 濤

（1.渤海大學(xué)化學(xué)化工與食品安全學(xué)院，遼寧錦州 121013；2.沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)院，遼寧沈陽 110866）

基于主成分分析法評價(jià)谷朊粉品質(zhì)

王六強(qiáng)1，2，張春紅2，高 爽2，李 晨2，馬 濤1，*

（1.渤海大學(xué)化學(xué)化工與食品安全學(xué)院，遼寧錦州 121013；2.沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)院，遼寧沈陽 110866）

以10種市售谷朊粉為試材，在分析谷朊粉的水分、灰分、粗脂肪、粗蛋白等理化指標(biāo)及吸水率、溶解性、持水力、起泡性及泡沫穩(wěn)定性等功能性的基礎(chǔ)上，利用主成分分析法對谷朊粉的品質(zhì)進(jìn)行了的評價(jià)。結(jié)果表明：不同企業(yè)生產(chǎn)的谷朊粉品質(zhì)不同，通過主成分分析，提取3個(gè)主成分累計(jì)方差貢獻(xiàn)率為83.824%，其中第1、第2和第3主成分方差貢獻(xiàn)率分別為54.443%、18.039%和11.341%。確定泡沫穩(wěn)定性、溶解性、吸水率、起泡性、水分及粗蛋白含量是影響谷朊粉品質(zhì)的重要指標(biāo)，建立了綜合評價(jià)谷朊粉品質(zhì)的方法，對谷朊粉品質(zhì)進(jìn)行綜合評分并排序。谷朊粉綜合得分越高，谷朊粉的品質(zhì)越好，10種谷朊粉中排在前三位的依次是8號(hào)、5號(hào)和7號(hào)谷朊粉。

谷朊粉，功能性，品質(zhì)評價(jià)，主成分分析

谷朊粉是以小麥面粉為原料，水洗掉淀粉及其他水溶性成分得到的一種天然植物蛋白，是淀粉加工行業(yè)的副產(chǎn)物，以小麥為原料的發(fā)酵工業(yè)也生產(chǎn)部分谷朊粉[1]。2010年中國谷朊粉的年產(chǎn)量已達(dá)到30萬噸[2]，而且每年還在增長。作為一種天然植物蛋白，谷朊粉具有優(yōu)良的黏彈性、延伸性、熱凝固性等功能特性，使其作為食品添加劑、品質(zhì)改良劑在食品工業(yè)中廣泛應(yīng)用[3]。

隨著谷朊粉應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大，谷朊粉的生產(chǎn)越來越受到中國乃至世界淀粉生產(chǎn)行業(yè)的重視[4]。目前，中國谷朊粉生產(chǎn)企業(yè)眾多，不同企業(yè)生產(chǎn)的谷朊粉品質(zhì)不同，這就為谷朊粉使用企業(yè)帶來困擾。究其原因，我國現(xiàn)在還沒有完善的谷朊粉評價(jià)體系，沒有全面的標(biāo)準(zhǔn)去指導(dǎo)谷朊粉的生產(chǎn)與應(yīng)用[5]。我國現(xiàn)有的谷朊粉評價(jià)方法僅有國標(biāo)一種，而國標(biāo)方法僅對谷朊粉的水分、粗脂肪、粗蛋白、灰分和粗細(xì)度等理化指標(biāo)進(jìn)行分析，對于谷朊粉活性的評價(jià)僅有吸水率一項(xiàng)指標(biāo)，而谷朊粉的功能性影響著谷朊粉的加工應(yīng)用，所以現(xiàn)有的國標(biāo)不能全面評價(jià)谷朊粉的應(yīng)用品質(zhì)，因此，建立一種全面客觀的谷朊粉評價(jià)體系迫在眉睫。主成分分析法是將多個(gè)變量通過線性變換以選出較少的重要變量的一種多元統(tǒng)計(jì)分析方法。近年來，主成分分析法廣泛應(yīng)用品質(zhì)評價(jià)領(lǐng)域，周妍等利用主成分分析法對面條的品質(zhì)進(jìn)行了評價(jià)[6]，扶定等利用主成分分析法對稻米的品質(zhì)進(jìn)行了評價(jià)[7]，馬龍等將主成分分析方法應(yīng)用于醬牛肉質(zhì)構(gòu)特性的評價(jià)中[8]，黃毅將主成分分析方法應(yīng)用于醬油質(zhì)量的評價(jià)中[9]。目前，主成分分析法在糧食及產(chǎn)品的品質(zhì)評價(jià)中應(yīng)用較少，因此，可以運(yùn)用主成分分析方法，對谷朊粉的品質(zhì)進(jìn)行評價(jià)，建立一種客觀、全面、方便的品質(zhì)評價(jià)體系。

本研究選用10種市售谷朊粉為試材，按照國標(biāo)方法測定谷朊粉的理化指標(biāo)及吸水性，同時(shí)分析谷朊粉的溶解性、持水力、起泡性及泡沫穩(wěn)定性等功能性，應(yīng)用主成分分析方法對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理[10]，全面客觀評價(jià)谷朊粉的品質(zhì)，為企業(yè)選用優(yōu)質(zhì)的谷朊粉產(chǎn)品提供指導(dǎo)。

表1 谷朊粉品質(zhì)評價(jià)指標(biāo)Table 1 The quality evaluation index of wheat gluten

1 材料及方法

1.1 材料與儀器

谷朊粉 市售，分別購自山東新瑞集團(tuán)、安徽省碧綠春釀酒有限公司、河南蓮花面粉有限公司、安陽眾鑫食品有限公司、徐州德隆生物科技有限公司、安徽安特生物化學(xué)有限公司、安徽瑞福祥食品有限公司、河南天冠企業(yè)集團(tuán)有限公司、封丘縣華豐粉業(yè)有限公司、河南大康糧食深加工有限公司；無水乙醇、NaOH、HCl、乙醚、H2SO4、硫酸鉀、五水硫酸銅、酒石酸鉀鈉 分析純。

85-2型恒溫磁力攪拌器、HH-數(shù)顯恒溫水浴鍋 常州國華電器有限公司；DHG-9246A型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱 上海精宏實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備有限公司；ALC-210.2型電子天平 北京賽多利斯儀器系統(tǒng)有限公司；PHS-3C型數(shù)字式pH計(jì) 上海理達(dá)儀器廠；T18分散機(jī) 德國IKA公司。

1.2 谷朊粉理化指標(biāo)測定

水 分 測 定 ：參 照 國 標(biāo) GB 5009.3-2010；灰 分 測定：參照國標(biāo)GB/T 5505－2008；粗蛋白質(zhì)測定：參照國標(biāo)GB/T 5511－2008；粗脂肪測定：參照國標(biāo)GB/T 5512－2008。

1.3 谷朊粉功能性測定

1.3.1 溶解性的測定 采用雙縮脲法測定[11]。

1.3.2 持水力的測定 采用差量法測定[12]。

1.3.3 吸水率的測定 參照國標(biāo)GB/T 21924-2008測定。

1.3.4 起泡性及泡沫穩(wěn)定性測定 采用攪打法測定[13]。

1.4 數(shù)據(jù)分析

本實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)均3次測量取平均值，數(shù)據(jù)處理采用Excel 2003及SPSS 17.0。

2 結(jié)果及分析

2.1 谷朊粉品質(zhì)評價(jià)指標(biāo)的選擇

本實(shí)驗(yàn)選擇的谷朊粉品質(zhì)評價(jià)指標(biāo)有：水分（X1）、粗 脂 肪（X2）、粗 蛋 白（X3）、灰 分（X4）、溶 解 性（X5）、吸 水 率（X6）、持 水 力（X7）、起 泡 性（X8）、泡 沫 穩(wěn)定性（X9），共9個(gè)指標(biāo)。其中水分、粗脂肪、粗蛋白、灰分、吸水率是GB/T 21924-2008用來評價(jià)谷朊粉的基本指標(biāo)。測定結(jié)果見表1。

表2 各品種谷朊粉品質(zhì)描述性統(tǒng)計(jì)Table 2 Descriptive statistics of wheat gluten of every one

由表1及表2可知，不同谷朊粉品質(zhì)之間差異較大。分析原因認(rèn)為，谷朊粉的品質(zhì)主要受原料小麥品質(zhì)及加工工藝的影響，我國谷朊粉生產(chǎn)企業(yè)眾多，不同廠家生產(chǎn)谷朊粉用的原料不同，生產(chǎn)工藝不相同，因此生產(chǎn)谷朊粉的品質(zhì)各不相同。

由表2可知，10種谷朊粉中，灰分、溶解性、起泡性及泡沫穩(wěn)定性的變異系數(shù)較大，分別為26.37%、29.63%、17.98%和21.17%，說明不同谷朊粉的上述4個(gè)指標(biāo)差異較大。其余5個(gè)指標(biāo)變異系數(shù)均小于10%，說明不同谷朊粉的這幾個(gè)指標(biāo)相對穩(wěn)定。而這5個(gè)指標(biāo)中有4個(gè)指標(biāo)是國標(biāo)規(guī)定的評價(jià)谷朊粉的指標(biāo)，可見對于國標(biāo)沒有要求的功能性指標(biāo)，不同企業(yè)生產(chǎn)的谷朊粉差異較大。因此，建議在評定谷朊粉品質(zhì)時(shí)，除了測定國標(biāo)規(guī)定的指標(biāo)外，還應(yīng)分析谷朊粉的功能性，這樣才能更加客觀的評定谷朊粉的品質(zhì)。為了進(jìn)一步說明各個(gè)指標(biāo)的相對重要性，對谷朊粉的9個(gè)指標(biāo)進(jìn)行主成分分析。

表3 谷朊粉品質(zhì)評價(jià)指標(biāo)相關(guān)系數(shù)矩陣Table 3 Correlation coefficient matrix of wheat gluten guality evaluation index

2.2 谷朊粉品質(zhì)指標(biāo)的主成分分析

主成分分析是一種數(shù)學(xué)變換的方法，在不損失原變量太多信息的條件下盡可能地降低原變量的維數(shù)，即用為數(shù)較少的“新變量”代替原來的各變量，既揭示了事物內(nèi)部變量之間的規(guī)律性，又簡化了問題、提高了效率[14]。

評價(jià)指標(biāo)是由多個(gè)指標(biāo)構(gòu)成，為了避免量綱和數(shù)量級的影響，必須對數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，將它們都轉(zhuǎn)化成無量綱數(shù)據(jù)。另外，在國標(biāo)評定中，水分、粗脂肪、灰分含量越小越好，它們的含量高會(huì)降低谷朊粉的品質(zhì)，所以在做標(biāo)準(zhǔn)化處理前需先將它們的數(shù)據(jù) 取 倒 數(shù) 使 其 正 向 化[15]，然 后 運(yùn) 用SPSS 17.0軟 件 對標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)進(jìn)行主成分分析，得到相關(guān)系數(shù)表3、方差分析表4和主成分載荷矩陣表5。

由表3可知，溶解性與水分含量顯著相關(guān)；吸水率與水分含量極顯著相關(guān)；起泡性與水分含量、吸水率顯著相關(guān)，起泡性與溶解性極顯著相關(guān)；泡沫穩(wěn)定性與水分含量、溶解性、吸水率、起泡性極顯著相關(guān)。這表明所分析的指標(biāo)反映的信息有一定的重疊，因此有必要對相關(guān)性狀指標(biāo)進(jìn)行歸類和簡化，以提高谷朊粉品質(zhì)評價(jià)的效率。

表4 相關(guān)矩陣的特征值與方差貢獻(xiàn)率Table 4 Eigenvalues and percentage of the correlation matrix

由表4可以看到每個(gè)主成分的特征值，它的大小表示了對應(yīng)成分能夠描述原有信息的多少，前3個(gè)主成分特征值都大于1，累計(jì)貢獻(xiàn)率為83.824%，基本上反映了原來指標(biāo)的信息，因此可用3個(gè)彼此不相關(guān)的綜合指標(biāo)代替原來的9個(gè)指標(biāo)評價(jià)谷朊粉的品質(zhì)。

表5 主成分載荷矩陣Table 5 Component matrix

表5是主成分載荷矩陣，其中每個(gè)載荷量表示主成分與對應(yīng)的變量的相關(guān)關(guān)系。由表5可知，第一主成分主要包含谷朊粉的泡沫穩(wěn)定性、溶解性、吸水率、起泡性、水分及粗蛋白含量等信息，貢獻(xiàn)率為54.443%，說明谷朊粉的水分、粗蛋白含量和主要功能性在谷朊粉品質(zhì)評價(jià)中起關(guān)鍵作用。第二主成分主要包含了谷朊粉的灰分及粗脂肪等信息，貢獻(xiàn)率為18.039%，表明這兩個(gè)指標(biāo)對谷朊粉的品質(zhì)評價(jià)也有重要作用。第三主成分主要反映了谷朊粉的持水力，貢獻(xiàn)率為11.341%。通過以上對主成分的分析，可以看出提取的3個(gè)主成分基本能反應(yīng)9個(gè)指標(biāo)的信息，因此用這3個(gè)具有代表性主成分可以代替原來的指標(biāo)來評定谷朊粉的綜合品質(zhì)，使得谷朊粉的品質(zhì)評價(jià)變得更加簡單。每一個(gè)載荷量表示主成分與對應(yīng)變量的相關(guān)系數(shù)，主成分相應(yīng)特征值的平方根與特征向量乘積為載荷量，因此，通過相關(guān)計(jì)算可以得到每個(gè)指標(biāo)的主成分特征向量，結(jié)果見表6。

表6 主成分特征向量Table 6 Eigenvectors for principal components

根據(jù)表6的數(shù)據(jù)，計(jì)算每個(gè)主成分的表達(dá)式，結(jié)果如式（1～3）所示（式中x1、x2、x3…x9為標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)據(jù)）。通過每個(gè)表達(dá)式可以計(jì)算出每個(gè)主成分的得分，結(jié)果見表7。

以每個(gè)主成分所對應(yīng)的特征值占所提取的主成分特征值之和的比例為權(quán)重，根據(jù)公式Z=0.6495Z1+ 0.2152Z2+0.1353Z3計(jì)算主成分綜合得分并排序，結(jié)果見表7。

由表7可以看出，第一主成分得分排名與綜合排名基本一致，說明谷朊粉的泡沫穩(wěn)定性、溶解性、吸水率、起泡性、水分及粗蛋白含量在綜合評價(jià)谷朊粉品質(zhì)中起到重要作用，谷朊粉的內(nèi)在功能性對谷朊粉的品質(zhì)影響較大。谷朊粉綜合得分高，則谷朊粉的品質(zhì)好。居排名前三位的分別是8號(hào)、5號(hào)和7號(hào)谷朊粉，其中8號(hào)的綜合得分最高，為1.68，說明8號(hào)谷朊粉的品質(zhì)最好；居排名后三位的分別是9號(hào)、4號(hào)和10號(hào)，其中10號(hào)的綜合得分最低，僅為-2.37，則10號(hào)谷朊粉的品質(zhì)相比其他谷朊粉最差。利用主成分分析方法，在分析過程中考慮樣品的理化指標(biāo)及功能性指標(biāo)，計(jì)算綜合得分，對不同谷朊粉的品質(zhì)進(jìn)行量化，能更全面的客觀的評價(jià)谷朊粉的品質(zhì)。同時(shí)也能為企業(yè)選擇優(yōu)質(zhì)的谷朊粉提供參考，為谷朊粉生產(chǎn)企業(yè)提高產(chǎn)品質(zhì)量提供幫助，有利于增加產(chǎn)品的競爭力。

3 結(jié)論

隨著科技的發(fā)展，研究的深入，谷朊粉的應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣，建立一個(gè)全面客觀的谷朊粉品質(zhì)評價(jià)體系也顯得越來越重要，這將能很好地指導(dǎo)谷朊粉的生產(chǎn)及使用，為企業(yè)創(chuàng)造更高的經(jīng)濟(jì)效益。本實(shí)驗(yàn)采用主成分分析的方法評價(jià)了10種谷朊粉的品質(zhì)，從以上實(shí)驗(yàn)可以得出如下結(jié)論：

3.1 不同企業(yè)生產(chǎn)的谷朊粉品質(zhì)不同，其中灰分、溶解性、起泡性及泡沫穩(wěn)定性4個(gè)指標(biāo)差異較大，所以評價(jià)谷朊粉品質(zhì)時(shí)，除了參照國標(biāo)方法測定谷朊粉的常規(guī)理化指標(biāo)，應(yīng)同時(shí)分析谷朊粉的功能性，利用主成分分析進(jìn)行全面客觀的評價(jià)。

3.2 通過主成分分析方法，提取3個(gè)主成分累計(jì)方差貢獻(xiàn)率為83.824%，其中第1主成分占總方差貢獻(xiàn)率的54.443%，第2主成分占總方差貢獻(xiàn)率的18.039%，第3主成分占總方差貢獻(xiàn)率的11.341%，說明這3個(gè)主成分包含樣品的大部分信息。確定泡沫穩(wěn)定性、溶解性、吸水率、起泡性、水分含粗蛋白含量是影響谷朊粉品質(zhì)的重要指標(biāo)，并建立了谷朊粉品質(zhì)的綜合評分方法，對谷朊粉品質(zhì)進(jìn)行綜合評分并排序。

3.3 谷朊粉綜合得分越高，則谷朊粉品質(zhì)越好，10種谷朊粉中排在前三位的依次是8號(hào)、5號(hào)和7號(hào)谷朊粉。

表7 主成分得分及綜合得分排名Table 7 Principal component scores and overall scores of the quality evaluation

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表8 不同濃度的尿素對測定結(jié)果的影響Table 8 The influence of different concentrations of urea on determination results

3 結(jié)論

快速滴定法測定牛奶中蛋白質(zhì)時(shí)，樣品的取樣量為1.00mL，0.1mol/L鹽酸加入量為1.00mL較為合理有效，采用2次滴定法能得到理想滴定結(jié)果。與凱氏定氮法和TNM-1儀器法測定結(jié)果對比無顯著差異（p＞0.05）；干燥法的實(shí)驗(yàn)結(jié)果再次驗(yàn)證快速滴定法的準(zhǔn)確性。一定濃度范圍內(nèi)，含氮摻雜物也不干擾牛奶中蛋白質(zhì)的測定。

快速滴定法全程耗時(shí)約10min，操作簡單，所需試劑種類少，較傳統(tǒng)的凱氏定氮法節(jié)約時(shí)間，較TNM-1儀器法節(jié)約成本，且有助于發(fā)現(xiàn)含氮摻雜物，對于大量原料奶的驗(yàn)收和在生產(chǎn)過程中適時(shí)掌握牛奶的品質(zhì)特別適用。

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Quality evaluation of wheat gluten based on principal component analysis

WANG Liu-qiang1，2，ZHANG Chun-hong2，GAO Shuang2，LI Chen2，MA Tao1，*
（1.College of Chemistry Chemical Engineering and Food Safety，Bohai University，Jinzhou 121013，China；2.College of Food，Shenyang Agriculture University，Shenyang 110866，China）

Ten kinds of different wheat gluten were selected as samples in this experiment，the quality of different wheat gluten was evaluated by the principal component analysis method based on the main quality index of gluten including moisture，ash，crude fat，crude protein，water absorption，solubility，retention ability，foaming ability and foam stability.The results showed that the quality of different productions was different，the first three principal components were selected from nine parameters of wheat gluten and the cumulative contribution to variance was up to 83.824%with principal component analysis method.The first，second and third principal component of total variability accounts for 54.443%，18.039%and 11.341%respectively.Moisture，crude protein，water absorption，solubility，foaming ability and foam stability were the most important factors affecting the quality of wheat gluten.According to the method，the wheat gluten were scored and ranked，the higher the score was，the better the quality was，and the top three were No.8，No.5，and No.7.

wheat gluten；function；quality evaluation；principal component analysis

TS239

A

1002-0306（2014）20-0086-05

10.13386/j.issn1002-0306.2014.20.010

2014－01－02

王六強(qiáng)（1987-），男，碩士研究生，主要從事植物油脂及蛋白科學(xué)與工程方面的研究。

* 通訊作者：馬濤（1962-），男，博士，教授，主要從事糧油食品儲(chǔ)藏保鮮與深加工方面的研究。

鄭州市科技創(chuàng)新體系建設(shè)計(jì)劃（N2013NC1072）。