基于主成分分析法评价谷朊粉品质

王六强，张春红，高 爽，李 晨，马 涛

（1.渤海大学化学化工与食品安全学院，辽宁锦州 121013；2.沈阳农业大学食品学院，辽宁沈阳 110866）

基于主成分分析法评价谷朊粉品质

王六强1，2，张春红2，高 爽2，李 晨2，马 涛1，*

（1.渤海大学化学化工与食品安全学院，辽宁锦州 121013；2.沈阳农业大学食品学院，辽宁沈阳 110866）

以10种市售谷朊粉为试材，在分析谷朊粉的水分、灰分、粗脂肪、粗蛋白等理化指标及吸水率、溶解性、持水力、起泡性及泡沫稳定性等功能性的基础上，利用主成分分析法对谷朊粉的品质进行了的评价。结果表明：不同企业生产的谷朊粉品质不同，通过主成分分析，提取3个主成分累计方差贡献率为83.824%，其中第1、第2和第3主成分方差贡献率分别为54.443%、18.039%和11.341%。确定泡沫稳定性、溶解性、吸水率、起泡性、水分及粗蛋白含量是影响谷朊粉品质的重要指标，建立了综合评价谷朊粉品质的方法，对谷朊粉品质进行综合评分并排序。谷朊粉综合得分越高，谷朊粉的品质越好，10种谷朊粉中排在前三位的依次是8号、5号和7号谷朊粉。

谷朊粉，功能性，品质评价，主成分分析

谷朊粉是以小麦面粉为原料，水洗掉淀粉及其他水溶性成分得到的一种天然植物蛋白，是淀粉加工行业的副产物，以小麦为原料的发酵工业也生产部分谷朊粉[1]。2010年中国谷朊粉的年产量已达到30万吨[2]，而且每年还在增长。作为一种天然植物蛋白，谷朊粉具有优良的黏弹性、延伸性、热凝固性等功能特性，使其作为食品添加剂、品质改良剂在食品工业中广泛应用[3]。

随着谷朊粉应用领域的不断扩大，谷朊粉的生产越来越受到中国乃至世界淀粉生产行业的重视[4]。目前，中国谷朊粉生产企业众多，不同企业生产的谷朊粉品质不同，这就为谷朊粉使用企业带来困扰。究其原因，我国现在还没有完善的谷朊粉评价体系，没有全面的标准去指导谷朊粉的生产与应用[5]。我国现有的谷朊粉评价方法仅有国标一种，而国标方法仅对谷朊粉的水分、粗脂肪、粗蛋白、灰分和粗细度等理化指标进行分析，对于谷朊粉活性的评价仅有吸水率一项指标，而谷朊粉的功能性影响着谷朊粉的加工应用，所以现有的国标不能全面评价谷朊粉的应用品质，因此，建立一种全面客观的谷朊粉评价体系迫在眉睫。主成分分析法是将多个变量通过线性变换以选出较少的重要变量的一种多元统计分析方法。近年来，主成分分析法广泛应用品质评价领域，周妍等利用主成分分析法对面条的品质进行了评价[6]，扶定等利用主成分分析法对稻米的品质进行了评价[7]，马龙等将主成分分析方法应用于酱牛肉质构特性的评价中[8]，黄毅将主成分分析方法应用于酱油质量的评价中[9]。目前，主成分分析法在粮食及产品的品质评价中应用较少，因此，可以运用主成分分析方法，对谷朊粉的品质进行评价，建立一种客观、全面、方便的品质评价体系。

本研究选用10种市售谷朊粉为试材，按照国标方法测定谷朊粉的理化指标及吸水性，同时分析谷朊粉的溶解性、持水力、起泡性及泡沫稳定性等功能性，应用主成分分析方法对数据进行处理[10]，全面客观评价谷朊粉的品质，为企业选用优质的谷朊粉产品提供指导。

表1 谷朊粉品质评价指标Table 1 The quality evaluation index of wheat gluten

1 材料及方法

1.1 材料与仪器

谷朊粉 市售，分别购自山东新瑞集团、安徽省碧绿春酿酒有限公司、河南莲花面粉有限公司、安阳众鑫食品有限公司、徐州德隆生物科技有限公司、安徽安特生物化学有限公司、安徽瑞福祥食品有限公司、河南天冠企业集团有限公司、封丘县华丰粉业有限公司、河南大康粮食深加工有限公司；无水乙醇、NaOH、HCl、乙醚、H2SO4、硫酸钾、五水硫酸铜、酒石酸钾钠 分析纯。

85-2型恒温磁力搅拌器、HH-数显恒温水浴锅 常州国华电器有限公司；DHG-9246A型电热恒温鼓风干燥箱 上海精宏实验仪器设备有限公司；ALC-210.2型电子天平 北京赛多利斯仪器系统有限公司；PHS-3C型数字式pH计 上海理达仪器厂；T18分散机 德国IKA公司。

1.2 谷朊粉理化指标测定

水 分 测 定 ：参 照 国 标 GB 5009.3-2010；灰 分 测定：参照国标GB/T 5505－2008；粗蛋白质测定：参照国标GB/T 5511－2008；粗脂肪测定：参照国标GB/T 5512－2008。

1.3 谷朊粉功能性测定

1.3.1 溶解性的测定 采用双缩脲法测定[11]。

1.3.2 持水力的测定 采用差量法测定[12]。

1.3.3 吸水率的测定 参照国标GB/T 21924-2008测定。

1.3.4 起泡性及泡沫稳定性测定 采用搅打法测定[13]。

1.4 数据分析

本实验数据均3次测量取平均值，数据处理采用Excel 2003及SPSS 17.0。

2 结果及分析

2.1 谷朊粉品质评价指标的选择

本实验选择的谷朊粉品质评价指标有：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 稳定性（X9），共9个指标。其中水分、粗脂肪、粗蛋白、灰分、吸水率是GB/T 21924-2008用来评价谷朊粉的基本指标。测定结果见表1。

表2 各品种谷朊粉品质描述性统计Table 2 Descriptive statistics of wheat gluten of every one

由表1及表2可知，不同谷朊粉品质之间差异较大。分析原因认为，谷朊粉的品质主要受原料小麦品质及加工工艺的影响，我国谷朊粉生产企业众多，不同厂家生产谷朊粉用的原料不同，生产工艺不相同，因此生产谷朊粉的品质各不相同。

由表2可知，10种谷朊粉中，灰分、溶解性、起泡性及泡沫稳定性的变异系数较大，分别为26.37%、29.63%、17.98%和21.17%，说明不同谷朊粉的上述4个指标差异较大。其余5个指标变异系数均小于10%，说明不同谷朊粉的这几个指标相对稳定。而这5个指标中有4个指标是国标规定的评价谷朊粉的指标，可见对于国标没有要求的功能性指标，不同企业生产的谷朊粉差异较大。因此，建议在评定谷朊粉品质时，除了测定国标规定的指标外，还应分析谷朊粉的功能性，这样才能更加客观的评定谷朊粉的品质。为了进一步说明各个指标的相对重要性，对谷朊粉的9个指标进行主成分分析。

表3 谷朊粉品质评价指标相关系数矩阵Table 3 Correlation coefficient matrix of wheat gluten guality evaluation index

2.2 谷朊粉品质指标的主成分分析

主成分分析是一种数学变换的方法，在不损失原变量太多信息的条件下尽可能地降低原变量的维数，即用为数较少的“新变量”代替原来的各变量，既揭示了事物内部变量之间的规律性，又简化了问题、提高了效率[14]。

评价指标是由多个指标构成，为了避免量纲和数量级的影响，必须对数据进行标准化处理，将它们都转化成无量纲数据。另外，在国标评定中，水分、粗脂肪、灰分含量越小越好，它们的含量高会降低谷朊粉的品质，所以在做标准化处理前需先将它们的数据 取 倒 数 使 其 正 向 化[15]，然 后 运 用SPSS 17.0软 件 对标准化的数据进行主成分分析，得到相关系数表3、方差分析表4和主成分载荷矩阵表5。

由表3可知，溶解性与水分含量显著相关；吸水率与水分含量极显著相关；起泡性与水分含量、吸水率显著相关，起泡性与溶解性极显著相关；泡沫稳定性与水分含量、溶解性、吸水率、起泡性极显著相关。这表明所分析的指标反映的信息有一定的重叠，因此有必要对相关性状指标进行归类和简化，以提高谷朊粉品质评价的效率。

表4 相关矩阵的特征值与方差贡献率Table 4 Eigenvalues and percentage of the correlation matrix

由表4可以看到每个主成分的特征值，它的大小表示了对应成分能够描述原有信息的多少，前3个主成分特征值都大于1，累计贡献率为83.824%，基本上反映了原来指标的信息，因此可用3个彼此不相关的综合指标代替原来的9个指标评价谷朊粉的品质。

表5 主成分载荷矩阵Table 5 Component matrix

表5是主成分载荷矩阵，其中每个载荷量表示主成分与对应的变量的相关关系。由表5可知，第一主成分主要包含谷朊粉的泡沫稳定性、溶解性、吸水率、起泡性、水分及粗蛋白含量等信息，贡献率为54.443%，说明谷朊粉的水分、粗蛋白含量和主要功能性在谷朊粉品质评价中起关键作用。第二主成分主要包含了谷朊粉的灰分及粗脂肪等信息，贡献率为18.039%，表明这两个指标对谷朊粉的品质评价也有重要作用。第三主成分主要反映了谷朊粉的持水力，贡献率为11.341%。通过以上对主成分的分析，可以看出提取的3个主成分基本能反应9个指标的信息，因此用这3个具有代表性主成分可以代替原来的指标来评定谷朊粉的综合品质，使得谷朊粉的品质评价变得更加简单。每一个载荷量表示主成分与对应变量的相关系数，主成分相应特征值的平方根与特征向量乘积为载荷量，因此，通过相关计算可以得到每个指标的主成分特征向量，结果见表6。

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

根据表6的数据，计算每个主成分的表达式，结果如式（1～3）所示（式中x1、x2、x3…x9为标准化后的数据）。通过每个表达式可以计算出每个主成分的得分，结果见表7。

以每个主成分所对应的特征值占所提取的主成分特征值之和的比例为权重，根据公式Z=0.6495Z1+ 0.2152Z2+0.1353Z3计算主成分综合得分并排序，结果见表7。

由表7可以看出，第一主成分得分排名与综合排名基本一致，说明谷朊粉的泡沫稳定性、溶解性、吸水率、起泡性、水分及粗蛋白含量在综合评价谷朊粉品质中起到重要作用，谷朊粉的内在功能性对谷朊粉的品质影响较大。谷朊粉综合得分高，则谷朊粉的品质好。居排名前三位的分别是8号、5号和7号谷朊粉，其中8号的综合得分最高，为1.68，说明8号谷朊粉的品质最好；居排名后三位的分别是9号、4号和10号，其中10号的综合得分最低，仅为-2.37，则10号谷朊粉的品质相比其他谷朊粉最差。利用主成分分析方法，在分析过程中考虑样品的理化指标及功能性指标，计算综合得分，对不同谷朊粉的品质进行量化，能更全面的客观的评价谷朊粉的品质。同时也能为企业选择优质的谷朊粉提供参考，为谷朊粉生产企业提高产品质量提供帮助，有利于增加产品的竞争力。

3 结论

随着科技的发展，研究的深入，谷朊粉的应用领域越来越广，建立一个全面客观的谷朊粉品质评价体系也显得越来越重要，这将能很好地指导谷朊粉的生产及使用，为企业创造更高的经济效益。本实验采用主成分分析的方法评价了10种谷朊粉的品质，从以上实验可以得出如下结论：

3.1 不同企业生产的谷朊粉品质不同，其中灰分、溶解性、起泡性及泡沫稳定性4个指标差异较大，所以评价谷朊粉品质时，除了参照国标方法测定谷朊粉的常规理化指标，应同时分析谷朊粉的功能性，利用主成分分析进行全面客观的评价。

3.2 通过主成分分析方法，提取3个主成分累计方差贡献率为83.824%，其中第1主成分占总方差贡献率的54.443%，第2主成分占总方差贡献率的18.039%，第3主成分占总方差贡献率的11.341%，说明这3个主成分包含样品的大部分信息。确定泡沫稳定性、溶解性、吸水率、起泡性、水分含粗蛋白含量是影响谷朊粉品质的重要指标，并建立了谷朊粉品质的综合评分方法，对谷朊粉品质进行综合评分并排序。

3.3 谷朊粉综合得分越高，则谷朊粉品质越好，10种谷朊粉中排在前三位的依次是8号、5号和7号谷朊粉。

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

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表8 不同浓度的尿素对测定结果的影响Table 8 The influence of different concentrations of urea on determination results

3 结论

快速滴定法测定牛奶中蛋白质时，样品的取样量为1.00mL，0.1mol/L盐酸加入量为1.00mL较为合理有效，采用2次滴定法能得到理想滴定结果。与凯氏定氮法和TNM-1仪器法测定结果对比无显著差异（p＞0.05）；干燥法的实验结果再次验证快速滴定法的准确性。一定浓度范围内，含氮掺杂物也不干扰牛奶中蛋白质的测定。

快速滴定法全程耗时约10min，操作简单，所需试剂种类少，较传统的凯氏定氮法节约时间，较TNM-1仪器法节约成本，且有助于发现含氮掺杂物，对于大量原料奶的验收和在生产过程中适时掌握牛奶的品质特别适用。

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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

王六强（1987-），男，硕士研究生，主要从事植物油脂及蛋白科学与工程方面的研究。

* 通讯作者：马涛（1962-），男，博士，教授，主要从事粮油食品储藏保鲜与深加工方面的研究。

郑州市科技创新体系建设计划（N2013NC1072）。