基于主成分小米-小麦混合粉面团流变学特性综合评价

张桂英,张喜文,*,申瑞玲,李 萍,杜文娟,姜龙波

(1.山西农业科学院谷子研究所,山西长治 046011;2.郑州轻工业学院,河南郑州 450000)

谷子[Setariaitalica(L.)Beauv.]又名粟,禾本科狗尾草属植物,脱壳后为小米,起源于我国黄河流域,其种植历史距今已有7000余年,是世界上最古老的农作物之一[1-2]。我国谷子分布面积较广,主产区为华北、西北、东北地区。其中山西省由于地形复杂、气候多样化,特殊的生态环境造就了山西不仅是谷子的主产区,也是拥有沁州黄等多个知名谷子品种的优质产区[3]。小米营养丰富,含有蛋白质、糖类、脂肪、多种维生素及硒、铁等多种人体所必需的营养物质,营养素配比合理,人体吸收消化率高[4-5]。

面团流变学特性是衡量面团耐揉性和粘弹性的综合指标[6],是目前国内育种和品质检测单位的首要分析指标,决定着馒头、面条、饼干等最终产品的加工品质,为面粉的分类和用途提供科学的参考依据[7-8]。小米本身不含面筋蛋白,不能形成面团,限制了其现代工业的发展。因此,将小米粉添加到小麦粉中,研究其面团流变学特性可以了解小米混合粉的品质,对指导小米制品的品质改良和加工具有十分重要的意义。

目前,在有关小米-小麦粉面团品质研究中,主要是依据测定的指标对相关样品进行单指标的比较或简单的汇总分析[9-12],而采用统计学方法对小米-小麦粉面团品质进行综合评价的研究较少。主成分分析法将原来众多的并且相关的指标转化为个数较少且彼此独立或不相关的变量,使用较少的变量去解释原有变量的大部分变异,将复杂的信息简单化,构建评价模型,避免了重复信息的干扰[13-15]。本研究主要是以13个小米品种为材料,按0～35%比例添加到小麦粉中,对小米-小麦混合粉面团粉质特性和拉伸特性进行研究,基于主成分分析,综合评价了小米-小麦混合粉面团流变学特性,筛选出小米品种及其较适宜的添加比例,旨在为小米粉在食品加工中的开发利用和工业化生产提供技术支撑和理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

长农35、青谷、长生07、长农40、112、113 其中112、113为糯性品种,山西农科院谷子研究所;白谷 吉林农科院;豫谷18 河南农科院;冀谷19 河北农科院;黄金苗 内蒙古农科院;大同29 山西农科院高寒区作物研究所;晋谷51 山西农科院作物科学研究所;晋谷21 山西农科院经济作物研究所;小麦粉 中粮神象香雪特一粉,郑州中粮粮油工业有限公司。

Farinograph-AT粉质仪、Extensograph-E拉伸仪 德国布拉本德公司。

1.2 实验方法

1.2.1 小米粉的制备 小米经除杂后,在40 ℃干燥至恒重后进行磨粉,将磨好的小米粉过100目筛。

1.2.2 混合粉的制备 将小米粉分别与小麦粉按质量比进行梯度配粉,其配粉比例分别为0%、5%、10%、15%、20%、25%、30%、35%。配粉充分混匀后,过80目筛。

1.2.3 流变学特性测定 粉质参数采用德国布拉本德粉质仪测定,参照ICC标准(No.115)和GB/T 14614-2006进行测定;拉伸参数采用德国布拉本德拉伸仪测定,参照ICC标准(No.114)和GB/T 14615-2006进行测定。

1.2.4 数据处理 采用SPSS 18.0统计分析软件,对小米-小麦混合粉流变学特性的主成分进行分析。

2 结果与分析

2.1 小米-小麦混合粉面团流变学特性与统计分析

由表1可以看出,除吸水率的变异系数为4.1%较小外,其他16项指标的变异系数均较大,特别是形成时间、稳定时间和拉伸曲线面积的变异系数最大。这说明不同品种、不同比例的小米-小麦混合粉面团品质指标差异较大,随着小米粉添加量的不同,对混合粉面团粉质拉伸特性有较大的影响;比较均值和中位数发现,指标的中位数均接近其平均数,说明这些数据点分布均匀。以上结果表明,小米-小麦混合粉面团各指标测定值均在接受范围内,离群点较少,混合粉面团特性差异较大,具有一定的广泛性和代表性。这些差异一方面是由于小米粉添加比例不同造成的;另一方面是不同品种造成的,但是单个指标不能综合评价小米-小麦混粉面团粉质和拉伸特性,需要进一步的统计分析。

表1 小米-小麦混合粉面团流变学特性与统计分析Table 1 Statistical analysis and rheological properties of dough made by millet and wheat mixed flour

2.2 小米-小麦混粉面团流变学特性的主成分分析

2.2.1 小米-小麦混粉面团特性KMO和Bartlett的检验 通过SPSS软件将原始数据标准化做KMO和Bartlett检验,其结果如表2所示。KMO值为0.843,接近于1,说明变量间的相关性显著,原有变量适合作因子分析;Bartlett球度检验的Sig值为0,小于显著水平0.05,说明变量之间存在相关关系,适宜用因子分析研究变量之间的关系。

表2 KMO和Bartlett的检验Table 2 Verification of KMO and Bartlett

2.2.2 主成分确定 由表3所得原始数据相关系数矩阵的特征值及累计方差贡献率可见,前两个主成分方差贡献率分别为72.346%和12.860%;其相关矩阵特征值分别为12.299和2.186,前两个主成分的累计方差贡献率达到85.21%,说明前两个主成分所包含的要素信息量已达到原始变量的大部分信息。因此,可将17个变量压缩成2个主成分。

表3 小米-小麦混合粉面团的相关系数矩阵特征值及累计方差贡献率Table 3 The eigenvalues and accumulative variance contribution of correlation coefficient matrix of the dough made by millet and wheat mixed flour

2.2.3 主成分载荷矩阵和公因子方差 由表4可知,形成时间、质量指数、45 min拉伸曲线面积、45 min拉伸阻力、45 min延伸度、45 min最大拉伸阻力、90 min拉伸曲线面积、90 min拉伸阻力、90 min延伸度、90 min最大拉伸阻力、135 min拉伸曲线面积、135 min拉伸阻力、135 min延伸度、135 min最大拉伸阻力在第一主成分上有较高的载荷量,分别为0.83、0.86、0.98、0.91、0.88、0.98、0.98、0.84、0.86、0.98、0.98、0.78、0.86、0.96,表明第1主成分对这14个指标起支配作用;吸水率、稳定时间、弱化度在第2主成分的载荷量分别为0.71、-0.47、0.50,与第2主成分存在很强的相关性。因此,第1、2主成分可较好的解释17个变量。

表4 主成分的初始因子载荷矩阵和公因子方差Table 4 The principal components load matrix and common factors variance

2.3 小米-小麦混粉面团流变学特性的综合评价

提取出来的两个主成分可以基本反映全部指标信息。因此,需计算出主成分表达式的系数,即主成分载荷的数据(表4)除以主成分相对应的特征根(或特征值)开平方根得到两个主成分中每个指标所对应的系数。

主成分1(F1)、主成分2(F2)与各个变量的线性组合表达式如下:

F1=0.18X1+0.24X2+0.10X3-0.14X4+0.25X5+0.28X6+0.26X7+0.25X8+0.28X9+0.28X10+0.24X11+0.25X12+0.28X13+0.28X14+0.22X15+0.25X16+0.27X17

F2=0.48X1+0.05X2-0.32X3+0.34X4-0.22X5+0.07X6-0.22X7+0.27X8-0.07X9+0.09X10-0.26X11+0.29X12-0.09X13+0.10X14-0.29X15+0.32X16-0.11X17

以表4中前2个主成分对应的方差贡献率作为权重,由小米-小麦混粉面团流变学特性的评价函数计算主成分综合表达式如下:

F=0.19X1+0.18X2+0.03X3-0.06X4+0.15X5+0.21X6+0.16X7+0.22X8+0.19X9+0.21X10+0.14X11+0.22X12+0.19X13+0.22X14+0.12X15+0.22X16+0.18X17

根据第1主成分、第2主成分及综合主成分的表达式及系数,计算出主成分值及综合主成分值如表5所示。小米粉按不同比例添加到小麦粉中使面团品质发生了较大的变化;从不同的小米添加量来看,根据综合主成分值,豫谷18、白谷、冀谷19排在前三,说明在这13个小米品种中,豫谷18、白谷、冀谷19综合主成分值高,品质优,适宜制作高筋类的食品;113、112综合主成分值明显低于其他品种,112和113是糯小米,综合主成分值低,较适宜加工低筋类的食品;糯小米粉加入对混合粉品质影响较大。小米配粉在配比为5%～15%时,综合主成分值为正值,对配粉面团品质不会产生太大影响,当小米粉添加量超过15%时,除白谷、豫谷18这两个品种之外,其余品种综合主成分值均为负值,说明小米小麦混合粉面团品质显著降低。

表5 小米-小麦混合粉面团品质的综合排名Table 5 The comprehensive ranking of quality of dough made by millet and wheat mixed flour

续表

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3 结论

混合粉面团流变学特性随着小米粉添加量的增加而变差,不适合面制品的加工利用,但不同品种与添加量的小米粉对面团粉质拉伸特性的影响程度不同。主成分分析表明,随着小米粉添加量的增加,综合主成分值降低,粉质拉伸特性降低;小米粉较适宜的添加量为15%。根据综合主成分值,豫谷18、白谷和冀谷19最适宜加工高筋类食品,112和113较适宜制作低筋类食品。因此,在制作小米-小麦混合粉的面制食品时,可根据产品的需求选择合适的小米粉品种和添加量。

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