基于主成分分析对3D-全麦粉与普通全麦粉品质的比较研究

唐春红，游欢，赵久毅，赵敏吉，常海军，吴丽

（重庆工商大学环境与资源学院，重庆 400000）

全麦粉是指以整粒小麦为原料，经制粉工艺制成，且小麦胚乳、胚芽与麸皮的相对比例与天然完整颖果基本一致的小麦全粉[1]。研究表明，全麦粉富含膳食纤维、矿物质以及维生素，对心血管疾病、糖尿病等慢性疾病以及一些肠道疾病有一定的预防和改善作用[2-4]。

目前全麦粉的生产方式有两种，一种是“整粒研磨法”，另一种是“麦麸回添法”。“整粒研磨法”存在历史较长，但由于碾磨的麦麸粒径过大，产品适口性差，因此并不常用。“麦麸回添法”是将小麦籽粒中的麸皮、胚乳、胚芽分开碾磨，再将麸皮和胚芽按比例添加到小麦粉中，是我国面粉制造厂商常用的方法[5]。但由于麦麸回添的比例不同，导致我国市面上的全麦粉产品质量参差不齐，有些产品仅添加了极少量麦麸。

本课题组研究了一种制粉新工艺，采用振动磨和分子筛结合代替传统辊式磨，提高了麸皮的粉碎程度和制粉效率，实现了小麦籽粒“整粒成粉”和微粒子精密复合，并且利用氮气输送物料，成粉后直接氮气包装，隔绝了空气与物料的接触，在制粉过程实现全麦粉的稳定化。这种“整粒成粉”的全麦制粉技术因保留了小麦籽粒几乎全部营养和活性成分，小麦膳食纤维的空间结构没有像传统全麦粉那样被破坏，被定义为3D-全麦制粉技术，生产的全麦粉定义为3D-全麦粉。

本文研究对比了3D-全麦粉与市面常见全麦粉在基础营养指标、粒径、矿物质含量、破损淀粉含量、烷基间苯二酚含量以及微观结构等方面的差异，以期为解决传统制粉技术导致的全麦粉营养成分丢失和口感粗糙等问题提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 材料与设备

1.1.1 材料与试剂

3D-全麦粉样品：山东龙脉科技发展有限公司代加工；对照品1、对照品2、对照品3：市售。

邻苯三酚（AR）：遵义市倍缘化工有限责任公司；高温淀粉酶（40000U/g，BR）：上海如吉生物科技发展有限公司；蛋白酶（1 100 U/mL，BR）、糖化酶（100 000 U/mL，BR）：上海阿拉丁生化科技有限公司；高温α-淀粉酶（10 000 U/mL，BR）：美国 sigma公司；丙酮（AR）：成都市科龙化工试剂厂；固蓝RR盐（AR）：上海鸿鹄生物医药科技有限公司；乙酸（AR）：国药集团化学试剂有限公司；甲醇（AR）：上海泰坦科技股份有限公司；3’5二羟基戊苯（RG）：上海阿达玛斯试剂有限公司。

1.1.2 设备

全自动凯式定氮仪（K1100F）：济南海能仪器股份有限公司；马弗炉（FO411C）：日本雅马拓公司；激光粒径分析仪（BT-2001）：丹东百特仪器有限公司；微波消解仪（JRX-10L）、粗脂肪测定仪（SZF-06C）：济南精锐分析仪器有限公司；高速冷冻离心机（TGL-20）：四川蜀科仪器有限公司；电热恒温鼓风干燥箱（DHG）：上海龙跃仪器设备有限公司；数显水浴恒温振荡器（SHA.CA）：常州普天仪器制造有限公司；紫外-可见分光光度计（UV2400型）、电子水分仪（ESH105）：上海舜宇恒平科学仪器有限公司。

1.2 试验方法

1.2.1 3D-全麦粉的制备

通过全封闭式自动化分级碾磨使小麦籽粒在25℃整粒成粉。物料进入机器后，利用氮气输送物料，隔绝物料与空气接触，实现全流态化制粉，自选择粉碎颗粒，缩短了粉碎路程。利用振动磨对小麦籽粒进行碾磨，利用分级筛，将筛下物与筛上物分离，筛上物进入另一振动磨中继续进行粉碎，直至基本不形成筛上物料时将其混合，得到3D-全麦粉。

1.2.2 全麦粉基础营养指标测定

水分含量采用快速水分测定仪法进行测定；蛋白质含量采用GB 5009.5—2016《食品安全国家标准食品中蛋白质的测定》中凯式定氮法进行测定；粗脂肪含量采用全自动索氏提取器进行测定；总膳食纤维含量采用GB5009.88—2014《食品安全国家标准食品中膳食纤维的测定》进行测定；灰分含量采用GB 5009.4—2016《食品安全国家标准食品中灰分的测定》进行测定。

1.2.3 全麦粉矿物质含量测定

矿物质含量采用GB 5009.268-2016《食品安全国家标准食品中矿物质的测定》进行测定。

1.2.4 全麦粉破损淀粉含量测定

破损淀粉含量采用GB/T 9826—2008《粮油检验小麦粉破损淀粉测定α-淀粉酶法》进行测定。

1.2.5 全麦粉粒径分布测定

参考熊礼橙等[6]的方法进行改进，采用BT-2001型激光粒径分析仪在遮光率1%～2%条件下进行测定。测定结果以D10（累计分布百分数达10%时所对应的粒径）、D50（累计分布百分数达50%时所对应的粒径）、D90（累计分布百分数达90%时所对应的粒径）、平均粒径以及不同粒径区间的占比表示。

1.2.6 全麦粉超氧化物歧化酶活性测定

超氧化物歧化酶（superoxide dismutase，SOD）活性采用GB/T 5009.171—2003《保健食品中超氧化物歧化酶（SOD）活性的测定》进行测定。

1.2.7 全麦粉烷基间苯二酚含量测定

全麦粉烷基间苯二酚（alkyl resorcinol，ARs）含量参照张珺等[7]的试验方案进行改进。准确称取1.00 g全麦粉原料，以1∶20（g/mL）的料液比与丙酮混合，用摇床持续振荡48 h提取全麦粉中的ARs。将提取后的料液进行离心分离，取上清液于50℃条件下减压蒸馏，最后的残留物质用5 mL的甲醇导出，作为ARs待测液备用。取0.80 mL待测液与7.20 mL工作液（以含质量分数1%乙酸的甲醇为溶剂，准确配制质量分数为0.05%的固蓝RR储备液，于4℃条件下保存7 d，使用前与甲醇按1∶3体积比混合）用质量分数5%的K2CO3调节pH值至10.0，于480 nm处测定吸光值。

标准曲线绘制：准确配制1 mg/mL 3’5二羟基戊苯标准溶液[8]，分别稀释至 25、20、15、10、5 μg/mL，用甲醇代替标准溶液作为空白。分别取0.80 mL标准溶液与7.20 mL即时配制的工作液混合，用5%K2CO3调节pH值至10.0，于480 nm处测定吸光值。

1.2.8 全麦粉微观结构测定

将全麦粉加水醒发后制作成面片，悬挂晾干24 h后裁切成约5 mm2的小块。样品用导电胶固定在载物台上进行喷金处理，设定加速电压10 kV，显微图像放大倍数400倍。

1.2.9 全麦粉品质指标主成分分析

将所测得的数据用IBM SPSS Statistic 19.0以及MATLAB7.1软件进行主成分分析（principal component analysis，PCA）。将数据标准化后得到特征值、特征向量、主成分载荷矩阵以及综合得分，综合得分越高，代表全麦粉品质越好。

1.3 数据统计分析

所有试验至少3次平行测定，使用IBM SPSS Statistic 19.0、MATLAB 7.1软件以及Microsoft Excel 2016软件进行数据分析，使用Origin 2017软件进行绘图。

2 结果与分析

2.1 全麦粉基础营养指标分析

在小麦粉中，麸皮及胚乳含量不同，其营养成分的含量不同。研究表明，小麦籽粒中蛋白质和脂肪在皮层、糊粉层以及胚芽中的含量高于其在胚乳中的含量[9-10]，而膳食纤维主要分布在皮层中，且随着小麦粉中麦麸粒径减小而减少[12-13]。不同全麦粉的基础指标比较见表1。

表1 不同全麦粉的基础指标比较Table 1 Basic indexes of different kinds of whole wheat flour%

由表1可知，4种全麦粉的水分含量均符合全麦粉的行业标准。3D-全麦粉的蛋白质和粗脂肪含量分别为12.15%和1.55%，极显著高于（p＜0.01）其他3种市售全麦粉。其次，总膳食纤维（total dietary fiber，TDF）含量和灰分含量也是评判全麦粉麸皮含量的重要指标，皮层膳食纤维占小麦总膳食纤维的75.00%[11]，而灰分越低，麦麸含量越低。在表1中，3D-全麦粉的总膳食纤维含量和灰分含量分别为9.92%和1.80%，对照品1的总膳食纤维含量和灰分含量为11.20%和1.87%，极显著高于对照品2和对照品3。

由表1可以推断，对照品2和对照品3的麸皮添加量仅有少量。对照品1总膳食纤维以及灰分含量较高的原因与全麦粉粒径偏大有关，推测其加工方式为整粒研磨法，而这种“整粒成粉”的研磨技术制得的3D-全麦粉几乎全部保留了麸皮和胚芽组织，符合全麦粉行业标准[1]对于全麦粉的定义。

2.2 矿物质元素含量分析

小麦籽粒中的主要矿物质有Ca、Mg、Na、Fe和Zn等，几乎都分布在小麦籽粒的皮层中，其含量占小麦籽粒矿物质总含量的60%左右[14]。因此，矿物质元素的含量也是评判全麦粉麸皮含量的一项重要指标。全麦粉中的常量与微量矿物质元素含量见图1。

图1 全麦粉中的常量与微量矿物质元素含量Fig.1 Content of macro and trace mineral elements in whole wheat flour

由图1可以看出，在4种全麦粉中，3D-全麦粉矿物质元素含量均居于前列。在3D-全麦粉中，Mg、Mn、Fe 3种元素含量都极显著高于（p＜0.01）其他3种全麦粉，Mg元素含量高达698.00 mg/kg、Mn元素含量为25.23 mg/kg、Fe元素含量为 33.32 mg/kg。3D-全麦粉的Na元素含量位于第二位，与其他3种全麦粉形成极显著差异（p＜0.01）。Zn元素含量与对照品3形成极显著性差异（p＜0.01）。4种全麦粉中Ca元素的含量无显著性差异。

研究表明，小麦籽粒中的Mn元素基本分布在麦粒外部的麸皮组织中[15-16]。DE BRIER等[17]发现Ca、Mn等元素主要分布在最外层麸皮中，Cu、K、Fe、Zn等主要分布在糊粉层中，而胚乳中主要含有Cu、Zn等元素。由上述结果对照图1可知，3D-全麦粉的麸皮和胚芽组织是4种全麦粉中最高的。

2.3 粒径分布分析

全麦粉粒径是指全麦粉颗粒的粗细程度，是评价全麦粉品质的重要指标，其对后续产品的质地和口感有很大的影响[18]。4种全麦粉不同粒径分布见图2。

图2 4种全麦粉粒径分布Fig.2 Particle size distribution of four kinds of whole wheat flour

由图2可知，3D-全麦粉与对照品2和对照品3的粒径分布占比相似，而对照品1粒径在100 μm以上的占比明显高于其它3种，粒径在100 μm以下的占比均不高于10%。说明相较于其它3种全麦粉，对照品1的粉碎程度相对较低，产品适口性较差。

4种全麦粉粒径见表2。

表2 4种全麦粉粒径Table 2 Particle size of four kinds of whole wheat flour μm

由表2可知，4种全麦粉D90的粒径分别为166.22、454.25、154.16、144.13 μm，平均粒径分别为77.95、205.52、74.77、71.27 μm，对照品 1 的 D90 粒径和平均粒径都极显著高于（p＜0.01）其他3种全麦粉。而李娟等[19]研究表明，当全麦粉平均粒径为97.00 μm时，制作而成的面包质地细腻，口感最佳。由此可知，平均粒径在75 μm左右的3D-全麦粉、对照品2和对照品3不会影响后续产品的质地和口感，而对照品1的平均粒径大于200 μm，会影响后续产品的质地和口感。

2.4 破损淀粉含量分析

有研究表明，全麦粉中含有的一定量破损淀粉能提高吸水率和帮助形成蛋白质网状结构，改善面制品的内部结构和风味。但过量的破损淀粉则会使面团过度吸水，导致面团混揉能力降低，内部网状结构塌陷[20-22]。全麦粉破损淀粉含量见图3。

图3 全麦粉破损淀粉含量Fig.3 Damaged starch content of whole wheat flour

由图3可知，3D-全麦粉的破损淀粉含量为8.12%、对照品1为4.76%、对照品2为8.31%、对照品3为9.13%。在粒径相同的3种全麦粉中，3D-全麦粉的破损淀粉含量最低。说明3D-制粉技术既保证了产品破碎程度，又尽可能地保护淀粉颗粒不受破坏。对于粒径较大的对照品1来说，其破损淀粉含量低于其他3种全麦粉，可能是由于对照品1的碾磨程度较低，对淀粉的破坏程度较低。齐婧等[23]研究表明，破损淀粉含量随小麦粉粒度减小而增加，并且呈一定的线性关系，这与本文的结果一致。由此研究可知对照品1破碎程度较低导致破损淀粉过少，不利于面团内部网络结构的形成。

2.5 超氧化物歧化酶活性分析

SOD广泛存在于各种动植物细胞中，对于清除细胞中的自由基、防止细胞氧中毒起着重要的作用[24]。张志清等[25]研究了小麦苗中SOD的分离纯化以及其抗氧化作用，表明小麦苗汁中SOD活性达到354.49 U/mg，是葡萄汁中SOD活性的7倍。而对于小麦粉中SOD活性的研究以及不同加工方式生产全麦粉对SOD活性的影响研究未见报道。全麦粉SOD活性见图4。

图4 全麦粉SOD活性Fig.4 SOD activity of whole wheat flour

由图4可知，4种全麦粉中，3D-全麦粉SOD活性最高，达到了 3.27×105U/g，对照品 1、对照品 2、对照品3 的 SOD 活性依次降低，分别为 2.89×105、2.72×105、2.27×105U/g。3D-全麦粉与对照品2、对照品3形成极显著性差异（p＜0.01），与对照品1形成显著性差异（p＜0.05）。由此可知，3D-制粉技术在制备全麦粉时，极大地保留了全麦粉的SOD活性成分。

2.6 烷基间苯二酚含量分析

ARs是特异性存在于小麦皮层及糊粉层中的物质。研究表明，小麦中的烷基间苯二酚含量占小麦总质量的0.02%～0.30%[26]，且随着剥皮率的增加，全麦粉中的ARs含量呈下降趋势，具有显著性差异（p＜0.05）[27]。因此，有研究建议将烷基间苯二酚作为全麦粉中麸皮含量多少的生物标记物[28-29]。全麦粉烷基间苯二酚含量见图5。

图5 全麦粉烷基间苯二酚含量Fig.5 Alkylresorcinol content of whole wheat flour

由图5可知，4种全麦粉中，对照品1的ARs含量最高为 249.82 μg/g，其次 3D-全麦粉为 214.92 μg/g，对照品2和对照品3的ARs含量极显著低于（p＜0.01）前两种，分别为36.55 μg/g和26.41 μg/g。由麸皮添加量生物标记物ARs含量推测，对照品2和对照品3的麸皮添加量极少，不符合全麦粉行业标准中对全麦粉的定义，而对照品1由于粉碎程度低，ARs的保留率比3D-全麦粉略高。

2.7 全麦面条微观结构分析

研究表明，全麦制品的微观结构与宏观特性有一定的对应关系[32]。产品蛋白质网络结构疏松，暴露在网络结构外的成分较多，则面条的浑汤率和断条率较高。利用全麦粉制作全麦面条，采用扫描电镜研究4种全麦粉制作成面条后的微观结构，结果见图6。

图6 全麦粉制作成面条的微观结构Fig.6 Microstructure of noodles made from whole wheat flour

由图6A可知，3D-全麦粉制作的面条，蛋白质网络结构相较于对照品1（图6B）来说更紧密，淀粉颗粒基本镶嵌在网络中，但与对照品2（图6C）和对照品3（图6D）比较，其蛋白质网络结构较为疏松，暴露在蛋白质网络结构外的淀粉颗粒较多。这是由于全麦粉中粒径较大的麸皮组织对蛋白质网络结构的破坏[30]，使得全麦面条的蛋白质网络结构变得疏松，不连续。并且随着麸皮粒径的增大，面筋蛋白网络结构对淀粉颗粒包裹性变差[31]。由此可知，3D-全麦粉中麸皮成分被很好地破碎并保留了下来，但对比同样保留了麸皮组织的对照品1，减少了麸皮组织对蛋白质网络结构的破坏作用。

这表明，在后续全麦粉的利用中，利用对照品1制作的全麦制品其质地和感官品质不佳。而3D-全麦粉由于麸皮粒径较小，其产品的感官和质地都将明显优于对照品1。

2.8 不同全麦粉指标的主成分分析

为进一步分析不同全麦粉的各项指标对全麦粉品质的影响，得出最优值，采用SPSS以及MATLAB软件对全麦粉品质指标进行主成分分析，得到主成分分析累计方差贡献率、载荷矩阵以及综合得分，结果见表3、表4、表5。

表3 不同全麦粉主成分分析累计方差贡献率Table 3 Cumulative variance explained of principal components of different kinds of whole wheat flour

表4 不同全麦粉主成分分析载荷矩阵Table 4 Principal component analysis load matrix of different kinds of whole wheat flour

表5 不同小麦粉品质指标综合得分Table 5 Comprehensive scores of quality indexes of different kinds of wheat flour

由表3～表5可知，主成分1的特征值为9.04，方差贡献率为60.28%，以水分含量、总膳食纤维含量、灰分、Mn、Fe元素含量、SOD活性、烷基间苯二酚含量为主要指标；主成分2的特征值为4.47，方差贡献率为29.82%，累计方差贡献率为 90.10%，以脂肪、Na、Mg、Ca元素含量、粒径、破损淀粉含量为主要特征值；主成分3的特征值为1.49，方差贡献率为9.90%，累计方差贡献率为100.00%，以蛋白质、Zn元素含量为主要指标。3个主成分因子的累计贡献率达到100.00%，说明前3个因子代表了15个指标100.00%的综合信息，能够代表4种全麦粉的特征。

研究以各特征向量和标准化后的各指标数据计算得出的综合得分作为全麦粉品质评价的标准。对比4种全麦粉的综合得分可以看出，3D-全麦粉的综合得分为2.51，明显高于其他3种全麦粉，对照品3的综合得分最低为-1.82。说明3D-全麦粉通过上述指标综合表现出的品质是4种全麦粉中最好的。

3 结论

从4种全麦粉的各项指标来看，利用3D-制粉技术生产的全麦粉，在粒径相同的情况下，营养成分含量以及活性成分含量都显著高于市面上利用麦麸回添技术生产的全麦粉。虽然利用整粒研磨法生产的对照品1某些指标与3D-全麦粉比较略高，但由于对照品1的粒径比3D-全麦粉大2.64倍，从微观结构图中可以看出利用对照品1制作的全麦面条蛋白质网络结构被大粒径麸皮破坏，其紧密程度以及对淀粉和麸皮的包裹能力不及3D-全麦粉。对4种全麦粉的各项品质指标进行主成分分析，发现3D-全麦粉的综合得分与其他3种全麦粉差异较大。试验证明这种利用振动磨和分子筛结合，常温下整粒成粉的全麦制粉技术做到了将麸皮和胚芽组织充分破碎，最大限度地保留了小麦籽粒的营养成分和活性成分并且不影响后续产品口感，较好地解决了市面上普通全麦粉营养与口感无法兼顾的问题。