小麦品质性状相关性及主成分分析

2023-12-11江伟张晓刘大同高德荣张勇李曼寿路路陆成彬

江苏农业科学 2023年16期

江伟张晓刘大同高德荣张勇李曼寿路路陆成彬

摘要：为研究小麦不同品质性状的相互关系，重点评价不同指标对品质贡献的大小，筛选品质代表性综合评判指标，并进一步明确江苏省商品小麦主要品质状况，供试材料为129份江苏各地仓储小麦样品，对15个小麦品质性状进行相关性及主成分分析。结果表明，面团的形成时间和稳定时间变异系数为54.76%、50.81%，硬度指数、蛋白质含量、湿面筋含量、吸水率变异系数分别为8.93%、4.98%、8.84%、3.88%，其他参数在10.54%～23.19%范围内；硬度指数与损伤淀粉含量、吸水率、形成时间、稳定时间呈极显著正相关，与延伸度、稀懈值和峰值黏度呈极显著负相关；湿面筋含量与蛋白质含量、延伸度、形成时间呈极显著正相关，与面筋指数呈极显著负相关；稳定时间与硬度指数、蛋白质含量、最终黏度、回升值、形成时间呈极显著正相关；最大拉伸阻力与面筋指数、稳定时间、拉伸面积呈极显著正相关；损伤淀粉含量与吸水率呈极显著正相关，而与面筋指数、峰值黏度、稀懈值、延伸度呈极显著负相关。对15个品质指标进行主成分分析，并分为4类：（1）硬度和淀粉特性类，包括硬度指数、吸水率、损伤淀粉含量、峰值黏度、稀懈值，其中硬度指数和峰值黏度为代表性指标；（2）面团混合特性类，包括稳定时间、形成时间、最终黏度、回生值，稳定时间为代表性指标；（3）蛋白质数量和质量类，包括蛋白质含量、湿面筋含量、面筋指数、延伸度，蛋白质含量为代表性指标；（4）面团拉伸特性类，包括最大拉伸阻力、拉伸面积，最大拉伸阻力为代表性指标。

关键词：小麦；品质性状；相关性分析；主成分分析；变异系数

中图分类号：S512.101文献标志码：A

文章编号：1002-1302（2023）16-0043-06

收稿日期：2022-07-19

基金项目：江苏省农业科技自主创新资金［编号：CX（21）3102］；江苏省重点研发计划（编号：BE2021335）；江苏省种业振兴揭榜挂帅项目［编号：JBGS（2021）006］；国家现代农业产业技术体系建设专项（编号：CARS-03-8）。

作者简介：江伟（1989—），男，安徽广德人，助理研究员，从事小麦遗传育种研究。E-mail：jiangwei0626@163.com。

通信作者：陆成彬，博士，研究员，主要从事小麦遗传育种研究，E-mail：lucb123@126.com；张晓，硕士，副研究员，主要从事小麦遗传育种研究，E-mail：zhangxiao820218@163.com。

小麦作为适应性最强和栽培区域最广的主粮作物，为全世界30%～40%的人口提供了重要食物和营养来源^［1^］。小麦品质是小麦对某种特定用途、加工产品的适合程度和满意程度的综合而相对的概念，与小麦的加工利用密切相关^［²^］。目前不断提高小麦籽粒品质，对于确保国家粮食安全和人民生命健康具有重要意义与实用价值^［³^］。随着人们日益增长的美好生活需要，对高品质小麦面粉的需求越来越迫切，小麦育种目标已从单纯追求产量突破向兼顾品质提升转变。然而，随着小麦品質性状测试技术和方法的丰富，小麦品质指标也随之增多，加大了品质鉴定的难度^［4-6^］。不同品质指标之间彼此关联，多项品质数据反映的品质特性在一定程度上有重叠^［^7-9^］。本研究运用相关分析和主成分分析方法，以期筛选出几类主要品质指标来反映小麦品质特性的大部分品质性状，将小麦品质测定中相关性高的品质性状归为一类，转化成彼此相互独立或不相关的变量^［^10-12^］。

国内外对于小麦主要品质性状的研究报道已有很多，结果也不尽相同。有研究表明面团流变学特性与小麦蛋白质和湿面筋含量呈显著正相关，可作为小麦粉品质测定和食品加工的主要指标^［13^］。李桂萍等研究认为，可以通过籽粒硬度判断小麦面筋含量高低，初步定性小麦筋力强弱^［¹²^］。大多数研究认为，蛋白质含量与湿面筋含量、稳定时间、吸水率、拉伸面积、最大拉伸阻力呈极显著正相关。峰值黏度可作为衡量小麦淀粉特性的最重要指标，且峰值黏度与其他淀粉糊化特性参数之间呈极显著正相关，与蛋白质含量、湿面筋含量呈极显著负相关^［¹⁴^］。孙彩玲等将小麦品质性状分为蛋白质量因子（包括面筋指数、沉淀值、形成时间和稳定时间）、磨粉因子（包括硬度指数、出粉率、吸水率和白度）、蛋白数量因子（包括湿面筋含量和蛋白质含量）^［1^］；也有研究将品质性状综合为沉降因子（沉降值和延展性）、面团因子（稳定时间、硬度和吸水率）、容重因子（容重、湿面筋含量和蛋白质含量）^［10^］；还有研究将其分为蛋白质及面筋数量类（包括蛋白质含量、湿面筋含量和干面筋含量）、面筋质量特性及面包特性类（包括面筋指数、形成时间、稳定时间等）、耐揉指数及弱化度、衰落值^［7^］。前人虽开展了多项小麦品质性状相关性研究，但大多数研究的品质性状相对较少，没有全面检测小麦籽粒特性、蛋白特性、淀粉特性和面团流变学特性等品质性状。

本研究以2018年江苏省不同地区粮库抽取的129份小麦样品为供试材料，全面测定籽粒特性、蛋白特性、淀粉特性和面团流变学特性，深入了解小麦各品质性状间的相互关系，并运用主成分分析法对所有品质性状的相对重要性进行归纳分析，明确影响小麦品质的主要指标以及各指标间的相互关系，以期为小麦品质育种和小麦加工品质的预测提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试小麦样品由2018年江苏省8个地市部分粮库抽样提供，样品具体分布情况为扬州市抽样20份，泰州市抽样15份，南通市抽样15份，盐城市抽样29份，淮安市抽样15份，连云港市抽样15份，徐州市抽样10份，宿迁市抽样10份，共计129份。

1.2 品质测定方法

利用波通DA7200近红外仪测定籽粒蛋白质含量；利用Perten SKCS4100型单粒谷物特性测定仪，参照GB/T 21304—2007《小麦硬度测定硬度指数法》测定籽粒硬度指数；利用Perten2200面筋分析仪，参照GB/T 5506.2—2008《小麦和小麦粉面筋含量第2部分：仪器法测定湿面筋》测定湿面筋含量及面筋指数；利用肖邦SDmatic破损淀粉测定仪，参照GB/T 31577—2015《粮油检验小麦粉损伤淀粉测定安培计法》测定损伤淀粉含量；利用RVA-4型快速黏度仪，参照GB/T 24853—2010《小麦、黑麦及其粉类和淀粉糊化特性测定快速黏度仪法》测定淀粉糊化参数；利用Brabender810104电子型粉质仪，参照GB/T 14614—2019《粮油检验小麦粉面团流变学特性测试粉质仪法》测定粉质参数；利用Brabender电子型拉伸仪，参照GB/T 14615—2019《粮油检验小麦粉面团流变学特性测试拉伸仪法》测定拉伸参数。

1.3 数据统计分析

采用Excel 2019、SPSS 19.0对数据进行整理计算及统计分析。

2 结果与分析

2.1 小麦品质性状的总体表现及变异分析

对129份小麦样品的品质性状的表型进行分析（表1），其中硬度指数、峰值黏度、稳定时间、蛋白质含量、湿面筋含量、最大拉伸阻力的变幅分别为46.90%～71.20%、1 256～3 110 cP、1.00～25.60 min、10.19%～14.24%、19.47%～34.40%、96.50～484.00 BU。对小麦各品质性状的变异系数进行分析，发现面团流变学特性的变异系数最大，首先是粉质参数（形成时间、稳定时间），达到54.76%、50.81%，其次是拉伸参数（拉伸面积、最大拉伸阻力），均超过20%，再次是RVA参数（峰值黏度、稀懈值、最终黏度、回升值），在15%～20%之间；硬度指数、蛋白质含量、湿面筋含量、吸水率的变异系数较小，分别为8.93%、4.98%、8.84%、3.88%。通过对主要品质性状内数据进行统计分析，发现各品质性状数据都基本符合正态分布特性（图1），能够确保相关分析和主成分分析的准确性。

2.2 小麦品质性状间的相关性分析

由表2可知，硬度指数与损伤淀粉含量、吸水率、形成时间、稳定时间之间存在极显著正相关关系，与峰值黏度、稀懈值、延伸度之间存在极显著负相关关系；其中硬度指数与损伤淀粉含量和吸水率的正相关性较高，相关系数分别为0.788、0.745。蛋白质含量与湿面筋含量、稳定时间、拉伸面积、延伸度之间极显著正相关，其中蛋白质含量与湿面筋含量正相关性最高，相关系数达0.773；湿面筋含量与形成时间、延伸度呈极显著正相关；峰值黏度与稀懈值、最终黏度、回升值、拉伸面积呈极显著正相关；稀懈值与拉伸面积、延伸度呈极显著正相关。

损伤淀粉含量与吸水率呈极显著正相关；形成时间与稳定时间呈极显著正相关；稳定时间与拉伸面积存在极显著正相关。拉伸面积与延伸度、最大拉伸阻力呈极显著正相关。其中湿面筋含量与面筋指数之间存在极显著负相关，损伤淀粉含量与面筋指数之间存在极显著负相关，峰值黏度与损伤淀粉含量之间存在极显著负相关，稀懈值与损伤淀粉含量、吸水率之间存在极显著负相关，且与损伤淀粉含量的相关系数达到0.711。

2.3 小麦品质性状的主成分分析

对小麦品质性状的特征根、特征向量以及累计贡献率进行统计分析，由表3、表4可知，累计贡献率达到89.053%的主成分有6类。同时结合相关性分析结果，从小麦品质性状的总信息量中筛选出4类主成分。在第1主成分中硬度指数、吸水率、损伤淀粉含量、稀懈值、峰值黏度的特征向量绝对值较高，其中稀懈值的特征向量达0.884，并且该主成分对总的遗传贡献率最大，达到25.156%。在第2主成分中稳定时间、形成时间、最终黏度、回升值的特征向量绝对值较高，且稳定时间的特征向量绝对值最大，达到0.759，该主成分的贡献率为23.429%。在第3主成分中蛋白质含量、湿面筋含量、面筋指数、延伸度的特征向量绝对值较高，其中湿面筋含量的特征向量绝对值最大，为0.847，该主成分对总的遗传贡献率达到14.733%。在第4主成分中最大拉伸阻力、拉伸面积的特征向量绝对值较高，特征向量绝对值最大的是最大拉伸阻力，为0.699，该主成分对总的遗传贡献率达到12.524%。结合上述分析，可将15个品质特性分为4类：（1）硬度和淀粉特性类，包括硬度指数、吸水率、损伤淀粉含量、峰值黏度、稀懈值，硬度指数高，吸水率和损伤淀粉含量就相对的较高，而淀粉特性数值相对较低。（2）面团混合特性类，包括稳定时间、形成时间、最终黏度和回生值。（3）蛋白质数量和质量类，包括蛋白质含量、湿面筋含量、面筋指数和延伸度。（4）面团拉伸特性类，包括最大拉伸阻力和拉伸面积。结合不同品质指标的相关性分析结果（表2），也可看出这四大类品质特性类内线性相关性较强，类间线性相关性偏弱。

3 讨论与结论

129份样品15个品质性状间相关分析结果表明，硬度指数与损伤淀粉含量、吸水率、形成时间和稳定时间呈极显著正相关，与峰值黏度、稀懈值、延伸度呈极显著负相关，硬度指数与其他小麦品质性状之间的相关性高，是判断小麦品质特性的重要指标，也是小麦市场分级和定价的重要依据。小麦籽粒硬度主要由胚乳细胞中淀粉颗粒和蛋白质基质之间的黏合力和包被淀粉颗粒的蛋白质基质连续性决定^［15^］，并且受遗传控制，主要与一种被称为Friabilin的蛋白有关，Friabilin蛋白主要由Puroindoline（PINA）和Puroindoline（PINB）2种组分组成。硬质麦Puroindoline蛋白含量较低，在蛋白质基质上黏着许多淀粉颗粒，并且它们相互之间结合能力较强，在机械研磨过程中易形成较多破损淀粉颗粒，且面粉颗粒度较大，进而导致面粉的吸水率也高。硬度指数与面团形成时间、稳定时间呈极显著正相关，硬质小麦多为中强筋小麦、面团强度高，反之软质小麦多为弱筋小麦、面团强度小。硬度指数与峰值黏度、稀懈值呈负相关，表明软质小麦即弱筋小麦峰值黏度和稀懈值偏高，谭彩霞等认为不同品种小麦粉破损淀粉含量表现为强筋>中筋>弱筋>糯性小麦^［16^］，本研究结果与此结论一致。稳定时间、湿面筋含量、拉伸面积、延伸度与蛋白质含量呈极显著正相关；蛋白质含量与湿面筋含量正相关性最高，主要由于面粉加水使清蛋白和醇溶蛋白发生水合作用，麦谷蛋白吸水胀润相互聚集形成网络结构，将其他蛋白和成分包埋在其中，从而形成面团，淀粉和水溶性蛋白在经过水洗后，从麦谷蛋白网络结构中被洗涤出去，未被洗掉的吸水胀润的蛋白即为湿面筋^［17^］，所以二者高度相关。湿面筋含量与延伸度、形成时间呈极显著正相关，与面筋指数呈极显著负相关，这可能与本研究试验材料弱筋品种数量偏多、强筋类型较少有关。面筋指数与峰值黏度、稀懈值、最大拉伸阻力、拉伸面积存在极显著正相关，这与强生军等的研究结果^［¹⁸^］一致，且面筋指数与损伤淀粉含量负相关性达极显著水平。峰值黏度与稀懈值、最终黏度、回升值、拉伸面积正相关达极显著，这与阎俊等的研究结果^［19^］一致，可以將峰值黏度作为淀粉糊化特性的最主要参考指标。吸水率与硬度指数、形成时间正相关性达极显著水平；而稳定时间与硬度指数、蛋白质含量、拉伸面积呈极显著正相关^［²⁰^］，表明稳定时间越长的面团筋力越强、搅拌耐力越好^［^21-23^］；最大拉伸阻力代表了面团在拉伸过程中所需要的力和拉伸过程中所做的功（能量）^［24^］，本研究表明最大拉伸阻力与拉伸面积正相关性达极显著水平，其他研究也表明最大拉伸阻力与拉伸面积、面筋指数、稳定时间呈极显著正相关^［25-27^］，本研究结论与之一致。

通过主成分分析法将所测品质性状分为4类。第一类为硬度和淀粉特性类，包括硬度指数、吸水率、损伤淀粉含量、峰值黏度、稀懈值，结合相关性分析结果，根据各因子贡献率大小，又因硬度指标测试简便快速，故将硬度指数与峰值黏度作为此类别代表性指标。第二类为面团混合特性类，包括稳定时间、形成时间、最终黏度、回升值，其中稳定时间贡献率最高，故将稳定时间作为代表性指标，并且面团混合特性高低是衡量面团流变学特性的主要指标，可以为小麦粉分类和用途提供科学依据。第三类为蛋白质数量和质量类，包括蛋白质含量、湿面筋含量、面筋指数和延伸度，主要反映测试样品蛋白质含量和质量，且类内指标间相关性均达极显著水平，这也与大多数前人的研究结果^［1^，7^，10^］一致，蛋白质含量高其湿面筋含量高、面团筋力强、延伸性好；虽然此类别中湿面筋含量贡献率最高，但在实际测试中蛋白质含量检测更加便捷，且二者相关性极显著，故将蛋白质含量作为此类别代表性指标。第四类为面团拉伸特性类，包括最大拉伸阻力和拉伸面积，并将最大拉伸阻力作为此类别主要指标，拉伸特性主要反映面团抗拉伸性的优劣，是对面团的弹性和韧性的反映，面粉的筋力越强，则它的最大拉伸阻力越大，拉伸面积也越大；面团拉伸特性可作为判定面团强度的重要指标。

综上所述，本研究得出在小麦诸多品质性状中，硬度指数与损伤淀粉含量和吸水率之间存在极显著正相关，与稀懈值之间存在极显著负相关；蛋白质含量与湿面筋含量之间存在极显著正相关；峰值黏度与其他淀粉糊化特性参数之间存在极显著正相关；稳定时间与形成时间之间存在极显著正相关；最大拉伸阻力与拉伸面积呈极显著正相关。将小麦品质参数归类为硬度和淀粉特性类、面团混合特性类、蛋白质数量和质量特性类和面团拉伸特性类，代表性指标分别为硬度指数和峰值黏度、稳定时间、蛋白质含量、最大拉伸阻力。

参考文献：

［1］孙彩玲，曲辉英，吕建华，等. 基于主成分和聚类分析的山东省区试小麦品种（系）品质的综合评价［J］. 山东农业大学学报（自然科学版），2014，45（4）：545-551.

［2］孙辉，尹成华，赵仁勇，等. 我国小麦品质评价与检验技术的发展现状［J］. 粮食与食品工业，2010，17（5）：14-18.

［3］何中虎，晏月明，庄巧生，等. 中国小麦品种品质评价体系建立与分子改良技术研究［J］. 中国农业科学，2006，39（6）：1091-1101.

［4］Campbell W，Wrigley C，Cressey P，et al. Statistical correlations between quality attributes and grain-protein composition for 71 hexaploid wheats used as breeding parents［J］. Cereal Chemistry，1987，64：293-299.

［5］Autio K，Flander L，Kinnunen A，et al. Bread quality relationship with rheological measurements of wheat flour dough［J］. Cereal Chemistry Journal，2001，78（6）：654-657.

［6］刘思辰，曹晓宁，温琪汾，等. 山西谷子地方品种农艺性状和品质性状的综合评价［J］. 中国农业科学，2020，53（11）：2137-2148.

［7］胡琳，盖钧镒，许为钢，等. 小麦品质特性的分类及相对重要性分析［J］. 麦类作物学报，2006，26（5）：60-64.

［8］路辉丽，王亚平，尹成华，等. 小麦品质指标与面团流变学特性的多元回归分析［J］. 粮油食品科技，2013，21（1）：62-66.

［9］要燕杰，高翔，李晓燕，等. 小麦品质指标与面团流变学特性的相关和多元回归分析［J］. 华北农学报，2013，28（增刊1）：147-154.

［10］赵鹏涛，赵卫国，罗红炼，等. 小麦主要品质性状相关性及主成分分析［J］. 中国农学通报，2019，35（21）：7-13.

［11］李曼，陆成彬，江伟，等. 江苏淮南麦区小麦品质特性与饼干品质的关系［J］. 江苏农业科学，2021，49（12）：145-150.

［12］李桂萍，张根生，巴青松，等. 杂种小麦品质性状的性状相关和主成分分析［J］. 浙江农业学报，2016，28（9）：1447-1453.

［13］陶海腾，齐琳娟，王步军.不同省份小麦粉面团流变学特性的分析［J］. 中国粮油学报，2011，26（11）：5-8.

［14］乔玉强，马传喜，黄正来，等. 小麦糊化特性参数稳定性分析及其与其他品质性状关系的研究［J］. 激光生物学报，2008，17（5）：587-592.

［15］陈锋，李根英，耿洪伟，等. 小麦籽粒硬度及其分子遗传基础研究回顾与展望［J］. 中国农业科学，2005，38（6）：1088-1094.

［16］谭彩霞，封超年，郭文善，等. 不同品种小麦粉黏度特性及破损淀粉含量的差异［J］. 中国粮油学报，2011，26（6）：4-7.

［17］李芳，张影全，李明，等. 小麦面筋形成及其理化特性影响因素研究进展［J］. 中国食品学报，2019，19（11）：278-285.