小麥品質性狀相關性及主成分分析

江偉 張曉 劉大同 高德榮 張勇 李曼 壽路路 陸成彬

摘要：為研究小麥不同品質性狀的相互關系，重點評價不同指標對品質貢獻的大小，篩選品質代表性綜合評判指標，并進一步明確江蘇省商品小麥主要品質狀況，供試材料為129份江蘇各地倉儲小麥樣品，對15個小麥品質性狀進行相關性及主成分分析。結果表明，面團的形成時間和穩定時間變異系數為54.76%、50.81%，硬度指數、蛋白質含量、濕面筋含量、吸水率變異系數分別為8.93%、4.98%、8.84%、3.88%，其他參數在10.54%～23.19%范圍內；硬度指數與損傷淀粉含量、吸水率、形成時間、穩定時間呈極顯著正相關，與延伸度、稀懈值和峰值黏度呈極顯著負相關；濕面筋含量與蛋白質含量、延伸度、形成時間呈極顯著正相關，與面筋指數呈極顯著負相關；穩定時間與硬度指數、蛋白質含量、最終黏度、回升值、形成時間呈極顯著正相關；最大拉伸阻力與面筋指數、穩定時間、拉伸面積呈極顯著正相關；損傷淀粉含量與吸水率呈極顯著正相關，而與面筋指數、峰值黏度、稀懈值、延伸度呈極顯著負相關。對15個品質指標進行主成分分析，并分為4類：（1）硬度和淀粉特性類，包括硬度指數、吸水率、損傷淀粉含量、峰值黏度、稀懈值，其中硬度指數和峰值黏度為代表性指標；（2）面團混合特性類，包括穩定時間、形成時間、最終黏度、回生值，穩定時間為代表性指標；（3）蛋白質數量和質量類，包括蛋白質含量、濕面筋含量、面筋指數、延伸度，蛋白質含量為代表性指標；（4）面團拉伸特性類，包括最大拉伸阻力、拉伸面積，最大拉伸阻力為代表性指標。

關鍵詞：小麥；品質性狀；相關性分析；主成分分析；變異系數

中圖分類號：S512.101文獻標志碼：A

文章編號：1002-1302（2023）16-0043-06

收稿日期：2022-07-19

基金項目：江蘇省農業科技自主創新資金［編號：CX（21）3102］；江蘇省重點研發計劃（編號：BE2021335）；江蘇省種業振興揭榜掛帥項目［編號：JBGS（2021）006］；國家現代農業產業技術體系建設專項 （編號：CARS-03-8）。

作者簡介：江 偉（1989—），男，安徽廣德人，助理研究員，從事小麥遺傳育種研究。E-mail：jiangwei0626@163.com。

通信作者：陸成彬，博士，研究員，主要從事小麥遺傳育種研究，E-mail：lucb123@126.com；張 曉，碩士，副研究員，主要從事小麥遺傳育種研究，E-mail：zhangxiao820218@163.com。

小麥作為適應性最強和栽培區域最廣的主糧作物，為全世界30%～40%的人口提供了重要食物和營養來源^［1］。小麥品質是小麥對某種特定用途、加工產品的適合程度和滿意程度的綜合而相對的概念，與小麥的加工利用密切相關^［2］。目前不斷提高小麥籽粒品質，對于確保國家糧食安全和人民生命健康具有重要意義與實用價值^［3］。隨著人們日益增長的美好生活需要，對高品質小麥面粉的需求越來越迫切，小麥育種目標已從單純追求產量突破向兼顧品質提升轉變。然而，隨著小麥品質性狀測試技術和方法的豐富，小麥品質指標也隨之增多，加大了品質鑒定的難度^［4-6］。不同品質指標之間彼此關聯，多項品質數據反映的品質特性在一定程度上有重疊^［7-9］。本研究運用相關分析和主成分分析方法，以期篩選出幾類主要品質指標來反映小麥品質特性的大部分品質性狀，將小麥品質測定中相關性高的品質性狀歸為一類，轉化成彼此相互獨立或不相關的變量^［10-12］。

國內外對于小麥主要品質性狀的研究報道已有很多，結果也不盡相同。有研究表明面團流變學特性與小麥蛋白質和濕面筋含量呈顯著正相關，可作為小麥粉品質測定和食品加工的主要指標^［13］。李桂萍等研究認為，可以通過籽粒硬度判斷小麥面筋含量高低，初步定性小麥筋力強弱^［12］。大多數研究認為，蛋白質含量與濕面筋含量、穩定時間、吸水率、拉伸面積、最大拉伸阻力呈極顯著正相關。峰值黏度可作為衡量小麥淀粉特性的最重要指標，且峰值黏度與其他淀粉糊化特性參數之間呈極顯著正相關，與蛋白質含量、濕面筋含量呈極顯著負相關^［14］。孫彩玲等將小麥品質性狀分為蛋白質量因子（包括面筋指數、沉淀值、形成時間和穩定時間）、磨粉因子（包括硬度指數、出粉率、吸水率和白度）、蛋白數量因子（包括濕面筋含量和蛋白質含量）^［1］；也有研究將品質性狀綜合為沉降因子（沉降值和延展性）、面團因子（穩定時間、硬度和吸水率）、容重因子（容重、濕面筋含量和蛋白質含量）^［10］；還有研究將其分為蛋白質及面筋數量類（包括蛋白質含量、濕面筋含量和干面筋含量）、面筋質量特性及面包特性類（包括面筋指數、形成時間、穩定時間等）、耐揉指數及弱化度、衰落值^［7］。前人雖開展了多項小麥品質性狀相關性研究，但大多數研究的品質性狀相對較少，沒有全面檢測小麥籽粒特性、蛋白特性、淀粉特性和面團流變學特性等品質性狀。

本研究以2018年江蘇省不同地區糧庫抽取的129份小麥樣品為供試材料，全面測定籽粒特性、蛋白特性、淀粉特性和面團流變學特性，深入了解小麥各品質性狀間的相互關系，并運用主成分分析法對所有品質性狀的相對重要性進行歸納分析，明確影響小麥品質的主要指標以及各指標間的相互關系，以期為小麥品質育種和小麥加工品質的預測提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試小麥樣品由2018年江蘇省8個地市部分糧庫抽樣提供，樣品具體分布情況為揚州市抽樣20份，泰州市抽樣15份，南通市抽樣15份，鹽城市抽樣29份，淮安市抽樣15份，連云港市抽樣15份，徐州市抽樣10份，宿遷市抽樣10份，共計129份。

1.2 品質測定方法

利用波通DA7200近紅外儀測定籽粒蛋白質含量；利用Perten SKCS4100型單粒谷物特性測定儀，參照GB/T 21304—2007《小麥硬度測定 硬度指數法》測定籽粒硬度指數；利用Perten2200面筋分析儀，參照GB/T 5506.2—2008《小麥和小麥粉 面筋含量 第2部分：儀器法測定濕面筋》測定濕面筋含量及面筋指數；利用肖邦SDmatic破損淀粉測定儀，參照GB/T 31577—2015《糧油檢驗 小麥粉損傷淀粉測定 安培計法》測定損傷淀粉含量；利用RVA-4型快速黏度儀，參照GB/T 24853—2010《小麥、黑麥及其粉類和淀粉糊化特性測定 快速黏度儀法》測定淀粉糊化參數；利用Brabender810104電子型粉質儀，參照GB/T 14614—2019《糧油檢驗 小麥粉面團流變學特性測試 粉質儀法》測定粉質參數；利用Brabender電子型拉伸儀，參照GB/T 14615—2019《糧油檢驗 小麥粉面團流變學特性測試 拉伸儀法》測定拉伸參數。

1.3 數據統計分析

采用Excel 2019、SPSS 19.0對數據進行整理計算及統計分析。

2 結果與分析

2.1 小麥品質性狀的總體表現及變異分析

對129份小麥樣品的品質性狀的表型進行分析（表1），其中硬度指數、峰值黏度、穩定時間、蛋白質含量、濕面筋含量、最大拉伸阻力的變幅分別為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。對小麥各品質性狀的變異系數進行分析，發現面團流變學特性的變異系數最大，首先是粉質參數（形成時間、穩定時間），達到54.76%、50.81%，其次是拉伸參數（拉伸面積、最大拉伸阻力），均超過20%，再次是RVA參數（峰值黏度、稀懈值、最終黏度、回升值），在15%～20%之間；硬度指數、蛋白質含量、濕面筋含量、吸水率的變異系數較小，分別為8.93%、4.98%、8.84%、3.88%。通過對主要品質性狀內數據進行統計分析，發現各品質性狀數據都基本符合正態分布特性（圖1），能夠確保相關分析和主成分分析的準確性。

2.2 小麥品質性狀間的相關性分析

由表2可知，硬度指數與損傷淀粉含量、吸水率、形成時間、穩定時間之間存在極顯著正相關關系，與峰值黏度、稀懈值、延伸度之間存在極顯著負相關關系；其中硬度指數與損傷淀粉含量和吸水率的正相關性較高，相關系數分別為0.788、0.745。蛋白質含量與濕面筋含量、穩定時間、拉伸面積、延伸度之間極顯著正相關，其中蛋白質含量與濕面筋含量正相關性最高，相關系數達0.773；濕面筋含量與形成時間、延伸度呈極顯著正相關；峰值黏度與稀懈值、最終黏度、回升值、拉伸面積呈極顯著正相關；稀懈值與拉伸面積、延伸度呈極顯著正相關。

損傷淀粉含量與吸水率呈極顯著正相關；形成時間與穩定時間呈極顯著正相關；穩定時間與拉伸面積存在極顯著正相關。拉伸面積與延伸度、 最大拉伸阻力呈極顯著正相關。其中濕面筋含量與面筋指數之間存在極顯著負相關，損傷淀粉含量與面筋指數之間存在極顯著負相關，峰值黏度與損傷淀粉含量之間存在極顯著負相關，稀懈值與損傷淀粉含量、吸水率之間存在極顯著負相關，且與損傷淀粉含量的相關系數達到0.711。

2.3 小麥品質性狀的主成分分析

對小麥品質性狀的特征根、 特征向量以及累計貢獻率進行統計分析，由表3、表4可知，累計貢獻率達到89.053%的主成分有6類。同時結合相關性分析結果，從小麥品質性狀的總信息量中篩選出4類主成分。在第1主成分中硬度指數、吸水率、損傷淀粉含量、稀懈值、峰值黏度的特征向量絕對值較高，其中稀懈值的特征向量達0.884，并且該主成分對總的遺傳貢獻率最大，達到25.156%。在第2主成分中穩定時間、形成時間、最終黏度、回升值的特征向量絕對值較高，且穩定時間的特征向量絕對值最大，達到0.759，該主成分的貢獻率為23.429%。在第3主成分中蛋白質含量、濕面筋含量、面筋指數、延伸度的特征向量絕對值較高，其中濕面筋含量的特征向量絕對值最大，為0.847，該主成分對總的遺傳貢獻率達到14.733%。在第4主成分中最大拉伸阻力、拉伸面積的特征向量絕對值較高，特征向量絕對值最大的是最大拉伸阻力，為0.699，該主成分對總的遺傳貢獻率達到12.524%。結合上述分析，可將15個品質特性分為4類：（1）硬度和淀粉特性類，包括硬度指數、吸水率、損傷淀粉含量、峰值黏度、稀懈值，硬度指數高，吸水率和損傷淀粉含量就相對的較高，而淀粉特性數值相對較低。（2）面團混合特性類，包括穩定時間、形成時間、最終黏度和回生值。（3）蛋白質數量和質量類，包括蛋白質含量、濕面筋含量、面筋指數和延伸度。（4）面團拉伸特性類，包括最大拉伸阻力和拉伸面積。結合不同品質指標的相關性分析結果（表2），也可看出這四大類品質特性類內線性相關性較強，類間線性相關性偏弱。

3 討論與結論

129份樣品15個品質性狀間相關分析結果表明，硬度指數與損傷淀粉含量、吸水率、形成時間和穩定時間呈極顯著正相關，與峰值黏度、稀懈值、延伸度呈極顯著負相關，硬度指數與其他小麥品質性狀之間的相關性高，是判斷小麥品質特性的重要指標，也是小麥市場分級和定價的重要依據。小麥籽粒硬度主要由胚乳細胞中淀粉顆粒和蛋白質基質之間的黏合力和包被淀粉顆粒的蛋白質基質連續性決定^［15］，并且受遺傳控制，主要與一種被稱為Friabilin的蛋白有關，Friabilin蛋白主要由Puroindoline（PINA）和Puroindoline（PINB）2種組分組成。硬質麥Puroindoline蛋白含量較低，在蛋白質基質上黏著許多淀粉顆粒，并且它們相互之間結合能力較強，在機械研磨過程中易形成較多破損淀粉顆粒，且面粉顆粒度較大，進而導致面粉的吸水率也高。硬度指數與面團形成時間、穩定時間呈極顯著正相關，硬質小麥多為中強筋小麥、面團強度高，反之軟質小麥多為弱筋小麥、面團強度小。硬度指數與峰值黏度、稀懈值呈負相關，表明軟質小麥即弱筋小麥峰值黏度和稀懈值偏高，譚彩霞等認為不同品種小麥粉破損淀粉含量表現為強筋>中筋>弱筋>糯性小麥^［16］，本研究結果與此結論一致。穩定時間、濕面筋含量、拉伸面積、延伸度與蛋白質含量呈極顯著正相關；蛋白質含量與濕面筋含量正相關性最高，主要由于面粉加水使清蛋白和醇溶蛋白發生水合作用，麥谷蛋白吸水脹潤相互聚集形成網絡結構，將其他蛋白和成分包埋在其中，從而形成面團，淀粉和水溶性蛋白在經過水洗后，從麥谷蛋白網絡結構中被洗滌出去，未被洗掉的吸水脹潤的蛋白即為濕面筋^［17］，所以二者高度相關。濕面筋含量與延伸度、形成時間呈極顯著正相關，與面筋指數呈極顯著負相關，這可能與本研究試驗材料弱筋品種數量偏多、強筋類型較少有關。面筋指數與峰值黏度、稀懈值、最大拉伸阻力、拉伸面積存在極顯著正相關，這與強生軍等的研究結果^［18］一致，且面筋指數與損傷淀粉含量負相關性達極顯著水平。峰值黏度與稀懈值、最終黏度、回升值、拉伸面積正相關達極顯著，這與閻俊等的研究結果^［19］一致，可以將峰值黏度作為淀粉糊化特性的最主要參考指標。吸水率與硬度指數、形成時間正相關性達極顯著水平；而穩定時間與硬度指數、蛋白質含量、拉伸面積呈極顯著正相關^［20］，表明穩定時間越長的面團筋力越強、攪拌耐力越好^［21-23］；最大拉伸阻力代表了面團在拉伸過程中所需要的力和拉伸過程中所做的功（能量）^［24］，本研究表明最大拉伸阻力與拉伸面積正相關性達極顯著水平，其他研究也表明最大拉伸阻力與拉伸面積、面筋指數、穩定時間呈極顯著正相關^［25-27］，本研究結論與之一致。

通過主成分分析法將所測品質性狀分為4類。第一類為硬度和淀粉特性類，包括硬度指數、吸水率、損傷淀粉含量、峰值黏度、稀懈值，結合相關性分析結果，根據各因子貢獻率大小，又因硬度指標測試簡便快速，故將硬度指數與峰值黏度作為此類別代表性指標。第二類為面團混合特性類，包括穩定時間、形成時間、最終黏度、回升值，其中穩定時間貢獻率最高，故將穩定時間作為代表性指標，并且面團混合特性高低是衡量面團流變學特性的主要指標，可以為小麥粉分類和用途提供科學依據。第三類為蛋白質數量和質量類，包括蛋白質含量、濕面筋含量、面筋指數和延伸度，主要反映測試樣品蛋白質含量和質量，且類內指標間相關性均達極顯著水平，這也與大多數前人的研究結果^{［1，7，10］}一致，蛋白質含量高其濕面筋含量高、面團筋力強、延伸性好；雖然此類別中濕面筋含量貢獻率最高，但在實際測試中蛋白質含量檢測更加便捷，且二者相關性極顯著，故將蛋白質含量作為此類別代表性指標。第四類為面團拉伸特性類，包括最大拉伸阻力和拉伸面積，并將最大拉伸阻力作為此類別主要指標，拉伸特性主要反映面團抗拉伸性的優劣，是對面團的彈性和韌性的反映，面粉的筋力越強，則它的最大拉伸阻力越大，拉伸面積也越大；面團拉伸特性可作為判定面團強度的重要指標。

綜上所述，本研究得出在小麥諸多品質性狀中，硬度指數與損傷淀粉含量和吸水率之間存在極顯著正相關，與稀懈值之間存在極顯著負相關；蛋白質含量與濕面筋含量之間存在極顯著正相關；峰值黏度與其他淀粉糊化特性參數之間存在極顯著正相關；穩定時間與形成時間之間存在極顯著正相關；最大拉伸阻力與拉伸面積呈極顯著正相關。將小麥品質參數歸類為硬度和淀粉特性類、面團混合特性類、蛋白質數量和質量特性類和面團拉伸特性類，代表性指標分別為硬度指數和峰值黏度、穩定時間、蛋白質含量、最大拉伸阻力。

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