基于主成分分析對3D-全麥粉與普通全麥粉品質的比較研究

唐春紅，游歡，趙久毅，趙敏吉，常海軍，吳麗

（重慶工商大學環境與資源學院，重慶 400000）

全麥粉是指以整粒小麥為原料，經制粉工藝制成，且小麥胚乳、胚芽與麩皮的相對比例與天然完整穎果基本一致的小麥全粉[1]。研究表明，全麥粉富含膳食纖維、礦物質以及維生素，對心血管疾病、糖尿病等慢性疾病以及一些腸道疾病有一定的預防和改善作用[2-4]。

目前全麥粉的生產方式有兩種，一種是“整粒研磨法”，另一種是“麥麩回添法”?！罢Ｑ心シā贝嬖跉v史較長，但由于碾磨的麥麩粒徑過大，產品適口性差，因此并不常用?！胞滬熁靥矸ā笔菍⑿←溩蚜Ｖ械柠熎?、胚乳、胚芽分開碾磨，再將麩皮和胚芽按比例添加到小麥粉中，是我國面粉制造廠商常用的方法[5]。但由于麥麩回添的比例不同，導致我國市面上的全麥粉產品質量參差不齊，有些產品僅添加了極少量麥麩。

本課題組研究了一種制粉新工藝，采用振動磨和分子篩結合代替傳統輥式磨，提高了麩皮的粉碎程度和制粉效率，實現了小麥籽?！罢３煞邸焙臀⒘Ｗ泳軓秃?，并且利用氮氣輸送物料，成粉后直接氮氣包裝，隔絕了空氣與物料的接觸，在制粉過程實現全麥粉的穩定化。這種“整粒成粉”的全麥制粉技術因保留了小麥籽粒幾乎全部營養和活性成分，小麥膳食纖維的空間結構沒有像傳統全麥粉那樣被破壞，被定義為3D-全麥制粉技術，生產的全麥粉定義為3D-全麥粉。

本文研究對比了3D-全麥粉與市面常見全麥粉在基礎營養指標、粒徑、礦物質含量、破損淀粉含量、烷基間苯二酚含量以及微觀結構等方面的差異，以期為解決傳統制粉技術導致的全麥粉營養成分丟失和口感粗糙等問題提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 材料與設備

1.1.1 材料與試劑

3D-全麥粉樣品：山東龍脈科技發展有限公司代加工；對照品1、對照品2、對照品3：市售。

鄰苯三酚（AR）：遵義市倍緣化工有限責任公司；高溫淀粉酶（40000U/g，BR）：上海如吉生物科技發展有限公司；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；高溫α-淀粉酶（10 000 U/mL，BR）：美國 sigma公司；丙酮（AR）：成都市科龍化工試劑廠；固藍RR鹽（AR）：上海鴻鵠生物醫藥科技有限公司；乙酸（AR）：國藥集團化學試劑有限公司；甲醇（AR）：上海泰坦科技股份有限公司；3’5二羥基戊苯（RG）：上海阿達瑪斯試劑有限公司。

1.1.2 設備

全自動凱式定氮儀（K1100F）：濟南海能儀器股份有限公司；馬弗爐（FO411C）：日本雅馬拓公司；激光粒徑分析儀（BT-2001）：丹東百特儀器有限公司；微波消解儀（JRX-10L）、粗脂肪測定儀（SZF-06C）：濟南精銳分析儀器有限公司；高速冷凍離心機（TGL-20）：四川蜀科儀器有限公司；電熱恒溫鼓風干燥箱（DHG）：上海龍躍儀器設備有限公司；數顯水浴恒溫振蕩器（SHA.CA）：常州普天儀器制造有限公司；紫外-可見分光光度計（UV2400型）、電子水分儀（ESH105）：上海舜宇恒平科學儀器有限公司。

1.2 試驗方法

1.2.1 3D-全麥粉的制備

通過全封閉式自動化分級碾磨使小麥籽粒在25℃整粒成粉。物料進入機器后，利用氮氣輸送物料，隔絕物料與空氣接觸，實現全流態化制粉，自選擇粉碎顆粒，縮短了粉碎路程。利用振動磨對小麥籽粒進行碾磨，利用分級篩，將篩下物與篩上物分離，篩上物進入另一振動磨中繼續進行粉碎，直至基本不形成篩上物料時將其混合，得到3D-全麥粉。

1.2.2 全麥粉基礎營養指標測定

水分含量采用快速水分測定儀法進行測定；蛋白質含量采用GB 5009.5—2016《食品安全國家標準食品中蛋白質的測定》中凱式定氮法進行測定；粗脂肪含量采用全自動索氏提取器進行測定；總膳食纖維含量采用GB5009.88—2014《食品安全國家標準食品中膳食纖維的測定》進行測定；灰分含量采用GB 5009.4—2016《食品安全國家標準食品中灰分的測定》進行測定。

1.2.3 全麥粉礦物質含量測定

礦物質含量采用GB 5009.268-2016《食品安全國家標準食品中礦物質的測定》進行測定。

1.2.4 全麥粉破損淀粉含量測定

破損淀粉含量采用GB/T 9826—2008《糧油檢驗小麥粉破損淀粉測定α-淀粉酶法》進行測定。

1.2.5 全麥粉粒徑分布測定

參考熊禮橙等[6]的方法進行改進，采用BT-2001型激光粒徑分析儀在遮光率1%～2%條件下進行測定。測定結果以D10（累計分布百分數達10%時所對應的粒徑）、D50（累計分布百分數達50%時所對應的粒徑）、D90（累計分布百分數達90%時所對應的粒徑）、平均粒徑以及不同粒徑區間的占比表示。

1.2.6 全麥粉超氧化物歧化酶活性測定

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）活性的測定》進行測定。

1.2.7 全麥粉烷基間苯二酚含量測定

全麥粉烷基間苯二酚（alkyl resorcinol，ARs）含量參照張珺等[7]的試驗方案進行改進。準確稱取1.00 g全麥粉原料，以1∶20（g/mL）的料液比與丙酮混合，用搖床持續振蕩48 h提取全麥粉中的ARs。將提取后的料液進行離心分離，取上清液于50℃條件下減壓蒸餾，最后的殘留物質用5 mL的甲醇導出，作為ARs待測液備用。取0.80 mL待測液與7.20 mL工作液（以含質量分數1%乙酸的甲醇為溶劑，準確配制質量分數為0.05%的固藍RR儲備液，于4℃條件下保存7 d，使用前與甲醇按1∶3體積比混合）用質量分數5%的K2CO3調節pH值至10.0，于480 nm處測定吸光值。

標準曲線繪制：準確配制1 mg/mL 3’5二羥基戊苯標準溶液[8]，分別稀釋至 25、20、15、10、5 μg/mL，用甲醇代替標準溶液作為空白。分別取0.80 mL標準溶液與7.20 mL即時配制的工作液混合，用5%K2CO3調節pH值至10.0，于480 nm處測定吸光值。

1.2.8 全麥粉微觀結構測定

將全麥粉加水醒發后制作成面片，懸掛晾干24 h后裁切成約5 mm2的小塊。樣品用導電膠固定在載物臺上進行噴金處理，設定加速電壓10 kV，顯微圖像放大倍數400倍。

1.2.9 全麥粉品質指標主成分分析

將所測得的數據用IBM SPSS Statistic 19.0以及MATLAB7.1軟件進行主成分分析（principal component analysis，PCA）。將數據標準化后得到特征值、特征向量、主成分載荷矩陣以及綜合得分，綜合得分越高，代表全麥粉品質越好。

1.3 數據統計分析

所有試驗至少3次平行測定，使用IBM SPSS Statistic 19.0、MATLAB 7.1軟件以及Microsoft Excel 2016軟件進行數據分析，使用Origin 2017軟件進行繪圖。

2 結果與分析

2.1 全麥粉基礎營養指標分析

在小麥粉中，麩皮及胚乳含量不同，其營養成分的含量不同。研究表明，小麥籽粒中蛋白質和脂肪在皮層、糊粉層以及胚芽中的含量高于其在胚乳中的含量[9-10]，而膳食纖維主要分布在皮層中，且隨著小麥粉中麥麩粒徑減小而減少[12-13]。不同全麥粉的基礎指標比較見表1。

表1 不同全麥粉的基礎指標比較Table 1 Basic indexes of different kinds of whole wheat flour%

由表1可知，4種全麥粉的水分含量均符合全麥粉的行業標準。3D-全麥粉的蛋白質和粗脂肪含量分別為12.15%和1.55%，極顯著高于（p＜0.01）其他3種市售全麥粉。其次，總膳食纖維（total dietary fiber，TDF）含量和灰分含量也是評判全麥粉麩皮含量的重要指標，皮層膳食纖維占小麥總膳食纖維的75.00%[11]，而灰分越低，麥麩含量越低。在表1中，3D-全麥粉的總膳食纖維含量和灰分含量分別為9.92%和1.80%，對照品1的總膳食纖維含量和灰分含量為11.20%和1.87%，極顯著高于對照品2和對照品3。

由表1可以推斷，對照品2和對照品3的麩皮添加量僅有少量。對照品1總膳食纖維以及灰分含量較高的原因與全麥粉粒徑偏大有關，推測其加工方式為整粒研磨法，而這種“整粒成粉”的研磨技術制得的3D-全麥粉幾乎全部保留了麩皮和胚芽組織，符合全麥粉行業標準[1]對于全麥粉的定義。

2.2 礦物質元素含量分析

小麥籽粒中的主要礦物質有Ca、Mg、Na、Fe和Zn等，幾乎都分布在小麥籽粒的皮層中，其含量占小麥籽粒礦物質總含量的60%左右[14]。因此，礦物質元素的含量也是評判全麥粉麩皮含量的一項重要指標。全麥粉中的常量與微量礦物質元素含量見圖1。

圖1 全麥粉中的常量與微量礦物質元素含量Fig.1 Content of macro and trace mineral elements in whole wheat flour

由圖1可以看出，在4種全麥粉中，3D-全麥粉礦物質元素含量均居于前列。在3D-全麥粉中，Mg、Mn、Fe 3種元素含量都極顯著高于（p＜0.01）其他3種全麥粉，Mg元素含量高達698.00 mg/kg、Mn元素含量為25.23 mg/kg、Fe元素含量為 33.32 mg/kg。3D-全麥粉的Na元素含量位于第二位，與其他3種全麥粉形成極顯著差異（p＜0.01）。Zn元素含量與對照品3形成極顯著性差異（p＜0.01）。4種全麥粉中Ca元素的含量無顯著性差異。

研究表明，小麥籽粒中的Mn元素基本分布在麥粒外部的麩皮組織中[15-16]。DE BRIER等[17]發現Ca、Mn等元素主要分布在最外層麩皮中，Cu、K、Fe、Zn等主要分布在糊粉層中，而胚乳中主要含有Cu、Zn等元素。由上述結果對照圖1可知，3D-全麥粉的麩皮和胚芽組織是4種全麥粉中最高的。

2.3 粒徑分布分析

全麥粉粒徑是指全麥粉顆粒的粗細程度，是評價全麥粉品質的重要指標，其對后續產品的質地和口感有很大的影響[18]。4種全麥粉不同粒徑分布見圖2。

圖2 4種全麥粉粒徑分布Fig.2 Particle size distribution of four kinds of whole wheat flour

由圖2可知，3D-全麥粉與對照品2和對照品3的粒徑分布占比相似，而對照品1粒徑在100 μm以上的占比明顯高于其它3種，粒徑在100 μm以下的占比均不高于10%。說明相較于其它3種全麥粉，對照品1的粉碎程度相對較低，產品適口性較差。

4種全麥粉粒徑見表2。

表2 4種全麥粉粒徑Table 2 Particle size of four kinds of whole wheat flour μm

由表2可知，4種全麥粉D90的粒徑分別為166.22、454.25、154.16、144.13 μm，平均粒徑分別為77.95、205.52、74.77、71.27 μm，對照品 1 的 D90 粒徑和平均粒徑都極顯著高于（p＜0.01）其他3種全麥粉。而李娟等[19]研究表明，當全麥粉平均粒徑為97.00 μm時，制作而成的面包質地細膩，口感最佳。由此可知，平均粒徑在75 μm左右的3D-全麥粉、對照品2和對照品3不會影響后續產品的質地和口感，而對照品1的平均粒徑大于200 μm，會影響后續產品的質地和口感。

2.4 破損淀粉含量分析

有研究表明，全麥粉中含有的一定量破損淀粉能提高吸水率和幫助形成蛋白質網狀結構，改善面制品的內部結構和風味。但過量的破損淀粉則會使面團過度吸水，導致面團混揉能力降低，內部網狀結構塌陷[20-22]。全麥粉破損淀粉含量見圖3。

圖3 全麥粉破損淀粉含量Fig.3 Damaged starch content of whole wheat flour

由圖3可知，3D-全麥粉的破損淀粉含量為8.12%、對照品1為4.76%、對照品2為8.31%、對照品3為9.13%。在粒徑相同的3種全麥粉中，3D-全麥粉的破損淀粉含量最低。說明3D-制粉技術既保證了產品破碎程度，又盡可能地保護淀粉顆粒不受破壞。對于粒徑較大的對照品1來說，其破損淀粉含量低于其他3種全麥粉，可能是由于對照品1的碾磨程度較低，對淀粉的破壞程度較低。齊婧等[23]研究表明，破損淀粉含量隨小麥粉粒度減小而增加，并且呈一定的線性關系，這與本文的結果一致。由此研究可知對照品1破碎程度較低導致破損淀粉過少，不利于面團內部網絡結構的形成。

2.5 超氧化物歧化酶活性分析

SOD廣泛存在于各種動植物細胞中，對于清除細胞中的自由基、防止細胞氧中毒起著重要的作用[24]。張志清等[25]研究了小麥苗中SOD的分離純化以及其抗氧化作用，表明小麥苗汁中SOD活性達到354.49 U/mg，是葡萄汁中SOD活性的7倍。而對于小麥粉中SOD活性的研究以及不同加工方式生產全麥粉對SOD活性的影響研究未見報道。全麥粉SOD活性見圖4。

圖4 全麥粉SOD活性Fig.4 SOD activity of whole wheat flour

由圖4可知，4種全麥粉中，3D-全麥粉SOD活性最高，達到了 3.27×105U/g，對照品 1、對照品 2、對照品3 的 SOD 活性依次降低，分別為 2.89×105、2.72×105、2.27×105U/g。3D-全麥粉與對照品2、對照品3形成極顯著性差異（p＜0.01），與對照品1形成顯著性差異（p＜0.05）。由此可知，3D-制粉技術在制備全麥粉時，極大地保留了全麥粉的SOD活性成分。

2.6 烷基間苯二酚含量分析

ARs是特異性存在于小麥皮層及糊粉層中的物質。研究表明，小麥中的烷基間苯二酚含量占小麥總質量的0.02%～0.30%[26]，且隨著剝皮率的增加，全麥粉中的ARs含量呈下降趨勢，具有顯著性差異（p＜0.05）[27]。因此，有研究建議將烷基間苯二酚作為全麥粉中麩皮含量多少的生物標記物[28-29]。全麥粉烷基間苯二酚含量見圖5。

圖5 全麥粉烷基間苯二酚含量Fig.5 Alkylresorcinol content of whole wheat flour

由圖5可知，4種全麥粉中，對照品1的ARs含量最高為 249.82 μg/g，其次 3D-全麥粉為 214.92 μg/g，對照品2和對照品3的ARs含量極顯著低于（p＜0.01）前兩種，分別為36.55 μg/g和26.41 μg/g。由麩皮添加量生物標記物ARs含量推測，對照品2和對照品3的麩皮添加量極少，不符合全麥粉行業標準中對全麥粉的定義，而對照品1由于粉碎程度低，ARs的保留率比3D-全麥粉略高。

2.7 全麥面條微觀結構分析

研究表明，全麥制品的微觀結構與宏觀特性有一定的對應關系[32]。產品蛋白質網絡結構疏松，暴露在網絡結構外的成分較多，則面條的渾湯率和斷條率較高。利用全麥粉制作全麥面條，采用掃描電鏡研究4種全麥粉制作成面條后的微觀結構，結果見圖6。

圖6 全麥粉制作成面條的微觀結構Fig.6 Microstructure of noodles made from whole wheat flour

由圖6A可知，3D-全麥粉制作的面條，蛋白質網絡結構相較于對照品1（圖6B）來說更緊密，淀粉顆?；捐偳对诰W絡中，但與對照品2（圖6C）和對照品3（圖6D）比較，其蛋白質網絡結構較為疏松，暴露在蛋白質網絡結構外的淀粉顆粒較多。這是由于全麥粉中粒徑較大的麩皮組織對蛋白質網絡結構的破壞[30]，使得全麥面條的蛋白質網絡結構變得疏松，不連續。并且隨著麩皮粒徑的增大，面筋蛋白網絡結構對淀粉顆粒包裹性變差[31]。由此可知，3D-全麥粉中麩皮成分被很好地破碎并保留了下來，但對比同樣保留了麩皮組織的對照品1，減少了麩皮組織對蛋白質網絡結構的破壞作用。

這表明，在后續全麥粉的利用中，利用對照品1制作的全麥制品其質地和感官品質不佳。而3D-全麥粉由于麩皮粒徑較小，其產品的感官和質地都將明顯優于對照品1。

2.8 不同全麥粉指標的主成分分析

為進一步分析不同全麥粉的各項指標對全麥粉品質的影響，得出最優值，采用SPSS以及MATLAB軟件對全麥粉品質指標進行主成分分析，得到主成分分析累計方差貢獻率、載荷矩陣以及綜合得分，結果見表3、表4、表5。

表3 不同全麥粉主成分分析累計方差貢獻率Table 3 Cumulative variance explained of principal components of different kinds of whole wheat flour

表4 不同全麥粉主成分分析載荷矩陣Table 4 Principal component analysis load matrix of different kinds of whole wheat flour

表5 不同小麥粉品質指標綜合得分Table 5 Comprehensive scores of quality indexes of different kinds of wheat flour

由表3～表5可知，主成分1的特征值為9.04，方差貢獻率為60.28%，以水分含量、總膳食纖維含量、灰分、Mn、Fe元素含量、SOD活性、烷基間苯二酚含量為主要指標；主成分2的特征值為4.47，方差貢獻率為29.82%，累計方差貢獻率為 90.10%，以脂肪、Na、Mg、Ca元素含量、粒徑、破損淀粉含量為主要特征值；主成分3的特征值為1.49，方差貢獻率為9.90%，累計方差貢獻率為100.00%，以蛋白質、Zn元素含量為主要指標。3個主成分因子的累計貢獻率達到100.00%，說明前3個因子代表了15個指標100.00%的綜合信息，能夠代表4種全麥粉的特征。

研究以各特征向量和標準化后的各指標數據計算得出的綜合得分作為全麥粉品質評價的標準。對比4種全麥粉的綜合得分可以看出，3D-全麥粉的綜合得分為2.51，明顯高于其他3種全麥粉，對照品3的綜合得分最低為-1.82。說明3D-全麥粉通過上述指標綜合表現出的品質是4種全麥粉中最好的。

3 結論

從4種全麥粉的各項指標來看，利用3D-制粉技術生產的全麥粉，在粒徑相同的情況下，營養成分含量以及活性成分含量都顯著高于市面上利用麥麩回添技術生產的全麥粉。雖然利用整粒研磨法生產的對照品1某些指標與3D-全麥粉比較略高，但由于對照品1的粒徑比3D-全麥粉大2.64倍，從微觀結構圖中可以看出利用對照品1制作的全麥面條蛋白質網絡結構被大粒徑麩皮破壞，其緊密程度以及對淀粉和麩皮的包裹能力不及3D-全麥粉。對4種全麥粉的各項品質指標進行主成分分析，發現3D-全麥粉的綜合得分與其他3種全麥粉差異較大。試驗證明這種利用振動磨和分子篩結合，常溫下整粒成粉的全麥制粉技術做到了將麩皮和胚芽組織充分破碎，最大限度地保留了小麥籽粒的營養成分和活性成分并且不影響后續產品口感，較好地解決了市面上普通全麥粉營養與口感無法兼顧的問題。