基于主成分分析的云南大米礦質(zhì)元素品質(zhì)評(píng)價(jià)

李倩，楊旭昆，杜麗娟，陳興連，劉興勇，嚴(yán)紅梅*

云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)與檢測(cè)技術(shù)研究所（昆明 650205）

隨著生活質(zhì)量的提高及保健觀念的提升，人們對(duì)大米的食味品質(zhì)和營(yíng)養(yǎng)價(jià)值的需求不斷提高。研究表明，礦質(zhì)元素對(duì)稻米生長(zhǎng)發(fā)育、產(chǎn)量、品質(zhì)的形成具有重要的作用[1]*，例如：Ca在植物生長(zhǎng)發(fā)育中作為第二信使調(diào)控多種生物過(guò)程[2]*；Mg2+*是葉綠素的重要組成部分，影響植物生長(zhǎng)過(guò)程中某些酶的活性[3]*；Al3+*可以影響有機(jī)酸的含量[4]*；P可以緩解高粱和玉米中Al的毒性[5]*。同時(shí)，礦質(zhì)元素對(duì)人體健康也尤為重要，飲食中要均衡攝取[6]*。B、Ca和P認(rèn)為是骨骼礦化和降低心血管疾病風(fēng)險(xiǎn)的基本元素[7]*。大米是日常食用的主食之一，含有豐富的礦質(zhì)元素，是人體吸收礦質(zhì)元素的主要來(lái)源[8]*，因此，對(duì)大米中礦質(zhì)元素含量的分析研究尤為重要。

目前基于礦質(zhì)元素的研究主要集中于不同品種、不同產(chǎn)地農(nóng)產(chǎn)品[9-10]*的差異分析，且研究多集中于水果[11-12]*，有關(guān)大米礦質(zhì)元素差異分析的研究報(bào)道較少。在相關(guān)分析[13]*方面研究農(nóng)產(chǎn)品中礦質(zhì)元素與土壤[14]*及其他品質(zhì)指標(biāo)[15]*的相互作用較多，對(duì)于大米礦質(zhì)元素之間的相關(guān)性分析較少，而有研究[1]*指出稻米的礦質(zhì)元素之間存在多種相互作用，并且元素之間互作方式以及元素配比與果實(shí)品質(zhì)密切相關(guān)，因此對(duì)大米中礦質(zhì)元素之間的相關(guān)性分析進(jìn)而研究元素之間的相互作用是非常有必要的。目前，利用主成分分析方法對(duì)大米中礦質(zhì)元素進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)的報(bào)道也較少。

研究以云南大米為試驗(yàn)材料，測(cè)定了大米中Ca、Cu、Fe、K、Mg、Mn、Na、P、Zn、Se等礦質(zhì)元素，同時(shí)也測(cè)定了大米中水分、直鏈淀粉等營(yíng)養(yǎng)指標(biāo)，進(jìn)一步明確云南大米中礦質(zhì)元素的分布特征及差異性。同時(shí)，通過(guò)相關(guān)性分析，找到礦質(zhì)元素之間的相互作用及關(guān)聯(lián)性，并利用主成分分析法對(duì)云南大米中礦質(zhì)元素進(jìn)行綜合品質(zhì)評(píng)價(jià)，以期為提高大米產(chǎn)量、品質(zhì)調(diào)控、合理施肥、開(kāi)展溯源和品種鑒定提供科學(xué)的參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

35個(gè)試驗(yàn)大米為本實(shí)驗(yàn)室抽檢樣品，包括白米、紅米、紫米、黑米，產(chǎn)自云南德宏州、西雙版納州、紅河州、楚雄州、普洱市、昆明市、曲靖市7個(gè)地州。

鹽酸、高氯酸（優(yōu)級(jí)純）、乙醇、冰乙酸（分析純）：國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；檸檬酸、氫氧化鈉、碘、碘化鉀（分析純，天津市風(fēng)船化學(xué)試劑科技有限公司）；硝酸（電子級(jí)，蘇州晶瑞化學(xué)股份有限公司）；多元素混合標(biāo)準(zhǔn)溶液（100 mg/L，上海市計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究院）；內(nèi)標(biāo)元素儲(chǔ)備液（1 000 mg/L，國(guó)家有色金屬及電子材料分析測(cè)試中心）。

1.2 儀器與設(shè)備

ElanDRC-e電感耦合等離子體質(zhì)譜儀（美國(guó)Perkin Elmer公司）；OPTIMA8000電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀（美國(guó)Perkin Elmer公司）；ED36型石墨消解儀（北京萊伯泰科儀器有限公司）；BINDER FD 115電熱鼓風(fēng)干燥箱（美國(guó)BINDER公司）；SWT 2240電子天平（感量為0.1 mg，北京萊伯泰科儀器股份有限公司）；722S分光光度計(jì)（上海菁華科教儀器公司）。

1.3 方法

1.3.1 大米原料與處理

將大米粉碎，過(guò)0.425 mm篩，得大米粗粉，置于干燥器中，備用。

1.3.2 元素含量的測(cè)定

大米中礦質(zhì)元素的測(cè)定參照GB 5009.268—2016《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)食品中多元素的測(cè)定》[16]*。大米中Se含量的測(cè)定參照GB 5009.93—2017《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)食品中硒的測(cè)定》[17]*。

1.3.3 水分的測(cè)定

參照GB 5009.3—2016《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)食品中水分的測(cè)定》[18]*采用第一法直接干燥法進(jìn)行水分的測(cè)定。

1.3.4 直鏈淀粉的測(cè)定

參照NY/T 2639—2014《稻米直鏈淀粉的測(cè)定分光光度法》[19]*進(jìn)行測(cè)定。

1.4 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)分析

試驗(yàn)所有指標(biāo)測(cè)定均重復(fù)3次，結(jié)果所示數(shù)據(jù)均為3次平行試驗(yàn)的平均值，采用Microsoft Excel建立數(shù)據(jù)庫(kù)，用SPSS 20.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與分析；采用Pearson分析方法進(jìn)行相關(guān)性分析；采用Z-score標(biāo)準(zhǔn)化法和主成分分析方法進(jìn)行主成分分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 大米營(yíng)養(yǎng)成分分析

測(cè)定35個(gè)云南大米中10種礦質(zhì)元素以及水分、直鏈淀粉的含量，其結(jié)果見(jiàn)表1和表2。云南大米中大量礦質(zhì)元素的含量呈現(xiàn)出P＞K＞Mg＞Ca的特征，微量礦質(zhì)元素含量順序?yàn)閆n＞Mn＞Na＞Fe＞Cu＞Se。從表1和表2可知，大米的礦質(zhì)元素以及直鏈淀粉的變異系數(shù)均大于20%，為強(qiáng)變異，而其中Fe的變異系數(shù)最大達(dá)90.20%，其次為Cu，其變異系數(shù)為83.58%，水分的變異系數(shù)最小，為6.76%，直鏈淀粉的變異系數(shù)為57.11%。變異系數(shù)的大小說(shuō)明云南產(chǎn)區(qū)的大米礦質(zhì)元素含量之間差異顯著，而楊小芳等[20]*研究表明，植物中元素含量的差異主要受土壤中元素含量的影響較大，間接說(shuō)明云南土壤類(lèi)型的多樣性。

表1 不同大米礦質(zhì)元素含量（n=3） 單位：mg/kg

表2 不同大米中礦質(zhì)元素和營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)測(cè)定（n=3）

2.2 大米營(yíng)養(yǎng)成分間相關(guān)性分析

為了研究云南大米各礦質(zhì)元素、水分、直鏈淀粉之間的關(guān)系，進(jìn)行相關(guān)性分析，其結(jié)果如表3所示。Ca、Fe、K、Mn、Mg、P、Zn之間兩兩呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01），Cu與Zn呈極顯著正相關(guān)，這一結(jié)果與楊曉瓊等[21]*研究云南的余甘子發(fā)現(xiàn)Ca、K、Mg之間兩兩呈正相關(guān)，Cu與Zn呈極顯著正相關(guān)的結(jié)論有一定相似性。同時(shí)，研究發(fā)現(xiàn)大米中的K與直鏈淀粉呈顯著負(fù)相關(guān)，說(shuō)明它們可能存在一定的拮抗作用。礦質(zhì)元素與水分之間沒(méi)有呈現(xiàn)較為顯著的相關(guān)性，說(shuō)明水分對(duì)大米中礦質(zhì)元素的影響不大。礦質(zhì)元素的相關(guān)性分析結(jié)果說(shuō)明，礦質(zhì)元素之間息息相關(guān)，存在相互作用，并且主要是以協(xié)同作用機(jī)制存在。

表3 各指標(biāo)的相關(guān)系數(shù)值

接表2

2.3 大米主成分分析

對(duì)35個(gè)大米進(jìn)行主成分分析，其結(jié)果如表4所示。從結(jié)果可以看出，前4個(gè)主成分的特征值均大于1，第一主成分的方差貢獻(xiàn)率達(dá)到48.112%，累計(jì)方差貢獻(xiàn)率達(dá)到80.499%，說(shuō)明前4個(gè)主成分可反映原始變量的絕大部分信息。根據(jù)主成分分析結(jié)果得到主成分得分系數(shù)矩陣，其結(jié)果如表5所示。第1主成分主要與大量礦質(zhì)元素有關(guān)，第3主成分、第4主成分主要與微量礦質(zhì)元素有關(guān)。同時(shí)，從表5中還可以得到5個(gè)特征根對(duì)應(yīng)的特征向量，參照李偉等[22]*方法可以得到各主成分解析表達(dá)式，見(jiàn)式（1）～（4）。

表5 大米品質(zhì)指標(biāo)的主成分得分系數(shù)矩陣

表4 大米品質(zhì)主成分的方差貢獻(xiàn)率

以每個(gè)主成分的方差貢獻(xiàn)率為權(quán)重，計(jì)算主成分綜合得分：綜合得分（H）=（48.112F1+12.769F2+10.983F3+8.634F4）/80.499。根據(jù)主成分綜合得分可知排名情況，其結(jié)果如表6所示。從結(jié)果可以看出，排名前5的分別為德宏州梁河縣的紅軟米、普洱市墨江縣紫米、紅河州綠春縣梯田紅米、昆明市嵩明縣紅米、紅河州綠春縣梯田紅糯米。排名前5的大米中有4個(gè)為紅米，說(shuō)明紅米中礦質(zhì)元素含量比其他有色大米更為豐富。

表6 不同大米品質(zhì)預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)結(jié)果

3 結(jié)論與討論

研究對(duì)云南產(chǎn)區(qū)的35個(gè)大米樣品進(jìn)行了10種礦質(zhì)元素以及水分、直鏈淀粉的測(cè)定，結(jié)果顯示，云南大米中大量礦質(zhì)元素含量呈現(xiàn)出P＞K＞Mg＞Ca的特征，微量礦質(zhì)元素含量順序?yàn)閆n＞Mn＞Na＞Fe＞Cu＞Se，云南大米中礦質(zhì)元素含量變異系數(shù)較大，說(shuō)明不同品種、不同產(chǎn)地礦質(zhì)元素含量差異較大。相關(guān)性分析結(jié)果表明Ca、Fe、K、Mn、Mg、P、Zn之間兩兩呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01），Cu與Zn呈極顯著正相關(guān)，K與直鏈淀粉呈顯著負(fù)相關(guān)，說(shuō)明大米在吸收礦質(zhì)元素之間具有一定的協(xié)同作用。同時(shí)，進(jìn)行了主成分分析，這些指標(biāo)被劃分成4個(gè)主成分，累積貢獻(xiàn)率達(dá)80.499%，結(jié)果顯示綜合得分排名前5大米中有4個(gè)為紅米，說(shuō)明紅米中的礦質(zhì)元素含量較為豐富，這一研究成果可以明確云南大米中礦質(zhì)元素含量本底值，為后續(xù)研究不同元素互作及協(xié)同作用對(duì)稻米品質(zhì)的影響提供依據(jù)。