新疆地區玉米品種營養品質主成分分析與評價

毛紅艷，徐鑫，于明

(新疆農業科學院糧食作物研究所，烏魯木齊 830091)

0 引 言

【研究意義】玉米是重要的糧、飼兼用作物[1]，是新疆的主要糧食作物之一, 其播種面積和總產量均居第二位, 僅次于小麥[2]。玉米不但可以作糧食和飼料，還可以用作青飼料、蔬菜、休閑食品以及各種工業原料[1]。近年來，隨著社會的生產、發展和人民生活水平提高，在滿足基本用糧的基礎上，對玉米的營養品質要求也日益提高[3,4]。【前人研究進展】玉米籽粒的營養品質是玉米品質一個最重要的指標，其不同營養成分含量對玉米籽粒作為糧食、飼料、化工、醫藥原料質量有很大的影響[5]。隨著玉米用途不斷地被開發利用，對玉米籽粒品質要求也逐步提高。有報道對河南、遼寧、沈陽、山西、內蒙古等地區[1,3,6-8]的玉米品質進行了研究，對玉米的蛋白、淀粉、脂肪、賴氨酸含量進行分析，對玉米營養品質進行聚類分析和主成分分析。脂肪含量是玉米營養品質的重要指標之一。玉米脂肪中一半以上為亞油酸，并含有谷固醇、卵磷脂、維生素E等有益于防治血管硬化和促進腦細胞功能的物質[9]。玉米是制造淀粉的重要原料之一，普通玉米籽粒淀粉含量在65%～70%，淀粉含量超過74%為高淀粉玉米[8]。玉米中賴氨酸是動物必需的優質蛋白的重要補充，在飼料等行業占有重要地位，因此，賴氨酸含量是評價玉米籽粒品質的一項重要指標[8,12]。研究表明，隨著玉米籽粒中賴氨酸含量增加，玉米蛋白質消化率和凈蛋白利用率有明顯改善[13]。雖然不同指標間的量綱相同, 但不同的營養成分種類之間無法進行比較，因此，在主成分分析評價前, 需要對營養成分含量進行數據轉換[15]。近年來隨著居民飲食結構的改善，對玉米品質也提出更高要求，所以分析新疆不同玉米品種的營養成分與品質，為提高新疆玉米營養品質及加工品質有實際意義。【本研究切入點】目前國內關于玉米營養品質主成分分析的研究報道較少，關于新疆玉米籽粒營養品質主成分分析研究還未見報道。研究新疆玉米品種的營養品質的主成分分析與評價。【擬解決的關鍵問題】研究以新疆地區的不同玉米品種為對象，分析新疆現有玉米品種營養品質狀況，測定23份新疆地區玉米籽粒品種的粗淀粉、粗蛋白、粗脂肪及賴氨酸含量，分析玉米營養品質進行主成分，為新疆玉米的品質遺傳改良提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材 料

采集新疆2017年收獲的玉米品種23個，主要采集點為烏魯木齊、塔城以及喀什地區，分別為3376，9384，新玉59號，2564，KX9384，新玉54號，登海8883，新玉47號，M753，新玉74號，新玉41號，禾玉187，新玉60號，新玉80號，新玉84號，新玉87號，農潤919，335，新玉65號，新玉77號，新玉29號，新玉9號，新玉13號。每份玉米取混合籽粒200 g，用粉碎機磨碎成粉，細度達到80目。

1.2 方 法

粗蛋白質用凱氏定氮法測定，粗脂肪用索氏浸提法測定。粗纖維用酸堿洗劑法測定，粗灰分用高溫灼燒化干灰法測定。直鏈淀粉用GB7648-87測定。籽粒粗脂肪含量測定：各處理玉米樣品粉碎后過80目篩，將樣品烘至恒重，稱取2 g樣品用干燥好的脫脂濾紙包好稱重，記錄后放入提取管中，索式提取器用石油醚中進行抽提[5]。

1.3 數據處理

數據用SPSS19.0統計軟件進行主成分分析。

2 結果與分析

2.1 粗脂肪

研究表明，23個玉米品種的粗脂肪含量變動幅度為2.5%～4.66%，平均3.68%，含量超過3%的品種有14個，占60.87%，低于3%的有6個，占26.09%，高于4%的品種有9個，占39.13%，說明新疆地區這23個玉米品種的含油量不高。表1

表1 23個新疆玉米品種營養品質

Table 1 Nutrition contents of 23 maize cultivars in Xinjiang

編號Number名稱Name粗脂肪(%)Crude adipose粗淀粉(%)Crude starch粗蛋白(%)Crude protein賴氨酸(%)Lysine直鏈淀粉(%)Amylose133764.09±0.0274.04±1.526.23±0.560.22±0.0124.47±0.83293844.31±0.2676.04±1.67.1±0.490.24±0.0226.19±0.173新玉59號3.34±0.3177.76±2.396.26±0.20.21±0.0221.02±1.31425644.04±0.168.25±2.867.61±0.160.25±0.0114.69±2.275KX93842.91±0.2774.63±3.387.47±0.150.22±0.0122.48±0.716新玉54號4.64±0.3272.52±3.387.39±0.170.21±0.0123.05±1.437登海88834.66±0.2173.97±2.167.73±0.510.24±0.0118.96±2.218新玉47號4.2±0.1272.69±1.396.84±0.210.21±0.0118.38±1.929M7533.58±0.2168.63±2.878.37±0.020.29±0.0229.74±1.7410新玉74號2.97±0.176.67±2.717.16±0.520.21±0.0114.48±0.3811新玉41號3.17±0.0674.48±2.058.16±0.10.27±0.0217.97±2.7412禾玉1874.01±0.1471.71±0.146.82±0.180.21±0.0320.73±0.0313新玉60號4.26±0.469.43±3.886.85±0.320.2±0.0222.58±1.0514新玉84號3.75±0.0871.38±1.726.54±0.290.24±0.0221.12±2.4515新玉80號3.81±0.1772.29±3.917.07±0.220.26±0.0122.23±0.7316新玉87號4.38±0.1970.94±0.185.66±0.050.19±0.0320.14±2.1217農潤9193.44±0.2273.04±3.515.47±0.010.17±0.0219.4±0.16183352.95±0.1968.24±3.025.68±0.410.17±0.0219.78±0.5519新玉65號2.95±0.0271.02±0.096.05±0.450.2±0.0123.08±2.0720新玉77號3.8±0.1668.2±3.015.88±0.270.2±0.0321.45±0.8921新玉9號2.98±0.0769.94±1.327.04±0.120.2±0.0115.57±0.6722新玉29號2.94±0.3171.44±2.736.96±0.110.2±0.0220.23±1.8723新玉13號2.5±0.1167.01±2.037.76±0.640.27±0.0515.35±0.19

2.2 粗淀粉

研究表明，23個玉米品種的淀粉含量變化范圍為67.01%～77.76%，平均為71.93%。高于70%的品種有16個，占69.57%。23個品種中有11個品種達到了二級標準(≥72%)，3個品種達到了一級標準(≥75%)。最高的玉米淀粉含量為77.76%，可以作為專用淀粉玉米品種使用。

直鏈淀粉的含量與比例是影響玉米食用品質的主要因素之一，直鏈淀粉含量影響著淀粉的溶解度、黏度、膨潤力、糊化和消化性[10,11]等一系列特性。23個玉米品種的直鏈淀粉含量變動范圍14.69%～29.74%，其中低于20%的品種有9個，占39.13%，高于20%的占60.87%，說明這23份新疆玉米品種直鏈淀粉含量為普通玉米品種，新疆玉米的淀粉加工品質還有待提高。

2.3 粗蛋白質

研究表明，23個玉米品種的粗蛋白含量變動范圍為5.47%～8.3%，變化幅度較大。有11個品種的粗蛋白質含量超過7%，占47.83%。23個玉米品種賴氨基酸含量變化范圍為0.17%～0.29%，平均值為0.22%，變化幅度較小。小于0.2%的有3個品種，沒有賴氨酸含量超過0.3%的玉米品種，而高賴氨酸玉米品種賴氨酸含量要在0.4%以上[14]，說明玉米籽粒蛋白品質還有待進一步提高。

2.4 玉米品質性狀的主成分分析

研究表明，第一主成分可以解釋45.325%的方差變異，第二主成分可以解釋27.661%的方差變異,第三主成分可以解釋22.414%的方差變異，三個主成分累積解釋95.4%的方差變異。由于第三個主成分的特征值小于1，因此，取前兩個主成分分析已能反映新疆地區玉米品種的基本情況，為了方便解釋各主成分的實際意義，原始數據進行了4次最大正交旋轉處理，各玉米營養指標旋轉后在各主成分上的因子載荷更趨于集中，如表1所示，兩個主成分和玉米營養指標間的關系式為：

主成分1(F1)=0.952×粗蛋白+0.952×賴氨酸-0.014×粗脂肪-0.026×粗淀粉。

主成分2(F2)=0.015×粗蛋白+0.017×賴氨酸+0.744×粗脂肪+0.743×粗淀粉。

對玉米各品質指標在兩個主成分上因子載荷作圖，如圖1所示，蛋白含量和賴氨酸含量位置靠近，位于第一相，在第一主成分上載荷都很高(0.952,0.952)，而在第二主成分上的載荷很低(0.015,0.017)。粗脂肪和淀粉含量位于第二相，在第一主成分上為負載荷(-0.014，-0.026)，而在第二主成分上的載荷較高(0.744，0.743)，特征明顯，大多數玉米品種的淀粉含量差異明顯。第一主成分反映了玉米籽粒品種的高蛋白、高賴氨酸含量特征，而第二主成分反映了玉米品種的高脂肪、高淀粉含量特征。由主成分方程可以計算任一玉米品種的兩個主成分分數，一個玉米品種在第一主成分上的因子得分高則表明其蛋白和賴氨酸含量高，屬高蛋白玉米品種，而在第二主成分上的因子得分高的品種則表明其脂肪和淀粉含量高，屬高脂肪和高淀粉玉米品種，由此可以對各玉米品種的營養品質進行分類與評價。表2

圖1 旋轉后的主成分因子載荷圖

Fig.1 Principal component factor loading diagram after rotation

表2 主成分特征向量、特征值、貢獻率及累積貢獻率

Table 2 Principal component eigenvectors, eigenvalues, contribution rate and cumulative contribution

主成分Principal component12粗脂肪 Crude adipose-0.0140.744粗淀粉 Crude starch-0.0260.743粗蛋白 Crude protein0.9520.015賴氨酸 Lysine0.9520.017特征值 Eigenvalues1.8131.106貢獻率(%) Contributionrate45.32526.661累積貢獻率(%) Cumulative contribution45.32572.987

2.5 玉米品種營養價值綜合評價

特征向量是用主成分載荷矩陣中的數據除以主成分相對的特征值開平方根得到兩個主成分中每個指標所對應的系數，主成分是原各指標的線性組合，各指標的權數為特征向量；它表示各單項指標對于主成分的重要程度并決定了主成分的實際意義[16]。根據主成分的計算公式，得到2個主成分與原4項指標的線性組合：

F1=0.707y1+0.707y2-0.010 4y3-0.019 3y4.

F2=0.014 2y1+0.016 2y2+0.707y3+0.706y4.

式中:F1、F2分別為第1、第1主成分得分，y1、y2、y3、y4分別為粗蛋白、賴氨酸、粗脂肪、粗淀粉隸屬函數法轉化值。主成分因子的權重=因子貢獻率/入選因子的累積貢獻率[17]，從而建立綜合得分數學模型：F=0.32y1+0.32y2+0.18y3+0.18y4，綜合分值越高，玉米籽粒的綜合品質表現越好。23個玉米品種的營養品質由高到低依次為：9384>登海8883>新玉74號>新玉41號>新玉59號>KX9384>新玉54號>3376>新玉47號>新玉80號>禾玉187>M753>新玉84號>新玉29號>農潤919>2564>新玉60號>新玉9號>新玉87號>新玉65號>新玉13號>新玉77號>335。表3

表3 23個玉米品種的綜合主成分值

Table 3 Comprehensive principal component values of 23 maize cultivars

編號Number名稱NameF1F2F排序Order133763.0955.2516.138293843.6756.8416.8113新玉59號3.0457.3516.675425644.2051.1515.53165KX93843.9654.8616.4266新玉54號3.9354.5816.3277登海88834.1655.6316.7028新玉47號3.5454.3916.1099M7534.7651.1115.771210新玉74號3.7056.3316.69311新玉41號4.4954.9416.68412禾玉1873.5453.5615.881113新玉60號3.6052.1315.521714新玉84號3.3853.1415.691315新玉80號3.7453.8316.041016新玉87號2.7253.2715.431917農潤9192.5454.0815.5715183352.7950.4214.712319新玉65號3.0252.3115.312020新玉77號2.9450.9214.902221新玉9號3.7451.5915.441822新玉29號3.6552.6215.681423新玉13號4.3649.1915.0821

3 討 論

玉米是新疆主要糧食作物之一，同時還是牲畜重要的飼料[2]。新疆玉米種植面積較大且品種繁多，過去以普通玉米品種為主，但隨著畜牧業的發展，青貯玉米、飼草玉米以及糧飼兼用玉米等品種的玉米也逐漸開始種植，一些地區也開始了甜玉米與糯玉米的種植[18]。但還存在類型相對較少、產量不足、品質不佳等問題。

研究結果表明，新疆玉米粗淀粉含量在67.01%～77.76%，粗蛋白含量在5.47%～8.37%，粗脂肪含量在2.5%～4.66%，賴氨酸含量在0.2%～0.29%。新疆玉米的粗脂肪、粗蛋白以及賴氨酸含量都比較低，都在普通品種范圍，還沒有達到高含量的標準，因此，新疆玉米品種的營養品質還有待進一步提高。我國玉米70%以上是用作配合飼料原料，因此，提高玉米籽粒中的蛋白質、脂肪含量，可以減少飼料加工中大豆粉、油脂的添加，從而降低飼料生產的成本。因此，在育種工作中應進一步提高雜交種的粗蛋白、脂肪含量[19]。

玉米直鏈淀粉含量的高低可以作為評價玉米品質的一個重要指標[10,20]。直鏈淀粉影響淀粉的溶解度、黏度、糊化和消化特性[11]等特性，且直鏈淀粉應用廣泛，涉及食品、醫療、材料包裝等領域。研究結果表明，直連淀粉含量較高的玉米品種為M753、9384、3376，但均沒有達到高直鏈淀粉含量的標準(>30%)。直鏈淀粉的含量對玉米籽粒的合理加工和淀粉合理利用以及農業選種育種均具有重要的意義。

主成分分析法常用于分析優良品質選擇和復雜綜合性狀，主成分分析在獼猴桃、蘋果等果樹品質性狀評價中得到了應用[21,22]。研究對23個新疆玉米品種主成分進行分析，其中高蛋白、高賴氨酸排名前三的品種是M753、新玉41號、新玉13號；高脂肪、高淀粉排名前三的品種是新玉59號、9384、新玉74號。綜合排名前三的品種是9384、登海8883、新玉74號。但新疆玉米籽粒品種的品質總體水平還有待進一步提高。

4 結 論

通過對23份新疆玉米品質營養含量研究表明，玉米粗淀粉含量在67.01%～77.76%，平均含量為71.93%，粗蛋白含量在5.47%～8.37%，平均含量為6.87%；粗脂肪含量在2.5%～4.66%，平均脂肪含量為3.64%；賴氨酸含量為0.2%～0.29%，平均含量為0.22%。

23個玉米品種的營養品質由高到低依次為：9384>登海8883>新玉74號>新玉41號>新玉59號>KX9384>新玉54號>3376>新玉47號>新玉80號>禾玉187>M753>新玉84號>新玉29號>農潤919>2564>新玉60號>新玉9號>新玉87號>新玉65號>新玉13號>新玉77號>335。

雖然新疆地區玉米品種很多，但適合市場需求的品種不是很多。根據市場需求，新疆應大力發展飼料專用玉米、高賴氨酸玉米、發酵工業用玉米、高淀粉玉米，積極發展鮮食玉米、植物油玉米和高油玉米。