微波消解-ICP-AES法測定新疆玉米礦物元素含量及主成分分析

毛紅艷，于 明，祖力皮牙·買買提

(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】玉米是重要的糧食、飼料和工業來源作物[1,2]，玉米是我國北方、西南山區和新疆最主要的糧食作物之一[3,4]。提高玉米生產力有實際意義[5]。近年來玉米品種逐漸增加，玉米產量穩步提升。但過度重視玉米產量增加，也會忽視了微量元素營養的均衡提高[6]。玉米品質的改良除了蒸煮和食用品質外，籽粒中微量元素含量也是玉米重要的品質指標[7]，玉米籽粒必需營養元素的含量直接或間接影響玉米營養品質[8]。【前人研究進展】鈣是人體骨骼生長與調節生理功能的重要物質[9]，鎂可以維護神經，降低血壓[10]。缺鐵能引起多種組織病變和功能失調[11]，是造成貧血最主要的原因[12]，缺乏鐵[13]。鋅與參與人體代謝2 000多種轉錄因子關系密切[14]。磷是構成骨骼和牙齒的重要成分，體液內的磷酸鹽還負責調節酸堿平衡[15]。營養不良能形成惡性循環[13]。通過育種手段能夠提高主要糧食作物中微量營養元素含量[16]。通過育種提高糧食作物中人體所需微量營養元素含量，進而改善人體對微量營養元素的攝人量[12]。【本研究切入點】目前國內關于玉米籽粒礦質元素主成分分析的研究未見報道，而關于新疆玉米籽粒礦質元素相關性分析研究也還未見報道。需研究新疆地區玉米籽粒中礦物元素的含量。【擬解決的關鍵問題】分析并掌握新疆玉米品種礦質元素狀況，測定23份新疆地區玉米籽粒品種的鐵、鋅、磷、鈣、鎂含量，分析新疆玉米品種5種礦質元素的相關性分析和主成分分析，為新疆地區選育籽粒富含礦質元素的玉米新品種提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材 料

采集新疆地區玉米品種23個(主要來自烏魯木齊、塔城以及喀什)，每份玉米取混合籽粒200 g，用粉碎機磨碎成粉，成品細度達到80目。

1.2 方 法

鈣、鐵、鋅、鎂、磷用微波消解-等離子發射光譜儀法測定。稱取10 g樣品放入玻璃管中，在200℃下用硝酸消化，并加入過氧化氫進一步消煮，然后加入10%的硝酸定容，采用電感耦合等粒子發射光譜(美國 Varian VISTA-PRO 型)法，測定鈣、鐵、鋅、鎂、磷等元素。樣品微量元素含量測定時設3次重復，換算成mg/100mg為單位的干重樣品元素含量。

1.3 數據處理

數據用SPSS19.0統計軟件進行相關分析及主成分分析。

2 結果與分析

2.1 玉米籽粒中鐵、鋅、磷、鈣、鎂等礦質元素含量變化

研究表明，鎂和磷的含量較高，鎂的含量變動范圍為92.65～138.26 mg/100g，平均含量為113 mg/100g，其中低于100 mg/100g的玉米品種由4個，高于120 mg/100g的玉米品種有6個。磷的含量的變動范圍為158.91～282.71 mg/100g，平均含量為206.64 mg/100g，其中低于200 mg/100g的玉米品種有11個。鈣的含量變動為8.22～17.15 mg/100g，平均含量為11.74 mg/100g，其中低于10 mg/100g的玉米品種有6個。鋅的含量的變動范圍為0.84～1.95 mg/100g，平均含量為1.32 mg/100g，其中高于1.5 mg/100g的玉米品種有7個。鐵的含量的變動為0.36～1.29 mg/100g，平均含量為0.91 mg/100g，其中高于1 mg/100g的玉米品種有10個。5種元素的變異系數均較大，為9.91%～26.43%，其中鈣、鋅、鐵含量最高值是其各自最低值的2.1、2.3和3.6倍。表1，表2

表1 玉米籽粒中礦質元素含量變化Table 1 The content of mineral elements in maize cultivars

表2 玉米品種元素含量表現及變異程度Table 2 Expression and variation of elements in maize varieties

2.2 玉米籽粒中礦質元素含量相關性

研究表明，磷與鐵元素含量間呈顯著相關(P<0.05)，磷與鎂元素含量間呈極顯著相關(P<0.01)，相關系數為0.859。其他元素含量間雖然為正相關，但相關不具有顯著性。表3

表3 相關系數矩陣Table 3 Correlation coemcient matrix

2.3 主成分的確定

研究表明，5種礦質元素中前3個主成分能夠體現變量的86.01%的貢獻率，第1主成分的貢獻率為52.352%，第2主成分的貢獻率為19.857%，第3主成分、第4主成分和第5主成分的貢獻率分別為13.801%、11.215%和2.774%。第1、2、3主成分的累計方差貢獻率達到86.01%>80%。故前3個主成分能代表玉米品種礦質元素含量86.01%的信息。表4

表4 數據相關陣的特征值及方差Table 4 Characteristic value and varialice of data correlation matrix

2.4 主因子模型的建立

研究表明，初始因子載荷矩陣表，建立主因模型為:F1=0.61y1+0.717y2+0.843y3+0.844y4+0.555y5，F2=0.37y1+0.283y2-0.447y3-0.46y4+0.604y5，F3=0.683y1+-0.097y2-0.06y3-0.51y4-0.456y5，F4=0.157y1-0.629y2+0.138y3+0.057y4+0.344y5。玉米品種的第l主成分F1在Ca、Fe、Mg、P、Zn元素上全部為正載荷，Ca、Fe、Mg、P、Zn元素與第l主成分F1有高的相關性。第2主成分F2在Mg、P元素上有較高的負載荷，在Ca、Fe、Zn元素上較高的正載荷，Ca、Fe、Zn元素與第2主成分F2有高的相關性。第3主成分F3在Ca元素上較高的正載荷，Ca元素與第3主成分F3有高的相關性。第4主成分在Ca、Mg、P、Zn元素上較高的正載荷，Ca、Mg、P、Zn元素與第4主成分F4有高的相關性。表5

表5 因子載荷矩陣Table 5 The factor loading matrix

2.5 玉米品種礦物營養價值綜合評價

研究表明，計算第l、2、3、4主成分分值，以特征值的貢獻率大小為分配系數，計算綜合得分并排序，綜合得分F=0.52F1+0.2F2+0.14F3+0.11F4，綜合分值越高，玉米籽粒的礦物元素綜合表現越好。23個玉米品種的礦物元素主成分分析綜合得分由高到低依次為登海8883>新玉54號>新玉9號>2564>新玉47號>新玉80號>新玉87號>新玉84號>新玉41號>3376>農潤919> KX9384>禾玉187>新玉60號> M753>新玉74號>新玉59號>新玉29號>9384>335>新玉77號>新玉13號>新玉65號。綜合排名前3的品種是登海8883、新玉54號和新玉9號。

表6 主因子和綜合主因子得分Table 6 The score of main factors and comprehensive main factor

3 討 論

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[17,18]。玉米中含有豐富的對人體有益的元素，如鈣、鎂、鋅、銅、磷等[19]。玉米是新疆的主要農作物之一，具有糧、經、果、飼、能等多元用途，是畜牧養殖業的基礎與支柱，也是重要的工業原料，在全疆分布范圍廣泛，種植面積與產量僅次于小麥和棉花，約占全疆糧食播種面積的28%，占糧食總產量的40%以上，是新疆第2大糧食作物，也是第3大農作物[20]。

研究表明，23份新疆玉米籽粒品種鐵的含量的變動范圍為3.6～12.9 mg/kg。陳潔等[11]研究玉米籽粒鐵的含10.978 9～27.873 4 mg/kg。對52個地方玉米品種鐵含量測定，結果表明，鐵的含量變幅為12.4～24.8 mg/kg，平均值為17.6 mg/kg[7]，23份玉米品種籽粒鐵的含量普遍偏低，玉米籽粒品種鋅的含量變動為8.4～19.5 mg/kg，王利民等[21]研究表明，糯玉米鋅的含量為17.069～20.773 mg/kg，趙強等[22]研究表明，玉米鋅的含量范圍在4.87～53.76 mg/kg，平均含量19.88 mg/kg。Oikeh等[23]對非洲49個玉米品種的研究表明，玉米籽粒鋅含量在16.5～24.6 mg/kg。玉米籽粒鋅含量大多集中在30 mg/kg以下。研究表明，新疆玉米品種鈣的含量的變動范圍為82.2～171.5 mg/kg，鎂的含量變動范圍為926.5～1 382.6 mg/kg，董瑞等[24]研究表明，玉米中鈣的含量在44.4～78.2 mg/kg，鎂的含量119～245 mg/kg，林險峰等[19]研究表明，玉米中鈣、鎂含量為93.85 mg/kg，82.1 mg/kg，新疆23份玉米籽料鈣、鎂含量普遍較高。

不同新疆玉米品種的礦質元素含量差異顯著，磷的最高值是最低值的1.78倍，鈣的最高值是最低值的2.1倍，鎂的最高值是最低值的1.5倍，鐵的最高值是最低值的3.58倍，鋅的最高值是最低值的2.32倍，其中鐵和鋅含量差異最大。總體而言，新疆23份玉米品種鈣、鎂含量較高，鐵和鋅含量普遍偏低。目前普遍存在著飲食中微量元素攝入量不足的問題[1,2]。提高作物籽粒中微量元素含量，一是減少籽粒中降低微量元素有效性的抑制物；二是增加微量元素在籽粒中的累積[25]。

4 結 論

4.123份新疆玉米籽粒品種鎂的含量變動為92.65～138.26 mg/100g,平均含量為113 mg/100g。磷的含量的變動為158.91～282.71 mg/100g，平均含量為206.64 mg/100g。鈣的含量的變動為8.22～17.15 mg/100g，平均含量為11.74 mg/100g。鋅的含量的變動為0.84～1.95 mg/100g，平均含量為1.32 mg/100g。鐵的含量的變動為0.36～1.29 mg/100g，平均含量為0.91 mg/100g。

4.2磷與鐵元素含量間呈顯著相關，磷與鎂元素含量間呈極顯著相關。其他元素含量間雖然為正相關，但相關不具有顯著性。新疆23個玉米品種的礦物元素登海8883>新玉54號>新玉9號>2564>新玉47號>新玉80號>新玉87號>新玉84號>新玉41號>3376>農潤919> KX9384>禾玉187>新玉60號> M753>新玉74號>新玉59號>新玉29號>9384>335>新玉77號>新玉13號>新玉65號。