基于主成分分析和聚類分析的不同水稻品種營養品質評價研究

徐清宇 余靜 朱大偉,2 鄭小龍,2 孟令啟 朱智偉,2 邵雅芳,2*

（1中國水稻研究所，杭州 310006；2農業農村部稻米及制品質量監督檢驗測試中心，杭州 311400；3河北省農林科學院 濱海農業研究所，河北 唐山 063299；*通訊作者：yafang_shao@126.com）

水稻是我國乃至全球最重要的糧食作物之一，為世界一半以上的人口提供能量和營養[1]。我國水稻資源豐富，品種繁多，不同水稻品種之間的營養物質差異較大。稻米中含有碳水化合物、蛋白質、脂肪、維生素、礦物質、膳食纖維和水等7大基本營養素。其中，碳水化合物含量最高，占糙米質量的70%以上；蛋白質含量位居第二，約占糙米質量的8%～10%[2]。除此之外，部分有色米（黑米、紅米和紫米等）還富含大量生物活性成分，比如酚酸、類黃酮、花色苷、原花青素等。這些物質具有抗氧化、抗疲勞等功效[3]。一般認為，黑米和紫米富含花色苷類物質，而紅米富含原花青素類物質[4]。

水稻在成熟收獲，經過晾曬、脫殼、磨精等加工后，成為我們日常生活中消費的精大米，而在加工過程中產生的米糠等副產物則用于畜禽的飼養。據粗略統計，糙米在磨精過程中損失約10%的質量，主要組成為種皮和胚，其富含多種營養成分和功能因子[2]。據流行病學和臨床干預試驗研究表明，糙米中的功能組分能顯著降低心血管疾病、Ⅱ型糖尿病、肥胖等慢性疾病的發病風險[5]。

目前，在對稻米品質評價與分等分級工作中，主要以NY/T 593-2021《食用稻品種品質》作為評判依據[6]，涉及的參數主要有整精米率、堊白度、透明度、堿消值、膠稠度和直鏈淀粉含量等，并未列出稻米營養品質相關的指標。隨著健康中國和農業高質量發展要求的提出，稻米營養品質研究及評價工作顯得越來越重要。為此，本研究以19種水稻品種的稻米（3種紅米、8種黑米和8種白米）為材料，對其5項基本營養成分（總淀粉、直鏈淀粉、蛋白質、脂肪和膳食纖維）、13種礦質元素（磷、鉀、鎂、鈣、錳、鋅、鐵、鈉、銅、鎳、砷、鉻、硒）、9項活性物質指標（總酚、總類黃酮、ABTS、DPPH抗氧化活性、總原花青素、總花色苷、矢車菊素-3-O-葡萄糖苷、芍藥素-3-O-葡萄糖苷、矢車菊素-3-O-蕓香苷）進行測定，并利用主成分分析對不同品種的營養品質進行評價，研究結果可為稻米營養品質評價提供依據，也為生產功能性稻米新產品提供新思路。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

參試水稻品種包括紅米1（S01）、紅米2（S02）、曹妃紅（S03）、吉稻（S04）、濱黑1號（S05）、黑米H6（S06）、黑米1（S07）、惠生黑稻（S08）、黑粘香（S09）、吉黑稻（S10）、陜黑（S11）、稻花香2號（S12）、吉宏6號（S13）、墾稻32（S14）、遼星（S15）、龍粳31（S16）、龍洋16（S17）、綏粳18（S18）和鹽豐47號（S19）等19個。

參試試劑有：甲醇、氫氧化鈉、碘、碘化鉀、硫酸銅、硫酸、甲酸、亞硝酸鈉、六水氯化鋁、過氧硫酸鉀、95%乙醇等，購于國藥集團化學試劑有限公司；色譜純甲醇購于Merck公司；各礦質元素的標樣，購于國家標準物質研究中心；沒食子酸、福林酚試劑、香蘭素、兒茶酚、DPPH、ABTS、矢車菊素-3-O-葡萄糖苷、芍藥素-3-O-葡萄糖苷、色譜純甲酸等，購于Sigma-aldrich公司。

1.2 儀器與設備

用到的儀器和設備有：離心機（Himac CR21GⅡ，Hitachi，Japan）、旋光儀（Wzz-2s，INESA，Shanghai，China）、索氏抽提儀（Tecator，Hgans，Sweden）、流動分析儀（BDFIA-7000，Baode Instruments，Beijing，China）、凱氏定氮儀（Kjeltec 8400，FOSS，Hilleroed，Denmark）、膳食 纖 維 測 定 儀（Fibertec 1023，FOSS，Hilleroed，Denmark）、電感耦合等離子體發射光譜儀（ICP-OES，Thermo Elemental，Franklin，MA，USA）、電感耦合等離子體質 譜 儀（ICP-MS，X Series 2，Thermo Fisher Corp.,Waltham,MA，USA）、分光光度計（UV-2550,Shimadzu Corp.，Tokyo，Japan）、高效液相色譜儀（Waters 1525-2707-2489，Waters Corp.，Milford，USA）。

1.3 實驗方法

1.3.1 樣品制備

收集到的稻谷經過脫殼后，直接于旋風磨粉機上磨成粉末，并過80目篩，置于0～4℃條件下備用。

1.3.2 營養品質測定

總淀粉測定參照NY/T 11-1985《谷物籽粒粗淀粉測定法》。脂肪測定參照GB 5009.6-2016《食品中脂肪的測定》。直鏈淀粉測定參照NY/T 2639-2014《稻米直鏈淀粉的測定 分光光度法》。膳食纖維測定參照GB 5009.88-2014《食品中膳食纖維的測定》。蛋白質測定參照GB 5009.5-2016《食品中蛋白質的測定》。礦物質測定參照GB 5009.268-2016《食品中多元素的測定》，其中，Ca、Fe、K、Mn、Na和P用電感耦合等離子體發射光譜法（ICP-OES）測定，Zn、Mg、Cu、Cr、Ni、As和Se用電感耦合等離子體質譜法（ICP-MS）測定。采用80%甲醇對稻米總酚進行提取，并用比色法測定其總酚含量，具體提取和測定方法參照SHAO等方法[7]。采用酸化甲醇提取液（甲醇∶1M HCL=85∶15 v/v）對類黃酮、原花青素和花色苷進行提取，并用比色法測定總類黃酮、總原花青素和總花色苷含量，用高效液相色譜法測定花色苷組分及含量，具體提取和測定方法參照SHAO等方法[7]。采用ABTS和DPPH自由基清除能力方法測定稻米總抗氧化活性，詳細檢測方法參照SHAO等方法[7]。

1.4 數據處理

不同水稻品種間各品質參數的差異性分析采用方差分析中的LSD多重比較分析（P＜0.05）。活性物質間的相關分析、基本營養成分和礦物質的主成分分析、所有參數的聚類分析采用R語言進行數據的處理和分析。綜合指標的隸屬函數值按式（1）進行計算[8-9]：

式中：xj為第j個綜合指標（j＝1,2,…,n）；U（xj）為第j個綜合指標的隸屬函數值；xmax為第j個綜合指標的最大值；xmin為第j個綜合指標的最小值。

綜合指標權重按式（2）進行計算[10-11]：

式中，wj為第j個綜合指標在所有綜合指標中的重要程度即權重；rj為各品種第j個綜合指標的貢獻率。

水稻品種品質綜合評價值按式（3）進行計算[12-13]：

式中，D為不同水稻品種品質的綜合評價值。

2 結果與分析

2.1 不同水稻品種稻米基本營養成分含量比較

如表1所示，不同品種稻米中總淀粉含量為74.11%～79.50%，大多數品種間的差異不顯著。直鏈淀粉含量為0.24%～19.88%，均達到了NY/T 593-2021《食用稻品種品質》中規定的優質三等要求[6]。其中，普通糙米品種的直鏈淀粉含量在16.00%～19.00%之間（優質二等），約有一半的有色米直鏈淀粉含量高于19.00%（2個糯性黑米品種除外）。蛋白質含量為6.40%～9.40%，基本涵蓋了我國稻米蛋白質的分布范圍[14]。其中，紅米的蛋白質含量高于普通糙米和大多數黑米，不同黑米品種間存在顯著性差異。稻米膳食纖維含量變化范圍為3.56%～5.38%；脂肪含量范圍為1.81%～2.58%。

表1 不同水稻品種稻米基本營養成分含量 （單位：%）

2.2 不同水稻品種稻米礦物質含量比較

如表2所示，礦質元素在稻米中的含量由高到低依次為K、P、Mg、Ca、Mn、Zn、Na、Fe、Cu、Ni、As、Cr、Se。不同品種間礦質元素含量存在顯著性差異，總體而言，有色米的礦質元素含量變化范圍較大，普通糙米的變化范圍較小。S1、S2、S4、S8和S10 K的含量高，達3324.00～4 814.75 mg/kg。S2和S3 Mg的含量高，達1 346.50～1 380.50 mg/kg。大多數有色米的Ca和Mn含量顯著高于普通糙米。S3的Zn含量最高（32.03 mg/kg），S7次之（24.52 mg/kg）。大多數稻米的Na含量在8.16～17.04mg/kg范圍內（S14除外）。糙米中的Fe含量在7.35～33.44 mg/kg的范圍內波動。Ni、As、Cr和Se在稻米中的含量比較低，大多數水稻品種的含量在比較小的范圍內波動。這些元素的含量范圍與其他文獻報道的糙米元素含量相似[7,15]，但比報道的精米中的含量高[16-17]。

表2 不同稻米品種礦物質含量 （單位：mg/kg）

2.3 不同水稻品種稻米活性成分分析

由表3可知，有色米品種（S1～S11）的總酚、總黃酮、ABTS和DPPH抗氧化活性均顯著高于普通糙米品種（S12～S19），且大多數黑米品種的活性成分含量高于紅米，這與先前報道的結果一致[18]。黑米和紅米的多酚類化合物及其抗氧化活性的差異性可能與其不同色素的沉積有關[19]。花色苷、矢車菊素-3-O-葡萄糖苷、芍藥素-3-O-葡萄糖苷和矢車菊素-3-O-蕓香苷在黑米中的含量比較高，是紅米的10～200倍。原花青素只在紅米中檢測到，其在S03中的含量為0.62 mg/g。雖然大多數研究表明黑米富含花色苷，主要是矢車菊素-3-O-葡萄糖苷和芍藥素-3-O-葡萄糖苷；紅米富含原花青素[7,20]。但也有研究表明，一些黑米或紅米品種也存在少量的原花青素和花色苷類物質[21]。總酚、總類黃酮和花色苷及其組分含量越高，其抗氧化活性也越強，這與多酚類化合物具有較強的抗氧化活性有關[18]。其中，S03、S04和S11的活性成分種類及含量較高。普通糙米的總酚、總類黃酮、ABTS和DPPH抗氧化活性值差異不顯著，分別在0.55～0.84 mg GAE/g、0.87～1016 mg CE/g、2.87～4.57μMTE/g和2.32～3.32μMTE/g范圍內。

不同水稻品種稻米活性成分的相關分析結果（圖1）表明，稻米的抗氧化活性與總酚、總類黃酮和總花色苷含量呈極顯著正相關（r＞0.89，P＜0.001），總花色苷和3個花色苷組分呈極顯著正相關（r＞0.94，P＜0.001）。這些結果表明，可以通過對稻米抗氧化活性指標的檢測來篩選活性成分含量高的水稻品種。

2.4 不同水稻品種稻米的主成分分析

2.4.1 不同水稻品種稻米營養指標選擇和主成分提取

由表3可知，5種活性物質在有色米中含量較高，其中花色苷只存在于有色米，并且通過相關性分析可知，總花色苷與抗氧化活性呈正相關，因此，可通過米粒顏色和抗氧化活性指標判斷稻米活性物質含量的高低（表3、圖1）。因此，在主成分分析中僅選擇5種基本營養成分和13種礦物質指標為研究對象。

圖1 不同水稻品種稻米活性成分的相關分析

表3 不同水稻品種稻米活性物質含量

主成分特征值碎石圖曲線的陡峭程度，可以直接反映各成分的變化趨勢，進而明確主成分的提取數量。由圖2可知，前4個主成分的特征值呈快速下降趨勢，且從第11個主成分特征值開始，碎石圖曲線趨于平滑且平穩。由表4可知，前6個主成分的特征值分別為4.25、3.05、2.58、1.66、1.47和1.30，具有較高的代表性，其累計貢獻率近80%。因此，選取前6個主成分作為本研究中稻米營養品質評價的分析指標。

圖2 稻米基本營養成分和礦物質主成分分析碎石圖

通過主成分分析得出，第1主成分（PC1）的方差貢獻率為23.61%（表4），主要綜合了鈣、膳食纖維、鎂和鈉等指標（表5）；第2主成分（PC2）的方差貢獻率為16.92%，主要綜合了直鏈淀粉、鎳、銅和砷等指標；第3主成分（PC3）的方差貢獻率為14.35%，主要綜合了錳、磷和鋅等指標；第4主成分（PC4）的方差貢獻率為9.24%，主要綜合了脂肪、蛋白質、鉀和磷等指標；第5主成分（PC5）的方差貢獻率為8.14%，主要綜合了鐵、鎂和銅等指標；第6主成分（PC6）的方差貢獻率為7.23%，主要綜合了蛋白質、總淀粉、直鏈淀粉和鐵等指標。

表5 主成分分析中的載荷矩陣

各樣品的綜合評分表如表6所示。在PC1、PC2、PC4、PC5和PC6上得分最高的為S02，說明在19個水稻品種中，該品種稻米的營養品質最好。在PC3上得分最高的為S13，說明該水稻品種稻米的營養品質較好，主要體現在錳、磷和鋅含量上。

2.4.2 不同水稻品種稻米基本營養品質和礦物質組成的綜合評價

根據各綜合指標的貢獻率的大小，利用式（2）求出PC1～PC6的權重分別為0.30、0.21、0.18、0.12、0.10和0.09（表4）。采用式（1）和式（3）計算不同水稻品種稻米營養綜合評價指標，并根據綜合評價對不同水稻品種稻米營養品質進行排序，結果發現排名前10位的水稻品種中有7種是有色稻米品種（表6）。在普通糙米品種中，S19的營養品質最好，其次是S15、S12、S13。綜合來看，所選19個水稻品種的營養品質高低順序依次為S02、S08、S19、S03、S04、S01、S15、S09、S11、S12、S13、S05、S16、S14、S07、S06、S17、S18、S10。

表4 稻米基本營養成分和礦物質主成分分析的特征值、貢獻率和累計貢獻率

表6 稻米品質綜合評分

2.5 聚類分析

對19個水稻品種稻米基本營養成分、礦物質和活性物質等營養品質指標進行聚類分析，建立聚類樹狀圖（圖3）。圖3A所示，通過聚類將19個水稻品種劃分為3個大類：第Ⅰ類為有色稻米中的S11，第Ⅱ類為有色稻米類（S01-S10）；第Ⅲ類為普通稻米類（S12-S19）。由圖3B可知，所有指標被分為5類：第Ⅰ類是Ni、Fe；第Ⅱ類為矢車菊素-3-O-葡萄糖苷、矢車菊素-3-O-蕓香糖苷、Ca、芍藥素-3-O-葡萄糖苷、ABTS和DPPH抗氧化活性、總酚、總黃酮、花色苷；第Ⅲ類為Se、Na、脂肪、Cu、Zn；第Ⅳ類為膳食纖維、總淀粉、Mn；第Ⅴ類為蛋白質、Mg、直鏈淀粉、As。在第Ⅱ類中，總酚、總類黃酮、總花色苷及其組分、ABTS和DPPH抗氧化活性等8個指標均是活性物質，在黑米和紅米中的含量顯著高于普通糙米。

圖3 聚類分析圖

3 結論

不同水稻品種稻米的基本營養成分在一定范圍內波動，其總淀粉含量為74.11%～79.50%，直鏈淀粉含量為0.24%～19.88%，蛋白質含量為6.40%～9.40%，脂肪含量為1.81%～2.58%。對于礦質元素而言，有色米的礦質元素含量變化較大，普通糙米的變化較小。其中，絕大多數有色米的Ca含量顯著高于普通糙米。有色米品種的總酚、總黃酮、ABTS和DPPH抗氧化活性均顯著高于普通糙米品種，而且大多數黑米品種的含量顯著高于紅米。花色苷、矢車菊素-3-O-葡萄糖苷、芍藥素-3-O-葡萄糖苷在黑米中的含量較高，原花青素只在紅米中檢測到。9種活性物質間的相關分析結果表明，可以通過對稻米抗氧化活性指標的檢測來篩選活性成分含量高的水稻品種。通過對稻米基本營養成分和礦物質等指標進行主成分分析，提取了6個主成分，其累計貢獻率約80%，可以較好反映稻米營養品質的綜合信息。PC1的方差貢獻率為23.61%，主要綜合了鈣、膳食纖維、鎂和鈉等指標；PC2的方差貢獻率為16.92%，主要綜合了直鏈淀粉、鎳、銅和砷等指標；PC3的方差貢獻率為14.35%，主要綜合了錳、磷和鋅等指標；PC4的方差貢獻率為9.24%，主要綜合了脂肪、蛋白質、鉀和磷等指標；PC5的方差貢獻率為8.14%，主要綜合了鐵、鎂和銅等指標；PC6的方差貢獻率為7.23%，主要綜合了蛋白質、總淀粉、直鏈淀粉和鐵等指標。在不考慮活性物質含量的前提下，所選水稻品種中，S02的營養品質最佳，S10最差。通過對19種水稻品種稻米的基本營養成分、礦物質和活性物質進行聚類分析，可以將所有水稻品種稻米分成兩類：有色米和普通糙米。同時，聚類分析也將所有品質指標分為5類：第Ⅰ類和第Ⅲ類主要是元素；第Ⅱ類主要為活性物質，與稻米顏色顯著相關；第Ⅳ類和第Ⅴ類主要為基本營養成分。研究結果可為稻米營養品質的評價提供參考依據，也可為食品加工企業生產功能性稻米新產品提供新思路。