基于主成分分析的云南大米礦質元素品質評價

李倩，楊旭昆，杜麗娟，陳興連，劉興勇，嚴紅梅*

云南省農業科學院質量標準與檢測技術研究所（昆明 650205）

隨著生活質量的提高及保健觀念的提升，人們對大米的食味品質和營養價值的需求不斷提高。研究表明，礦質元素對稻米生長發育、產量、品質的形成具有重要的作用[1]*，例如：Ca在植物生長發育中作為第二信使調控多種生物過程[2]*；Mg2+*是葉綠素的重要組成部分，影響植物生長過程中某些酶的活性[3]*；Al3+*可以影響有機酸的含量[4]*；P可以緩解高粱和玉米中Al的毒性[5]*。同時，礦質元素對人體健康也尤為重要，飲食中要均衡攝取[6]*。B、Ca和P認為是骨骼礦化和降低心血管疾病風險的基本元素[7]*。大米是日常食用的主食之一，含有豐富的礦質元素，是人體吸收礦質元素的主要來源[8]*，因此，對大米中礦質元素含量的分析研究尤為重要。

目前基于礦質元素的研究主要集中于不同品種、不同產地農產品[9-10]*的差異分析，且研究多集中于水果[11-12]*，有關大米礦質元素差異分析的研究報道較少。在相關分析[13]*方面研究農產品中礦質元素與土壤[14]*及其他品質指標[15]*的相互作用較多，對于大米礦質元素之間的相關性分析較少，而有研究[1]*指出稻米的礦質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品質密切相關，因此對大米中礦質元素之間的相關性分析進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大米中礦質元素進行綜合評價的報道也較少。

研究以云南大米為試驗材料，測定了大米中Ca、Cu、Fe、K、Mg、Mn、Na、P、Zn、Se等礦質元素，同時也測定了大米中水分、直鏈淀粉等營養指標，進一步明確云南大米中礦質元素的分布特征及差異性。同時，通過相關性分析，找到礦質元素之間的相互作用及關聯性，并利用主成分分析法對云南大米中礦質元素進行綜合品質評價，以期為提高大米產量、品質調控、合理施肥、開展溯源和品種鑒定提供科學的參考依據。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

35個試驗大米為本實驗室抽檢樣品，包括白米、紅米、紫米、黑米，產自云南德宏州、西雙版納州、紅河州、楚雄州、普洱市、昆明市、曲靖市7個地州。

鹽酸、高氯酸（優級純）、乙醇、冰乙酸（分析純）：國藥集團化學試劑有限公司；檸檬酸、氫氧化鈉、碘、碘化鉀（分析純，天津市風船化學試劑科技有限公司）；硝酸（電子級，蘇州晶瑞化學股份有限公司）；多元素混合標準溶液（100 mg/L，上海市計量測試技術研究院）；內標元素儲備液（1 000 mg/L，國家有色金屬及電子材料分析測試中心）。

1.2 儀器與設備

ElanDRC-e電感耦合等離子體質譜儀（美國Perkin Elmer公司）；OPTIMA8000電感耦合等離子體發射光譜儀（美國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電熱鼓風干燥箱（美國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（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 元素含量的測定

大米中礦質元素的測定參照GB 5009.268—2016《食品安全國家標準食品中多元素的測定》[16]*。大米中Se含量的測定參照GB 5009.93—2017《食品安全國家標準食品中硒的測定》[17]*。

1.3.3 水分的測定

參照GB 5009.3—2016《食品安全國家標準食品中水分的測定》[18]*采用第一法直接干燥法進行水分的測定。

1.3.4 直鏈淀粉的測定

參照NY/T 2639—2014《稻米直鏈淀粉的測定分光光度法》[19]*進行測定。

1.4 數據處理與統計分析

試驗所有指標測定均重復3次，結果所示數據均為3次平行試驗的平均值，采用Microsoft Excel建立數據庫，用SPSS 20.0軟件進行數據處理與分析；采用Pearson分析方法進行相關性分析；采用Z-score標準化法和主成分分析方法進行主成分分析。

2 結果與分析

2.1 大米營養成分分析

測定35個云南大米中10種礦質元素以及水分、直鏈淀粉的含量，其結果見表1和表2。云南大米中大量礦質元素的含量呈現出P＞K＞Mg＞Ca的特征，微量礦質元素含量順序為Zn＞Mn＞Na＞Fe＞Cu＞Se。從表1和表2可知，大米的礦質元素以及直鏈淀粉的變異系數均大于20%，為強變異，而其中Fe的變異系數最大達90.20%，其次為Cu，其變異系數為83.58%，水分的變異系數最小，為6.76%，直鏈淀粉的變異系數為57.11%。變異系數的大小說明云南產區的大米礦質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，間接說明云南土壤類型的多樣性。

表1 不同大米礦質元素含量（n=3） 單位：mg/kg

表2 不同大米中礦質元素和營養品質測定（n=3）

2.2 大米營養成分間相關性分析

為了研究云南大米各礦質元素、水分、直鏈淀粉之間的關系，進行相關性分析，其結果如表3所示。Ca、Fe、K、Mn、Mg、P、Zn之間兩兩呈極顯著正相關（P＜0.01），Cu與Zn呈極顯著正相關，這一結果與楊曉瓊等[21]*研究云南的余甘子發現Ca、K、Mg之間兩兩呈正相關，Cu與Zn呈極顯著正相關的結論有一定相似性。同時，研究發現大米中的K與直鏈淀粉呈顯著負相關，說明它們可能存在一定的拮抗作用。礦質元素與水分之間沒有呈現較為顯著的相關性，說明水分對大米中礦質元素的影響不大。礦質元素的相關性分析結果說明，礦質元素之間息息相關，存在相互作用，并且主要是以協同作用機制存在。

表3 各指標的相關系數值

接表2

2.3 大米主成分分析

對35個大米進行主成分分析，其結果如表4所示。從結果可以看出，前4個主成分的特征值均大于1，第一主成分的方差貢獻率達到48.112%，累計方差貢獻率達到80.499%，說明前4個主成分可反映原始變量的絕大部分信息。根據主成分分析結果得到主成分得分系數矩陣，其結果如表5所示。第1主成分主要與大量礦質元素有關，第3主成分、第4主成分主要與微量礦質元素有關。同時，從表5中還可以得到5個特征根對應的特征向量，參照李偉等[22]*方法可以得到各主成分解析表達式，見式（1）～（4）。

表5 大米品質指標的主成分得分系數矩陣

表4 大米品質主成分的方差貢獻率

以每個主成分的方差貢獻率為權重，計算主成分綜合得分：綜合得分（H）=（48.112F1+12.769F2+10.983F3+8.634F4）/80.499。根據主成分綜合得分可知排名情況，其結果如表6所示。從結果可以看出，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個為紅米，說明紅米中礦質元素含量比其他有色大米更為豐富。

表6 不同大米品質預測評價結果

3 結論與討論

研究對云南產區的35個大米樣品進行了10種礦質元素以及水分、直鏈淀粉的測定，結果顯示，云南大米中大量礦質元素含量呈現出P＞K＞Mg＞Ca的特征，微量礦質元素含量順序為Zn＞Mn＞Na＞Fe＞Cu＞Se，云南大米中礦質元素含量變異系數較大，說明不同品種、不同產地礦質元素含量差異較大。相關性分析結果表明Ca、Fe、K、Mn、Mg、P、Zn之間兩兩呈極顯著正相關（P＜0.01），Cu與Zn呈極顯著正相關，K與直鏈淀粉呈顯著負相關，說明大米在吸收礦質元素之間具有一定的協同作用。同時，進行了主成分分析，這些指標被劃分成4個主成分，累積貢獻率達80.499%，結果顯示綜合得分排名前5大米中有4個為紅米，說明紅米中的礦質元素含量較為豐富，這一研究成果可以明確云南大米中礦質元素含量本底值，為后續研究不同元素互作及協同作用對稻米品質的影響提供依據。