基于主成分和聚類分析的遼寧省稻谷品質綜合評價

摘要：稻谷是遼寧省主要的糧食作物之一，研究選取了遼寧省不同產地稻谷對其基本營養及質量指標進行測定，利用主成分和聚類分析的方法，對遼寧省地區地產稻谷品質進行綜合評價。結果表明：對29個稻谷樣品進行主成分分析可得到4個主成分，累計方差貢獻率76.475%，綜合得分前三位排名鹽豐47（12號）>鹽豐47（23號）>鹽粳927。對29個稻谷樣品進行聚類分析，聚類1的案例數為9，聚類2中的案例為3，聚類3的案例數17。

關鍵詞：遼寧省；稻谷；品質；主成分分析；聚類分析

中圖分類號：TS210.1 文獻標志碼：A DOI：10.16465/j.gste.cn431252ts.20240520

Comprehensive evaluation of rice quality in Liaoning Province based on principal component analysis and cluster analysis

Xu Jing1， Zhang Hui1， Zhang Mingxian1， Wan Xiaole1， Chen Yicen2， Cui Yang3

（ 1. Dalian Center For Certification And Food And Drug Control， Dalian， Liaoning 116021； 2. Liaoning Grain Science Research Institute， Shenyang， Liaoning 110032； 3. Liaoning Province Reserve Grain Management Co.， Ltd.， Shenyang， Liaoning 110032 ）

Abstract： Rice is one of the main grain crops in Liaoning Province. In this study， the basic nutrition and quality indexes of rice from different producing areas were determined by principal component analysis and cluster analysis in Liaoning Province， the quality of rice in Liaoning was comprehensively evaluated. The results showed that 4 principal components were obtained by principal component analysis of 29 rice varieties， and the cumulative contribution rate of variance was 76.475%. The three leading comprehensive scores were Yanfeng 47 > Yanfeng 1 > Yanjing 927. Cluster analysis was carried out on 29 varieties of rice， the number of cases in cluster 1 was 9， the number of cases in cluster 2 was 3， and the number of cases in cluster 3 was 17.

Key words： Liaoning Province； rice； quality； principal component analysis； cluster analysis

遼寧省是我國稻谷主產省之一，其稻谷種植面積廣、產量高，具有很多優良的品種，是第一批優質糧食工程重點支持省份。根據中國統計年鑒[1]報道，2023年遼寧省稻谷產量412.9萬t，占國家稻谷總產量的1.9%。近年來，遼寧省糧食相關系統積極推進產、購、儲、加、銷“五優聯動”，做好“中國好糧油”行動計劃，切實保障了優質糧食的供給，在一定程度上解決了遼寧地區糧食的數量安全。大米是稻谷經過加工脫殼而來的產品，在我國有一半人口以大米為主食[2]，由于不同品種的稻谷質量不一，其內部營養物質的含量，如何做到從吃飽向吃好轉變，是糧食科研工作者應該解決的難題。

主成分分析是一種通過降維思想將多指標線性組合為較少的綜合指標，進而實現綜合評價的統計分析方法[3-5]。聚類分析是根據樣品測定的多個評價指標找出能夠度量樣品或指標間相似程度的統計量，并以此為依據將相似度較高的樣品聚為一類[6]。

本試驗選擇遼寧省29個2021年地產稻谷為試驗樣本，研究不同品種稻谷質量及內部營養情況，利用主成分和聚類分析的方法對其品質進行評價，旨在對影響稻谷品質的特征指標進行篩選，建立評價模型，為稻谷品質評價、科學加工、指導種植提供有益依據。

1 材料與方法

1.1 材料與方法

稻谷：2021年10月收獲，采樣地點見表1。

1.2 儀器與設備

DHG-9030A型電熱鼓風干燥箱：上海一恒科學儀器有限公司；JXCD—10型稻谷新鮮度測定儀：北京東孚久恒儀器有限公司；BLH-3250型實驗型礱谷機：浙江伯利恒儀器設備有限公司；JNM-Ⅲ實驗型碾米機：中儲糧成都研究院有限公司；大米外觀品質測定儀：北京東孚久恒儀器有限公司；FOSS Infratec124-1型近紅外谷物分析儀：丹麥福斯分析儀器；JSWL型食味計：北京東孚久恒儀器有限公司。

1.3 實驗方法

1.3.1 樣品前處理

隨機采集遼寧省29份共24個品種地產稻谷。每塊稻田采集樣品數量1 000 g，稻谷取樣后，在自然條件下儲藏14 d，理化性狀穩定后進行品質測定。

1.3.2 測定方法

水分測定參照GB 5009.3—2016《食品安全國家標準 食品中水分的測定》；出糙率測定參照GB/T 5495—2008《糧油檢驗 稻谷出糙率檢驗》；整精米率測定參照GB/T 21719—2008《稻谷整精米率檢驗法》；堊白度、堊白粒率測定參照NY/T 2334—2013《稻米整精米率、粒型、堊白粒率、堊白度及透明度的測定》圖形法；新鮮度測定參照 LS/T 6118—2017《糧油檢驗 稻谷新鮮度測定與判別》；食味值測定參照GB/T 15682-2008《糧油檢驗 稻谷、大米蒸煮食用品質感官評價方法》；直鏈淀粉測定參照GB/T 15683—2008《大米直鏈淀粉含量的測定》；蛋白質測定參照GB 5009.5—2016《食品安全國家標準 食品中蛋白質的測定》；脂肪測定參照GB 5009.6—2016《食品安全國家標準食品中脂肪的測定》；硒測定參照GB 5009.93—2017《食品安全國家標準 食品中硒的測定》。

1.4 數據處理

采用Excel2017、IBM SPSS Statistics20進行統計、主成分及聚類分析。

2 結果與分析

2.1 不同品種稻谷質量品質情況

糙米碾磨成加工精度為三級大米時，長度達到試樣完整米粒平均長度3/4及以上的米粒即為整精米，將整精米質量與凈稻谷質量求商即為整精米率。GB 1350—2009《稻谷》指出，以出糙率作為定等指標，其中1等粳米出糙率≥81%，2等粳米出糙率≥79%，3等粳米出糙率≥77%（中等稻）。如表2所示1～29號稻米的出糙率的波動范圍在74.34%～82%，出糙率最大值出現在1號稻米（遼星19號），出糙率最小值出現在19號稻米（美鋒1號），3級以上粳稻米占全品種的89.65%，整精米率波動范圍在64.0%～73.1%，整精米率最大值出現在7號稻米（佳昌稻7號），整精米率最小值出現在17號稻米（沈988）。從加工角度分析，7號稻米（佳昌稻7號）加工品質較為理想。

LS/T 3247—2017《中國好糧油 大米》規定一級粳米食味值≥90分，堊白度≤4.0%，堊白度粒率≤2.0%；二級粳米食味值≥85分，堊白度≤6.0%，堊白度粒率≤4.0%；三級粳米食味值≥80分，堊白度≤8.0%，堊白度粒率≤6.0%。如表2所示，16號稻米（稻花香2號）的堊白度為8.9%，外觀品質較差。8號稻米（遼星8號）、26號稻米（鹽豐47）的堊白度數值較高，屬于二級粳米；13號稻米（鹽粳219）和24號稻米（錦稻109）屬于一級粳米，外觀及食味品質較好。

直鏈淀粉、粗蛋白和硒含量可以反映不同品種稻谷的營養情況，三者是重要的營養指標[7]。有學者[8]對大米的直鏈淀粉進行研究，發現直鏈淀粉含量低于2%的大米呈糯性，米飯黏性大；直鏈淀粉含量在12%～19%的稻谷食味品質較好；直鏈淀粉含量在20%～24%的稻谷食味品質較低；當稻谷直鏈淀粉含量達到25%以上，米飯黏性差，冷飯質地較硬，食味品質差。如表2所示，食味值較高的6號、9號、13號、14號、21號、22號、23號、24號稻米均在16.5%～19.2%范圍內，但并非直鏈淀粉含量越低食味值越高，食味值是多種因素共同影響的結果；蛋白質是稻谷中的第二大營養物質，主要由可溶性和不可溶性蛋白構成，其中可溶性蛋白主要包括谷蛋白、醇溶蛋白、球蛋白以及清蛋白[9]。如表2所示，1～29號稻谷中稻米的粗蛋白含量中位數為8.26 g/100 g，最大值出現在5號稻米（豐錦）其蛋白質的含量為9.73 g/ 100 g；最小值出現在16號稻米（稻花香2號），其蛋白質的含量為6.83 g/100 g。硒（Se）是人體生理必需的微量元素之一，研究表明，硒是多種酶和蛋白質的重要組成成分，具有提高人體免疫力、抗衰老、預防癌變等功能，缺硒會導致克山病、大骨節病等疾病，影響人體健康[10-12]。根據GB/T 22499—2008《富硒稻谷》規定，富硒稻谷指通過生長過程自然富集而非收獲后添加硒、加工成符合GB 1354—2009規定的三級大米中硒含量在0.04～0.30 mg/kg的稻谷。如表2所示，29個樣品中，有23個達到富硒稻谷標準，占比79.3%，其中1號（遼星19號）、21號（越光）、24號（錦稻109）稻米的硒含量較高，達到了0.170 mg/kg，這一結果與胡康等[13]的研究結果一致。

2.2 不同品種稻谷質量指標主成分分析

如表3所示，各指標之間具有一定的線性相關性，堊白度與堊白粒率的相關性系數為0.869，水分與食味值的相關系數為0.653，說明兩個指標之間存在一定的重疊，線性關系密切。從表4可以看出，特征值λ1=2.535，特征值λ2=1.653，特征值λ3=1.639，特征值λ4=1.057，4個主成分的累計方差貢獻率達76.475%，4個主成分能夠代表9個指標來分析不同品種稻谷的質量情況。從圖1碎石圖可以看出，以特征值為縱坐標，成分數為橫坐標，4個成分特征值超過1，包含的信息量較大。

第一主成分、第二主成分、第三主成分、第四主成分的貢獻率分別為28.161%、18.365%、18.206%、11.742%，表明4個主成分能代表樣品的主要信息特征，成分經旋轉后，指標堊白度和堊白粒率在因子1上有較大載荷，指標食味值和水分在因子2上有較大載荷，指標出糙率和硒在因子3上有較大載荷、指標粗蛋白在因子4上有較大載荷，對原始數據進行標準化處理，根據標準化后的各指標與因子載荷矩陣計算主成分得分的解析表達式分別為：

其中Zx1為標準化的食味值，Zx2為標準化的水分，Zx3為標準化的出糙率，Zx4為標準化的整精米率，Zx5為標準化的直鏈淀粉，Zx6為標準化的粗蛋白，Zx7為標準化的堊白度，Zx8為標準化的堊白粒率，Zx9為標準化的硒。

以各因子的方差貢獻率為權重，將不同品種稻谷主成分得分和相應的權重進行線性加權求和，計算不同品種稻谷品質的綜合得分并排序，結果見表6，綜合得分前三位排名鹽豐47（12號）>鹽豐47（23號）>鹽粳927。

對29個稻谷樣品進行聚類分析，了解哪些品種質量品質比較接近，并將樣品進行分類，在聚類分析中以遼星19號、稻花香2號、美鋒1號，作為初始聚類中心，由于數據的量綱不一致，通過無量綱化后，聚類1的案例數為9，聚類2中的案例為3，聚類3的案例數17，具體聚類成員見表7。

3 結 論

研究結果表明，從加工角度對整精米率和出糙率進行分析，發現7號稻米（佳昌稻7號）的整精米率最大為73.10%，出糙率為79.00%，屬于二級粳米，加工品質較為理想；從外觀品質角度發現13號稻米（鹽粳219）和24號稻米（錦稻109）屬于中國好糧油中的一等粳米，樣品整體淀粉含量較合理，食味品質好；5號稻米（豐錦）的蛋白質含量最高為9.73 g/100 g，1號（遼星19號）、21號（越光）、24號（錦稻109）稻米的硒含量為0.170 mg/kg。利用主成分分析法分析成分得分，4個主成分的累計方差貢獻率達76.475%，能夠代表9個指標來分析不同品種稻谷的質量情況，以各因子的方差貢獻率為權重，將不同品種稻谷主成分得分和相應的權重進行線性加權求和，綜合得分前三位排名鹽豐47（12號）>鹽豐47（23號）>鹽粳927。對29個稻谷進行聚類分析，聚類1的案例數為9，聚類2中的案例為3，聚類3的案例數17。

應用主成分分析和聚類分析方法對遼寧省地產稻谷進行品質評價，能夠高效且快速地簡化分析流程，建立的品質評價體系對于優質品種的篩選、生產、加工、栽培育種以及管理工作提供了科學的指導。

參 考 文 獻

[1] 國家統計局.中國統計年鑒[M] .北京：中國統計出版社，2023.

[2] 仲夢涵，夏雨杰，章銀，等.江蘇省五區縣稻米食味及風味特性的差異性研究[J].糧食科技與經濟，2022，47（3）：83-89.

[3] ZHANG G L， BAI J H， XI M， et al. Soil quality assessment of coastal wetlands in the yellow river delta of China based on the minimum data set[J]. Ecological Indicators， 2016， 66（7）：458-466.

[4] HOSSAIN M B， PATRAS A， BARRY-RYAN C， et al. Application of principal component and hierarchical cluster analysis to classify different spices based on in vitro antioxidant activity and individual polyphenolic antioxidant compounds[J].Journal of Functional Foods， 2011， 3（3）：179-189.

[5] CHEN L P， YU F Q H， SUN S H， et al. Evaluation indicators of Ruditapes philippinarum nutritional quality[J]. Journal of Food Science and Technology， 2021， 58（8）：2943-2951.

[6] 王建芳，高山，牟德華.基于主成分分析和聚類分析的不同品種燕麥品質評價[J].食品工業科技，2020，41（13）：85-91.

[7] 黃麗，柏蕓，韓文芳，等.稻米質量對食品安全的影響[J].中國糧油學報，2013，28（4）：113-117.

[8] 王春霞，易文裕，余滿江，等.稻谷儲藏品質研究現狀及展望[J].糧食加工，2020，45（3）：39-43.

[9] 權萌萌，鞠興榮，石嘉懌.稻谷蛋白質氧化及其對稻谷陳化品質的影響[J].糧食與飼料工業，2015（8）：9-13.

[10] 頓小玲.我國育成全球首個硒高效蔬菜雜交種“硒滋圓1號”[J].糧食科技與經濟，2019，44（12）：12-13.

[11] 朱司雄，段卓，郭浩昱，等.硒在菜籽及菜籽油中的含量研究[J].糧食科技與經濟，2019，44（11）：78-80.

[12] 壽建堯，俞麗紅，黃建良，等.富硒增產劑在水稻、大豆上的應用效果試驗[J].中國稻米，2002（3）：32.

[13] 胡康，王丹，劉楊，等.我國稻谷中硒元素空間分析[J].食品安全質量檢測學報，2020，11（21）：8021-8026.