微波消解-ICP-AES法测定新疆玉米矿物元素含量及主成分分析

毛红艳，于 明，祖力皮牙·买买提

(新疆农业科学院粮食作物研究所，乌鲁木齐 830091)

0 引 言

【研究意义】玉米是重要的粮食、饲料和工业来源作物[1,2]，玉米是我国北方、西南山区和新疆最主要的粮食作物之一[3,4]。提高玉米生产力有实际意义[5]。近年来玉米品种逐渐增加，玉米产量稳步提升。但过度重视玉米产量增加，也会忽视了微量元素营养的均衡提高[6]。玉米品质的改良除了蒸煮和食用品质外，籽粒中微量元素含量也是玉米重要的品质指标[7]，玉米籽粒必需营养元素的含量直接或间接影响玉米营养品质[8]。【前人研究进展】钙是人体骨骼生长与调节生理功能的重要物质[9]，镁可以维护神经，降低血压[10]。缺铁能引起多种组织病变和功能失调[11]，是造成贫血最主要的原因[12]，缺乏铁[13]。锌与参与人体代谢2 000多种转录因子关系密切[14]。磷是构成骨骼和牙齿的重要成分，体液内的磷酸盐还负责调节酸碱平衡[15]。营养不良能形成恶性循环[13]。通过育种手段能够提高主要粮食作物中微量营养元素含量[16]。通过育种提高粮食作物中人体所需微量营养元素含量，进而改善人体对微量营养元素的摄人量[12]。【本研究切入点】目前国内关于玉米籽粒矿质元素主成分分析的研究未见报道，而关于新疆玉米籽粒矿质元素相关性分析研究也还未见报道。需研究新疆地区玉米籽粒中矿物元素的含量。【拟解决的关键问题】分析并掌握新疆玉米品种矿质元素状况，测定23份新疆地区玉米籽粒品种的铁、锌、磷、钙、镁含量，分析新疆玉米品种5种矿质元素的相关性分析和主成分分析，为新疆地区选育籽粒富含矿质元素的玉米新品种提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材 料

采集新疆地区玉米品种23个(主要来自乌鲁木齐、塔城以及喀什)，每份玉米取混合籽粒200 g，用粉碎机磨碎成粉，成品细度达到80目。

1.2 方 法

钙、铁、锌、镁、磷用微波消解-等离子发射光谱仪法测定。称取10 g样品放入玻璃管中，在200℃下用硝酸消化，并加入过氧化氢进一步消煮，然后加入10%的硝酸定容，采用电感耦合等粒子发射光谱(美国 Varian VISTA-PRO 型)法，测定钙、铁、锌、镁、磷等元素。样品微量元素含量测定时设3次重复，换算成mg/100mg为单位的干重样品元素含量。

1.3 数据处理

数据用SPSS19.0统计软件进行相关分析及主成分分析。

2 结果与分析

2.1 玉米籽粒中铁、锌、磷、钙、镁等矿质元素含量变化

研究表明，镁和磷的含量较高，镁的含量变动范围为92.65～138.26 mg/100g，平均含量为113 mg/100g，其中低于100 mg/100g的玉米品种由4个，高于120 mg/100g的玉米品种有6个。磷的含量的变动范围为158.91～282.71 mg/100g，平均含量为206.64 mg/100g，其中低于200 mg/100g的玉米品种有11个。钙的含量变动为8.22～17.15 mg/100g，平均含量为11.74 mg/100g，其中低于10 mg/100g的玉米品种有6个。锌的含量的变动范围为0.84～1.95 mg/100g，平均含量为1.32 mg/100g，其中高于1.5 mg/100g的玉米品种有7个。铁的含量的变动为0.36～1.29 mg/100g，平均含量为0.91 mg/100g，其中高于1 mg/100g的玉米品种有10个。5种元素的变异系数均较大，为9.91%～26.43%，其中钙、锌、铁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 玉米籽粒中矿质元素含量变化Table 1 The content of mineral elements in maize cultivars

表2 玉米品种元素含量表现及变异程度Table 2 Expression and variation of elements in maize varieties

2.2 玉米籽粒中矿质元素含量相关性

研究表明，磷与铁元素含量间呈显著相关(P<0.05)，磷与镁元素含量间呈极显著相关(P<0.01)，相关系数为0.859。其他元素含量间虽然为正相关，但相关不具有显著性。表3

表3 相关系数矩阵Table 3 Correlation coemcient matrix

2.3 主成分的确定

研究表明，5种矿质元素中前3个主成分能够体现变量的86.01%的贡献率，第1主成分的贡献率为52.352%，第2主成分的贡献率为19.857%，第3主成分、第4主成分和第5主成分的贡献率分别为13.801%、11.215%和2.774%。第1、2、3主成分的累计方差贡献率达到86.01%>80%。故前3个主成分能代表玉米品种矿质元素含量86.01%的信息。表4

表4 数据相关阵的特征值及方差Table 4 Characteristic value and varialice of data correlation matrix

2.4 主因子模型的建立

研究表明，初始因子载荷矩阵表，建立主因模型为: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。玉米品种的第l主成分F1在Ca、Fe、Mg、P、Zn元素上全部为正载荷，Ca、Fe、Mg、P、Zn元素与第l主成分F1有高的相关性。第2主成分F2在Mg、P元素上有较高的负载荷，在Ca、Fe、Zn元素上较高的正载荷，Ca、Fe、Zn元素与第2主成分F2有高的相关性。第3主成分F3在Ca元素上较高的正载荷，Ca元素与第3主成分F3有高的相关性。第4主成分在Ca、Mg、P、Zn元素上较高的正载荷，Ca、Mg、P、Zn元素与第4主成分F4有高的相关性。表5

表5 因子载荷矩阵Table 5 The factor loading matrix

2.5 玉米品种矿物营养价值综合评价

研究表明，计算第l、2、3、4主成分分值，以特征值的贡献率大小为分配系数，计算综合得分并排序，综合得分F=0.52F1+0.2F2+0.14F3+0.11F4，综合分值越高，玉米籽粒的矿物元素综合表现越好。23个玉米品种的矿物元素主成分分析综合得分由高到低依次为登海8883>新玉54号>新玉9号>2564>新玉47号>新玉80号>新玉87号>新玉84号>新玉41号>3376>农润919> KX9384>禾玉187>新玉60号> M753>新玉74号>新玉59号>新玉29号>9384>335>新玉77号>新玉13号>新玉65号。综合排名前3的品种是登海8883、新玉54号和新玉9号。

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

3 讨 论

主成分分析法常用于分析优良品质选择和复杂综合性状，主成分分析在猕猴桃、苹果等果树品质性状评价中得到了应用[17,18]。玉米中含有丰富的对人体有益的元素，如钙、镁、锌、铜、磷等[19]。玉米是新疆的主要农作物之一，具有粮、经、果、饲、能等多元用途，是畜牧养殖业的基础与支柱，也是重要的工业原料，在全疆分布范围广泛，种植面积与产量仅次于小麦和棉花，约占全疆粮食播种面积的28%，占粮食总产量的40%以上，是新疆第2大粮食作物，也是第3大农作物[20]。

研究表明，23份新疆玉米籽粒品种铁的含量的变动范围为3.6～12.9 mg/kg。陈洁等[11]研究玉米籽粒铁的含10.978 9～27.873 4 mg/kg。对52个地方玉米品种铁含量测定，结果表明，铁的含量变幅为12.4～24.8 mg/kg，平均值为17.6 mg/kg[7]，23份玉米品种籽粒铁的含量普遍偏低，玉米籽粒品种锌的含量变动为8.4～19.5 mg/kg，王利民等[21]研究表明，糯玉米锌的含量为17.069～20.773 mg/kg，赵强等[22]研究表明，玉米锌的含量范围在4.87～53.76 mg/kg，平均含量19.88 mg/kg。Oikeh等[23]对非洲49个玉米品种的研究表明，玉米籽粒锌含量在16.5～24.6 mg/kg。玉米籽粒锌含量大多集中在30 mg/kg以下。研究表明，新疆玉米品种钙的含量的变动范围为82.2～171.5 mg/kg，镁的含量变动范围为926.5～1 382.6 mg/kg，董瑞等[24]研究表明，玉米中钙的含量在44.4～78.2 mg/kg，镁的含量119～245 mg/kg，林险峰等[19]研究表明，玉米中钙、镁含量为93.85 mg/kg，82.1 mg/kg，新疆23份玉米籽料钙、镁含量普遍较高。

不同新疆玉米品种的矿质元素含量差异显著，磷的最高值是最低值的1.78倍，钙的最高值是最低值的2.1倍，镁的最高值是最低值的1.5倍，铁的最高值是最低值的3.58倍，锌的最高值是最低值的2.32倍，其中铁和锌含量差异最大。总体而言，新疆23份玉米品种钙、镁含量较高，铁和锌含量普遍偏低。目前普遍存在着饮食中微量元素摄入量不足的问题[1,2]。提高作物籽粒中微量元素含量，一是减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积[25]。

4 结 论

4.123份新疆玉米籽粒品种镁的含量变动为92.65～138.26 mg/100g,平均含量为113 mg/100g。磷的含量的变动为158.91～282.71 mg/100g，平均含量为206.64 mg/100g。钙的含量的变动为8.22～17.15 mg/100g，平均含量为11.74 mg/100g。锌的含量的变动为0.84～1.95 mg/100g，平均含量为1.32 mg/100g。铁的含量的变动为0.36～1.29 mg/100g，平均含量为0.91 mg/100g。

4.2磷与铁元素含量间呈显著相关，磷与镁元素含量间呈极显著相关。其他元素含量间虽然为正相关，但相关不具有显著性。新疆23个玉米品种的矿物元素登海8883>新玉54号>新玉9号>2564>新玉47号>新玉80号>新玉87号>新玉84号>新玉41号>3376>农润919> KX9384>禾玉187>新玉60号> M753>新玉74号>新玉59号>新玉29号>9384>335>新玉77号>新玉13号>新玉65号。