基于主成分分析的云南大米矿质元素品质评价

李倩，杨旭昆，杜丽娟，陈兴连，刘兴勇，严红梅*

云南省农业科学院质量标准与检测技术研究所（昆明 650205）

随着生活质量的提高及保健观念的提升，人们对大米的食味品质和营养价值的需求不断提高。研究表明，矿质元素对稻米生长发育、产量、品质的形成具有重要的作用[1]*，例如：Ca在植物生长发育中作为第二信使调控多种生物过程[2]*；Mg2+*是叶绿素的重要组成部分，影响植物生长过程中某些酶的活性[3]*；Al3+*可以影响有机酸的含量[4]*；P可以缓解高粱和玉米中Al的毒性[5]*。同时，矿质元素对人体健康也尤为重要，饮食中要均衡摄取[6]*。B、Ca和P认为是骨骼矿化和降低心血管疾病风险的基本元素[7]*。大米是日常食用的主食之一，含有丰富的矿质元素，是人体吸收矿质元素的主要来源[8]*，因此，对大米中矿质元素含量的分析研究尤为重要。

目前基于矿质元素的研究主要集中于不同品种、不同产地农产品[9-10]*的差异分析，且研究多集中于水果[11-12]*，有关大米矿质元素差异分析的研究报道较少。在相关分析[13]*方面研究农产品中矿质元素与土壤[14]*及其他品质指标[15]*的相互作用较多，对于大米矿质元素之间的相关性分析较少，而有研究[1]*指出稻米的矿质元素之间存在多种相互作用，并且元素之间互作方式以及元素配比与果实品质密切相关，因此对大米中矿质元素之间的相关性分析进而研究元素之间的相互作用是非常有必要的。目前，利用主成分分析方法对大米中矿质元素进行综合评价的报道也较少。

研究以云南大米为试验材料，测定了大米中Ca、Cu、Fe、K、Mg、Mn、Na、P、Zn、Se等矿质元素，同时也测定了大米中水分、直链淀粉等营养指标，进一步明确云南大米中矿质元素的分布特征及差异性。同时，通过相关性分析，找到矿质元素之间的相互作用及关联性，并利用主成分分析法对云南大米中矿质元素进行综合品质评价，以期为提高大米产量、品质调控、合理施肥、开展溯源和品种鉴定提供科学的参考依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

35个试验大米为本实验室抽检样品，包括白米、红米、紫米、黑米，产自云南德宏州、西双版纳州、红河州、楚雄州、普洱市、昆明市、曲靖市7个地州。

盐酸、高氯酸（优级纯）、乙醇、冰乙酸（分析纯）：国药集团化学试剂有限公司；柠檬酸、氢氧化钠、碘、碘化钾（分析纯，天津市风船化学试剂科技有限公司）；硝酸（电子级，苏州晶瑞化学股份有限公司）；多元素混合标准溶液（100 mg/L，上海市计量测试技术研究院）；内标元素储备液（1 000 mg/L，国家有色金属及电子材料分析测试中心）。

1.2 仪器与设备

ElanDRC-e电感耦合等离子体质谱仪（美国Perkin Elmer公司）；OPTIMA8000电感耦合等离子体发射光谱仪（美国Perkin Elmer公司）；ED36型石墨消解仪（北京莱伯泰科仪器有限公司）；BINDER FD 115电热鼓风干燥箱（美国BINDER公司）；SWT 2240电子天平（感量为0.1 mg，北京莱伯泰科仪器股份有限公司）；722S分光光度计（上海菁华科教仪器公司）。

1.3 方法

1.3.1 大米原料与处理

将大米粉碎，过0.425 mm筛，得大米粗粉，置于干燥器中，备用。

1.3.2 元素含量的测定

大米中矿质元素的测定参照GB 5009.268—2016《食品安全国家标准食品中多元素的测定》[16]*。大米中Se含量的测定参照GB 5009.93—2017《食品安全国家标准食品中硒的测定》[17]*。

1.3.3 水分的测定

参照GB 5009.3—2016《食品安全国家标准食品中水分的测定》[18]*采用第一法直接干燥法进行水分的测定。

1.3.4 直链淀粉的测定

参照NY/T 2639—2014《稻米直链淀粉的测定分光光度法》[19]*进行测定。

1.4 数据处理与统计分析

试验所有指标测定均重复3次，结果所示数据均为3次平行试验的平均值，采用Microsoft Excel建立数据库，用SPSS 20.0软件进行数据处理与分析；采用Pearson分析方法进行相关性分析；采用Z-score标准化法和主成分分析方法进行主成分分析。

2 结果与分析

2.1 大米营养成分分析

测定35个云南大米中10种矿质元素以及水分、直链淀粉的含量，其结果见表1和表2。云南大米中大量矿质元素的含量呈现出P＞K＞Mg＞Ca的特征，微量矿质元素含量顺序为Zn＞Mn＞Na＞Fe＞Cu＞Se。从表1和表2可知，大米的矿质元素以及直链淀粉的变异系数均大于20%，为强变异，而其中Fe的变异系数最大达90.20%，其次为Cu，其变异系数为83.58%，水分的变异系数最小，为6.76%，直链淀粉的变异系数为57.11%。变异系数的大小说明云南产区的大米矿质元素含量之间差异显著，而杨小芳等[20]*研究表明，植物中元素含量的差异主要受土壤中元素含量的影响较大，间接说明云南土壤类型的多样性。

表1 不同大米矿质元素含量（n=3） 单位：mg/kg

表2 不同大米中矿质元素和营养品质测定（n=3）

2.2 大米营养成分间相关性分析

为了研究云南大米各矿质元素、水分、直链淀粉之间的关系，进行相关性分析，其结果如表3所示。Ca、Fe、K、Mn、Mg、P、Zn之间两两呈极显著正相关（P＜0.01），Cu与Zn呈极显著正相关，这一结果与杨晓琼等[21]*研究云南的余甘子发现Ca、K、Mg之间两两呈正相关，Cu与Zn呈极显著正相关的结论有一定相似性。同时，研究发现大米中的K与直链淀粉呈显著负相关，说明它们可能存在一定的拮抗作用。矿质元素与水分之间没有呈现较为显著的相关性，说明水分对大米中矿质元素的影响不大。矿质元素的相关性分析结果说明，矿质元素之间息息相关，存在相互作用，并且主要是以协同作用机制存在。

表3 各指标的相关系数值

接表2

2.3 大米主成分分析

对35个大米进行主成分分析，其结果如表4所示。从结果可以看出，前4个主成分的特征值均大于1，第一主成分的方差贡献率达到48.112%，累计方差贡献率达到80.499%，说明前4个主成分可反映原始变量的绝大部分信息。根据主成分分析结果得到主成分得分系数矩阵，其结果如表5所示。第1主成分主要与大量矿质元素有关，第3主成分、第4主成分主要与微量矿质元素有关。同时，从表5中还可以得到5个特征根对应的特征向量，参照李伟等[22]*方法可以得到各主成分解析表达式，见式（1）～（4）。

表5 大米品质指标的主成分得分系数矩阵

表4 大米品质主成分的方差贡献率

以每个主成分的方差贡献率为权重，计算主成分综合得分：综合得分（H）=（48.112F1+12.769F2+10.983F3+8.634F4）/80.499。根据主成分综合得分可知排名情况，其结果如表6所示。从结果可以看出，排名前5的分别为德宏州梁河县的红软米、普洱市墨江县紫米、红河州绿春县梯田红米、昆明市嵩明县红米、红河州绿春县梯田红糯米。排名前5的大米中有4个为红米，说明红米中矿质元素含量比其他有色大米更为丰富。

表6 不同大米品质预测评价结果

3 结论与讨论

研究对云南产区的35个大米样品进行了10种矿质元素以及水分、直链淀粉的测定，结果显示，云南大米中大量矿质元素含量呈现出P＞K＞Mg＞Ca的特征，微量矿质元素含量顺序为Zn＞Mn＞Na＞Fe＞Cu＞Se，云南大米中矿质元素含量变异系数较大，说明不同品种、不同产地矿质元素含量差异较大。相关性分析结果表明Ca、Fe、K、Mn、Mg、P、Zn之间两两呈极显著正相关（P＜0.01），Cu与Zn呈极显著正相关，K与直链淀粉呈显著负相关，说明大米在吸收矿质元素之间具有一定的协同作用。同时，进行了主成分分析，这些指标被划分成4个主成分，累积贡献率达80.499%，结果显示综合得分排名前5大米中有4个为红米，说明红米中的矿质元素含量较为丰富，这一研究成果可以明确云南大米中矿质元素含量本底值，为后续研究不同元素互作及协同作用对稻米品质的影响提供依据。