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(chǎn)地稻谷對(duì)其基本營養(yǎng)及質(zhì)量指標(biāo)進(jìn)行測(cè)定，利用主成分和聚類分析的方法，對(duì)遼寧省地區(qū)地產(chǎn)稻谷品質(zhì)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。結(jié)果表明：對(duì)29個(gè)稻谷樣品進(jìn)行主成分分析可得到4個(gè)主成分，累計(jì)方差貢獻(xiàn)率76.475%，綜合得分前三位排名鹽豐47（12號(hào)）>鹽豐47（23號(hào)）>鹽粳927。對(duì)29個(gè)稻谷樣品進(jìn)行聚類分析，聚類1的案例數(shù)為9，聚類2中的案例為3，聚類3的案例數(shù)17。

關(guān)鍵詞：遼寧省；稻谷；品質(zhì)；主成分分析；聚類分析

中圖分類號(hào)：TS210.1 文獻(xiàn)標(biāo)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(chǎn)省之一，其稻谷種植面積廣、產(chǎn)量高，具有很多優(yōu)良的品種，是第一批優(yōu)質(zhì)糧食工程重點(diǎn)支持省份。根據(jù)中國統(tǒng)計(jì)年鑒[1]報(bào)道，2023年遼寧省稻谷產(chǎn)量412.9萬t，占國家稻谷總產(chǎn)量的1.9%。近年來，遼寧省糧食相關(guān)系統(tǒng)積極推進(jìn)產(chǎn)、購、儲(chǔ)、加、銷“五優(yōu)聯(lián)動(dòng)”，做好“中國好糧油”行動(dòng)計(jì)劃，切實(shí)保障了優(yōu)質(zhì)糧食的供給，在一定程度上解決了遼寧地區(qū)糧食的數(shù)量安全。大米是稻谷經(jīng)過加工脫殼而來的產(chǎn)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(zhì)量不一，其內(nèi)部營養(yǎng)物質(zhì)的含量，如何做到從吃飽向吃好轉(zhuǎn)變，是糧食科研工作者應(yīng)該解決的難題。

主成分分析是一種通過降維思想將多指標(biāo)線性組合為較少的綜合指標(biāo)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)綜合評(píng)價(jià)的統(tǒng)計(jì)分析方法[3-5]。聚類分析是根據(jù)樣品測(cè)定的多個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)找出能夠度量樣品或指標(biāo)間相似程度的統(tǒng)計(jì)量，并以此為依據(jù)將相似度較高的樣品聚為一類[6]。

本試驗(yàn)選擇遼寧省29個(gè)2021年地產(chǎn)稻谷為試驗(yàn)樣本，研究不同品種稻谷質(zhì)量及內(nèi)部營養(yǎng)情況，利用主成分和聚類分析的方法對(duì)其品質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)，旨在對(duì)影響稻谷品質(zhì)的特征指標(biāo)進(jìn)行篩選，建立評(píng)價(jià)模型，為稻谷品質(zhì)評(píng)價(jià)、科學(xué)加工、指導(dǎo)種植提供有益依據(jù)。

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(diǎn)見表1。

1.2 儀器與設(shè)備

DHG-9030A型電熱鼓風(fēng)干燥箱：上海一恒科學(xué)儀器有限公司；JXCD—10型稻谷新鮮度測(cè)定儀：北京東孚久恒儀器有限公司；BLH-3250型實(shí)驗(yàn)型礱谷機(jī)：浙江伯利恒儀器設(shè)備有限公司；JNM-Ⅲ實(shí)驗(yàn)型碾米機(jī)：中儲(chǔ)糧成都研究院有限公司；大米外觀品質(zhì)測(cè)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(jì)：北京東孚久恒儀器有限公司。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 樣品前處理

隨機(jī)采集遼寧省29份共24個(gè)品種地產(chǎn)稻谷。每塊稻田采集樣品數(shù)量1 000 g，稻谷取樣后，在自然條件下儲(chǔ)藏14 d，理化性狀穩(wěn)定后進(jìn)行品質(zhì)測(cè)定。

1.3.2 測(cè)定方法

水分測(cè)定參照GB 5009.3—2016《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 食品中水分的測(cè)定》；出糙率測(cè)定參照GB/T 5495—2008《糧油檢驗(yàn) 稻谷出糙率檢驗(yàn)》；整精米率測(cè)定參照GB/T 21719—2008《稻谷整精米率檢驗(yàn)法》；堊白度、堊白粒率測(cè)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(cè)定》圖形法；新鮮度測(cè)定參照 LS/T 6118—2017《糧油檢驗(yàn) 稻谷新鮮度測(cè)定與判別》；食味值測(cè)定參照GB/T 15682-2008《糧油檢驗(yàn) 稻谷、大米蒸煮食用品質(zhì)感官評(píng)價(jià)方法》；直鏈淀粉測(cè)定參照GB/T 15683—2008《大米直鏈淀粉含量的測(cè)定》；蛋白質(zhì)測(cè)定參照GB 5009.5—2016《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 食品中蛋白質(zhì)的測(cè)定》；脂肪測(cè)定參照GB 5009.6—2016《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)食品中脂肪的測(cè)定》；硒測(cè)定參照GB 5009.93—2017《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 食品中硒的測(cè)定》。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel2017、IBM SPSS Statistics20進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、主成分及聚類分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同品種稻谷質(zhì)量品質(zhì)情況

糙米碾磨成加工精度為三級(jí)大米時(shí)，長度達(dá)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(zhì)量與凈稻谷質(zhì)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(biāo)，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(hào)稻米的出糙率的波動(dòng)范圍在74.34%～82%，出糙率最大值出現(xiàn)在1號(hào)稻米（遼星19號(hào)），出糙率最小值出現(xiàn)在19號(hào)稻米（美鋒1號(hào)），3級(jí)以上粳稻米占全品種的89.65%，整精米率波動(dòng)范圍在64.0%～73.1%，整精米率最大值出現(xiàn)在7號(hào)稻米（佳昌稻7號(hào)），整精米率最小值出現(xiàn)在17號(hào)稻米（沈988）。從加工角度分析，7號(hào)稻米（佳昌稻7號(hào)）加工品質(zhì)較為理想。

LS/T 3247—2017《中國好糧油 大米》規(guī)定一級(jí)粳米食味值≥90分，堊白度≤4.0%，堊白度粒率≤2.0%；二級(jí)粳米食味值≥85分，堊白度≤6.0%，堊白度粒率≤4.0%；三級(jí)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(hào)稻米（稻花香2號(hào)）的堊白度為8.9%，外觀品質(zhì)較差。8號(hào)稻米（遼星8號(hào)）、26號(hào)稻米（鹽豐47）的堊白度數(shù)值較高，屬于二級(jí)粳米；13號(hào)稻米（鹽粳219）和24號(hào)稻米（錦稻109）屬于一級(jí)粳米，外觀及食味品質(zhì)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(yǎng)情況，三者是重要的營養(yǎng)指標(biāo)[7]。有學(xué)者[8]對(duì)大米的直鏈淀粉進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)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(zhì)較好；直鏈淀粉含量在20%～24%的稻谷食味品質(zhì)較低；當(dāng)?shù)竟戎辨湹矸酆窟_(dá)到25%以上，米飯黏性差，冷飯質(zhì)地較硬，食味品質(zhì)差。如表2所示，食味值較高的6號(hào)、9號(hào)、13號(hào)、14號(hào)、21號(hào)、22號(hào)、23號(hào)、24號(hào)稻米均在16.5%～19.2%范圍內(nèi)，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(jié)果；蛋白質(zhì)是稻谷中的第二大營養(yǎng)物質(zhì)，主要由可溶性和不可溶性蛋白構(gòu)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(hào)稻谷中稻米的粗蛋白含量中位數(shù)為8.26 g/100 g，最大值出現(xiàn)在5號(hào)稻米（豐錦）其蛋白質(zhì)的含量為9.73 g/ 100 g；最小值出現(xiàn)在16號(hào)稻米（稻花香2號(hào)），其蛋白質(zhì)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(zhì)的重要組成成分，具有提高人體免疫力、抗衰老、預(yù)防癌變等功能，缺硒會(huì)導(dǎo)致克山病、大骨節(jié)病等疾病，影響人體健康[10-12]。根據(jù)GB/T 22499—2008《富硒稻谷》規(guī)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(guī)定的三級(jí)大米中硒含量在0.04～0.30 mg/kg的稻谷。如表2所示，29個(gè)樣品中，有23個(gè)達(dá)到富硒稻谷標(biāo)準(zhǔn)，占比79.3%，其中1號(hào)（遼星19號(hào)）、21號(hào)（越光）、24號(hào)（錦稻109）稻米的硒含量較高，達(dá)到了0.170 mg/kg，這一結(jié)果與胡康等[13]的研究結(jié)果一致。

2.2 不同品種稻谷質(zhì)量指標(biāo)主成分分析

如表3所示，各指標(biāo)之間具有一定的線性相關(guān)性，堊白度與堊白粒率的相關(guān)性系數(shù)為0.869，水分與食味值的相關(guān)系數(shù)為0.653，說明兩個(gè)指標(biāo)之間存在一定的重疊，線性關(guān)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(gè)主成分的累計(jì)方差貢獻(xiàn)率達(dá)76.475%，4個(gè)主成分能夠代表9個(gè)指標(biāo)來分析不同品種稻谷的質(zhì)量情況。從圖1碎石圖可以看出，以特征值為縱坐標(biāo)，成分?jǐn)?shù)為橫坐標(biāo)，4個(gè)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(xiàn)率分別為28.161%、18.365%、18.206%、11.742%，表明4個(gè)主成分能代表樣品的主要信息特征，成分經(jīng)旋轉(zhuǎn)后，指標(biāo)堊白度和堊白粒率在因子1上有較大載荷，指標(biāo)食味值和水分在因子2上有較大載荷，指標(biāo)出糙率和硒在因子3上有較大載荷、指標(biāo)粗蛋白在因子4上有較大載荷，對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化后的各指標(biāo)與因子載荷矩陣計(jì)算主成分得分的解析表達(dá)式分別為：

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

以各因子的方差貢獻(xiàn)率為權(quán)重，將不同品種稻谷主成分得分和相應(yīng)的權(quán)重進(jìn)行線性加權(quán)求和，計(jì)算不同品種稻谷品質(zhì)的綜合得分并排序，結(jié)果見表6，綜合得分前三位排名鹽豐47（12號(hào)）>鹽豐47（23號(hào)）>鹽粳927。

對(duì)29個(gè)稻谷樣品進(jìn)行聚類分析，了解哪些品種質(zhì)量品質(zhì)比較接近，并將樣品進(jìn)行分類，在聚類分析中以遼星19號(hào)、稻花香2號(hào)、美鋒1號(hào)，作為初始聚類中心，由于數(shù)據(jù)的量綱不一致，通過無量綱化后，聚類1的案例數(shù)為9，聚類2中的案例為3，聚類3的案例數(shù)17，具體聚類成員見表7。

3 結(jié) 論

研究結(jié)果表明，從加工角度對(duì)整精米率和出糙率進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)7號(hào)稻米（佳昌稻7號(hào)）的整精米率最大為73.10%，出糙率為79.00%，屬于二級(jí)粳米，加工品質(zhì)較為理想；從外觀品質(zhì)角度發(fā)現(xiàn)13號(hào)稻米（鹽粳219）和24號(hào)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(zhì)好；5號(hào)稻米（豐錦）的蛋白質(zhì)含量最高為9.73 g/100 g，1號(hào)（遼星19號(hào)）、21號(hào)（越光）、24號(hào)（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(gè)主成分的累計(jì)方差貢獻(xiàn)率達(dá)76.475%，能夠代表9個(gè)指標(biāo)來分析不同品種稻谷的質(zhì)量情況，以各因子的方差貢獻(xiàn)率為權(quán)重，將不同品種稻谷主成分得分和相應(yīng)的權(quán)重進(jìn)行線性加權(quán)求和，綜合得分前三位排名鹽豐47（12號(hào)）>鹽豐47（23號(hào)）>鹽粳927。對(duì)29個(gè)稻谷進(jìn)行聚類分析，聚類1的案例數(shù)為9，聚類2中的案例為3，聚類3的案例數(shù)17。

應(yīng)用主成分分析和聚類分析方法對(duì)遼寧省地產(chǎn)稻谷進(jìn)行品質(zhì)評(píng)價(jià)，能夠高效且快速地簡(jiǎn)化分析流程，建立的品質(zhì)評(píng)價(jià)體系對(duì)于優(yōu)質(zhì)品種的篩選、生產(chǎn)、加工、栽培育種以及管理工作提供了科學(xué)的指導(dǎo)。

參 考 文 獻(xiàn)

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