新疆地區(qū)玉米品種營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)主成分分析與評(píng)價(jià)

毛紅艷，徐鑫，于明

(新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院糧食作物研究所，烏魯木齊 830091)

0 引 言

【研究意義】玉米是重要的糧、飼兼用作物[1]，是新疆的主要糧食作物之一, 其播種面積和總產(chǎn)量均居第二位, 僅次于小麥[2]。玉米不但可以作糧食和飼料，還可以用作青飼料、蔬菜、休閑食品以及各種工業(yè)原料[1]。近年來(lái)，隨著社會(huì)的生產(chǎn)、發(fā)展和人民生活水平提高，在滿(mǎn)足基本用糧的基礎(chǔ)上，對(duì)玉米的營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)要求也日益提高[3,4]?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】玉米籽粒的營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)是玉米品質(zhì)一個(gè)最重要的指標(biāo)，其不同營(yíng)養(yǎng)成分含量對(duì)玉米籽粒作為糧食、飼料、化工、醫(yī)藥原料質(zhì)量有很大的影響[5]。隨著玉米用途不斷地被開(kāi)發(fā)利用，對(duì)玉米籽粒品質(zhì)要求也逐步提高。有報(bào)道對(duì)河南、遼寧、沈陽(yáng)、山西、內(nèi)蒙古等地區(qū)[1,3,6-8]的玉米品質(zhì)進(jìn)行了研究，對(duì)玉米的蛋白、淀粉、脂肪、賴(lài)氨酸含量進(jìn)行分析，對(duì)玉米營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)進(jìn)行聚類(lèi)分析和主成分分析。脂肪含量是玉米營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)的重要指標(biāo)之一。玉米脂肪中一半以上為亞油酸，并含有谷固醇、卵磷脂、維生素E等有益于防治血管硬化和促進(jìn)腦細(xì)胞功能的物質(zhì)[9]。玉米是制造淀粉的重要原料之一，普通玉米籽粒淀粉含量在65%～70%，淀粉含量超過(guò)74%為高淀粉玉米[8]。玉米中賴(lài)氨酸是動(dòng)物必需的優(yōu)質(zhì)蛋白的重要補(bǔ)充，在飼料等行業(yè)占有重要地位，因此，賴(lài)氨酸含量是評(píng)價(jià)玉米籽粒品質(zhì)的一項(xiàng)重要指標(biāo)[8,12]。研究表明，隨著玉米籽粒中賴(lài)氨酸含量增加，玉米蛋白質(zhì)消化率和凈蛋白利用率有明顯改善[13]。雖然不同指標(biāo)間的量綱相同, 但不同的營(yíng)養(yǎng)成分種類(lèi)之間無(wú)法進(jìn)行比較，因此，在主成分分析評(píng)價(jià)前, 需要對(duì)營(yíng)養(yǎng)成分含量進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換[15]。近年來(lái)隨著居民飲食結(jié)構(gòu)的改善，對(duì)玉米品質(zhì)也提出更高要求，所以分析新疆不同玉米品種的營(yíng)養(yǎng)成分與品質(zhì)，為提高新疆玉米營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)及加工品質(zhì)有實(shí)際意義?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】目前國(guó)內(nèi)關(guān)于玉米營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)主成分分析的研究報(bào)道較少，關(guān)于新疆玉米籽粒營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)主成分分析研究還未見(jiàn)報(bào)道。研究新疆玉米品種的營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)的主成分分析與評(píng)價(jià)。【擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題】研究以新疆地區(qū)的不同玉米品種為對(duì)象，分析新疆現(xiàn)有玉米品種營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)狀況，測(cè)定23份新疆地區(qū)玉米籽粒品種的粗淀粉、粗蛋白、粗脂肪及賴(lài)氨酸含量，分析玉米營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)進(jìn)行主成分，為新疆玉米的品質(zhì)遺傳改良提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材 料

采集新疆2017年收獲的玉米品種23個(gè)，主要采集點(diǎn)為烏魯木齊、塔城以及喀什地區(qū)，分別為3376，9384，新玉59號(hào)，2564，KX9384，新玉54號(hào)，登海8883，新玉47號(hào)，M753，新玉74號(hào)，新玉41號(hào)，禾玉187，新玉60號(hào)，新玉80號(hào)，新玉84號(hào)，新玉87號(hào)，農(nóng)潤(rùn)919，335，新玉65號(hào)，新玉77號(hào)，新玉29號(hào)，新玉9號(hào)，新玉13號(hào)。每份玉米取混合籽粒200 g，用粉碎機(jī)磨碎成粉，細(xì)度達(dá)到80目。

1.2 方 法

粗蛋白質(zhì)用凱氏定氮法測(cè)定，粗脂肪用索氏浸提法測(cè)定。粗纖維用酸堿洗劑法測(cè)定，粗灰分用高溫灼燒化干灰法測(cè)定。直鏈淀粉用GB7648-87測(cè)定。籽粒粗脂肪含量測(cè)定：各處理玉米樣品粉碎后過(guò)80目篩，將樣品烘至恒重，稱(chēng)取2 g樣品用干燥好的脫脂濾紙包好稱(chēng)重，記錄后放入提取管中，索式提取器用石油醚中進(jìn)行抽提[5]。

1.3 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)用SPSS19.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行主成分分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 粗脂肪

研究表明，23個(gè)玉米品種的粗脂肪含量變動(dòng)幅度為2.5%～4.66%，平均3.68%，含量超過(guò)3%的品種有14個(gè)，占60.87%，低于3%的有6個(gè)，占26.09%，高于4%的品種有9個(gè)，占39.13%，說(shuō)明新疆地區(qū)這23個(gè)玉米品種的含油量不高。表1

表1 23個(gè)新疆玉米品種營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)

Table 1 Nutrition contents of 23 maize cultivars in Xinjiang

編號(hào)Number名稱(chēng)Name粗脂肪(%)Crude adipose粗淀粉(%)Crude starch粗蛋白(%)Crude protein賴(lài)氨酸(%)Lysine直鏈淀粉(%)Amylose133764.09±0.0274.04±1.526.23±0.560.22±0.0124.47±0.83293844.31±0.2676.04±1.67.1±0.490.24±0.0226.19±0.173新玉59號(hào)3.34±0.3177.76±2.396.26±0.20.21±0.0221.02±1.31425644.04±0.168.25±2.867.61±0.160.25±0.0114.69±2.275KX93842.91±0.2774.63±3.387.47±0.150.22±0.0122.48±0.716新玉54號(hào)4.64±0.3272.52±3.387.39±0.170.21±0.0123.05±1.437登海88834.66±0.2173.97±2.167.73±0.510.24±0.0118.96±2.218新玉47號(hào)4.2±0.1272.69±1.396.84±0.210.21±0.0118.38±1.929M7533.58±0.2168.63±2.878.37±0.020.29±0.0229.74±1.7410新玉74號(hào)2.97±0.176.67±2.717.16±0.520.21±0.0114.48±0.3811新玉41號(hào)3.17±0.0674.48±2.058.16±0.10.27±0.0217.97±2.7412禾玉1874.01±0.1471.71±0.146.82±0.180.21±0.0320.73±0.0313新玉60號(hào)4.26±0.469.43±3.886.85±0.320.2±0.0222.58±1.0514新玉84號(hào)3.75±0.0871.38±1.726.54±0.290.24±0.0221.12±2.4515新玉80號(hào)3.81±0.1772.29±3.917.07±0.220.26±0.0122.23±0.7316新玉87號(hào)4.38±0.1970.94±0.185.66±0.050.19±0.0320.14±2.1217農(nóng)潤(rùn)9193.44±0.2273.04±3.515.47±0.010.17±0.0219.4±0.16183352.95±0.1968.24±3.025.68±0.410.17±0.0219.78±0.5519新玉65號(hào)2.95±0.0271.02±0.096.05±0.450.2±0.0123.08±2.0720新玉77號(hào)3.8±0.1668.2±3.015.88±0.270.2±0.0321.45±0.8921新玉9號(hào)2.98±0.0769.94±1.327.04±0.120.2±0.0115.57±0.6722新玉29號(hào)2.94±0.3171.44±2.736.96±0.110.2±0.0220.23±1.8723新玉13號(hào)2.5±0.1167.01±2.037.76±0.640.27±0.0515.35±0.19

2.2 粗淀粉

研究表明，23個(gè)玉米品種的淀粉含量變化范圍為67.01%～77.76%，平均為71.93%。高于70%的品種有16個(gè)，占69.57%。23個(gè)品種中有11個(gè)品種達(dá)到了二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(≥72%)，3個(gè)品種達(dá)到了一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(≥75%)。最高的玉米淀粉含量為77.76%，可以作為專(zhuān)用淀粉玉米品種使用。

直鏈淀粉的含量與比例是影響玉米食用品質(zhì)的主要因素之一，直鏈淀粉含量影響著淀粉的溶解度、黏度、膨潤(rùn)力、糊化和消化性[10,11]等一系列特性。23個(gè)玉米品種的直鏈淀粉含量變動(dòng)范圍14.69%～29.74%，其中低于20%的品種有9個(gè)，占39.13%，高于20%的占60.87%，說(shuō)明這23份新疆玉米品種直鏈淀粉含量為普通玉米品種，新疆玉米的淀粉加工品質(zhì)還有待提高。

2.3 粗蛋白質(zhì)

研究表明，23個(gè)玉米品種的粗蛋白含量變動(dòng)范圍為5.47%～8.3%，變化幅度較大。有11個(gè)品種的粗蛋白質(zhì)含量超過(guò)7%，占47.83%。23個(gè)玉米品種賴(lài)氨基酸含量變化范圍為0.17%～0.29%，平均值為0.22%，變化幅度較小。小于0.2%的有3個(gè)品種，沒(méi)有賴(lài)氨酸含量超過(guò)0.3%的玉米品種，而高賴(lài)氨酸玉米品種賴(lài)氨酸含量要在0.4%以上[14]，說(shuō)明玉米籽粒蛋白品質(zhì)還有待進(jìn)一步提高。

2.4 玉米品質(zhì)性狀的主成分分析

研究表明，第一主成分可以解釋45.325%的方差變異，第二主成分可以解釋27.661%的方差變異,第三主成分可以解釋22.414%的方差變異，三個(gè)主成分累積解釋95.4%的方差變異。由于第三個(gè)主成分的特征值小于1，因此，取前兩個(gè)主成分分析已能反映新疆地區(qū)玉米品種的基本情況，為了方便解釋各主成分的實(shí)際意義，原始數(shù)據(jù)進(jìn)行了4次最大正交旋轉(zhuǎn)處理，各玉米營(yíng)養(yǎng)指標(biāo)旋轉(zhuǎn)后在各主成分上的因子載荷更趨于集中，如表1所示，兩個(gè)主成分和玉米營(yíng)養(yǎng)指標(biāo)間的關(guān)系式為：

主成分1(F1)=0.952×粗蛋白+0.952×賴(lài)氨酸-0.014×粗脂肪-0.026×粗淀粉。

主成分2(F2)=0.015×粗蛋白+0.017×賴(lài)氨酸+0.744×粗脂肪+0.743×粗淀粉。

對(duì)玉米各品質(zhì)指標(biāo)在兩個(gè)主成分上因子載荷作圖，如圖1所示，蛋白含量和賴(lài)氨酸含量位置靠近，位于第一相，在第一主成分上載荷都很高(0.952,0.952)，而在第二主成分上的載荷很低(0.015,0.017)。粗脂肪和淀粉含量位于第二相，在第一主成分上為負(fù)載荷(-0.014，-0.026)，而在第二主成分上的載荷較高(0.744，0.743)，特征明顯，大多數(shù)玉米品種的淀粉含量差異明顯。第一主成分反映了玉米籽粒品種的高蛋白、高賴(lài)氨酸含量特征，而第二主成分反映了玉米品種的高脂肪、高淀粉含量特征。由主成分方程可以計(jì)算任一玉米品種的兩個(gè)主成分分?jǐn)?shù)，一個(gè)玉米品種在第一主成分上的因子得分高則表明其蛋白和賴(lài)氨酸含量高，屬高蛋白玉米品種，而在第二主成分上的因子得分高的品種則表明其脂肪和淀粉含量高，屬高脂肪和高淀粉玉米品種，由此可以對(duì)各玉米品種的營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)進(jìn)行分類(lèi)與評(píng)價(jià)。表2

圖1 旋轉(zhuǎn)后的主成分因子載荷圖

Fig.1 Principal component factor loading diagram after rotation

表2 主成分特征向量、特征值、貢獻(xiàn)率及累積貢獻(xiàn)率

Table 2 Principal component eigenvectors, eigenvalues, contribution rate and cumulative contribution

主成分Principal component12粗脂肪 Crude adipose-0.0140.744粗淀粉 Crude starch-0.0260.743粗蛋白 Crude protein0.9520.015賴(lài)氨酸 Lysine0.9520.017特征值 Eigenvalues1.8131.106貢獻(xiàn)率(%) Contributionrate45.32526.661累積貢獻(xiàn)率(%) Cumulative contribution45.32572.987

2.5 玉米品種營(yíng)養(yǎng)價(jià)值綜合評(píng)價(jià)

特征向量是用主成分載荷矩陣中的數(shù)據(jù)除以主成分相對(duì)的特征值開(kāi)平方根得到兩個(gè)主成分中每個(gè)指標(biāo)所對(duì)應(yīng)的系數(shù)，主成分是原各指標(biāo)的線(xiàn)性組合，各指標(biāo)的權(quán)數(shù)為特征向量；它表示各單項(xiàng)指標(biāo)對(duì)于主成分的重要程度并決定了主成分的實(shí)際意義[16]。根據(jù)主成分的計(jì)算公式，得到2個(gè)主成分與原4項(xiàng)指標(biāo)的線(xiàn)性組合：

F1=0.707y1+0.707y2-0.010 4y3-0.019 3y4.

F2=0.014 2y1+0.016 2y2+0.707y3+0.706y4.

式中:F1、F2分別為第1、第1主成分得分，y1、y2、y3、y4分別為粗蛋白、賴(lài)氨酸、粗脂肪、粗淀粉隸屬函數(shù)法轉(zhuǎn)化值。主成分因子的權(quán)重=因子貢獻(xiàn)率/入選因子的累積貢獻(xiàn)率[17]，從而建立綜合得分?jǐn)?shù)學(xué)模型：F=0.32y1+0.32y2+0.18y3+0.18y4，綜合分值越高，玉米籽粒的綜合品質(zhì)表現(xiàn)越好。23個(gè)玉米品種的營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)由高到低依次為：9384>登海8883>新玉74號(hào)>新玉41號(hào)>新玉59號(hào)>KX9384>新玉54號(hào)>3376>新玉47號(hào)>新玉80號(hào)>禾玉187>M753>新玉84號(hào)>新玉29號(hào)>農(nóng)潤(rùn)919>2564>新玉60號(hào)>新玉9號(hào)>新玉87號(hào)>新玉65號(hào)>新玉13號(hào)>新玉77號(hào)>335。表3

表3 23個(gè)玉米品種的綜合主成分值

Table 3 Comprehensive principal component values of 23 maize cultivars

編號(hào)Number名稱(chēng)NameF1F2F排序Order133763.0955.2516.138293843.6756.8416.8113新玉59號(hào)3.0457.3516.675425644.2051.1515.53165KX93843.9654.8616.4266新玉54號(hào)3.9354.5816.3277登海88834.1655.6316.7028新玉47號(hào)3.5454.3916.1099M7534.7651.1115.771210新玉74號(hào)3.7056.3316.69311新玉41號(hào)4.4954.9416.68412禾玉1873.5453.5615.881113新玉60號(hào)3.6052.1315.521714新玉84號(hào)3.3853.1415.691315新玉80號(hào)3.7453.8316.041016新玉87號(hào)2.7253.2715.431917農(nóng)潤(rùn)9192.5454.0815.5715183352.7950.4214.712319新玉65號(hào)3.0252.3115.312020新玉77號(hào)2.9450.9214.902221新玉9號(hào)3.7451.5915.441822新玉29號(hào)3.6552.6215.681423新玉13號(hào)4.3649.1915.0821

3 討 論

玉米是新疆主要糧食作物之一，同時(shí)還是牲畜重要的飼料[2]。新疆玉米種植面積較大且品種繁多，過(guò)去以普通玉米品種為主，但隨著畜牧業(yè)的發(fā)展，青貯玉米、飼草玉米以及糧飼兼用玉米等品種的玉米也逐漸開(kāi)始種植，一些地區(qū)也開(kāi)始了甜玉米與糯玉米的種植[18]。但還存在類(lèi)型相對(duì)較少、產(chǎn)量不足、品質(zhì)不佳等問(wèn)題。

研究結(jié)果表明，新疆玉米粗淀粉含量在67.01%～77.76%，粗蛋白含量在5.47%～8.37%，粗脂肪含量在2.5%～4.66%，賴(lài)氨酸含量在0.2%～0.29%。新疆玉米的粗脂肪、粗蛋白以及賴(lài)氨酸含量都比較低，都在普通品種范圍，還沒(méi)有達(dá)到高含量的標(biāo)準(zhǔn)，因此，新疆玉米品種的營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)還有待進(jìn)一步提高。我國(guó)玉米70%以上是用作配合飼料原料，因此，提高玉米籽粒中的蛋白質(zhì)、脂肪含量，可以減少飼料加工中大豆粉、油脂的添加，從而降低飼料生產(chǎn)的成本。因此，在育種工作中應(yīng)進(jìn)一步提高雜交種的粗蛋白、脂肪含量[19]。

玉米直鏈淀粉含量的高低可以作為評(píng)價(jià)玉米品質(zhì)的一個(gè)重要指標(biāo)[10,20]。直鏈淀粉影響淀粉的溶解度、黏度、糊化和消化特性[11]等特性，且直鏈淀粉應(yīng)用廣泛，涉及食品、醫(yī)療、材料包裝等領(lǐng)域。研究結(jié)果表明，直連淀粉含量較高的玉米品種為M753、9384、3376，但均沒(méi)有達(dá)到高直鏈淀粉含量的標(biāo)準(zhǔn)(>30%)。直鏈淀粉的含量對(duì)玉米籽粒的合理加工和淀粉合理利用以及農(nóng)業(yè)選種育種均具有重要的意義。

主成分分析法常用于分析優(yōu)良品質(zhì)選擇和復(fù)雜綜合性狀，主成分分析在獼猴桃、蘋(píng)果等果樹(shù)品質(zhì)性狀評(píng)價(jià)中得到了應(yīng)用[21,22]。研究對(duì)23個(gè)新疆玉米品種主成分進(jìn)行分析，其中高蛋白、高賴(lài)氨酸排名前三的品種是M753、新玉41號(hào)、新玉13號(hào)；高脂肪、高淀粉排名前三的品種是新玉59號(hào)、9384、新玉74號(hào)。綜合排名前三的品種是9384、登海8883、新玉74號(hào)。但新疆玉米籽粒品種的品質(zhì)總體水平還有待進(jìn)一步提高。

4 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)23份新疆玉米品質(zhì)營(yíng)養(yǎng)含量研究表明，玉米粗淀粉含量在67.01%～77.76%，平均含量為71.93%，粗蛋白含量在5.47%～8.37%，平均含量為6.87%；粗脂肪含量在2.5%～4.66%，平均脂肪含量為3.64%；賴(lài)氨酸含量為0.2%～0.29%，平均含量為0.22%。

23個(gè)玉米品種的營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)由高到低依次為：9384>登海8883>新玉74號(hào)>新玉41號(hào)>新玉59號(hào)>KX9384>新玉54號(hào)>3376>新玉47號(hào)>新玉80號(hào)>禾玉187>M753>新玉84號(hào)>新玉29號(hào)>農(nóng)潤(rùn)919>2564>新玉60號(hào)>新玉9號(hào)>新玉87號(hào)>新玉65號(hào)>新玉13號(hào)>新玉77號(hào)>335。

雖然新疆地區(qū)玉米品種很多，但適合市場(chǎng)需求的品種不是很多。根據(jù)市場(chǎng)需求，新疆應(yīng)大力發(fā)展飼料專(zhuān)用玉米、高賴(lài)氨酸玉米、發(fā)酵工業(yè)用玉米、高淀粉玉米，積極發(fā)展鮮食玉米、植物油玉米和高油玉米。