新疆地区玉米品种营养品质主成分分析与评价

毛红艳，徐鑫，于明

(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、饲兼用作物[1]，是新疆的主要粮食作物之一, 其播种面积和总产量均居第二位, 仅次于小麦[2]。玉米不但可以作粮食和饲料，还可以用作青饲料、蔬菜、休闲食品以及各种工业原料[1]。近年来，随着社会的生产、发展和人民生活水平提高，在满足基本用粮的基础上，对玉米的营养品质要求也日益提高[3,4]。【前人研究进展】玉米籽粒的营养品质是玉米品质一个最重要的指标，其不同营养成分含量对玉米籽粒作为粮食、饲料、化工、医药原料质量有很大的影响[5]。随着玉米用途不断地被开发利用，对玉米籽粒品质要求也逐步提高。有报道对河南、辽宁、沈阳、山西、内蒙古等地区[1,3,6-8]的玉米品质进行了研究，对玉米的蛋白、淀粉、脂肪、赖氨酸含量进行分析，对玉米营养品质进行聚类分析和主成分分析。脂肪含量是玉米营养品质的重要指标之一。玉米脂肪中一半以上为亚油酸，并含有谷固醇、卵磷脂、维生素E等有益于防治血管硬化和促进脑细胞功能的物质[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%，淀粉含量超过74%为高淀粉玉米[8]。玉米中赖氨酸是动物必需的优质蛋白的重要补充，在饲料等行业占有重要地位，因此，赖氨酸含量是评价玉米籽粒品质的一项重要指标[8,12]。研究表明，随着玉米籽粒中赖氨酸含量增加，玉米蛋白质消化率和净蛋白利用率有明显改善[13]。虽然不同指标间的量纲相同, 但不同的营养成分种类之间无法进行比较，因此，在主成分分析评价前, 需要对营养成分含量进行数据转换[15]。近年来随着居民饮食结构的改善，对玉米品质也提出更高要求，所以分析新疆不同玉米品种的营养成分与品质，为提高新疆玉米营养品质及加工品质有实际意义。【本研究切入点】目前国内关于玉米营养品质主成分分析的研究报道较少，关于新疆玉米籽粒营养品质主成分分析研究还未见报道。研究新疆玉米品种的营养品质的主成分分析与评价。【拟解决的关键问题】研究以新疆地区的不同玉米品种为对象，分析新疆现有玉米品种营养品质状况，测定23份新疆地区玉米籽粒品种的粗淀粉、粗蛋白、粗脂肪及赖氨酸含量，分析玉米营养品质进行主成分，为新疆玉米的品质遗传改良提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材 料

采集新疆2017年收获的玉米品种23个，主要采集点为乌鲁木齐、塔城以及喀什地区，分别为3376，9384，新玉59号，2564，KX9384，新玉54号，登海8883，新玉47号，M753，新玉74号，新玉41号，禾玉187，新玉60号，新玉80号，新玉84号，新玉87号，农润919，335，新玉65号，新玉77号，新玉29号，新玉9号，新玉13号。每份玉米取混合籽粒200 g，用粉碎机磨碎成粉，细度达到80目。

1.2 方 法

粗蛋白质用凯氏定氮法测定，粗脂肪用索氏浸提法测定。粗纤维用酸碱洗剂法测定，粗灰分用高温灼烧化干灰法测定。直链淀粉用GB7648-87测定。籽粒粗脂肪含量测定：各处理玉米样品粉碎后过80目筛，将样品烘至恒重，称取2 g样品用干燥好的脱脂滤纸包好称重，记录后放入提取管中，索式提取器用石油醚中进行抽提[5]。

1.3 数据处理

数据用SPSS19.0统计软件进行主成分分析。

2 结果与分析

2.1 粗脂肪

研究表明，23个玉米品种的粗脂肪含量变动幅度为2.5%～4.66%，平均3.68%，含量超过3%的品种有14个，占60.87%，低于3%的有6个，占26.09%，高于4%的品种有9个，占39.13%，说明新疆地区这23个玉米品种的含油量不高。表1

表1 23个新疆玉米品种营养品质

Table 1 Nutrition contents of 23 maize cultivars in Xinjiang

编号Number名称Name粗脂肪(%)Crude adipose粗淀粉(%)Crude starch粗蛋白(%)Crude protein赖氨酸(%)Lysine直链淀粉(%)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号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号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号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号2.97±0.176.67±2.717.16±0.520.21±0.0114.48±0.3811新玉41号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号4.26±0.469.43±3.886.85±0.320.2±0.0222.58±1.0514新玉84号3.75±0.0871.38±1.726.54±0.290.24±0.0221.12±2.4515新玉80号3.81±0.1772.29±3.917.07±0.220.26±0.0122.23±0.7316新玉87号4.38±0.1970.94±0.185.66±0.050.19±0.0320.14±2.1217农润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号2.95±0.0271.02±0.096.05±0.450.2±0.0123.08±2.0720新玉77号3.8±0.1668.2±3.015.88±0.270.2±0.0321.45±0.8921新玉9号2.98±0.0769.94±1.327.04±0.120.2±0.0115.57±0.6722新玉29号2.94±0.3171.44±2.736.96±0.110.2±0.0220.23±1.8723新玉13号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个玉米品种的淀粉含量变化范围为67.01%～77.76%，平均为71.93%。高于70%的品种有16个，占69.57%。23个品种中有11个品种达到了二级标准(≥72%)，3个品种达到了一级标准(≥75%)。最高的玉米淀粉含量为77.76%，可以作为专用淀粉玉米品种使用。

直链淀粉的含量与比例是影响玉米食用品质的主要因素之一，直链淀粉含量影响着淀粉的溶解度、黏度、膨润力、糊化和消化性[10,11]等一系列特性。23个玉米品种的直链淀粉含量变动范围14.69%～29.74%，其中低于20%的品种有9个，占39.13%，高于20%的占60.87%，说明这23份新疆玉米品种直链淀粉含量为普通玉米品种，新疆玉米的淀粉加工品质还有待提高。

2.3 粗蛋白质

研究表明，23个玉米品种的粗蛋白含量变动范围为5.47%～8.3%，变化幅度较大。有11个品种的粗蛋白质含量超过7%，占47.83%。23个玉米品种赖氨基酸含量变化范围为0.17%～0.29%，平均值为0.22%，变化幅度较小。小于0.2%的有3个品种，没有赖氨酸含量超过0.3%的玉米品种，而高赖氨酸玉米品种赖氨酸含量要在0.4%以上[14]，说明玉米籽粒蛋白品质还有待进一步提高。

2.4 玉米品质性状的主成分分析

研究表明，第一主成分可以解释45.325%的方差变异，第二主成分可以解释27.661%的方差变异,第三主成分可以解释22.414%的方差变异，三个主成分累积解释95.4%的方差变异。由于第三个主成分的特征值小于1，因此，取前两个主成分分析已能反映新疆地区玉米品种的基本情况，为了方便解释各主成分的实际意义，原始数据进行了4次最大正交旋转处理，各玉米营养指标旋转后在各主成分上的因子载荷更趋于集中，如表1所示，两个主成分和玉米营养指标间的关系式为：

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

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

对玉米各品质指标在两个主成分上因子载荷作图，如图1所示，蛋白含量和赖氨酸含量位置靠近，位于第一相，在第一主成分上载荷都很高(0.952,0.952)，而在第二主成分上的载荷很低(0.015,0.017)。粗脂肪和淀粉含量位于第二相，在第一主成分上为负载荷(-0.014，-0.026)，而在第二主成分上的载荷较高(0.744，0.743)，特征明显，大多数玉米品种的淀粉含量差异明显。第一主成分反映了玉米籽粒品种的高蛋白、高赖氨酸含量特征，而第二主成分反映了玉米品种的高脂肪、高淀粉含量特征。由主成分方程可以计算任一玉米品种的两个主成分分数，一个玉米品种在第一主成分上的因子得分高则表明其蛋白和赖氨酸含量高，属高蛋白玉米品种，而在第二主成分上的因子得分高的品种则表明其脂肪和淀粉含量高，属高脂肪和高淀粉玉米品种，由此可以对各玉米品种的营养品质进行分类与评价。表2

图1 旋转后的主成分因子载荷图

Fig.1 Principal component factor loading diagram after rotation

表2 主成分特征向量、特征值、贡献率及累积贡献率

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赖氨酸 Lysine0.9520.017特征值 Eigenvalues1.8131.106贡献率(%) Contributionrate45.32526.661累积贡献率(%) Cumulative contribution45.32572.987

2.5 玉米品种营养价值综合评价

特征向量是用主成分载荷矩阵中的数据除以主成分相对的特征值开平方根得到两个主成分中每个指标所对应的系数，主成分是原各指标的线性组合，各指标的权数为特征向量；它表示各单项指标对于主成分的重要程度并决定了主成分的实际意义[16]。根据主成分的计算公式，得到2个主成分与原4项指标的线性组合：

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分别为第1、第1主成分得分，y1、y2、y3、y4分别为粗蛋白、赖氨酸、粗脂肪、粗淀粉隶属函数法转化值。主成分因子的权重=因子贡献率/入选因子的累积贡献率[17]，从而建立综合得分数学模型：F=0.32y1+0.32y2+0.18y3+0.18y4，综合分值越高，玉米籽粒的综合品质表现越好。23个玉米品种的营养品质由高到低依次为：9384>登海8883>新玉74号>新玉41号>新玉59号>KX9384>新玉54号>3376>新玉47号>新玉80号>禾玉187>M753>新玉84号>新玉29号>农润919>2564>新玉60号>新玉9号>新玉87号>新玉65号>新玉13号>新玉77号>335。表3

表3 23个玉米品种的综合主成分值

Table 3 Comprehensive principal component values of 23 maize cultivars

编号Number名称NameF1F2F排序Order133763.0955.2516.138293843.6756.8416.8113新玉59号3.0457.3516.675425644.2051.1515.53165KX93843.9654.8616.4266新玉54号3.9354.5816.3277登海88834.1655.6316.7028新玉47号3.5454.3916.1099M7534.7651.1115.771210新玉74号3.7056.3316.69311新玉41号4.4954.9416.68412禾玉1873.5453.5615.881113新玉60号3.6052.1315.521714新玉84号3.3853.1415.691315新玉80号3.7453.8316.041016新玉87号2.7253.2715.431917农润9192.5454.0815.5715183352.7950.4214.712319新玉65号3.0252.3115.312020新玉77号2.9450.9214.902221新玉9号3.7451.5915.441822新玉29号3.6552.6215.681423新玉13号4.3649.1915.0821

3 讨 论

玉米是新疆主要粮食作物之一，同时还是牲畜重要的饲料[2]。新疆玉米种植面积较大且品种繁多，过去以普通玉米品种为主，但随着畜牧业的发展，青贮玉米、饲草玉米以及粮饲兼用玉米等品种的玉米也逐渐开始种植，一些地区也开始了甜玉米与糯玉米的种植[18]。但还存在类型相对较少、产量不足、品质不佳等问题。

研究结果表明，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%，赖氨酸含量在0.2%～0.29%。新疆玉米的粗脂肪、粗蛋白以及赖氨酸含量都比较低，都在普通品种范围，还没有达到高含量的标准，因此，新疆玉米品种的营养品质还有待进一步提高。我国玉米70%以上是用作配合饲料原料，因此，提高玉米籽粒中的蛋白质、脂肪含量，可以减少饲料加工中大豆粉、油脂的添加，从而降低饲料生产的成本。因此，在育种工作中应进一步提高杂交种的粗蛋白、脂肪含量[19]。

玉米直链淀粉含量的高低可以作为评价玉米品质的一个重要指标[10,20]。直链淀粉影响淀粉的溶解度、黏度、糊化和消化特性[11]等特性，且直链淀粉应用广泛，涉及食品、医疗、材料包装等领域。研究结果表明，直连淀粉含量较高的玉米品种为M753、9384、3376，但均没有达到高直链淀粉含量的标准(>30%)。直链淀粉的含量对玉米籽粒的合理加工和淀粉合理利用以及农业选种育种均具有重要的意义。

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[21,22]。研究对23个新疆玉米品种主成分进行分析，其中高蛋白、高赖氨酸排名前三的品种是M753、新玉41号、新玉13号；高脂肪、高淀粉排名前三的品种是新玉59号、9384、新玉74号。综合排名前三的品种是9384、登海8883、新玉74号。但新疆玉米籽粒品种的品质总体水平还有待进一步提高。

4 结 论

通过对23份新疆玉米品质营养含量研究表明，玉米粗淀粉含量在67.01%～77.76%，平均含量为71.93%，粗蛋白含量在5.47%～8.37%，平均含量为6.87%；粗脂肪含量在2.5%～4.66%，平均脂肪含量为3.64%；赖氨酸含量为0.2%～0.29%，平均含量为0.22%。

23个玉米品种的营养品质由高到低依次为：9384>登海8883>新玉74号>新玉41号>新玉59号>KX9384>新玉54号>3376>新玉47号>新玉80号>禾玉187>M753>新玉84号>新玉29号>农润919>2564>新玉60号>新玉9号>新玉87号>新玉65号>新玉13号>新玉77号>335。

虽然新疆地区玉米品种很多，但适合市场需求的品种不是很多。根据市场需求，新疆应大力发展饲料专用玉米、高赖氨酸玉米、发酵工业用玉米、高淀粉玉米，积极发展鲜食玉米、植物油玉米和高油玉米。