南方地区粮食质量品质的数据分析研究*

李 理 姜友军 单晓雪 王 锦 顾雨熹 张宇冲 陈晋莹

(中储粮成都储藏研究院有限公司 610091)

大约一万年前，我国粮食储藏就有记载。古代各朝代都致力于修建仓库用于粮食的储存，人们也累积了较多的储藏经验。随着我国粮油储藏技术的发展，与之对应的自主创新能力也得到了明显提升[1]。探究储藏过程中粮食品质变化及其密切相关的质量指标变化情况,对于指导粮食何时轮换意义重大[2]。

作为新兴的技术革命，大数据对人们生活的各方面产生了重大影响[3]。大数据指的是通过对大量的、来源复杂的数据进行归纳、总结与分析，有效提升其使用价值[4-5]。而粮食企业正好需要将长期积累的大量数据进行重新归纳与整合[6]，从多角度发现其中隐藏的价值和规律，进而指导粮食科学的、安全的储藏，并把粮食科学安全储藏上升到细致化管理层面[7-8]。

本研究基于南方地区(包括江苏、浙江、安徽、福建、江西、湖北、湖南、广州、广西、四川、贵州、云南等省份)相关粮食储存库点历年质量品质数据，通过数据分析已有粮食质量检查情况，掌握不同区域的粮食质量变化情况及储存品质变化情况，探索不同地区、不同品种的粮食质量标准及合理轮换周期，为不同地区粮食保质的技术措施提供一定的实际参考价值。

1 材料与方法

1.1 数据来源与提取

1.1.1 数据来源 本文所用的数据来源于南方地区相关粮食储藏省份储存库点历年质量品质数据(如图1)，采集数据的周期为半年1次，一年2次。

1.1.2 数据提取 以库点为单位，按时间顺序从历史数据库中把收集到的粮食质量品质相关的数据提取到Excel表格中，然后从表格中筛选出每一批粮食的质量品质指标数据；剔除异常值和空值，最终选出总计54052条数据进行分析。

1.2 分析方法

本文主要针对南方地区的玉米、粳稻、籼稻和大豆进行数据分析。其中玉米、粳稻及籼稻主要分析脂肪酸值，大豆则主要分析粗脂肪酸价。具体来说，分析中以2015年春季入库的粮食质量数据为基准，连续提取1年、1.5年、2年、2.5年的数据；分别运用皮尔逊相关系数分析方法以及灰色关联度分析方法对不同品种粮食的连续数据进行研究。

2 结果与讨论

2.1 玉米、粳稻及籼稻脂肪酸值

2.1.1 玉米、粳稻及籼稻脂肪酸值变化情况 以2015年玉米、粳稻及籼稻春季入库储存2.5年、2年、1.5年、1年的脂肪酸值数据作为起始点分析(其中“201501”表示2015年春季入库储存的数据，依次类推)，从图2可以看出，玉米脂肪酸值整体数据处于上升趋势，且日趋平缓。以其平均水平来看，前两年脂肪酸值趋势上升较快，后续逐渐放缓。从图3可以看出，粳稻脂肪酸值整体规律较为明显，脂肪酸值呈现逐年上升趋势，并且随着储存年份的增加，脂肪酸值上升逐渐平缓。同时，从图4可以看出来，籼稻脂肪酸值随着储存年份的增加逐渐升高，并且各储存时间不同阶段的样本数据变化规律基本一致，均为逐年增高，且增加逐渐变缓。

a.储存2.5年

b.储存2年

c.储存1.5年

d.储存1年

a.储存2.5年

b.储存2年

c.储存1.5年

d.储存1年

a.储存2.5年

b.储存2年

c.储存1.5年

d.储存1年

2.1.2 玉米、粳稻及籼稻脂肪酸均值变化情况 图5～图7主要展示了南方地区2015年春季入库玉米、粳稻及籼稻储存1年、1.5年、2年、2.5年脂肪酸均值的变化情况。从图5可以看出，无论存储年份长短，玉米脂肪酸均值整体均呈上升趋势；以储存2年的数据为例，第1年从34.4(KOH/干基)/(mg/100g)增长到42(KOH/干基)/(mg/100g)，增长率为22.1%，第2年增长5.5%，增速有所放缓，储存满2年的玉米脂肪酸均值为44.3(KOH/干基)/(mg/100g)。而从图6可以看出，粳稻脂肪酸值均值整体处于上升趋势，同样以储存2年的数据为例，可以计算脂肪酸值第1年平均值升高31.2%，第2年脂肪酸值逐渐放缓，平均升高2.2%，储存满2年的粳稻脂肪酸值为23(KOH/干基)/(mg/100g)。图7可以清晰看出，籼稻脂肪酸均值整体处于上升趋势。依然以储存2年的数据为例，可以计算脂肪酸值第1年平均值升高14%，第2年脂肪酸值逐渐放缓，平均升高12.8%，储存2年后脂肪酸值增加到25(KOH/干基)/(mg/100g)。

a.储存2.5年

b.储存2年

c.储存1.5年

d.储存1年

a.储存2.5年

b.储存2年

c.储存1.5年

d.储存1年

a.储存2.5年

b.储存2年

c.储存1.5年

d.储存1年

2.2 大豆粗脂肪酸价

由于大豆总体连续数据较少，故无需做均值分析，通过图8可以看出大豆粗脂肪酸价整体呈现上升趋势。

a.储存2年

b.储存1.5年

c.储存1年

2.3 相关性分析

2.3.1 皮尔逊相关系数分析 为全面了解粮食品质指标的变化规律，需要明确哪些指标与玉米、籼稻、粳稻和大豆品质指标密切相关，而哪些并无关系，因此，对这些粮食的品质指标进行了相关性分析。

在自然科学领域，皮尔逊相关系数广泛用于度量两个变量之间的相关程度，其值在-1与1之间[9]。通过利用皮尔逊相关系数分析两个变量元素的相关性，从而衡量两个变量元素的相关密切程度。

两个变量之间的皮尔逊相关系数定义为两个变量之间的协方差和标准差的商：

①

而样本皮尔逊相关系数则可定义为：

②

本文计算了不同粮食品种脂肪酸值与其他质量指标的皮尔逊相关系数，其结果表1～表4所示。

表1 玉米脂肪酸值与其他指标的皮尔逊相关系数

表2 粳稻脂肪酸值与其他指标的皮尔逊相关系数

表3 籼稻脂肪酸值与其他指标的皮尔逊相关系数

表4 大豆粗脂肪酸价与其他指标的皮尔逊相关系数

从表1～表4可知，对于玉米来说，其脂肪酸值主要与杂质、不完善粒以及生霉粒具有一定的正相关性，而与容重具有一定的负相关性。而对于粳稻来说，除了品尝评分值以外，黄粒米和水分对脂肪酸值的影响较大，其中水分与脂肪酸值具有一定的负相关性，黄粒米与脂肪酸值具有一定的正相关性。同理，可以得出籼稻的脂肪酸值主要与杂质和黄粒米具有一定的相关性，其皮尔逊相关系数分别为0.23和0.2。对于大豆的粗脂肪酸价来说，与损伤粒率相关性最高，呈现一定的正相关性，达到0.51；而与蛋白溶解比率呈现一定的负相关性，相关系数为-0.35。

2.3.2 灰色关联度分析 对于两个系统之间的因素，其随时间或不同对象而变化的关联性大小的量度，称为关联度。在系统发展过程中，若两个因素变化的趋势具有一致性，即同步变化程度较高，则可以说二者关联程度较高；反之，则较低。因此，灰色关联分析方法，是根据因素之间发展趋势的相似或相异程度，也就是‘灰色关联度’，作为衡量因素间关联程度的一种方法[7]。

在影响玉米、粳稻、籼稻脂肪酸值以及大豆粗脂肪酸价的众多因素中，各个因素影响程度不同，要确定各个因素影响程度的大小需要进行灰色关联分析。我们希望通过灰色关联分析方法确定各个因素与玉米、粳稻、籼稻脂肪酸值以及大豆粗脂肪酸价的关联程度。

以玉米脂肪酸值为例，不同因素的选取参考本数据集中的各个指标之间线性相关系数决定，因而选取与玉米脂肪酸值有较大相关系数的指标为生霉粒、容重、杂质、不完善粒。

(1)为了能使序列尽量保存信息，选取可以连续采样8次的完整数据取平均值作为样本序列，其中玉米脂肪酸值时序数据作为Y，生霉粒序列为X1，容重序列为X2，杂质序列为X3，不完善粒序列为X4，数据构造方法都相同。

(2)对各序列做变换，变换过程为用各原始数据除以各序列平均值，所得新序列的表示记号不变。

(3)灰色关联度分辨系数的确定一般没有确定的公式，大多根据经验选取，根据一般的经验，当观测序列出现奇异值时，分辨系数应取较小的值，以克服奇异值的支配作用；当观测序列比较平稳时，分辨系数应取较大的值，充分体现关联度的整体性。本次使用的样本序列由于含有奇异值，所以分辨系数取为0.4，以此来缓解奇异值带来的影响。

(4)计算灰色关联度。

ui(t)=

③

④

此处的ρ为分辨系数，取为0.4，i=1，2，3，t=1，…，8。

经过计算，灰色关联度系数为：

r1=0.64，r2=0.62，r3=0.70，r4=0.63

所以各个因素与玉米脂肪酸值相关程度从大到小排序依次是生霉粒、容重、杂质、不完善粒。与皮尔逊相关系数不同，灰色关联度系数绝对值并没有意义，有意义的只是关联度系数的排序。

按照上述计算方法进行整理归纳分析，我们得到了玉米、籼稻、粳稻脂肪酸值以及大豆粗脂肪酸价与其他指标灰色关联度系数。从表5～表8可以看出，与玉米脂肪酸值的变化趋势相似程度从大到小依次是生霉粒、容重、杂质、不完善粒。与粳稻的脂肪酸值的变化规律相似的程度大小依次是品尝评分值、水分、黄粒米。由此可以得到一个简单的结论，如果无法做科学的检测，可以粗略使用品尝评分值来近似估计粳稻脂肪酸值的变化情况。而与籼稻脂肪酸值的变化趋势相似的程度从大到小依次是杂质、黄粒米、整精米率、水分。大豆的完整粒率、损伤粒率、热损伤粒率、蛋白溶解比率则都与其粗脂肪酸价有一定程度的相关趋势。

表5 其他指标与玉米脂肪酸值的灰色关联度系数

表6 其他指标与粳稻脂肪酸值的灰色关联度系数

表7 其他指标与籼稻脂肪酸值的灰色关联度系数

表8 其他指标与大豆粗脂肪酸价的灰色关联度系数

3 结论

本文基于南方地区相关粮食储存库点历年质量品质数据(以2015年春季入库作为起始数据)，对南方地区的玉米、粳稻、籼稻、大豆四个粮食品种进行分析，探究了品质指标的变化规律情况。通过大量数据分析得出下结论：

玉米脂肪酸值整体数据处于上升趋势，且日趋平缓。以其平均水平来看，前两年脂肪酸值上升较快，后逐渐放缓。粳稻脂肪酸值整体规律也较为明显，脂肪酸值呈现逐年上升趋势，并且随着储存年份的增加，脂肪酸值上升逐渐平缓。同样，籼稻脂肪酸值随着储存年份的增加逐渐升高，并且各储存时间不同阶段的样本数据变化规律基本一致，均为逐年增高，且增加逐渐减缓。而大豆粗脂肪酸价整体呈现上升趋势。

值得注意的是，由于玉米胚部大且呼吸旺盛，脂肪含量高，易氧化酸败使玉米变苦，因而在储存年限内，脂肪酸值随着储存时间的延长而逐渐升高，上升速度较快；稻谷则因为水分偏低，使稻谷相对易于储存，在储存年限内，脂肪酸值随着储存时间的延长而缓慢升高，上升速度较慢。

从相关性分析来看，玉米脂肪酸值和杂质、不完善粒以及生霉粒具有一定的正相关性，而与容重具有一定的负相关性，容重、杂质、不完善粒以及生霉粒也是与玉米脂肪酸值灰色关联最高的几个因素。而对于粳稻来说，除了品尝评分值以外，黄粒米和水分对脂肪酸值的影响较大，其中水分与脂肪酸值具有一定的负相关性，黄粒米与脂肪酸值具有一定的正相关性，由于品尝评分值与脂肪酸值的灰色关联度最高，所以通过品尝评分可以初步判断脂肪酸值的变化。籼稻的脂肪酸值则主要与杂质和黄粒米具有一定的相关性，这一结果也符合灰色分析结论。而大豆的粗脂肪酸价与损伤粒率相关性最高，呈现一定的正相关性；而与蛋白溶解比率呈现一定的负相关性。

最终，通过数据分析已有粮食质量检查情况，掌握了不同区域的粮食质量变化情况及储存品质变化情况，为不同地区粮食保质技术措施提供一定的实际参考价值。