基于主成分和聚类分析的辽宁省稻谷品质综合评价

摘要：稻谷是辽宁省主要的粮食作物之一，研究选取了辽宁省不同产地稻谷对其基本营养及质量指标进行测定，利用主成分和聚类分析的方法，对辽宁省地区地产稻谷品质进行综合评价。结果表明：对29个稻谷样品进行主成分分析可得到4个主成分，累计方差贡献率76.475%，综合得分前三位排名盐丰47（12号）>盐丰47（23号）>盐粳927。对29个稻谷样品进行聚类分析，聚类1的案例数为9，聚类2中的案例为3，聚类3的案例数17。

关键词：辽宁省；稻谷；品质；主成分分析；聚类分析

中图分类号：TS210.1 文献标志码：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

辽宁省是我国稻谷主产省之一，其稻谷种植面积广、产量高，具有很多优良的品种，是第一批优质粮食工程重点支持省份。根据中国统计年鉴[1]报道，2023年辽宁省稻谷产量412.9万t，占国家稻谷总产量的1.9%。近年来，辽宁省粮食相关系统积极推进产、购、储、加、销“五优联动”，做好“中国好粮油”行动计划，切实保障了优质粮食的供给，在一定程度上解决了辽宁地区粮食的数量安全。大米是稻谷经过加工脱壳而来的产品，在我国有一半人口以大米为主食[2]，由于不同品种的稻谷质量不一，其内部营养物质的含量，如何做到从吃饱向吃好转变，是粮食科研工作者应该解决的难题。

主成分分析是一种通过降维思想将多指标线性组合为较少的综合指标，进而实现综合评价的统计分析方法[3-5]。聚类分析是根据样品测定的多个评价指标找出能够度量样品或指标间相似程度的统计量，并以此为依据将相似度较高的样品聚为一类[6]。

本试验选择辽宁省29个2021年地产稻谷为试验样本，研究不同品种稻谷质量及内部营养情况，利用主成分和聚类分析的方法对其品质进行评价，旨在对影响稻谷品质的特征指标进行筛选，建立评价模型，为稻谷品质评价、科学加工、指导种植提供有益依据。

1 材料与方法

1.1 材料与方法

稻谷：2021年10月收获，采样地点见表1。

1.2 仪器与设备

DHG-9030A型电热鼓风干燥箱：上海一恒科学仪器有限公司；JXCD—10型稻谷新鲜度测定仪：北京东孚久恒仪器有限公司；BLH-3250型实验型砻谷机：浙江伯利恒仪器设备有限公司；JNM-Ⅲ实验型碾米机：中储粮成都研究院有限公司；大米外观品质测定仪：北京东孚久恒仪器有限公司；FOSS Infratec124-1型近红外谷物分析仪：丹麦福斯分析仪器；JSWL型食味计：北京东孚久恒仪器有限公司。

1.3 实验方法

1.3.1 样品前处理

随机采集辽宁省29份共24个品种地产稻谷。每块稻田采集样品数量1 000 g，稻谷取样后，在自然条件下储藏14 d，理化性状稳定后进行品质测定。

1.3.2 测定方法

水分测定参照GB 5009.3—2016《食品安全国家标准 食品中水分的测定》；出糙率测定参照GB/T 5495—2008《粮油检验 稻谷出糙率检验》；整精米率测定参照GB/T 21719—2008《稻谷整精米率检验法》；垩白度、垩白粒率测定参照NY/T 2334—2013《稻米整精米率、粒型、垩白粒率、垩白度及透明度的测定》图形法；新鲜度测定参照 LS/T 6118—2017《粮油检验 稻谷新鲜度测定与判别》；食味值测定参照GB/T 15682-2008《粮油检验 稻谷、大米蒸煮食用品质感官评价方法》；直链淀粉测定参照GB/T 15683—2008《大米直链淀粉含量的测定》；蛋白质测定参照GB 5009.5—2016《食品安全国家标准 食品中蛋白质的测定》；脂肪测定参照GB 5009.6—2016《食品安全国家标准食品中脂肪的测定》；硒测定参照GB 5009.93—2017《食品安全国家标准 食品中硒的测定》。

1.4 数据处理

采用Excel2017、IBM SPSS Statistics20进行统计、主成分及聚类分析。

2 结果与分析

2.1 不同品种稻谷质量品质情况

糙米碾磨成加工精度为三级大米时，长度达到试样完整米粒平均长度3/4及以上的米粒即为整精米，将整精米质量与净稻谷质量求商即为整精米率。GB 1350—2009《稻谷》指出，以出糙率作为定等指标，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号稻米的出糙率的波动范围在74.34%～82%，出糙率最大值出现在1号稻米（辽星19号），出糙率最小值出现在19号稻米（美锋1号），3级以上粳稻米占全品种的89.65%，整精米率波动范围在64.0%～73.1%，整精米率最大值出现在7号稻米（佳昌稻7号），整精米率最小值出现在17号稻米（沈988）。从加工角度分析，7号稻米（佳昌稻7号）加工品质较为理想。

LS/T 3247—2017《中国好粮油 大米》规定一级粳米食味值≥90分，垩白度≤4.0%，垩白度粒率≤2.0%；二级粳米食味值≥85分，垩白度≤6.0%，垩白度粒率≤4.0%；三级粳米食味值≥80分，垩白度≤8.0%，垩白度粒率≤6.0%。如表2所示，16号稻米（稻花香2号）的垩白度为8.9%，外观品质较差。8号稻米（辽星8号）、26号稻米（盐丰47）的垩白度数值较高，属于二级粳米；13号稻米（盐粳219）和24号稻米（锦稻109）属于一级粳米，外观及食味品质较好。

直链淀粉、粗蛋白和硒含量可以反映不同品种稻谷的营养情况，三者是重要的营养指标[7]。有学者[8]对大米的直链淀粉进行研究，发现直链淀粉含量低于2%的大米呈糯性，米饭黏性大；直链淀粉含量在12%～19%的稻谷食味品质较好；直链淀粉含量在20%～24%的稻谷食味品质较低；当稻谷直链淀粉含量达到25%以上，米饭黏性差，冷饭质地较硬，食味品质差。如表2所示，食味值较高的6号、9号、13号、14号、21号、22号、23号、24号稻米均在16.5%～19.2%范围内，但并非直链淀粉含量越低食味值越高，食味值是多种因素共同影响的结果；蛋白质是稻谷中的第二大营养物质，主要由可溶性和不可溶性蛋白构成，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号稻谷中稻米的粗蛋白含量中位数为8.26 g/100 g，最大值出现在5号稻米（丰锦）其蛋白质的含量为9.73 g/ 100 g；最小值出现在16号稻米（稻花香2号），其蛋白质的含量为6.83 g/100 g。硒（Se）是人体生理必需的微量元素之一，研究表明，硒是多种酶和蛋白质的重要组成成分，具有提高人体免疫力、抗衰老、预防癌变等功能，缺硒会导致克山病、大骨节病等疾病，影响人体健康[10-12]。根据GB/T 22499—2008《富硒稻谷》规定，富硒稻谷指通过生长过程自然富集而非收获后添加硒、加工成符合GB 1354—2009规定的三级大米中硒含量在0.04～0.30 mg/kg的稻谷。如表2所示，29个样品中，有23个达到富硒稻谷标准，占比79.3%，其中1号（辽星19号）、21号（越光）、24号（锦稻109）稻米的硒含量较高，达到了0.170 mg/kg，这一结果与胡康等[13]的研究结果一致。

2.2 不同品种稻谷质量指标主成分分析

如表3所示，各指标之间具有一定的线性相关性，垩白度与垩白粒率的相关性系数为0.869，水分与食味值的相关系数为0.653，说明两个指标之间存在一定的重叠，线性关系密切。从表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个主成分的累计方差贡献率达76.475%，4个主成分能够代表9个指标来分析不同品种稻谷的质量情况。从图1碎石图可以看出，以特征值为纵坐标，成分数为横坐标，4个成分特征值超过1，包含的信息量较大。

第一主成分、第二主成分、第三主成分、第四主成分的贡献率分别为28.161%、18.365%、18.206%、11.742%，表明4个主成分能代表样品的主要信息特征，成分经旋转后，指标垩白度和垩白粒率在因子1上有较大载荷，指标食味值和水分在因子2上有较大载荷，指标出糙率和硒在因子3上有较大载荷、指标粗蛋白在因子4上有较大载荷，对原始数据进行标准化处理，根据标准化后的各指标与因子载荷矩阵计算主成分得分的解析表达式分别为：

其中Zx1为标准化的食味值，Zx2为标准化的水分，Zx3为标准化的出糙率，Zx4为标准化的整精米率，Zx5为标准化的直链淀粉，Zx6为标准化的粗蛋白，Zx7为标准化的垩白度，Zx8为标准化的垩白粒率，Zx9为标准化的硒。

以各因子的方差贡献率为权重，将不同品种稻谷主成分得分和相应的权重进行线性加权求和，计算不同品种稻谷品质的综合得分并排序，结果见表6，综合得分前三位排名盐丰47（12号）>盐丰47（23号）>盐粳927。

对29个稻谷样品进行聚类分析，了解哪些品种质量品质比较接近，并将样品进行分类，在聚类分析中以辽星19号、稻花香2号、美锋1号，作为初始聚类中心，由于数据的量纲不一致，通过无量纲化后，聚类1的案例数为9，聚类2中的案例为3，聚类3的案例数17，具体聚类成员见表7。

3 结 论

研究结果表明，从加工角度对整精米率和出糙率进行分析，发现7号稻米（佳昌稻7号）的整精米率最大为73.10%，出糙率为79.00%，属于二级粳米，加工品质较为理想；从外观品质角度发现13号稻米（盐粳219）和24号稻米（锦稻109）属于中国好粮油中的一等粳米，样品整体淀粉含量较合理，食味品质好；5号稻米（丰锦）的蛋白质含量最高为9.73 g/100 g，1号（辽星19号）、21号（越光）、24号（锦稻109）稻米的硒含量为0.170 mg/kg。利用主成分分析法分析成分得分，4个主成分的累计方差贡献率达76.475%，能够代表9个指标来分析不同品种稻谷的质量情况，以各因子的方差贡献率为权重，将不同品种稻谷主成分得分和相应的权重进行线性加权求和，综合得分前三位排名盐丰47（12号）>盐丰47（23号）>盐粳927。对29个稻谷进行聚类分析，聚类1的案例数为9，聚类2中的案例为3，聚类3的案例数17。

应用主成分分析和聚类分析方法对辽宁省地产稻谷进行品质评价，能够高效且快速地简化分析流程，建立的品质评价体系对于优质品种的筛选、生产、加工、栽培育种以及管理工作提供了科学的指导。

参 考 文 献

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