荆瑞勇，卫佳琪，王丽艳，宋维民,，郑桂萍，郭永霞,

（1.黑龙江八一农垦大学生命科学技术学院，黑龙江 大庆 163319；2.黑龙江八一农垦大学农学院，黑龙江 大庆 163319）

水稻（Oryza sativa L.）是世界上最主要的粮食作物之一，世界上约有一半的人口以水稻为主食[1]。目前我国稻米产量居世界第一，水稻单产处于世界领先水平[2]。水稻为全球半数以上的人口提供营养和热量，因此与其他谷类作物相比，水稻的品质就显得尤为重要[3]。原因是由于全球生产的稻米中约有80%是直接被人类消费的，而其他谷物的籽粒有很大比例是被用于饲养动物或加工成非食品类产品[4]。另外与其他谷类作物不同的是稻米通常不经过加工，大多以整粒米的形式直接被食用或进入市场，这使其外观品质也很重要[5-7]。随着人们生活水平的提高，对稻米品质的要求也越来越高，在评价稻米的指标中，食味品质也是其中重要的一项[8]。

主成分分析（principal component analysis，PCA）是通过降低数据维数排除众多信息共存中相互重叠的信息，把多个指标转化为少数几个不相关的综合指标的一种多元统计分析方法[8-10]。利用PCA可从复杂现象中解析出主要影响因素，减少评价指标，简化评价过程，适用于对多指标的综合分析，近年来PCA等综合评价方法在食品质量评价方面成为热点[11]，已广泛用于农产品品质差异的研究[12]。石彦国等[13]利用PCA结合偏最小二乘法评价黑龙江45 个大豆品种的食味品质，PCA得到4 个PC，筛选出5 个适宜蒸煮加工的大豆品种。焦扬等[14]利用PCA与聚类分析方法对甘肃地区产地木耳品质进行综合评价，筛选出了6 个品质指标可以衡量地木耳品质的优劣，得出地木耳山丹的品质最好。高琦等[15]利用PCA法研究了干燥方式对山药脆片香气品质影响，得出冷冻干燥方式得到的山药脆片香气品质最佳。张春岭等[16]利用PCA和聚类分析法评价中、早熟桃品种的制汁品质，选择适宜的制汁品种，得出成熟度高的中熟黄肉品种的桃汁品质较好。杨军林等[17]利用PCA法评价熟化马铃薯品质，得出 Air-frying（加油）这种熟化方式马铃薯品质评价综合得分最高。王颖颖等[18]利用PCA法评价市售的35 个芝麻酱产品品质，得出白芝麻酱比黑芝麻酱感官评分高，对样品PC综合得分排序，结果与感官评价一致。Dong Meng等[19]利用PCA法对10 个香菇品种的游离氨基酸和5′-核苷酸进行分析，得出优质香菇品种，为香菇的质量评价提供参考依据。Lyu等[20]对中国北方18 个白肉桃品种利用PCA和聚类分析进行了质量评价，得到了影响桃品质的9 个PC。Sun Liping等[21]对13 个野生食用菌品种的游离氨基酸进行综合评价，认为PCA法可为品质综合评价体系的简化提供方便。以上研究表明，在利用PCA进行品质评价时，可以从众多影响因素中解析出主要因素，减少评价指标，从而简化评价过程[22]。

黑龙江省是我国优质粳稻主要产区之一[23]，日本作为世界著名的优质米生产国，日本粳稻品种普遍品质优良、食味优[24]。因此，本研究对来源于黑龙江的11 个粳稻品种和来源于日本的7 个粳稻品种的10 个品质指标进行测定，选择8 个品质指标进行主成分分析，对不同水稻品种品质进行评价并筛选，以期为水稻品质评价及优质品种的筛选提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 材料

供试材料为18 个粳稻品种：其中11 个品种来源于黑龙江，分别为龙粳36、龙粳39、龙粳43、龙庆稻1号、龙庆稻2号、龙庆稻3号、垦粳6号、垦粳8号、松粳9号、绥粳18号、牡丹江32；7 个品种来源于日本，分别为富士光、星之梦、上育418、爱知旭、空育131、早熟青森和新月光。

1.2 仪器与设备

FC-2K型实验砻谷机（YA-MAMOTO，离心式） 杭州钱江仪器设备有限公司；ES-1000便携式品质分析仪 日本静冈机械株式会社；VECTOR22/N型近红外光谱仪 德国Bruker公司；STA1A米饭食味计 日本佐竹公司；VP-32型实验碾米机 郑州南北仪器设备有限公司。

1.3 方法

1.3.1 实验设计

实验地点位于黑龙江八一农垦大学试验基地。采用盆栽实验，使用直径为30 cm、高28 cm的塑料桶进行。化肥施用量按照大田常规用量进行，即尿素 225 kg/hm2、硫酸钾150 kg/hm2、磷酸二铵150 kg/hm2。尿素分5 次施用，基肥、分蘖肥、调节肥、穗肥、粒肥分别为30%∶30%∶10%∶20%∶10%，硫酸钾分为基肥60%和穗肥40%施入，磷酸二铵全部作为基肥施入。每桶种植水稻4 穴、每穴3 苗，每一品种种植10 桶，平时管理按照黑龙江垦区水稻三化两管栽培技术进行。

1.3.2 稻米品质测定

加工品质的测定：用FC-2K型实验砻谷机加工成糙米，用VP-32型实验碾米机加工精米。按式（1）～（3）计算糙米率、精米率和整精米率：

外观品质的测定：采用ES-1000便携式品质分析仪测定垩白率和垩白度；营养品质的测定：用VECTOR22/N型近红外光谱仪测定糙米的直链淀粉含量和蛋白质含量；食味品质的测定：用米饭食味计（STA1A）按仪器说明书进行食味品质测定。

1.3.3 综合指标的隶属函数值

按式（4）计算综合指标的隶属函数值：

式中：xj为第j个综合指标（j＝1, 2, …,n）；u（xj）为第j个综合指标的隶属函数值；xmax与xmin分别为第j个综合指标的最大值与最小值[25-26]。

1.3.4 综合指标权重

按式（5）计算综合指标权重：

式中：wj为第j个综合指标在所有综合指标中的重要程度即权重；rj为各基因型第j个综合指标的贡献率[27-29]。

1.3.5 不同水稻品种品质综合评价值

按式（6）计算综合评价值：

式中：D为不同水稻品种品质的综合评价值[30-31]。

1.4 数据统计分析

采用Excel 2013统计软件进行数据统计与整理，采用R语言进行相关性分析、PCA；采用SPSS 20.0数据分析软件进行聚类分析。

2 结果与分析

2.1 不同水稻品种品质比较及相关性分析

从表1可以看出，糙米率在83.08%～87.11%之间，变异系数为1.38%，可知水稻品种对糙米率的影响较小。垩白粒率在2.10%～17.54%之间，变异系数最大为54.76%，可知水稻品种对垩白粒率的影响最大。其他8 个指标的变异系数介于1.38%～54.76%之间。按变异系数大小对10 个品质指标进行排序，糙米率＜精米率＜直链淀粉含量＜粒长＜食味评分＜蛋白质含量＜整精米率＜ 粒宽＜垩白度＜垩白粒率。通过此变异系数的大小可知水稻品种对10 个品质指标影响顺序为垩白粒率＞垩白 度＞粒宽＞整精米率＞蛋白质含量＞食味评分＞粒长＞直链淀粉含量＞精米率＞糙米率。

表1 不同水稻品种品质指标值Table 1 Quality indexes of different rice varieties

表2 不同水稻品种品质指标之间的相关性分析Table 2 Correlation analysis between quality indexes of different rice varieties

由表2可知，糙米率和精米率的相关系数为0.836，极显著正相关；糙米率与食味评分的相关系数为0.502，显著正相关；精米率与食味评分的相关系数为0.493，显著正相关；垩白度与垩白粒率的相关系数为0.904，极显著正相关；蛋白质质量分数与食味评分的相关系数为 -0.511，显著负相关。由于不同水稻品种的各品质指标差异不同，同时某些指标之间存在不同程度的相关性，因此通过某一个指标评定不同水稻品种品质的优劣不客观，因此通过主成分分析评价不同水稻品种的品质。

2.2 不同水稻品种品质的PCA

由于水稻的粒长和粒宽不直接影响水稻的品质，因此在主成分分析过程中将粒长和粒宽2 个指标去除。其中垩白粒率、垩白度和蛋白质质量分数3 个指标与水稻的品质呈负相关，因此在PCA时将3 个指标值取倒数后进行分析，用于不同水稻品种PCA的品质指标为8 个，见表3。

表3 不同水稻品种PCA品质指标值Table 3 PC for quality evaluation of different rice varieties

2.2.1 水稻品质指标PC提取

表4 PC的特征值、贡献率和累计贡献率Table 4 Eigenvalues of PC and their contributions and cumulative contributions to total variance

在对不同水稻品种品质进行评价时，不能仅考虑一个特性和几个特性的优劣，而应该考虑到所有指标对其进行全面、科学、系统的综合评价。本研究以18 个水稻品种的8 个品质指标构成18×8的矩阵，利用R语言进行PCA。结合表4和图1可提取出3 个PC，累计方差贡献率达到80.045%，综合了水稻品质指标的大部分信息，因此可以用这3 个PC代替上述的8 个品质指标对不同水稻品种品质进行评价和判断。3 个PC分别定义为PC1、PC2、PC3，由表5可知其各主成分对应特征向量为：

图1 碎石图Fig. 1 Scree plot

表5 PC的特征向量与载荷矩阵Table 5 PC eigenvectors and loading matrix

图2 PCA图Fig. 2 PCA plot

由表4、5和图2可知，PC1的方差贡献率为35.558%，主要综合了加工品质的糙米率和精米率；PC2的方差贡献率为29.571%，主要综合了外观品质的垩白粒率和垩白度；PC3的方差贡献率为14.916%，主要综合了营养品质的直链淀粉含量和食味评分。

表6 不同水稻品种品质评价综合指标值、权重、隶属函数值、 综合评价值及品质排序Table 6 Weight of each of three first three principal components, subordinate function values and integrated assessment values for quality evaluation of different rice varieties and quality ranking

由表6综合指标值可知，在加工品质因子PC1上得分最高的前3 个水稻品种依次为龙粳39、空育131、牡丹江32，说明这3 个品种的加工品质优于其他品种；爱知旭在PC2上的得分最高，并且远高于其他水稻品种，说明爱知旭水稻品种在外观品质上最好；绥粳18号、松粳9号、早熟青森3 个水稻品种在PC3上得分较高，说明这3 个品种在直链淀粉含量和食味评分方面优于其他水稻品种。

2.2.2 不同水稻品种综合评价

2.2.2.1 隶属函数分析

如表6所示，每一水稻品种品质的所有综合指标的隶属函数值不尽相同，对于同一综合指标PC1而言，龙粳39的u（x1）值最大为1.000，说明龙粳39水稻品种在 P C 1 综合指标上表现出的品质最好，而爱知旭的u（x1）值最小为0，说明爱知旭水稻品种在PC1综合指标上表现出的品质最差；对于同一综合指标PC2而言，爱知旭的u（x2）值最大为1.000，说明爱知旭水稻品种在PC2综合指标上表现出的品质最好，而富士光的u（x2）值最小为0，说明富士光水稻品种在PC2综合指标上表现出的品质最差；对于同一综合指标PC3而言，绥粳18号的u（x3）值最大为1.000，说明绥粳18号水稻品种在PC3综合指标上表现出的品质最好，龙粳43的u（x3）值 最大为0，说明龙粳43水稻品种在PC3综合指标上表现出的品质最差。

2.2.2.2 各综合指标权重的确定

如图2所示，根据各综合指标贡献率的大小，PC1为35.558%，PC2为29.571%，PC3为14.916%，可用式（5）求出其权重。经计算，3 个综合指标的权重分别为0.444、0.369、0.186（表6）。

2.2.2.3 不同水稻品种品质综合评价

采用式（6）计算不同水稻品种品质综合评价值 （表6），并根据综合评价值对不同水稻品种品质优劣进行排序。通过对综合评价值进行排序得出不同水稻品种品质优劣顺序为龙粳39、牡丹江32、空育131、垦粳8号、早熟青森、龙粳36、爱知旭、绥粳18号、松粳9号、星之梦、垦粳6号、龙庆稻1号、新月光、龙庆稻3号、上育418、龙庆稻2号、龙粳43、富士光。

2.2.3 不同水稻品种品质的聚类分析

图3 不同水稻品种品质的聚类分析图Fig. 3 Cluster analysis dendrogram of the quality of different rice varieties

采用组间联接法对表6中的综合评价值进行聚类分析，建立聚类树状图，如图3所示。通过聚类将18 个水稻品种的品质划分为3 大类。其中，第I类包括龙粳39，其品质最好；第II类包括牡丹江32、空育131、垦粳8号、早熟青森、龙粳36、爱知旭、绥粳18号、松粳9号、星之梦、垦粳6号、龙庆稻1号、新月光、龙庆稻3号、上育418、龙庆稻2号、龙粳43，其品质居中；第Ⅲ类包括富士光，其品质最差。

3 结 论

本研究对来源于黑龙江的11 个品种粳稻和来源于日本的7 个品种粳稻的10 个品质指标进行测定，通过变异系数的大小得出水稻品种对10 个品质指标影响顺序为垩白粒率＞垩白度＞粒宽＞整精米率＞蛋白质含量＞食味评分＞粒长＞直链淀粉含量＞精米率＞糙米率。

选取了与品质直接相关的8 个品质指标进行主成分分析，从中提取出3 个PC，累计贡献率达到80.045%，可较好反映水稻品质的综合信息。PC1的方差贡献率为35.558%，主要综合了加工品质的糙米率和精米率，龙粳39、空育131、牡丹江32三个水稻品种在加工品质方面优于其他品种；PC2的方差贡献率为29.571%，主要综合了外观品质的垩白粒率和垩白度，爱知旭水稻品种在外观品质上最好；PC3的方差贡献率为14.916%，主要综合了营养品质的直链淀粉含量和食味评分，绥粳18号、松粳9号、早熟青森3 个水稻品种在直链淀粉含量和食味评分方面优于其他水稻品种。通过综合评价得出18 个水稻品种品质优劣顺序为龙粳39、牡丹江32、空育131、垦粳8号、早熟青森、龙粳36、爱知旭、绥粳18号、松粳9号、星之梦、垦粳6号、龙庆稻1号、新月光、龙庆稻3号、上育418、龙庆稻2号、龙粳43、富士光。

通过聚类分析将18 个水稻品种的品质划分为三大类。其中，第I类包括龙粳39，其品质最好；第II类包括牡丹江32、空育131、垦粳8号、早熟青森、龙粳36、爱知旭、绥粳18号、松粳9号、星之梦、垦粳6号、龙庆稻1号、新月光、龙庆稻3号、上育418、龙庆稻2号、龙粳43，其品质居中；第Ⅲ类包括富士光，其品质最差。此结论可为优质水稻品种的筛选提供参考。