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徐清宇 余静 朱大伟,2 郑小龙,2 孟令启 朱智伟,2 邵雅芳,2*
（1中国水稻研究所，杭州 310006；
2农业农村部稻米及制品质量监督检验测试中心，杭州 311400；
3河北省农林科学院 滨海农业研究所，河北 唐山 063299；
*通讯作者：yafang_shao@126.com）
水稻是我国乃至全球最重要的粮食作物之一，为世界一半以上的人口提供能量和营养[1]。我国水稻资源丰富，品种繁多，不同水稻品种之间的营养物质差异较大。稻米中含有碳水化合物、蛋白质、脂肪、维生素、矿物质、膳食纤维和水等7大基本营养素。其中，碳水化合物含量最高，占糙米质量的70%以上；
蛋白质含量位居第二，约占糙米质量的8%～10%[2]。除此之外，部分有色米（黑米、红米和紫米等）还富含大量生物活性成分，比如酚酸、类黄酮、花色苷、原花青素等。这些物质具有抗氧化、抗疲劳等功效[3]。一般认为，黑米和紫米富含花色苷类物质，而红米富含原花青素类物质[4]。
水稻在成熟收获，经过晾晒、脱壳、磨精等加工后，成为我们日常生活中消费的精大米，而在加工过程中产生的米糠等副产物则用于畜禽的饲养。据粗略统计，糙米在磨精过程中损失约10%的质量，主要组成为种皮和胚，其富含多种营养成分和功能因子[2]。据流行病学和临床干预试验研究表明，糙米中的功能组分能显著降低心血管疾病、Ⅱ型糖尿病、肥胖等慢性疾病的发病风险[5]。
目前，在对稻米品质评价与分等分级工作中，主要以NY/T 593-2021《食用稻品种品质》作为评判依据[6]，涉及的参数主要有整精米率、垩白度、透明度、碱消值、胶稠度和直链淀粉含量等，并未列出稻米营养品质相关的指标。随着健康中国和农业高质量发展要求的提出，稻米营养品质研究及评价工作显得越来越重要。为此，本研究以19种水稻品种的稻米（3种红米、8种黑米和8种白米）为材料，对其5项基本营养成分（总淀粉、直链淀粉、蛋白质、脂肪和膳食纤维）、13种矿质元素（磷、钾、镁、钙、锰、锌、铁、钠、铜、镍、砷、铬、硒）、9项活性物质指标（总酚、总类黄酮、ABTS、DPPH抗氧化活性、总原花青素、总花色苷、矢车菊素-3-O-葡萄糖苷、芍药素-3-O-葡萄糖苷、矢车菊素-3-O-芸香苷）进行测定，并利用主成分分析对不同品种的营养品质进行评价，研究结果可为稻米营养品质评价提供依据，也为生产功能性稻米新产品提供新思路。
1.1 材料与试剂
参试水稻品种包括红米1（S01）、红米2（S02）、曹妃红（S03）、吉稻（S04）、滨黑1号（S05）、黑米H6（S06）、黑米1（S07）、惠生黑稻（S08）、黑粘香（S09）、吉黑稻（S10）、陕黑（S11）、稻花香2号（S12）、吉宏6号（S13）、垦稻32（S14）、辽星（S15）、龙粳31（S16）、龙洋16（S17）、绥粳18（S18）和盐丰47号（S19）等19个。
参试试剂有：甲醇、氢氧化钠、碘、碘化钾、硫酸铜、硫酸、甲酸、亚硝酸钠、六水氯化铝、过氧硫酸钾、95%乙醇等，购于国药集团化学试剂有限公司；
色谱纯甲醇购于Merck公司；
各矿质元素的标样，购于国家标准物质研究中心；
没食子酸、福林酚试剂、香兰素、儿茶酚、DPPH、ABTS、矢车菊素-3-O-葡萄糖苷、芍药素-3-O-葡萄糖苷、色谱纯甲酸等，购于Sigma-aldrich公司。
1.2 仪器与设备
用到的仪器和设备有：离心机（Himac CR21GⅡ，Hitachi，Japan）、旋光仪（Wzz-2s，INESA，Shanghai，China）、索氏抽提仪（Tecator，Hgans，Sweden）、流动分析仪（BDFIA-7000，Baode Instruments，Beijing，China）、凯氏定氮仪（Kjeltec 8400，FOSS，Hilleroed，Denmark）、膳食 纤 维 测 定 仪（Fibertec 1023，FOSS，Hilleroed，Denmark）、电感耦合等离子体发射光谱仪（ICP-OES，Thermo Elemental，Franklin，MA，USA）、电感耦合等离子体质 谱 仪（ICP-MS，X Series 2，Thermo Fisher Corp.,Waltham,MA，USA）、分光光度计（UV-2550,Shimadzu Corp.，Tokyo，Japan）、高效液相色谱仪（Waters 1525-2707-2489，Waters Corp.，Milford，USA）。
1.3 实验方法
1.3.1 样品制备
收集到的稻谷经过脱壳后，直接于旋风磨粉机上磨成粉末，并过80目筛，置于0～4℃条件下备用。
1.3.2 营养品质测定
总淀粉测定参照NY/T 11-1985《谷物籽粒粗淀粉测定法》。脂肪测定参照GB 5009.6-2016《食品中脂肪的测定》。直链淀粉测定参照NY/T 2639-2014《稻米直链淀粉的测定 分光光度法》。膳食纤维测定参照GB 5009.88-2014《食品中膳食纤维的测定》。蛋白质测定参照GB 5009.5-2016《食品中蛋白质的测定》。矿物质测定参照GB 5009.268-2016《食品中多元素的测定》，其中，Ca、Fe、K、Mn、Na和P用电感耦合等离子体发射光谱法（ICP-OES）测定，Zn、Mg、Cu、Cr、Ni、As和Se用电感耦合等离子体质谱法（ICP-MS）测定。采用80%甲醇对稻米总酚进行提取，并用比色法测定其总酚含量，具体提取和测定方法参照SHAO等方法[7]。采用酸化甲醇提取液（甲醇∶1M HCL=85∶15 v/v）对类黄酮、原花青素和花色苷进行提取，并用比色法测定总类黄酮、总原花青素和总花色苷含量，用高效液相色谱法测定花色苷组分及含量，具体提取和测定方法参照SHAO等方法[7]。采用ABTS和DPPH自由基清除能力方法测定稻米总抗氧化活性，详细检测方法参照SHAO等方法[7]。
1.4 数据处理
不同水稻品种间各品质参数的差异性分析采用方差分析中的LSD多重比较分析（P＜0.05）。活性物质间的相关分析、基本营养成分和矿物质的主成分分析、所有参数的聚类分析采用R语言进行数据的处理和分析。综合指标的隶属函数值按式（1）进行计算[8-9]：
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为第j个综合指标的最大值；
xmin为第j个综合指标的最小值。
综合指标权重按式（2）进行计算[10-11]：
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为各品种第j个综合指标的贡献率。
水稻品种品质综合评价值按式（3）进行计算[12-13]：
式中，D为不同水稻品种品质的综合评价值。
2.1 不同水稻品种稻米基本营养成分含量比较
如表1所示，不同品种稻米中总淀粉含量为74.11%～79.50%，大多数品种间的差异不显著。直链淀粉含量为0.24%～19.88%，均达到了NY/T 593-2021《食用稻品种品质》中规定的优质三等要求[6]。其中，普通糙米品种的直链淀粉含量在16.00%～19.00%之间（优质二等），约有一半的有色米直链淀粉含量高于19.00%（2个糯性黑米品种除外）。蛋白质含量为6.40%～9.40%，基本涵盖了我国稻米蛋白质的分布范围[14]。其中，红米的蛋白质含量高于普通糙米和大多数黑米，不同黑米品种间存在显著性差异。稻米膳食纤维含量变化范围为3.56%～5.38%；
脂肪含量范围为1.81%～2.58%。
表1 不同水稻品种稻米基本营养成分含量 （单位：%）
2.2 不同水稻品种稻米矿物质含量比较
如表2所示，矿质元素在稻米中的含量由高到低依次为K、P、Mg、Ca、Mn、Zn、Na、Fe、Cu、Ni、As、Cr、Se。不同品种间矿质元素含量存在显著性差异，总体而言，有色米的矿质元素含量变化范围较大，普通糙米的变化范围较小。S1、S2、S4、S8和S10 K的含量高，达3324.00～4 814.75 mg/kg。S2和S3 Mg的含量高，达1 346.50～1 380.50 mg/kg。大多数有色米的Ca和Mn含量显著高于普通糙米。S3的Zn含量最高（32.03 mg/kg），S7次之（24.52 mg/kg）。大多数稻米的Na含量在8.16～17.04mg/kg范围内（S14除外）。糙米中的Fe含量在7.35～33.44 mg/kg的范围内波动。Ni、As、Cr和Se在稻米中的含量比较低，大多数水稻品种的含量在比较小的范围内波动。这些元素的含量范围与其他文献报道的糙米元素含量相似[7,15]，但比报道的精米中的含量高[16-17]。
表2 不同稻米品种矿物质含量 （单位：mg/kg）
2.3 不同水稻品种稻米活性成分分析
由表3可知，有色米品种（S1～S11）的总酚、总黄酮、ABTS和DPPH抗氧化活性均显著高于普通糙米品种（S12～S19），且大多数黑米品种的活性成分含量高于红米，这与先前报道的结果一致[18]。黑米和红米的多酚类化合物及其抗氧化活性的差异性可能与其不同色素的沉积有关[19]。花色苷、矢车菊素-3-O-葡萄糖苷、芍药素-3-O-葡萄糖苷和矢车菊素-3-O-芸香苷在黑米中的含量比较高，是红米的10～200倍。原花青素只在红米中检测到，其在S03中的含量为0.62 mg/g。虽然大多数研究表明黑米富含花色苷，主要是矢车菊素-3-O-葡萄糖苷和芍药素-3-O-葡萄糖苷；
红米富含原花青素[7,20]。但也有研究表明，一些黑米或红米品种也存在少量的原花青素和花色苷类物质[21]。总酚、总类黄酮和花色苷及其组分含量越高，其抗氧化活性也越强，这与多酚类化合物具有较强的抗氧化活性有关[18]。其中，S03、S04和S11的活性成分种类及含量较高。普通糙米的总酚、总类黄酮、ABTS和DPPH抗氧化活性值差异不显著，分别在0.55～0.84 mg GAE/g、0.87～1016 mg CE/g、2.87～4.57μMTE/g和2.32～3.32μMTE/g范围内。
不同水稻品种稻米活性成分的相关分析结果（图1）表明，稻米的抗氧化活性与总酚、总类黄酮和总花色苷含量呈极显著正相关（r＞0.89，P＜0.001），总花色苷和3个花色苷组分呈极显著正相关（r＞0.94，P＜0.001）。这些结果表明，可以通过对稻米抗氧化活性指标的检测来筛选活性成分含量高的水稻品种。
2.4 不同水稻品种稻米的主成分分析
2.4.1 不同水稻品种稻米营养指标选择和主成分提取
由表3可知，5种活性物质在有色米中含量较高，其中花色苷只存在于有色米，并且通过相关性分析可知，总花色苷与抗氧化活性呈正相关，因此，可通过米粒颜色和抗氧化活性指标判断稻米活性物质含量的高低（表3、图1）。因此，在主成分分析中仅选择5种基本营养成分和13种矿物质指标为研究对象。
图1 不同水稻品种稻米活性成分的相关分析
表3 不同水稻品种稻米活性物质含量
主成分特征值碎石图曲线的陡峭程度，可以直接反映各成分的变化趋势，进而明确主成分的提取数量。由图2可知，前4个主成分的特征值呈快速下降趋势，且从第11个主成分特征值开始，碎石图曲线趋于平滑且平稳。由表4可知，前6个主成分的特征值分别为4.25、3.05、2.58、1.66、1.47和1.30，具有较高的代表性，其累计贡献率近80%。因此，选取前6个主成分作为本研究中稻米营养品质评价的分析指标。
图2 稻米基本营养成分和矿物质主成分分析碎石图
通过主成分分析得出，第1主成分（PC1）的方差贡献率为23.61%（表4），主要综合了钙、膳食纤维、镁和钠等指标（表5）；
第2主成分（PC2）的方差贡献率为16.92%，主要综合了直链淀粉、镍、铜和砷等指标；
第3主成分（PC3）的方差贡献率为14.35%，主要综合了锰、磷和锌等指标；
第4主成分（PC4）的方差贡献率为9.24%，主要综合了脂肪、蛋白质、钾和磷等指标；
第5主成分（PC5）的方差贡献率为8.14%，主要综合了铁、镁和铜等指标；
第6主成分（PC6）的方差贡献率为7.23%，主要综合了蛋白质、总淀粉、直链淀粉和铁等指标。
表5 主成分分析中的载荷矩阵
各样品的综合评分表如表6所示。在PC1、PC2、PC4、PC5和PC6上得分最高的为S02，说明在19个水稻品种中，该品种稻米的营养品质最好。在PC3上得分最高的为S13，说明该水稻品种稻米的营养品质较好，主要体现在锰、磷和锌含量上。
2.4.2 不同水稻品种稻米基本营养品质和矿物质组成的综合评价
根据各综合指标的贡献率的大小，利用式（2）求出PC1～PC6的权重分别为0.30、0.21、0.18、0.12、0.10和0.09（表4）。采用式（1）和式（3）计算不同水稻品种稻米营养综合评价指标，并根据综合评价对不同水稻品种稻米营养品质进行排序，结果发现排名前10位的水稻品种中有7种是有色稻米品种（表6）。在普通糙米品种中，S19的营养品质最好，其次是S15、S12、S13。综合来看，所选19个水稻品种的营养品质高低顺序依次为S02、S08、S19、S03、S04、S01、S15、S09、S11、S12、S13、S05、S16、S14、S07、S06、S17、S18、S10。
表4 稻米基本营养成分和矿物质主成分分析的特征值、贡献率和累计贡献率
表6 稻米品质综合评分
2.5 聚类分析
对19个水稻品种稻米基本营养成分、矿物质和活性物质等营养品质指标进行聚类分析，建立聚类树状图（图3）。图3A所示，通过聚类将19个水稻品种划分为3个大类：第Ⅰ类为有色稻米中的S11，第Ⅱ类为有色稻米类（S01-S10）；
第Ⅲ类为普通稻米类（S12-S19）。由图3B可知，所有指标被分为5类：第Ⅰ类是Ni、Fe；
第Ⅱ类为矢车菊素-3-O-葡萄糖苷、矢车菊素-3-O-芸香糖苷、Ca、芍药素-3-O-葡萄糖苷、ABTS和DPPH抗氧化活性、总酚、总黄酮、花色苷；
第Ⅲ类为Se、Na、脂肪、Cu、Zn；
第Ⅳ类为膳食纤维、总淀粉、Mn；
第Ⅴ类为蛋白质、Mg、直链淀粉、As。在第Ⅱ类中，总酚、总类黄酮、总花色苷及其组分、ABTS和DPPH抗氧化活性等8个指标均是活性物质，在黑米和红米中的含量显著高于普通糙米。
图3 聚类分析图
不同水稻品种稻米的基本营养成分在一定范围内波动，其总淀粉含量为74.11%～79.50%，直链淀粉含量为0.24%～19.88%，蛋白质含量为6.40%～9.40%，脂肪含量为1.81%～2.58%。对于矿质元素而言，有色米的矿质元素含量变化较大，普通糙米的变化较小。其中，绝大多数有色米的Ca含量显著高于普通糙米。有色米品种的总酚、总黄酮、ABTS和DPPH抗氧化活性均显著高于普通糙米品种，而且大多数黑米品种的含量显著高于红米。花色苷、矢车菊素-3-O-葡萄糖苷、芍药素-3-O-葡萄糖苷在黑米中的含量较高，原花青素只在红米中检测到。9种活性物质间的相关分析结果表明，可以通过对稻米抗氧化活性指标的检测来筛选活性成分含量高的水稻品种。通过对稻米基本营养成分和矿物质等指标进行主成分分析，提取了6个主成分，其累计贡献率约80%，可以较好反映稻米营养品质的综合信息。PC1的方差贡献率为23.61%，主要综合了钙、膳食纤维、镁和钠等指标；
PC2的方差贡献率为16.92%，主要综合了直链淀粉、镍、铜和砷等指标；
PC3的方差贡献率为14.35%，主要综合了锰、磷和锌等指标；
PC4的方差贡献率为9.24%，主要综合了脂肪、蛋白质、钾和磷等指标；
PC5的方差贡献率为8.14%，主要综合了铁、镁和铜等指标；
PC6的方差贡献率为7.23%，主要综合了蛋白质、总淀粉、直链淀粉和铁等指标。在不考虑活性物质含量的前提下，所选水稻品种中，S02的营养品质最佳，S10最差。通过对19种水稻品种稻米的基本营养成分、矿物质和活性物质进行聚类分析，可以将所有水稻品种稻米分成两类：有色米和普通糙米。同时，聚类分析也将所有品质指标分为5类：第Ⅰ类和第Ⅲ类主要是元素；
第Ⅱ类主要为活性物质，与稻米颜色显著相关；
第Ⅳ类和第Ⅴ类主要为基本营养成分。研究结果可为稻米营养品质的评价提供参考依据，也可为食品加工企业生产功能性稻米新产品提供新思路。
