徐清宇 余靜 朱大偉,2 鄭小龍,2 孟令啟 朱智偉,2 邵雅芳,2*

（1中國(guó)水稻研究所，杭州 310006；2農(nóng)業(yè)農(nóng)村部稻米及制品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)測(cè)試中心，杭州 311400；3河北省農(nóng)林科學(xué)院 濱海農(nóng)業(yè)研究所，河北 唐山 063299；*通訊作者：yafang_shao@126.com）

水稻是我國(guó)乃至全球最重要的糧食作物之一，為世界一半以上的人口提供能量和營(yíng)養(yǎng)[1]。我國(guó)水稻資源豐富，品種繁多，不同水稻品種之間的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)差異較大。稻米中含有碳水化合物、蛋白質(zhì)、脂肪、維生素、礦物質(zhì)、膳食纖維和水等7大基本營(yíng)養(yǎng)素。其中，碳水化合物含量最高，占糙米質(zhì)量的70%以上；蛋白質(zhì)含量位居第二，約占糙米質(zhì)量的8%～10%[2]。除此之外，部分有色米（黑米、紅米和紫米等）還富含大量生物活性成分，比如酚酸、類(lèi)黃酮、花色苷、原花青素等。這些物質(zhì)具有抗氧化、抗疲勞等功效[3]。一般認(rèn)為，黑米和紫米富含花色苷類(lèi)物質(zhì)，而紅米富含原花青素類(lèi)物質(zhì)[4]。

水稻在成熟收獲，經(jīng)過(guò)晾曬、脫殼、磨精等加工后，成為我們?nèi)粘Ｉ钪邢M(fèi)的精大米，而在加工過(guò)程中產(chǎn)生的米糠等副產(chǎn)物則用于畜禽的飼養(yǎng)。據(jù)粗略統(tǒng)計(jì)，糙米在磨精過(guò)程中損失約10%的質(zhì)量，主要組成為種皮和胚，其富含多種營(yíng)養(yǎng)成分和功能因子[2]。據(jù)流行病學(xué)和臨床干預(yù)試驗(yàn)研究表明，糙米中的功能組分能顯著降低心血管疾病、Ⅱ型糖尿病、肥胖等慢性疾病的發(fā)病風(fēng)險(xiǎn)[5]。

目前，在對(duì)稻米品質(zhì)評(píng)價(jià)與分等分級(jí)工作中，主要以NY/T 593-2021《食用稻品種品質(zhì)》作為評(píng)判依據(jù)[6]，涉及的參數(shù)主要有整精米率、堊白度、透明度、堿消值、膠稠度和直鏈淀粉含量等，并未列出稻米營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)相關(guān)的指標(biāo)。隨著健康中國(guó)和農(nóng)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展要求的提出，稻米營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)研究及評(píng)價(jià)工作顯得越來(lái)越重要。為此，本研究以19種水稻品種的稻米（3種紅米、8種黑米和8種白米）為材料，對(duì)其5項(xiàng)基本營(yíng)養(yǎng)成分（總淀粉、直鏈淀粉、蛋白質(zhì)、脂肪和膳食纖維）、13種礦質(zhì)元素（磷、鉀、鎂、鈣、錳、鋅、鐵、鈉、銅、鎳、砷、鉻、硒）、9項(xiàng)活性物質(zhì)指標(biāo)（總酚、總類(lèi)黃酮、ABTS、DPPH抗氧化活性、總原花青素、總花色苷、矢車(chē)菊素-3-O-葡萄糖苷、芍藥素-3-O-葡萄糖苷、矢車(chē)菊素-3-O-蕓香苷）進(jìn)行測(cè)定，并利用主成分分析對(duì)不同品種的營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)，研究結(jié)果可為稻米營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)評(píng)價(jià)提供依據(jù)，也為生產(chǎn)功能性稻米新產(chǎn)品提供新思路。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

參試水稻品種包括紅米1（S01）、紅米2（S02）、曹妃紅（S03）、吉稻（S04）、濱黑1號(hào)（S05）、黑米H6（S06）、黑米1（S07）、惠生黑稻（S08）、黑粘香（S09）、吉黑稻（S10）、陜黑（S11）、稻花香2號(hào)（S12）、吉宏6號(hào)（S13）、墾稻32（S14）、遼星（S15）、龍粳31（S16）、龍洋16（S17）、綏粳18（S18）和鹽豐47號(hào)（S19）等19個(gè)。

參試試劑有：甲醇、氫氧化鈉、碘、碘化鉀、硫酸銅、硫酸、甲酸、亞硝酸鈉、六水氯化鋁、過(guò)氧硫酸鉀、95%乙醇等，購(gòu)于國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；色譜純甲醇購(gòu)于Merck公司；各礦質(zhì)元素的標(biāo)樣，購(gòu)于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)研究中心；沒(méi)食子酸、福林酚試劑、香蘭素、兒茶酚、DPPH、ABTS、矢車(chē)菊素-3-O-葡萄糖苷、芍藥素-3-O-葡萄糖苷、色譜純甲酸等，購(gòu)于Sigma-aldrich公司。

1.2 儀器與設(shè)備

用到的儀器和設(shè)備有：離心機(jī)（Himac CR21GⅡ，Hitachi，Japan）、旋光儀（Wzz-2s，INESA，Shanghai，China）、索氏抽提儀（Tecator，Hgans，Sweden）、流動(dòng)分析儀（BDFIA-7000，Baode Instruments，Beijing，China）、凱氏定氮儀（Kjeltec 8400，F(xiàn)OSS，Hilleroed，Denmark）、膳食 纖 維 測(cè) 定 儀（Fibertec 1023，F(xiàn)OSS，Hilleroed，Denmark）、電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀（ICP-OES，Thermo Elemental，F(xiàn)ranklin，MA，USA）、電感耦合等離子體質(zhì) 譜 儀（ICP-MS，X Series 2，Thermo Fisher Corp.,Waltham,MA，USA）、分光光度計(jì)（UV-2550,Shimadzu Corp.，Tokyo，Japan）、高效液相色譜儀（Waters 1525-2707-2489，Waters Corp.，Milford，USA）。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 樣品制備

收集到的稻谷經(jīng)過(guò)脫殼后，直接于旋風(fēng)磨粉機(jī)上磨成粉末，并過(guò)80目篩，置于0～4℃條件下備用。

1.3.2 營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)測(cè)定

總淀粉測(cè)定參照NY/T 11-1985《谷物籽粒粗淀粉測(cè)定法》。脂肪測(cè)定參照GB 5009.6-2016《食品中脂肪的測(cè)定》。直鏈淀粉測(cè)定參照NY/T 2639-2014《稻米直鏈淀粉的測(cè)定 分光光度法》。膳食纖維測(cè)定參照GB 5009.88-2014《食品中膳食纖維的測(cè)定》。蛋白質(zhì)測(cè)定參照GB 5009.5-2016《食品中蛋白質(zhì)的測(cè)定》。礦物質(zhì)測(cè)定參照GB 5009.268-2016《食品中多元素的測(cè)定》，其中，Ca、Fe、K、Mn、Na和P用電感耦合等離子體發(fā)射光譜法（ICP-OES）測(cè)定，Zn、Mg、Cu、Cr、Ni、As和Se用電感耦合等離子體質(zhì)譜法（ICP-MS）測(cè)定。采用80%甲醇對(duì)稻米總酚進(jìn)行提取，并用比色法測(cè)定其總酚含量，具體提取和測(cè)定方法參照SHAO等方法[7]。采用酸化甲醇提取液（甲醇∶1M HCL=85∶15 v/v）對(duì)類(lèi)黃酮、原花青素和花色苷進(jìn)行提取，并用比色法測(cè)定總類(lèi)黃酮、總原花青素和總花色苷含量，用高效液相色譜法測(cè)定花色苷組分及含量，具體提取和測(cè)定方法參照SHAO等方法[7]。采用ABTS和DPPH自由基清除能力方法測(cè)定稻米總抗氧化活性，詳細(xì)檢測(cè)方法參照SHAO等方法[7]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

不同水稻品種間各品質(zhì)參數(shù)的差異性分析采用方差分析中的LSD多重比較分析（P＜0.05）。活性物質(zhì)間的相關(guān)分析、基本營(yíng)養(yǎng)成分和礦物質(zhì)的主成分分析、所有參數(shù)的聚類(lèi)分析采用R語(yǔ)言進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理和分析。綜合指標(biāo)的隸屬函數(shù)值按式（1）進(jìn)行計(jì)算[8-9]：

式中：xj為第j個(gè)綜合指標(biāo)（j＝1,2,…,n）；U（xj）為第j個(gè)綜合指標(biāo)的隸屬函數(shù)值；xmax為第j個(gè)綜合指標(biāo)的最大值；xmin為第j個(gè)綜合指標(biāo)的最小值。

綜合指標(biāo)權(quán)重按式（2）進(jìn)行計(jì)算[10-11]：

式中，wj為第j個(gè)綜合指標(biāo)在所有綜合指標(biāo)中的重要程度即權(quán)重；rj為各品種第j個(gè)綜合指標(biāo)的貢獻(xiàn)率。

水稻品種品質(zhì)綜合評(píng)價(jià)值按式（3）進(jìn)行計(jì)算[12-13]：

式中，D為不同水稻品種品質(zhì)的綜合評(píng)價(jià)值。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同水稻品種稻米基本營(yíng)養(yǎng)成分含量比較

如表1所示，不同品種稻米中總淀粉含量為74.11%～79.50%，大多數(shù)品種間的差異不顯著。直鏈淀粉含量為0.24%～19.88%，均達(dá)到了NY/T 593-2021《食用稻品種品質(zhì)》中規(guī)定的優(yōu)質(zhì)三等要求[6]。其中，普通糙米品種的直鏈淀粉含量在16.00%～19.00%之間（優(yōu)質(zhì)二等），約有一半的有色米直鏈淀粉含量高于19.00%（2個(gè)糯性黑米品種除外）。蛋白質(zhì)含量為6.40%～9.40%，基本涵蓋了我國(guó)稻米蛋白質(zhì)的分布范圍[14]。其中，紅米的蛋白質(zhì)含量高于普通糙米和大多數(shù)黑米，不同黑米品種間存在顯著性差異。稻米膳食纖維含量變化范圍為3.56%～5.38%；脂肪含量范圍為1.81%～2.58%。

表1 不同水稻品種稻米基本營(yíng)養(yǎng)成分含量 （單位：%）

2.2 不同水稻品種稻米礦物質(zhì)含量比較

如表2所示，礦質(zhì)元素在稻米中的含量由高到低依次為K、P、Mg、Ca、Mn、Zn、Na、Fe、Cu、Ni、As、Cr、Se。不同品種間礦質(zhì)元素含量存在顯著性差異，總體而言，有色米的礦質(zhì)元素含量變化范圍較大，普通糙米的變化范圍較小。S1、S2、S4、S8和S10 K的含量高，達(dá)3324.00～4 814.75 mg/kg。S2和S3 Mg的含量高，達(dá)1 346.50～1 380.50 mg/kg。大多數(shù)有色米的Ca和Mn含量顯著高于普通糙米。S3的Zn含量最高（32.03 mg/kg），S7次之（24.52 mg/kg）。大多數(shù)稻米的Na含量在8.16～17.04mg/kg范圍內(nèi)（S14除外）。糙米中的Fe含量在7.35～33.44 mg/kg的范圍內(nèi)波動(dòng)。Ni、As、Cr和Se在稻米中的含量比較低，大多數(shù)水稻品種的含量在比較小的范圍內(nèi)波動(dòng)。這些元素的含量范圍與其他文獻(xiàn)報(bào)道的糙米元素含量相似[7,15]，但比報(bào)道的精米中的含量高[16-17]。

表2 不同稻米品種礦物質(zhì)含量 （單位：mg/kg）

2.3 不同水稻品種稻米活性成分分析

由表3可知，有色米品種（S1～S11）的總酚、總黃酮、ABTS和DPPH抗氧化活性均顯著高于普通糙米品種（S12～S19），且大多數(shù)黑米品種的活性成分含量高于紅米，這與先前報(bào)道的結(jié)果一致[18]。黑米和紅米的多酚類(lèi)化合物及其抗氧化活性的差異性可能與其不同色素的沉積有關(guān)[19]?；ㄉ?、矢車(chē)菊素-3-O-葡萄糖苷、芍藥素-3-O-葡萄糖苷和矢車(chē)菊素-3-O-蕓香苷在黑米中的含量比較高，是紅米的10～200倍。原花青素只在紅米中檢測(cè)到，其在S03中的含量為0.62 mg/g。雖然大多數(shù)研究表明黑米富含花色苷，主要是矢車(chē)菊素-3-O-葡萄糖苷和芍藥素-3-O-葡萄糖苷；紅米富含原花青素[7,20]。但也有研究表明，一些黑米或紅米品種也存在少量的原花青素和花色苷類(lèi)物質(zhì)[21]?？偡?、總類(lèi)黃酮和花色苷及其組分含量越高，其抗氧化活性也越強(qiáng)，這與多酚類(lèi)化合物具有較強(qiáng)的抗氧化活性有關(guān)[18]。其中，S03、S04和S11的活性成分種類(lèi)及含量較高。普通糙米的總酚、總類(lèi)黃酮、ABTS和DPPH抗氧化活性值差異不顯著，分別在0.55～0.84 mg GAE/g、0.87～1016 mg CE/g、2.87～4.57μMTE/g和2.32～3.32μMTE/g范圍內(nèi)。

不同水稻品種稻米活性成分的相關(guān)分析結(jié)果（圖1）表明，稻米的抗氧化活性與總酚、總類(lèi)黃酮和總花色苷含量呈極顯著正相關(guān)（r＞0.89，P＜0.001），總花色苷和3個(gè)花色苷組分呈極顯著正相關(guān)（r＞0.94，P＜0.001）。這些結(jié)果表明，可以通過(guò)對(duì)稻米抗氧化活性指標(biāo)的檢測(cè)來(lái)篩選活性成分含量高的水稻品種。

2.4 不同水稻品種稻米的主成分分析

2.4.1 不同水稻品種稻米營(yíng)養(yǎng)指標(biāo)選擇和主成分提取

由表3可知，5種活性物質(zhì)在有色米中含量較高，其中花色苷只存在于有色米，并且通過(guò)相關(guān)性分析可知，總花色苷與抗氧化活性呈正相關(guān)，因此，可通過(guò)米粒顏色和抗氧化活性指標(biāo)判斷稻米活性物質(zhì)含量的高低（表3、圖1）。因此，在主成分分析中僅選擇5種基本營(yíng)養(yǎng)成分和13種礦物質(zhì)指標(biāo)為研究對(duì)象。

圖1 不同水稻品種稻米活性成分的相關(guān)分析

表3 不同水稻品種稻米活性物質(zhì)含量

主成分特征值碎石圖曲線的陡峭程度，可以直接反映各成分的變化趨勢(shì)，進(jìn)而明確主成分的提取數(shù)量。由圖2可知，前4個(gè)主成分的特征值呈快速下降趨勢(shì)，且從第11個(gè)主成分特征值開(kāi)始，碎石圖曲線趨于平滑且平穩(wěn)。由表4可知，前6個(gè)主成分的特征值分別為4.25、3.05、2.58、1.66、1.47和1.30，具有較高的代表性，其累計(jì)貢獻(xiàn)率近80%。因此，選取前6個(gè)主成分作為本研究中稻米營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)評(píng)價(jià)的分析指標(biāo)。

圖2 稻米基本營(yíng)養(yǎng)成分和礦物質(zhì)主成分分析碎石圖

通過(guò)主成分分析得出，第1主成分（PC1）的方差貢獻(xiàn)率為23.61%（表4），主要綜合了鈣、膳食纖維、鎂和鈉等指標(biāo)（表5）；第2主成分（PC2）的方差貢獻(xiàn)率為16.92%，主要綜合了直鏈淀粉、鎳、銅和砷等指標(biāo)；第3主成分（PC3）的方差貢獻(xiàn)率為14.35%，主要綜合了錳、磷和鋅等指標(biāo)；第4主成分（PC4）的方差貢獻(xiàn)率為9.24%，主要綜合了脂肪、蛋白質(zhì)、鉀和磷等指標(biāo)；第5主成分（PC5）的方差貢獻(xiàn)率為8.14%，主要綜合了鐵、鎂和銅等指標(biāo)；第6主成分（PC6）的方差貢獻(xiàn)率為7.23%，主要綜合了蛋白質(zhì)、總淀粉、直鏈淀粉和鐵等指標(biāo)。

表5 主成分分析中的載荷矩陣

各樣品的綜合評(píng)分表如表6所示。在PC1、PC2、PC4、PC5和PC6上得分最高的為S02，說(shuō)明在19個(gè)水稻品種中，該品種稻米的營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)最好。在PC3上得分最高的為S13，說(shuō)明該水稻品種稻米的營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)較好，主要體現(xiàn)在錳、磷和鋅含量上。

2.4.2 不同水稻品種稻米基本營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)和礦物質(zhì)組成的綜合評(píng)價(jià)

根據(jù)各綜合指標(biāo)的貢獻(xiàn)率的大小，利用式（2）求出PC1～PC6的權(quán)重分別為0.30、0.21、0.18、0.12、0.10和0.09（表4）。采用式（1）和式（3）計(jì)算不同水稻品種稻米營(yíng)養(yǎng)綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)，并根據(jù)綜合評(píng)價(jià)對(duì)不同水稻品種稻米營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)進(jìn)行排序，結(jié)果發(fā)現(xiàn)排名前10位的水稻品種中有7種是有色稻米品種（表6）。在普通糙米品種中，S19的營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)最好，其次是S15、S12、S13。綜合來(lái)看，所選19個(gè)水稻品種的營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)高低順序依次為S02、S08、S19、S03、S04、S01、S15、S09、S11、S12、S13、S05、S16、S14、S07、S06、S17、S18、S10。

表4 稻米基本營(yíng)養(yǎng)成分和礦物質(zhì)主成分分析的特征值、貢獻(xiàn)率和累計(jì)貢獻(xiàn)率

表6 稻米品質(zhì)綜合評(píng)分

2.5 聚類(lèi)分析

對(duì)19個(gè)水稻品種稻米基本營(yíng)養(yǎng)成分、礦物質(zhì)和活性物質(zhì)等營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行聚類(lèi)分析，建立聚類(lèi)樹(shù)狀圖（圖3）。圖3A所示，通過(guò)聚類(lèi)將19個(gè)水稻品種劃分為3個(gè)大類(lèi)：第Ⅰ類(lèi)為有色稻米中的S11，第Ⅱ類(lèi)為有色稻米類(lèi)（S01-S10）；第Ⅲ類(lèi)為普通稻米類(lèi)（S12-S19）。由圖3B可知，所有指標(biāo)被分為5類(lèi)：第Ⅰ類(lèi)是Ni、Fe；第Ⅱ類(lèi)為矢車(chē)菊素-3-O-葡萄糖苷、矢車(chē)菊素-3-O-蕓香糖苷、Ca、芍藥素-3-O-葡萄糖苷、ABTS和DPPH抗氧化活性、總酚、總黃酮、花色苷；第Ⅲ類(lèi)為Se、Na、脂肪、Cu、Zn；第Ⅳ類(lèi)為膳食纖維、總淀粉、Mn；第Ⅴ類(lèi)為蛋白質(zhì)、Mg、直鏈淀粉、As。在第Ⅱ類(lèi)中，總酚、總類(lèi)黃酮、總花色苷及其組分、ABTS和DPPH抗氧化活性等8個(gè)指標(biāo)均是活性物質(zhì)，在黑米和紅米中的含量顯著高于普通糙米。

圖3 聚類(lèi)分析圖

3 結(jié)論

不同水稻品種稻米的基本營(yíng)養(yǎng)成分在一定范圍內(nèi)波動(dòng)，其總淀粉含量為74.11%～79.50%，直鏈淀粉含量為0.24%～19.88%，蛋白質(zhì)含量為6.40%～9.40%，脂肪含量為1.81%～2.58%。對(duì)于礦質(zhì)元素而言，有色米的礦質(zhì)元素含量變化較大，普通糙米的變化較小。其中，絕大多數(shù)有色米的Ca含量顯著高于普通糙米。有色米品種的總酚、總黃酮、ABTS和DPPH抗氧化活性均顯著高于普通糙米品種，而且大多數(shù)黑米品種的含量顯著高于紅米?；ㄉ?、矢車(chē)菊素-3-O-葡萄糖苷、芍藥素-3-O-葡萄糖苷在黑米中的含量較高，原花青素只在紅米中檢測(cè)到。9種活性物質(zhì)間的相關(guān)分析結(jié)果表明，可以通過(guò)對(duì)稻米抗氧化活性指標(biāo)的檢測(cè)來(lái)篩選活性成分含量高的水稻品種。通過(guò)對(duì)稻米基本營(yíng)養(yǎng)成分和礦物質(zhì)等指標(biāo)進(jìn)行主成分分析，提取了6個(gè)主成分，其累計(jì)貢獻(xiàn)率約80%，可以較好反映稻米營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)的綜合信息。PC1的方差貢獻(xiàn)率為23.61%，主要綜合了鈣、膳食纖維、鎂和鈉等指標(biāo)；PC2的方差貢獻(xiàn)率為16.92%，主要綜合了直鏈淀粉、鎳、銅和砷等指標(biāo)；PC3的方差貢獻(xiàn)率為14.35%，主要綜合了錳、磷和鋅等指標(biāo)；PC4的方差貢獻(xiàn)率為9.24%，主要綜合了脂肪、蛋白質(zhì)、鉀和磷等指標(biāo)；PC5的方差貢獻(xiàn)率為8.14%，主要綜合了鐵、鎂和銅等指標(biāo)；PC6的方差貢獻(xiàn)率為7.23%，主要綜合了蛋白質(zhì)、總淀粉、直鏈淀粉和鐵等指標(biāo)。在不考慮活性物質(zhì)含量的前提下，所選水稻品種中，S02的營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)最佳，S10最差。通過(guò)對(duì)19種水稻品種稻米的基本營(yíng)養(yǎng)成分、礦物質(zhì)和活性物質(zhì)進(jìn)行聚類(lèi)分析，可以將所有水稻品種稻米分成兩類(lèi)：有色米和普通糙米。同時(shí)，聚類(lèi)分析也將所有品質(zhì)指標(biāo)分為5類(lèi)：第Ⅰ類(lèi)和第Ⅲ類(lèi)主要是元素；第Ⅱ類(lèi)主要為活性物質(zhì)，與稻米顏色顯著相關(guān)；第Ⅳ類(lèi)和第Ⅴ類(lèi)主要為基本營(yíng)養(yǎng)成分。研究結(jié)果可為稻米營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)的評(píng)價(jià)提供參考依據(jù)，也可為食品加工企業(yè)生產(chǎn)功能性稻米新產(chǎn)品提供新思路。