楊夢涵，高 慧，姚 銳，李明昊，韓玉翠，郭振清，林小虎

(河北科技師范學院農(nóng)學與生物科技學院，河北省作物逆境生物學重點實驗室(籌)，河北 秦皇島，066600)

隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對水資源的節(jié)約要求和人們生活水平的不斷提高，谷子抗寒抗旱易儲藏和營養(yǎng)價值高等優(yōu)勢逐漸凸顯，成為環(huán)境友好型和保健營養(yǎng)型作物[1～3]。目前，對谷子優(yōu)質(zhì)品種沒有明確界定，有關谷子品質(zhì)檢測的研究還處于初級階段。王婧等[4]研究了燕麥、蕎麥、大麥、小麥的氨基酸的質(zhì)量分數(shù)；梁克紅等[5]和崔紀菡等[6]研究了谷子礦質(zhì)元素的質(zhì)量分數(shù)差異等，但通過氨基酸和礦質(zhì)元素綜合分析谷子品質(zhì)的研究報道較少，張愛霞[7]通過對冀谷19的加工副產(chǎn)物進行礦質(zhì)元素和氨基酸測定，得到小米加工副產(chǎn)物富含多種礦物質(zhì)，組成蛋白質(zhì)的氨基酸結(jié)構(gòu)合理。為此，筆者選取河北、山東和河南等省份的10個谷子品種，測定其籽粒中礦質(zhì)元素與氨基酸的質(zhì)量分數(shù)并通過主成分分析與聚類分析進行綜合性評價，旨在為谷子品種品質(zhì)遺傳改良、選擇應用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗于2019年在河北科技師范學院生命科技實驗站進行(北緯39.70°，東經(jīng)119.15°)。該區(qū)域?qū)儆谂瘻貛?、半濕潤大陸性氣候。供試土壤類型為中壤土，土壤有機質(zhì)的質(zhì)量分數(shù)為32.63 g·kg-1，全氮的質(zhì)量分數(shù)為3.24 g·kg-1，堿解氮的質(zhì)量分數(shù)為121.32 mg·kg-1，速效磷的質(zhì)量分數(shù)為 20.31 mg·kg-1，速效鉀的質(zhì)量分數(shù)為109.28 mg·kg-1。播前整地施入農(nóng)家肥15 000 kg/hm2，后期不做追肥。試驗選取10個谷子品種為試驗材料(表1)，采取隨機區(qū)組設計，3次重復。5月20日人工造墑，5月24日播種，9行區(qū)，行長4 m，寬4 m，小區(qū)面積16 m2。各品種收獲成熟籽粒參試。

表1 10個谷子品種的品種來源及育成單位

1.2 試驗方法

1.2.1氨基酸質(zhì)量分數(shù)的測定 氨基酸測定采用氨基酸自動分析儀測定(Biochrom30型全自動氨基酸分析儀，美國通用公司生產(chǎn))。稱量各品種谷子籽粒粉末0.100 0 g(保留4位小數(shù))，記錄樣品質(zhì)量，編號置于消化管。V(濃鹽酸)∶V(水)= 1∶1稀釋，吸取10 mL稀釋后的溶液加入消化管。將所有消化管放入烘箱中，烘箱溫度調(diào)至105 ℃，處理時間20～24 h。烘箱取出消化管，用純水定容到25 mL，過濾。吸取1 mL過濾后溶液于蒸發(fā)皿，置于75～80 ℃的水浴鍋蒸干。吸取1 mL蒸餾水到蒸發(fā)皿，蒸干(蒸餾水蒸干的過程重復2次)。將蒸干后的蒸發(fā)皿取出，加入2 mL pH 2.2檸檬酸鈉緩沖液。使用注射器吸出，通過無機濾膜過濾到小瓶中，得到待測液后上機測定。

1.2.2礦質(zhì)元素質(zhì)量分數(shù)的測定 稱取谷子籽粒粉末約0.1 g，加入5 mL濃硝酸。加熱使硝酸變成離子溶液。離心、定容、過濾，通過全譜直讀等離子發(fā)射光譜儀(Opyima 2100 DV型電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀，美國鉑金愛爾默公司生產(chǎn))測定，3次重復取其平均值。

1.3 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計分析方法

采用IBM SPSS Statistics 22統(tǒng)計軟件對試驗數(shù)據(jù)進行主成分分析和系統(tǒng)聚類分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同品種谷子籽粒中礦質(zhì)元素質(zhì)量分數(shù)差異分析

2.1.1礦質(zhì)元素主成分質(zhì)量分數(shù)分析 10個谷子品種礦質(zhì)元素的質(zhì)量分數(shù)測定結(jié)果表明(表2)，Ca的質(zhì)量分數(shù)以濟谷19最高；Cu，F(xiàn)e，Mg，Mn和Zn的質(zhì)量分數(shù)以冀科谷1號最高。Ca，Mn和Zn的質(zhì)量分數(shù)以冀谷19最低；Cu和Fe的質(zhì)量分數(shù)以豫谷1號最低；Mn的質(zhì)量分數(shù)以濟谷18最低。10個谷子品種中，Mg的質(zhì)量分數(shù)最高，達1 343.58 mg·kg-1，其次是Ca，F(xiàn)e，Zn，Mn的質(zhì)量分數(shù)，Cu質(zhì)量分數(shù)最低(4.55 mg·kg-1)。

表2 10個品種谷子籽粒中的礦質(zhì)元素組成及質(zhì)量分數(shù) mg·kg-1

2.1.26種主要成分分析 10個品種谷子籽粒中的6種礦質(zhì)元素的質(zhì)量分數(shù)主成分分析后得到的主成分特征值、貢獻率和累計貢獻率見表3。根據(jù)特征值取值大于1的原則，提取2個主要成分。第一主成分特征值為3.916，代表10個品種的6種礦質(zhì)元素的質(zhì)量分數(shù)的65.270%的信息。進一步分析可知，第一主成分主要反映了Mg，Mn，Zn等礦質(zhì)元素的信息；第二主成分代表10個品種的6種礦質(zhì)元素的質(zhì)量分數(shù)的18.055%信息，這2個主成分反映了原始變量的83.325%的信息(表4)。

表3 谷子籽粒中的6種礦質(zhì)元素主成分的特征值及貢獻率

相關分析表明，第一主成分與10個品種谷子籽粒中檢測出的6種礦質(zhì)元素均呈正相關(表4)，貢獻率最大的是Mg和Mn，載荷量均為0.236；貢獻最小的是Ca，載荷量為0.130。第二主成分與Ca，Mn和Zn均為正相關，與Cu，F(xiàn)e和Mg呈負相關，貢獻率最大的是Ca，載荷量為0.772；貢獻率最小的是Cu，載荷量為-0.388。

表4 谷子籽粒中6種礦質(zhì)元素主成分載荷矩陣

根據(jù)“總分=(65.270/83.325)*FAC1_1+(18.005/83.325)*FAC2_1”計算主成分因子得分。結(jié)果表明，在第1主成分中，得分最高的品種為冀科谷1號；在第2主成分中，得分最高的品種為濟谷19。在綜合評價中，得分最高的品種為冀科谷1號。綜合得分從高到低順序依次為：濟谷19，濟谷20，冀谷41，濟谷17，豫谷18，濟谷18，濟谷21，豫谷1號，冀谷19。

應用SPSS軟件對10個品種谷子籽粒中礦質(zhì)元素進行聚類分析，結(jié)果表明，10個品種谷物可聚為3類(圖1)。第一類為冀科谷1號，該類谷子品種在10個品種谷子中Cu，F(xiàn)e，Mg，Mn和Zn的質(zhì)量分數(shù)最高；第二類為豫谷1號，冀谷19，濟谷21，濟谷18，表現(xiàn)為Ca，Mg和Zn的質(zhì)量分數(shù)在10個品種谷子中較低；第三類為濟谷20，濟谷19，冀谷41，豫谷18和濟谷17，其6種礦質(zhì)元素的質(zhì)量分數(shù)在10個品種谷子中處于相對中等水平。

圖1 10個品種谷子籽粒中礦質(zhì)元素的聚類分析結(jié)果

2.2 不同品種谷子籽粒中氨基酸質(zhì)量分數(shù)差異分析

2.2.1氨基酸主成分質(zhì)量分數(shù)分析 測定10個品種谷子籽粒中17種氨基酸的質(zhì)量分數(shù)，結(jié)果見表5。結(jié)果分析表明，10個谷子品種總氨基酸平均值為36.92 g·kg-1，其中濟谷20總氨基酸質(zhì)量分數(shù)最高，達到42.94 g·kg-1，冀谷41次之(42.07 g·kg-1)；濟谷21總氨基酸的質(zhì)量分數(shù)最低，僅為32.48 g·kg-1。

表5 10個品種谷子的氨基酸組成及其質(zhì)量分數(shù) g·kg-1

10個谷子品種必需氨基酸質(zhì)量分數(shù)均值為13.71 g·kg-1，其中濟谷20的必需氨基酸的質(zhì)量分數(shù)最高，達到15.97 g·kg-1；冀谷41次之，達15.6 g·kg-1；濟谷21的必需氨基酸的質(zhì)量分數(shù)分數(shù)最低，僅為11.99 g·kg-1。

10個品種谷子籽粒中檢測的17種氨基酸中平均質(zhì)量分數(shù)最高的為谷氨酸，為7.57 g·kg-1，其中濟谷20中谷氨酸的質(zhì)量分數(shù)是10個品種谷子最高的(8.93 g·kg-1)。冀谷19中谷氨酸的質(zhì)量分數(shù)是10個品種谷子中最低的(6.5 g·kg-1)；在7種必需氨基酸中亮氨酸的質(zhì)量分數(shù)最高(5.09 g·kg-1)；10個品種谷子中濟谷20的亮氨酸的質(zhì)量分數(shù)最高(6.03 g·kg-1)，而冀谷19亮氨酸的質(zhì)量分數(shù)最低(4.37 g·kg-1)。

10個品種谷子籽粒中支鏈氨基酸(BCAA)平均質(zhì)量分數(shù)為8.23 g·kg-1，其中濟谷20的質(zhì)量分數(shù)最高(9.9 g·kg-1)，冀谷41次之(9.54 g·kg-1)，濟谷19最低(5.44 g·kg-1)。進一步分析表明，必需氨基酸/非必需氨基酸比值范圍(E/N)為0.960～0.993，高于WHO規(guī)定標準的0.6[8]。因此谷子中含有豐富營養(yǎng)成分，深入研究谷子營養(yǎng)具有積極意義。

2.2.2主要17種氨基酸質(zhì)量分數(shù)主成分分析 10個品種谷子籽粒中的17種氨基酸質(zhì)量分數(shù)，經(jīng)主成分分析后得到的主成分特征值、貢獻率和累計貢獻，按照特征值取值大于1的原則提取2個主要成分(表6)。氨基酸主成分載荷矩陣分析結(jié)果表明，第1主成分特征值為12.976(貢獻率76.329%)，代表了不同谷物中17種氨基酸質(zhì)量分數(shù)全部性狀的76.329%的信息，主要反映了天冬氨酸、組氨酸、蘇氨酸等的信息；第1主成分與檢測的17種氨基酸均呈正相關，其中對第1主成分貢獻最大的是天冬氨酸、組氨酸和蘇氨酸，載荷量均為0.076，貢獻最小的是異亮氨酸，載荷量為0.036；第2主成分與檢測的17種氨基酸有正相關也有負相關，其中第2主成分與精氨酸、蛋氨酸、胱氨酸、酪氨酸和異亮氨酸呈正相關，與天冬氨酸、丙氨酸、組氨酸、亮氨酸、苯丙氨酸、脯氨酸、蘇氨酸、絲氨酸、甘氨酸、纈氨酸、谷氨酸和賴氨酸呈負相關，其中對第2主成分貢獻最大的是酪氨酸，載荷量為0.405，貢獻最小的是賴氨酸，載荷量為-0.121(表7)。

表6 氨基酸主成分的特征值及貢獻率

表7 谷子籽粒中17種氨基酸主成分載荷矩陣

根據(jù)“總分=(76.329/87.992)*FAC1_1+(11.663/87.992)*FAC2_1.”計算主成分因子得分。結(jié)果表明，在第1主成分中，得分最高的品種為濟谷20，得分最低的是濟谷21；第2主成分中得分最高的品種是冀谷41，得分最低的是豫谷1號；總分從高到低依次為：冀谷41，濟谷20，冀科谷1號，濟谷18，濟谷19，豫谷18，濟谷17，豫谷1號，冀谷19，濟谷21。

SPSS軟件對10個品種谷子籽粒中17種氨基酸組成進行聚類分析。結(jié)果表明，10個品種谷物可聚為3類(圖2)：第1類為冀谷41，濟谷20和濟谷18，該類谷子品種其總氨基酸質(zhì)量分數(shù)最高，在39.31～42.94 g·kg-1之間，并且品質(zhì)往往最佳；第2類為濟谷19，豫谷18，冀科谷1號，濟谷17和豫谷1號，其總氨基酸的質(zhì)量分數(shù)在34.67～37.43 g·kg-1之間，營養(yǎng)水平中等；第3類為冀谷19和濟谷21，其總氨基酸的質(zhì)量分數(shù)較低，在32.48～32.78 g·kg-1之間，其營養(yǎng)水平在所選10個品種谷子中較低。

圖2 10個品種谷子籽粒中氨基酸聚類分析結(jié)果

3 結(jié)論與討論

本次試驗測定了10個品種谷子籽粒的17種氨基酸中，谷氨酸、亮氨酸、丙氨酸、脯氨酸和天冬氨酸等5種氨基酸最為豐富，這與古世祿等[9]研究結(jié)果一致。10個品種谷子的氨基酸質(zhì)量分數(shù)，主成分分析結(jié)果總分從高到低依次為冀谷41，濟谷20，冀科谷1號，濟谷18，濟谷19，豫谷18，濟谷17，豫谷1號，冀谷19，濟谷21。表明不同品種谷子氨基酸質(zhì)量分數(shù)和組成比例存在差異，這與王峰等[10]研究結(jié)果一致。本次試驗對10個品種谷子6種礦質(zhì)元素的質(zhì)量分數(shù)進行測定，不同谷子品種間礦質(zhì)元素的質(zhì)量分數(shù)有一定的差異，質(zhì)量分數(shù)從高到低依次為Mg，Ca，F(xiàn)e，Zn，Mn，Cu。Mg和Ca的質(zhì)量分數(shù)顯著高于其它礦質(zhì)元素，與衛(wèi)學青等[11]對8個谷子品種礦質(zhì)元素研究結(jié)果一致。品種間礦質(zhì)元素的質(zhì)量分數(shù)存在差異，可能是由于不同品種谷子對礦質(zhì)元素的吸收積累效率和組織分配不同造成的[12]。本次試驗中谷子Mg，Ca，F(xiàn)e，Zn，Mn，Cu質(zhì)量分數(shù)高于大米中相應礦質(zhì)元素[13]；Mg，Ca和Zn高于糙米中相應的微量元素[14]；Mg和Ca高于糯米中相應的微量元素[15]，說明谷子中富含Mg，Ca，F(xiàn)e，Zn，Mn和Cu元素。微量元素在生物體內(nèi)雖然含量極微小，但在生物體內(nèi)發(fā)揮極大的作用[16]。

人們對谷子的評價認識大多還局限于色澤口味上，但隨著居民生活水平不斷提高，人們對健康食品越來越重視[17]。從營養(yǎng)角度講，更應關注谷子礦質(zhì)元素與氨基酸含量，食用谷子對人體健康尤為重要[18]。本次試驗采用主成分分析對在冀東地區(qū)10個品種谷子進行綜合評價，礦質(zhì)元素綜合得分從高到低順序依次為：濟谷19，濟谷20，冀谷41，濟谷17，豫谷18，濟谷18，濟谷21，豫谷1號，冀谷19。氨基酸綜合得分從高到低依次為：冀谷41，濟谷20，冀科谷1號，濟谷18，濟谷19，豫谷18，濟谷17，豫谷1號，冀谷19，濟谷21，可以看出谷子礦質(zhì)元素與氨基酸含量品種間存在差異，這些差異的表現(xiàn)來自品種內(nèi)在遺傳因素、人為栽培措施和種植地不同等因素。谷子品種的遺傳因素在很大程度上決定籽粒品質(zhì)和色澤口味，但栽培措施從輪作倒茬方式、整地方式、施肥種類、播期、田間管理以及貯藏，都有可能對谷子的品質(zhì)產(chǎn)生影響[19,20]。谷子的種植地不同，其生態(tài)環(huán)境發(fā)生改變，土壤、水分、氣候等影響谷子的生長發(fā)育，進而也會對谷子品質(zhì)產(chǎn)生一定影響，所以不同品種谷子品質(zhì)的差異是多種因素共同影響造成的[21～23]。通過對不同品種谷子籽粒品質(zhì)進行綜合評價，可以篩選出較優(yōu)品種，為谷子新品種品質(zhì)遺傳改良和谷子農(nóng)產(chǎn)品深加工利用提供依據(jù)。