李 穎 張樹航 郭 燕 張馨方 王廣鵬

(河北省農(nóng)林科學院 昌黎果樹研究所,河北 昌黎 066600)

甜度是評價板栗(CastaneamollissimaBL.)果實食用品質最主要的指標之一,有研究表明,在甘薯食味指標中甜度與食味總評關系最大,其次才是香味和質地[1-3]。所以果實甜度的高低直接影響其質量等級和商品價值,生產(chǎn)和培育出高甜度板栗是種植者與育種者共同追求的目標。京津冀地區(qū)是我國最重要的板栗主產(chǎn)區(qū)之一,栽培歷史悠久,板栗種植面積大(約33萬hm2),品種眾多[4],且該地區(qū)品種有別于國內其它品種,普遍具有高甜度這一獨特優(yōu)勢[4-5]。精確明晰這些特異品種的果實甜度差異,對生產(chǎn)中品種選擇、高甜品種培育及種質創(chuàng)新利用具有重要意義。

甜度主要來源于果肉中的可溶性糖,包括蔗糖、麥芽糖和果糖等,目前在果樹上常用可溶性總糖和可溶性固形物含量來評價果實甜度[6-8],在板栗上亦是如此[9]。但水果果實的口感甜度受糖酸2種物質的影響,而板栗口感甜度主要受可溶性糖影響。同時有研究證明,不同可溶性糖組分和含量對甜度影響不同。參照梁俊等[10]對糖甜度值的定義發(fā)現(xiàn),果糖最甜,蔗糖次之,山梨醇甜度最低,但以葡萄糖的風味最好[11]。現(xiàn)實生活中也經(jīng)常發(fā)現(xiàn)可溶性總糖含量較高的品種,口感甜度一般,相反的一些可溶性總糖含量不高的品種口感香甜層次豐富。其原因可能是由于果實中各糖分差異所致,解析栗果中各糖分與甜度的關系是揭示這一問題的關鍵。

目前在板栗品質的分析方面使用了多種評價方法,如多因子模糊評審法、賦值多維價值理論、合理-滿意度法和主成分分析法[12-16]等。但只有主成分分析法側重于真實存在的數(shù)據(jù),避免了主觀因素對結果的影響[17],賦權更客觀科學,結果真實。該方法在蘋果、柑橘、棗、及核桃[18-21]等果實品質的綜合分析評價上都取得了較好的結果,同時主成分分析在對板栗果實表型和營養(yǎng)成份的評價中發(fā)揮了重要作用[22-24]。前人關于板栗甜度的評價,多是簡單基于總糖含量的比較,且通常是育種者基于選育地的測定數(shù)據(jù),不同地區(qū)品種間可比性較差。目前對于板栗果實中不同可溶性糖組分變化與甜度關聯(lián)研究也鮮見報道。

本研究選取京津冀板栗產(chǎn)區(qū)的32個主栽品種,對板栗果實可溶性糖相關的甜度指標共 11個性狀進行評價分析,通過成分含量分析、相關性分析、主成分分析、隸屬函數(shù)分析和聚類分析等多種分析方法綜合評價各品種甜度,旨在明確可溶性糖性狀間相關性及對甜度的作用,以期為京津冀乃至全國板栗產(chǎn)業(yè)高甜度品種選擇、培育和特異資源利用提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況及試驗材料

選取在京津冀板栗栽培面積超667 hm2的品種為試驗對象,共32份試驗材料(表1),均定植于河北省昌黎果樹研究所板栗種質資源圃(119°15′ E,39°72′ N)。該地屬溫帶半濕潤大陸性氣候區(qū),年平均氣溫11 ℃,無霜期186 d,年平均降水量638 mm。所有供試品種均于2004年嫁接于3年生‘燕山早豐’實生砧木上,每品種嫁接5株,株行距4 m×4 m,統(tǒng)一采用常規(guī)管理方法。

表1 板栗品種編號與主要栽培區(qū)域Table 1 Chinese chestnut variety number and main cultivation area

1.2 試驗方法

按板栗種質資源描述規(guī)范和數(shù)據(jù)標準中的方法[25]確定果實成熟期。

2019—2021年連續(xù)3年,每年每個品種選取生長狀態(tài)基本一致的健康樹體3株,于果實成熟期隨機采取各單株果實1.0 kg,將其置于溫度(0±2)℃、相對濕度90%的氣調庫中貯藏。在每品種貯藏40 d時[26],取樣測定果實中各可溶性糖相關性狀指標并計算均值,然后將3年均值數(shù)據(jù)再次平均。

按板栗種質資源描述規(guī)范和數(shù)據(jù)標準中的方法[25]測量板栗果實含水量(Water content,WC)和可溶性總糖含量。板栗果實可溶性固形物含量測定:同株樣品中每次隨機挑選9粒,剝皮搗碎,擠壓果汁,用手持數(shù)顯糖度計(PAL-1 糖度計)測定樣品可溶性固形物含量,重復3次。其它可溶性糖分含量采用HPLC-ELSD檢測,檢測設備為Water 2695高效液相色譜儀,配備奧泰E2000蒸發(fā)光散射檢測器。

由于板栗樣品中麥芽糖和水蘇糖在正常檢出濃度下,蔗糖濃度偏大,峰面積過載,故蔗糖、麥芽糖及水蘇糖不能同時測定,需分2步進行。具體方法如下:

樣品前處理:隨機取各單株堅果30粒,脫殼烘干,粉碎研磨,過120目篩;稱取研磨后板栗樣品2.5 g加入20%乙醇溶液50 mL,用功率160 W、頻率50 kHz超聲振蕩器提取30 min;超聲結束后補足失重,離心取上清,0.22 μm微孔濾膜過濾,即得供試樣品溶液。

蔗糖(Sucrose content,SuC)檢測條件:色譜柱:Cosmosil sugar-D(250 mm×4.6 mm,5 μm);流動相:水(A)-乙腈(B),梯度洗脫(0～24 min,22% A-78% B;25～28 min,30% A;29～31 min,30% A→22% A);流速:1 mL/min;漂移管溫度:105 ℃;氣體流速:2.8 L/min;原樣品溶液稀釋30倍后進樣10 μL,柱溫:40 ℃。

麥芽糖(Maltose content,MalC)和水蘇糖(Stachyose content,StC)檢測條件:色譜柱:Cosmosil sugar-D (250 mm×4.6 mm,5 μm);流動相:水(A)-乙腈(B),梯度洗脫(0～20 min,18% A-82% B;21～23 min,18% A→30% A;24～40 min,30% A-70% B;41～46 min 30% A→18% A);流速:1 mL/min;漂移管溫度:105 ℃;氣體流速:2.8 L/min;原樣進樣體積10 μL;柱溫:40 ℃。

果糖(Fructose content,FC)、甘露醇(Mannitol content,ManC)和山梨醇(Sorbitol content,SoC)檢測條件:色譜柱:Supelcogel Ca (30 cm×7.8 mm);流動相:水(A),流速:0.6 mL/min;漂移管溫度:105 ℃;氣體流速:2.8 L/min;原樣進樣體積10 μL;柱溫:65 ℃。

生化甜度(Biochemical sweetness,BS)的計算參照姚改芳等[26]、張文婷等[27]和張毅等[28]方法:生化甜度=蔗糖含量×1+麥芽糖含量×0.35+水蘇糖含量×0.22+果糖含量×1.75+甘露醇含量×0.7+山梨醇含量×0.4。

已測糖類的總和(Sum of measured soluble sugar,SMSS)為蔗糖、麥芽糖、水蘇糖、果糖、甘露醇和山梨醇含量的總和。

1.3 數(shù)據(jù)分析

運用Excel 2010和SPSS 20. 0對數(shù)據(jù)進行處理和統(tǒng)計描述分析,采用主成分分析法確定各個指標權重Wj,運用隸屬函數(shù)法結合各指標權重綜合計算32個板栗品種甜度品質度量值(D值)[29-30],再根據(jù)D值通過Mega軟件進行聚類分析并分級。

指標權重Wj的計算公式為:

Wj=(λ1Fac 1j+λ2Fac 2j+…+λnFacnj)/
(λ1+λ2+…+λn)

式中:Wj為第j個指標的權重,Fac 1j為第j個指標在第1主成分中的得分系數(shù),Fac nj為第j個指標在第n主成分中的得分系數(shù),λ1、λ2、…、λn為n個主成分的特征值。

D值和R(Xij)的計算公式為:

(1)

R(Xij)=(Xij-Xmin)/(Xmax-Xmin)

(2)

或者負相關為:

R(Xij)=1-(Xij-Xmin)/(Xmax-Xmin)

(3)

式中:R(Xij)表示i品種的j指標的隸屬函數(shù)值;Wj是指標j的權重;Xij表示i品種的j指標的測定值;Xmax及Xmin分別為j指標的最大值和最小值,%。

2 結果與分析

2.1 板栗不同品種間各甜度指標差異分析

32份板栗品種的甜度指標數(shù)值見圖1、表2～4。由表2可知,京津冀板栗品種的可溶性固形物含量均值為24.33%,含水量為48.10%,總糖含量為20.80%。由此可以看出,京津冀地區(qū)板栗品種經(jīng)過多年篩選,果實的甜度品質表現(xiàn)比較穩(wěn)定,整體較好。由表3可知,可溶性固形物含量、含水量、可溶性總糖含量、已測糖類總和及生化甜度這5項指標變異系數(shù)最高僅為12.11%,3年間波動不大;但是蔗糖、果糖、麥芽糖、水蘇糖、甘露醇和山梨醇這6種單一指標變異系數(shù)高,差異較大。可溶性糖組分含量從高到低分別為蔗糖>果糖>麥芽糖>水蘇糖>甘露醇≈山梨醇(表2)。蔗糖含量均值為8.53%,最大值為11.44%,最小值為6.16%,其含量高于其他幾種糖類的總和,因此蔗糖為板栗果實可溶性糖中最主要的成分。已測糖類總和為上述6種可溶性糖類的總和,占可溶性總糖含量的一半左右,其平均含量為10.16%,最高值為12.99%,最低值為7.88%(表2)。生化甜度的平均值為10.27%,最高值為13.07%,最低值為8.20%,結果與已測糖類總和相似但略有不同(表2)。

編號所代表的品種詳見表1。下同。The varieties represented by the number are detailed in Table 1. The same below.圖1 京津冀板栗主栽品種各可溶性糖成分含量Fig.1 Contents of sweetness flavor indexes of main chestnut varieties in Beijing-Tianjin-Hebei

表2 板栗甜度指標基本參數(shù)統(tǒng)計Table 2 Basic parameter value of traits related sweetness for Chinese chestnut

表3 板栗甜度指標變異程度分析Table 3 Analysis of variation of chestnut sweetness index

表4 京津冀板栗主栽品種甜度相關性狀值Table 4 Data of traits of sweetness of main chestnut varieties in Beijing-Tianjin-Hebei

同時還發(fā)現(xiàn),所有甜度指標各品種間的含量均達到極顯著差異,差異程度從大到小依次為:水蘇糖含量>山梨醇含量>果糖含量>含水量>麥芽糖含量>生化甜度>蔗糖含量>甘露醇含量>已測糖類總和>可溶性固形物>可溶性總糖含量(表2)。其中水蘇糖含量的顯著水平最高,F值為21.08,可溶性總糖的顯著水平最低,F值為3.61,說明與其他指標相比水蘇糖含量的種內重復性好,品種間差異較大,而可溶性總糖含量在品種間差異相對較小。甜度指標中變異豐富程度由大到小排序為(表3):甘露醇含量=山梨醇含量>麥芽糖含量>水蘇糖含量>果糖含量>蔗糖含量>已測糖類總和>生化甜度>可溶性固形物>可溶性總糖含量>含水量,含水量的變異系數(shù)最小為5.57%,其次是可溶性總糖和可溶性固形物,分別是9.38%和9.61%,這3項指標的變異系數(shù)都低于10%,遺傳穩(wěn)定。甘露醇和山梨醇的變異系數(shù)最高為25.00%,這2項指標變異豐富。

2.2 板栗果實甜度指標間的相關性分析

由表5可以看出,含水量和可溶性固形物含量呈極顯著負相關,蔗糖和已測糖類、生化甜度總和呈極顯著正相關,已測糖類總和與生化甜度呈極顯著正相關,蔗糖與可溶性固形物含量呈顯著正相關,已測糖類總和與可溶性總糖、麥芽糖含量呈顯著正相關,其余指標間無顯著的相關性。由此發(fā)現(xiàn),蔗糖與已測糖類總和、生化甜度和可溶性固形物含量都為正向相關,說明測得的6種可溶性糖成分中,蔗糖與含有多種物質的綜合指標聯(lián)系比較密切,其含量某種程度上可以作為這些指標的一個反映。這6種可溶性糖成分間無顯著相關,說明各成分間是較為獨立的存在。生化甜度是由不同可溶性糖組分計算得出,是以生化甜度與已測糖類總和呈極顯著正相關,但由于不同糖類的甜度不同,生化甜度又不僅僅是各個可溶性糖組分的簡單相加。

2.3 京津冀板栗主栽品種甜度指標主成分分析和綜合品質評價

32個品種的11個板栗甜度指標之間存在一定的相關性,信息有重疊,因此,對京津冀板栗主栽品種進行甜度綜合品質評價時,不能直接分析,需通過主成分分析確定各項指標反映甜度時所占比的權重系數(shù)。通過主成分分析發(fā)現(xiàn)(表6),前5個主成分涵蓋了全部信息的80.800%,能夠較好的反映板栗甜度。各甜度指標在5個主成分中的因子載荷差異較大,指標的絕對載荷值越大在該主成分中的貢獻就越大,代表性越強。依據(jù)各指標在5個主成分中的得分系數(shù)和該主成分的特征值計算出權重求得綜合得分值Y,Y的表達式系數(shù)即Y=0.09X1-0.03X2+0.10X3+0.08X4+0.13X5+0.21X6+0.04X7+0.07X8-0.02X9+0.10X10+0.09X11。此表達式中,指標前的系數(shù)為正,則表明該指標與Y值呈正項相關,即與甜度正相關;系數(shù)為負,則為負相關;該系數(shù)絕對值即為權重,權重越大,表明該品種的板栗果實甜度越好[29]。由該表達式可以看出,11個指標對板栗甜度的影響順序為水蘇糖>麥芽糖>可溶性總糖≈已測糖類總和>生化甜度≈可溶性固形物>蔗糖>甘露醇>果糖>含水量>山梨醇,其中含水量和山梨醇含量與板栗甜度為負相關,其余9個指標都與板栗甜度呈正相關。

表6 板栗甜度指標的主成分矩陣、特征向量和貢獻率Table 6 The eigenvalue and contributive percentage of principal components and component scores coefficient matrix of traits related sweetness for Chinese chestnut

進一步運用隸屬函數(shù)法,求出11項指標的隸屬函數(shù)值,結合主成分分析得出各指標權重,最后計算每個品種11項指標的甜度度量值(D),D值越高,甜味越好。由表7可知D值最高的品種是‘燕金’,D值為0.691,其甜度最佳,D值最低的品種是‘燕紅’,D值為0.159。

表7 板栗甜度性狀隸屬函數(shù)值和甜度度量值Table 7 Membership function values and sweetness measurements value of Chinese chestnut varieties

2.4 京津冀板栗主栽品種聚類分析及甜度分級

通過聚類分析法將32份京津冀板栗主栽品種在遺傳距離為0.01處聚為3大類群(圖2)。根據(jù)3大類群的D值大小,將其由高到低分為3級。第1類群共有9個品種,占比為28.12%,D值范圍為0.502～0.691,所屬級別為高甜類型(HS),高甜品種為‘燕金’‘燕昌’‘大板紅’‘燕栗2號’‘燕秋’‘良鄉(xiāng)1號’‘燕豐’‘燕山短枝’‘燕山早豐’。第2類群共包含18份品種,占比56.25%,D值范圍為0.315～0.450,所屬級別為中甜類型(MS),中甜品種為‘京暑紅’‘替碼珍珠’‘燕興’‘燕麗’‘燕平’‘南垂5號’‘碩豐’‘東陵明珠’‘黑8’‘短花’‘燕明’‘遵化短刺’‘紫珀’‘燕寶’‘遷西早紅’‘燕光’‘大青裂’‘燕奎’。第3類群有5個品種,占比15.63%,D值范圍為0.159～0.282,所屬級別為低甜類型(S),低甜品種有‘燕晶’‘燕紫’‘懷豐’‘津早豐’‘燕紅’。

3 討 論

京津冀板栗栽培歷史悠久,風味獨特,是寶貴的種質資源,也是挖掘優(yōu)異基因和選育新品種的寶庫。評價京津冀板栗果實品質不僅為其等級劃分與科學利用提供了依據(jù),也為以改良品質為目標的育種工作提供了材料。板栗果實的甜度是由多種性狀共同影響的復雜品質,評價指標的選擇直接影響著最終的評價效果,要對其進行科學客觀的評價,確定合理的評價指標是基礎?？扇苄怨绦挝镏械目扇苄蕴呛陀袡C酸既是果實的重要營養(yǎng)成分,也是重要的風味物質[31-32]。含水量的多少直接影響板栗果實中可溶性固形物的濃度,從而改變板栗口感,板栗果實中的可溶性糖,包括蔗糖、果糖和麥芽糖等[22],這些糖分含量的差異對板栗的營養(yǎng)成分和口感有重大影響[33]。另外由于人們對各種糖組分甜度的感覺不同,可溶性總糖含量越高,并不意味著口感越甜,還與單體的組成成分有關[34],所以可溶性糖含量及成分占比,是衡量果實品質優(yōu)劣的主要指標。但不是可溶性糖越高,食味口感越甜。所以食味口感中的甜度指標,在板栗風味評價中也應受到重視,同時,板栗可溶性糖成分和含量復雜,口味層次豐富,在以甜度為主要育種目標的同時也要注意保留可溶性糖成分的多樣性,以便滿足人們多口味的需求。

本研究以32個京津冀主栽板栗品種為材料,對其采后40 d可溶性糖相關的11個性狀進行了評價,這11個性狀既包括了可溶性固形物、可溶性總糖、已測糖類總和、生化甜度等由多種物質組合的綜合性狀,還包括了蔗糖、水蘇糖、果糖和麥芽糖等單一物質類的可溶性糖成分,從細節(jié)和整體多個角度評價果實品質,客觀真實的反映板栗難以量化的口感風味,為全面了解板栗果實甜度形成機制打下基礎。

從京津冀板栗整體的糖含量水平可以看出該群體果實品質較高[9]。板栗可溶性糖成分復雜,檢測時有些成分尚未明確,已知的可溶性糖組分中蔗糖為含量最高的成分。這與劉艷等[35]的研究結果一致。京津冀板栗品種的11項甜度性狀在同一品種間重復性穩(wěn)定,在不用品種間差異顯著。其中可溶性總糖的種間差異小于各個可溶性糖成分的差異,同時也小于生化甜度的差異。對這些甜度性狀的變異程度進行研究發(fā)現(xiàn),可溶性總糖的變異程度也明顯低于各個可溶性糖成分和生化甜度的變異程度,這說明京津冀板栗不同品種糖度的差異要小于實際上人們口感中的差異,即相似的糖度,卻有不同的口感。對各指標的相關性進行研究發(fā)現(xiàn),蔗糖與含有多種物質的綜合指標聯(lián)系比較密切,其含量某種程度上可以作為這些指標的反映。6種可溶性糖成分間互相影響不大,是較為獨立的存在,這也可能是板栗品種口感豐富的一個原因。生化甜度雖然是由不同可溶性糖組分計算得出,但由于不同糖類的甜度不同,生化甜度又不僅僅是各個可溶性糖組分的簡單相加,作為板栗甜度口感評價指標不可取代。

在現(xiàn)有研究中,使用的評價方法有等距分級評價法和模糊數(shù)學法[36]等,這些方法各具優(yōu)勢,但評價分析不夠全面,導致評價結果有不準確性。板栗的甜度影響因素復雜,某一指標或較少的指標無法全面合理地評價板栗甜度,然而較多的指標之間相互影響,則會使信息有一定重疊或是偏差,因此需要科學的方法來確定各個品質指標的比例權重[32]。本研究通過主成分分析法,計算得出各個指標在甜度評價中的比例權重,再運用多項指標的隸屬函數(shù)法得出各個品種的甜度度量值,將各指標單方面的影響和指標間的相互影響相結合,是一種科學且準確的評價方法。通過對甜度度量值的聚類分析,將32份板栗品種分成了高甜、中甜和低甜3個等級,其中高甜的品種9份,分別是‘燕金’‘燕昌’‘大板紅’‘燕栗2號’‘燕秋’‘良鄉(xiāng)1號’‘燕豐’‘燕山短枝’和‘燕山早豐’。眾所周知,評價是手段,而種質資源的利用和創(chuàng)新才是真正的最終目標[28]。本研究所得高甜板栗品種,可以在以板栗高甜度為生產(chǎn)目標的區(qū)域直接栽植應用,也可作為優(yōu)良育種親本或優(yōu)異種質在板栗糖類遺傳改良中加以應用。

4 結 論

京津冀主栽板栗品種的甜度品質整體較優(yōu);板栗果實11項甜度指標全部在主栽板栗品種間存在極顯著差異,能夠作為綜合評價板栗甜度的指標,各可溶性糖成分和含量間的差異是各板栗品種多樣甜度的主要來源;相關性分析中6種可溶性糖成分是較為獨立的存在,這可能是板栗品種口感豐富的一個重要原因;通過主成分分析算得各指標權重并結合隸屬函數(shù)法評價各品種甜度進行聚類分析,劃分了32個品種的甜度等級。本研究對板栗高甜度生產(chǎn)栽植和優(yōu)良親本選育具有指導意義。