楊婷 沈石妍 王智能 楊 柳 尚試雄 崔杰 應(yīng)雄美
關(guān)鍵詞:甘蔗;種質(zhì)資源;營養(yǎng)品質(zhì);分析;評價(jià)
中圖分類號:S566.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A
甘蔗(Saccharum officinarum L.)是一年生或多年生的禾本科單子葉甘蔗屬植物,也是世界上重要的糖料作物和能源作物,廣泛種植于熱帶和亞熱帶地區(qū)[1-2]。甘蔗含有豐富的糖分、水分,以及對人體健康有益的蛋白質(zhì)、氨基酸、礦物質(zhì)、維生素、黃酮、多酚等營養(yǎng)成分,具有抗氧化、保護(hù)細(xì)胞等保健作用[3-5]。隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展及人們對甘蔗生物活性成分的深入研究,甘蔗除了應(yīng)用于制糖,也被應(yīng)用于各種大眾化食品和保健食品的開發(fā)[6-8],甘蔗的利用正呈現(xiàn)多元化的發(fā)展。選育各具特色的專用甘蔗有助于推動(dòng)甘蔗的高價(jià)值利用和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。
營養(yǎng)品質(zhì)評價(jià)是種質(zhì)資源研究的重要組成部分,也是優(yōu)質(zhì)種質(zhì)資源挖掘和利用的基礎(chǔ)[9]。近年來,營養(yǎng)健康問題和保健功能越來越受到人們的重視,營養(yǎng)品質(zhì)評價(jià)研究已成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn),目前已有在蔬菜[10]、水果[11-12]、糧食作物[13]等種質(zhì)資源在營養(yǎng)品質(zhì)方面的研究報(bào)道。我國的甘蔗產(chǎn)業(yè)在不斷發(fā)展壯大,很多國外品種也在源源不斷的引進(jìn)和交換[14-15]。迄今為止,對甘蔗種質(zhì)資源的評價(jià)報(bào)道很多,但主要集中在工藝性狀[16-17]、農(nóng)藝性狀[18-19]、抗逆性[20-22]、遺傳多樣性[23-25]等方面,而在甘蔗種質(zhì)資源營養(yǎng)品質(zhì)方面的評價(jià)鮮有報(bào)道,樊麗娜等[26-27]分析了12 個(gè)廣東主栽甘蔗品種蔗汁中9 種元素Ca、Mg、S、Si、Fe、Zn、Se、Co、Mo 含量,以及分析研究了18 個(gè)不同地域的甘蔗品種中蔗汁氨基酸含量差異;趙勇等[28]對11 份甘蔗種質(zhì)中的Fe、Zn、Se 含量進(jìn)行了分析;楊柳等[29-30]對16 份甘蔗種質(zhì)蔗汁的蛋白質(zhì)、總游離氨基酸、總多酚、蔗糖、還原糖、灰分、氯化物、膠體、礦物質(zhì)含量進(jìn)行了研究。以上研究為甘蔗種質(zhì)資源的開發(fā)利用提供參考,但還不夠系統(tǒng),覆蓋品種較少,指標(biāo)普遍較單一。鑒于此,本研究利用國家甘蔗種質(zhì)資源圃保存的種質(zhì)資源,挑選100 份具有代表性的甘蔗種質(zhì),從蔗糖分、還原糖分、果糖、葡萄糖、蔗糖、總游離氨基酸、多酚、礦物質(zhì)、蛋白質(zhì)等營養(yǎng)指標(biāo)進(jìn)行檢測,系統(tǒng)評價(jià)和分析甘蔗種質(zhì)營養(yǎng)品質(zhì),旨在為甘蔗種質(zhì)資源的挖掘利用及新品種的選育提供科學(xué)依據(jù)。
1 材料與方法
1.1 材料
參試的100份甘蔗種質(zhì)為歷史上不同年代曾大面積推廣的甘蔗種質(zhì),目前生產(chǎn)上主推的甘蔗種質(zhì),具有推廣潛力的甘蔗種質(zhì),均由國家甘蔗種質(zhì)資源圃提供,其中,國外引進(jìn)種質(zhì)7 份,國內(nèi)自育種質(zhì)91 份和其他種質(zhì)2 份(EK28 和Kassoer);國外種質(zhì)包括印度(Co-種質(zhì)2 份)、印度尼西亞(POJ-種質(zhì)2 份)、美國(CP-種質(zhì)2份)、南非(Nco-種質(zhì)1 份),國內(nèi)種質(zhì)包括中國大陸種質(zhì)84 份、中國臺灣F-種質(zhì)和ROC-種質(zhì)7份(表1)。
1.2 方法
100份甘蔗種質(zhì)于2020年12月種植于云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院甘蔗研究所第一科研基地,試驗(yàn)材料取中上部健康腋芽,砍成單芽段種植于大田,采用隨機(jī)區(qū)組種植,所有材料設(shè)3 個(gè)重復(fù),行長3 m,行距1m,每行種植42 芽,四周設(shè)保護(hù)行,采用常規(guī)大田管理。試驗(yàn)地有灌溉條件,土壤pH8.1,有機(jī)質(zhì)含量為27.5 g/kg,堿解氮為93.8 mg/kg,有效磷為24.5 mg/kg,速效鉀為75.2mg/kg,全氮為1.0g/kg,全磷為1.0g/kg,全鉀為12 g/kg,有效鐵為49.9 mg/kg,有效銅為4.2 mg/kg。
于翌年12 月中旬甘蔗成熟時(shí)統(tǒng)一采樣,每個(gè)種質(zhì)、每個(gè)重復(fù)隨機(jī)砍收3 條蔗莖混合榨汁,蔗汁過100 目濾布后備用。采用福林酚法、凱氏定氮法、水合茚三酮法分別對蔗汁的總多酚、蛋白質(zhì)、總游離氨基酸含量進(jìn)行檢測,采用《甘蔗制糖化學(xué)管理分析方法》對蔗汁中的還原糖分、錘度、蔗糖分進(jìn)行檢測,采用火焰原子吸收光譜法測定蔗汁中鉀(K)、鈉(Na)、鈣(Ca)、鐵(Fe)、銅(Cu)含量,采用鉬藍(lán)分光光度法測定蔗汁中磷(P)含量;采用《食品中果糖、葡萄糖、蔗糖、乳糖、麥芽糖的測定:GB 5009.8—2016》中的高效液相色譜法[31-32]檢測蔗汁中的果糖、葡萄糖、蔗糖含量,結(jié)果與分析中所有營養(yǎng)品質(zhì)含量均為甘蔗蔗汁中的含量。
1.3 數(shù)據(jù)處理
采用 Excel 2020 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)整理,利用SPSS 22.0 軟件進(jìn)行主成分和聚類分析。
2 結(jié)果與分析
2.1 甘蔗種質(zhì)營養(yǎng)品質(zhì)描述性統(tǒng)計(jì)分析
糖是人體主要的營養(yǎng)來源之一。由表2 可知,100份甘蔗種質(zhì)資源蔗糖分在16.03%~21.42%之間,平均蔗糖分為19.09%,變異系數(shù)為6.39%,變幅為5.39%。蔗糖是甘蔗最重要的成分,也是含量最高的糖類物質(zhì),100 份甘蔗種質(zhì)資源蔗糖含量在6.44~256.14 mg/mL 之間,平均蔗糖含量為178.24 mg/mL,變異系數(shù)為23.15%。還原糖分在0~4.12%之間,甘蔗中還原糖組成以果糖、葡萄糖等為主,平均含量分別為2.62、1.61 mg/mL,變幅分別為10.87%和10.65%。蛋白質(zhì)是構(gòu)成細(xì)胞的基本有機(jī)物,食物中的蛋白質(zhì)是人體中氮的唯一來源,具有糖類和脂肪不可替代的作用[33],蛋白質(zhì)含量在0.10%~1.06%之間,平均蛋白質(zhì)含量為0.46%,變異系數(shù)為45.65%,變幅為0.96%??傆坞x氨基酸和總多酚平均含量分別為202.40、52.60 mg/100 g , 變異系數(shù)分別為54.13% 和17.45%。礦物質(zhì)是構(gòu)成人體組織和維持生命活動(dòng)的必需元素,在100 份甘蔗種質(zhì)資源中,K 含量最高,在215.16~1441.79 mg/kg 之間,平均值為620.54 mg/kg。Cu 含量最低,在0.32~1.75 mg/kg之間,平均值為0.74 mg/kg。甘蔗中的6 種元素含量排序?yàn)镵>Ca>P>Fe>Na>Cu。
分析結(jié)果顯示,100份甘蔗種質(zhì)資源14 個(gè)營養(yǎng)指標(biāo)在不同甘蔗種質(zhì)間變異程度不同,說明甘蔗種質(zhì)間營養(yǎng)成分存在差異,其中還原糖分和葡萄糖含量的變異系數(shù)大于100%,果糖變異系數(shù)為83.59%,說明不同甘蔗種質(zhì)間的還原糖分、葡萄糖、果糖含量差異較大,其中未檢測到還原糖分的樣品占15%,‘中蔗4 號還原糖分最高為4.12%。未檢測到果糖含量的樣品占22%,‘桂熱2 號果糖含量最高為10.87 mg/mL。未檢測到葡萄糖含量的樣品占64%,‘桂熱2 號葡萄糖含量最高為10.65 mg/mL。
2.2 甘蔗種質(zhì)營養(yǎng)品質(zhì)相關(guān)性分析
100 份甘蔗種質(zhì)資源14 個(gè)營養(yǎng)指標(biāo)相關(guān)性分析結(jié)果見表3,蔗糖分與還原糖分、蛋白質(zhì)、總游離氨基酸、果糖、葡萄糖含量呈極顯著負(fù)相關(guān),說明甘蔗中蔗糖含量高的種質(zhì),其還原糖、蛋白質(zhì)、總游離氨基酸含量偏低,可利用此選育具有特色的專用甘蔗;蛋白質(zhì)含量與總游離氨基酸、總多酚含量呈極顯著正相關(guān),相關(guān)系數(shù)分別為0.94 和0.44,說明蛋白質(zhì)與總游離氨基酸、總多酚品質(zhì)性狀相互聯(lián)系??傆坞x氨基酸含量與總多酚含量呈極顯著正相關(guān)??偠喾雍颗cCa、Fe、Cu 含量之間存在顯著相關(guān)性。果糖含量與葡萄糖含量表現(xiàn)出較高的相關(guān)系數(shù)(0.89),與Fe(–0.12)、Cu(–0.15)含量呈負(fù)相關(guān)。果糖、葡萄糖、蔗糖含量與P 含量均表現(xiàn)出極顯著相關(guān)性,表明甘蔗生長發(fā)育過程中,P 元素的含量直接影響甘蔗的糖分。礦物質(zhì)元素之間,僅Ca 含量與Fe 含量、Fe 含量與Cu 含量之間表現(xiàn)出相關(guān)性。相關(guān)性分析結(jié)果表明,100 份甘蔗種質(zhì)資源14 個(gè)營養(yǎng)指標(biāo)之間存在諸多相關(guān)性,不宜直接用作系統(tǒng)聚類。
2.3 甘蔗種質(zhì)營養(yǎng)品質(zhì)主成分分析
100份甘蔗種質(zhì)資源14 個(gè)營養(yǎng)指標(biāo)主成分分析結(jié)果見表4,前5 個(gè)公因子解釋的累計(jì)貢獻(xiàn)率為69.62%,且特征值大于1,表明前5 個(gè)主成分包含了營養(yǎng)性狀的大部分信息。第1 主成分特征值為2.98,貢獻(xiàn)率為21.26%,該主成分中果糖、葡萄糖含量的特征值最大,其次是還原糖分,因此,將第1 主成分稱為還原糖因子;第2 主成分特征值為2.50,貢獻(xiàn)率為17.86%,該主成分中蛋白質(zhì)含量的特征值最大,其次是總游離氨基酸含量,將第2 主成分稱為蛋白質(zhì)因子;第3 主成分特征值為1.76,貢獻(xiàn)率為12.53%,該主成分中蔗糖含量的特征值最大,其次是蔗糖分,將第3 主成分稱為蔗糖因子;第4 主成分的貢獻(xiàn)率為10.49%,Ca 含量在該主成分中起決定作用,因此,將第4 主成分稱為Ca 含量因子;第5 主成分的貢獻(xiàn)率為7.47%,K 含量在該主成分中起決定作用,因此,將第5 主成分稱為K 含量因子。
根據(jù)表4,構(gòu)建各主成分得分與各營養(yǎng)品質(zhì)間的線性關(guān)系式:
用上述公式計(jì)算出各樣品營養(yǎng)品質(zhì)的綜合得分,ZF 值越大,表示樣品營養(yǎng)品質(zhì)性狀綜合表現(xiàn)越好,其中排名前10 的甘蔗種質(zhì)依次為:‘河糖1 號‘德蔗0978‘福農(nóng)40-95‘中蔗45 號‘云蔗06-193‘中糖2 號‘云蔗07-2800‘中蔗9號‘桂糖11‘POJ2878(表5)。
2.4 甘蔗種質(zhì)資源聚類分析
將甘蔗營養(yǎng)品質(zhì)主成分分析F1、F2、F3、F4、F5的得分作變量進(jìn)行系統(tǒng)聚類分析,采用系統(tǒng)聚類—組間連接法,在歐氏距離為18.5 處,可將100份甘蔗種質(zhì)聚為5 個(gè)類群(表6,圖1)。其中,第Ⅰ類群包含77 份種質(zhì),該類群的特點(diǎn)是蔗糖含量最高,平均蔗糖分為19.29%,平均蔗糖含量為189.54 mg/mL。第Ⅱ類群包含6 份種質(zhì),其特點(diǎn)是Ca、Fe 含量較高,平均含量分別為462.37、16.72 mg/kg,但平均果糖、葡萄糖、蔗糖含量最低,分別僅為1.60、0.53、71.03 mg/mL。第Ⅲ類群包含2 份種質(zhì),‘柳城09-15和‘粵甘49 號,該類群還原糖分、蛋白質(zhì)、總游離氨基酸、總多酚、果糖、葡萄糖、P、Na 含量平均值均較高,平均蔗糖分和鐵含量較低,分別為17.42%和12.70 mg/kg。第Ⅳ類群包含4 份種質(zhì),分別是‘福農(nóng)10-0574‘中糖3 號‘河糖1 號‘閩糖69-421,該類群平均總游離氨基酸含量最高,為501.64 mg/100 g,平均蛋白質(zhì)和總多酚含量較高,其余營養(yǎng)品質(zhì)平均含量均適中。第Ⅴ類群包含11 份種質(zhì),其特點(diǎn)是K 平均含量最高,為1172.04 mg/kg,還原糖分、蛋白質(zhì)、總游離氨基酸、總多酚平均含量較低。
3 討論
甘蔗作為主要的糖料作物之一,糖分是重要的品質(zhì)指標(biāo)。100 份甘蔗種質(zhì)資源中,蔗糖分變異系數(shù)最小,為6.93%;葡萄糖、還原糖分、果糖變異系數(shù)則較大,分別為155.28%、135.29%、83.59%,說明不同甘蔗種質(zhì)在生長過程中還原糖的含量差異較大。因此,充分利用相應(yīng)優(yōu)異資源通過育種手段實(shí)現(xiàn)甘蔗中還原糖的改變具有較大潛力。
通過對100 份甘蔗種質(zhì)營養(yǎng)品質(zhì)進(jìn)行相關(guān)性分析,結(jié)果發(fā)現(xiàn)蔗糖分與還原糖分、蛋白質(zhì)、總游離氨基酸、果糖、葡萄糖含量呈極顯著負(fù)相關(guān),由此可見,甘蔗中蔗糖含量高的種質(zhì),還原糖、蛋白質(zhì)、總游離氨基酸含量偏低,可作為篩選適宜生產(chǎn)白砂糖的種質(zhì)。此外,蛋白質(zhì)與總游離氨基酸及總多酚含量均呈顯著正相關(guān),表明蛋白質(zhì)與此二者品質(zhì)性狀相互聯(lián)系,有助于育種過程中實(shí)現(xiàn)多功能成分同時(shí)選擇。果糖、葡萄糖、蔗糖含量與P 含量呈極顯著正相關(guān),P 是甘蔗體內(nèi)細(xì)胞組織的必要成分,參與蔗糖的合成過程,具有促進(jìn)早期甘蔗糖分積累的作用[34]。礦物質(zhì)含量之間的相關(guān)性分析表明,Ca 含量與Fe 含量、Fe 含量與Cu 含量之間表現(xiàn)出相關(guān)性。眾多學(xué)者研究結(jié)果均表明作物中不同礦質(zhì)元素間存在著復(fù)雜的協(xié)作或拮抗作用。樊麗娜等[26]對甘蔗蔗汁礦質(zhì)元素分析結(jié)果表明,Ca、Mg、Fe 元素含量之間呈顯著正相關(guān);匡立學(xué)等[35]對遼寧省蘋果礦質(zhì)元素含量的研究表明,P 與K、P 與Fe 之間呈顯著正相關(guān);王思琦等[36]對113 份木薯種質(zhì)資源礦物質(zhì)相關(guān)性分析表明,Ca 含量和K 含量呈極顯著正相關(guān),Ca 含量和Na 含量呈極顯著負(fù)相關(guān),Ca、K與Fe、Na 的含量吸收可能存在一定的拮抗作用。作物礦物質(zhì)元素之間的相關(guān)性研究結(jié)果不盡相同,這可能與不同作物,不同品種對同一礦質(zhì)元素的吸收率不同有關(guān)[37]。本研究結(jié)果表明,甘蔗種質(zhì)蔗汁總多酚含量與蔗汁中Ca、Fe、Cu 含量密切相關(guān),應(yīng)進(jìn)行更深入系統(tǒng)地研究。
本研究對100份甘蔗種質(zhì)資源的14個(gè)營養(yǎng)指標(biāo)進(jìn)行主成分分析和聚類分析,結(jié)果表明,100份甘蔗種質(zhì)的營養(yǎng)品質(zhì)含量存在顯著差異,其中,‘河糖1 號‘德蔗0978‘福農(nóng)40-95‘中蔗45號‘云蔗06-193綜合營養(yǎng)價(jià)值較高,可作為高營養(yǎng)價(jià)值的親本材料用以改良甘蔗種質(zhì)營養(yǎng)品質(zhì)。其他綜合營養(yǎng)品質(zhì)居中的種質(zhì),也可根據(jù)其單一指標(biāo)選擇某些性狀較好的種質(zhì)作為親本材料,加以利用而進(jìn)行特定目標(biāo)性狀的改良,如可根據(jù)‘粵糖63-237高鈣含量,改善甘蔗種質(zhì)鈣的富集能力。甘蔗營養(yǎng)品質(zhì)受產(chǎn)地、環(huán)境、品種、播種期和收獲期等條件的影響,本研究只選取一個(gè)試驗(yàn)點(diǎn),各種質(zhì)在不同產(chǎn)地、播種期、收獲期的營養(yǎng)分析有待進(jìn)一步研究,同時(shí)還需結(jié)合農(nóng)藝性狀、工藝性狀等深入研究。