黍稷籽粒含油量及脂肪酸組成分析

金 燦，李克虎，Harold Corke，李海權?

（1.上海交通大學 農業與生物學院 食品科學與工程系，上海200240；2.河北省農林科學院 谷子研究所，河北 石家莊 050035；3.貴州大學 生命科學學院 生物技術系，貴州 貴陽 550025）

黍稷（Panicum miliaceum L.）屬于禾本科植物，是一種廣泛種植的谷類作物，被認為是人類歷史上最早的種植谷物之一[1]。它是一種環境友好作物，在貧瘠、干旱和高溫環境下仍然可以生長[2]。黍稷種植過程中不需要使用化肥和農藥，種子的生長成熟周期很短。因此，黍稷能夠在其他糧食作物可能欠收的地區生長生產[3]，所以它是重要的戰略儲備作物。

目前已發表有關黍稷的研究主要集中在其營養成分和抗氧化性方面。Yu Wen等研究了不同地理來源的黍稷所含淀粉特性的相關性，發現黍稷淀粉的理化性質受基因型和環境因素的影響[4]。Akharume等測定了籽粒蛋白質組分的物理化學和功能特性，并討論了蛋白質結構與功能關系[5]。Shen等比較了9個來自中國的黍稷品種之間的化學成分、抗氧化和抗細菌增殖活性[6]。然而，目前國內外對以黍稷為主要原料的食品開發還不夠充分，作為一種新的商業用油類別，谷物油由于其獨特的健康效益而引起消費者的興趣[7-9]。有研究表明，黍稷籽粒有生產食用油或生物柴油的開發前景[10]。由于目前國內外有關黍稷油的資料有限，還需要進行基礎性和系統性的研究，以便更好地了解這種油的質量和潛在用途。類似研究已經在主要谷類作物（玉米和水稻）上開展，甚至許多小雜糧作物也有了一定研究。Mehmood等為了研究新型食用油來源，測定了10個高粱品種的油脂含量和脂肪酸組成[11]。在燕麥中，Banas研究了不同品種和不同種子發育階段籽粒中的含油量和脂肪酸分布[12]。在谷子中，粗脂肪含量、脂肪酸組成及其相關性已經得到了很好的研究[13-14]。

谷物的含油量決定了其油脂產品開發的潛力，脂肪酸組成決定著油脂的理化性質、營養功能及開發前景。目前，脂肪酸組成在黍稷品種間的差異，各脂肪酸的相關性，均鮮有報道。因此，本研究以來自不同產地的 18個黍稷品種為研究對象，測定籽粒含油量及脂肪酸組成，分析油分性狀的相關性及品種間的差異，旨在為黍稷油脂的開發利用以及定向育種提供一定的科學指導。

1 材料和方法

1.1 材料和儀器

實驗材料：18個來自不同地區的黍稷原料，產地和品種名如表1所列。

實驗儀器：JLG-ⅡA礱谷機：中儲糧成都儲藏研究院有限公司；HC-700Y高速粉碎機：永康市天祺盛世工貿有限公司；SZC-101脂肪測定儀：上海纖檢儀器有限公司；DHG-9030A電熱鼓風干燥箱：上海精宏實驗設備有限公司；LE204E/02電子天平：梅特勒-托利多儀器上海有限公司；7890B-5975B 氣相色譜-質譜聯用儀（GC-MS）：美國安捷倫公司。

1.2 石油醚提取黍稷油工藝

將黍稷籽粒用礱谷機脫去外殼，烘干至恒重后，用高速粉碎機將其打碎成粉末狀備用。然后用索氏提取法提取黍稷油：用濾紙準確稱取 2 g（精確到0.001 g）黍稷粉，包裹后放入濾紙筒，放入索氏提取儀并打開循環冷凝水，每個樣品杯中加入一定比例的石油醚，打開脂肪提取儀進行四個階段的溫度和時間設置：（1）浸泡：55 ℃，30 min；（2）淋洗：80 ℃，30 min；（3）回收：95 ℃，15 min；（4）蒸干：110 ℃，10 min。然后取出樣品杯進行稱重，計算黍稷油的得率。重復三次實驗，選取得率的平均值。

式中：M1為提取后樣品杯與油的質量（g）；M0為提取前空的樣品杯的質量（g）；M為樣品黍稷粉末的質量（g）。

1.3 樣品檢測脂肪酸前處理

在進行 GC-MS分析前要進行脂肪酸的甲酯化。精確稱量50 mg經上述方法得到的黍稷油，并將其轉移到10 mL反應管中，然后，添加2 mL正己烷和2 mL甲醇氫氧化鈉溶液（0.4 mol/L）。蓋緊管蓋后，在旋渦混合器上將其振蕩混合30 s。將盛有樣品的管子放入70 ℃的水浴中10 min，然后取出并使其冷卻至室溫。加入飽和NaCl溶液至總體積達到10 mL，將混合物搖勻后分層，收集上清液，經微濾后轉移至色譜瓶待用。

1.4 樣品檢測GC-MS條件

氣相色譜條件：色譜柱：DB-wax（30 m×0.25 mm×0.25 μm）；升溫程序：初始柱 GC-MS溫為70 ℃，持續5 min，隨后以4 ℃/min的速率升高至 200 ℃，以 2 ℃/min的速率升至240 ℃，溫度保持在240 ℃下10 min；進樣溫度：260 ℃；進樣量：1.00；分流比：不分流；載氣：氦氣（99.999%）；流速：1 mL/min。

質譜條件：電離方式：EI+，70 ev；掃描方式：全掃描；選擇離子監測：74 m/z；質量掃描范圍30～500 amu；離子源溫度：230 ℃；四級桿溫度：150 ℃。

1.5 脂肪酸含量分析

為了確保鑒定的準確性，將主要成分與Supelco 37個組分脂肪酸甲酯（FAME）混合物標準品（CRM47885，Sigma-Aldrich，St.Louis，MO）進行比較。將標準品用正己烷逐級稀釋至原濃度的 1/2、1/4、1/8、1/16，得到一系列不同濃度的標準品。標準品在1.4條件下進行GC-MS分析后建立標準曲線。利用 NIST譜庫，并對比標準品中的脂肪酸出峰時間鑒定脂肪酸，根據峰面積，利用標準曲線計算脂肪酸含量。

1.6 統計分析

所有樣品分析重復兩次，數據使用 SPSS Statistics 19.0（IBM，Armonk，NY）進行處理。方差分析和 Duncan多重極差檢驗差異顯著性（P＜0.05）。采用Pearson相關性分析和主成分分析法對油脂性狀相關性進行分析。采用 Ward方法對18份不同地區的黍稷種質進行聚類分析。

2 結果與分析

2.1 黍稷含油量

表1列出了18個黍稷種質的籽粒含油量。含油量在2.54%～4.00%之間，平均3.71%（表2）。其中紅糜子（內蒙古）含油量最低，小黑黍（山西）含油量最高（表1）。Osman等對五個大麥品種、六個高粱品種進行含油量的研究，得出大麥籽粒的含油量在 1.90%～2.87%之間，高粱種子的含油量在 3.95%～5.63%[15]。Vázquez等對 6個不同基因型的玉米進行研究，得出玉米種子的油的含量在 4.2%～6.8%之間[16]，Zhang等在研究了 7個品種的小米含油量后得出其粗脂肪含量在3.38%～6.49%之間[14]。Kitta等對9個品種的粳稻進行研究，發現粳稻的含油量在 2.76%～3.91%之間[17]。在對4 000多份燕麥材料研究后統計發現燕麥的含油量從 3.1%到 11.6%不等，平均為7.0%[18]。總體來說，與其他谷類作物相比，黍稷的含油量通常高于大麥，低于玉米和燕麥，與水稻和谷子相似。

表1 本研究中使用的18個樣品的品種名、產地和含油量Table 1 Common name,geographical origin and oil content of 18 samples used in this study

2.2 脂肪酸組成

表2列出了18個黍稷品種的脂肪酸組成。共檢測到 10種主要脂肪酸：棕櫚酸（16:0）、棕櫚油酸（16:1n9）、硬脂酸（18:0）、油酸（18:1n9）、亞油酸（18:2n6）、亞麻酸（18:3n6）、花生烯酸（20:1n11）、二十二烷酸（22:0）和二十四烷酸（24:0），如圖 1。其中亞油酸（18:2n6）、油酸（18:1n9）和棕櫚酸（16:0）是黍稷油中含量最高的三種脂肪酸。這三種脂肪酸的范圍分別為0.075～5.19、0.150～3.02 和 0.897～1.81（g/100 g），平均值分別為1.61、1.18和1.39（g/100 g）。

黍稷油的脂肪酸組成與其他谷類作物相似。研究發現燕麥中含量最豐富的脂肪酸是亞油酸、油酸和棕櫚酸[19]，玉米油中的主要脂肪酸是油酸、亞油酸和棕櫚酸，糙米中的主要脂肪酸是棕櫚酸、亞油酸和油酸[20]。但是與其他谷類品種相比，黍稷油中不飽和脂肪酸（UFA）的比例更高。

在18個樣品中，不飽和脂肪酸（UFA）的含量在 82.1%～94.7%之間。飽和脂肪酸，包括硬脂酸、花生烯酸、二十二烷酸和二十四烷酸含量相對較低。在不飽和脂肪酸中，單不飽和脂肪酸（MUFA）的含量在 42.1%～75.6%之間，多不飽和脂肪酸（PUFA）的含量在10.5%～52.4%之間。其中不飽和脂肪酸（UFA）的含量以密穗紅（寧夏）最高，紅糜子（內蒙古）最低。UFA是必需的脂肪酸，必須通過飲食攝入[21]。缺乏必需脂肪酸會導致一系列疾病，據報道，UFA對人體健康有許多益處。例如，亞油酸在細胞生理學、免疫和生殖方面發揮著重要作用[22]。多不飽和脂肪酸可以降低冠心病、老年癡呆癥、精神分裂癥和代謝綜合征的風險[23]。從本研究的數據來看，黍稷油中含有豐富的不飽和脂肪酸，表明食用黍稷油對人體健康有益。

如表3所示，每種脂肪酸在不同品種間差異顯著。亞油酸含量以青海白圪塔糜最高，白稷子（江蘇）最低。油酸含量以白圪塔糜（青海）最高，青隴黃黍（河北）最低。棕櫚酸含量以紅糜（陜西）最高，白稷子（江蘇）最低。本研究所揭示的黍稷脂肪酸濃度的廣泛變化，表明后續可以利用分子生物學的方法來闡明黍稷脂肪酸生物合成途徑。

表3 18個基因型黍稷的脂肪酸組成統計分析Table 3 Descriptive statistics of oil traits in 18 proso millet genotypes

2.3 脂肪酸相關性分析

如表4的相關分析表明，不同脂肪酸之間存在顯著的相互關系。在三種主要脂肪酸中，油酸與亞油酸（r=0.886，P＜0.000 1）和二十二烷酸的含量（r=0.764，P＜0.001）呈顯著相關。亞油酸與亞麻酸（r=0.771，P＜0.001）和二十二烷酸含量（r=0.904，P＜0.000 1）呈正相關。先前的研究也報道了燕麥、大米和谷子油中的亞油酸與亞麻酸含量顯著相關[24]。

表4 18個基因型黍稷的脂肪酸組成的相關分析Table 4 Correlation analysis of oil traits in 18 proso millet genotypes

對于其他脂肪酸，棕櫚油酸與亞麻酸（r=0.817，P＜0.000 1）和花生烯酸的含量（r=0.817，P＜0.000 1）呈正相關。硬脂酸與油酸（r=0.889，P＜0.000 1）、亞油酸（r=0.791，P＜0.000 1）和二十二烷酸的含量呈正相關（r=0.784，P＜0.001）。亞麻酸與二十二烷酸的含量呈正相關（r=0.908，P＜0.001），而與二十四烷酸的含量呈負相關（r=-0.861，P＜0.001）。二十二烷酸與二十四烷酸的含量呈顯著負相關（r=-0.861，P＜0.000 1）。

此外，棕櫚酸與硬脂酸、亞麻酸、花生酸和二十二烷酸之間的相關性較弱。本研究揭示脂肪酸之間的相互關系對以改善油質為目標的黍稷育種計劃具有重要價值，因為根據脂肪酸之間的相關性，提高一種脂肪酸的濃度可能導致另一種脂肪酸濃度的增加或降低。然而，正如淀粉研究中發現的那樣，相關性分析的結果可能因不同研究中使用的樣本而異[25-26]，因此，本研究中的黍稷油中脂肪酸之間的相關性有待后續研究驗證。

2.4 主成分分析（PCA）

本研究利用spss2.0對18個黍稷的10種脂肪酸進行主成分分析，以探討油脂性狀之間的關系。如表 5所示，前兩個主成分的累積貢獻率達到80.3%，基本包含了所有脂肪酸的信息。如表 6所示，第一主成分包含棕櫚酸、硬脂酸、油酸、亞油酸、亞麻酸和二十二碳酸，二十四碳酸。第二主成分包含棕櫚油酸、花生酸和花生烯酸，硬脂酸和油酸。

表5 黍稷脂肪酸的主成分分析Table 5 The principal component analysis of the fatty acids in proso millet

表6 黍稷脂肪酸主成分的成分矩陣Table 6 Component matrix of the fatty acids in proso millet

2.5 聚類分析

對原始變量進行標準化處理后，對18個黍稷品種采用系統聚類分析法進行分析。以歐式平方距離作為度量標準，聚類結果如圖2所示。

圖2 18種黍稷的脂肪酸組成的聚類圖Fig.2 Hierarchical clustering of 18 proso millet genotypes based on oil traits

如圖2所示，當距離為5時，18個樣本可分為四類。螞蚱眼（遼寧）的棕櫚烯酸含量最高，被單獨分為一類。黍子（波蘭）、紅糜子（內蒙古）、青隴黃黍（河北）、白稷子（江蘇）、小黑黍（山西）、紅鵪鶉尾（黑龍江）、790051（印度）歸為Ⅰ類。Ⅱ類包括白軟黍（山西）、黃糜子（遼寧）、黃黍子（內蒙古）、紅糜（山西）組成。其余5個品種屬于Ⅲ類。當距離為10時，分為三類，螞蚱眼（遼寧）仍然單獨一類，每一類都有相似的脂肪酸組成。聚類分析結果表明，18份材料可以通過脂肪酸組成譜進行區分。

3 結論

本文研究了18個黍稷種質的含油量、脂肪酸組成及其相互關系。總體來說，黍稷籽粒含油量高，不飽和脂肪酸比例高，屬于優質食用油。脂肪酸含量在品種間存在顯著差異，這表明利用分子生物學方法在黍稷中鑒定脂肪酸生物合成相關基因型具有良好的研究前景。綜上所述，對于后續研究，在探索黍稷在食用油開發中的潛在用途以及研究黍稷油脂性狀的遺傳基礎，本研究將提供一定的數據支撐。