冀東地區10個谷子品種籽粒礦質元素和氨基酸主成分及聚類分析

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)

隨著農業生產對水資源的節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價值高等優勢逐漸凸顯，成為環境友好型和保健營養型作物[1～3]。目前，對谷子優質品種沒有明確界定，有關谷子品質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、小麥的氨基酸的質量分數；梁克紅等[5]和崔紀菡等[6]研究了谷子礦質元素的質量分數差異等，但通過氨基酸和礦質元素綜合分析谷子品質的研究報道較少，張愛霞[7]通過對冀谷19的加工副產物進行礦質元素和氨基酸測定，得到小米加工副產物富含多種礦物質，組成蛋白質的氨基酸結構合理。為此，筆者選取河北、山東和河南等省份的10個谷子品種，測定其籽粒中礦質元素與氨基酸的質量分數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遺傳改良、選擇應用提供理論依據。

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119.15°)。該區域屬于暖溫帶、半濕潤大陸性氣候。供試土壤類型為中壤土，土壤有機質的質量分數為32.63 g·kg-1，全氮的質量分數為3.24 g·kg-1，堿解氮的質量分數為121.32 mg·kg-1，速效磷的質量分數為 20.31 mg·kg-1，速效鉀的質量分數為109.28 mg·kg-1。播前整地施入農家肥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)，采取隨機區組設計，3次重復。5月20日人工造墑，5月24日播種，9行區，行長4 m，寬4 m，小區面積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氨基酸質量分數的測定 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)。稱量各品種谷子籽粒粉末0.100 0 g(保留4位小數)，記錄樣品質量，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過濾后溶液于蒸發皿，置于75～80 ℃的水浴鍋蒸干。吸取1 mL蒸餾水到蒸發皿，蒸干(蒸餾水蒸干的過程重復2次)。將蒸干后的蒸發皿取出，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礦質元素質量分數的測定 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射光譜儀(Opyima 2100 DV型電感耦合等離子體發射光譜儀，美國鉑金愛爾默公司生產)測定，3次重復取其平均值。

1.3 數據處理與統計分析方法

采用IBM SPSS Statistics 22統計軟件對試驗數據進行主成分分析和系統聚類分析。

2 結果與分析

2.1 不同品種谷子籽粒中礦質元素質量分數差異分析

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

表2 10個品種谷子籽粒中的礦質元素組成及質量分數 mg·kg-1

2.1.26種主要成分分析 10個品種谷子籽粒中的6種礦質元素的質量分數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種礦質元素的質量分數的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等礦質元素的信息；第二主成分代表10個品種的6種礦質元素的質量分數的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，Fe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種礦質元素主成分載荷矩陣

根據“總分=(65.270/83.325)*FAC1_1+(18.005/83.325)*FAC2_1”計算主成分因子得分。結果表明，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元素進行聚類分析，結果表明，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，Fe，Mg，Mn和Zn的質量分數最高；第二類為豫谷1號，冀谷19，濟谷21，濟谷18，表現為Ca，Mg和Zn的質量分數在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種礦質元素的質量分數在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元素的聚類分析結果

2.2 不同品種谷子籽粒中氨基酸質量分數差異分析

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

表5 10個品種谷子的氨基酸組成及其質量分數 g·kg-1

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

10個品種谷子籽粒中檢測的17種氨基酸中平均質量分數最高的為谷氨酸，為7.57 g·kg-1，其中濟谷20中谷氨酸的質量分數是10個品種谷子最高的(8.93 g·kg-1)。冀谷19中谷氨酸的質量分數是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量分數最高(5.09 g·kg-1)；10個品種谷子中濟谷20的亮氨酸的質量分數最高(6.03 g·kg-1)，而冀谷19亮氨酸的質量分數最低(4.37 g·kg-1)。

10個品種谷子籽粒中支鏈氨基酸(BCAA)平均質量分數為8.23 g·kg-1，其中濟谷20的質量分數最高(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規定標準的0.6[8]。因此谷子中含有豐富營養成分，深入研究谷子營養具有積極意義。

2.2.2主要17種氨基酸質量分數主成分分析 10個品種谷子籽粒中的17種氨基酸質量分數，經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種氨基酸質量分數全部性狀的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“總分=(76.329/87.992)*FAC1_1+(11.663/87.992)*FAC2_1.”計算主成分因子得分。結果表明，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量分數最高，在39.31～42.94 g·kg-1之間，并且品質往往最佳；第2類為濟谷19，豫谷18，冀科谷1號，濟谷17和豫谷1號，其總氨基酸的質量分數在34.67～37.43 g·kg-1之間，營養水平中等；第3類為冀谷19和濟谷21，其總氨基酸的質量分數較低，在32.48～32.78 g·kg-1之間，其營養水平在所選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果

3 結論與討論

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]研究結果一致。10個品種谷子的氨基酸質量分數，主成分分析結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量分數和組成比例存在差異，這與王峰等[10]研究結果一致。本次試驗對10個品種谷子6種礦質元素的質量分數進行測定，不同谷子品種間礦質元素的質量分數有一定的差異，質量分數從高到低依次為Mg，Ca，Fe，Zn，Mn，Cu。Mg和Ca的質量分數顯著高于其它礦質元素，與衛學青等[11]對8個谷子品種礦質元素研究結果一致。品種間礦質元素的質量分數存在差異，可能是由于不同品種谷子對礦質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，Fe，Zn，Mn，Cu質量分數高于大米中相應礦質元素[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，Fe，Zn，Mn和Cu元素。微量元素在生物體內雖然含量極微小，但在生物體內發揮極大的作用[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]。從營養角度講，更應關注谷子礦質元素與氨基酸含量，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10個品種谷子進行綜合評價，礦質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，可以看出谷子礦質元素與氨基酸含量品種間存在差異，這些差異的表現來自品種內在遺傳因素、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產生影響[19,20]。谷子的種植地不同，其生態環境發生改變，土壤、水分、氣候等影響谷子的生長發育，進而也會對谷子品質產生一定影響，所以不同品種谷子品質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進行綜合評價，可以篩選出較優品種，為谷子新品種品質遺傳改良和谷子農產品深加工利用提供依據。