芋頭揮發性代謝物分析及其品質綜合評價

郭巨先 黃家昕 李桂花 符梅 羅文龍 王 俊 陸美蓮

（1廣東省農業科學院蔬菜研究所/廣東省蔬菜新技術研究重點實驗室，510640，廣東廣州；2仲愷農業工程學院，510225，廣東廣州）

芋頭[Colocasia esculenta(L.)Schoot]屬天南星科多年生草本植物，是一種糧菜兼用作物，其營養豐富，含有多種礦物質和維生素，球莖可食用，同時具有藥用價值，能提高機體免疫力，入藥能治療多種疾病，且用途廣泛，在人體內能不同程度地增強細胞免疫和體液免疫的功能[1-3]。芋頭在我國具有多年的栽培歷史，且蟲害較少，氮素利用效率高，是高產多能的作物。國內種植區域大部分集中在珠江流域及臺灣省，因受自身生長習性影響，分布趨向南方[4-5]。隨著種植面積的擴大和產業化的形成，栽培芋頭已經成為我國南方地區的重要經濟作物[6-7]。我國廣東地區芋頭栽培歷史悠久，在長期發展中形成了具有一定地方特色和知名度的品種[7]。芋頭的研究多集中在資源評價[8-11]、栽培[12]和加工[13-14]等方面。芋頭品種的評價因素有抗病性、產量性狀、耐貯存性和營養品質等[8-11]，其中營養品質和產量性狀是品種評價的重要因素。芋頭作為一種大眾食品，大部分研究[13,15-22]僅對檳榔芋的淀粉理化性質以及香沙芋、紅芽芋和檳榔芋的常規營養成分進行了檢測和基本定量分析，而對芋頭資源品質相關性狀的綜合評價研究[10-11]較少，并且缺乏有效的數學分析方法對其進行系統評價。

主成分分析法具有綜合評分指標和簡化評價程序的功能，能夠表達待測品種的綜合信息，是一種科學的統計評價法；聚類分析按照相似歸類的原則，將分析對象劃分成若干類群。結合2種分析方法，能夠將性狀相似、營養水平相等的品種劃為同類，進行優良排序，該方法已經廣泛用于農作物的綜合評價[22-23]。但是利用主成分分析法對芋頭品質進行綜合評價的研究少見報道。

本研究收集了18個來源于我國不同地區的芋頭資源，測定了13個農藝性狀和常規營養指標以及黃酮和總酚等功能保健成分，運用主成分分析法和代謝組學方法對芋頭品質進行綜合評價，從而篩選出綜合品質較佳的品種，為我國芋頭現代品種的選育和資源開發利用提供參考依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

本研究引進了各地的多子芋品種7個和魁芋品種11個（表1），于2019年2月25日定植于廣東省農業科學院鐘落潭試驗基地，株行距40cm×50cm，采用露地單行種植，常規肥水管理。2019年12月20日統一采收。

表1 供試芋品種和來源Table 1 The names and origins of tested taro varieties

1.2 測定項目與方法

1.2.1 外觀品質指標 用GY-1手持式硬度計測定硬度，參考《芋種質資源描述規范和數據標準》[24]和《農作物種質資源鑒定評價技術規范》[25]測量芋頭的縱徑、橫徑和單芋重等形態指標，每個品種設置3個重復。

1.2.2 總酚及黃酮含量 參考李靜等[26]的方法測定芋頭中總酚含量。參考鄧菊慶等[32]的方法測定芋頭總黃酮含量。稱取芋頭根部約2.5g，80℃烘干24h后，研成粉末，并用60%乙醇萃取待測。精確稱取蘆丁標準溶液0.0、0.2、0.4、0.7、1.2、1.6和2.0mL，用60%乙醇溶解相應濃度后，于510nm波長測定吸光度，并根據樣品吸光度計算樣液的總黃酮含量。以沒食子酸標準品25mg，定容后制定標準曲線濃度，在760nm的紫外光下測定吸光度，計算對應的總酚含量。

1.2.3 常規營養品質 參考王鴻飛等[28]的方法測定芋頭中維生素C（Vc）的含量。按照王春霞等[29]的方法測定直鏈淀粉和支鏈淀粉的含量。參考宋萍等[30]的方法測定粗纖維含量。按照《食用菌中總糖含量的測定：GB/T 15672-2009》[31]測定還原糖含量。依照《食品安全國家標準食品中蛋白質的測定：GB 5009.5-2016》[32]測定蛋白質含量。

1.2.4 揮發性代謝組學 揮發性代謝物分析以外觀和芋香味差異較大的炭步香芋和花都紅芽芋為材料。從-80℃冰箱中取出樣品進行液氮研磨，渦旋混合均勻，每個樣本稱取約1g（液體1mL）于頂空瓶中。分別加入1～2mL飽和NaCl溶液，10μL內標溶液。全自動頂空固相微萃取HS-SPME進行樣本萃取，以供GC-MS（Agilent 8890-5977B）分析。SPME進樣參數：老化溫度250℃，老化時間5min；加熱溫度60℃，加熱時間10min；吸附時間20min；解析時間5min；進樣后老化時間5min。

1.3 數據處理

主成分分析采用初始因子載荷矩陣旋轉處理，目的是剔除重復信息，讓矩陣系數更加顯著。運用軟件SPSS 23.0和Excel進行數據分析和處理。GC-MS分析獲取的原始數據文件首先由MassHunter軟件（Agilent）進行峰提取，獲得特征峰的質荷比、保留時間和峰面積等信息，然后進行統計學分析。

2 結果與分析

2.1 不同芋品種的外觀指標

本研究中大部分芋頭外觀大小存在較大的形態學變異（表2）。供試芋頭品種外觀指標的變異系數介于36.30%～94.54%，說明芋頭品種的硬度、大小和單芋重等外觀變異較大。其中，多子芋單芋重為37.73～119.67g，而魁芋的單芋重為530.03～1900.01g，多子芋和魁芋的變異系數均超過90%，可知芋頭品種對單芋重的影響最大。其中，單芋重最大值與最小值相差達到1862.27g，約為50倍。魁芋的縱徑、橫徑和單芋重普遍大于多子芋，而硬度差異不顯著。相關性分析（表3）表明，硬度與縱徑和單芋重均呈負相關，而縱徑與橫徑和單芋重之間存在極顯著正相關，說明外觀指標間存在較強的相關性。

表2 不同芋頭品種的硬度、縱徑、橫徑和單芋重的比較分析Table 2 Variation of hardness,longitudinal diameter,transverse diameter and weight per taro of different taro varieties

表3 不同芋頭品種各外觀品質指標的皮爾森相關性分析Table 3 Pearson correlation analysis on appearance quality indexes of different taro varieties

2.2 不同芋品種營養品質指標

各供試芋頭品種基礎營養指標存在較大變異（圖1），變異系數介于11.10%～52.50%，說明芋頭品種對營養品質的影響較大。變異系數排序為直鏈淀粉＞支鏈淀粉＞黃酮＞還原糖＞總酚＞粗纖維＞蛋白質＞Vc＞干物質。其中干物質的變異系數最小，為11.10%。直鏈淀粉的變異系數最大，為52.50%。其中，多子芋的干物質、直鏈淀粉和支鏈淀粉含量要普遍低于魁芋，有5個多子芋和1個魁芋的總酚含量相對較高，而10個魁芋品種的黃酮類物質相對含量較高。相關分析結果（表4）顯示，關鍵營養成分Vc和直鏈淀粉含量均與總酚、黃酮和還原糖含量呈顯著負相關。其中還原糖、直鏈淀粉和支鏈淀粉含量之間存在顯著正相關，而該3個參數與粗纖維、還原糖和蛋白質含量呈顯著負相關。

表4 9個營養品質相關指標的皮爾森相關性分析Table 4 Pearson correlation analysis on the nine quality related indexes

圖1 18個芋頭品種的營養品質相關參數的變異Fig.1 Variation of quality indexes in 18 taro varieties

2.3 芋頭品種性狀的主成分分析

由表5可知，前4個主成分累計貢獻率達82.31%，能反映芋頭營養品質參數變異的大部分信息，因此選取前4個主成分進行芋頭品種綜合分析。第1主成分貢獻率達到41.42%，主要代表橫徑、支鏈淀粉、干物質、黃酮、縱徑和單芋重等特征；第2主成分貢獻率達到16.96%，主要代表直鏈淀粉、Vc和粗纖維的特征信息；第3主成分貢獻率達到13.41%，主要代表粗纖維、蛋白質和Vc的特征信息；第4個主成分貢獻率達到10.52%，主要代表還原糖和總酚的特征信息。

表5 4個主成分的特征值、貢獻率及累計貢獻率Table 5 The eigenvalues,contribution rates and the accumulative contribution rates of four principal components

2.4 不同芋品種的綜合評價

根據主成分得分結果，構建了4個主成分的函數表達式，并得出各自的得分，根據方差貢獻率對各個主成分進行賦值，得出公式F=0.4142×F1+0.1696×F2+0.1341×F3+0.1052×F4，由此求出各芋頭品種主成分得分（表6）。對18個芋頭品種的品質性狀進行綜合評價。由表6可知，第1主成分中除龍巖香芋外，其余10個魁芋品種得分都較高，而7個多子芋品種在第1主成分中得分均為負值。炭步香芋、張溪香芋和乳源香芋的第1主成分大于1，說明魁芋品種的優勢在單芋重和淀粉等質量性狀和黃酮等功能成分含量上。廣西紅芽芋和荔浦香芋在第2主成分得分較高，說明這2個品種在粗纖維和Vc含量上具有優勢。江西白芽芋、炭步香芋和乳源香芋在第3主成分得分較高，說明這些品種在Vc、膳食纖維和直鏈淀粉含量上都有較強的優勢。龍巖香芋和連州嶺芋在第4主成分得分最高，說明這2個品種還原糖和酚類物質具有優勢。

表6 供試芋品種的主成分得分及其排序Table 6 The scores of the principal components and the ranking of the excellent degree of the quality of taro varieties

2.5 差異性揮發性代謝物分析

通過GC-MS氣質聯用法，進一步分析了炭步香芋（魁芋）和花都紅芽芋（多子芋）的差異揮發性代謝物。相對于花都紅芽芋，炭步香芋具有更長根莖（圖2a）。主成分分析（圖2b）證明了2種芋頭品種之間的差異比較明顯。共鑒定到76種揮發性代謝物，這些代謝物豐度差異不同（圖2c）。通過差異豐度代謝物分析，共發現了2種極顯著上調的代謝物（圖2d）。這2種代謝物包括1-甲基乙基-萘和4-甲基-6-庚烯-4-油化物（表7）。因此，這2種顯著上調的代謝物很可能與炭步香芋香味的生物學特性有關。

圖2 炭步香芋和花都紅芽芋的差異揮發性代謝物比較Fig.2 Comparison on quality related traits and correlation analysis in Tanbuxiang taro and Huaduhongya taro

表7 芋頭的2種差異性揮發性代謝物Table 7 Two significantly enriched metabolites in two taro varieties

3 討論

芋頭是一種重要的蔬菜兼糧食作物，提高芋頭的經濟價值一直是我國芋頭高產優質育種的核心。對于芋頭經濟價值的評估，首先要系統調查芋頭相關經濟性狀的自然變異，對于開展芋頭的分子設計育種亦至關重要[33-35]，然而國內外對該方面相關報道很少。本研究通過整合各項形態學指標、生理生化參數以及代謝組學分析，系統闡述了芋頭不同品種間的遺傳變異，揭示了影響芋頭香氣的關鍵小分子代謝物。

3.1 芋頭感觀與營養品質分析

種質資源是進行育種、科研和生產的重要物質基礎。目前國內芋頭種質資源最豐富的是國家種質武漢水生蔬菜資源圃，該資源圃共收集并保存了來自全國各地的芋頭種質資源400多份[33]。如何對芋頭的種質資源進行系統評價是芋頭現代育種的重要科學問題。本研究以來自我國不同生態區收集的18個芋頭品種為例，系統分析了各形態學指標及生理學參數，并證明了各品質性狀存在著遺傳差異，且變異范圍廣，尤其是單芋重、縱徑、直鏈淀粉和支鏈淀粉，說明供試品種中這些營養指標蘊含著巨大的改良潛力。

3.2 芋頭香氣品質相關代謝物分析

香氣是芋頭食味品質最重要的指標之一。前人[34-36]根據芋頭的食味品質進行了分級，然而并沒有一個量化的指標。隨著代謝組學的發展，揮發性代謝物的檢測已經成為經濟作物品質評價的重要手段之一[37-38]。本研究利用GC-MS氣質聯用的方法，對炭步香芋和花都紅芽芋的揮發性代謝物進行系統分析，共鑒定到了76種揮發性代謝物，其中炭步香芋1甲基乙基-萘和4-甲基-6-庚烯-4-油化物較花都紅芽芋顯著上調，這2種代謝物的生理學功能目前并沒有相關報道，推測這2種代謝物與芋頭香氣的分子調控有關，對于多子芋和魁芋的香氣相關代謝物仍需要分子生物學研究。

3.3 基于主成分分析的芋頭品種綜合評價

主成分分析法具有簡化評價指標的功能。前人[22-23]對于園藝經濟作物的果實品質方面已有大量研究。本研究通過主成分降維的方法，將13項評價指標簡化成4個互相獨立的綜合指標（主成分），其特征值均大于1，累積貢獻率高達82.31%，說明4個主成分反映了品質性狀的大部分特征信息。結果顯示，魁芋綜合排名前5位依次是張溪香芋＞乳源香芋＞長亭香芋＞荔浦香芋＞炭步香芋；多子芋以廣西紅芽芋綜合得分最高。

4 結論

從綜合評分排序來看，魁芋排名較前的5個品種分別是張溪香芋、乳源香芋、長亭香芋、荔浦香芋和炭步香芋，排名較前的幾個品種分別從廣東、廣西和福建收集而來，說明這幾個地區是芋頭生長的優勢產區。廣西紅芽芋綜合排名第8位，在多子芋中排名第1位，是優質的多子芋品種。相對于花都多子芋，炭步香芋中顯著上調的代謝物包括1-甲基乙基-萘和4-甲基-6-庚烯-4油化物，說明這2種代謝物很可能是檳榔芋品種產生芋香味的主要原因。