基于氨基酸含量的玉米品種品質綜合評價

孫 強 郭永霞，2

(1. 黑龍江八一農墾大學，黑龍江 大慶 163319；2. 國家雜糧工程技術研究中心，黑龍江 大慶 163319)

玉米富含各種氨基酸和維生素，對人體生長發育均有一定的益處。氨基酸是構成機體蛋白質的基本結構分子，其含量對玉米的營養品質有重要作用[1]。不同氨基酸在生物體內具有不同的功能，其中脯氨基酸能促進哺乳動物胎兒和幼崽的生長發育[2-3]，異亮氨酸和纈氨酸可以改善妊娠環江香豬的脂肪代謝和氮代謝[4-5]，谷氨酸可以緩解仔豬斷奶應激反應[6-7]，賴氨酸是動物體內必需蛋白質的重要補充[8-9]。

宋吉英[1]對山東10個產地玉米的氨基酸含量進行了測定；毛紅艷等[10]對新疆地區的玉米品種的賴氨酸及粗脂肪、粗淀粉、粗蛋白、直鏈淀粉含量進行了測定及品質評價；牛麗影等[11]對鮮食糯玉米、甜玉米和常規玉米進行了不同采收期氨基酸變化的分析；孫志東等[12]對136份糯玉米游離氨基酸含量與品質性狀的相關性進行了分析；陳超等[13]對2種玉米氨基酸含量及組成進行了比較分析；牛麗影等[14]利用高效液相色譜法對2種鮮食玉米從鮮穗吐絲授粉到乳熟期的氨基酸含量的變化進行了分析；姬玉梅等[15]利用HPLC法對13個玉米自交系的16種游離氨基酸進行了分析。綜上，不同玉米品種中氨基酸營養成分差異較大，利用某一種氨基酸來評價玉米的品質是不客觀的。研究擬選取16個新玉系列玉米品種進行氨基酸含量測定，并基于氨基酸含量進行品質綜合評價，以期為玉米的品質育種、種質資源的鑒定與篩選及綜合加工利用提供依據。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

玉米：16個新玉系列，新疆首禾農業發展有限公司；

茚三酮：分析純，德國Menbar Pure公司；

氨基酸標準品：美國Sigma公司；

氫氧化鈉、濃鹽酸、磺基水楊酸等：分析純，國藥集團化學試劑有限公司。

1.2 儀器設備

全自動氨基酸分析儀：L-8900型，日本HITACHI公司；

離心機：Centrifuge 5424 R型，德國Eppendorf公司；

電子天平：AL104型，梅特勒—托利多儀器(上海)有限公司；

pH酸度計：DELTA320型，梅特勒—托利多儀器(上海)有限公司；

小型高速粉碎機：TLG-01型，北京天利恒誠科技有限公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 樣品水分含量測定 參照GB 5009.3—2016的直接干燥法。

1.3.2 樣品酸水解和氨基酸含量測定 參照GB 5009.124—2016。

1.4 數據統計分析

1.4.1 隸屬函數值

(1)

式中：

Xj——第j個綜合指標，j=1,2,…,n；

U(Xj)——第j個綜合指標的隸屬函數值；

Xmin、Xmax——第j個綜合指標的最小值與最大值[16]。

1.4.2 權重

(2)

式中：

Wj——第j個綜合指標的權重；

Rj——第j個綜合指標的貢獻率[17]。

1.4.3 綜合評價值

(3)

式中：

D——不同玉米品種的綜合評價值[18]。

1.4.4 數據統計分析 采用Excel 2013軟件進行數據統計與整理；相關性和差異性分析、主成分分析(PCA)采用R 3.6.1語言；聚類分析采用SPSS 20.0軟件。

2 結果與分析

2.1 氨基酸組成分析

由表1可知，16個玉米品種中均含有16種氨基酸，分別為甲硫氨酸(Met)、纈氨酸(Val)、賴氨酸(Lys)、異亮氨酸(Ile)、苯丙氨酸(Phe)、亮氨酸(Leu)、蘇氨酸(Thr)、絲氨酸(Ser)、天冬氨酸(Asp)、谷氨酸(Glu)、丙氨酸(Ala)、甘氨酸(Gly)、酪氨酸(Tyr)、精氨酸(Arg)、組氨酸(His)和脯氨酸(Pro)。其中前7種為人體必需氨基酸，但未檢測到色氨酸(Trp)。新玉41號的必需氨基酸含量最高為26.90 mg/g，新玉87號的最低為18.65 mg/g。16種氨基酸中Glu含量最高為12.68 mg/g，Met含量最低為0.19 mg/g；新玉41號的游離氨基酸含量最高為77.50 mg/g，新玉87號的最低為53.95 mg/g。綜上，16種氨基酸含量最高的玉米品種與含量最低的玉米品種之間均存在顯著性差異(P<0.05)。其中Arg含量為3.21～3.99 mg/g，其變異系數最小為6.78%，說明玉米品種對Arg含量影響最小；Met含量為0.24～1.21 mg/g，其變異系數最大為39.68%，說明玉米品種對Met含量影響最大；其余氨基酸變異系數為6.78%～39.68%，因此玉米品種對氨基酸含量的影響順序為Met>His>Tyr>Lys>Pro>Thr>Leu>Glu>Ser>Phe>Val>Asp>Ala>Ile>Gly>Arg。

表1 16個玉米品種的氨基酸組成與含量?Table 1 Amino acid composition and content of 16 maize varieties mg/g

2.2 氨基酸含量相關性分析

由表2可知，16種氨基酸之間具有不同程度的相關性，其中Met與Lys、Val、Ile、Leu、Phe和Arg 6種氨基酸之間無顯著相關性，Lys與Thr、Pro之間無顯著相關性，Met與Ser和Ala、Lys與Gly和His之間呈顯著正相關(P<0.05)，其余各種氨基酸之間均呈極顯著正相關(P<0.01)。

表2 16個玉米品種氨基酸相關性分析?Table 2 Correlation analysis between amino acid composition of 16 maize varieties

2.3 不同玉米品種氨基酸含量的主成分分析

2.3.1 主成分提取 由表3可知，將特征值>1的作為主成分(圖1)，共提取出2個主成分，累計方差貢獻率達90.227%，這2個主成分綜合了16個玉米品種的16種氨基酸指標的大部分信息，因此可以利用這2個主成分來代替16種氨基酸指標對16個玉米品種進行品質綜合評價。將2個主成分分別定義為第一主成分(PCA，1)和第二主成分(PCA，2)，由表4可知，2個主成分對應特征向量分別為：

圖1 不同玉米品種氨基酸含量主成分提取碎石圖Figure 1 Scree plot of principal component extraction of amino acid content from different maize varieties

PCA，1=0.174Met+0.217Lys+0.257Val+0.245Ile+0.268Leu+0.264Phe+0.252Thr+0.266Asp+0.271Ser+0.270Glu+0.242Gly+0.273Ala+0.247Tyr+0.257His+0.237Arg+0.241Pro，

(4)

PCA，2=0.552Met-0.429Lys-0.251Val-0.200Ile-0.068Leu-0.225Phe+0.293Thr+0.139Asp-0.019Ser+0.121Glu+0.183Gly-0.037Ala+0.002Tyr+0.107His-0.334Arg+0.274Pro。

(5)

續表1

由圖2和表3、表4可知，第一主成分的方差貢獻率為80.832%，在第一主成分的表達式中，Ala、Ser、Glu、Leu、Asp和Phe系數較大，分別為0.273，0.271，0.270，0.268，0.266，0.264；第二主成分的方差貢獻率為9.395%，在第二主成分的表達式中，Met系數最大為0.552；綜上，Ala、Ser、Glu、Leu、Asp、Phe和Met可以作為16個玉米品種基于氨基酸含量的綜合評價指標。

表3 主成分提取Table 3 Principal component extraction

表4 主成分的特征向量及載荷矩陣Table 4 Principal component eigenvectors and loading matrix

圖2 不同玉米品種氨基酸含量主成分圖Figure 2 Principle component of amino acid content from different maize varieties

2.3.2 基于氨基酸含量的品質綜合評價

(1)隸屬函數：由表5可知，2個綜合指標的隸屬函數值不同，對于第一主成分而言，新玉108號的U(X1)值最大為1.000，說明新玉108號在第一主成分上表現出的品質是最好的，新玉87號的U(X1)值最小為0，說明新玉87號在第一主成分上表現出的品質是最差的；對于第二主成分而言，新玉60號的U(X2)值最大為1.000，說明新玉60號在第二主成分上表現出的品質是最好的，新玉80號的U(X2)值最小為0，說明新玉80號在第二主成分上表現出的品質是最差的。

表5 16個玉米品種品質綜合評價Table 5 Comprehensive assessment of quality of 16 maize varieties

(2)權重：經計算，第一綜合指標的權重為0.896，第二綜合指標的權重為0.104。

(3)基于氨基酸含量的綜合評價：根據表5中的D值對16個玉米品種進行基于氨基酸含量的品質優劣排序，其品質優劣順序為新玉54號>新玉65號>新玉59號>新玉108號>新玉84號>新玉60號=新玉77號>新玉74號>新玉41號>新玉80號>新玉47號=新玉9號>新玉29號>新玉35號>新玉87號>新玉13號。

2.3.3 基于氨基酸含量的聚類分析 采用組間聯接法對表5中的D值進行聚類分析，構建16個玉米品種聚類樹狀圖(圖3)。由圖3可知，聚類分析可將16個玉米品種劃分為三大類，第 I 類包括新玉54號、新玉65號、新玉59號、新玉108號、新玉84號、新玉60號、新玉77號、新玉74號和新玉41號9個品種，其基于氨基酸含量的品質最好；第II類包括新玉80號、新玉47號、新玉9號、新玉29號和新玉35號5個品種，其基于氨基酸含量的品質次之；第Ⅲ類包括新玉87號和新玉13號2個品種，其基于氨基酸含量的品質最差。

圖3 聚類分析圖Figure 3 Clustering analysis graph

3 結論

16種玉米均含有16種氨基酸，7種人體必需氨基酸，氨基酸含量最高的玉米品種與含量最低的玉米品種之間均存在顯著性差異(P<0.05)；主成分分析得出Ala、Ser、Glu、Leu、Asp、Phe和Met可以作為16個玉米品種基于氨基酸含量的綜合評價指標；聚類分析將16個玉米品種劃分為三大類，其基于氨基酸含量的品質依次降低，第I類包括新玉54號、新玉65號、新玉59號、新玉108號、新玉84號、新玉60號、新玉77號、新玉74號和新玉41號9個品種；第II類包括新玉80號、新玉47號、新玉9號、新玉29號和新玉35號5個品種；第Ⅲ類包括新玉87號和新玉13號2個品種。該研究基于氨基酸含量對玉米品質進行綜合評價，關于利用其他營養成分對玉米的品質評價還有待進一步研究。