12個(gè)品種小米氨基酸含量測(cè)定及品質(zhì)綜合評(píng)價(jià)

孫 強(qiáng) 郭永霞,2

(1. 黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)，黑龍江 大慶 163319；2. 國(guó)家雜糧工程技術(shù)研究中心，黑龍江 大慶 163319)

谷子(Setariaitalice)屬于禾本科植物，去殼后稱為小米[1]。小米中含有脂肪酸、多種氨基酸、礦物質(zhì)和維生素等多種營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)[2]，其營(yíng)養(yǎng)成分均衡[3]，被公認(rèn)為是最易消化的谷物[4]，對(duì)調(diào)整人體膳食結(jié)構(gòu)有著非常重要的作用[5]。

目前關(guān)于小米中氨基酸含量的研究已有相關(guān)報(bào)道，馮耐紅等[4]對(duì)山西省的10個(gè)品種小米進(jìn)行了氨基酸含量測(cè)定，結(jié)果表明10種小米均含有17種氨基酸，總氨基酸含量的變幅為9.04%～11.34%。馮小磊等[2]對(duì)9個(gè)品種小米氨基酸和脂肪酸含量進(jìn)行測(cè)定分析，結(jié)果表明，小米氨基酸種類全面，EAA/TAA值和NEAA/TAA值接近于FAO/WHO理想標(biāo)準(zhǔn)，適合人體的氨基酸配比。韋露露等[6]對(duì)陜西7種和貴州8種主栽小米品種進(jìn)行了氨基酸含量分析，氨基酸符合WHO/FAO規(guī)定模式。前人對(duì)小米中氨基酸含量進(jìn)行了測(cè)定，但并未對(duì)不同小米品種進(jìn)行品質(zhì)綜合評(píng)價(jià)。研究擬選取12個(gè)小米品種進(jìn)行氨基酸含量的測(cè)定，并利用主成分分析進(jìn)行基于氨基酸含量的品質(zhì)綜合評(píng)價(jià)，以期為小米的種質(zhì)資源的鑒定與篩選、品質(zhì)育種及綜合加工利用提供一定的參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

張雜谷10、張雜谷13、張雜谷19、張雜谷21：張家口市農(nóng)業(yè)科學(xué)院；

晉谷21、晉谷40、晉谷54、晉谷57、晉谷61、晉汾103、晉汾106、晉汾107：山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院；

氨基酸標(biāo)準(zhǔn)品：美國(guó)Sigma公司；

茚三酮：分析純，德國(guó)Menbar Pure公司；

磺基水楊酸、氫氧化鈉、濃鹽酸等：分析純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

1.2 儀器設(shè)備

全自動(dòng)氨基酸分析儀：L-8900型，日本HITACHI公司；

電子天平：AL104型，梅特勒—托利多儀器(上海)有限公司；

離心機(jī)：Centrifuge 5424 R型，德國(guó)Eppendorf公司；

小型高速粉碎機(jī)：TLG-01型，北京天利恒誠(chéng)科技有限公司；

酸度計(jì)：DELTA320 pH型，梅特勒—托利多儀器(上海)有限公司。

1.3 氨基酸的測(cè)定方法

參照 GB 5009.124—2003的方法進(jìn)行，每個(gè)樣品重復(fù)測(cè)定3次。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

1.4.1 隸屬函數(shù)值

(1)

式中：

Xj——第j個(gè)綜合指標(biāo)，j=1，2，…，n；

U(Xj)——第j個(gè)綜合指標(biāo)的隸屬函數(shù)值；

Xmin、Xmax——第j個(gè)綜合指標(biāo)的最小值與最大值[7]。

1.4.2 權(quán)重

(2)

式中：

Wj——第j個(gè)綜合指標(biāo)的權(quán)重；

Rj——第j個(gè)綜合指標(biāo)的貢獻(xiàn)率[8-9]。

1.4.3 綜合評(píng)價(jià)值

(3)

式中：

D——不同小米品種的綜合評(píng)價(jià)值[10-11]。

1.4.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與整理采用Excel 2013；聚類分析采用SPSS 20.0；相關(guān)性和差異性分析、主成分分析(PCA)采用R 3.6.1語(yǔ)言。

2 結(jié)果與分析

2.1 氨基酸組成

從表1可知，12個(gè)小米品種中均含有17種氨基酸，包括人體所需8種必需氨基酸中的7種，分別為亮氨酸(Leu)、苯丙氨酸(Phe)、纈氨酸(Val)、異亮氨酸(Ile)、賴氨酸(Lys)、蘇氨酸(Thr)、甲硫氨酸(Met)，未檢測(cè)到色氨酸(Trp)；包含2種半必需氨基酸，分別為精氨酸(Arg)和組氨酸(His)；其余8種為非必需氨基酸，分別為谷氨酸(Glu)、天冬氨酸(Asp)、丙氨酸(Ala)、脯氨酸(Pro)、酪氨酸(Tyr)、半胱氨酸(Cys)、甘氨酸(Gly)和絲氨酸(Ser)。必需氨基酸含量在3.59～4.77 g/100 g，游離氨基酸總含量在9.56～12.02 g/100 g，此結(jié)果與馮耐紅等[4]研究山西10種小米氨基酸含量的結(jié)果相近，其必需氨基酸含量在4.35%～4.98%，總氨基酸含量在10.27%～11.64%。17種氨基酸中谷氨酸含量最高，平均為2.50 g/100 g，其中晉谷61含量最高(2.86 g/100 g)，張雜谷13含量最低(2.12 g/100 g)；半胱氨酸含量最低，平均為0.12 g/100 g，其中張雜谷10含量最高(0.14 g/100 g)，晉谷61含量最低(0.10 g/100 g)。由差異性分析可知17種氨基酸含量最高的谷子品種與含量最低的谷子品種之間均存在著顯著性差異。17種氨基酸中Ala含量在0.91～1.09 g/100 g，其變異系數(shù)最小為4.61%，說(shuō)明小米品種對(duì)Ala含量影響最小；Ser含量在0.25～0.53 g/100 g，變異系數(shù)最大為32.98%，說(shuō)明小米品種對(duì)Ser含量影響最大。其余15種氨基酸變異系數(shù)介于4.61%～32.98%，通過(guò)變異系數(shù)順序可知小米品種對(duì)氨基酸含量的影響順序?yàn)镾er>Lys>Arg>His>Met>Ile>Thr>Gly>Pro>Tyr>Phe>Asp>Cys>Glu>Leu>Val>Ala。

表1 12個(gè)小米品種的氨基酸組成與含量?Table 1 Amino acid composition and content of 12 millet varieties g/100 g

2.2 氨基酸含量相關(guān)性

由表2可知，小米中所含的17種氨基酸之間具有不同程度的相關(guān)性，其中Tyr只與Val和Ala呈顯著正相關(guān)，與其他氨基酸之間相關(guān)性均不顯著。其余氨基酸之間有的呈極顯著正相關(guān)，如Phe與Ile之間相關(guān)系數(shù)為0.954；有的氨基酸之間呈顯著正相關(guān)，如Cys與Ser之間相關(guān)系數(shù)為0.641；有的氨基酸之間呈極顯著負(fù)相關(guān)，如Lys與Met之間相關(guān)系數(shù)為-0.842；有的氨基酸之間呈顯著負(fù)相關(guān)，如Cys與Thr之間相關(guān)系數(shù)為-0.607。Ser與其他氨基酸之間大多呈負(fù)相關(guān)，但與Arg和Met之間呈極顯著正相關(guān)，His與Tyr相關(guān)性不顯著，與其余15種氨基酸均存在顯著和極顯著相關(guān)性。其余各氨基酸之間均有不同程度的相關(guān)性，大部分均達(dá)到了顯著水平。

表2 12個(gè)小米品種氨基酸相關(guān)性分析?Table 2 Correlation analysis between amino acid composition of 12 millet varieties

2.3 氨基酸含量的主成分

由表3可知，將17個(gè)成分中特征值大于1的成分作為主成分，可提取出2個(gè)主成分(圖1)，累計(jì)方差貢獻(xiàn)率可達(dá)88.329%，說(shuō)明這2個(gè)主成分綜合了12個(gè)小米品種的17個(gè)氨基酸指標(biāo)的88.329%的信息，因此可以利用這2個(gè)主成分來(lái)代替上述17個(gè)氨基酸指標(biāo)對(duì)12個(gè)小米品種進(jìn)行品質(zhì)綜合評(píng)價(jià)。將這2個(gè)主成分定義為第1主成分(PC1)和第2主成分(PC2)，由表4可知這2個(gè)主成分對(duì)應(yīng)特征向量分別為：

PCA,1=0.266x1+0.239x2+0.214x3+0.275x4+0.070x5-0.236x6-0.189x7+0.226x8-0.240x9+0.267x10+0.270x11+0.246x12+0.278x13+0.265x14+0.274x15-0.207x16+0.279x17，

(4)

PCA,2=0.163x1+0.192x2+0.390x3-0.013x4+0.558x5+0.317x6+0.089x7-0.089x8+0.325x9+0.131x10+0.083x11+0.285x12-0.054x13-0.077x14-0.049x15+0.366x16-0.076x17,

(5)

式中：

PCA,1——第1主成分；

PCA,2——第2主成分；

x1、x2、…、x17——Glu、Asp、Ala、Pro、Tyr、Arg、Cys、Gly、Ser、Leu、Phe、Val、Ile、Lys、Thr、Met、His。

由圖1和表3、表4可知，PC1的方差貢獻(xiàn)率為74.293%，在PC1的表達(dá)式中，Glu、Pro、Leu、Phe、Ile、Lys、Thr和His系數(shù)較大，分別為0.266，0.275，0.267，0.270，0.278，0.265，0.274，0.279；PC2的方差貢獻(xiàn)率為14.035%，在PC2的表達(dá)式中，Tyr系數(shù)最大，為0.558；綜合分析上述結(jié)果，Glu、Pro、Leu、Phe、Ile、Lys、Thr、His和Tyr可以作為12個(gè)小米品種品質(zhì)綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)。

表3 主成分提取Table 3 Principal component extraction

圖1 主成分圖Figure 1 Principle component

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

2.4 12個(gè)品種小米品質(zhì)綜合評(píng)價(jià)

2.4.1 隸屬函數(shù)分析 根據(jù)式(1)可計(jì)算出12個(gè)小米品種的2個(gè)綜合指標(biāo)的隸屬函數(shù)值(表5)。由表5可知，2個(gè)綜合指標(biāo)的隸屬函數(shù)值不同，對(duì)PC1而言，晉谷61的U(X1)值最大為 1.000，說(shuō)明晉谷61在PC1上表現(xiàn)出的品質(zhì)最好，張雜谷13的U(X1)值最小為 0，說(shuō)明張雜谷13在PC1上表現(xiàn)出的品質(zhì)最差；對(duì)PC2而言，晉谷21的U(X2)值最大為 1.000，說(shuō)明晉谷21在PC2上表現(xiàn)出的品質(zhì)最好，晉谷40的U(X2)值最小為0，說(shuō)明晉谷40在PC2上表現(xiàn)出的品質(zhì)最差。

2.4.2 品質(zhì)綜合評(píng)價(jià) 根據(jù)式(2)和式(3)可計(jì)算出12個(gè)小米品種的綜合評(píng)價(jià)值即D值(表5)，根據(jù)D值可對(duì)12個(gè)小米品種品質(zhì)優(yōu)劣排序，得出12個(gè)小米品種品質(zhì)優(yōu)劣順序?yàn)闀x谷61>晉汾103>晉谷57>晉汾107>晉谷54>晉汾106>晉谷40>晉谷21>張雜谷21>張雜谷10>張雜谷19>張雜谷13。

2.5 12個(gè)品種小米聚類分析

采用組間聯(lián)接法對(duì)表5中的綜合評(píng)價(jià)值(D值)進(jìn)行聚類分析，構(gòu)建12個(gè)小米品種綜合品質(zhì)聚類樹狀圖(圖2)，聚類分析可以將12個(gè)小米品種劃分為三大類。第 I 類包括晉谷61、晉汾103、晉谷57、晉汾107、晉谷54和晉汾106共6個(gè)品種，其綜合品質(zhì)最好；第 II 類包括晉谷40、晉谷21、張雜谷21、張雜谷10和張雜谷19共5個(gè)品種，其綜合品質(zhì)次之；第 Ⅲ 類包括張雜谷13，其綜合品質(zhì)最差。

圖2 聚類分析圖Figure 2 Clustering analysis graph

表5 12個(gè)小米品種品質(zhì)綜合評(píng)價(jià)Table 5 Comprehensive assessment of quality of 12 millet varieties

3 結(jié)論

對(duì)12個(gè)品種小米的氨基酸組成和含量進(jìn)行分析，所有小米品種均含有17種氨基酸，不同小米品種17種氨基酸含量有一定差異；通過(guò)主成分分析得出晉谷61的綜合品質(zhì)最好，張雜谷13品質(zhì)最差。氨基酸含量是評(píng)價(jià)小米品質(zhì)的重要指標(biāo)，研究采用主成分分析法對(duì)不同品種小米氨基酸含量進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)，為小米品種的篩選提供一定的理論依據(jù)。但關(guān)于不同小米品種其他營(yíng)養(yǎng)成分的測(cè)定及主成分分析還有待進(jìn)一步研究。