甘薯块根硬度与干物质含量的相关性

唐道彬安建刚丁 祎白 慧张 凯吕长文傅体华王季春,*

1四川农业大学农学院,四川成都611130;2西南大学农学与生物科技学院 /西南大学南方山地农业教育部工程研究中心 /重庆市甘薯工程技术研究中心,重庆400716

甘薯块根硬度与干物质含量的相关性

唐道彬1,2,**安建刚2,**丁 祎2白 慧2张 凯2吕长文2傅体华1,*王季春2,*

1四川农业大学农学院,四川成都611130;2西南大学农学与生物科技学院 /西南大学南方山地农业教育部工程研究中心 /重庆市甘薯工程技术研究中心,重庆400716

分别采用硬度测定法和烘干法,测试129份甘薯品种(系)块根不同部位的硬度值与干物质含量,构建甘薯各部位硬度与干物质含量的线性回归方程,以探讨甘薯硬度与干物质含量的关系,以及甘薯硬度与干物质含量分级标准。结果表明,129份甘薯材料的块根干物质含量与硬度均可划分为服从正态分布的5级,其平均分布频率为10.00%、19.12%、40.88%、20.88%和9.12%;甘薯不同部位硬度之间存在显著差异;其硬度值表现为径向切割心部>径向切割中部>轴向切割尾部>轴向切割头部>轴向切割心部>轴向切割中部;甘薯硬度与干物质含量呈极显著正相关,以径向切割心部与径向切割中部硬度的平均值建立甘薯干物质含量与硬度间的回归方程为y=0.6743x+3.6184(20≤x≤60,R2=0.712192);用该回归方程验证20个样品集,计算所得干物质含量值与测定值相对误差为0.2%,表明该回归方程可用于准确、快速、低消耗测定甘薯块根干物质含量,指导甘薯育种实践。

甘薯;硬度;干物质含量;相关性;回归方程;概率分级

甘薯干物质含量是衡量其食用品质和淀粉加工品质的重要指标[1]。因此在甘薯遗传研究中选育高干物质含量品种具有重要意义,同时甘薯干物质含量决定甘薯加工企业在田间收购价格,目前甘薯加工企业一般采用目测法确定薯块级别和收购价格,但是该方法不利于公平交易。干物质含量测定传统方法为烘干法,即干物质含量=干重/鲜重´(100%)[1-2]。这种方法需要一定的烘干设备、工作量大、能源消耗大和耗时长,增加了工作量和科研成本。因此寻找一种简单、快速、准确的测定干物质含量的方法,是甘薯遗传育种工作和甘薯营销过程中急需解决的一个问题。相比苹果、枣树、柑桔等,甘薯数量性状的分级研究较为薄弱,在甘薯生产和交易时应用的分级方法基本是经验等差分级,缺乏参考标准。这种方法对性状取值概率分布的反映效果不佳,也难形成统一的分级标准[3]。基于正态分布的概率分级能有效地克服上述不足[3]。在枣[4-5]、林木种子[6]和苹果[3,7]的研究中显示,服从正态分布的样本分级效果理想。吴列洪等[8]在研究甘薯品种干物质含量与油炸薯片含油量和硬度间的相关性时,发现薯片硬度与品种干物质含量存在正相关。同时甘薯育种工作者发现甘薯硬度与甘薯干物质含量之间存在某种相关性,或可以通过测定甘薯硬度来快速获得干物质含量。王文质等[9]通过对大量甘薯品种(系)干物质含量与淀粉率的相关性分析,推算出了甘薯干物质含量与淀粉率之间的回归直线方程,并制定了甘薯淀粉率换算表。董敦义等[10]发现同一毛竹材料的不同接触面硬度值不同,认为其原因可能是竹材不同部位纹理不同。甘薯不同切块方法和不同测定部位是否也对硬度产生影响以及甘薯硬度与干物质含量存在何种相关性研究尚未见相关报道。前人在苹果果实硬度相关研究[11-12]时都采用水果硬度仪测定硬度,取得了较佳的试验效果。本研究对129个品种(系)甘薯用烘干法[1-2]测定其干物质含量,用GY-4型数显式水果硬度计测定不同切块方法下不同部位的硬度。通过分析探索出最能代表甘薯真实硬度的切块方法和测定部位,明确干物质含量与硬度的相关性,建立甘薯硬度与甘薯干物质之间的回归方程,对干物质含量与硬度进行科学合理的分级。以期为甘薯干物质含量测定找到一种快速的方法,解决甘薯育种早代选择只能定性无法定量的缺陷,提高甘薯育种早代选择的效率,同时为甘薯的市场交易提供一种公平、快速的品质评价标准。

1 材料与方法

1.1 试验材料

选用西南大学薯类作物研究所提供的129个品种(系)甘薯资源及20个国内主推品种组成测试样品集。2015年5月种植于西南大学歇马基地,随机区组设计,单行区,2次重复,株行距0.22 m×0.80 m, 10月收获时从每重复随机选取参试品种4个中等大小薯块(大于200 g)供分析用。

1.2 薯块切割方法

选取参试品种中等大小(大于200 g)、直径大于60 mm的薯块4个。洗净用滤纸吸干后利用薯类作物切片机将2个薯块径向切割(图1-A)平分,另外2个薯块轴向切割(图1-B)平分,然后将平分后的薯块分别于切面两侧平行于切面切下厚度为20 mm的薯块,一块用作测定干物质含量,一块用作测定硬度。

1.3 干物质含量测定方法

将薯块去皮后切成颗粒,称取100 g左右鲜样, 105℃下杀青15 min,80℃烘至恒重,精确称量烘干前后样品的重量,计算干物质含量。

1.4 硬度测定方法

确定径向切割测试点位置,即图中所示径向切割心部(A)、径向切割中部(B)测试部位(图2-I);确定轴向切割测试点位置,即图中所示的轴向切割心部(C)、轴向切割中部(D)、头部(E)、尾部(F)等位点(图2-II)。再将断面平放于GY-4型数显式水果硬度仪操作台上并使压头对准断面的测试位点,控制压头以5 mm s–1的速度均匀挤压薯块至压头压入深度为10 mm,记录仪器显示的数据。以此方法测定各个测试点的硬度值,2个薯块相同位点硬度的平均值记为该品种(系)薯块该部位的硬度值。

1.5 主成分分析方法

确定主成分的个数要根据各主成分的特征根和提取主成分的累积贡献率来判定,一般提取主成分的累积贡献率达到80%~85%以上就比较满意;一般用特征根大于1作为纳入标准[14]。

1.6 数据处理

采用Microsoft Excel和SPSS19.0分析和处理试验数据。

2 结果与分析

2.1 甘薯干物质含量与硬度

将参试甘薯干物质含量和6个来源的硬度值的变幅、平均数和变异系数列于表1。从表1可见,各指标变异系数均较大,均在14%以上。将甘薯干物质含量与各部位硬度由低(小)到高(大)等间距分成6组,绘制品种分布频次图并进行c2检验,概率值P≥0.05判定为符合正态分布[13]。从图3可以看出,甘薯干物质含量及各部位硬度均符合正态分布。

以正态分布样本为对象,以(X–1.2818S)、(X–0.5246S)、(X+0.5246S)和(X+1.2818S)为分值点[5],将各指标分为低、中低、中、中高和高5级(表2)。从表2中可以看出按建立的分级标准,各指标均符合正态分布,概率值P均在0.05以上。径向切割中部硬度的概率值P最高,达0.935。从分布比例来看,硬度与干物质含量属于“中”级的品种最多(平均占40.88%),其次是属于“中高”级和“中低”级的品种(平均分别占20.88%和19.12%),属于“高”级和“低”级的品种最少(仅分别占9.12%和10.00%),该分布频率接近“中”级的占40%,“低”级和“高”级各20%,“极低”级和“极高”级各10%的理论概率分布[5],即表明所建立的分级标准科学可靠。

表1 甘薯不同部位硬度和干物质含量变异情况Table 1 Variation of hardness and dry matter rate in different parts of sweetpotato

图3 参试甘薯品种不同部位硬度与干物质含量分布频次

表2 甘薯干物质含量与硬度分级Table 2 Dry matter rate and hardness grading of sweetpotato

2.2 甘薯干物质含量与硬度的相关性

2.2.1 不同部位硬度的方差分析 对129个品种(系)的甘薯6个部位硬度的方差分析(表3)表明,不同部位的硬度之间存在显著差异。多重比较(表4)表明,径向切割中部硬度与轴向切割中部硬度没有差异;径向切割心部与轴向切割心部有显著差异,说明不同的切块方法对甘薯心部硬度有影响。径向切割心部硬度显著高于径向切割中部,轴向切割心部硬度也高于轴向切割中部硬度,但未达到显著水平,说明甘薯心部硬度高于中部硬度。但其他部位硬度相互之间没有显著差异。在甘薯不同部位中,心部的硬度最高,若用心部硬度来代替整体硬度结果会偏高。以上结果说明无法任意以某一部位的硬度来代表整个甘薯硬度,需要提取甘薯不同部位硬度的主要信息。

2.2.2 甘薯不同部位硬度的主成分分析 釆用主成分分析法综合分析不同部位硬度特性指标,确定硬度测定部位的主成分个数。从表5可以看出在所有主成分构成中,信息主要集中在前3个主成分。第1主成分的特征值为3.22,贡献率达到40.07%,是最主要的主成分;第2主成分的特征值为1.89,贡献率是23.63%,是仅次于第1主成分的主成分;第3主成分的特征值为1.33,贡献率是16.61%。前3个主成分的累积贡献率达到80.30%,表明已把甘薯硬度的80.30%的信息反映出来,因此可以选定前3个主成分为甘薯硬度的综合指标。

表3 甘薯不同部位硬度的方差分析Table 3 Variance analysis of hardness in different parts of sweetpotato

表4 甘薯不同部位硬度的两两比较(LSD法)Table 4 Multiple comparison of hardness in different parts of sweetpotato(LSD)

表5 甘薯不同部位硬度主成分的特征值和累计贡献率Table 5 Characteristic value and cumulative contribution rate of principal components in different parts of sweetpotato

由表5可知,第1~3主成分已经基本保留了所有指标的原有信息,可以用3个变量Z1、Z2和Z3代替原来的6个指标,得出线性组合(其中X1~X6均为标准化后的变量),以所选取的第1、第2和第3主成分的贡献率α1、α2和α3作为权数,构建综合评价模型 F=α1Z1＋α2Z2+α3Z3,即 F=0.4007Z1+ 0.2363Z2+0.1661Z3。其中F为综合评价指标,分别代入,得出个综合评价值F(表6)。甘薯6个部位硬

度对甘薯整体硬度值贡献度排名为径向切割心部>径向切割中部>轴向切割尾部>轴向切割头部>轴向切割心部>轴向切割中部。

2.2.3 甘薯不同部位硬度与干物质含量间的相关性及回归方程 图4表明,甘薯干物质含量与各部位硬度之间均存在正相关,即干物质含量随着硬度的增大而增大。随机选择129个样品为建模样本,将烘干法测定的薯块干物质含量值记为y,测得的硬度值记为x,获得各部位硬度与干物质含量间的回归方程。在6个回归方程中,以径向切割心部和径向切割中部决定系数较大,再以干物质含量与径向切割心部和径向切割中部的平均硬度建立拟合的回归方程,决定系数最大,即此方程(y=0.674x+ 3.618,R²=0.712)拟合度最佳。

表6 甘薯不同位置硬度综合评价量及F值Table 6 Comprehensive evaluation of hardness and F-value in different position of sweetpotato

图4 甘薯干物质含量与硬度相关性Fig.4 Correlation between dry matter rate and hardness of sweetpotato

对甘薯的常见品种(系),如徐薯22、南薯88、渝薯2号、渝薯33、苏薯3号、渝薯12、渝薯17、万薯5号、万薯8号、广薯87、商丘52-7、心香等20个品种(系)用回归方程y=0.674x+3.618(其中20≤ x≤ 60,R2=0.712)间接获得的干物质含量对烘干法直接测得的干物质含量验证(表7)。可以看出在20个测试样品中,预测平均绝对误差(MAE)小于1%,平均相对误差(MRE)小于1%,经t测验差异不显著,说明该方程预测结果可靠,可以通过测定甘薯径向切割心部与径向切割中部的硬度计算平均硬度值,代入方程[9]以快速获得该甘薯品种(系)干物质含量的信息。

利用常见硬度值和方程y=0.6743x+3.6184(其中20≤x≤60,R2=0.712192)制定出甘薯径向切割心部-中部平均硬度与干物质含量换算表(表8)。

表7 间接法与烘干法测定甘薯干物质含量的比较Table 7 Comparison between indirect method and drying method for determination of dry matter rate of sweetpotato

3 讨论

干物质含量作为一个衡量甘薯有机物积累、营养成分多寡的重要指标,在生产和研究中常常采用烘干法测定,但此方法耗时、耗能严重。本研究发现甘薯干物质含量与硬度间存在极显著相关性,通过测定硬度来间接了解干物质含量具有方法简单、操作便捷的特点。甘薯头部与中部、尾部与中部干物质含量都存在极显著差异,头部与尾部干物质含量差异不显著[2],在考察整薯干物质含量时应考虑不同部位的代表性。同样,在调查薯块整体硬度时也应考虑不同部位的代表性。同一毛竹材料不同接触面材质纹理不同导致硬度不同[10],甘薯径向切割和轴向切割2种切块的硬度不同,因此有必要对甘薯不同切块方法下不同部位硬度进行研究。

本研究表明,径向切割心部硬度除了与轴向切割尾部硬度、径向切割心部-中部平均硬度没有显著差异外,均显著或极显著高于其他部位的硬度,结合硬度贡献度排名可知径向切割心部硬度是甘薯整体硬度最主要的来源。径向切割心部硬度显著高于

轴向切割心部硬度,径向切割中部硬度与轴向切割中部硬度没有显著差异,表明不同的切块方法只对心部硬度的测定存在显著影响,可能与薯块心部组织排列有关,仍需进一步探究。

表8 甘薯硬度与干物质含量换算表Table 8 Conversion table between hardness and dry matter rate of sweetpotato

前人研究发现甘薯干物质含量与淀粉含量呈正相关[9,15],本研究发现鲜甘薯硬度与干物质含量呈正相关,下一步研究将可探索甘薯硬度与淀粉含量的相关性并直接通过测定硬度而获取淀粉含量信息。

贾延宇等[16]发现鲜甘薯中淀粉含量的分布特点是尾段>头段>中段,内层>外层;直链淀粉含量的分布特点是中段>头段>尾段,外层>内层。直链淀粉是一种线性多聚物,具有良好的抗拉伸力、成型性、成模性、凝胶性及质构调整功能[17]。尾段高淀粉含量与中段高直链淀粉含量的机械性能可能共同导致薯块心部硬度与尾部硬度差异不显著。在本研究建立的一系列回归方程中,干物质含量与径向切割心部-中部平均硬度间的回归方程拟合度最佳,即用甘薯硬度预测甘薯干物质含量时应该采用径向切割心部与径向切割中部硬度的平均值。

根据上述理论,在甘薯育种早代选择中,原有选择技术只能定性判断目标材料,该技术可对早期成千上万的单株材料,快速测定代表性薯块硬度,计算其干物质含量,淘汰非育种目标单株,增加定向选择准确性,使早代选择由定性向定量转变,降低后期育种工作量。此外,甘薯块根的硬度受切块方式、测定部位的影响,育种实践中应选择具有代表性的待测甘薯品种(系)中等薯块,采用径向切割方式测定心部与中部硬度值,以多个硬度值的平均值作为该品种的硬度值,以提高该方法精度和使用效果,同时利用本研究建立的回归方程及硬度与干物质含量速查表,可快速获得待测样品的干物质含量,提高甘薯育种早代选择效率。

4 结论

甘薯硬度和甘薯干物质含量呈极显著正相关,且均可划分为服从正态分布的5级。以129份甘薯品种(系)建立多个不同部位硬度与干物质含量的回归方程,其中以径向切割心部与径向切割中部硬度的平均值建立的甘薯干物质含量与硬度回归方程y=0.6743x+3.6184(20≤x≤60,R2=0.712192)拟合度最优。用该方程验证20个甘薯样品集的干物质含量,相对误差为0.2%,可用于准确、快速、低消耗测定甘薯块根干物质含量,指导甘薯育种实践。

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Correlation between Hardness and Dry-matter Content of Storage Root in Sweetpotato[Ipomoea batatas(L.)Lam.]

TANG Dao-Bin1,2,**,AN Jian-Gang2,**,DING Yi2,BAI Hui2,ZHANG Kai2,LYU Chang-Wen2,FU Ti-Hua1,*, and WANG Ji-Chun2,*

1College of Agronomy,Sichuan Agricultural University,Chengdu 611130,China;2College of Agronomy and Biotechnology,Southwest University/ Engineering Research Center of South Upland Agriculture,Ministry of Education,Southwest University/Sweetpotato Engineering and Technology Research Center,Chongqing 400716,China

To explore the correlation and to discuss the classification standard of hardness and dry-matter content of sweetpotato, collected and determined 129 sweetpotato varieties(lines)by using sclerometer and drying method,respectively,and the linear regression equation was established based on the correlation between hardness and dry-matter content values.The dry-matter content and hardness of storage root in the 129 sweetpotato varieties(lines)could be divided into five grades with normal distribution,which proportions were 10.00%,19.12%,40.88%,20.88%,and 9.12%,respectively.There were significant differences in hardness among different parts of storage root,ranking as:the core site of radial cutting surface>the middle site of radial cutting surface>the tail site of axial cutting surface>the head site of axial cutting surface>the core site of axial cutting surface>the middle site of axial cutting surface.There was significant positive correlation between hardness and dry-matter content of storage root.By using the mean value of hardness at core and middle parts of storage root after radial cutting,the dry matter content could be well predicted by using the regression equation y=0.6743x+3.6184(20≤x≤60,R2=0.712192).This equation was validated in evaluation of the dry matter content in 20 sweet potato varieties(lines),and the relative error between estimated value and measured value was 0.2%.This result demonstrated that the equation obtained in this study could be used foraccurate,fast and low cost measurement of dry matter content in sweetpotato production and breeding.

Sweetpotato;Hardness;Dry-matter Content;Correlation;Regression equation;Probability grading

(

):2016-11-18;Accepted(接受日期):2017-04-18;Published online(网络出版日期):2017-05-11.

10.3724/SP.J.1006.2017.01234

本研究由重庆市社会事业与民生保障科技创新专项重大项目(cstc2015shms-ztzx80001,cstc2015shms-ztzx80002,cstc2015shmsztzx80003,cstc2015shms-ztzx80004)资助。

This study was supported by the Technology Innovation Fund of Chongqing(cstc2015shms-ztzx80001,cstc2015shms-ztzx80002,stc2015shmsztzx80003,cstc2015shms-ztzx80004).

*通讯作者(Corresponding authors):傅体华,E-mail:futihua@sina.com;王季春,E-mail:wchun1963@163.com

联系方式:E-mail:tdbin741023@163.com,Tel:023-68250469**同等贡献(Contributed equally to this work)

URL:http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.1809.S.20170511.1152.010.html