不同玉米品种籽粒中营养成分含量及相关性分析

2020-03-16黄庆华钟儒清袁维峰张宏福

农业大数据学报 2020年4期

李凯黄庆华钟儒清陈亮，2 * 袁维峰张宏福

（1.中国农业科学院北京畜牧兽医研究所，北京 100193；2.动物营养学国家重点实验室，北京 100193）

1 引言

玉米是粮食、饲料和工业原料兼用的农作物，已成为我国的第一大粮食作物，是人类和畜禽的重要粮食来源。随着畜牧业的大发展，饲料工业发展迅速，越来越多的玉米被用做饲料[1]。目前被大量种植的玉米品种较多，各品种化学组成的差异以及各化学组成之间的关系对于养分在动物消化道内的利用具有一定的影响，进而影响其效能值，因此弄清楚不同玉米品种各化学组成的含量及其关系，可为玉米在动物体内的消化利用的进一步研究提供一定的理论基础[2]。玉米中淀粉为最大的组成部分，一般占玉米干物质的70%左右，其次为粗蛋白，然后是非淀粉多糖（nonstarch polysaccharides,NSP）[3]，根据可溶性又可将NSP 划分为：可溶性非淀粉多糖（soluble non-starch polysaccharides,SNSP）和不可溶性非淀粉多糖（insol‐uble non-starch polysaccharides，INSP），大多数谷物中NSP 主要包括阿拉伯木聚糖（arabinoxylans,AX）、纤维素和混联β-葡聚糖[4]。淀粉可被动物消化道内源酶充分降解，为动物的主要能量来源，但动物体内缺少能够降解NSP 的内源酶，NSP 会包裹淀粉和蛋白质，阻碍营养物质的吸收利用，ISNP 与消化液接触后会增加食糜粘度，降低营养物质与小肠表面接触的机会；由于粘度增加，NSP 会延长食糜向后肠推进的时间，给了肠道中厌氧微生物充足的繁殖时间及营养底物，进而破坏肠道微生物区系；此外NSP 也会降低肠道内源酶的活性[5]。目前大量研究者对于玉米中的淀粉含量以及淀粉的类型和特性进行了研究[6,7]，而由于玉米中NSP的含量与其他谷物饲料相比较低，对其研究较少；此外，玉米中不同类型NSP、淀粉以及常规养分之间的关系研究甚少。本研究就14 种玉米品种淀粉、NSP 和常规养分的含量和组成进行研究，并对各化学组成之间的关系进行分析，为玉米作为饲料原料得以更好的利用提供一定的理论参考。

2 原理与方法

2.1 试验材料

本试验选取由国家畜禽养殖数据中心收集的来自北京、河南、河北及东三省四个产区的14 个玉米品种为试验材料，大部分品种种植范围广，为目前我国主要的玉米种植品种，具体信息如表1所示：

2.2 样品分析

所有玉米样品经四分法取样后粉碎过60 目筛，充分混合均匀后包装，与-20℃冰箱保存。干物质（GB/T6435-2006），粗蛋白（GB/T6432-1994），粗脂肪（GB/T6433-2006），粗灰分（GB/T6438-2007），淀粉（采用Megazyme 总淀粉测定试剂盒），β-葡聚糖（采用Megazyme 混联β-葡聚糖检测试剂盒），SNSP 和INSP 含量及组成其的各中性糖和糖醛酸含量采用乙酸酐衍生化气相色谱法测定（参照Uppsala 994.13（1995）[8]、张亚伟（2014）[9]和马云翔等（2004）[10]、黄庆华（2015）[11]）。

2.3 计算

SNSP、INSP 和总NSP（total NSP,TNSP）计算公式如下：

SNSP=鼠李糖*0.82+（岩藻糖+甘露糖+半乳糖+葡萄糖）*0.90+（阿拉伯糖+木糖）*0.88+糖醛酸*0.83；

INSP=鼠李糖*0.82+（岩藻糖+甘露糖+半乳糖+葡萄糖）*0.90+（阿拉伯糖+木糖）*0.88+糖醛酸*0.83；

TNSP=INSP+SNSP；

阿拉伯木聚糖(arabinoxylans,AX)=（阿拉伯糖+木糖）*0.88；

其中0.88 和0.90 分别为戊糖和己糖转换为聚糖时的系数，0.82 为一水鼠李糖转换为聚糖时的系数，0.83为一水半乳糖醛酸转换为其聚合物时的系数。

纤维素=TNSP葡萄糖-β-葡聚糖

各养分含量及TA/X、IA/X、SA/X 之间的相互关系采用主成分分析（SIMCA-P 11.5）及简单相关分析（SAS 9.4），显著水平为P＜0.05，极显著水平为P＜0.01。

3 数据获取与分析

3.1 淀粉和常规养分含量

由不同品种玉米籽粒中养分含量（表2）可以看出，玉米籽粒中淀粉为最主要的组成部分，占玉米籽粒干物质的70.97%～76.98%。不同玉米品种的籽粒中淀粉含量差异较大，其中郑单958 的籽粒淀粉含量最高，而京品6 号的籽粒淀粉含量最低。玉米籽粒中粗蛋白含量次高，占玉米籽粒干物质的7.86%～10.34%，其中黑301 籽粒的粗蛋白含量最高，中研16-2 籽粒的粗蛋白含量最低。玉米籽粒中粗脂肪含量占玉米籽粒干物质的3.55%～4.98%，其中黑301 籽粒的粗脂肪含量最高，中研16-2 籽粒的粗脂肪含量最低，这与粗蛋白的含量趋势相似。粗灰分在玉米籽粒中的含量仅占玉米干物质的1.08%～1.49%，其中锐步1号籽粒的粗灰分含量最高，四单19籽粒的粗灰分含量最低，但各玉米品种之间的差异不明显。

3.2 非淀粉多糖含量

表2 结果显示，玉米籽粒中除淀粉和粗蛋白以外，TNSP 的含量最高，占玉米籽粒干物质的6.98%～9.76%，其中京品6 号籽粒的TNSP 含量最高，郑单958 籽粒的TNSP 含量最低。INSP 的含量远高于SNSP 的含量，分别占玉米籽粒干物质的6.14%～8.65%和0.49%～1.18%。其中AX 和纤维素为玉米籽粒中NSP 的主要组成部分，分别占玉米籽粒干物质的2.92%～5.01%和1.63%～2.72%，β-葡聚糖含量占玉米籽粒干物质的0.04%～0.14%，由此可看出组成玉米NSP 的主要单糖为阿拉伯糖（arabinose,A）、木糖（xy‐lose,X）和葡萄糖。阿拉伯糖与木糖的比值（A/X），反应的是AX 的分支程度，TAX 中A/X 与IAX 中A/X相似，而SAX中A/X高于前两者。

3.3 主成分分析和相关性分析

图1 为玉米不同品种籽粒中各组成成分的主成分得分图，其中t1 和t2 为第一和第二主成分。从图中可以看出各品种之间存在相似性还是差异性，然后对其进行分类。如果品种之间相互接近，说明他们具有相似的分析参数即各养分的含量亦相似。图1 显示，品种1,10 和11（四单19、郑单958 和中研16-2）相互靠近，说明其具有相似的养分含量，表2 也显示，3个玉米品种籽粒中的各养分含量接近，因此可将3 个品种划为一类。另外，品种2，3 和4（京品6 号、金科11和农大108）可分为一类，其他各品种归为一类。

图2 为各养分的荷载图，其中p1 和p2 分别为第一和第二主成分。从图中可以得到玉米各养分之间的相互关系的信息，相互靠近的养分之间具有正相关性，而位于坐标轴相反方向的指标之间具有负相关性。图2 与表3 结果显示，淀粉与粗蛋白、粗脂肪、TNSP、INSP 和IAX 均在PC1 坐标轴的相反方向，因此淀粉与其均呈显著负相关（P＜0.05），相关系数分别为（r=-0.60、-0.62、-0.69、-0.76 和-0.55）。粗蛋白与粗脂肪、粗灰分和TAX 相互靠近，与其均呈显著正相关（P＜0.05），相关系数分别为（r=0.70、0.61 和0.52）。粗灰分与INSP、TAX 和IAX 呈显著正相关（P＜0.05），相关系数分别为（r=0.62、0.76 和0.76）。TNSP 与INSP、SNSP 和纤维素呈显著正相关（P＜0.05），相关系数分别为（r=0.97、0.62 和0.82）。INSP 与纤维素和IAX 呈显著正相关（P＜0.05），相关系数分别为（r=0.69 和0.55）。SNSP 与纤维素和β-葡聚糖位于同一象限呈显著正相关（P＜0.05），相关系数分别为（r=0.84 和0.64），而与TAX 和SAX 位于相互对立的象限，呈显著负相关，相关系数分别为（r=-0.54 和-0.75）。TAX和IAX 呈极显著的正相关（P＜0.01），相关系数为r=1.00。

图2 和表4 显示，粗蛋白和粗灰分与A/X（TAX）和A/X（IAX）位于PC1 坐标轴的相反方向，彼此间显著负相关（P＜0.05），相关系数分别为（r=-0.67、-0.69和r=-0.57、-0.58）。

粗脂肪与A/X（TAX）和A/X（IAX）也位于PC1坐标轴的相反方向，但与A/X（TAX）和A/X（IAX）的相关性不显著（P＞0.05）。此外，TAX 和IAX 与A/X（TAX）和A/X（IAX）呈极显著地负相关（P＜0.01），相关系数分别为（r=-0.69、-0.71 和r=-0.70 和-0.71）。A/X（TAX）与A/X（IAX）呈极显著的正相关（P＜0.01），相关系数为（r=0.99）。而其他养分含量与阿拉伯木聚糖的分支程度均无显著相关性（P＞0.05）。

4 结果与讨论

淀粉为玉米籽粒中最主要的组成部分，占玉米籽粒的70%左右，通常作为动物饲料中的能量来源。本试验中测定的不同玉米品种中淀粉含量在70.97%～76.98%，高于Barzegar 48.9%的测定结果[12]；也高于Liu等38.60%～67.34%的测定结果[2]。Yang等测定了甘肃等10 个产地玉米的常规成分，报道玉米的粗蛋白含量为8.07%～9.69%[1]；Li 等报道的玉米粗蛋白含量为9.2%[13]，本试验中的测定结果与其相似。Liu 等报道的四种玉米籽粒中粗脂肪含量分别为3.53%、3.80%、4.45%和12.07%，其中12.07%为甜玉米籽粒中粗脂肪含量[2]，本研究中各玉米品种的粗脂肪含量在3.55%～4.98%，表明甜玉米籽粒中粗脂肪含量要远高于普通玉米籽粒的粗脂肪含量。玉米干物质中淀粉含量随粗蛋白、粗脂肪和粗灰分含量的增加而减少，但粗脂肪和粗灰分含量随着粗蛋白含量的增加而增加，目前还缺少相关研究解释这一现象。

谷物饲料中NSP 一般主要由AX、β-葡聚糖和纤维素组成[14-16]，而本试验结果显示玉米中NSP含量较少，尤其是β-葡聚糖含量极少，AX 和纤维素为玉米NSP的主要部分。大部分AX和纤维素属于INSP，而β-葡聚糖属于SNSP[17]，因此玉米中INSP 含量远高于SNSP。其中TNSP与INSP有很强的正相关（r=0.97）,而与SNSP 的相关性稍低（r=0.62），SNSP 与β-葡聚糖具有较强的正相关（r=0.64），而与TAX 有较强的负相关（r=-0.54）。但SNSP 与纤维素表现出很强的正相关（r=0.84），与SAX 表现出很强的负相关（r=-0.75），这一现象还需进一步研究。另外，INSP 的含量与IAX 的含量具有较强的正相关（r=0.55），这说明INSP和IAX 的含量在玉米中具有相似的变异性和分布。INSP 主要存在于植物的细胞壁中，随着INSP 和TNSP 含量的增加，说明植物细胞壁在谷物籽粒的比重增加，而淀粉存在于非细胞壁结构中，因而淀粉含量也会随之减少。

谷物中AX 主要由阿拉伯糖和木糖组成，其结构一般由一个线性的β-（1-4）-木聚糖为主链，然后由阿拉伯糖替代O2和O3位置的木糖残基构成，因此阿拉伯糖与木糖的比值，反应AX 的分支情况。本研究中玉米TAX 和IAX 具有相似的分支程度，A/X（TAX）和A/X（IAX）具有极强的正相关（r=0.99），而可溶性阿拉伯木聚糖SAX 与其不同，具有较高的A/X 值，即分支程度较高。分支程度高的AX 在动物的大肠中更容易被微生物发酵，以供动物机体利用。本研究发现玉米中粗蛋白、粗灰分、TAX 和IAX 的含量与A/X（TAX）A/X（IAX）呈显著地负相关，这意味着AX 含量高，其分支程度反而越低，这一结果与Holtekjølen等（2006）对大麦的研究结果相似[13]。造成这一现象的具体原因还需进一步的研究来解释。