不同芜菁种质资源营养成分分析及评价

任延靖，赵孟良，3，韩 睿

（1 青海大学农林科学院 西宁810016 2 青海省蔬菜遗传与生理重点实验室 西宁810016 3 青海大学 省部共建三江源生态与高原农牧业国家重点实验室 西宁810016）

芜菁（Brassica rapaL.ssp.rapa）属十字花科芸薹属二年生蔬菜作物，又名地蔓菁，扁萝卜、芫根，盘菜，能够适应高海拔气候环境，距今已有1 000 多年的种植历史[1]。主要分布在我国的西北地区，如青海、西藏、新疆、四川等地[2]。其加工利用部位主要为地下部块根，可熟食或用来泡酸菜或作饲料[3]。芜菁块根中富含多种营养元素，具有抗缺氧、补肾生精、健胃消食的功效[4]，被誉为“长寿圣果”[5]。

目前国内针对芜菁的研究主要集中在农艺性状多样性研究[6-7]、倍性鉴定[8]、基因克隆[9]、糖料加工[10]、抗缺氧[11]、品质分析[12]等方面，对青海芜菁种质资源的营养物质及成分分析的研究未见系统性报道。本研究分析来自青海不同地区的50 份芜菁资源中矿质元素及氨基酸的成分和含量，以期挖掘青海特色植物资源，提高资源的利用率，为开发适用于高海拔作业人群缓解高原反应的抗缺氧功能产品提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

以课题组前期收集的来自不同的50 份芜菁种质资源为试验材料（具体信息见表1），其中3份来自日本、2 份来自北京、1 份来自河南、6 份来自河北、6 份来自内蒙古、13 份来自青海、2 份来自四川、2 份来自西藏、2 份来自新疆、2 份来自云南、1 份来自浙江、1 份来自甘肃、1 份来自黑龙江、8 份来自国家种质资源库。材料种植于青海省西宁市二十里铺的青海大学农林科学院园艺所1号试验基地内。该地区属湟水流域灌溉区，土壤为栗钙土，土壤有机质含量20.28 g/kg，pH 8.12，全氮1.17 g/kg，全磷2.18 g/kg，全钾22.5 g/kg，速效氮0.069 g/kg，速效磷0.065 g/kg，速效钾0.299 g/kg[13]。取成熟时期的芜菁块根，用清水冲洗干净后取根肉。

表1 供试材料信息Table 1 Information of tested materials

1.2 仪器与试剂

1.2.1 仪器 AA-800 型原子吸收分光光度计，美国PE 公司；6400A 型火焰光度计仪器，上海分析第三仪器厂；UNICRYO MC4L 型冷冻干燥箱，德国尤尼普公司。

1.2.2 试剂 硝酸、盐酸，默克生命科学（上海）有限公司；高氯酸，天津市风船化学试剂科技有限公司。

1.3 试验方法

1.3.1 矿质元素含量的测定 采用原子吸收分光光度法[14]测定矿质元素含量。精确称取预先处理好的芜菁块根冻干样品，按照样品制备程序将其放入干燥洁净的三角瓶中，加入硝酸-高氯酸溶液2.5 mL，于电热板上进行消煮；取出消煮液，冷却后加蒸馏水定容至100 mL，摇匀待测；采用原子吸收分光光度计和火焰光度计仪器进行钙、锌、钾、铁、镁、硒、镉含量的测定。

1.3.2 氨基酸含量的测定 采用氨基酸自动分析仪法[15]测定氨基酸含量。精确称取干样30 mg，分别置于20～25 mL 安瓿中，用注射器注入6 mol/L盐酸15 mL，抽真空后充入氮气，迅速封口，在110℃烘箱内水解24 h。取出放冷至室温，打开管口，将水解液滤至50 mL 的容量瓶中，用0.01 mol/L盐酸冲洗安瓿内壁和滤纸3 次，合并至各容量瓶内，定容后摇匀。分别精密吸取1.0 mL 样品液，减压蒸干，水洗2 次并挥干，准确加入0.02 mol/L 盐酸8 mL，溶解后，精密吸取一定量样品溶液上机测定氨基酸含量。

1.4 数据统计分析

氨基酸分类分析参照赵孟良等[16]的方法进行，分别分析总氨基酸、必需氨基酸、非必需氨基酸、儿童必需氨基酸；以及味觉氨基酸：鲜味类、甜味类、苦味类及芳香族氨基酸。采用Excel 2013进行数据的整理，采用SPSS 20.0 软件进行主成分和聚类分析。

2 结果与分析

2.1 50 份芜菁种质资源矿质元素含量特征

通过对50 份芜菁种质资源块根中的钙、锌、钾、铁、镁、硒、镉7 种矿质元素进行检测发现（表2）：芜菁种质资源块根中富含钙、钾、镁3 种矿质元素，平均含量均超过2 g/kg DW。其中，钙含量最高的芜菁为T8 和T15（10.80 g/kg DW），含量最低的为T12（2.99 g/kg DW），极差为7.81 g/kg DW，变异系数为0.38；锌元素含量最高的芜菁为BLK（67.80 mg/kg DW），含量最低的为T12（13.70 mg/kg DW），极差为54.10 mg/kg DW，平均值为29.89 mg/kg DW，变异系数为0.39；钾元素含量最高的芜菁是T11（67.60 g/kg DW），含量最低的是T18（18.30 g/kg DW），极差为49.30 g/kg DW，平均值为43.09 g/kg DW，变异系数为0.31；铁元素含量最高的芜菁是IC44，含量为100 mg/kg DW，最低的是T8，含量为25.70 mg/kg DW，极差为74.3 mg/kg DW，平均值为54.58 mg/kg DW，变异系数为0.37；镁元素含量最高的芜菁是G2（4.09 g/kg DW），最低的是T12 为0.81 g/kg DW，极差为3.28 g/kg DW，平均值为2.18 g/kg DW，变异系数为0.40；硒元素含量最高的是G4，为110.00 μg/kg DW，含量最低的是W29，为3.5 μg/kg DW，极差为106.5 μg/kg DW，平均值为9.63 μg/kg DW，变异系数为1.60；镉元素含量最高的芜菁是IC20，为2.50 mg/100 g DW，含量最低的是SK，为0.25 mg/100 g DW，极差为2.25 mg/100 g DW，平均值为0.98 mg/100 g DW，变异系数为0.48。7 种矿质元素含量大小在50 份芜菁种质资源呈现为钾＞钙＞镁＞铁＞锌＞镉＞硒。

表2 50 份芜菁种质资源主要矿质元素含量Table 2 The main mineral nutrient elements content in the 50 Brassica rapa L.ssp. rapa resources

（续表2）

2.2 芜菁主要矿质元素含量与其它十字花科作物的对比

芜菁属于十字花科作物，经查阅文献将其钙、钾和镁含量与十字花科芸苔属其它7 种蔬菜作物进行了比较（表3），结果表明芜菁中钙的含量是其它7种蔬菜的1.2～2.7 倍，钾含量是其它7 种蔬菜的1.4～4.8 倍，镁含量是其它7 种蔬菜的1.2～4.4 倍。

表3 十字花科蔬菜中的钙、钾和镁含量（mg/100 g FW）Table 3 Contents of calcium，potassium and magnesium in cruciferous vegetables（mg/100 g FW）

2.3 50 份芜菁种质资源氨基酸含量

氨基酸不仅是人体生长所需的重要营养物质，更是食品的主要营养成分及风味来源[19]。本研究对50 份芜菁的氨基酸组成进行了深入分析（表4），发现50 份芜菁种质资源中含有苏氨酸、缬氨酸、蛋氨酸、异亮氨酸、亮氨酸、苯丙氨酸及赖氨酸等7 种必需氨基酸（EAA），以及组氨酸、精氨酸、天冬氨酸、谷氨酸、丝氨酸、脯氨酸、丙氨酸、甘氨酸、胱氨酸及酪氨酸等10 种非必需氨基酸（NEAA），说明芜菁中氨基酸组分十分丰富。50 份芜菁资源中氨基酸总量分布在4.16～23.99 g/100 g DW 范围（表5），平均值为11.29 g/100 g DW，变异系数为0.34，多样性指数为0.60，其中天冬氨酸、脯氨酸和谷氨酸含量较为丰富，含量均值在1.0 g/100 g DW 以上。氨基酸含量最高的芜菁资源为G4，含量最低的资源为1407；检测出的17 种氨基酸种含量平均值最高的是谷氨酸为3.35 g/100 g DW，含量最低的是胱氨酸为0.01 g/100 g DW，变异系数最大的是胱氨酸为2.08，最小的是亮氨酸和异亮氨酸，均为0.33；多样性指数最大的是谷氨酸为0.91，最小的是精氨酸为0.32。

表4 50 份芜菁的氨基酸组成及含量（g/100 g DW）Table 4 Amino acid composition and content of 50 Brassica rapa L.ssp.rapa germplasm resources（g/100 g DW）

表5 50 份芜菁的氨基酸含量分析Table 5 Analysis of amino acid content of 50 Brassica rapa L.ssp.rapa germplasm resources

儿童氨基酸指儿童成长所需的10 种氨基酸，包括精氨酸、组氨酸、赖氨酸、色氨酸、蛋氨酸、苏氨酸、亮氨酸、缬氨酸、异亮氨酸和苯丙氨酸，具有促进骨骼发育与生长激素分泌等重要生理功能[20-21]。50 份芜菁资源中儿童氨基酸总量排在前3 位的是G4（9.29 g/100 g DW）、G2（8.42 g/100 g DW）、G3（8.22 g/100 g DW），分别占总氨基酸的38.72%，41.42%，42.18%；必需氨基酸是人体不能合成，必须由食物供给的氨基酸，50 份芜菁资源中必需氨基酸含量最高的3 个资源分别为G4（5.56 g/100 g DW）、G2（4.84 g/100 g DW）、G3（4.77 g/100 g DW），分别占氨基酸总量的23.18%，23.18%，24.47%；非必需氨基酸含量最高的前3位的资源分别是G4（18.43 g/100 g DW）、G3（14.72 g/100 g DW）和G2（15.49 g/100 g DW），其含量分别占总氨基酸总量的76.82%，75.53%，76.19%（表6）。

表6 50 份芜菁资源儿童氨基酸（ACC）、必需氨基酸（EAA）及非必须氨基酸（NEAA）含量Table 6 The contents of amino acids in children（AAC），essential amino acids（EAA）and non-essential amino acids（NEAA）with 50 Brassica rapa L.ssp. rapa germplasm resources

（续表4）

谷氨酸、天冬氨酸、苯丙氨酸、丙氨酸、甘氨酸和酪氨酸这6 种氨基酸由于能使食物呈现出特殊的鲜味，又称鲜味氨基酸[22]。50 份芜菁中的鲜味氨基酸含量丰富，其中含量最高的是G4 为11.59 g/100 g DW，占总氨基酸总量的48.31%，其次是1408 为9.88 g/100 g DW，占总氨基酸总量的58.70%；甘氨酸、丙氨酸、丝氨酸、脯氨酸、天冬酰胺呈现甜味，归属于甜味氨基酸[23]，其中甜味氨基酸总量最高的是G4 为5.41 g/100 g DW，占总氨基酸总量的22.55%，其次是T16，含量为4.41 g/100 g DW，占总氨基酸总量的31.50%。另外，经过检测发现50 份芜菁种质资源中还含有苦味氨基酸和芳香类氨基酸，其中苦味氨基酸含量最高的是G4 为5.72 g/100 g DW，占氨基酸总量的23.84%，其次是G2 为5.14 g/100 g DW，占总氨基酸含量的25.28%；芳香类氨基酸含量最高的资源是1408 为1.09 g/100 g DW，占氨基酸总量的6.48%，其次是T18 为0.99 g/100 g DW，占氨基酸总量的11.48%（表7）。

表7 50 份芜菁中味觉氨基酸含量分析Table 7 Analysis of taste amino acid content in 50 Brassica rapa L.ssp.rapa germplasm resources

（续表6）

含硫氨基酸包括蛋氨酸、胱氨酸和半胱氨酸，在食品色、香、味、安全性及营养方面作用重大[24]。50 份芜菁种质资源中药用氨基酸含量最高的是G4 为15.93 g/100 g DW，占总氨基酸含量的66.40%；其次是G2 为13.62 g/100 g DW，占总氨基酸含量的66.99%。含硫氨基酸含量最高的是IC23 为0.23 g/100 g DW，占氨基酸总量的1.76%，T1、T7 和1410 均未检测出含硫氨基酸（表8）。

（续表7）

2.4 基于营养成分的主成分分析

对50 个芜菁种质资源中含有的17 种氨基酸和7 种矿质元素进行了主成分分析，结果表明（表9）：5 个主成分包含了所有供试性状的大部分信息，累计贡献率达到了81.807%，其中第1 主成分贡献率达到了51.492%，贡献率最大的是赖氨酸（0.954），其次是甘氨酸（0.951）；第2 主成分贡献率为12.683%，贡献最大的是钙（0.814），其次是钾（0.746）；第3 成分贡献率为7.665%，贡献最大的是脯氨酸（0.792）；第4 主成分贡献率为5.133%，贡献最大的是胱氨酸（0.340），第5 这成分贡献率为4.835%，贡献最大的是镉（0.739）。

表9 17 种氨基酸和7 种矿质元素主成分分析Table 9 Analysis of the principal components of 17 amino acids and 7 mineral elements

2.5 基于营养成分的相关性分析

芜菁营养成分间存在一定的相关作用和营养。由表10 可知，24 种营养元素间呈现显著相关（P<0.05）或极显著相关（P<0.01）。天冬氨酸与谷氨酸、甘氨酸、丙氨酸、酪氨酸、苯丙氨酸、苏氨酸、丝氨酸、缬氨酸、异亮氨酸、亮氨酸、赖氨酸、组氨酸、精氨酸、锌、钾、铁、镁、硒之间均存在极显著正相关，且与组氨酸的相关系数最大为0.896；胱氨酸与钙、钾、铁和镁之间呈显著负相关；蛋氨酸与异亮氨酸、亮氨酸之间呈极显著正相关，与钙呈显著负相关；钙与钾、镁呈极显著正相关；锌与钾、铁和镁之间呈极显著正相关；铁与镁呈极显著正相关。

表10 芜菁不同营养元素间相关系数Table 10 Correlation coefficients among different nutrient elements of Brassica rapa L.ssp.rapa

2.6 基于营养成分的聚类分析

依据24 个营养元素数据，采用系统聚类分析法对50 份芜菁种质资源进行了分类，结果表明（图1）在遗传距离为5 处，可以将芜菁种质资源分为4 个类群。第Ⅰ类群包括T12、T17、T18、IC20、IC44、SK、NS1、BLK 等8 份资源，该类统一特征为硒含量最低，平均为0.058 mg/kg DW，平均氨基酸含量最低为9.72 g/100 g DW；第Ⅱ类包括W22、W23、W24、W25、W28、W29、1408、1409、T2、IC22、IC23、IC28、IC40 等13 份资源，该类平均铁元素含量最低为47.08 mg/kg DW，平均氨基酸总量为10.86 g/100 g DW，平均蛋氨酸含量在4 个分类中最高为0.10 g/100 g DW；第Ⅲ类包括W21、W26、W27、1403、1406、1412、1413、G1、T1、T3、T6、T7、T16、IC19、IC43 等15 份资源，该类中矿质元素及氨基酸含量均处于中下水平，表现一般；第Ⅳ类包括W30、1401、1402、1404、1405、1407、1410、1411、G2、G3、G4、T8、T11、T15 等14 份资源，该类中7 种矿质元素含量均最高，且氨基酸含量也位于4 类中的首位，平均含量为13.89 g/100 g DW。

图1 基于营养元素的聚类分析Fig.1 Cluster analysis based on nutrient elements

3 结论

作物种质资源品质性状鉴定评价是作物种质资源研究的重要组成部分，也是优异资源挖掘和利用的基础[25]。该研究采用采用原子吸收分光光度法和氨基酸自动分析仪法对50 种芜菁种质资源中的矿质营养元素及氨基酸成分进行了系统分析，探明了7 中矿质营养元素和17 种氨基酸在芜菁中的含量组成与分布特征，并对其进行了营养评价。得到如下结论：

1）50 份芜菁资源中矿质元素含量存在较大差异，其中以钾、钙、镁为主体。其中以G2 和T11两种资源的总矿质元素含量最高，可作为今后功能食品开发的优良资源。

2）50 份芜菁资源中氨基酸种类及含量十分丰富，其中G4 的氨基酸总量、儿童必需氨基酸、人体必需氨基酸、非必需氨基酸、鲜味氨基酸、甜味氨基酸、药用氨基酸含量均最高，分别为23.99、9.29、5.56、18.43、11.59、5.41 和15.93 g/100g DW，今后可加大G4 资源在食品、功能保健药品等领域的开发研究。

总体而言，芜菁种质资源中的氨基酸种类齐全，鲜味、甜味、含硫与儿童氨基酸等含量丰富，营养价值与市场价值均较高。该研究可为深度开发芜菁蔬菜及产业升级提供理论依据。