不同品种莲藕游离氨基酸多样性分析

顾晓敏，童 川，韩延超，陈杭君，郜海燕

（浙江省农业科学院食品科学研究所，农业农村部果品产后处理重点实验室，浙江省果蔬保鲜与加工技术研究重点实验室，中国轻工业果蔬保鲜与加工重点实验室，浙江 杭州 310021）

莲藕（Nelumbo nuciferaGaertn.），又名藕、荷藕等，是一种多年生水生蔬菜[1]，在我国湖北、江苏、浙江等地区广泛种植[2]。2019年仅湖北省莲藕种植面积达10.56万 hm2，产量达217.2万 t[3]。莲藕含有约80%水、17.64%淀粉、3.67%总膳食纤维、2.56%蛋白质等成分，营养物质丰富[4-5]。此外，还含有大量的生物碱、类黄酮、多酚等药用成分[6-7]，具有清除自由基、抗氧化和降血糖等生理功效[8-9]。目前，莲藕营养与加工品质、贮藏保鲜等研究逐渐受到重视。Li Shuyi等[10]将莲藕切片分别在40、50、60 ℃处理30 min后，发现湿热处理能够使蛋白质质量分数增加29%～36%。孙其然等[1]在莲藕及下脚料中检测到糖类、核苷类、蛋白质及20种氨基酸，包括人体必需的9种氨基酸。

氨基酸以两种形式存在于植物中：一种是游离态形式；另一种以结合态的形式存在于肽和蛋白质中。氨基酸种类及含量影响植物的生长、成熟和衰老[12]。自然界中氨基酸种类多达150多种，但是在生物体中仅有20多种，分为必需氨基酸（essential amino acids，EAA）和非必需氨基酸（non-essential amino acid，NEAA），是人类身体代谢不可或缺的一种重要营养元素[13]。已有研究表明，莲藕中含有16种氨基酸，总含量为5.96%～15.75%，其中，异亮氨酸（Ile）、苯丙氨酸（Phe）、组氨酸（His）等9种人体EAA含量为1.47%～3.47%，亮氨酸（Leu）、丙氨酸（Ala）、甘氨酸（Gly）等8种NEAA含量为4.49%～12.22%[14]。除了品种与种植环境因素外，贮藏方式、加工方法等也会导致莲藕氨基酸组分与含量产生较大差异。张永清等[15]使用蒲公英提取物对莲藕进行保鲜，研究发现随着贮藏时间的延长，游离氨基酸含量呈下降趋势，与对照组相比，蒲公英提取物处理后样品在贮藏4、8、12、16 d后氨基酸含量分别减少了23.37%、27.12%、59.51%、72.62%；而使用异抗血酸钠作为保鲜剂处理鲜切莲藕则发现，随着贮藏时间的增长，莲藕游离氨基酸含量呈先下降后上升的趋势，说明游离氨基酸参与细胞壁的代谢活动，同时外源酶又分解细胞中的蛋白质，使氨基酸含量有所提高[16]。Shukla等[17]将莲藕制成糖浆并分析贮藏后氨基酸含量的变化，发现贮藏0 d莲藕糖浆中游离氨基酸质量浓度为5.74 μg/mL，而在贮藏15、90、180 d分别为262.95、317.1、351.44 μg/mL，表明氨基酸含量随着贮藏时间的延长而不断提高。姚祥坦等[18]通过研究“藕-鱼”“菱-鱼”共生种养结合模式下莲藕的生长状况发现，低洼田湿地农业“藕-鱼”共生种养结合模式种植的莲藕中氨基酸含量提高了11.3%。游离氨基酸不仅是一种重要的营养物质，同时也是重要的呈香物质，表现出鲜、甜、酸、苦及涩等味感，这些味感形成了食物丰富的味觉层次[19]。因此，明确莲藕中游离氨基酸种类、含量以及呈味特性，对提高莲藕加工制品的营养与品质具有重要意义。

基于上述，关于莲藕氨基酸的研究主要集中在加工方式、贮藏条件以及种植方式等对其组分及含量的影响，针对不同品种莲藕氨基酸含量与组分的研究报道较少。本研究分析28个不同品种莲藕的游离氨基酸组分及含量，通过主成分分析（principal component analysis，PCA）和聚类分析对其进行综合评价，以期为莲藕营养与风味品质评价、品种筛选及产品开发利用提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

实验材料为收集的28 份莲藕主栽品种与地方品种，具体信息见表1。均于2019年3月下旬种植于浙江省金华市农业科学研究院实验基地，栽培条件相同；为排除采后成熟度对其品质的影响，28个不同品种莲藕均于2020年1月10日采收。新鲜莲藕采收当天运回实验室，4 ℃贮存。挑选大小均匀，无病害、无机械损伤的食用部位用于实验研究。

表1 莲藕品种名和产地Table 1 Geographical sources of lotus varieties used in this experiment

17种氨基酸混合标准品（天冬氨酸（Asp）、苏氨酸（Thr）、丝氨酸（Ser）、谷氨酸（Glu）、Gly、Ala、半胱氨酸（Cys）、缬氨酸（Val）、甲硫氨酸（Met）、Ile、Leu、酪氨酸（Tyr）、Phe、His、赖氨酸（Lys）、精氨酸（Arg）、脯氨酸（Pro）） 美国Sigma公司；氨基酸测定用流动相W、R 德国曼默博尔公司。

1.2 仪器与设备

A300全自动氨基酸分析仪 德国曼默博尔公司；XMTD-8222水浴锅 上海精宏实验设备有限公司；Stratos 64R高速低温冷冻离心机 美国贝克曼库尔特有限公司；A11BS025磨样机 德国IKA公司。

1.3 方法

1.3.1 实验样品前处理

参考GB/T 30987—2020《植物中游离氨基酸的测定》[20]。每份材料分别选取3个完整、无机械损伤的莲藕块茎食用部位，经去皮、切块、混合后，使用磨样机粉碎。准确称取0.5 g样品于25 mL试管中，加入10 mL超纯水，90 ℃水浴20 min，期间摇晃一次。室温放置，4 ℃、12 000 r/min离心20 min，使用0.22 μm水系滤头过滤，保存备用。

1.3.2 氨基酸测定

采用氨基酸全自动分析仪进行氨基酸测定。程序为Hydrolysate Standard，锂盐柱分析柱，Pressure E压力25～40 bar，Pressure R压力8～12 bar，茚三酮流速240 μL/min，流动相W和R流速120 μL/min，柱温40 ℃，反应器温度115 ℃，进样量30 μL；混合标准品溶液浓度62.5 nmol/mL。

1.4 数据处理

采用SPSS 20.0软件进行单因素方差分析（Duncan多重比较）和Pearson相关性分析。使用Simca 14统计软件进行PCA和聚类分析。每组样品均进行3 次测定，用平均值作为实验结果。

2 结果与分析

2.1 不同品种莲藕氨基酸组分及含量差异

从氨基酸组成看，28个不同品种莲藕氨基酸种类无差异，均含有Cys、Asp、Thr、Ser等17种氨基酸，与姚祥坦[21]等报道结果一致。图1为‘粗卜’莲藕的氨基酸谱图。亢金秀等[22]在‘鄂莲6号’中仅检测到16种氨基酸组分，未检测到Cys，这可能是样品前处理方法不同所导致。由表2可知，各氨基酸组分存在显著的品种差异性，EAA、NEAA、总氨基酸（total amino acid，TAA）平均含量分别为2.05、12.27、14.33 mg/g，但不同品种莲藕中EAA、NEAA、TAA含量均存在显著差异，这与姚祥坦等[21]的报道结果相近。‘金华无籽藕’（L01）EAA含量最高，为3.08 mg/g；‘细卜’（L08）NEAA、TAA含量均最高，分别为14.81、17.84 mg/g。‘金藕4号’（L04）EAA含量最低，为1.04 mg/g，‘武义白姆食用藕’（L21）NEAA、TAA含量均最低，分别为8.22、10.82 mg/g。

图1 ‘粗卜’莲藕氨基酸图谱Fig. 1 Chromatogram showing amino acid composition of ‘Cubo’ lotus rhizomes

表2 不同品种莲藕氨基酸组分Table 2 Free amino acid composition of different cultivars of lotus rhizomes

莲藕中游离氨基酸的平均含量为由高到低依次为 Glu＞Arg＞Phe＞Thr＞Tyr＞Asp＞Ser＞Val＞Ile＞His＞ Ala＞Lys＞Leu＞Cys＞Met＞Pro＞Gly，其中Glu含量约占TAA含量的66%，分别约为Arg、Phe、Thr、Met、Pro、Gly含量的5、14、31、104、117、472 倍。上述结果表明，尽管28个不同品种莲藕种植环境相同，但是其氨基酸含量仍差异很大，存在显著的品种多样性。

2.2 不同品种莲藕呈味氨基酸分析

氨基酸能够使食物具有特殊的风味[23]。莲藕口感清甜鲜美，与其所含丰富的呈味游离氨基酸有关。游离氨基酸呈味特性可分为鲜味氨基酸（Glu、Asp、Lys）、甜味氨基酸（Thr、Gly、His、Ala、Pro、Ser）、苦味氨基酸（Met、Arg、Val、Leu、Ile）和芳香族氨基酸（Phe、Tyr、Cys）4 类[24]。由表3可知，莲藕鲜味氨基酸含量为8.57～11.47 mg/g，平均含量为9.89 mg/g，占TAA平均含量的69%；‘细卜’（L08）是鲜味氨基酸含量最高的品种，含量达 11.47 mg/g，约占其TAA含量的64%。莲藕甜味氨基酸含量为0.46～2.04 mg/g，平均含量为0.99 mg/g；‘金华无籽藕’（L01）甜味氨基酸含量最高，为 2.04 mg/g，约占其TAA含量的12%。莲藕苦味氨基酸含量为1.08～3.59 mg/g，平均含量为2.36 mg/g；‘红花藕’（L09）含量最高，为3.59 mg/g，约占其TAA含量的22%。莲藕芳香族氨基酸含量为0.60～1.55 mg/g，平均含量为1.06 mg/g。‘金华无籽藕’（L01）芳香族氨基酸含量最高，为1.55 mg/g，约占其TAA含量的9%。莲藕中含量最高的氨基酸为Glu（表2），Glu是一类重要的鲜味氨基酸[25]，在莲藕鲜味中发挥关键作用。28个不同品种莲藕中，‘细卜’（L08）是鲜味氨基酸含量最高的品种（11.47 mg/g），并且甜味氨基酸（1.54 mg/g）、芳香族氨基酸（1.49 mg/g）含量均较高，说明其口感较好。不同品种莲藕呈味氨基酸含量由高到低依次为：鲜味氨基酸＞苦味氨基酸＞芳香族氨基酸＞甜味氨基酸，说明莲藕口感整体较好。

表3 不同品种莲藕呈味氨基酸含量Table 3 Contents of taste-active amino acids in different cultivars of lotus rhizomes

2.3 不同品种莲藕氨基酸含量相关性分析

对莲藕中17种氨基酸含量进行相关性分析，结果如表4所示。Arg含量与Glu、Gly、Ala、Phe含量之间无显著相关，与Ser、Pro显著相关（P＜0.05）；Glu含量与Gly含量显著相关（P＜0.05），Met含量与Phe含量显著相关（P＜0.05）；其余氨基酸含量间均极显著相关 （P＜0.01），表明各氨基酸组分间相关性较强。

表4 不同品种莲藕中游离氨基酸含量相关性分析Table 4 Correlation analysis between free amino acid contents in different cultivars of lotus rhizomes

2.4 同品种莲藕游离氨基酸的PCA

PCA方法可将彼此间具有相关性的较多指标简化为相对独立或相关性较小的几个具有代表性的指标，保留绝大部分原始信息，较单一评价更快捷、准确，同时避免了性状间的相关性影响评价结果[26-27]，目前已广泛用于评价不同品种大豆[28]、地参[29]、杨梅[27]等农产品的品质。对不同品种莲藕游离氨基酸进行PCA发现，不同品种的莲藕样品分别集中于不同区域（图2）。L08（‘细卜’）、L25（‘马口白莲’）、L10（‘金花红莲’）、L27（‘江苏无花藕’）、L26（‘东河早藕’）、L17（‘苏州食用藕’）位于第1象限，但L08（‘细卜’）远离其他品种，说明除L08外，其他品种莲藕的游离氨基酸成分组成和含量相近；L09（‘红花藕’）、L22（‘湖州中白荷’）、L18（‘杭州藕’）位于第2象限；L04（‘金藕4号’）、L05（‘金藕2号’）、L14（‘武义柳城食用藕’）、L15（‘湖州早白荷’）、L19（‘鄂莲9号’）、L20（‘金藕3号’）、L07（‘武义食用藕’）、L12（‘金华白莲’）、L11（‘鄂莲7号’）位于第3象限；L24（‘绍兴红花藕’）、L06（‘鄂莲新品系’）、L28（‘金华小花食用藕’）、L21（‘武义白姆食用藕’）、L03（‘鄂莲5号’）、L01（‘金华无籽’）位于第4象限，但L21（‘武义白姆食用藕’）、L03（‘鄂莲5号’）、L01（‘金华无籽藕’）远离其他品种，说明这3个品种莲藕的游离氨基酸含量和组成与其他品种差异较大。L02（‘金藕1号’）、L23（‘粗卜’）、L24（‘绍兴红花藕’）位于纵轴上，说明其主要受PC2影响；L16（‘鄂莲1号’）、L14（‘武义柳城食用藕’）位于横轴上，说明其主要受PC1影响。

图2 不同莲藕品种的PCA得分图Fig. 2 PCA score plot for different lotus rhizomes

2.5 不同品种莲藕游离氨基酸的综合评价

由表5可知，前3个PC累计方差达到80.16%，因此利用前3个PC对不同品种莲藕进行综合评价是可行的。以17个游离氨基酸指标为初始自变量，经PCA最终得出3个PC因子的方程表达式如下：

表5 总方差分析结果Table 5 Eigenvalues of first three principal components and their contribution to total variance

以3个PC对应的方差相对贡献率为权重，将各品种PC得分和相应的权重进行线性加权求和建立综合评价函数F=0.506F1+0.276F2+0.218F3，计算各品种莲藕的综合评价得分以反映其氨基酸综合品质，综合得分越高说明该品种莲藕氨基酸营养品质越好。如表6所示，综合得分排名前5的品种依次为‘金华无籽藕’（L01）、‘细卜’（L08）、‘鄂莲5号’（L03）、‘武义白姆食用藕’（L21）、‘金华红莲’（L10），说明这5个莲藕品种的氨基酸综合品质相对较好。

表6 不同莲藕品种的成分得分和综合得分Table 6 Principal component scores and comprehensive scores of different cultivars of lotus rhizomes

续表6

2.6 不同品种莲藕游离氨基酸的聚类分析

对28个品种莲藕中17种氨基酸含量进行聚类分析，结果如图3所示，所有莲藕品种可分为3 类：第1类为L01（‘金华无籽藕’）、L08（‘细卜’）、L03（‘鄂莲5号’）和L21（‘武义白姆食用藕’），这4种莲藕的TAA含量、鲜味氨基酸及芳香味氨基酸含量均高于平均值，口感最好；第2类包括L04（‘金藕4号’）、L05（‘金藕2号’）、L14（‘武义柳城食用’）、L19（‘鄂莲9号’）、L15（‘湖州早白荷’）和L20（‘金藕3号’），这6种莲藕的TAA含量、鲜味氨基酸及芳香族氨基酸含量均低于平均值，品质最差；第3类为L27（‘江苏无花藕’）、L10（‘金华红莲’）、L25（‘马口白莲’）、L09（‘红花藕’）、L22（‘湖州中白荷’）、L18（‘杭州藕’）、L02（‘金藕1号’）、L13（‘鄂莲6号’）、L16（‘鄂莲1号’）、L17（‘苏州食用藕’）、L26（‘东河早藕’）、L12（‘金华白莲’）、L07（‘武义食用藕’）、L11（‘鄂莲7号’）、L06（‘鄂莲新品系’）、L28（‘金华小花食用藕’）、L23（‘粗卜’）和L24（‘绍兴红花藕’），这一类莲藕的TAA含量、鲜味氨基酸及芳香味氨基酸含量接近平均值，品质较好。聚类结果与前述PCA结果一致。因此，可为莲藕品种的引种推广、开发利用及氨基酸营养价值评价提供良好参考。

图3 不同品种莲藕聚类分析图Fig. 3 Dendrogram from cluster analysis of different lotus rhizomes

3 结 论

本研究对28个不同品种莲藕进行游离氨基酸含量、组分和呈味特性分析，结果表明，不同品种莲藕均含有17种游离氨基酸，TAA含量为10.82～17.84 mg/g，平均含量约为14.33 mg/g。莲藕中呈味氨基酸含量从高到低依次为鲜味氨基酸、苦味氨基酸、芳香族氨基酸与甜味氨基酸，其中鲜味氨基酸含量约占TAA含量的69%。莲藕氨基酸含量与呈味氨基酸构成均存在显著的品种差异性。PCA与聚类分析结果表明，3个PC累积贡献率达到80.16%，28个莲藕品种可分为3 类。筛选获得‘金华无籽藕’‘细卜’‘鄂莲5号’‘武义白姆食用藕’‘金华红莲’5个游离氨基酸品质较好的莲藕品种。本研究结果为今后利用不同莲藕种质，基于莲藕氨基酸含量开发藕制品，以及莲藕的营养与特征风味研究和品种选育等提供理论依据。