基于氨基酸含量的玉米品种品质综合评价

孙 强 郭永霞，2

(1. 黑龙江八一农垦大学，黑龙江 大庆 163319；2. 国家杂粮工程技术研究中心，黑龙江 大庆 163319)

玉米富含各种氨基酸和维生素，对人体生长发育均有一定的益处。氨基酸是构成机体蛋白质的基本结构分子，其含量对玉米的营养品质有重要作用[1]。不同氨基酸在生物体内具有不同的功能，其中脯氨基酸能促进哺乳动物胎儿和幼崽的生长发育[2-3]，异亮氨酸和缬氨酸可以改善妊娠环江香猪的脂肪代谢和氮代谢[4-5]，谷氨酸可以缓解仔猪断奶应激反应[6-7]，赖氨酸是动物体内必需蛋白质的重要补充[8-9]。

宋吉英[1]对山东10个产地玉米的氨基酸含量进行了测定；毛红艳等[10]对新疆地区的玉米品种的赖氨酸及粗脂肪、粗淀粉、粗蛋白、直链淀粉含量进行了测定及品质评价；牛丽影等[11]对鲜食糯玉米、甜玉米和常规玉米进行了不同采收期氨基酸变化的分析；孙志东等[12]对136份糯玉米游离氨基酸含量与品质性状的相关性进行了分析；陈超等[13]对2种玉米氨基酸含量及组成进行了比较分析；牛丽影等[14]利用高效液相色谱法对2种鲜食玉米从鲜穗吐丝授粉到乳熟期的氨基酸含量的变化进行了分析；姬玉梅等[15]利用HPLC法对13个玉米自交系的16种游离氨基酸进行了分析。综上，不同玉米品种中氨基酸营养成分差异较大，利用某一种氨基酸来评价玉米的品质是不客观的。研究拟选取16个新玉系列玉米品种进行氨基酸含量测定，并基于氨基酸含量进行品质综合评价，以期为玉米的品质育种、种质资源的鉴定与筛选及综合加工利用提供依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

玉米：16个新玉系列，新疆首禾农业发展有限公司；

茚三酮：分析纯，德国Menbar Pure公司；

氨基酸标准品：美国Sigma公司；

氢氧化钠、浓盐酸、磺基水杨酸等：分析纯，国药集团化学试剂有限公司。

1.2 仪器设备

全自动氨基酸分析仪：L-8900型，日本HITACHI公司；

离心机：Centrifuge 5424 R型，德国Eppendorf公司；

电子天平：AL104型，梅特勒—托利多仪器(上海)有限公司；

pH酸度计：DELTA320型，梅特勒—托利多仪器(上海)有限公司；

小型高速粉碎机：TLG-01型，北京天利恒诚科技有限公司。

1.3 试验方法

1.3.1 样品水分含量测定 参照GB 5009.3—2016的直接干燥法。

1.3.2 样品酸水解和氨基酸含量测定 参照GB 5009.124—2016。

1.4 数据统计分析

1.4.1 隶属函数值

(1)

式中：

Xj——第j个综合指标，j=1,2,…,n；

U(Xj)——第j个综合指标的隶属函数值；

Xmin、Xmax——第j个综合指标的最小值与最大值[16]。

1.4.2 权重

(2)

式中：

Wj——第j个综合指标的权重；

Rj——第j个综合指标的贡献率[17]。

1.4.3 综合评价值

(3)

式中：

D——不同玉米品种的综合评价值[18]。

1.4.4 数据统计分析 采用Excel 2013软件进行数据统计与整理；相关性和差异性分析、主成分分析(PCA)采用R 3.6.1语言；聚类分析采用SPSS 20.0软件。

2 结果与分析

2.1 氨基酸组成分析

由表1可知，16个玉米品种中均含有16种氨基酸，分别为甲硫氨酸(Met)、缬氨酸(Val)、赖氨酸(Lys)、异亮氨酸(Ile)、苯丙氨酸(Phe)、亮氨酸(Leu)、苏氨酸(Thr)、丝氨酸(Ser)、天冬氨酸(Asp)、谷氨酸(Glu)、丙氨酸(Ala)、甘氨酸(Gly)、酪氨酸(Tyr)、精氨酸(Arg)、组氨酸(His)和脯氨酸(Pro)。其中前7种为人体必需氨基酸，但未检测到色氨酸(Trp)。新玉41号的必需氨基酸含量最高为26.90 mg/g，新玉87号的最低为18.65 mg/g。16种氨基酸中Glu含量最高为12.68 mg/g，Met含量最低为0.19 mg/g；新玉41号的游离氨基酸含量最高为77.50 mg/g，新玉87号的最低为53.95 mg/g。综上，16种氨基酸含量最高的玉米品种与含量最低的玉米品种之间均存在显著性差异(P<0.05)。其中Arg含量为3.21～3.99 mg/g，其变异系数最小为6.78%，说明玉米品种对Arg含量影响最小；Met含量为0.24～1.21 mg/g，其变异系数最大为39.68%，说明玉米品种对Met含量影响最大；其余氨基酸变异系数为6.78%～39.68%，因此玉米品种对氨基酸含量的影响顺序为Met>His>Tyr>Lys>Pro>Thr>Leu>Glu>Ser>Phe>Val>Asp>Ala>Ile>Gly>Arg。

表1 16个玉米品种的氨基酸组成与含量†Table 1 Amino acid composition and content of 16 maize varieties mg/g

2.2 氨基酸含量相关性分析

由表2可知，16种氨基酸之间具有不同程度的相关性，其中Met与Lys、Val、Ile、Leu、Phe和Arg 6种氨基酸之间无显著相关性，Lys与Thr、Pro之间无显著相关性，Met与Ser和Ala、Lys与Gly和His之间呈显著正相关(P<0.05)，其余各种氨基酸之间均呈极显著正相关(P<0.01)。

表2 16个玉米品种氨基酸相关性分析†Table 2 Correlation analysis between amino acid composition of 16 maize varieties

2.3 不同玉米品种氨基酸含量的主成分分析

2.3.1 主成分提取 由表3可知，将特征值>1的作为主成分(图1)，共提取出2个主成分，累计方差贡献率达90.227%，这2个主成分综合了16个玉米品种的16种氨基酸指标的大部分信息，因此可以利用这2个主成分来代替16种氨基酸指标对16个玉米品种进行品质综合评价。将2个主成分分别定义为第一主成分(PCA，1)和第二主成分(PCA，2)，由表4可知，2个主成分对应特征向量分别为：

图1 不同玉米品种氨基酸含量主成分提取碎石图Figure 1 Scree plot of principal component extraction of amino acid content from different maize varieties

PCA，1=0.174Met+0.217Lys+0.257Val+0.245Ile+0.268Leu+0.264Phe+0.252Thr+0.266Asp+0.271Ser+0.270Glu+0.242Gly+0.273Ala+0.247Tyr+0.257His+0.237Arg+0.241Pro，

(4)

PCA，2=0.552Met-0.429Lys-0.251Val-0.200Ile-0.068Leu-0.225Phe+0.293Thr+0.139Asp-0.019Ser+0.121Glu+0.183Gly-0.037Ala+0.002Tyr+0.107His-0.334Arg+0.274Pro。

(5)

续表1

由图2和表3、表4可知，第一主成分的方差贡献率为80.832%，在第一主成分的表达式中，Ala、Ser、Glu、Leu、Asp和Phe系数较大，分别为0.273，0.271，0.270，0.268，0.266，0.264；第二主成分的方差贡献率为9.395%，在第二主成分的表达式中，Met系数最大为0.552；综上，Ala、Ser、Glu、Leu、Asp、Phe和Met可以作为16个玉米品种基于氨基酸含量的综合评价指标。

表3 主成分提取Table 3 Principal component extraction

表4 主成分的特征向量及载荷矩阵Table 4 Principal component eigenvectors and loading matrix

图2 不同玉米品种氨基酸含量主成分图Figure 2 Principle component of amino acid content from different maize varieties

2.3.2 基于氨基酸含量的品质综合评价

(1)隶属函数：由表5可知，2个综合指标的隶属函数值不同，对于第一主成分而言，新玉108号的U(X1)值最大为1.000，说明新玉108号在第一主成分上表现出的品质是最好的，新玉87号的U(X1)值最小为0，说明新玉87号在第一主成分上表现出的品质是最差的；对于第二主成分而言，新玉60号的U(X2)值最大为1.000，说明新玉60号在第二主成分上表现出的品质是最好的，新玉80号的U(X2)值最小为0，说明新玉80号在第二主成分上表现出的品质是最差的。

表5 16个玉米品种品质综合评价Table 5 Comprehensive assessment of quality of 16 maize varieties

(2)权重：经计算，第一综合指标的权重为0.896，第二综合指标的权重为0.104。

(3)基于氨基酸含量的综合评价：根据表5中的D值对16个玉米品种进行基于氨基酸含量的品质优劣排序，其品质优劣顺序为新玉54号>新玉65号>新玉59号>新玉108号>新玉84号>新玉60号=新玉77号>新玉74号>新玉41号>新玉80号>新玉47号=新玉9号>新玉29号>新玉35号>新玉87号>新玉13号。

2.3.3 基于氨基酸含量的聚类分析 采用组间联接法对表5中的D值进行聚类分析，构建16个玉米品种聚类树状图(图3)。由图3可知，聚类分析可将16个玉米品种划分为三大类，第 I 类包括新玉54号、新玉65号、新玉59号、新玉108号、新玉84号、新玉60号、新玉77号、新玉74号和新玉41号9个品种，其基于氨基酸含量的品质最好；第II类包括新玉80号、新玉47号、新玉9号、新玉29号和新玉35号5个品种，其基于氨基酸含量的品质次之；第Ⅲ类包括新玉87号和新玉13号2个品种，其基于氨基酸含量的品质最差。

图3 聚类分析图Figure 3 Clustering analysis graph

3 结论

16种玉米均含有16种氨基酸，7种人体必需氨基酸，氨基酸含量最高的玉米品种与含量最低的玉米品种之间均存在显著性差异(P<0.05)；主成分分析得出Ala、Ser、Glu、Leu、Asp、Phe和Met可以作为16个玉米品种基于氨基酸含量的综合评价指标；聚类分析将16个玉米品种划分为三大类，其基于氨基酸含量的品质依次降低，第I类包括新玉54号、新玉65号、新玉59号、新玉108号、新玉84号、新玉60号、新玉77号、新玉74号和新玉41号9个品种；第II类包括新玉80号、新玉47号、新玉9号、新玉29号和新玉35号5个品种；第Ⅲ类包括新玉87号和新玉13号2个品种。该研究基于氨基酸含量对玉米品质进行综合评价，关于利用其他营养成分对玉米的品质评价还有待进一步研究。