不同生态区谷子品种农艺性状和品质分析

2022-05-05赵利蓉张丽光原向阳刁现民

作物杂志 2022年2期

赵利蓉马珂张丽光汤沙原向阳刁现民

（1山西农业大学农学院，030801，山西晋中；2中国农业科学院作物科学研究所，100081，北京）

谷子[Setaria italica（L.）Beauv.]作为禾本科黍亚科狗尾草属植物，是我国主要的杂粮作物之一[1]，具有生育期短、耐旱性强、适应广、耐贮藏和粮饲兼用等特点，是旱作可持续农业和种植业结构调整的重要作物和应对气候变化的战略储备作物[2-3]。谷子脱壳后的小米，营养丰富、适口性好，含有多种维生素、蛋白质、脂肪、糖类及钙、磷、铁等人体所必需的营养物质[4-5]，其营养成分比例适宜，有抗氧化和健脾胃等功效[6]，是良好的食品营养源，具有很高的营养价值[6-7]，符合我国居民饮食结构的需求[3]，是改善膳食多样性和促进人们健康不可或缺的食品。

戴丽君等[8]对11个谷子品种农艺性状的研究表明，品种间产量差异显著，其中穗长、穗重和穗粒重变异系数较大。王海岗等[9]对55份高频地方品种多点鉴定显示，千粒重相对稳定。谷子品质是一个综合性状，由一系列品质评价指标决定[10]。小米的外观品质取决于米色和质地的优劣，是决定消费者购买力的第一要素。前人分别通过目测法[11]、L*a*b*法[12]和黄色素含量测定法[13]评价小米外观品质，发现外观品质好的小米具有较高的亮度（L*）、黄蓝值（b*）和黄色素含量，具有较低的红绿值（a*）[14]。随着人们生活水平的提高，对于小米的营养品质要求也越来越高。不同品种小米化学成分之间存在差异[15]。前人运用主成分分析[16-17]、隶属函数法[18]和聚类分析[19]，研究了不同品种小米的营养品质，综合评价出优质谷子品种。氨基酸作为蛋白质的分解产物，其成分构成是评价食品质量及营养价值的重要指标。氨基酸根据其呈味特性可以分为甜味氨基酸、鲜味氨基酸和苦味氨基酸。甜味氨基酸包括丙氨酸（Ala）、甘氨酸（Gly）和丝氨酸（Ser），鲜味氨基酸包括天冬氨酸（Asp）和谷氨酸（Glu），苦味氨基酸包括精氨酸（Arg）、赖氨酸（Lys）、亮氨酸（Leu）、组氨酸（His）、苯丙氨酸（Phe）、酪氨酸（Tyr）、异亮氨酸（Ile）和缬氨酸（Val）[20-21]。不同氨基酸可呈现出鲜、甜、酸、苦及涩等味感。谷子中Glu、Leu和Ala含量相对多，所含人体必需氨基酸丰富，且各类氨基酸比例接近人体氨基酸配比[22-24]。李明昊等[25]对氨基酸含量进行主成分分析和聚类分析，综合氨基酸含量总分评价了各品种营养品质的优劣，但氨基酸在谷子中的比例及其与品质的关系尚不清楚，而且针对不同生态区谷子品种氨基酸含量的研究更少。

本研究以不同生态区的谷子品种作为研究对象，在同一生态条件下种植并对其生产性能和籽粒品质进行系统分析，找到生产潜力大、籽粒外观品质和营养品质好，尤其是甜味和鲜味氨基酸含量高的谷子品种，为晋中国家农高区谷子品种种植提供优异材料。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2020年6-10月在山西省晋中市太谷区山西农业大学试验基地进行，生育期内总降雨量419.10mm，平均气温21.46℃。

1.2 供试材料

供试谷子品种及其来源见表1。

表1 谷子品种来源Table 1 Origins of foxtail millet varieties

1.3 试验方法

于 2020年 6月 15日播种，采用随机区组设计，3次重复，小区面积16m2（4m×4m），行距0.5m，重复间留观察道0.8m宽，覆膜穴播，留苗密度30万株/hm2，于成熟期（10月下旬）进行取样并测定指标。

1.4 测定项目及方法

1.4.1 农艺性状和理论产量田间农艺性状（株高和每单位面积株数）和考种性状（穗长、穗粗、单穗重、穗码数、穗粒重和千粒重）均按照《谷子种质资源描述规范和数据标准》[26]进行。成熟期从各小区中分别随机选取10株测量，取平均值。理论产量按下式计算，理论产量=每公顷株数×单穗重。

1.4.2 米色用色差仪[X-Rite (American) VS450 colorimeter]测定米色。经脱粒、分筛、去杂处理后，测定米色 L*、a*和 b*，橘色颜色指数（CCI）=1000×a*/(L*×b*)。

1.4.3 品质用近红外分析仪（NIRSTMDS2500，丹麦）测定小米含水量、胶稠度、直链淀粉、粗脂肪、粗蛋白和氨基酸组分含量。

1.5 数据处理

用Excel 2016进行数据整理，用SPSS 23进行单因素ANOVA分析、邓肯多重比较及主成分分析，用R语言进行相关性分析。

2 结果与分析

2.1 不同谷子品种农艺性状方差分析及产量比较

由表2可知，16个谷子品种农艺性状差异显著（P＜0.05）。株高变幅为108.68～160.42cm，平均值138.00cm，变异系数10.79%，其中黑谷8号株高最低，仅108.68cm；晋谷40号株高最高，为160.42cm。穗重和穗粒重的变异系数较大，分别为 32.61%和31.79%，穗重变幅13.96～34.95g，穗粒重变幅13.79～29.54g；晋谷47号穗重和穗粒重最大，分别为34.95g和29.54g。16个谷子品种其他指标的变异系数均小于21%，千粒重变异系数11.97%，变幅为2.70～3.46g，千粒重最大的是长农40号，为3.46g。晋谷40号理论产量最高，达4215kg/hm2。

表2 不同谷子品种产量及农艺性状方差分析Table 2 Variance analysis of yield and agronomic traits of different foxtail millet varieties

续表2 Table 2 (continued)

2.2 不同谷子品种的米色差异比较

由图1可知，所有谷子品种小米的L*、a*和b*值均为正值，即所有样品均表现为偏亮、偏红和偏黄。其中L*值变异范围38.16～59.18，长农40号、长生13号和锦谷5号的L*值较高，分别为59.18、57.21和56.90，表现为米色偏亮；长生8号、长生13号和晋谷40号的a*值最大，分别为11.77、11.40和10.83，表现为偏红；长生8号、长生13号和长生16号的b*值最大，分别为50.29、49.52和46.69，表现为偏黄。CCI值得变异范围2.37～4.48，晋谷40号、长农52号和长生8号的CCI值最大，米色综合指标好，这与3个品种小米外观商品品质和市场售价较好是符合的。黑谷8号和绿优谷肉眼观察分别为黑色小米和绿色小米，故L*、a*、b*和CCI值均最低。

图1 不同谷子品种的L*、a*、b*及CCI值Fig.1 L*, a*, b* and CCI values of different foxtail millet varieties

2.3 不同谷子品种小米的品质分析

小米包含多种化学成分[27]，水分、脂肪、蛋白质和淀粉占主要部分。由表3可知，不同品种小米的水分、粗脂肪、粗蛋白和直链淀粉含量均存在显著差异。其中粗脂肪变异系数最大，为20.83%，含量3.36%～6.34%，平均含量4.32%，以神谷13号、长农52号和长生8号含量较高，分别达6.34%、5.81%和5.81%。水分变异系数最小，为6.68%，含量10.28%～13.06%，平均含量11.67%，以黑谷8号、锦谷5号和长生16号含水量较高，分别为13.06%、12.65%和12.42%。粗蛋白平均含量11.33%，变幅10.12%～12.58%，以长农52号、长生16号和豫谷35号的含量较高，分别达到12.58%、12.47%和12.42%。胶稠度变幅106.83～141.36，平均值为120.33，以黑谷8号、长生8号和神谷13号的胶稠度较高，分别为141.36、136.69和137.35。直链淀粉含量变幅11.32%～14.14%，平均含量12.84%，以长生13号、神谷10号、长农52号和绿优谷含量较高，分别为14.14%、13.97%、13.87%和13.83%。

表3 不同谷子品种小米的品质方差分析Table 3 Analysis of variance of chemical components of different foxtail millet varieties

2.4 不同谷子品种小米的氨基酸组分分析

由表4可知，13种氨基酸中含量较高的是Glu（2.81%），其次是Ile（1.59%）、Ala（1.21%）、Phe（1.15%）和Asp（0.77%）。Glu含量较高的品种是豫谷35号、长生16号和神谷5号，Ile含量较高的是长生8号、神谷13号和长农52号，Ala含量较高的是长生8号、神谷13号和长农52号，Phe含量较高的是黑谷8号、神谷13号和锦谷5号，Asp含量较高的是豫谷35号、长生16号和绿优谷。不同谷子品种小米的同种氨基酸含量差异显著。豫谷35号的Glu含量（3.50%）最高，是长生8号（1.79%）的1.96倍，豫谷35号的Asp含量（0.87%）也最高，为神谷13号（0.58%）和长生8号（0.58%）的1.50倍。长生8号的Ile含量（1.96%）最高，是晋谷59号（1.45%）的1.35倍，长生8号Ala含量（1.57%）也最高，是晋谷40号（1.10%）的1.43倍。黑谷8号的Phe含量（1.30%）最高，是长农52号（1.01%）的1.29倍。由于不是所有氨基酸都对食品的营养品质是正向效应，所以单看含量无法判断哪个品种的品质更优。

表4 不同谷子品种小米的氨基酸组分分析Table 4 Amino acid composition analysis of different foxtail millet varieties %

从图2可知，所试品种中风味氨基酸含量从高到低为苦味氨基酸＞鲜味氨基酸＞甜味氨基酸，不同谷子品种小米的氨基酸呈味特性差异显著。甜味氨基酸和鲜味氨基酸排名前3的均为豫谷35号、长生16号和神谷5号，它们之间具有很高的一致性；苦味氨基酸含量较高的有长农52号、长生8号和长生16号，而长生13号、神谷10号和晋谷40号含量较少。根据图2中氨基酸差值（即鲜味和甜味氨基酸的含量总和与苦味氨基酸的差值）散点图可以看出，豫谷35号、长生16号和神谷5号的差值最大，表明这3个品种鲜味最浓。

图2 不同谷子品种小米的各类氨基酸含量Fig.2 Contents of various amino acids in different foxtail millet varieties

2.5 呈味氨基酸相关性分析

由图3可知，16个谷子品种小米所含的3类氨基酸之间有不同程度的相关性。甜味氨基酸中的Ala与Gly、Ser、Asp和Glu呈负相关，其余甜味氨基酸与鲜味氨基酸之间均呈正相关。苦味氨基酸中Ile除与Ala、Phe、Tyr和Val呈正相关外，与其他9种氨基酸均呈负相关；Tyr、Ile和Val与甜味和鲜味氨基酸（除Ala以外）均呈显著负相关。Ala含量越低，其他甜味和鲜味氨基酸含量越高；Tyr、Ile和Val含量越低，甜味和鲜味氨基酸（除Ala以外）含量越高。如何解决好Ala和其他甜味、鲜味氨基酸的含量关系是一个值得讨论的问题。

图3 不同谷子品种小米的呈味氨基酸相关性Fig.3 Correlation of flavor amino acids of different foxtail millet varieties

2.6 小米品质主成分分析

对16个谷子品种的11个品质指标进行主成分分析，结果见表5和表6。由表5可知，前3个主成分对应的特征值均大于1，且累计方差贡献率达76.55%，因此前3个主成分满足代替11个品质指标对16个谷子品种综合评价的条件。

表5 16个谷子品种米色和小米品质主成分分析的特征值、贡献率和累计贡献率Table 5 Principal component analysis of characteristic value, contribution rate and cumulative contribution rate in millet color and grain nutritional quality of 16 foxtail millet varieties

表6 16个谷子品种米色和小米品质主成分的特征向量与载荷矩阵Table 6 Characteristic vectors and load matrix of principal components of millet color and grain nutritional quality of 16 foxtail millet varieties

小米的11个品质指标的主成分（图4）和主成分载荷矩阵（图5）反映了各品质指标对此主成分负荷的相对大小和作用方向，即该指标对主成分的影响程度。由表5可知，PC1方差贡献率为30.22%，载荷较高指标是代表米色的3个指标（L*、a*、b*），且3个指标对PC1产生正向效应，载荷量分别为0.964、0.981和0.987，说明PC1和米色的影响力表现为正相关，其他品质特性基本不变。PC2的方差贡献率为25.38%，载荷量绝对值较高的指标为鲜味氨基酸、粗脂肪和胶稠度，载荷量分别为-0.975、0.907和0.704，这3个指标对PC2产生主要影响。PC3的方差贡献率为20.95%，正向影响且有较大载荷的是苦味和甜味氨基酸，载荷量分别为0.918和0.883。

图4 16个谷子品种米色和小米品质的主成分图Fig.4 Principal component diagram of millet color and grain nutritional quality of 16 foxtail millet varieties

图5 16个谷子品种米色和小米品质的载荷图Fig.5 Load diagram of millet color and grain nutritional quality of 16 foxtail millet varieties

基于主成分分析，结合不同品种小米的综合得分对小米品质进行排名，结果如表7所示，得分越高说明该品种的综合品质越佳，排名靠前的有长生8号、长农52号、神谷13号、长生16号和豫谷35号，这5个品种的小米综合品质相对其他供试品种具有优势。排名靠后的有黑谷8号、绿优谷和神谷10号，说明这3个供试品种品质相对差。

表7 16个谷子品种籽粒品质综合得分Table 7 Comprehensive scores of grain quality of 16 foxtail millet varieties

3 讨论

由于遗传基础和环境因素等影响，不同谷子品种的株高和产量之间均有差异[13]。本研究中16个谷子品种的株高和产量构成因素差异显著（P＜0.05），黑谷8号的株高最低，长生8号最高。株高影响产量和倒伏[28]，可作为该品种是否适合在该地区种植的参考因素之一。在所分析的穗长、穗重、穗码数、穗粒重和千粒重等穗部性状中，多数在品种间与株高一样，表现出显著差异，说明本研究所用的品种是多样的。但千粒重变异系数较小，品种之间表现出很小的差异，这与黄英杰等[29]和杨天育等[30]的研究一致，谷子千粒重也表现出较高的遗传力。

小米的米色在食用品质和商业价值评价中占据很重要的地位，人们大都喜欢米色黄的米粥[25]。禾璐[31]研究表明，小米越黄，风味越好，说明米色还和风味、食味关联。本研究发现，长生13号的L*、a*和b*值排名均在前3位，表明长生13号的米色亮而且偏黄；长生8号的a*、b*和CCI值排名都在前3位，表明长生8号的米色偏黄且综合指标好；晋谷40号和长农52号的CCI值排名前2位，表明其米色综合表现好。这些结果和长生13号、长生8号、晋谷40等品种是目前优质小米开发的主打品种是一致的，说明利用a*、b*和CCI值可以对小米的商品品质进行评价。

小米的化学成分直接影响食物的蒸煮品质，就蒸煮品质而言，蛋白质含量越高，蒸煮品质越差[32]；直链淀粉含量高的小米，蒸煮特性表现为干燥、蓬松、色泽暗、适口性差且有回生现象。胶稠度以小米胶长计量，反映米胶的软硬。其中胶长越长，米饭越软，蒸煮性越好[33]。本研究中粗脂肪含量的变异系数最大，变异范围3.29%～6.45%，这与李星等[15]研究的结论不一致，可能是由于小米化学成分含量的高低受播种时间、气候条件和栽培方式等因素的影响。神谷13号的胶稠度值较其他品种大，蒸煮的米饭口感更好。

氨基酸也是小米营养品质的重要指标[34]。本试验测定了 13种氨基酸含量，同一品种不同氨基酸含量之间有差异，不同品种间同种氨基酸含量差异显著。其中豫谷35号的Glu和Asp含量相较于其他品种最高，长生8号的Ala含量最高。氨基酸的呈味特性在很多食品的风味研究中起到很重要的作用[35-36]。本研究发现，豫谷35号、长生16号和神谷5号同时在甜味氨基酸和鲜味氨基酸中排名前3位，其非苦味氨基酸含量与苦味氨基酸含量的差值较其他品种大，鲜味较其他品种浓。进一步研究了16个品种的13种氨基酸的相关性，发现大多数氨基酸之间的相关性显著，这与Yang等[37]研究结果一致。作为甜味氨基酸的Ala与其他大多数甜味氨基酸和鲜味氨基酸都表现为负相关，与Tyr、Ile和Val等苦味氨基酸表现为正相关。Ala含量越高，其他甜味和鲜味氨基酸含量越低。由于Ala在甜味和鲜味氨基酸总含量占比最大，Tyr、Ile和Val的含量占苦味氨基酸总含量占比大，导致氨基酸差值变大。综合所有的品质指标进行主成分分析，并且计算综合得分，得到小米品质主要受米色、粗脂肪、胶稠度、甜味氨基酸和鲜味氨基酸的影响，长生8号、神谷13号、长农52号、长生16号和豫谷35号综合得分高。