12个品种小米氨基酸含量测定及品质综合评价

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)

谷子(Setariaitalice)属于禾本科植物，去壳后称为小米[1]。小米中含有脂肪酸、多种氨基酸、矿物质和维生素等多种营养物质[2]，其营养成分均衡[3]，被公认为是最易消化的谷物[4]，对调整人体膳食结构有着非常重要的作用[5]。

目前关于小米中氨基酸含量的研究已有相关报道，冯耐红等[4]对山西省的10个品种小米进行了氨基酸含量测定，结果表明10种小米均含有17种氨基酸，总氨基酸含量的变幅为9.04%～11.34%。冯小磊等[2]对9个品种小米氨基酸和脂肪酸含量进行测定分析，结果表明，小米氨基酸种类全面，EAA/TAA值和NEAA/TAA值接近于FAO/WHO理想标准，适合人体的氨基酸配比。韦露露等[6]对陕西7种和贵州8种主栽小米品种进行了氨基酸含量分析，氨基酸符合WHO/FAO规定模式。前人对小米中氨基酸含量进行了测定，但并未对不同小米品种进行品质综合评价。研究拟选取12个小米品种进行氨基酸含量的测定，并利用主成分分析进行基于氨基酸含量的品质综合评价，以期为小米的种质资源的鉴定与筛选、品质育种及综合加工利用提供一定的参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

张杂谷10、张杂谷13、张杂谷19、张杂谷21：张家口市农业科学院；

晋谷21、晋谷40、晋谷54、晋谷57、晋谷61、晋汾103、晋汾106、晋汾107：山西省农业科学院；

氨基酸标准品：美国Sigma公司；

茚三酮：分析纯，德国Menbar Pure公司；

磺基水杨酸、氢氧化钠、浓盐酸等：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；

电子天平：AL104型，梅特勒—托利多仪器(上海)有限公司；

离心机：Centrifuge 5424 R型，德国Eppendorf公司；

小型高速粉碎机：TLG-01型，北京天利恒诚科技有限公司；

酸度计：DELTA320 pH型，梅特勒—托利多仪器(上海)有限公司。

1.3 氨基酸的测定方法

参照 GB 5009.124—2003的方法进行，每个样品重复测定3次。

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[7]。

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[8-9]。

1.4.3 综合评价值

(3)

式中：

D——不同小米品种的综合评价值[10-11]。

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

2 结果与分析

2.1 氨基酸组成

从表1可知，12个小米品种中均含有17种氨基酸，包括人体所需8种必需氨基酸中的7种，分别为亮氨酸(Leu)、苯丙氨酸(Phe)、缬氨酸(Val)、异亮氨酸(Ile)、赖氨酸(Lys)、苏氨酸(Thr)、甲硫氨酸(Met)，未检测到色氨酸(Trp)；包含2种半必需氨基酸，分别为精氨酸(Arg)和组氨酸(His)；其余8种为非必需氨基酸，分别为谷氨酸(Glu)、天冬氨酸(Asp)、丙氨酸(Ala)、脯氨酸(Pro)、酪氨酸(Tyr)、半胱氨酸(Cys)、甘氨酸(Gly)和丝氨酸(Ser)。必需氨基酸含量在3.59～4.77 g/100 g，游离氨基酸总含量在9.56～12.02 g/100 g，此结果与冯耐红等[4]研究山西10种小米氨基酸含量的结果相近，其必需氨基酸含量在4.35%～4.98%，总氨基酸含量在10.27%～11.64%。17种氨基酸中谷氨酸含量最高，平均为2.50 g/100 g，其中晋谷61含量最高(2.86 g/100 g)，张杂谷13含量最低(2.12 g/100 g)；半胱氨酸含量最低，平均为0.12 g/100 g，其中张杂谷10含量最高(0.14 g/100 g)，晋谷61含量最低(0.10 g/100 g)。由差异性分析可知17种氨基酸含量最高的谷子品种与含量最低的谷子品种之间均存在着显著性差异。17种氨基酸中Ala含量在0.91～1.09 g/100 g，其变异系数最小为4.61%，说明小米品种对Ala含量影响最小；Ser含量在0.25～0.53 g/100 g，变异系数最大为32.98%，说明小米品种对Ser含量影响最大。其余15种氨基酸变异系数介于4.61%～32.98%，通过变异系数顺序可知小米品种对氨基酸含量的影响顺序为Ser>Lys>Arg>His>Met>Ile>Thr>Gly>Pro>Tyr>Phe>Asp>Cys>Glu>Leu>Val>Ala。

表1 12个小米品种的氨基酸组成与含量†Table 1 Amino acid composition and content of 12 millet varieties g/100 g

2.2 氨基酸含量相关性

由表2可知，小米中所含的17种氨基酸之间具有不同程度的相关性，其中Tyr只与Val和Ala呈显著正相关，与其他氨基酸之间相关性均不显著。其余氨基酸之间有的呈极显著正相关，如Phe与Ile之间相关系数为0.954；有的氨基酸之间呈显著正相关，如Cys与Ser之间相关系数为0.641；有的氨基酸之间呈极显著负相关，如Lys与Met之间相关系数为-0.842；有的氨基酸之间呈显著负相关，如Cys与Thr之间相关系数为-0.607。Ser与其他氨基酸之间大多呈负相关，但与Arg和Met之间呈极显著正相关，His与Tyr相关性不显著，与其余15种氨基酸均存在显著和极显著相关性。其余各氨基酸之间均有不同程度的相关性，大部分均达到了显著水平。

表2 12个小米品种氨基酸相关性分析†Table 2 Correlation analysis between amino acid composition of 12 millet varieties

2.3 氨基酸含量的主成分

由表3可知，将17个成分中特征值大于1的成分作为主成分，可提取出2个主成分(图1)，累计方差贡献率可达88.329%，说明这2个主成分综合了12个小米品种的17个氨基酸指标的88.329%的信息，因此可以利用这2个主成分来代替上述17个氨基酸指标对12个小米品种进行品质综合评价。将这2个主成分定义为第1主成分(PC1)和第2主成分(PC2)，由表4可知这2个主成分对应特征向量分别为：

PCA,1=0.266x1+0.239x2+0.214x3+0.275x4+0.070x5-0.236x6-0.189x7+0.226x8-0.240x9+0.267x10+0.270x11+0.246x12+0.278x13+0.265x14+0.274x15-0.207x16+0.279x17，

(4)

PCA,2=0.163x1+0.192x2+0.390x3-0.013x4+0.558x5+0.317x6+0.089x7-0.089x8+0.325x9+0.131x10+0.083x11+0.285x12-0.054x13-0.077x14-0.049x15+0.366x16-0.076x17,

(5)

式中：

PCA,1——第1主成分；

PCA,2——第2主成分；

x1、x2、…、x17——Glu、Asp、Ala、Pro、Tyr、Arg、Cys、Gly、Ser、Leu、Phe、Val、Ile、Lys、Thr、Met、His。

由图1和表3、表4可知，PC1的方差贡献率为74.293%，在PC1的表达式中，Glu、Pro、Leu、Phe、Ile、Lys、Thr和His系数较大，分别为0.266，0.275，0.267，0.270，0.278，0.265，0.274，0.279；PC2的方差贡献率为14.035%，在PC2的表达式中，Tyr系数最大，为0.558；综合分析上述结果，Glu、Pro、Leu、Phe、Ile、Lys、Thr、His和Tyr可以作为12个小米品种品质综合评价指标。

表3 主成分提取Table 3 Principal component extraction

图1 主成分图Figure 1 Principle component

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

2.4 12个品种小米品质综合评价

2.4.1 隶属函数分析 根据式(1)可计算出12个小米品种的2个综合指标的隶属函数值(表5)。由表5可知，2个综合指标的隶属函数值不同，对PC1而言，晋谷61的U(X1)值最大为 1.000，说明晋谷61在PC1上表现出的品质最好，张杂谷13的U(X1)值最小为 0，说明张杂谷13在PC1上表现出的品质最差；对PC2而言，晋谷21的U(X2)值最大为 1.000，说明晋谷21在PC2上表现出的品质最好，晋谷40的U(X2)值最小为0，说明晋谷40在PC2上表现出的品质最差。

2.4.2 品质综合评价 根据式(2)和式(3)可计算出12个小米品种的综合评价值即D值(表5)，根据D值可对12个小米品种品质优劣排序，得出12个小米品种品质优劣顺序为晋谷61>晋汾103>晋谷57>晋汾107>晋谷54>晋汾106>晋谷40>晋谷21>张杂谷21>张杂谷10>张杂谷19>张杂谷13。

2.5 12个品种小米聚类分析

采用组间联接法对表5中的综合评价值(D值)进行聚类分析，构建12个小米品种综合品质聚类树状图(图2)，聚类分析可以将12个小米品种划分为三大类。第 I 类包括晋谷61、晋汾103、晋谷57、晋汾107、晋谷54和晋汾106共6个品种，其综合品质最好；第 II 类包括晋谷40、晋谷21、张杂谷21、张杂谷10和张杂谷19共5个品种，其综合品质次之；第 Ⅲ 类包括张杂谷13，其综合品质最差。

图2 聚类分析图Figure 2 Clustering analysis graph

表5 12个小米品种品质综合评价Table 5 Comprehensive assessment of quality of 12 millet varieties

3 结论

对12个品种小米的氨基酸组成和含量进行分析，所有小米品种均含有17种氨基酸，不同小米品种17种氨基酸含量有一定差异；通过主成分分析得出晋谷61的综合品质最好，张杂谷13品质最差。氨基酸含量是评价小米品质的重要指标，研究采用主成分分析法对不同品种小米氨基酸含量进行了综合评价，为小米品种的筛选提供一定的理论依据。但关于不同小米品种其他营养成分的测定及主成分分析还有待进一步研究。