基于近红外光谱技术的油莎豆品质检测及相关性分析

魏尊苗，陈欣，程艳，刘佳遥，王占海，许方达，牟忠生

（吉林省农业科学院，吉林 长春 136105）

油莎豆（Cyperus esculentus L.）又名油莎草、地下板栗、地下核桃、虎坚果等，属莎草科莎草属多年生草本植物，是集油、粮、牧、饲多种用途于一体的新型植物[1]。油莎豆是目前所有作物中唯一在地下器官——根茎中积累油脂的作物[2]，粗脂肪含量在25%左右。油莎豆块茎和茎叶均可利用，营养物质丰富，综合价值高，含淀粉、脂肪、糖、蛋白质、膳食纤维，同时富含维生素C、维生素E和钾、磷、钠、钙、镁等矿物质[3-5]以及大量的具有天然保健作用的甾醇。油莎豆营养物质成分与奶类似[6]，具有奶香味和甜椰子混合的独特风味。目前，国外已将油莎豆加工成种类繁多的食品，如咖啡和可可的代用品、油莎豆糖果、油莎豆糕点酒类和饮料等[7]。油莎豆还有一定药用价值，《新华本草纲要》中记载，油莎豆块茎具有一定抗炎症作用，并有健脾健胃功效[8]。

近几年，随着我国经济的不断发展，食用油供需矛盾日益突出，《全国种植业结构调整规划（2016-2020年）》[9]全国种植业调整规划，提出“多油并举”在适宜地区示范推广油用牡丹、油莎豆等，增加新油源。油莎豆产业逐渐被关注，种植面积稳步提成。油莎豆不仅脂肪含量高，淀粉含量也较高，榨油后的油莎豆还可以用来酿酒，高油高淀粉油莎豆品质育种成为科研工作者研究热点。

目前油莎豆品质含量的测定方法主要为实验室化学检测，其中蛋白质含量检测采用凯氏定氮法，脂肪含量检测采用索氏提取法，淀粉含量检测采用旋光法，总糖含量检测采用蒽酮法[10]。化学检测法检测时间长，工序繁琐，工作量大，需要专业检测人员，不利于大量样品快速检测，并且检测需要破坏样品。近红外光谱分析技术是20 世纪90 年代以来发展最快的光谱分析技术之一，其检测速度快、不破坏样品、操作简单、稳定性好、效率高，已在农业[11]、医药[12]、烟草、食品[13]、石油化工[14]和林业等多个领域广泛应用。农业领域中，已在玉米[15-17]、大豆[18]、油菜籽、小麦[19]，花生、水稻、芝麻[20]和人参[21]等作物上应用，适用于大批量材料的测定和重要育种材料筛选，但还未见近红外应用在油莎豆检测中的报道。

本研究采用吉林省农业科学院油莎豆研究团队建立的油莎豆近红外检测模型，利用近红外谷物分析仪对油莎豆群体材料的粗脂肪、蛋白质、淀粉和总糖进行检测，对4 项指标的相关性进行分析，并筛选高品质油莎豆材料，特别是高油、高淀粉材料，以期为油莎豆品质育种奠定基础。

1 材料与方法

1.1 试验材料与仪器

1.1.1 试验材料 材料取自吉林省松原市海勃日戈镇油莎豆试验基地，基地油莎豆种植面积为20 hm2。种植品种为从河北购买的圆粒油莎豆品种。待9 月下旬油莎豆成熟期，随机选取了1726 株长势良好的油莎豆单株，单独收获，装袋、清洗、晾晒，使油莎豆种子含水量降到12%左右。

1.1.2 主要仪器设备 近红外谷物分析仪：型号DA7250，波通公司。

1.2 种植方法

1.2.1 整地施肥 整地配合施底肥，每公顷施用硫基复合肥（N:P:K=12:18:15）800 kg，施肥深度12~15 cm。

1.2.2 播种 2020 年5 月10 日播种，土壤10 cm深温度已稳定在12 ℃以上，播种深度为镇压后3~5 cm，播种后浇透水。

1.2.3 种植密度 垄作，行距65 cm，株距10 cm，单粒播种，1 粒/穴。

1.2.4 田间管理 杂草3 叶期时喷施高效氟吡甲禾灵防治禾本科杂草，采用人工除阔叶草，分蘖盛期和结豆期，及时灌水。

1.2.5 收获 9月下旬，地下块茎成熟，收取油莎豆单株。

1.3 近红外检测

采用近红外谷物分析仪（DA7250）对油莎豆样品进行检测，检测模型为吉林省农业科学院经济植物研究所油莎豆团队建立，采用小盘装样，每个样品设置两次重复装样，测定项目包括粗脂肪、粗蛋白、总糖、淀粉，共4 项。

1.4 数据分析

利用Excel 软件对检测数据进行汇总，利用SPSS软件计算油莎豆品质性状的平均值、变异系数，绘制数据分布直方图和相关散点图。

2 结果与分析

2.1 油莎豆品质性状分析

由表1 可知，油莎豆中粗脂肪的含量最高，平均为23.50%，其次是淀粉和总糖，平均含量分别为21.39%和18.82%，粗蛋白含量最低，平均为3.34%。供试的1 726 份材料粗脂肪含量变化范围为14.08%~32.92%，粗蛋白含量的变化范围为0.30%~6.64%，淀粉含量变化范围为9.41%~29.85%，总糖含量变化范围为12.03%~27.64%，其中粗蛋白含量的变异系数最大，为27.19%，总糖含量的变异系数最小，为9.88%，粗脂肪含量和淀粉含量变异系数相对较小，分别为13.18%和14.30%。

表1 油莎豆品质性状的描述与统计Table 1 Description and statistics of the quality traits of Cyperus esculentus 单位：%

2.2 高油和高淀粉油莎豆材料筛选

根据油莎豆生产所需和育种目标设定脂肪含量在30%以上为高油材料，淀粉含量在27%以上为高淀粉材料。1 726 份材料中，筛选出高油材料25 份，占总数的1.45%（见表2），筛选出高淀粉材料23 份，占总数的1.33%，其中638 号材料粗脂肪含量31.11%，淀粉含量27.69%，既是高油材料也是高淀粉材料，见表3。

表2 粗脂肪含量在30%以上的油莎豆单株Table 2 Single plant of tigernut with crude fat content of more than 30%

表3 淀粉含量在27%以上的油莎豆单株Table 3 Single plant of tigernut with starch content of more than 27%

2.3 油莎豆品质性状相关性分析

利用SPSS 软件对品质数据进行相关性分析，结果显示，粗脂肪含量与粗蛋白质含量、淀粉含量正相关，与总糖含量负相关；淀粉含量与粗蛋白质含量正相关，与总糖含量负相关；粗蛋白质含量与总糖含量负相关，见图1 至图4。

图1 油莎豆粗脂肪与蛋白、淀粉、糖相关散点图Fig.1 Scatter plots of crude fat and protein,starch,and sugar of tigernut

图2 油莎豆蛋白与粗脂肪、淀粉、糖相关散点图Fig.2 Scatter plots of protein and crude fat,starch,and sugar of tigernut

图3 油莎豆淀粉与粗脂肪、蛋白质、糖相关散点图Fig.3 Scatter plots of starch and crude fat,protein and sugar of tigernut

图4 油莎豆糖与粗脂肪、淀粉、蛋白相关散点图Fig.4 Scatter plots of sugar and crude fat,starch and protein of tigernut

3 结论与讨论

本研究对1 726 个油莎豆样品进行品质指标检测并进行相关性分析，得出粗脂肪含量与淀粉含量呈正相关，与总糖含量呈负相关，与师茜等[22]研究结果基本一致。有研究表明，糖是淀粉、蛋白质和脂肪合成的间接底物[23]，储藏过程中，淀粉可逐渐向糖转化[24]，与本研究结果脂肪含量、蛋白质含量、淀粉含量与总糖含量呈负相关相符。

本研究表明，油莎豆脂肪含量与蛋白质含量呈正相关，裴宇峰等[25]和杨庆凯[26]研究认为大豆蛋白质含量与油分含量呈负相关。研究结果不一致的原因可能有三点：一是两种作物中蛋白质和脂肪含量和两者比例相差甚多，大豆中蛋白质和脂肪含量分别为40%和20%[26]，两者之比约为2，而本研究中1 726 份油莎豆材料蛋白质含量和脂肪含量平均分别为3%和23%，两者之比约为0.13，大豆中蛋白质和脂肪比是油莎豆中蛋白质和脂肪比的15 倍；二是大豆和油莎豆两种作物营养成分合成机制存在差别，油莎豆是目前所有作物中唯一在地下器官——根茎中积累油脂的作物[27]；三是可能受环境因素的影响，具体原因还有待进一步研究。

近红外光谱分析技术以操作简单、不破坏样品、检测速度快等优点，适用于大批量育种早代材料的筛选[28]，在农作物品质育种中得到广泛应用，但应用较为成熟的多为大宗农作物，如大豆[18]、玉米[15-17]、水稻、小麦[19]等，在小众农作物中应用有限。油莎豆是近几年新兴的油料作物，还未见应用近红外光谱检测油莎豆品质的报道，吉林省农业科学院油莎豆研究团队于2019 年构建了油莎豆粗脂肪、粗蛋白质、淀粉和总糖近红外检测模型，经过两年的完善，已基本可满足油莎豆育种材料的快速检测需要，但是受材料限制，与成熟模型相比，存在所用定标样品少，蛋白质含量的变化范围较窄等问题，仍需进一步优化和完善。

综上所述，油莎豆粗脂肪含量、粗蛋白质含量、淀粉含量之间两两呈正相关，与总糖含量均呈负相关，油莎豆品质育种过程中，粗脂肪、蛋白质、淀粉三者可协同提高。