裸燕麦膳食纤维组成含量研究及优异资源筛选

秦 琳,李 曦,赵 珊,黄世群,刘龙龙,仲伶俐

(1.四川省农业科学院农业质量标准与检测技术研究所,四川成都 610066;2.山西农业大学农业基因资源研究中心,山西太原 030031)

膳食纤维是人类膳食平衡的重要内容,根据其组分溶于水的能力可分为可溶性膳食纤维(SDF)和不溶性膳食纤维(IDF)[1-2]。相比较而言,SDF的生理活性更强[3],在人体内可通过体系粘度效应抑制肠道对葡萄糖吸收或物理屏障抑制淀粉酶消化力,降低淀粉消化速率,达到降低血糖和血脂的作用[4-7],但不同膳食纤维单体成分对淀粉消化速率的影响程度不同[8-11]。

燕麦(AvenasativaL.)可分为裸燕麦和皮燕麦[12]。我国主要种植裸燕麦,其栽培历史已有3 000多年,已育成白燕、坝莜、晋燕、迪燕和定莜等系列品种。裸燕麦籽粒膳食纤维含量达30.2%[13],远高于稻米、小麦等谷物[14],可作为人们日常补充膳食纤维的首选谷物;且富含优质蛋白质、维生素、矿物质、不饱和脂肪酸等营养物质以及多酚类等活性成分,具有抗氧化、改善肠道菌群、增加免疫力等功效[2,8,14]。裸燕麦中膳食纤维的主要成分为非淀粉多糖(non-starch polysaccharide,NSP),主要分布在胚乳和糊粉层细胞壁;此外还有抗性淀粉(resistant starch,RS)和少量的木质素等;胚乳细胞壁中的NSP是由糖苷键连接大量单糖形成的多聚糖[15],主要包括果胶、半纤维素、纤维素、低聚糖及少量β-葡聚糖等[16-17];糊粉层细胞壁中的NSP由β-葡聚糖和部分半纤维素(阿拉伯木聚糖)组成[18-19]。

目前,已有对裸燕麦籽粒中膳食纤维和β-葡聚糖含量的报道[20-22],也有大量对燕麦籽粒营养品质综合评价的研究[23-27],测定指标多为粗纤维、粗蛋白、淀粉、脂肪和β-葡聚糖等,但有关裸燕麦不同品种间膳食纤维组成、含量与营养品质关系的研究比较缺乏。由于不同膳食纤维单体成分的生理功能存在差异,研究裸燕麦籽粒中膳食纤维组成分及其含量对完善其营养品质评价具有重要的意义。主成分分析法已被广泛用于对作物[28]、果蔬[29-30]和烟叶[31]等品质的综合评价;主成分分析和聚类分析相结合可简化评价指标,结果简明直观[30]。为此,本研究选取全国24个主栽裸燕麦品种,对其膳食纤维组成(β-葡聚糖、半纤维素、果胶、纤维素、低聚糖和抗性淀粉)和营养品质指标(蛋白质、淀粉、灰分和脂肪)含量进行测定,运用主成分分析结合聚类分析方法对其营养品质进行综合评价,以筛选品质优异的裸燕麦品种,为燕麦育种及其深加工提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

24个裸燕麦品种分别为白燕2号、白燕16号、白燕18号、白燕20号、迪燕1号、晋燕8号、晋燕17号、晋燕18号、吕燕2号、吕燕4号、魏都莜5号、张莜8号、张莜9号、坝莜3号、坝莜8号、坝莜13号、坝莜16号、坝莜18号、坝莜19号、0905-12-14、Yy11-18、ND090440、2008-6-1-4-6、M38,编号依次为1～24,由山西农业大学农业基因资源研究中心提供,均收获于山西农业大学农业基因资源研究中心燕麦荞麦创新基地(山西省忻州市岢岚县高家会乡)。

1.2 试验方法

1.2.1 膳食纤维(DF)含量的测定

按照GB 5009.88-2014方法,用膳食纤维试剂盒测定燕麦粉中DF和不溶性膳食纤维(IDF)含量,可溶性膳食纤维(SDF)=DF-IDF。

1.2.2 抗性淀粉(RS)和β-葡聚糖含量的测定

分别按照NY/T 2638-2014和NY/T 2006-2011标准方法,用RS和β-葡聚糖试剂盒测定燕麦粉中RS和β-葡聚糖含量;按NY/T 2638-2014标准方法测燕麦粉残渣含量。将残渣50 ℃烘干,磨成粉后4 ℃密封保存备用。残渣含量=残渣重/燕麦粉干重×100%。

总膳食纤维TDF=DF+RS+β-葡聚糖。

1.2.3 总淀粉、水分、灰分、蛋白质和脂肪含量的测定

总淀粉含量测定参考García-Alonso等[32]的方法。取30 mg样品分散于6 mL的KOH(2 mol·L-1)溶液中,室温震荡30 min;待淀粉溶解后加入24 mL含1 000 U淀粉葡萄糖苷酶的醋酸钠缓冲液(1.2 mol·L-1,pH=3.8),于60 ℃水浴45 min;4 000 r·min-1离心10 min,上清液用葡萄糖测定试剂盒GOPOD检测葡萄糖含量。淀粉含量=葡萄糖含量×0.9×100%。

分别按照GB 5009.3-2016、GB 5009.4-2016、GB 5009.5-2016和GB 5009.6-2016方法测定燕麦粉中水分、灰分、蛋白质和脂肪含量。

1.2.4 果胶、半纤维素和纤维素含量的测定

参考孙 健[33]的方法测定果胶、半纤维素和纤维素含量。称取10 mg消化残渣,加入1 mL草酸缓冲液(0.25%,pH=4.6),85 ℃水浴1 h,10 000 r·min-1离心5 min;取出0.4 mL上清液,加入2.4 mL浓硫酸,再加入100 μL 0.1%的咔唑甲醇溶液,沸水浴20 min;于525 nm处比色,以半乳糖醛酸含量计算果胶含量。

用草酸缓冲溶液(0.25%,pH=4.6)和乙醇将提取果胶后的沉淀洗净后低温烘干。加入4 mL KOH(含1% NaBH4,4 mol·L-1)溶液,室温下避光反应18 h;8 000 r·min-1离心10 min;取0.4 mL上清液,加入2.4 mL浓硫酸,加入50 μL 90%的苯酚,反应30 min。于480 nm处比色,以葡萄糖醛酸含量计算半纤维素含量。将测过半纤维素的沉淀洗净干燥,用硫酸酚法测定纤维素含量。

1.2.5 低聚糖含量的测定

采用HPLC法,检测器为蒸发光散射检测器,色谱柱为Inertsil NH2柱(4.6 mm×250 mm);流动相为乙腈∶水=75∶25(v/v);流速1.0 mL·min-1;进样量20 μL。ELSD的漂移管温度为80 ℃;雾化气为氮气,流速为2.0 mL·min-1。

1.3 数据处理

每个指标重复3次。数据采用SPSS 22进行统计分析、主成分分析和聚类分析,用Excel作图。

2 结果与分析

2.1 裸燕麦营养成分分析

由图1可知,品种对蛋白质、淀粉、灰分和脂肪含量存在显著效应。蛋白质含量为15.5%～18.3%,平均为17.0%,坝莜13号最高,吕燕4号最低;淀粉含量为56.8%～64.8%,平均60.2%,吕燕4号最高,坝莜13号最低;粗脂肪含量为4.25%～8.32%,平均5.43%,坝莜13号最高,2008-6-1-4-6最低;灰分含量为1.71%～2.14%,平均1.94%,白燕2号最高,坝莜19号最低。

图柱上不同小写字母表示不同品种间差异显著(P<0.05)。Different letters above columns indicate significant difference among different varieties (P<0.05).图1 裸燕麦籽粒营养品质Fig.1 Nutritional quality of naked oat

2.2 裸燕麦膳食纤维成分分析

裸燕麦SDF和TDF含量分别为6.29%～10.7%(平均8.33%)和9.60%～14.1%(平均12.3%),均以坝莜8号最高,吕燕4号最低;β-葡聚糖含量为3.43%～5.78%(平均5.01%),坝莜13号最高,吕燕4号最低;果胶含量为0.578%～0.938%(平均0.78%),魏都莜5号最高,坝莜19号最低;半纤维素含量为 2.89%～6.47%(平均4.72%),坝莜8号最高,晋燕18号最低;纤维素含量为0.133%～ 0.425%(平均0.276%),0905-12-14最高,张莜8号最低;RS含量为0.051%～0.274%(平均0.100%),吕燕2号最高,Yy11-18最低;棉籽糖含量为0.237%～0.532%(平均0.301%),M38最高,迪燕1号最低;水苏糖含量为0.399%～0.777%(平均0.572%),坝莜13号最高,白燕20号最低。

2.3 裸燕麦营养成分的主成分分析

对24个裸燕麦品种的营养品质指标(脂肪、蛋白质、淀粉、灰分、β-葡聚糖、果胶、半纤维素、纤维素和低聚糖)进行主成分分析,得到9个主成分特征值及累计贡献率(表1)。前4个主成分的特征值均大于1或接近1,累计贡献率为78.03%,能有效反映裸燕麦籽粒营养品质特征。对前4个主成分因子的载荷矩阵(图2)进行分析,蛋白质、半纤维素、β-葡聚糖和果胶分别为第一、二、三和四主成分的代表性评价指标,可将这四个指标作为裸燕麦营养品质评价指标。

表1 主成分的特征值、方差贡献率和累计方差贡献率Table 1 Eigen value, variance contribution rate, and cumulative variance contribution rate of principal component

表2 不同裸燕麦品种的主成分得分和综合评价指数Table 2 Values of principal component and synthetic analysis indices of different naked oat variaties

图2 主成分分析载荷矩阵Fig.2 Load matrix of principal component analysis

2.4 裸燕麦营养品质评价分析

采用成分综合得分法对供试裸燕麦营养品质进行评价,综合排名前10位的依次为张莜8号、迪燕1号、白燕16号、坝莜13号、魏都莜5号、白燕2号、晋燕17号、坝莜16号、坝莜18号和白燕18号。其中,Z1、Z2、Z3、Z4分别为前4个主成分综合评价得分值,Z综为各得分值与相应特征值贡献率的乘积累加值;Y1～Y9分别代表β-葡聚糖、果胶、半纤维素、纤维素、低聚糖、蛋白质、淀粉、脂肪和灰分标准化后数据[34]。

Z1= 0.140Y1+0.182Y2+0.035Y3- 0.096Y4-0.154Y5+0.287Y6-0.260Y7+ 0.169Y8+0.229Y9

(1)

Z2= 0.196Y1+0.103Y2+0.409Y3+ 0.355Y4+0.219Y5+0.122Y6-0.230Y7- 0.321Y80.145Y9

(2)

Z3=-0.506Y1-0.203Y2-0.374Y3+ 0.062Y4+0.472Y5-0.076Y6-0.197Y7+ 0.319Y8-0.110Y9

(3)

Z4= 0.466Y1+0.635Y2-0.250Y3- 0.209Y4-0.204Y5-0.077Y6+0.278Y7-0.260Y8-0.373Y9

(4)

Z综=0.349Z1+0.191Z2+0.135Z3+0.105Z4

(5)

2.5 裸燕麦营养品质聚类分析

以蛋白质、半纤维素、β-葡聚糖和果胶含量4个指标将24个品种在距离8处划分为5个类群(图3)。类群Ⅰ包括白燕16号、0905-12-14等12个品种,其大多数品种果胶和脂肪含量较高;类群Ⅱ包括晋燕18号、ND090440等4个品种,其β-葡聚糖和淀粉含量较高;类群Ⅲ仅坝莜13号1个品种,表现为高蛋白质、高β-葡聚糖和低淀粉含量;类群Ⅳ包括晋燕8号、坝莜8号等6个品种,具有高半纤维素含量;类群Ⅴ仅有吕燕4号1个品种,为低蛋白质、低β-葡聚糖和高淀粉含量品种。

3 讨 论

遗传、栽培措施和环境是影响燕麦营养品质的重要因素[35]。本研究在相同条件下对24个裸燕麦品种的品质进行了分析,发现品种间蛋白质、淀粉、灰分和脂肪含量存在显著性差异,这与前人研究结果不尽相同,如蛋白质含量与苗玉红等[23]的研究结果(15.0%～20.0%)接近,但高于刘文婷等[24]的研究结果(11.0%～16.7%);脂肪含量略高于刘文婷等[24]的研究结果(3.80%～ 8.20%)和郑敏娜等[25]的研究结果(3.80%～ 6.10%)。可能与品种和环境有关。

罗艳平等[36]测得燕麦粉中SDF含量占TDF含量的43.0%;Pérez等[37]测得燕麦麸皮中SDF占TDF的比例仅为9.50%;张之鑫等[38]测得燕麦中IDF含量为7.76%。本研究中,供试裸燕麦的IDF和DF含量分别为2.39%～5.22%和8.55%～13.1%,SDF占TDF的为56.4%～78.3%,高于以往研究结果。原因可能为燕麦麸皮和全粉中SDF含量差异较大;不同品种燕麦间SDF含量本身存在差异,不同分析方法所得SDF和IDF值有差异[39]。裸燕麦籽粒中β-葡聚糖和半纤维素含量占TDF含量的比例分别为31.2%～49.0%和25.8%～48.7%,是其膳食纤维的主要构成成分。

本研究测定了24个裸燕麦品种的β-葡聚糖、半纤维素、果胶、纤维素、低聚糖和抗性淀粉等主要膳食纤维组分含量,方法大多采用比色法定量,对于其准确区分和定量还需深入研究。

对农作物的营养品质综合评价目前无统一方法。理化指标检测分析结合主成分分析、聚类分析、相关分析、灰色关联度分析和隶属函数分析方法等是目前应用较多的品质评价手段。本研究采用主成分分析结合聚类分析的方法,从24个裸燕麦品种的9个营养品质特性指标中提取了4个指标,分别为蛋白质、半纤维素、β-葡聚糖和果胶含量,可简化裸燕麦品质评价指标。以往对燕麦籽粒营养品质综合评价的研究,多以常规营养指标,如粗纤维、粗蛋白、淀粉、脂肪和β-葡聚糖等作为评价指标[23-27]。本研究对裸燕麦膳食纤维组成和含量进行了分析,发现不同品种间膳食纤维组分含量存在显著性差异,对燕麦功能性营养评价具有参考价值。本研究以β-葡聚糖、果胶、半纤维素、纤维素、低聚糖、蛋白质、淀粉、脂肪和灰分含量共9个营养品质指标对24个裸燕麦品种进行品质综合评价,得分前10名的品种分别为张莜8号、迪燕1号、白燕16号、坝莜13号、魏都莜5号、白燕2号、晋燕17号、坝莜16号、坝莜18号和白燕18号,可作为改良燕麦品质性状的种质。