京津冀主栽板栗品种果实甜度差异分析及评价

李 颖 张树航 郭 燕 张馨方 王广鹏

(河北省农林科学院 昌黎果树研究所,河北 昌黎 066600)

甜度是评价板栗(CastaneamollissimaBL.)果实食用品质最主要的指标之一,有研究表明,在甘薯食味指标中甜度与食味总评关系最大,其次才是香味和质地[1-3]。所以果实甜度的高低直接影响其质量等级和商品价值,生产和培育出高甜度板栗是种植者与育种者共同追求的目标。京津冀地区是我国最重要的板栗主产区之一,栽培历史悠久,板栗种植面积大(约33万hm2),品种众多[4],且该地区品种有别于国内其它品种,普遍具有高甜度这一独特优势[4-5]。精确明晰这些特异品种的果实甜度差异,对生产中品种选择、高甜品种培育及种质创新利用具有重要意义。

甜度主要来源于果肉中的可溶性糖,包括蔗糖、麦芽糖和果糖等,目前在果树上常用可溶性总糖和可溶性固形物含量来评价果实甜度[6-8],在板栗上亦是如此[9]。但水果果实的口感甜度受糖酸2种物质的影响,而板栗口感甜度主要受可溶性糖影响。同时有研究证明,不同可溶性糖组分和含量对甜度影响不同。参照梁俊等[10]对糖甜度值的定义发现,果糖最甜,蔗糖次之,山梨醇甜度最低,但以葡萄糖的风味最好[11]。现实生活中也经常发现可溶性总糖含量较高的品种,口感甜度一般,相反的一些可溶性总糖含量不高的品种口感香甜层次丰富。其原因可能是由于果实中各糖分差异所致,解析栗果中各糖分与甜度的关系是揭示这一问题的关键。

目前在板栗品质的分析方面使用了多种评价方法,如多因子模糊评审法、赋值多维价值理论、合理-满意度法和主成分分析法[12-16]等。但只有主成分分析法侧重于真实存在的数据,避免了主观因素对结果的影响[17],赋权更客观科学,结果真实。该方法在苹果、柑橘、枣、及核桃[18-21]等果实品质的综合分析评价上都取得了较好的结果,同时主成分分析在对板栗果实表型和营养成份的评价中发挥了重要作用[22-24]。前人关于板栗甜度的评价,多是简单基于总糖含量的比较,且通常是育种者基于选育地的测定数据,不同地区品种间可比性较差。目前对于板栗果实中不同可溶性糖组分变化与甜度关联研究也鲜见报道。

本研究选取京津冀板栗产区的32个主栽品种,对板栗果实可溶性糖相关的甜度指标共 11个性状进行评价分析,通过成分含量分析、相关性分析、主成分分析、隶属函数分析和聚类分析等多种分析方法综合评价各品种甜度,旨在明确可溶性糖性状间相关性及对甜度的作用,以期为京津冀乃至全国板栗产业高甜度品种选择、培育和特异资源利用提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况及试验材料

选取在京津冀板栗栽培面积超667 hm2的品种为试验对象,共32份试验材料(表1),均定植于河北省昌黎果树研究所板栗种质资源圃(119°15′ E,39°72′ N)。该地属温带半湿润大陆性气候区,年平均气温11 ℃,无霜期186 d,年平均降水量638 mm。所有供试品种均于2004年嫁接于3年生‘燕山早丰’实生砧木上,每品种嫁接5株,株行距4 m×4 m,统一采用常规管理方法。

表1 板栗品种编号与主要栽培区域Table 1 Chinese chestnut variety number and main cultivation area

1.2 试验方法

按板栗种质资源描述规范和数据标准中的方法[25]确定果实成熟期。

2019—2021年连续3年,每年每个品种选取生长状态基本一致的健康树体3株,于果实成熟期随机采取各单株果实1.0 kg,将其置于温度(0±2)℃、相对湿度90%的气调库中贮藏。在每品种贮藏40 d时[26],取样测定果实中各可溶性糖相关性状指标并计算均值,然后将3年均值数据再次平均。

按板栗种质资源描述规范和数据标准中的方法[25]测量板栗果实含水量(Water content,WC)和可溶性总糖含量。板栗果实可溶性固形物含量测定:同株样品中每次随机挑选9粒,剥皮捣碎,挤压果汁,用手持数显糖度计(PAL-1 糖度计)测定样品可溶性固形物含量,重复3次。其它可溶性糖分含量采用HPLC-ELSD检测,检测设备为Water 2695高效液相色谱仪,配备奥泰E2000蒸发光散射检测器。

由于板栗样品中麦芽糖和水苏糖在正常检出浓度下,蔗糖浓度偏大,峰面积过载,故蔗糖、麦芽糖及水苏糖不能同时测定,需分2步进行。具体方法如下:

样品前处理:随机取各单株坚果30粒,脱壳烘干,粉碎研磨,过120目筛;称取研磨后板栗样品2.5 g加入20%乙醇溶液50 mL,用功率160 W、频率50 kHz超声振荡器提取30 min;超声结束后补足失重,离心取上清,0.22 μm微孔滤膜过滤,即得供试样品溶液。

蔗糖(Sucrose content,SuC)检测条件:色谱柱:Cosmosil sugar-D(250 mm×4.6 mm,5 μm);流动相:水(A)-乙腈(B),梯度洗脱(0～24 min,22% A-78% B;25～28 min,30% A;29～31 min,30% A→22% A);流速:1 mL/min;漂移管温度:105 ℃;气体流速:2.8 L/min;原样品溶液稀释30倍后进样10 μL,柱温:40 ℃。

麦芽糖(Maltose content,MalC)和水苏糖(Stachyose content,StC)检测条件:色谱柱:Cosmosil sugar-D (250 mm×4.6 mm,5 μm);流动相:水(A)-乙腈(B),梯度洗脱(0～20 min,18% A-82% B;21～23 min,18% A→30% A;24～40 min,30% A-70% B;41～46 min 30% A→18% A);流速:1 mL/min;漂移管温度:105 ℃;气体流速:2.8 L/min;原样进样体积10 μL;柱温:40 ℃。

果糖(Fructose content,FC)、甘露醇(Mannitol content,ManC)和山梨醇(Sorbitol content,SoC)检测条件:色谱柱:Supelcogel Ca (30 cm×7.8 mm);流动相:水(A),流速:0.6 mL/min;漂移管温度:105 ℃;气体流速:2.8 L/min;原样进样体积10 μL;柱温:65 ℃。

生化甜度(Biochemical sweetness,BS)的计算参照姚改芳等[26]、张文婷等[27]和张毅等[28]方法:生化甜度=蔗糖含量×1+麦芽糖含量×0.35+水苏糖含量×0.22+果糖含量×1.75+甘露醇含量×0.7+山梨醇含量×0.4。

已测糖类的总和(Sum of measured soluble sugar,SMSS)为蔗糖、麦芽糖、水苏糖、果糖、甘露醇和山梨醇含量的总和。

1.3 数据分析

运用Excel 2010和SPSS 20. 0对数据进行处理和统计描述分析,采用主成分分析法确定各个指标权重Wj,运用隶属函数法结合各指标权重综合计算32个板栗品种甜度品质度量值(D值)[29-30],再根据D值通过Mega软件进行聚类分析并分级。

指标权重Wj的计算公式为:

Wj=(λ1Fac 1j+λ2Fac 2j+…+λnFacnj)/
(λ1+λ2+…+λn)

式中:Wj为第j个指标的权重,Fac 1j为第j个指标在第1主成分中的得分系数,Fac nj为第j个指标在第n主成分中的得分系数,λ1、λ2、…、λn为n个主成分的特征值。

D值和R(Xij)的计算公式为:

(1)

R(Xij)=(Xij-Xmin)/(Xmax-Xmin)

(2)

或者负相关为:

R(Xij)=1-(Xij-Xmin)/(Xmax-Xmin)

(3)

式中:R(Xij)表示i品种的j指标的隶属函数值;Wj是指标j的权重;Xij表示i品种的j指标的测定值;Xmax及Xmin分别为j指标的最大值和最小值,%。

2 结果与分析

2.1 板栗不同品种间各甜度指标差异分析

32份板栗品种的甜度指标数值见图1、表2～4。由表2可知,京津冀板栗品种的可溶性固形物含量均值为24.33%,含水量为48.10%,总糖含量为20.80%。由此可以看出,京津冀地区板栗品种经过多年筛选,果实的甜度品质表现比较稳定,整体较好。由表3可知,可溶性固形物含量、含水量、可溶性总糖含量、已测糖类总和及生化甜度这5项指标变异系数最高仅为12.11%,3年间波动不大;但是蔗糖、果糖、麦芽糖、水苏糖、甘露醇和山梨醇这6种单一指标变异系数高,差异较大。可溶性糖组分含量从高到低分别为蔗糖>果糖>麦芽糖>水苏糖>甘露醇≈山梨醇(表2)。蔗糖含量均值为8.53%,最大值为11.44%,最小值为6.16%,其含量高于其他几种糖类的总和,因此蔗糖为板栗果实可溶性糖中最主要的成分。已测糖类总和为上述6种可溶性糖类的总和,占可溶性总糖含量的一半左右,其平均含量为10.16%,最高值为12.99%,最低值为7.88%(表2)。生化甜度的平均值为10.27%,最高值为13.07%,最低值为8.20%,结果与已测糖类总和相似但略有不同(表2)。

编号所代表的品种详见表1。下同。The varieties represented by the number are detailed in Table 1. The same below.图1 京津冀板栗主栽品种各可溶性糖成分含量Fig.1 Contents of sweetness flavor indexes of main chestnut varieties in Beijing-Tianjin-Hebei

表2 板栗甜度指标基本参数统计Table 2 Basic parameter value of traits related sweetness for Chinese chestnut

表3 板栗甜度指标变异程度分析Table 3 Analysis of variation of chestnut sweetness index

表4 京津冀板栗主栽品种甜度相关性状值Table 4 Data of traits of sweetness of main chestnut varieties in Beijing-Tianjin-Hebei

同时还发现,所有甜度指标各品种间的含量均达到极显著差异,差异程度从大到小依次为:水苏糖含量>山梨醇含量>果糖含量>含水量>麦芽糖含量>生化甜度>蔗糖含量>甘露醇含量>已测糖类总和>可溶性固形物>可溶性总糖含量(表2)。其中水苏糖含量的显著水平最高,F值为21.08,可溶性总糖的显著水平最低,F值为3.61,说明与其他指标相比水苏糖含量的种内重复性好,品种间差异较大,而可溶性总糖含量在品种间差异相对较小。甜度指标中变异丰富程度由大到小排序为(表3):甘露醇含量=山梨醇含量>麦芽糖含量>水苏糖含量>果糖含量>蔗糖含量>已测糖类总和>生化甜度>可溶性固形物>可溶性总糖含量>含水量,含水量的变异系数最小为5.57%,其次是可溶性总糖和可溶性固形物,分别是9.38%和9.61%,这3项指标的变异系数都低于10%,遗传稳定。甘露醇和山梨醇的变异系数最高为25.00%,这2项指标变异丰富。

2.2 板栗果实甜度指标间的相关性分析

由表5可以看出,含水量和可溶性固形物含量呈极显著负相关,蔗糖和已测糖类、生化甜度总和呈极显著正相关,已测糖类总和与生化甜度呈极显著正相关,蔗糖与可溶性固形物含量呈显著正相关,已测糖类总和与可溶性总糖、麦芽糖含量呈显著正相关,其余指标间无显著的相关性。由此发现,蔗糖与已测糖类总和、生化甜度和可溶性固形物含量都为正向相关,说明测得的6种可溶性糖成分中,蔗糖与含有多种物质的综合指标联系比较密切,其含量某种程度上可以作为这些指标的一个反映。这6种可溶性糖成分间无显著相关,说明各成分间是较为独立的存在。生化甜度是由不同可溶性糖组分计算得出,是以生化甜度与已测糖类总和呈极显著正相关,但由于不同糖类的甜度不同,生化甜度又不仅仅是各个可溶性糖组分的简单相加。

2.3 京津冀板栗主栽品种甜度指标主成分分析和综合品质评价

32个品种的11个板栗甜度指标之间存在一定的相关性,信息有重叠,因此,对京津冀板栗主栽品种进行甜度综合品质评价时,不能直接分析,需通过主成分分析确定各项指标反映甜度时所占比的权重系数。通过主成分分析发现(表6),前5个主成分涵盖了全部信息的80.800%,能够较好的反映板栗甜度。各甜度指标在5个主成分中的因子载荷差异较大,指标的绝对载荷值越大在该主成分中的贡献就越大,代表性越强。依据各指标在5个主成分中的得分系数和该主成分的特征值计算出权重求得综合得分值Y,Y的表达式系数即Y=0.09X1-0.03X2+0.10X3+0.08X4+0.13X5+0.21X6+0.04X7+0.07X8-0.02X9+0.10X10+0.09X11。此表达式中,指标前的系数为正,则表明该指标与Y值呈正项相关,即与甜度正相关;系数为负,则为负相关;该系数绝对值即为权重,权重越大,表明该品种的板栗果实甜度越好[29]。由该表达式可以看出,11个指标对板栗甜度的影响顺序为水苏糖>麦芽糖>可溶性总糖≈已测糖类总和>生化甜度≈可溶性固形物>蔗糖>甘露醇>果糖>含水量>山梨醇,其中含水量和山梨醇含量与板栗甜度为负相关,其余9个指标都与板栗甜度呈正相关。

表6 板栗甜度指标的主成分矩阵、特征向量和贡献率Table 6 The eigenvalue and contributive percentage of principal components and component scores coefficient matrix of traits related sweetness for Chinese chestnut

进一步运用隶属函数法,求出11项指标的隶属函数值,结合主成分分析得出各指标权重,最后计算每个品种11项指标的甜度度量值(D),D值越高,甜味越好。由表7可知D值最高的品种是‘燕金’,D值为0.691,其甜度最佳,D值最低的品种是‘燕红’,D值为0.159。

表7 板栗甜度性状隶属函数值和甜度度量值Table 7 Membership function values and sweetness measurements value of Chinese chestnut varieties

2.4 京津冀板栗主栽品种聚类分析及甜度分级

通过聚类分析法将32份京津冀板栗主栽品种在遗传距离为0.01处聚为3大类群(图2)。根据3大类群的D值大小,将其由高到低分为3级。第1类群共有9个品种,占比为28.12%,D值范围为0.502～0.691,所属级别为高甜类型(HS),高甜品种为‘燕金’‘燕昌’‘大板红’‘燕栗2号’‘燕秋’‘良乡1号’‘燕丰’‘燕山短枝’‘燕山早丰’。第2类群共包含18份品种,占比56.25%,D值范围为0.315～0.450,所属级别为中甜类型(MS),中甜品种为‘京暑红’‘替码珍珠’‘燕兴’‘燕丽’‘燕平’‘南垂5号’‘硕丰’‘东陵明珠’‘黑8’‘短花’‘燕明’‘遵化短刺’‘紫珀’‘燕宝’‘迁西早红’‘燕光’‘大青裂’‘燕奎’。第3类群有5个品种,占比15.63%,D值范围为0.159～0.282,所属级别为低甜类型(S),低甜品种有‘燕晶’‘燕紫’‘怀丰’‘津早丰’‘燕红’。

3 讨 论

京津冀板栗栽培历史悠久,风味独特,是宝贵的种质资源,也是挖掘优异基因和选育新品种的宝库。评价京津冀板栗果实品质不仅为其等级划分与科学利用提供了依据,也为以改良品质为目标的育种工作提供了材料。板栗果实的甜度是由多种性状共同影响的复杂品质,评价指标的选择直接影响着最终的评价效果,要对其进行科学客观的评价,确定合理的评价指标是基础。可溶性固形物中的可溶性糖和有机酸既是果实的重要营养成分,也是重要的风味物质[31-32]。含水量的多少直接影响板栗果实中可溶性固形物的浓度,从而改变板栗口感,板栗果实中的可溶性糖,包括蔗糖、果糖和麦芽糖等[22],这些糖分含量的差异对板栗的营养成分和口感有重大影响[33]。另外由于人们对各种糖组分甜度的感觉不同,可溶性总糖含量越高,并不意味着口感越甜,还与单体的组成成分有关[34],所以可溶性糖含量及成分占比,是衡量果实品质优劣的主要指标。但不是可溶性糖越高,食味口感越甜。所以食味口感中的甜度指标,在板栗风味评价中也应受到重视,同时,板栗可溶性糖成分和含量复杂,口味层次丰富,在以甜度为主要育种目标的同时也要注意保留可溶性糖成分的多样性,以便满足人们多口味的需求。

本研究以32个京津冀主栽板栗品种为材料,对其采后40 d可溶性糖相关的11个性状进行了评价,这11个性状既包括了可溶性固形物、可溶性总糖、已测糖类总和、生化甜度等由多种物质组合的综合性状,还包括了蔗糖、水苏糖、果糖和麦芽糖等单一物质类的可溶性糖成分,从细节和整体多个角度评价果实品质,客观真实的反映板栗难以量化的口感风味,为全面了解板栗果实甜度形成机制打下基础。

从京津冀板栗整体的糖含量水平可以看出该群体果实品质较高[9]。板栗可溶性糖成分复杂,检测时有些成分尚未明确,已知的可溶性糖组分中蔗糖为含量最高的成分。这与刘艳等[35]的研究结果一致。京津冀板栗品种的11项甜度性状在同一品种间重复性稳定,在不用品种间差异显著。其中可溶性总糖的种间差异小于各个可溶性糖成分的差异,同时也小于生化甜度的差异。对这些甜度性状的变异程度进行研究发现,可溶性总糖的变异程度也明显低于各个可溶性糖成分和生化甜度的变异程度,这说明京津冀板栗不同品种糖度的差异要小于实际上人们口感中的差异,即相似的糖度,却有不同的口感。对各指标的相关性进行研究发现,蔗糖与含有多种物质的综合指标联系比较密切,其含量某种程度上可以作为这些指标的反映。6种可溶性糖成分间互相影响不大,是较为独立的存在,这也可能是板栗品种口感丰富的一个原因。生化甜度虽然是由不同可溶性糖组分计算得出,但由于不同糖类的甜度不同,生化甜度又不仅仅是各个可溶性糖组分的简单相加,作为板栗甜度口感评价指标不可取代。

在现有研究中,使用的评价方法有等距分级评价法和模糊数学法[36]等,这些方法各具优势,但评价分析不够全面,导致评价结果有不准确性。板栗的甜度影响因素复杂,某一指标或较少的指标无法全面合理地评价板栗甜度,然而较多的指标之间相互影响,则会使信息有一定重叠或是偏差,因此需要科学的方法来确定各个品质指标的比例权重[32]。本研究通过主成分分析法,计算得出各个指标在甜度评价中的比例权重,再运用多项指标的隶属函数法得出各个品种的甜度度量值,将各指标单方面的影响和指标间的相互影响相结合,是一种科学且准确的评价方法。通过对甜度度量值的聚类分析,将32份板栗品种分成了高甜、中甜和低甜3个等级,其中高甜的品种9份,分别是‘燕金’‘燕昌’‘大板红’‘燕栗2号’‘燕秋’‘良乡1号’‘燕丰’‘燕山短枝’和‘燕山早丰’。众所周知,评价是手段,而种质资源的利用和创新才是真正的最终目标[28]。本研究所得高甜板栗品种,可以在以板栗高甜度为生产目标的区域直接栽植应用,也可作为优良育种亲本或优异种质在板栗糖类遗传改良中加以应用。

4 结 论

京津冀主栽板栗品种的甜度品质整体较优;板栗果实11项甜度指标全部在主栽板栗品种间存在极显著差异,能够作为综合评价板栗甜度的指标,各可溶性糖成分和含量间的差异是各板栗品种多样甜度的主要来源;相关性分析中6种可溶性糖成分是较为独立的存在,这可能是板栗品种口感丰富的一个重要原因;通过主成分分析算得各指标权重并结合隶属函数法评价各品种甜度进行聚类分析,划分了32个品种的甜度等级。本研究对板栗高甜度生产栽植和优良亲本选育具有指导意义。