不同小麥品種營養組分含量的近紅外光譜分析

陳向東，吳曉軍，姜小苓，李淦，李笑慧，茹振鋼

（河南科技學院小麥中心，現代生物育種河南省協同創新中心，河南新鄉453003）

小麥是世界上主要糧食作物之一，容易儲藏，營養價值較高，具備獨特的面筋特性，可制作多種食品。小麥是全球約35%～40%人口的主食，也是人體所需能量、蛋白質和膳食纖維的主要來源，同時還是最重要的貿易糧食和國際援助糧食[1]。

小麥品質是一復雜的綜合性狀，一般分為加工品質、外觀品質、食用品質和營養品質4個方面。小麥的營養品質主要由組成蛋白質的氨基酸含量及其平衡程度決定。在小麥品質性狀的分析過程中，利用快速有效的分析檢測方法可以及時了解小麥品質性狀特點，提高工作效率，特別在小麥品種的選育過程中更具有實際應用價值[2]。近紅外光對物質的穿透能力較強，進行近紅外光譜分析不需對樣品作任何化學分析，具有快速、高效的特點。谷物品質近紅外儀具有操作簡便、速度快、良好的重復性和穩定性等特點，可以應用于小麥品質的定量檢測與分析[3-4]。目前，近紅外光譜分析（near infrared spectroscopy，NIR）在作物品質分析和評價、品種資源鑒定和品質育種中得到了廣泛的應用[2-10]。

探討利用近紅外光譜技術對不同生態類型和品質類型的14個小麥品種全麥粉蛋白、淀粉、纖維、脂肪、水分、氨基酸等營養組分快速檢測，并統計分析了不同品種間變異及遺傳多樣性。

1 材料和方法

1.1 材料與設備

1.1.1 材料

選用國內外的14個小麥品種，由河南科技學院小麥中心提供。于2013年～2014年度種植于河南科技學院小麥中心校內試驗地，試驗地土地平整，土壤肥沃，灌溉設施良好，人工播種。田間正常管理，籽粒自然干燥后收獲。本研究選用的14個小麥品種的種植區域和來源，見表1。

表1 14個小麥品種的種植區域和來源Table 1 The planting area and source of 14 wheat varieties selected

1.1.2 設備

XDS型近紅外品質分析儀：Foss分析儀器公司；FW80高速萬能粉碎機：濟南科翔實驗儀器有限公司。

1.2 試驗方法

1.2.1 磨粉

挑選出樣品中的雜質，用小型粉碎機粉碎樣品，粉碎時間均為1 min，粉碎得到全麥粉。

1.2.2 品質性狀含量測定

利用Foss公司生產的XDS型近紅外品質分析儀測定，開機預熱儀器30 min，采用化學計量學方法建立的數學模型作為參比標準板進行校準后，將粉末樣品放入圓形凹杯中，表面刮平，用圓薄片輕微壓實蓋上置于光譜儀樣品臺上進行掃描，每個樣品重復3次。

1.2.3 數據分析方法

采用SPSS和Microsoft Excel軟件進行方差分析和顯著性檢驗。

1.2.4 聚類分析

測得的數據利用Interval data模塊計算距離矩陣，采用SAHN模塊進行不加權成對算術平均法（unweighted pair-group method with arithmetic means，UPGMA）聚類分析。

2 結果與分析

2.1 小麥營養組分方差分析

通過14個品種的15個營養組分變異系數分析，見表2。

表2 全麥粉15個營養組分數據統計分析Table 2 Statistical analysis of 15 nutritive components in whole wheat flour

從表2中可以發現蛋白質含量介于15.68%～18.43%之間。脂肪含量變異系數最大為13.05%，淀粉含量變異系數最小為2.20%。變異系數從大到小分別為脂肪、灰分、纖維素、亮氨酸、異亮氨酸、蛋氨酸、半胱氨酸、水分、纈氨酸、蛋白質、賴氨酸、蘇氨酸、精氨酸、色氨酸、淀粉。不同的變異系數反映不同的變異程度，大的變異系數展示了這些性狀更加豐富的遺傳多樣性。對于這15個性狀，基因型的變異都達到極顯著水平以上。

2.2 小麥主要營養組分多重比較分析

14個小麥品種全麥粉中主要營養成分比較分析，見表3。

表3 不同小麥品種全麥粉主要營養組分比較分析Table 3 Comparative analysis of main nutrient components in different whole wheat flour

由表3可知，強筋小麥品種小冰麥33和云南57的蛋白質含量顯著高于其他品種；淀粉含量較高的品種有鄭麥9023、煙農19、寧春4號、浙豐2號、川麥107等，其變異系數小，遺傳多樣性較低。川麥44、周麥18和浙豐2號的脂肪含量極顯著高于其他品種。水分含量除了浙豐2號外，其他品種差異不顯著。云南57的纖維含量最高。國外引進品種CL0442的灰分含量最高。

2.3 小麥氨基酸含量多重比較分析

14個小麥品種全麥粉中主要氨基酸含量比較分析，見表4。

表4 不同小麥品種全麥粉氨基酸組分比較分析Table 4 Comparative analysis of amino acid components in different whole wheat flour

由表4可知，強筋小麥品種小冰麥33的9種氨基酸含量極顯著高于其他品種。其次是云南57，有8種氨基酸含量處于第二級別。弱筋品種的氨基酸含量普遍較低。小麥賴氨酸含量較高品種有小冰麥33、川麥44、CL0442、周麥 18。

2.4 不同類型小麥品質性狀聚類分析

14個小麥品種品質性狀的系統聚類分析見圖1。

圖1 14個小麥品種品質性狀的系統聚類分析Fig.1 Phylogenetic analysis of quality traits for 14 wheat varieties

由圖1可見，14個小麥材料可以聚為兩大類群。從聚類結果看，第I類包括3小類，中筋品種矮抗58和濟麥22聚為一類；弱筋品種浙豐2號和川麥107及中筋小麥品種揚麥16和洛優9909聚為一類；強筋品種煙農19、鄭麥9023和寧春4號聚為一類，蛋白質含量較低，淀粉含量較高。第II類包括2小類，中筋品種周麥18與川麥44及CL0442聚為一類；強筋品種小冰麥33和云麥57聚在一類，蛋白質和氨基酸含量較高。

3 討論

本研究采用近紅外光譜分析技術檢測小麥籽粒全麥粉品質性狀，效率大大提高。近紅外檢測小麥面粉中的蛋白質、水分和灰分等成分已成為國際公認的標準檢測方法。前人研究比較了近紅外光譜儀和凱氏定氮化學方法測定小麥蛋白質含量，發現其結果有較好的相關性，近紅外光譜儀可以對育種材料進行早期預測[6，11-12]。本研究中通過近紅外光譜檢測的蛋白質含量與前人報道的化學方法檢測蛋白質含量相關系數達到82.9%。但近紅外光譜技術作為優越的品質檢測手段也存在一些影響因素如基因型、水分含量差異等[13-15]。Cao等[14]利用近紅外預測結果均高于樣品的實驗室分析結果可能是由于參照近紅外模型的建立樣品的原因。張靈帥等[13]通過比較含水量在9%～27%的2個品種，發現測定誤差隨樣品含水量的降低而減小。王京宇等[15]通過比較近紅外和烘箱法水分測定結果，發現利用近紅外用于水分測量有較好的精度和準確度。蛋白質含量會隨水分含量的減少而增加，當水分變化幅度為3.3%時，蛋白質含量變化幅度為0.92%。本研究中利用不同生態區和品質類型的14個品種，有較低水分含量在5.66%～6.73%，因此該試驗蛋白質含量結果普遍高2%，但基本符合供試材料的品質性狀特征，與其實際利用的情況是一致的。同時，除浙豐2號外，本研究中其他品種水分含量無顯著差異，因此比較不同品種的營養物質相對含量差異是有意義的。由于近紅外光譜技術具有快速簡單、不破壞籽粒等優點，特別在對小麥雜種后代品質性狀的跟蹤篩選中可能具有重要利用價值。

小麥的營養品質主要是指蛋白質含量和氨基酸組成的平衡程度，其中必需氨基酸含量是決定小麥營養品質的關鍵。本研究中測定的強、中、弱筋小麥籽粒中淀粉和蛋白質含量規律與前人研究一致，強筋小麥蛋白質含量高，但淀粉含量低，弱筋小麥則相反[16]。研究發現淀粉、蛋白、纖維的變異系數較高，有利于發掘品質性狀極端的變異品種。小麥中含有各種必需氨基酸，但由于小麥中賴氨酸、蘇氨酸和異亮氨酸含量較低，導致氨基酸組成不平衡，成為小麥的限制性氨基酸。本研究篩選到3種含量較高的小麥品種小冰麥33、云南57和CL0442等品種，可為營養品質育種提供了種質資源，也為進一步挖掘利用綜合品質性狀優良的基因提供了表型性狀快速鑒定方法。