基于模糊數學和聚類分析的香菇品種綜合品質評價

劉芹 孔維麗 崔筱 宋志波 孔維威 康源春 張玉亭

摘? ? 要：為篩選出適合河南地區種植的香菇品種，以河南省食用菌種質資源庫近年選育和引進的43個香菇品種為研究對象，對其14個生物經濟學指標進行統計分析，運用模糊數學和聚類分析的方法建立綜合評價體系。結果表明，不同香菇品種間鮮菇總產量、外觀和開傘難易差異較大，內在品質方面差異較小。結合模糊數學評判和聚類分析，43個品種可以劃分為4個類群：綜合品質優良的豫香1號、雨花3號、南山N12等7個品種聚為I類，綜合品質較差的香分N1、夏1、朕迪ZSL-6等9個品種聚為IV類，其他綜合品質中等的品種分別聚為II和III類。研究結果可為其他食用菌的品質評價提供借鑒，并為河南省香菇優良種質的創制和開發提供部分可利用的資源。

關鍵詞：香菇;品種;綜合品質;模糊數學;聚類分析

中圖分類號：S646.1+2 文獻標志碼：A 文章編號：1673-2871（2021）11-037-10

Comprehensive quality evaluation of Lentinula edodes using fuzzy mathematics and cluster analysis

LIU Qin， KONG Weili， CUI Xiao， SONG Zhibo， KONG Weiwei， KANG Yuanchun， ZHAGN Yuting

（Institute of Plant Nutrition， Agricultural Resources and Environmental Science， Henan Academy of Agricultural Sciences， Zhengzhou 450002， Henan， China）

Abstract： The purpose is to select the suitable Lentinula edodes varieties for planting in Henan Province. In this study， 14 bioeconomic indicators of 43 common cultivated species of Lentinula edodes were analyzed. Fuzzy mathematics and cluster analysis were used for establishing comprehensive evaluation system. The results showed that coefficients of variation of yield， external quality-related indexes and umbrella's opening difficulty indexes of fruiting body were larger， while coefficients of variation of internal quality-related indexes were lower. Combined with fuzzy mathematical evaluation and cluster analysis， the 43 species can be divided into four groups： seven species including Yuxiang 1， Yuhua 3， Nanshan N12， etc.， with superior quality were clustered into group I. Nine species including Xiangfen N1， Xia 1， Zhendi ZSL-6， etc.， with the worst quality were assigned into group IV.The other species with moderate quality were clustered into groups II and III. The results of this study can provide reference for the quality evaluation of different varieties of edible mushrooms， and also provide some available resources for the creation and development of high-quality germplasm of L. edodes in Henan province.

Key words： Lentinula edodes; Species; Comprehensive quality; Fuzzy mathematics; Cluster analysis

香菇Lentinula edodes （Berk.） Pegler，隸屬于擔子菌門（Basidiomycota）、蘑菇亞門（Agaricomycotina）、蘑菇綱（Agaricomycetes）、蘑菇目（Agaricales），類臍菇科（Omphalotaceae），微香菇屬（Lentinula）[1]。香菇在我國具有悠久的栽培歷史，風味獨特、肉質鮮美、營養豐富，長期食用能夠提高身體免疫力、防病健身，故有“菇中皇后”的美譽[2-4]。河南香菇年產量居全國第一，2019年河南省年產食用菌541萬t，產值達397億元，其中香菇產量312萬t，占全國香菇年產量的28%[5]。盧氏、泌陽、南召、淅川、靈寶、嵩縣、西峽等貧困山區是全國重要的香菇產區，種植規模約20億棒[6]。

食用菌具有生長周期短、經濟效益高的優點，河南省73.6%貧困縣把食用菌產業作為脫貧攻堅的主要抓手[7]。良種對食用菌豐產、穩產具有至關重要的作用，是食用菌產業可持續發展的基礎和動力[8]。我國食用菌品種選育剛剛起步，自主選育的香菇等品種遠遠滿足不了市場需求，生產中栽培面積最大的香菇品種9608在生產中應用已經超過15年，菌種退化，產量下降。適宜秋栽、夏栽的60 d及90 d短菌齡優良品種缺乏，適宜周年栽培的品種嚴重不足。隨著食用菌產能的擴大，對不同功能的優良品種的需求量越來越大，迫切需要加快香菇短菌齡抗高溫夏栽、中菌齡廣溫型秋栽高產品種的選育進程，填補省內市場需求空白。

雜種優勢是優良品種選育的基本原則之一。對親本綜合品質的評價是預測親本優勢，準確快速篩選優良親本自交系，減少育種工作量的前提基礎[9]。目前，對食用菌種質資源的分析和評價主要集中于分類鑒定、簡單外觀評價，而包含外在品質、內在品質、耐貯性等指標在內的綜合評價較少[10]。模糊數學是將矩陣評判和模糊理論結合起來，對于綜合問題的評價具有良好的效果[11-12];聚類分析已廣泛應用于農作物種質資源類群的劃分[13-16]。劉芹等[17]、劉美迎等[18]將這2種方法聯合用在平菇、葡萄等的研究中，構建新的農作物綜合品質評價體系，為后續優良品種的創制奠定基礎，進而提高育種效率[9]。筆者在本研究中利用模糊數學和聚類分析方法對河南省食用菌種質資源庫現存的43個香菇品種進行綜合評價和類群劃分，旨在篩選出綜合性狀優良的香菇品種，為篩選雜交親本、創制優良新種質提供參考。

1 材料和方法

1.1 試驗地點

該試驗于2020年2—11月進行，地點位于河南省農業科學院原陽二基地。

1.2 材料

供試品種共43個，均保藏于河南省食用菌種質資源庫，編號及名稱見表1。

1.3 方法

1.3.1 香菇栽培 有以下各環節。

（1）培養料配方：木屑78%，麩皮20%，石膏2%，含水量約55%。

（2）裝袋：將木屑加入同樣質量的水提前1 d預濕，然后混入麩皮、石膏攪拌均勻，加入清水反復翻拌3～4次，使水分均勻吸收。機器裝袋，采用15 cm×60 cm×0.006 cm的聚乙烯袋，每袋裝干料1.25 kg，每個品種設置3組重復，每組重復30袋，每個品種90袋。

（3）滅菌、接種：110 ℃高壓蒸汽滅菌8 h，菌袋冷卻后無菌打孔接種，每個菌袋打4個穴孔，接種量約為干料質量的3%，接種后套上外膜袋。

（4）發菌培養：在發菌室進行菌絲培養，保持室內溫度（25±2）℃，空氣相對濕度50%～70%，CO2濃度 ≤ 0.3%，黑暗或弱光。

（5）出菇管理：菌袋轉色完畢，脫袋排架，進入出菇管理期，保持棚內濕度80%～90%，溫度20～28 ℃，10月中旬開始采收第一潮菇（七成熟），記載子實體性狀、鮮菇產量等。

1.3.2 香菇各項生長指標的測定 有以下各項：

（1）子實體內在品質分析：分析100 g干子實體內粗纖維、脂肪、粗多糖、氨基酸及蛋白質含量。氨基酸含量依據GB 5009.124—2016《食品中氨基酸的測定》進行測定;蛋白質含量依據GB 5009.5—2016《食品中蛋白中的測定》進行測定;粗纖維含量依據GB/T 5009.10—2003《植物類食品中粗纖維的測定》進行測定;粗多糖含量測定依據NY/T 1676—2008《食用菌中粗多糖含量的測定》進行測定;脂肪含量測定依據GB 5009.6—2016《食品中脂肪測定》進行測定。

（2）子實體外在品質測定：測定指標分別為菌柄直徑、菌蓋直徑、菌柄長度、菌蓋厚度、菌柄形狀。具體方法如下：

菌柄直徑：（菌柄的最大直徑+菌柄的最小直徑）/2，cm;

菌蓋直徑：十字法量取菌蓋的直徑，求其平均值，cm;

菌柄長度：菌柄頂端到底部的距離，cm;

菌蓋厚度：沿切去菌柄后的菌蓋中心縱向切開后，量取菌柄著生處菌肉厚度，cm;

菌柄形狀：按上下等粗（1級）、上粗下細（2級）、上細下粗（3級）3個標準劃分。

（3）產量測定：鮮菇總產量：每個品種均采收第1潮、90個栽培袋所獲得的鮮菇總質量，kg。

（4）耐貯性測定：測定指標分別為菌蓋硬度、子實體開傘難易和菌柄硬度。具體方法如下：

菌蓋、菌柄的硬度：按照NY/T 2560—2014《植物新品種特異性、一致性和穩定性測試指南 香菇》進行描述，硬度性狀表現可分為3級，硬（1級）、中（2級）和軟（3級）;

開傘難易：將采收后的香菇貯藏于4～5 ℃環境中，觀察開傘情況。根據開傘時間分為3級：不易（1級）：5～7 d開傘、中（2級）：3～5 d開傘和易（3級）：0～3 d開傘。

1.3.3 香菇品種模糊綜合評價模型的建立 有以下步驟：

（1）判斷矩陣構建及一致性檢驗：參考劉芹等的方法[17]構造層次結構模型。根據劃分評價因子的層次類別關系，將層析結構分為4層（圖1）：第1層為目標層（A），為品質綜合評價;第2層為準則層（B），記為B={B1，B2，B3，B4}，B1為香菇內在品質，B2為香菇外在品質，B3為香菇產量性狀，B4為香菇耐貯性;第3層為指標層（X），為影響香菇品質的因素，記為X={X1，X2，X3，X4，…，X14};第4層為方案層（Y），為不同的供試香菇品種，記為Y={Y1，Y2，Y3，Y4，…，Y43}。依據上述測定的數據和食用菌專家的意見，分別進行X-B、B-A間因素兩兩比較矩陣的構建，當矩陣一致性比例CR值小于0.1時，說明該矩陣一致性較好，矩陣可用。

（2）組合權重系數計算[17]X層上第j元素對目標層A的組合權重向量S根據公式（1）計算：

Sj =（p1，p2，…，pk） × wj? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

式中：pk為B層上第k個準則相對于目標層A的權重向量;wj表示X層第j個元素對所屬準則層Bk的權重向量。

（3）模糊品質綜合評定將上述14個生物經濟學指標測定的原始數據進行極差標準化處理。各香菇品種的綜合評價得分表示為：

Ri=Yij×Sj? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （2）

式中：Ri為第i組的供試品種品質指標的綜合評定指數;Yij為第i組供試樣品的第j個評價因子標準化結果;Sj為第j個因素的組合權重[17-18]。

1.3.4 供試品種的聚類分析 采用離差平方和（Ward）法，以篩選的14個生物經濟學性狀指標為依據，對43個香菇品種進行聚類分析[18]。

1.4 數據處理

利用Microsoft Excel 2016構建判斷矩陣及進行一致性檢驗，運用Matlab R2017b計算權重，采用SPSS 20.0進行聚類分析。

2 結果與分析

2.1 不同品種香菇生物特性及品質指標評價

2.1.1? ? 子實體外觀品質? ? 有以下幾個指標：

（1）菌蓋：43個供試品種的菌蓋平均直徑為5.28 cm，平均厚度為1.32 cm，其中香25的菌蓋平均直徑最大為7.40 cm，滬農1號的菌蓋平均直徑最小為3.60 cm。朕迪CGL-9、朕迪DM-18和香1024的菌蓋厚度最大為1.75 cm，靈仙13菌蓋最薄為0.60 cm（圖2）。

（2）菌柄：43個供試品種中，菌柄形狀上下等粗（1級）的為：農香1號、香28、香9608、香8081、香9312、L18、武香N12、申香215、韓香1號、南山N12、滬農1號、慶元2號、香8082、L8084、朕迪ZSL-6、朕迪CGL-9、朕迪DM-13、朕迪DM-18、靈仙11、靈仙13、靈仙14、南山N11、盧香、夏1、香808、香931、香ZX-4、香升龍1-1、香856和香泌陽252;上粗下細（2級）的為：香LS1、雨花3號、香泌陽152、香分N1、豫香1號;上細下粗（3級）的為：農香3號、香1024、香25、香087、香LS12、香泌陽253、939 N12、朕迪CGL-10。菌柄平均直徑為1.44 cm，平均長度為4.09 cm，其中香LS 12的菌柄直徑最大為2.40 cm，香ZX-4菌柄最細為0.70 cm。而香9312、武香N12和香LS 12的菌柄最長為6.25 cm，慶元2號的菌柄最短為1.70 cm（表2）。

2.1.2? ? 子實體耐貯性? ? 供試的43個品種中，菌蓋和菌柄均硬（1級）的為香LS1、雨花3號、韓香1號、朕迪DM-18、香分N1、夏1;菌蓋和菌柄硬度中（2級）的為農香1號、香9312、申香215、滬農1號、朕迪DM-13、靈仙11、香808、香931;菌蓋和菌柄軟（3級）的為L18、香LS12、泌陽253、朕迪CGL-10。子實體不易開傘（1級）的為農香1號、農香3號、香8081、香9312、香LS1、雨花3號、韓香1號、南山N12、L8084、939 N12、香泌陽152、朕迪CGL-9、朕迪CGL-10、朕迪DM-13、豫香1號、香升龍1-1、香泌陽252;易開傘（3級）的為L18、香25、香087、香ZX-4、香856。因此，韓香1號、雨花3號和香LS1菌蓋和菌柄質地較硬且不易開傘，而L18菌蓋和菌柄質地均較軟且容易開傘（表2）。

2.1.3? ? 子實體內在品質? ? 由表2可知，各品種之間的內容物含量有較大的的差異，其中朕迪DM-13具有最高的氨基酸含量（w，后同）（20.01 g·100 g-1）和蛋白質含量（26.80 g·100 g-1），而農香3號的氨基酸和蛋白質含量最低，分別為10.96 g·100 g-1和16.60 g·100 g-1。供試的43個品種香菇的粗纖維和粗多糖平均含量分別為7.14 g·100·g-1和5.06 g·100 g-1，其中香9608的粗纖維含量最高（10.80 g·100·g-1），豫香1號的粗纖維含量最低（4.60g·100·g-1）;粗多糖含量最高的是豫香1號（9.44 g·100 g-1），最低的是農香1號（3.39 g·100 g-1）。供試香菇子實體平均脂肪含量為1.25 g·100 g-1，最高的是香LS1、香25、L8084、朕迪CGL-10、香808（1.60 g·100 g-1），最低的是香9608、香8081、靈仙14（0.90 g·100 g-1）。

2.1.4? ? 產量? ? 由表2可知，43個供試品種第一潮菇平均總產量為9.76 kg，其中豫香1號的產量最高為22.10 kg，香分N1的產量最低為0.20 kg。

2.2 主要經濟學性狀指標變異系數

由表3可知，不同香菇品種間鮮菇總產量的差異最大（64.52%），其次為菌柄形狀、菌柄硬度、開傘難易和菌蓋硬度，其變異系數分別為53.61%、46.48%、39.69%和33.49%，表明香菇不同品種在產量、菌柄形狀、菌肉質地等方面差異較大。不同香菇品種間氨基酸含量的變異系數最小（13.37%），說明不同香菇品種間氨基酸含量的差異較小。

2.3 層次單排序及判斷矩陣的一致性檢驗

由表4～7可知，所有比較矩陣的CR<0.1，表明各因素的權重賦值符合要求，所有矩陣一致性合理。

2.4 層次總排序

組合權向量組成的權重集Sj=（0.076 9，0.180 1，0.032 0，0.180 1，0.032 0，0.159 1，0.032 9，0.032 9，0.011 0，0.016 8，0.016 8，0.040 4，0.094 5，0.094 5）。CR組合= 0.012 4<0.1，表示組合權向量一致性合理，層次總權重排序結果可靠。

2.5 模糊綜合評價香菇品質

由表8可知，豫香1號、韓香1號、雨花3號、南山N12、香LS1、朕迪DM-13這6個品種綜合得分均大于0.65（一級），尤其是在外觀品質、產量、氨基酸和蛋白質含量方面具有較為突出的表現，是優良的香菇栽培品種;939 N12、南山N11、朕迪DM-18、香泌陽152、香808、香8081、農香1號、朕迪CGL-9、申香215、香泌陽252、盧香、香1024、香856、香9312、香LS12、香25、武香N12、香升龍1-1、香8082、L8084、靈仙11、香931、夏1綜合得分居0.50～0.65之間，得分比較高（二級）;而香ZX-4、L18、靈仙14、香087、香泌陽253、香9608、慶元2號、滬農1號綜合得分處于0.40～0.50之間，得分較低（三級）;香分N1、靈仙13、香28、朕迪CGL-10、農香3號和朕迪ZSL-6綜合得分為0.30～0.40，得分低（四級），其在外在品質、產量和內在品質方面的表現較差，其中朕迪ZSL-6的綜合得分最低。

2.6 供試品種的聚類分析

由圖3可知，在歐氏距離為10時，43個香菇品種可劃分為4大類群：其中第I類群包括豫香1號、雨花3號、南山N12、香8081、韓香1號、香LS1、939 N12，這7個品種在子實體外觀、產量、開傘難易、氨基酸和蛋白質含量等方面相似，在模糊評價中得分較高，綜合品質方面較為突出。第Ⅱ類群包括盧香、香808、香8082、香泌陽252、香9608、香泌陽253、香9312、香升龍1-1、L18、香856、L8084、武香N12、南山N11、香25、香ZX-4、農香1號、香LS12、靈仙13，這18個品種的菌蓋直徑、菌蓋硬度、粗纖維含量等指標表現出相近的趨勢，因此聚類在一起。第Ⅲ類群所包含的品種為香泌陽152、朕迪DM-18、香931、香1024、朕迪CGL-9、靈仙11、靈仙14、申香215、朕迪DM-13，此9個品種在菌柄長度、菌蓋厚度及脂肪含量等方面較為類似，故歸為一類。第Ⅳ類群包括9個品種，分別為香分N1、夏1、朕迪ZSL-6、香28、慶元2號、滬農1號、香087、農香3號、朕迪CGL-10，此類品種在菌蓋厚度及直徑、粗多糖和氨基酸含量等方面表現較差而歸為一類。

3 討論與結論

本研究中，43個香菇常規栽培品種的14個生物經濟學性狀具有較為顯著的差異。通過分析各指標的變異程度發現，鮮菇總產量變異系數最大，說明產量變化的多樣性來源于品種間的差異[17-18]，其中具有高產豐產特性的豫香1號、南山N12、韓香1號、雨花3號是非常有潛力的栽培品種。其次菌柄形狀的變異系數也較大，菌柄硬度、開傘難易和菌蓋硬度的變異系數相對較小，說明子實體外觀、質地在不同品種間的差異較小，其中豫香1號屬于菌蓋厚且質硬、不易開傘、菌柄形狀為上粗下細的品種。

優質食用菌評價標準一般包括外形美觀、菌蓋厚、菌肉質地硬、豐產、耐貯性好、氨基酸含量高等[3，19]。香菇綜合品質衡量是多項指標的綜合評價，以往香菇品質的評價指標主要包括菌蓋厚度、菌肉質地、產量等，很少涉及氨基酸、粗多糖含量等內在品質指標，因而無法滿足栽培者對香菇內在品質的要求。評價因子及其權重的確定是正確進行品質評價的基礎[20-22]。隨著人們對健康食品要求的日益增加，香菇的內在品質也成為影響栽培者種植和消費者選購的重要因素。香菇中含有大量的纖維素、氨基酸和蛋白質。蛋白質含量是食用菌營養價值的重要評判指標，氨基酸尤其類味精（Monosodium glutamate-like）氨基酸（谷氨酸和天冬氨酸）的存在有助于食用菌特征風味的形成[3]。而豐富的粗纖維有助于現代“文明病”如便秘、肥胖癥等的防治，但是粗纖維含量過高會影響口感，比如菌柄纖維素含量較菌蓋高而口感差，因此纖維素的權重值低于氨基酸和蛋白質。此外，香菇多糖具有較高的醫療和保健價值，因此其權重值相應的也較高[3， 23]。香菇的耐貯性和菌肉質地和開傘難易有著密切的關系，質地較硬的香菇品種較耐貯藏，不易開傘的品種不僅貯藏性好，而且外觀好。因此筆者在本研究中將菌肉質地和開傘難易作為評價香菇耐貯性的指標。此外，產量是香菇栽培者選種的重要判定指標，品種優劣與產量高低密切相關，因而將產量作為一項重要的評價指標[18]。

本研究中根據市場對香菇品質指標的要求，結合優良品種選育目標，在指標選擇和矩陣賦值上合理變動，確定了香菇綜合品質評價指標的權重賦值，合理量化了14個生物經濟學指標對香菇綜合品質的影響程度，并將這14個評價指標歸類為4個方面的影響因素，分別為外在品質、內在品質、耐貯性和產量[24]。然后，采用模糊數學結合聚類分析的方法對河南省食用菌種質資源庫現存的43個香菇常規栽培品種進行綜合評價和類群劃分，并獲得較為一致的結果：綜合品質優良的豫香1號、雨花3號、南山N12、韓香1號、香LS1、939 N12、香8081聚為I類，綜合品質較差的香分N1、夏1、朕迪ZSL-6、香28、慶元2號、滬農1號、香087、農香3號、朕迪CGL-10聚為IV類。其他綜合品質中等的品種分別聚為II和III類。

種質資源的綜合評價是遺傳育種的前提和基礎[13]。當前的育種研究中，通過分析和評價農作物的表型性狀可以預測其自交系間的雜種優勢。李曄等[9]認為雖然目前對于表型評價能否反映真實的遺傳差異仍存在分歧，但這可能與評價所選用依據及數量、算法、所選品種及其生長環境有一定關系。筆者在本文中所選用的43個香菇品種的親緣關系尚未清楚，所以無法確定此次評價結果能否反映品種間真實的遺傳差異。但表型性狀是遺傳因素和環境因素相互作用的結果，在一定程度上會反映香菇不同品種間的遺傳差異。筆者采用模糊數學和聚類分析的方法對香菇表型性狀進行評價和歸類雖然不一定與真實親緣關系吻合，但仍可作為香菇雜交育種工作中優秀親本選擇的重要依據。因此，筆者將會在后續研究中以此次工作為基礎，進行香菇優良品種選育，以期獲得河南省香菇雜優模式，提高優良種質創制效率，實現河南省食用菌產業的高質量發展。

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