100份甘蔗種質(zhì)資源營養(yǎng)品質(zhì)分析及評(píng)價(jià)

楊婷　沈石妍　王智能　楊 柳　尚試雄　崔杰　應(yīng)雄美

關(guān)鍵詞：甘蔗；種質(zhì)資源；營養(yǎng)品質(zhì)；分析；評(píng)價(jià)

中圖分類號(hào)：S566.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

甘蔗（Saccharum officinarum L.）是一年生或多年生的禾本科單子葉甘蔗屬植物，也是世界上重要的糖料作物和能源作物，廣泛種植于熱帶和亞熱帶地區(qū)[1-2]。甘蔗含有豐富的糖分、水分，以及對(duì)人體健康有益的蛋白質(zhì)、氨基酸、礦物質(zhì)、維生素、黃酮、多酚等營養(yǎng)成分，具有抗氧化、保護(hù)細(xì)胞等保健作用[3-5]。隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展及人們對(duì)甘蔗生物活性成分的深入研究，甘蔗除了應(yīng)用于制糖，也被應(yīng)用于各種大眾化食品和保健食品的開發(fā)[6-8]，甘蔗的利用正呈現(xiàn)多元化的發(fā)展。選育各具特色的專用甘蔗有助于推動(dòng)甘蔗的高價(jià)值利用和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。

營養(yǎng)品質(zhì)評(píng)價(jià)是種質(zhì)資源研究的重要組成部分，也是優(yōu)質(zhì)種質(zhì)資源挖掘和利用的基礎(chǔ)[9]。近年來，營養(yǎng)健康問題和保健功能越來越受到人們的重視，營養(yǎng)品質(zhì)評(píng)價(jià)研究已成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)，目前已有在蔬菜[10]、水果[11-12]、糧食作物[13]等種質(zhì)資源在營養(yǎng)品質(zhì)方面的研究報(bào)道。我國的甘蔗產(chǎn)業(yè)在不斷發(fā)展壯大，很多國外品種也在源源不斷的引進(jìn)和交換[14-15]。迄今為止，對(duì)甘蔗種質(zhì)資源的評(píng)價(jià)報(bào)道很多，但主要集中在工藝性狀[16-17]、農(nóng)藝性狀[18-19]、抗逆性[20-22]、遺傳多樣性[23-25]等方面，而在甘蔗種質(zhì)資源營養(yǎng)品質(zhì)方面的評(píng)價(jià)鮮有報(bào)道，樊麗娜等[26-27]分析了12 個(gè)廣東主栽甘蔗品種蔗汁中9 種元素Ca、Mg、S、Si、Fe、Zn、Se、Co、Mo 含量，以及分析研究了18 個(gè)不同地域的甘蔗品種中蔗汁氨基酸含量差異；趙勇等[28]對(duì)11 份甘蔗種質(zhì)中的Fe、Zn、Se 含量進(jìn)行了分析；楊柳等[29-30]對(duì)16 份甘蔗種質(zhì)蔗汁的蛋白質(zhì)、總游離氨基酸、總多酚、蔗糖、還原糖、灰分、氯化物、膠體、礦物質(zhì)含量進(jìn)行了研究。以上研究為甘蔗種質(zhì)資源的開發(fā)利用提供參考，但還不夠系統(tǒng)，覆蓋品種較少，指標(biāo)普遍較單一。鑒于此，本研究利用國家甘蔗種質(zhì)資源圃保存的種質(zhì)資源，挑選100 份具有代表性的甘蔗種質(zhì)，從蔗糖分、還原糖分、果糖、葡萄糖、蔗糖、總游離氨基酸、多酚、礦物質(zhì)、蛋白質(zhì)等營養(yǎng)指標(biāo)進(jìn)行檢測，系統(tǒng)評(píng)價(jià)和分析甘蔗種質(zhì)營養(yǎng)品質(zhì)，旨在為甘蔗種質(zhì)資源的挖掘利用及新品種的選育提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

參試的100份甘蔗種質(zhì)為歷史上不同年代曾大面積推廣的甘蔗種質(zhì)，目前生產(chǎn)上主推的甘蔗種質(zhì)，具有推廣潛力的甘蔗種質(zhì)，均由國家甘蔗種質(zhì)資源圃提供，其中，國外引進(jìn)種質(zhì)7 份，國內(nèi)自育種質(zhì)91 份和其他種質(zhì)2 份（EK28 和Kassoer）；國外種質(zhì)包括印度（Co-種質(zhì)2 份）、印度尼西亞（POJ-種質(zhì)2 份）、美國（CP-種質(zhì)2份）、南非（Nco-種質(zhì)1 份），國內(nèi)種質(zhì)包括中國大陸種質(zhì)84 份、中國臺(tái)灣F-種質(zhì)和ROC-種質(zhì)7份（表1）。

1.2 方法

100份甘蔗種質(zhì)于2020年12月種植于云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院甘蔗研究所第一科研基地，試驗(yàn)材料取中上部健康腋芽，砍成單芽段種植于大田，采用隨機(jī)區(qū)組種植，所有材料設(shè)3 個(gè)重復(fù)，行長3 m，行距1m，每行種植42 芽，四周設(shè)保護(hù)行，采用常規(guī)大田管理。試驗(yàn)地有灌溉條件，土壤pH8.1，有機(jī)質(zhì)含量為27.5 g/kg，堿解氮為93.8 mg/kg，有效磷為24.5 mg/kg，速效鉀為75.2mg/kg，全氮為1.0g/kg，全磷為1.0g/kg，全鉀為12 g/kg，有效鐵為49.9 mg/kg，有效銅為4.2 mg/kg。

于翌年12 月中旬甘蔗成熟時(shí)統(tǒng)一采樣，每個(gè)種質(zhì)、每個(gè)重復(fù)隨機(jī)砍收3 條蔗莖混合榨汁，蔗汁過100 目濾布后備用。采用福林酚法、凱氏定氮法、水合茚三酮法分別對(duì)蔗汁的總多酚、蛋白質(zhì)、總游離氨基酸含量進(jìn)行檢測，采用《甘蔗制糖化學(xué)管理分析方法》對(duì)蔗汁中的還原糖分、錘度、蔗糖分進(jìn)行檢測，采用火焰原子吸收光譜法測定蔗汁中鉀（K）、鈉（Na）、鈣（Ca）、鐵（Fe）、銅（Cu）含量，采用鉬藍(lán)分光光度法測定蔗汁中磷（P）含量；采用《食品中果糖、葡萄糖、蔗糖、乳糖、麥芽糖的測定：GB 5009.8—2016》中的高效液相色譜法[31-32]檢測蔗汁中的果糖、葡萄糖、蔗糖含量，結(jié)果與分析中所有營養(yǎng)品質(zhì)含量均為甘蔗蔗汁中的含量。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用 Excel 2020 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)整理，利用SPSS 22.0 軟件進(jìn)行主成分和聚類分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 甘蔗種質(zhì)營養(yǎng)品質(zhì)描述性統(tǒng)計(jì)分析

糖是人體主要的營養(yǎng)來源之一。由表2 可知，100份甘蔗種質(zhì)資源蔗糖分在16.03%～21.42%之間，平均蔗糖分為19.09%，變異系數(shù)為6.39%，變幅為5.39%。蔗糖是甘蔗最重要的成分，也是含量最高的糖類物質(zhì)，100 份甘蔗種質(zhì)資源蔗糖含量在6.44～256.14 mg/mL 之間，平均蔗糖含量為178.24 mg/mL，變異系數(shù)為23.15%。還原糖分在0～4.12%之間，甘蔗中還原糖組成以果糖、葡萄糖等為主，平均含量分別為2.62、1.61 mg/mL，變幅分別為10.87%和10.65%。蛋白質(zhì)是構(gòu)成細(xì)胞的基本有機(jī)物，食物中的蛋白質(zhì)是人體中氮的唯一來源，具有糖類和脂肪不可替代的作用[33]，蛋白質(zhì)含量在0.10%～1.06%之間，平均蛋白質(zhì)含量為0.46%，變異系數(shù)為45.65%，變幅為0.96%。總游離氨基酸和總多酚平均含量分別為202.40、52.60 mg/100 g ， 變異系數(shù)分別為54.13% 和17.45%。礦物質(zhì)是構(gòu)成人體組織和維持生命活動(dòng)的必需元素，在100 份甘蔗種質(zhì)資源中，K 含量最高，在215.16～1441.79 mg/kg 之間，平均值為620.54 mg/kg。Cu 含量最低，在0.32～1.75 mg/kg之間，平均值為0.74 mg/kg。甘蔗中的6 種元素含量排序?yàn)镵>Ca>P>Fe>Na>Cu。

分析結(jié)果顯示，100份甘蔗種質(zhì)資源14 個(gè)營養(yǎng)指標(biāo)在不同甘蔗種質(zhì)間變異程度不同，說明甘蔗種質(zhì)間營養(yǎng)成分存在差異，其中還原糖分和葡萄糖含量的變異系數(shù)大于100%，果糖變異系數(shù)為83.59%，說明不同甘蔗種質(zhì)間的還原糖分、葡萄糖、果糖含量差異較大，其中未檢測到還原糖分的樣品占15%，‘中蔗4 號(hào)還原糖分最高為4.12%。未檢測到果糖含量的樣品占22%，‘桂熱2 號(hào)果糖含量最高為10.87 mg/mL。未檢測到葡萄糖含量的樣品占64%，‘桂熱2 號(hào)葡萄糖含量最高為10.65 mg/mL。

2.2 甘蔗種質(zhì)營養(yǎng)品質(zhì)相關(guān)性分析

100 份甘蔗種質(zhì)資源14 個(gè)營養(yǎng)指標(biāo)相關(guān)性分析結(jié)果見表3，蔗糖分與還原糖分、蛋白質(zhì)、總游離氨基酸、果糖、葡萄糖含量呈極顯著負(fù)相關(guān)，說明甘蔗中蔗糖含量高的種質(zhì)，其還原糖、蛋白質(zhì)、總游離氨基酸含量偏低，可利用此選育具有特色的專用甘蔗；蛋白質(zhì)含量與總游離氨基酸、總多酚含量呈極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.94 和0.44，說明蛋白質(zhì)與總游離氨基酸、總多酚品質(zhì)性狀相互聯(lián)系。總游離氨基酸含量與總多酚含量呈極顯著正相關(guān)?？偠喾雍颗cCa、Fe、Cu 含量之間存在顯著相關(guān)性。果糖含量與葡萄糖含量表現(xiàn)出較高的相關(guān)系數(shù)（0.89），與Fe（–0.12）、Cu（–0.15）含量呈負(fù)相關(guān)。果糖、葡萄糖、蔗糖含量與P 含量均表現(xiàn)出極顯著相關(guān)性，表明甘蔗生長發(fā)育過程中，P 元素的含量直接影響甘蔗的糖分。礦物質(zhì)元素之間，僅Ca 含量與Fe 含量、Fe 含量與Cu 含量之間表現(xiàn)出相關(guān)性。相關(guān)性分析結(jié)果表明，100 份甘蔗種質(zhì)資源14 個(gè)營養(yǎng)指標(biāo)之間存在諸多相關(guān)性，不宜直接用作系統(tǒng)聚類。

2.3 甘蔗種質(zhì)營養(yǎng)品質(zhì)主成分分析

100份甘蔗種質(zhì)資源14 個(gè)營養(yǎng)指標(biāo)主成分分析結(jié)果見表4，前5 個(gè)公因子解釋的累計(jì)貢獻(xiàn)率為69.62%，且特征值大于1，表明前5 個(gè)主成分包含了營養(yǎng)性狀的大部分信息。第1 主成分特征值為2.98，貢獻(xiàn)率為21.26%，該主成分中果糖、葡萄糖含量的特征值最大，其次是還原糖分，因此，將第1 主成分稱為還原糖因子；第2 主成分特征值為2.50，貢獻(xiàn)率為17.86%，該主成分中蛋白質(zhì)含量的特征值最大，其次是總游離氨基酸含量，將第2 主成分稱為蛋白質(zhì)因子；第3 主成分特征值為1.76，貢獻(xiàn)率為12.53%，該主成分中蔗糖含量的特征值最大，其次是蔗糖分，將第3 主成分稱為蔗糖因子；第4 主成分的貢獻(xiàn)率為10.49%，Ca 含量在該主成分中起決定作用，因此，將第4 主成分稱為Ca 含量因子；第5 主成分的貢獻(xiàn)率為7.47%，K 含量在該主成分中起決定作用，因此，將第5 主成分稱為K 含量因子。

根據(jù)表4，構(gòu)建各主成分得分與各營養(yǎng)品質(zhì)間的線性關(guān)系式：

用上述公式計(jì)算出各樣品營養(yǎng)品質(zhì)的綜合得分，ZF 值越大，表示樣品營養(yǎng)品質(zhì)性狀綜合表現(xiàn)越好，其中排名前10 的甘蔗種質(zhì)依次為：‘河糖1 號(hào)‘德蔗0978‘福農(nóng)40-95‘中蔗45 號(hào)‘云蔗06-193‘中糖2 號(hào)‘云蔗07-2800‘中蔗9號(hào)‘桂糖11‘POJ2878（表5）。

2.4 甘蔗種質(zhì)資源聚類分析

將甘蔗營養(yǎng)品質(zhì)主成分分析F₁、F₂、F₃、F₄、F₅的得分作變量進(jìn)行系統(tǒng)聚類分析，采用系統(tǒng)聚類—組間連接法，在歐氏距離為18.5 處，可將100份甘蔗種質(zhì)聚為5 個(gè)類群（表6，圖1）。其中，第Ⅰ類群包含77 份種質(zhì)，該類群的特點(diǎn)是蔗糖含量最高，平均蔗糖分為19.29%，平均蔗糖含量為189.54 mg/mL。第Ⅱ類群包含6 份種質(zhì)，其特點(diǎn)是Ca、Fe 含量較高，平均含量分別為462.37、16.72 mg/kg，但平均果糖、葡萄糖、蔗糖含量最低，分別僅為1.60、0.53、71.03 mg/mL。第Ⅲ類群包含2 份種質(zhì)，‘柳城09-15和‘粵甘49 號(hào)，該類群還原糖分、蛋白質(zhì)、總游離氨基酸、總多酚、果糖、葡萄糖、P、Na 含量平均值均較高，平均蔗糖分和鐵含量較低，分別為17.42%和12.70 mg/kg。第Ⅳ類群包含4 份種質(zhì)，分別是‘福農(nóng)10-0574‘中糖3 號(hào)‘河糖1 號(hào)‘閩糖69-421，該類群平均總游離氨基酸含量最高，為501.64 mg/100 g，平均蛋白質(zhì)和總多酚含量較高，其余營養(yǎng)品質(zhì)平均含量均適中。第Ⅴ類群包含11 份種質(zhì)，其特點(diǎn)是K 平均含量最高，為1172.04 mg/kg，還原糖分、蛋白質(zhì)、總游離氨基酸、總多酚平均含量較低。

3 討論

甘蔗作為主要的糖料作物之一，糖分是重要的品質(zhì)指標(biāo)。100 份甘蔗種質(zhì)資源中，蔗糖分變異系數(shù)最小，為6.93%；葡萄糖、還原糖分、果糖變異系數(shù)則較大，分別為155.28%、135.29%、83.59%，說明不同甘蔗種質(zhì)在生長過程中還原糖的含量差異較大。因此，充分利用相應(yīng)優(yōu)異資源通過育種手段實(shí)現(xiàn)甘蔗中還原糖的改變具有較大潛力。

通過對(duì)100 份甘蔗種質(zhì)營養(yǎng)品質(zhì)進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)蔗糖分與還原糖分、蛋白質(zhì)、總游離氨基酸、果糖、葡萄糖含量呈極顯著負(fù)相關(guān)，由此可見，甘蔗中蔗糖含量高的種質(zhì)，還原糖、蛋白質(zhì)、總游離氨基酸含量偏低，可作為篩選適宜生產(chǎn)白砂糖的種質(zhì)。此外，蛋白質(zhì)與總游離氨基酸及總多酚含量均呈顯著正相關(guān)，表明蛋白質(zhì)與此二者品質(zhì)性狀相互聯(lián)系，有助于育種過程中實(shí)現(xiàn)多功能成分同時(shí)選擇。果糖、葡萄糖、蔗糖含量與P 含量呈極顯著正相關(guān)，P 是甘蔗體內(nèi)細(xì)胞組織的必要成分，參與蔗糖的合成過程，具有促進(jìn)早期甘蔗糖分積累的作用[34]。礦物質(zhì)含量之間的相關(guān)性分析表明，Ca 含量與Fe 含量、Fe 含量與Cu 含量之間表現(xiàn)出相關(guān)性。眾多學(xué)者研究結(jié)果均表明作物中不同礦質(zhì)元素間存在著復(fù)雜的協(xié)作或拮抗作用。樊麗娜等[26]對(duì)甘蔗蔗汁礦質(zhì)元素分析結(jié)果表明，Ca、Mg、Fe 元素含量之間呈顯著正相關(guān)；匡立學(xué)等[35]對(duì)遼寧省蘋果礦質(zhì)元素含量的研究表明，P 與K、P 與Fe 之間呈顯著正相關(guān)；王思琦等[36]對(duì)113 份木薯種質(zhì)資源礦物質(zhì)相關(guān)性分析表明，Ca 含量和K 含量呈極顯著正相關(guān)，Ca 含量和Na 含量呈極顯著負(fù)相關(guān)，Ca、K與Fe、Na 的含量吸收可能存在一定的拮抗作用。作物礦物質(zhì)元素之間的相關(guān)性研究結(jié)果不盡相同，這可能與不同作物，不同品種對(duì)同一礦質(zhì)元素的吸收率不同有關(guān)[37]。本研究結(jié)果表明，甘蔗種質(zhì)蔗汁總多酚含量與蔗汁中Ca、Fe、Cu 含量密切相關(guān)，應(yīng)進(jìn)行更深入系統(tǒng)地研究。

本研究對(duì)100份甘蔗種質(zhì)資源的14個(gè)營養(yǎng)指標(biāo)進(jìn)行主成分分析和聚類分析，結(jié)果表明，100份甘蔗種質(zhì)的營養(yǎng)品質(zhì)含量存在顯著差異，其中，‘河糖1 號(hào)‘德蔗0978‘福農(nóng)40-95‘中蔗45號(hào)‘云蔗06-193綜合營養(yǎng)價(jià)值較高，可作為高營養(yǎng)價(jià)值的親本材料用以改良甘蔗種質(zhì)營養(yǎng)品質(zhì)。其他綜合營養(yǎng)品質(zhì)居中的種質(zhì)，也可根據(jù)其單一指標(biāo)選擇某些性狀較好的種質(zhì)作為親本材料，加以利用而進(jìn)行特定目標(biāo)性狀的改良，如可根據(jù)‘粵糖63-237高鈣含量，改善甘蔗種質(zhì)鈣的富集能力。甘蔗營養(yǎng)品質(zhì)受產(chǎn)地、環(huán)境、品種、播種期和收獲期等條件的影響，本研究只選取一個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)，各種質(zhì)在不同產(chǎn)地、播種期、收獲期的營養(yǎng)分析有待進(jìn)一步研究，同時(shí)還需結(jié)合農(nóng)藝性狀、工藝性狀等深入研究。