基于主成分分析的木通屬植物果實品質評價

楊玉寧,陳松樹,高爾剛,李園園,潘秀珍,劉紅昌*,辛雪輝

1(貴州大學 農學院,貴州 貴陽,550025)2(貴州大學 教學實驗場,貴州 貴陽,550025) 3(黎平林業局,貴州 黎平,557300)4(貴州省藥用植物繁育與種植重點實驗室,貴州 貴陽,550025)5(黎平盛竹聯創木通農林發展有限公司,貴州 黎平,557300)

木通科(Lardizabalaceae)木通屬 (AkebiaDecne.) 植物為多年生纏繞木質藤本,果實俗名“八月瓜”、“黃蠟瓜”、“八月炸”、“牛滾瓜”等,該屬植物主要包括木通(Akebiaquinata(Thunb.) Decne)、白木通(Akebiatrifoliatr(Thunb) Koidz.var.australis(Diels) Rehd)、三葉木通(Akebiatrifoliate(Thunb.) Koidz)[1-2]。木通屬植物果實在民間常作為水果食用,也是一種中藥材,中藥名為“預知子”,具有抗癌、利尿通淋、通經下乳、抗菌消炎的功效[3-5]。木通屬植物分布于亞洲東部的中國、日本、朝鮮,在我國的華北、華南北部、東南沿海以及長江流域各省市均有分布[6]。生境的多樣性造就了木通屬植物豐富的種質資源,在研究的3種木通中,每種下面還有豐富的變異種,尤其在果實色澤上的變異較大。目前對木通屬各種質水果品質的研究甚少,本試驗以木通屬植物為研究材料,對各種質進行植物學形態特征鑒定和果實品質檢測,從水果方向對該屬植物的開發提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

1.1.1 材料

供試材料為木通科木通屬3個種的各種質果實,均采自黎平盛竹聯創木通農林發展有限公司在貴州省黎平縣敖市鎮梧寨村建立的木通種質資源圃,經貴州大學植物鑒定中心鑒定為木通科木通屬的植物木通(A.quinata(Thunb.) Decne)、三葉木通(A.trifoliate(Thunb.) Koidz)及白木通(A.trifoliatr(Thunb) Koidz.var.australis(Diels) Rehd),共計21份種質,其中木通種質5份(標記為W1～W5)、三葉木通和白木通各8份,分別標記為S1～S8和B1～B8。于2014～2015年種植,搭架栽培,株行距1.8 m×2.5 m,栽培管理措施一致。表1為木通屬種質質量性狀編碼,21份種質外觀特征及感官評價見表2。

總糖、可溶性糖、支鏈淀粉、直鏈淀粉、蛋白質、還原糖試劑盒，貨號依次為：BC2715、BC0035、BC4275、BC4265、BC3185、BC0235，生產日期均在2019年9～11月，北京索萊寶科技有限公司；ICAP 7400電感耦合等離子體發射光譜儀，美國Thermo Fisher公司；Hitachi L-8800氨基酸自動分析儀，日本日立公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 取樣

于2019年9～10月進行取樣,每份種質隨機選取1株為1重復,重復3次,每株在東南西北中5個方向摘取10個果實,采摘標準為果實已軟化且果皮變色(9～10分熟),每份種質共30個果實,取出果肉并于-20 ℃保存備用。

表1 木通屬種質果實質量性狀編碼Table 1 Coding of fruit quality traits of Akebia germplasm

表2 木通屬21份種質外觀形態及感官評價Table 2 Shape parameters and sensory evaluation of 21 germplasms in Akebia Decne

1.2.2 果實外觀品質測定

利用數顯游標卡尺測量每份種質果實的縱徑和橫徑，取其平均值，果形指數按公式(1)計算：

(1)

每份種質取30個果實,稱其鮮重質量，取其平均值為單果質量，果肉質量=單果質量-果皮質量-種子質量，可食率按公式(2)計算：

(2)

1.2.3 果實營養品質測定

果實含水量測定參照GB 5009.3—2010中的直接干燥法;可溶性固形物含量測定參照農業標準NY/T 2637—2014;總糖、可溶性糖、支鏈淀粉、直鏈淀粉、蛋白質、還原糖采用試劑盒測定;可滴定酸采用酸堿滴定法測定;礦質元素種類及含量采用硝酸消解灰分法[7];氨基酸種類及含量采用水解法[8];糖酸比和固酸比分別按公式(3)、(4)計算。

(3)

(4)

上述檢測指標均做3次生物學重復。

1.2.4 數據處理

采用Excel 2007進行數據整理,品質數據用“平均值±標準差”表示,利用SPSS 19.0的Duncan多重比較方法在0.05水平下對各評價指標進行差異顯著性分析、利用皮遜爾相關性分析進行指標篩選,以及使用Z-score描述性統計對篩選的品質指標數據進行數據標準化,最后通過SPSS 19.0進行主成分分析。

2 結果與分析

2.1 木通屬種質果實外觀品質比較

木通屬不同種質間及種內果實單果質量、果形指數及可食率差異顯著(表3)。從單果質量來看,三葉木通和白木通果實較大,S2、S8、B6、B8單果質量最大,均達到190 g以上,顯著高于其他種質。三葉木通各種質間果實單果質量變異系數最大,為43.35%。21份種質的果形指數在1.8～2.6,白木通果形指數最大,B2、B5、B6這3份種質的果形指數均大于2.5,屬于典型的長型果形,而B2果實頭部較小,屬于小頭形的果型,S1與S7未達到2,這2份種質的果實形狀接近卵球形,S1果型稍彎,接近小腎形；三葉木通各種質間果實的形狀差別較大,木通各種質間的變異較小,變異系數僅為1.24%。21份種質中果肉質量差異顯著,達到60 g以上的主要是三葉木通(S8)和白木通這2個種(B6、B8),種內變異最大的是三葉木通。21份種質的可食率差異顯著,木通平均可食率高于其他兩類,可食率在40%以上的僅S4(41.65%)和W4(41.58%)2種,三葉木通種內變異較大。綜合來看,三葉木通在單果質量、果形指數、果肉質量及可食率幾個方面的變異都是最大的。

表3 木通屬種質間的外觀品質比較Table 3 Comparison of appearance quality of Akebia Decne

2.2 木通屬種質果實內在品質比較

2.2.1 營養成分比較

三類木通種內的果肉含水率變異不大,變異系數在3.8%～4.4%,三葉木通種質的含水率較高,均在80%以上,其中S1的含水率最高,達到91.47%(表4)。在糖酸比一定的情況下,含水率越高,則果實的甜味越低。三葉木通種質間除S3、S5糖酸比較高外,其余較低,這也是三葉木通甜味較低的原因。不同種質間固酸比、糖酸比差異顯著,由于可溶性固形物中大部分為可溶性糖,所以從總體上來看,固酸比與糖酸比呈正相關關系,21份種質可滴定酸含量差異顯著但含量均較低,表明木通屬植物果實口味較甜；不同種質的還原糖質量分數在45～87 mg/g,木通與三葉木通種內變異較大,且S3顯著高于其余種質；不同種質的總糖質量分數差異顯著,B3～B6、B8、W3～W5的總糖質量分數均達到了200 mg/g以上。21份種質的蛋白質質量分數在9～23 mg/g,B2～B3、B5～B6達到20 mg/g以上。從總淀粉來看,白木通種質平均淀粉含量較高,三葉木通種質的淀粉含量的變異最大。從支直比來看,三葉木通種內變異最大,白木通的支直比都在1以上,其中B2的支直比最大(2.11),表明白木通種質口感較軟糯；W1～W5支鏈淀粉含量相對較低,支直比未達到1,說明木通口感較清爽,果肉較??；三葉木通中,S1、S4、S6未檢出支鏈淀粉,其余種質支直比較居中,表明三葉木通的淀粉值低,口感居中。

表4 木通屬種質間果實營養成分比較Table 4 Comparison of nutritional components of different varieties of Akebia Decne

2.2.2 礦質元素含量比較

21份種質間常量元素含量差異均顯著,各元素中K質量分數最高,達到8.87 g/kg,P、Ca、Mg、Na質量分數在1.2～1.32 g/kg。各元素及元素總值(除Na外)在21份種質間的變異系數為18%～25%,Na元素的變異系數為55.12%；三葉木通與木通中變異最大的是Na,三葉木通中的平均質量分數為1.44 g/kg,木通中僅為0.22 g/kg。研究發現,人類在食物中攝入的Na過高,往往會導致高血壓[9-10],因此在Na元素方面木通優于白木通和三葉木通。白木通中變異最大的是P,含量在0.75～1.62 g/kg。從大類的均值來看,三葉木通的常量元素含量最高,其中S3的常量元素含量顯著高于其余20份種質,為20.61 g/kg,白木通次之(表5)。

表5 木通屬種質間的常量元素含量比較 單位：g/kg

續表5

21份種質間微量元素含量差異顯著,如表6所示,其中Mn質量分數最高(75.08 mg/kg),其次是Fe(26.95 mg/kg)；各元素及元素總值(除B外)在21份種質間的變異系數為19%～29.75%,B的總變異系數為102.63%；三類木通中均是B元素的變異最大,且在三葉木通與白木通中有多份種質未檢出B元素。研究發現,噴施硼肥對提高果實產量,降低果實酸度,促進外觀、口感品質提升有明顯作用[11],在本研究中,B元素在21份種質中變異較大,表明其對品質的影響較大。21份木通種質樣品均未檢出Cd與Pb(故表6未顯示)。從總值與均值來看,木通的微量元素平均含量最高,白木通次之,其中B2在21份種質中總值最高(172.46 mg/kg)；三葉木通的微量元素平均含量最低(表6)。

表6 木通屬種質間的微量元素含量比較 單位：mg/kg

續表6

2.2.3 氨基酸含量比較

木通屬不同種質間的氨基酸種類并不齊全,其中Asp、Thr、Cys、Iie在21份種質樣品中均未檢測出,Ala和Lys在21份種質中均有檢測出(表7)。16種氨基酸中平均含量最高的是Arg,最低的是Phe,且僅在S8中有檢出,因此在21份種質中的變異系數也最大。三類木通果肉中游離氨基酸含量與種類的變異較大,三葉木通與木通的游離氨基酸含量較高的均是Arg與Lys,而在白木通中Arg的平均質量分數僅為0.56 mg/g。21份木通種質總氨基酸(T)質量分數在2.88～19.70 mg/g,最高為S8,最低為B3；必需氨基酸(E)質量分數在1.56～2.88 mg/g,最低為B1,最高為S5；非必需氨基酸(N)質量分數在0.92～17.50 mg/g,最高為S8,最低為B3；藥效氨基酸(M)質量分數在2.19～18.09 mg/g,最高為S8,最低為B3；甜味氨基酸(S)質量分數在0.71～2.65 mg/g,最低為S8,最高為W2；鮮味氨基酸(F)在W3和B1兩份種質中均未檢出,在其余種質中的質量分數在0.26～1.64 mg/g；芳香氨基酸(A)在W4、S1、S3～S4、B3中均未檢出,在S8中最高(2.46 mg/g),在其余種質中的含量無太大差異,在0.18～0.57 mg/g。T、N、M、F、A這幾類氨基酸在種間及種內的變異都較大,表明種質的不同對氨基酸的種類及含量影響較大。

2.3 木通屬不同種質間果實品質的主成分分析

2.3.1 指標篩選與數據正向化和標準化

進行綜合評價必須剔除評價指標間信息重復,避免結果出現偏差,遂篩選出含水率、單果質量、果形指數、果肉質量、可食率、固酸比、糖酸比、總糖、還原糖、蛋白質、支直比、總淀粉這12個相對獨立的指標,以及總變異系數較大的Na與B(變異系數較大表明這2種元素對種間品質影響較大)含量；在表6中,T～A幾種類型的氨基酸分別由不同的游離氨基酸組成,除E、S兩類氨基酸外,T、N、M、F、A這五類氨基酸的變異系數均達到50%以上,因指標相對較多,還需對其進行皮遜爾相關性分析,結果如表8所示,F與其余幾類氨基酸不相關,T、N、M、A四類氨基酸呈極顯著相關,評價時可選用其中一個指標代表,而A的總變異系數達到140%左右,所以篩選出的氨基酸指標為：F與A。將負向指標正向化后,為避免各指標量綱影響,需通過SPSS描述性統計對指標正向化后的原始數據標準化[12]。

2.3.2 主成分分析

主成分分析結果顯示,前4個主成分的特征值大于1,累計貢獻率達76.33%,表明各性狀的貢獻率分散,累計貢獻率增長不明顯,說明性狀變異的復雜性和多向性。這4個組成分反映了原始變量的絕大部分信息,可提取前4個主成分代替原16個指標綜合評價木通屬果肉品質,表9為未旋轉的成分載荷矩陣[13]。對第1主成分產生正向影響的指標主要有單果質量、果肉質量、果形指數、支直比、總淀粉,產生負面影響的主要是含水率、Na、B,因此可將第1主成分視為果實質量、形狀、口感及營養指標；對第2主成分產生正向影響的主要有固酸比、糖酸比、總糖、還原糖,產生負面影響的是A,因此可把第2主成分視為甜度及香味指標；決定第3主成分是可食率、蛋白質,前者產生正向影響,后者反之,視為可食率及蛋白質指標；影響第4主成分中的是F并對第4主成分產生正向影響,視為果實鮮味指標。

2.3.3 木通屬種質果實品質的綜合評價

用各指標變量的主成分載荷除以主成分相對應的特征值開平方根,便得到4個主成分中每個指標所對應的系數即特征向量,以特征向量為權重構建4個主成分的函數表達式,再以各主成分所對應的方差貢獻率作為權重,根據主成分得分和對應的權重線性加權求和得到主成分的綜合得分模型：F=0.351F1+0.207F2+0.138F3+0.067F4。

表8 不同種類氨基酸相關性分析Table 8 Correlation analysis of different kinds of amino acid

表9 木通屬種質間各品質指標的成分載荷矩陣Table 9 Component loading matrix of each quality index of Akebia Decne

根據各主成分的函數表達式計算出21份木通種質各主成分得分值及排序結果,然后再以主成分綜合得分模型計算出21份木通種質果實品質性狀的綜合得分和綜合排名。在綜合得分排序中(表10),排名在前的基本為白木通種質,木通的W4與三葉木通的S4分別在第7位與第9位,排名前6的為B2、B4～B8。其中B6的F1、F4均第一,而F2、F3值居中,表明其果實形態大小、口感及營養都較好,而可食率與香甜味居中；B8的F2、F3值相較于F1都較居中,說明其形狀大小、口感及營養較優,而其他指標相對居中,鮮味最差；B4的F1、F2值都靠前,而F3、F4值居中,說明B4在營養、甜度、口感香味以及果實大小都較優,但可食率、蛋白及果實鮮味指標較居中；B5的F1值靠前,F2～F4值居中,表明B5果實的形態大小、口感營養較好,而其他居中；B2除F3值以外,其他均靠前,表明B2的可食率與蛋白含量居中；B7的F1、F3值靠前,而F2、F4值居中,說明其可食率及口味居中,其他表現較優。從綜合得分排序情況來看,所選種質中白木通種質較優秀,三葉木通種質有優有劣,木通種質雖有W4排在第7位,但結合感官評價來看品質較差,綜合來看木通作為水果品質較差。

表10 木通屬果實品質的主成分因子得分Table 10 Principal component factor scores of fruit quality of Akebia Decne

3 結論

果實的風味、色澤及營養是評價果實品質差異的主要考察因素[14],木通屬植物果實因其獨特風味與藥用價值而受到人們的青睞,但因其種質資源較多較雜,使得種質間品質差異表現較大,對其進行評價和篩選是有效利用和選育優異種質資源并推廣栽培的基礎和前提。本試驗研究發現,種質對品質的影響較大。從外觀品質來看,各種間的果形、果實質量、顏色等方面均有不同程度的差異,三葉木通種內變異最大。糖酸比與固酸比是影響風味的重要指標[15],支直比是評價口感的重要指標[16],木通果實的果肉高糖低酸,味道香甜可口,口感柔軟黏糯,但因種質的不同也略有差異,本研究發現白木通種質的果肉相較于其他兩類,口感及味道則更佳。從礦質元素方面來看,木通屬植物果實的常量及微量元素豐富,高于我們常吃的甜柿[17]、蘋果[18]等。經常食用高鉀低鈉食物有預防心血管疾病及腸胃炎的作用[19],木通果實的果肉中,鉀元素含量顯著高于鈉元素,屬于典型的高鉀低鈉植物,這與唐成林等[20]的研究一致；氨基酸是食物風味物質的合成前體[21],各類氨基酸也有不同的營養功效[22-23],從氨基酸種類及含量方面看,21份木通屬種質間氨基酸總量差異較大,且各種質間氨基酸的種類也不同,木通果實中所含氨基酸種類最多的為11種,這與前人[24-25]研究(15～16種)不一致,推測可能與生長環境或種質不同有關,在今后的種植栽培及種質收集過程中應格外注意果肉中各類游離氨基酸的變化。

通過主成分分析對這21份種質進行綜合評價,結果顯示白木通中的優質種質較多,B2～B8綜合得分靠前,但結合果實外觀色澤與感官評價來看,B3、B6～B8卻并不理想,可考慮作為深加工產品原料。此外主成分分析還可以客觀地選出一些獨具特色的優良性狀,例如木通在F2及F3的得分排名較靠前,結合顯著性分析,木通的可食率較高,而可食率高可能與木通的種子較小有關,在今后的雜交育種工作中,可以利用它的優勢,培育出營養價值高、籽小、可食率高的木通新種質。

綜上所述,木通屬植物果實作為新一代水果,具有較高的營養及藥用價值,其中較高的鉀鈉比對人體十分有益,通過對21份木通種質的果肉品質分析,白木通種質比三葉木通及木通更為優秀,三葉木通次之,木通最差；綜合內在品質、外觀品質與感官評價,白木通種質中的B2、B4～B5與三葉木通中S4、S8因其外形與內在品質較優,可作為水果使用,而B3、B6～B8雖然內、外在品質優秀,但果色略差,可能影響銷售,但可考慮往深加工產業發展。