20 個馬鈴薯品種品質比較與綜合評價

張 帆，李 源，陳夢茹，邢英英，王秀康

（延安大學 生命科學學院，陜西 延安 716000）

近年來，由于我國工業化程度不斷加深以及人口老齡化問題日趨嚴重，耕地和農業生產力日趨減少，我國的糧食安全受到嚴重威脅[1-2]。馬鈴薯（Solanum tuberosumL.)又稱土豆、洋芋等，是我國常見的糧食作物，在保障國家糧食安全方面發揮著重要的作用[3]。馬鈴薯塊莖營養豐富，含有淀粉、還原糖、蛋白質、維生素等，對人體健康發揮著重要的作用[4]。馬鈴薯可以直接作為蔬菜食用，也可以加工成各種食品。由于馬鈴薯用途不同，對其品質要求也不同[5-6]。例如：對于薯片、薯條等油炸型馬鈴薯食品的加工，要求塊莖中的還原糖含量在0.3%以下，以防止美拉德反應的發生[7]；對于作為鮮菜直接食用的馬鈴薯，要求塊莖營養價值豐富、不麻口等即可；對于作為全粉加工的馬鈴薯，要求具有較高的維生素和蛋白質含量，以保證全粉加工食品的高質量、高營養等[8]。因此，單一指標無法準確對馬鈴薯的品質進行全面的評價，必須應用多個指標進行品質綜合評價。目前，關于馬鈴薯品質的綜合評價，國內外學者已經進行了較多的研究[9-12]。但是這些研究大多運用1 種或2 種評價方法進行綜合評價，且受不同地區氣候以及土壤理化條件等差異的影響，種植在不同地區的同一馬鈴薯品種的品質差異較大。目前，對西北地區馬鈴薯品質綜合評價的研究較少[13-14]。吳琪瀅等[13]采用隸屬函數法在寧夏回族自治區和甘肅省對159份馬鈴薯種質資源的產量和營養品質進行分析，篩選出了華薯9 號、天薯11 號等8 種適宜于該地區種植的優良馬鈴薯種質。WANG等[14]利用主成分分析法對黃土高原地區常種植的15個馬鈴薯品種的產量和品質進行綜合分析，發現夏波蒂為該地區最適宜推廣種植的品種。但這些研究主要利用單一的評價方法對馬鈴薯產量和品質進行綜合評價，而利用多種評價方法對西北地區適宜于不同加工用途且品質優良的馬鈴薯品種的綜合評價及篩選研究尚未見報道。榆林市位于陜西省北部，擁有廣袤的土地和獨特的地理條件，是陜西省馬鈴薯的主產區。為此，對該地區20個馬鈴薯品種的產量和品質進行測定，然后運用主成分分析法、隸屬函數法以及系統聚類分析對其產量和品質進行綜合評價，以期篩選出適宜在榆林市種植的適用于不同加工用途且品質優良的馬鈴薯品種。

1 材料和方法

1.1 試驗區概況及試驗材料

該試驗于2018 年5—10 月在陜西省榆林市現代農業科技示范園（109°43′E、38°23′N）進行，海拔1 050 m，該區域自然條件優越，屬于半干旱大陸性季風氣候，全年降水時期主要集中在6、7、8 三個月份，平均降水量可達到371 mm，蒸發量可達1 900 mm，總日照時間約為2 900 h，平均氣溫為8.6 ℃。試驗區土壤pH值為8.1，含有機質7.85 g/kg、銨態氮5.79 mg/kg、硝態氮1.03 mg/kg、堿解氮48.90 mg/kg、速效鉀55.52 mg/kg、速效磷6.77 mg/kg。

供試的20 個馬鈴薯品種由榆林市農業科學院提供，均適宜在西北地區常年種植（表1）。其中，定薯3 號是當地農戶經常選擇種植的馬鈴薯品種，作為本試驗的對照品種。

表1 供試馬鈴薯品種名稱及編號Tab.1 Name and number of tested potato varieties

1.2 試驗設計

所有馬鈴薯品種的種植統一采用機械化種植方式（機械起壟+人工播種），小區長20 m、寬1.8 m，小區面積為36 m2，每小區種植2 壟馬鈴薯。每壟種植1 行馬鈴薯，壟底寬90 cm，株距為25 cm，種植密度為50 505 株/hm2。

播種前，采用區域漫灌，灌水量為40 mm，出苗后，收集氣象站的每日蒸發蒸騰量數據，結合孫景生等[15]提出的Penman-Moteith 公式計算灌水量，平均每10 d灌水一次。

根據當地推薦的施肥水平，施N、P2O5、K2O分別為200、80、300 kg/hm2，采用滴灌施肥方式分3 次施入，施肥時期分別為塊莖形成期、塊莖膨大期、淀粉積累期，施肥比例分別為20%、55%、25%。

1.3 測定項目及方法

在成熟期，每個馬鈴薯品種隨機選取3株，現場稱取各單株塊莖鮮質量。然后將塊莖置于烘箱中殺青，烘干至恒質量，碎化打粉，進行品質指標測定。其中，淀粉含量利用碘比色法測定，還原糖含量利用3，5-二硝基水楊酸比色法測定，可溶性糖含量利用硫酸-蒽酮比色法測定，維生素C 含量利用鉬藍比色法測定，蛋白質含量利用考馬斯亮藍G250染色法測定[16-17]。

1.4 品質綜合評價

1.4.1 主成分分析 主成分分析是采用降維的思想，在損失較少信息的前提下將多個指標通過線性組合轉化為少數幾個相關綜合指標的一種多元統計分析方法，其主要目的是通過數據降維以排除眾多信息共存中相互重疊的信息，簡化后的指標應盡可能多地反映原來指標的主要信息。利用主成分分析，可將原始的多個品質指標轉化為較少的主要指標，能夠較好地反映馬鈴薯的綜合品質。主成分分析的主要步驟是采用SPSS 23.0 對原始數據進行標準化和降維，然后利用Excel 2010 對馬鈴薯綜合品質得分進行計算。

1.4.2 隸屬函數法 采用隸屬函數法對馬鈴薯品質進行綜合評價，需要對各品質指標進行隸屬函數值計算，其公式[18]如下：

式中，X為某一馬鈴薯品種的塊莖指標測定值，μ1表示馬鈴薯塊莖的某一指標為正向評價指標，μ2表示馬鈴薯塊莖的某一指標為負向評價指標，Xmax為所有供試品種中該品質指標的最大值，Xmin表示所有供試品種中該品質指標的最小值。

若該品質指標與馬鈴薯的綜合營養品質呈正相關關系，隸屬函數值用公式（1)計算；反之，隸屬函數值用公式（2)計算。其中，單株塊莖產量、淀粉含量、蛋白質含量、可溶性糖含量和維生素C含量均與馬鈴薯綜合營養品質呈正相關，還原糖含量與綜合營養品質呈負相關[19-20]。

1.4.3 系統聚類分析 利用各馬鈴薯品種各品質指標的總隸屬函數值，采用SPSS 23.0軟件基于歐式距離，將不同品種通過類間平均距離連接，進行系統聚類分析。

1.5 數據處理

利用Excel 2010 進行數據處理，采用SPSS 23.0軟件進行單因素方差分析，采用Duncan’s新復極差法進行多重比較，用SigmaPlot 14軟件繪制圖表。

2 結果與分析

2.1 20個馬鈴薯品種的品質比較

2.1.1 單株塊莖產量 相同水肥條件下，不同馬鈴薯品種的單株塊莖產量相差較大（表2），變異系數為46.76%。其中，S12 單株塊莖產量最高，達到4.20 kg，顯著高于其他品種，較當地農戶選擇種植的馬鈴薯品種S1 提高116.5%；S15、S17、S11 單株塊莖產量也較高，均顯著高于S1；S4 單株塊莖產量最低，S5次之，兩者分別較S1顯著降低67.0%、56.7%。

2.1.2 淀粉含量 20 個馬鈴薯品種的淀粉含量相差也較大（表2），變異系數高達50.07%。其中，S12淀粉含量最高，為14.05%，顯著高于其他品種，較S1提高26.1%；S15、S1淀粉含量也較高；S4和S13淀粉含量較低，均較S1顯著降低73.8%。

2.1.3 還原糖含量 20 個馬鈴薯品種的還原糖含量差異也較大（表2），變異系數為50.66%。其中，S15 的還原糖含量最高，為0.27%，顯著高于其他品種，較S1 提高80.0%；S5、S9、S13、S14、S15、S18 還原糖含量也較高；S17 的還原糖含量最低，較S1 顯著降低82.4%；S2、S16的還原糖含量也較低，均顯著低于S1。

2.1.4 可溶性糖含量 20 個馬鈴薯品種的可溶性糖含量差異很大（表2），變異系數為64.79%。其中，S19 的可溶性糖含量最高，為1.08%，顯著高于其他品種，較S1 提高24.1%；S5 的可溶性糖含量較高，顯著高于S1；S9 的可溶性糖含量最低，較S1 顯著降低92.0%；S7、S9、S10、S12、S13 的可溶性糖含量較低，均顯著低于S1。

2.1.5 維生素C含量 20個馬鈴薯品種的維生素C含量差異較大（表2），變異系數為33.72%。其中，S18 的維生素C 含量最高，顯著高于其他品種，較S1提高36.6%；S5 和S1 的維生素C 含量也較高；S2 的維生素C含量最低，較S1降低62.0%。

2.1.6 蛋白質含量 20 個馬鈴薯品種的蛋白質含量存在明顯差異（表2），變異系數高達68.10%。其中，S18的蛋白質含量最高，為0.28%，顯著高于其他品種，較S1 提高8.3 倍；S14 的蛋白質含量也較高，且與S18 差異不顯著；S19、S1、S11 的蛋白質含量較低，三者差異不顯著。

表2 20個馬鈴薯品種的塊莖產量和品質Tab.2 Tuber yield and quality of 20 potato varieties

2.2 20個馬鈴薯品種品質的綜合評價

2.2.1 主成分分析 為了對不同馬鈴薯品種的產量和品質進行綜合評價，對所選取馬鈴薯品種的單株塊莖產量、維生素C含量、蛋白質含量、淀粉含量、還原糖含量、可溶性糖含量進行主成分分析，主成分分析中的特征值與方差貢獻率是選取主成分的關鍵。

對供試的20 個馬鈴薯品種的6 個與綜合品質有關的指標（單株塊莖產量、維生素C 含量、蛋白質含量、淀粉含量、還原糖含量、可溶性糖含量）進行主成分分析，根據方差累積貢獻率≥85%的原則提取主成分，共提取了4個主成分Z1、Z2、Z3和Z4（表3—表4），其對應的方差貢獻率分別是38.863%、22.324%、17.844%和11.417%，這4個主成分的方差累積貢獻率達到了90.448%，基本包含了所測的馬鈴薯品質綜合評價指標的全部信息，4 個主成分的基本表達式如下：

表3 馬鈴薯品質評價的主成分分析Tab.3 Principal component analysis of potato quality evaluation

表4 馬鈴薯各品質指標的載荷矩陣Tab.4 Loading matrix of each quality indexes of potato

Z1=-0.770W1+0.639W2+0.836W3-0.566W4+0.537W5-0.151W6；

Z2=0.430W1+0.426W2+0.154W3+0.719W4+0.512W5-0.412W6；

Z3=0.046W1+0.497W2-0.145W3+0.142W4+0.098W5+0.878W6；

Z4=0.153W1+0.295W2+0.379W3+0.084W4-0.649W5-0.054W6

式中，W1—W6分別表示馬鈴薯單株塊莖產量、維生素C含量、蛋白質含量、淀粉含量、還原糖含量、可溶性糖含量的標準化數據。

主成分表達式中各個因子系數的絕對值的大小可以反映該因子對其主成分所作出的貢獻強弱。在以上4個主成分表達式中貢獻率最大的因子依次是：第1主成分中的蛋白質含量（0.836）、第2主成分中的淀粉含量（0.719）、第3 主成分中的可溶性糖含量（0.878）和第4主成分中的還原糖含量（0.649）。

2.2.2 隸屬函數法 結合主成分分析結果，對提取出的4個貢獻率較大的品質指標（蛋白質含量、淀粉含量、還原糖含量、可溶性糖含量）進行隸屬函數值的計算（表5），按照平均隸屬函數值大小對所供試的20 個馬鈴薯品種的品質綜合評價優劣程度進行排 序，表 現 為S19＞S17＞S1＞S20＞S8＞S12＞S14＞S3＞S2＞S6＞S16＞S5＞S10＞S18＞S11＞S15＞S7＞S9＞S4＞S13。

表5 20個馬鈴薯品種品質評價的隸屬函數值Tab.5 Membership function values of quality evaluation of 20 potato varieties

續表5 20個馬鈴薯品種品質評價的隸屬函數值Tab.5（Continued） Membership function values of quality evaluation of 20 potato varieties

2.2.3 系統聚類分析 利用蛋白質含量、淀粉含量、還原糖含量、可溶性糖含量的總隸屬函數值，對所供試的馬鈴薯品種進行系統聚類分析（圖1），當閾值處于5 時可將供試的20 個馬鈴薯品種分為4類，第1 類為綜合品質較優的材料，包括S1、S8、S12、S14、S17、S19 和S20，共7 個品種，占供試品種總數的35.0%，總隸屬函數值為1.912～2.120，這類材料普遍具有蛋白質含量、淀粉含量、可溶性糖含量較高，還原糖含量較低的特點；第2類為綜合品質居中的材料，包括S2、S3、S5、S6、S10、S11、S16 和S18，共8 個品種，占供試材料總數的40.0%，總隸屬函數值為1.340～1.743，這類材料普遍具有蛋白質含量、淀粉含量、可溶性糖含量較高和還原糖含量適中的特點；第3 類和第4 類為綜合品質較差的材料，包括S4、S7、S9、S13 和S15，共5 個品種，占供試材料總數的25.0%，總隸屬函數值為0.593～1.219，這類材料普遍具有還原糖含量較高，蛋白質含量、淀粉含量、可溶性糖含量較低的特點，其中S13最突出。

圖1 不同馬鈴薯品種品質性狀的系統聚類分析Fig.1 Systematic cluster analysis on quality traits of different potato varieties

3 結論與討論

榆林市作為陜西省馬鈴薯的主產區，在確保該地區農業經濟發展方面發揮著重要的作用。在本研究中，相比當地農戶經常選擇種植的品種定薯3號，其余19 個供試馬鈴薯品種的各個指標均存在很大差異，20 個馬鈴薯品種中單株塊莖產量、蛋白質含量、淀粉含量、還原糖含量、可溶性糖含量的變異系數較大，分別達到46.76%、68.10%、50.07%、50.66%、64.79%，說明供試材料的這些指標通過遺傳手段進行改良的潛力較大，這與閆海鋒等[21]、王丹等[22]的研究結果類似，即后期可通過品種間雜交提高馬鈴薯綜合品質，從而選育出較優良的種質。

馬鈴薯加工利用的方式不同，對馬鈴薯的品質要求存在一定的差異。馬鈴薯在我國的主要用途有種用、鮮食、淀粉生產、油炸食品加工及馬鈴薯全粉類食品加工。對于鮮食類的馬鈴薯有高蛋白質、高維生素C 含量等要求，在所供試的20 個馬鈴薯品種中老紅皮較適合，其蛋白質含量和維生素C 含量均為供試品種中最高，出現這一結果的原因可能與馬鈴薯種植的環境和供試的品種類型有關[23-24]。用于淀粉加工生產的馬鈴薯要求淀粉含量在18%以上，對其他品質沒有嚴格的要求[25-26]。在供試的馬鈴薯中沒有淀粉含量在18%以上的品種，淀粉含量都普遍較低，不適宜用于淀粉加工生產，造成這種現象的原因可能與外界氣候環境有關，較低溫度會導致馬鈴薯中所積累的淀粉降解，還原糖含量增加，馬鈴薯塊莖的代謝失衡，這就是所謂的“低溫糖化”現象[27]，此過程的持續發生不僅會對馬鈴薯的淀粉生產造成不利影響，而且會嚴重影響馬鈴薯油炸食品的加工。在馬鈴薯的油炸食品加工過程中要求還原糖含量不超過0.3%，因為薯片在高溫油炸的過程中，塊莖中所含的還原糖將與游離氨基酸發生美拉德反應，隨后產生丙烯酰胺，嚴重影響油炸薯片類食品的色澤、口感和品質[28-29]，但本研究中供試馬鈴薯品種的還原糖含量均較低，這與王秀康等[30]的研究結果相似。出現這一現象的原因可能與本試驗的施肥量與灌水量有關。研究發現，灌水、施肥以及灌水與施肥的交互作用均顯著影響馬鈴薯塊莖中還原糖含量[31]。另外，造成還原糖含量較低的原因也可能與供試品種遺傳特性有極大關系[32]。

目前，利用隸屬函數法對作物營養品質進行綜合評價的研究較多[33-35]。由于評價綜合營養品質的指標過多，一旦直接利用所有指標進行綜合營養評價會對評價結果造成很大偏差。本研究通過對供試的20 個馬鈴薯品種的6 個品質指標進行主成分分析，按照方差累積貢獻率大于85%的原則，提取出了4 個主成分，即蛋白質含量、淀粉含量、可溶性糖含量、還原糖含量，所提取的主成分的貢獻率逐漸減少，說明其對馬鈴薯營養品質綜合表現的影響也依次遞減，隨后結合隸屬函數和系統聚類分析，篩選出S1、S8、S12、S14、S17、S19 和S20 共7 個品質優良的品種。其中，S1 的淀粉含量和維生素C 含量較高，可作為菜用和淀粉加工的兼用種質；S8 的蛋白質含量較高，還原糖含量較低，可作為全粉加工和油炸食品加工的兼用種質；S12 的單株塊莖產量和淀粉含量較高，可作為大規模推廣種植的淀粉加工種質；S14 和S20 的蛋白質含量較高，可用于全粉加工；S19 和S17 的還原糖含量較低，可用于馬鈴薯油炸類食品加工，同時S17的單株塊莖產量較高，可作為大規模推廣種植的種質。