不同基因型甘薯塊根褐變度的差異分析

李佳欣， 冉海榕， 傅玉凡， 陳培濤，黃雨， 王璐璐， 羅青青， 宗繼鍇

西南大學 生命科學學院/重慶市甘薯工程技術研究中心，重慶 400715

甘薯[Ipomoeabatatas(L.) Lam.]是一種高產穩產、 營養豐富、 用途廣泛的重要農作物[1], 富含淀粉[2]、 蛋白質、 膳食纖維、 維生素且具有增強免疫力、 抗氧化、 抗心血管疾病和抗腫瘤等藥理作用[3]． 隨著人們飲食結構多元化和保健化需求的發展, 甘薯的健康價值越來越受到廣大消費者的重視．

褐變是果蔬等農產品因機械、 蟲害、 鼠咬等創傷而變褐色的一種生化過程, 其中多酚氧化酶(polyphenol oxidase, PPO)、 過氧化物酶(peroxidase, POD)是引起果蔬褐變的主要酶[4]． 果蔬在受到損傷時, 褐變相關酶與酚類物質的區域化狀態被破壞, 使酚類被氧化成鄰醌類化合物, 最后變成深褐色的物質, 從而導致褐變的發生[5], 進而影響農產品及其加工品的外觀、 食用口感和營養品質[6]． 甘薯塊根在采收、 運輸、 加工和儲存等過程中也經常存在著褐變現象, 造成甘薯資源的浪費, 影響甘薯產業的發展．

引起褐變的因素是復雜的, 在不同物種中, 導致酶促褐變的相關酶、 酚類物質、 活性氧等條件都有很大差異[7]; Fukuoka等[8]發現甘薯褐變區域PPO活性、 酚類物質質量分數較高; 也有研究顯示甘薯褐變具有組織特異性, PPO是引起薯皮褐變的主要原因, POD主要引起薯肉組織褐變[9]; 馮程程等[10]研究表明, PPO和POD是引起鮮切紫甘薯褐變的關鍵酶． 前人對于甘薯褐變的研究多數只針對1個或幾個品種, 鮮有關于塊根褐變度在不同基因型育種材料之間差異的研究報道, 因此, 本研究以西南大學重慶市甘薯工程技術研究中心甘薯育種進程中87個不同塊根肉色、 不同干物質質量分數的育種材料品系(少量材料為品種)作為供試材料, 測定和分析其褐變度, 以期為這些育種材料的進一步鑒定提供參考, 也為甘薯抗褐變育種的進一步理論研究奠定基礎．

1 材料與方法

1.1 供試材料

87份供試材料來自西南大學重慶市甘薯工程技術研究中心合川實驗農場育種基地, 它們的編號與名稱見表1．

1.2 田間試驗設計

田間試驗均采用隨機區組排列小區, 重復3次, 小區面積20 m2, 種植密度60 000株/hm2． 試驗于2019年5月17日至 6月20日栽插, 于10月28日～11月10日期間收獲． 常規性施肥、 中耕、 除草等田間管理．

1.3 塊根薯肉色度值與干物質質量分數的樣品處理與測定

品種(系)比較試驗收獲時, 隨機選取3個甘薯典型特征的塊根鮮樣, 流水洗凈、 晾干, 縱切后立即用CM-2300D美能達色差計對薯肉(flesh color, FC)剖面的上、 中、 下3個不同位點進行測定, 可得到每個測定點的L*(明度),a*(紅綠色彩),b*(黃藍色彩), C(飽和度)和 h°(色調)5個色度指標值． 3個塊根平均值為該品種塊根薯肉色度值． 縱切后的塊根各取半邊切成2 mm3薯粒, 充分混勻后取100 g, 60 ℃烘48 h 后, 再105 ℃烘干至恒質量, 然后稱量, 重復3次．

塊根干物質質量分數(Dc)計算公式:

Dc=Dm/Fm×100%

式中,Dm為薯粒干質量(g),Fm為薯粒鮮質量(g)．

表1 87份供試甘薯品種(系)的編號、 名稱

1.4 褐變度與酶活測定的樣品處理

品種比較試驗收獲時, 選取大小相近、 無病蟲害與機械損傷的甘薯塊根, 流水洗凈、 晾干, 用小刀剝下甘薯塊根外層界限明顯、 約2 mm厚的周皮, 即薯皮, 剩余部分為薯肉． 每個品種分別取3個塊根, 將薯皮和薯肉分別切成2 mm3的薯皮粒和薯肉粒, 用液氮速凍后分開存儲, 放入-80 ℃的冰箱中用于測定褐變度和酶活性．

1.5 褐變度的測定

褐變度(browning degree, BD)的測定參考劉碩等[11]的消光值法并稍作修改． 隨機取2.0 g薯皮?；蚴砣饬悠? 加入預冷蒸餾水中充分研磨, 于 4 ℃, 5 000 r/min離心15 min, 取上清液于37 ℃水浴保溫15 min, 在410 nm波長處測定吸光度(A) , 以A410表示褐變度．

1.6 PPO, POD活性的測定

PPO和POD活性測定方法參考湯紹虎等[12]的方法并稍作改進． 稱取 2.0 g 薯皮?；蚴砣饬悠? 加入10 mL磷酸緩沖液(50 mmol/L, pH值為6.8), 在冰浴條件下研磨成勻漿, 于 4 ℃, 5 000 r/min 離心15 min, 上清液即為酶提取液, 低溫保存備用．

PPO活性測定: 酶活力測定體系為3.8 mL, 包括2 mL磷酸緩沖液, 1.6 mL 0.1 mol/L鄰苯二酚, 200 μL酶液． 在401 nm處每間隔10 s記錄1次吸光值, 共計60 s． 在測定條件下每分鐘每克樣品引起A401變化0.01為1個多酚氧化酶的活力單位[U/(g·min)]．

POD活性測定: 酶活力測定體系為3 mL, 包括2.775 mL磷酸緩沖液, 100 μL 1%H2O2, 100 μL 4%愈創木酚, 25 μL酶液． 在470 nm處間隔30 s記錄1次吸光值, 共計60 s． 以每分鐘每克樣品引起A470變化0.01為1個過氧化物酶的活力單位[U/(g·min)]．

1.7 數據處理

利用Excel 2010對數據進行整理和計算, 利用SPSS 23.0進行方差分析、 聚類分析和相關性分析．

2 結果與分析

2.1 87份品種(系)塊根的薯肉色度值和塊根干物質質量分數的群體分組

塊根薯肉色度值5個指標在87份供試材料之間差異有統計學意義(數據略)． 塊根薯肉5個色度值指標的聚類分析把87份供試材料分為白肉色(FC1和FC2)、 淡黃肉色(FC3和FC4)、 黃肉色(FC5和FC6)、 橘黃肉色(FC7)、 橘紅肉色(FC8和FC9)和紫肉色(FC10和FC11)6個大類和11個小類的肉色群體(FC群體)． 87份供試材料塊根的干物質質量分數介于16.05%～38.83%之間, 平均值為29.44%, 變異系數為17.66%, 方差分析表明供試材料間差異有統計學意義(數據略)． 對塊根干物質質量分數數據進行分組, 87份供試材料分為9個干物質質量分數群體(DM群體), 具體分布情況見表2．

表2 87份供試甘薯品種(系)在肉色群體和干物質質量分數群體的分布

2.2 塊根薯肉色度值在FC品種(系)群體間的差異

塊根薯肉色度值5個指標在11個FC品種群體間的多重比較結果見表3．

表3 塊根薯肉色度值在11個FC甘薯品種(系)群體之間多重比較

結果表明, 5項色度值指標在11個FC品種群體之間差異有統計學意義． 總體來看, 非紫肉品種群體塊根肉色色度值指標L*和h0的數值從FC1到FC9逐漸減小, 而a*,b*和C的數值逐漸增加; FC10和FC11的紫肉品種(系)群體L*值在橘紅肉色L*值的基礎上繼續減小, 紫肉品種薯肉其b*值全部為負, 其h0值在非紫肉品種(系)h0值的基礎上極顯著增加．

2.3 塊根POD活性、 PPO活性和BD值在品種群體間的差異

2.3.1 在FC品種(系)群體間的差異

POD活性、 PPO活性和BD值3個指標在11個FC品種(系)群體之間的多重比較分別見表4至表6．

就POD活性而言, 紫肉色FC11群體的薯皮POD活性最高, 顯著高于橘黃肉色和橘紅肉色的FC7-FC9群體, 與FC1-FC6群體以及FC10群體差異無統計學意義; FC1-FC10群體之間的POD活性差異無統計學意義． 薯肉POD活性在11個FC群體之間差異無統計學意義, FC3群體POD活性相對最高, FC8群體POD活性相對最低．

就PPO活性而言, 紫肉FC11群體薯皮PPO活性最高, 與FC4群體差異無統計學意義, 顯著高于其他群體; FC8和FC9群體薯皮里PPO活性相對較低, 顯著低于FC11和FC4群體; FC1至FC3群體之間、 FC5至FC10群體之間差異無統計學意義; FC4群體薯肉里的PPO活性最高, FC8群體薯肉里的PPO活性顯著低于FC4, FC11和FC5群體; 其他群體之間差異無統計學意義．

就BD 值而言, FC10群體的薯皮、 薯肉的BD值均極顯著高于其他群體, 然后是FC11和F9; FC5的薯皮BD值最小, FC2的薯肉BD值最小, 與FC1至FC8的差異無統計學意義． 方差分析表明(數據略), 皮部的褐變強度顯著高于薯肉的褐變強度．

表4 11個FC甘薯品種(系)群體的POD活性平均值及其多重比較

表5 11個FC甘薯品種(系)群體的PPO活性平均值及其多重比較結果

表6 11個FC甘薯品種(系)群體的BD平均值及其多重比較結果

2.3.2 在DM品種群體間的差異

由于DM1和DM2群體都只有2個品種, 因此沒有進入群體之間的多重比較． 薯皮和薯肉的POD活性、 PPO活性和BD值在DM3至DM9群體間的多重比較結果見表7至表9．

塊根POD活性在DM群體間沒有明顯變化規律, 但也有隨干物質質量分數增加而增大的趨勢． DM7群體薯皮POD活性顯著高于DM3, DM4和DM6群體, 這4個群體與DM5, DM8和DM9群體差異無統計學意義． 薯肉POD活性在DM群體間差異無統計學意義．

對于PPO活性而言, 薯皮PPO活性在DM群體之間差異無統計學意義． DM7群體薯肉PPO活性顯著高于DM3群體, 兩者與其余5個DM群體差異無統計學意義．

薯皮以DM7群體褐變度BD值最高, 顯著高于DM9群體, 兩者與其他群體差異無統計學意義． 薯肉也以DM7群體的BD值最高, 顯著高于DM3, DM5, DM8和DM9群體; DM9群體的薯皮與薯肉BD值均相對最低．

表8 9類甘薯DM群體的PPO活性平均值及其多重比較結果

表9 9類甘薯DM群體的BD平均值及其多重比較結果

2.4 相關性分析

2.4.1 甘薯塊根薯肉薯皮BD值與薯肉色度值之間的相關性分析

甘薯塊根BD 值在不同分析尺度上與色度值之間的相關性分析結果如表10．

11個紫肉品種間, 薯肉BD值與薯肉色度值間沒有顯著的相關性． 87個品種間、 76個非紫肉色品種間、 FC群體間、 DM群體內品種間和DM群體間均表現為薯肉BD值與薯肉的明亮度L*值存在負相關, 與a*值存在正相關, 且絕大多數情況下有統計學意義． 在76個非紫肉品種間、 FC1-FC9群體間、 DM群體內品種間和DM1-DM9品種間(無紫薯), 薯肉BD值與b*,C值正相關, 與h0值負相關, 且絕大多數達到統計學意義; 在包含紫薯品種的情況下,b*,h0值的正負性反轉, 部分達到統計學意義．

表10 供試材料薯肉BD值與薯肉色度值指標的相關系數

由于只有5個品種的皮層色澤稍低于薯肉色澤, 其余品種皮層色澤與薯肉色澤一致, 因此薯皮BD值表現出類似的相關性趨勢．

2.4.2 甘薯塊根BD值與POD活性、 PPO活性以及干物質質量分數之間的相關性分析

參考2.4.1方法進行多尺度下的相關性分析(數據略), FC3群體內品種間薯肉BD值與薯肉POD活性顯著正相關(r=0.565), DM5群體內非紫肉甘薯品種間薯肉BD值與薯皮PPO活性顯著負相關(r=-0.624), DM1-DM9群體間(無紫薯)薯皮BD值與薯皮PPO活性顯著負相關(r=-0.674), 其他情形下薯皮和薯肉BD值與兩種酶的活性不相關． 76個非紫肉甘薯品種間, 薯肉的BD值與塊根的干物質質量分數顯著負相關(r=-0.265); FC1-FC9群體之間, 薯皮和薯肉的BD值與干物質質量分數顯著負相關(r=-0.809和r=-0.785); DM6群體內品種間的BD值與干物質質量分數顯著負相關(r=-0.562), 其他情形下, BD值與干物質質量分數無顯著相關性, 包括DM1-DM9群體之間．

進一步分析干物質質量分數與色度值指標的相關性(數據略)表明, 76個非紫肉甘薯品種間, FC1-FC9群體之間的干物質質量分數與色度值L*,h0極顯著正相關, 與色度值a*,b*和C極顯著負相關, 87個甘薯品種之間的干物質質量分數與色度值a*,b*和C顯著或極顯著負相關, FC1-FC11群體之間的干物質質量分數與色度值a*和C顯著或極顯著負相關．

控制干物質質量分數下的偏相關分析表明, 薯肉BD值與色度值L*顯著或極顯著負相關, 與色度值a*顯著或極顯著正相關, 與POD和PPO活性的相關性沒有規律性的變化． 控制色度值指標L*,a*和b*下的偏相關分析表明, 76個品種(系)間的薯肉BD值與薯皮POD活性和薯肉PPO活性正相關, DM3-DM9群體之間的薯肉BD值與干物質質量分數顯著正相關． 薯皮BD值結果與薯肉類似．

3 討論

甘薯是重要的糧食作物和食品加工原料之一, 在塊根收獲、 運輸等過程中的機械創傷和加工操作時常導致褐變, 降低了甘薯塊根的鮮食銷售率、 加工利用率和產業效益, 因此褐變是甘薯產業中一個不容忽視的問題, 也是加工產品保鮮、 保質面臨的技術難點[13]．

與前人研究不同, 本文以育種中間材料為研究對象, 用薯肉的5個色度指標值進行聚類分析, 把87個供試材料分為白、 淡黃、 黃、 橘黃、 橘紅、 紫6個肉色大類和11個小類． 從FC1-FC9的非紫肉群體中, 它們的色度值變化規律明顯, 即薯肉色度值變化呈現L*和h0的數值依次逐漸降低, 而a*,b*和C的數值依次逐漸增加的趨勢; FC10-FC11的紫肉品種群體L*值在橘紅肉色相應數值的基礎上繼續顯著性降低,h0的數值極顯著增加． 薯肉色度值的這種規律性變化與非紫肉甘薯塊根中胡蘿卜素和紫肉甘薯塊根中花青素的合成與積累逐漸加強有關[14-15]．

雙相關分析表明, 87個品種(系)間、 76個非紫肉色品種(系)間、 FC群體間、 DM群體內品種間和DM群體間均表現為薯皮和薯肉BD值與薯肉的L*值存在負相關, 與a*值存在正相關, 且大多數情況下達到統計學意義; 與干物質質量分數、 POD和PPO活性只有少數情況下存在相關性． 進一步偏相關分析表明, 薯肉褐變度(BD)值多數情況下仍然與明亮度L*值存在顯著負相關, 與a*存在顯著正相關． BD值與L*和a*的顯著相關性表明, 甘薯塊根薯皮和薯肉BD值主要受塊根胡蘿卜素、 花青素積累的影響, 色素積累越強, 褐變強度越大, 這可能與胡蘿卜素、 花青素接觸空氣中氧容易氧化變色有關[16-17]． 在色度值相同情況下褐變度再受干物質質量分數、 POD和PPO活性的次要影響．

因此類似板栗[18]、 砂梨[19]育種, 在甘薯新品種選育過程中, 可利用色差計測定L*,a*值對品種篩選提供有效支撐, 如可以利用L*,a*值間接選擇抗褐變甘薯品種．

本文測定結果和分析表明, 薯皮POD活性和PPO活性顯著高于薯肉中相應酶的活性, 薯皮褐變度(BD)值也顯著高于薯肉BD值, 這與鐘子毓等[20]發現薯皮與薯肉褐變的呈現有顯著差異的結論一致． 這是由于塊根膨大的主體薯肉薄壁細胞較多, 沒有薯皮細胞致密(褐變酶與底物區域化隔離更近), 水分質量分數相對高[21], 因此, 在甘薯薯條、 薯干等非淀粉食品加工過程中, 需要去掉薯皮, 可從薯皮中有效提取POD和PPO, 避免資源浪費和避免褐變造成的污染[22-23]．