趙利蓉 馬 珂 張麗光 湯 沙 原向陽 刁現(xiàn)民

（1山西農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院，030801，山西晉中；2中國農(nóng)業(yè)科學院作物科學研究所，100081，北京）

谷子[Setaria italica（L.）Beauv.]作為禾本科黍亞科狗尾草屬植物，是我國主要的雜糧作物之一[1]，具有生育期短、耐旱性強、適應(yīng)廣、耐貯藏和糧飼兼用等特點，是旱作可持續(xù)農(nóng)業(yè)和種植業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整的重要作物和應(yīng)對氣候變化的戰(zhàn)略儲備作物[2-3]。谷子脫殼后的小米，營養(yǎng)豐富、適口性好，含有多種維生素、蛋白質(zhì)、脂肪、糖類及鈣、磷、鐵等人體所必需的營養(yǎng)物質(zhì)[4-5]，其營養(yǎng)成分比例適宜，有抗氧化和健脾胃等功效[6]，是良好的食品營養(yǎng)源，具有很高的營養(yǎng)價值[6-7]，符合我國居民飲食結(jié)構(gòu)的需求[3]，是改善膳食多樣性和促進人們健康不可或缺的食品。

戴麗君等[8]對11個谷子品種農(nóng)藝性狀的研究表明，品種間產(chǎn)量差異顯著，其中穗長、穗重和穗粒重變異系數(shù)較大。王海崗等[9]對55份高頻地方品種多點鑒定顯示，千粒重相對穩(wěn)定。谷子品質(zhì)是一個綜合性狀，由一系列品質(zhì)評價指標決定[10]。小米的外觀品質(zhì)取決于米色和質(zhì)地的優(yōu)劣，是決定消費者購買力的第一要素。前人分別通過目測法[11]、L*a*b*法[12]和黃色素含量測定法[13]評價小米外觀品質(zhì)，發(fā)現(xiàn)外觀品質(zhì)好的小米具有較高的亮度（L*）、黃藍值（b*）和黃色素含量，具有較低的紅綠值（a*）[14]。隨著人們生活水平的提高，對于小米的營養(yǎng)品質(zhì)要求也越來越高。不同品種小米化學成分之間存在差異[15]。前人運用主成分分析[16-17]、隸屬函數(shù)法[18]和聚類分析[19]，研究了不同品種小米的營養(yǎng)品質(zhì)，綜合評價出優(yōu)質(zhì)谷子品種。氨基酸作為蛋白質(zhì)的分解產(chǎn)物，其成分構(gòu)成是評價食品質(zhì)量及營養(yǎng)價值的重要指標。氨基酸根據(jù)其呈味特性可以分為甜味氨基酸、鮮味氨基酸和苦味氨基酸。甜味氨基酸包括丙氨酸（Ala）、甘氨酸（Gly）和絲氨酸（Ser），鮮味氨基酸包括天冬氨酸（Asp）和谷氨酸（Glu），苦味氨基酸包括精氨酸（Arg）、賴氨酸（Lys）、亮氨酸（Leu）、組氨酸（His）、苯丙氨酸（Phe）、酪氨酸（Tyr）、異亮氨酸（Ile）和纈氨酸（Val）[20-21]。不同氨基酸可呈現(xiàn)出鮮、甜、酸、苦及澀等味感。谷子中Glu、Leu和Ala含量相對多，所含人體必需氨基酸豐富，且各類氨基酸比例接近人體氨基酸配比[22-24]。李明昊等[25]對氨基酸含量進行主成分分析和聚類分析，綜合氨基酸含量總分評價了各品種營養(yǎng)品質(zhì)的優(yōu)劣，但氨基酸在谷子中的比例及其與品質(zhì)的關(guān)系尚不清楚，而且針對不同生態(tài)區(qū)谷子品種氨基酸含量的研究更少。

本研究以不同生態(tài)區(qū)的谷子品種作為研究對象，在同一生態(tài)條件下種植并對其生產(chǎn)性能和籽粒品質(zhì)進行系統(tǒng)分析，找到生產(chǎn)潛力大、籽粒外觀品質(zhì)和營養(yǎng)品質(zhì)好，尤其是甜味和鮮味氨基酸含量高的谷子品種，為晉中國家農(nóng)高區(qū)谷子品種種植提供優(yōu)異材料。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2020年6-10月在山西省晉中市太谷區(qū)山西農(nóng)業(yè)大學試驗基地進行，生育期內(nèi)總降雨量419.10mm，平均氣溫21.46℃。

1.2 供試材料

供試谷子品種及其來源見表1。

表1 谷子品種來源Table 1 Origins of foxtail millet varieties

1.3 試驗方法

于 2020年 6月 15日播種，采用隨機區(qū)組設(shè)計，3次重復(fù)，小區(qū)面積16m2（4m×4m），行距0.5m，重復(fù)間留觀察道0.8m寬，覆膜穴播，留苗密度30萬株/hm2，于成熟期（10月下旬）進行取樣并測定指標。

1.4 測定項目及方法

1.4.1 農(nóng)藝性狀和理論產(chǎn)量 田間農(nóng)藝性狀（株高和每單位面積株數(shù)）和考種性狀（穗長、穗粗、單穗重、穗碼數(shù)、穗粒重和千粒重）均按照《谷子種質(zhì)資源描述規(guī)范和數(shù)據(jù)標準》[26]進行。成熟期從各小區(qū)中分別隨機選取10株測量，取平均值。理論產(chǎn)量按下式計算，理論產(chǎn)量=每公頃株數(shù)×單穗重。

1.4.2 米色 用色差儀[X-Rite (American) VS450 colorimeter]測定米色。經(jīng)脫粒、分篩、去雜處理后，測定米色 L*、a*和 b*，橘色顏色指數(shù)（CCI）=1000×a*/(L*×b*)。

1.4.3 品質(zhì) 用近紅外分析儀（NIRSTMDS2500，丹麥）測定小米含水量、膠稠度、直鏈淀粉、粗脂肪、粗蛋白和氨基酸組分含量。

1.5 數(shù)據(jù)處理

用Excel 2016進行數(shù)據(jù)整理，用SPSS 23進行單因素ANOVA分析、鄧肯多重比較及主成分分析，用R語言進行相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同谷子品種農(nóng)藝性狀方差分析及產(chǎn)量比較

由表2可知，16個谷子品種農(nóng)藝性狀差異顯著（P＜0.05）。株高變幅為108.68～160.42cm，平均值138.00cm，變異系數(shù)10.79%，其中黑谷8號株高最低，僅108.68cm；晉谷40號株高最高，為160.42cm。穗重和穗粒重的變異系數(shù)較大，分別為 32.61%和31.79%，穗重變幅13.96～34.95g，穗粒重變幅13.79～29.54g；晉谷47號穗重和穗粒重最大，分別為34.95g和29.54g。16個谷子品種其他指標的變異系數(shù)均小于21%，千粒重變異系數(shù)11.97%，變幅為2.70～3.46g，千粒重最大的是長農(nóng)40號，為3.46g。晉谷40號理論產(chǎn)量最高，達4215kg/hm2。

表2 不同谷子品種產(chǎn)量及農(nóng)藝性狀方差分析Table 2 Variance analysis of yield and agronomic traits of different foxtail millet varieties

續(xù)表2 Table 2 (continued)

2.2 不同谷子品種的米色差異比較

由圖1可知，所有谷子品種小米的L*、a*和b*值均為正值，即所有樣品均表現(xiàn)為偏亮、偏紅和偏黃。其中L*值變異范圍38.16～59.18，長農(nóng)40號、長生13號和錦谷5號的L*值較高，分別為59.18、57.21和56.90，表現(xiàn)為米色偏亮；長生8號、長生13號和晉谷40號的a*值最大，分別為11.77、11.40和10.83，表現(xiàn)為偏紅；長生8號、長生13號和長生16號的b*值最大，分別為50.29、49.52和46.69，表現(xiàn)為偏黃。CCI值得變異范圍2.37～4.48，晉谷40號、長農(nóng)52號和長生8號的CCI值最大，米色綜合指標好，這與3個品種小米外觀商品品質(zhì)和市場售價較好是符合的。黑谷8號和綠優(yōu)谷肉眼觀察分別為黑色小米和綠色小米，故L*、a*、b*和CCI值均最低。

圖1 不同谷子品種的L*、a*、b*及CCI值Fig.1 L*, a*, b* and CCI values of different foxtail millet varieties

2.3 不同谷子品種小米的品質(zhì)分析

小米包含多種化學成分[27]，水分、脂肪、蛋白質(zhì)和淀粉占主要部分。由表3可知，不同品種小米的水分、粗脂肪、粗蛋白和直鏈淀粉含量均存在顯著差異。其中粗脂肪變異系數(shù)最大，為20.83%，含量3.36%～6.34%，平均含量4.32%，以神谷13號、長農(nóng)52號和長生8號含量較高，分別達6.34%、5.81%和5.81%。水分變異系數(shù)最小，為6.68%，含量10.28%～13.06%，平均含量11.67%，以黑谷8號、錦谷5號和長生16號含水量較高，分別為13.06%、12.65%和12.42%。粗蛋白平均含量11.33%，變幅10.12%～12.58%，以長農(nóng)52號、長生16號和豫谷35號的含量較高，分別達到12.58%、12.47%和12.42%。膠稠度變幅106.83～141.36，平均值為120.33，以黑谷8號、長生8號和神谷13號的膠稠度較高，分別為141.36、136.69和137.35。直鏈淀粉含量變幅11.32%～14.14%，平均含量12.84%，以長生13號、神谷10號、長農(nóng)52號和綠優(yōu)谷含量較高，分別為14.14%、13.97%、13.87%和13.83%。

表3 不同谷子品種小米的品質(zhì)方差分析Table 3 Analysis of variance of chemical components of different foxtail millet varieties

2.4 不同谷子品種小米的氨基酸組分分析

由表4可知，13種氨基酸中含量較高的是Glu（2.81%），其次是Ile（1.59%）、Ala（1.21%）、Phe（1.15%）和Asp（0.77%）。Glu含量較高的品種是豫谷35號、長生16號和神谷5號，Ile含量較高的是長生8號、神谷13號和長農(nóng)52號，Ala含量較高的是長生8號、神谷13號和長農(nóng)52號，Phe含量較高的是黑谷8號、神谷13號和錦谷5號，Asp含量較高的是豫谷35號、長生16號和綠優(yōu)谷。不同谷子品種小米的同種氨基酸含量差異顯著。豫谷35號的Glu含量（3.50%）最高，是長生8號（1.79%）的1.96倍，豫谷35號的Asp含量（0.87%）也最高，為神谷13號（0.58%）和長生8號（0.58%）的1.50倍。長生8號的Ile含量（1.96%）最高，是晉谷59號（1.45%）的1.35倍，長生8號Ala含量（1.57%）也最高，是晉谷40號（1.10%）的1.43倍。黑谷8號的Phe含量（1.30%）最高，是長農(nóng)52號（1.01%）的1.29倍。由于不是所有氨基酸都對食品的營養(yǎng)品質(zhì)是正向效應(yīng)，所以單看含量無法判斷哪個品種的品質(zhì)更優(yōu)。

表4 不同谷子品種小米的氨基酸組分分析Table 4 Amino acid composition analysis of different foxtail millet varieties %

從圖2可知，所試品種中風味氨基酸含量從高到低為苦味氨基酸＞鮮味氨基酸＞甜味氨基酸，不同谷子品種小米的氨基酸呈味特性差異顯著。甜味氨基酸和鮮味氨基酸排名前3的均為豫谷35號、長生16號和神谷5號，它們之間具有很高的一致性；苦味氨基酸含量較高的有長農(nóng)52號、長生8號和長生16號，而長生13號、神谷10號和晉谷40號含量較少。根據(jù)圖2中氨基酸差值（即鮮味和甜味氨基酸的含量總和與苦味氨基酸的差值）散點圖可以看出，豫谷35號、長生16號和神谷5號的差值最大，表明這3個品種鮮味最濃。

圖2 不同谷子品種小米的各類氨基酸含量Fig.2 Contents of various amino acids in different foxtail millet varieties

2.5 呈味氨基酸相關(guān)性分析

由圖3可知，16個谷子品種小米所含的3類氨基酸之間有不同程度的相關(guān)性。甜味氨基酸中的Ala與Gly、Ser、Asp和Glu呈負相關(guān)，其余甜味氨基酸與鮮味氨基酸之間均呈正相關(guān)?？辔栋被嶂蠭le除與Ala、Phe、Tyr和Val呈正相關(guān)外，與其他9種氨基酸均呈負相關(guān)；Tyr、Ile和Val與甜味和鮮味氨基酸（除Ala以外）均呈顯著負相關(guān)。Ala含量越低，其他甜味和鮮味氨基酸含量越高；Tyr、Ile和Val含量越低，甜味和鮮味氨基酸（除Ala以外）含量越高。如何解決好Ala和其他甜味、鮮味氨基酸的含量關(guān)系是一個值得討論的問題。

圖3 不同谷子品種小米的呈味氨基酸相關(guān)性Fig.3 Correlation of flavor amino acids of different foxtail millet varieties

2.6 小米品質(zhì)主成分分析

對16個谷子品種的11個品質(zhì)指標進行主成分分析，結(jié)果見表5和表6。由表5可知，前3個主成分對應(yīng)的特征值均大于1，且累計方差貢獻率達76.55%，因此前3個主成分滿足代替11個品質(zhì)指標對16個谷子品種綜合評價的條件。

表5 16個谷子品種米色和小米品質(zhì)主成分分析的特征值、貢獻率和累計貢獻率Table 5 Principal component analysis of characteristic value, contribution rate and cumulative contribution rate in millet color and grain nutritional quality of 16 foxtail millet varieties

表6 16個谷子品種米色和小米品質(zhì)主成分的特征向量與載荷矩陣Table 6 Characteristic vectors and load matrix of principal components of millet color and grain nutritional quality of 16 foxtail millet varieties

小米的11個品質(zhì)指標的主成分（圖4）和主成分載荷矩陣（圖5）反映了各品質(zhì)指標對此主成分負荷的相對大小和作用方向，即該指標對主成分的影響程度。由表5可知，PC1方差貢獻率為30.22%，載荷較高指標是代表米色的3個指標（L*、a*、b*），且3個指標對PC1產(chǎn)生正向效應(yīng)，載荷量分別為0.964、0.981和0.987，說明PC1和米色的影響力表現(xiàn)為正相關(guān)，其他品質(zhì)特性基本不變。PC2的方差貢獻率為25.38%，載荷量絕對值較高的指標為鮮味氨基酸、粗脂肪和膠稠度，載荷量分別為-0.975、0.907和0.704，這3個指標對PC2產(chǎn)生主要影響。PC3的方差貢獻率為20.95%，正向影響且有較大載荷的是苦味和甜味氨基酸，載荷量分別為0.918和0.883。

圖4 16個谷子品種米色和小米品質(zhì)的主成分圖Fig.4 Principal component diagram of millet color and grain nutritional quality of 16 foxtail millet varieties

圖5 16個谷子品種米色和小米品質(zhì)的載荷圖Fig.5 Load diagram of millet color and grain nutritional quality of 16 foxtail millet varieties

基于主成分分析，結(jié)合不同品種小米的綜合得分對小米品質(zhì)進行排名，結(jié)果如表7所示，得分越高說明該品種的綜合品質(zhì)越佳，排名靠前的有長生8號、長農(nóng)52號、神谷13號、長生16號和豫谷35號，這5個品種的小米綜合品質(zhì)相對其他供試品種具有優(yōu)勢。排名靠后的有黑谷8號、綠優(yōu)谷和神谷10號，說明這3個供試品種品質(zhì)相對差。

表7 16個谷子品種籽粒品質(zhì)綜合得分Table 7 Comprehensive scores of grain quality of 16 foxtail millet varieties

3 討論

由于遺傳基礎(chǔ)和環(huán)境因素等影響，不同谷子品種的株高和產(chǎn)量之間均有差異[13]。本研究中16個谷子品種的株高和產(chǎn)量構(gòu)成因素差異顯著（P＜0.05），黑谷8號的株高最低，長生8號最高。株高影響產(chǎn)量和倒伏[28]，可作為該品種是否適合在該地區(qū)種植的參考因素之一。在所分析的穗長、穗重、穗碼數(shù)、穗粒重和千粒重等穗部性狀中，多數(shù)在品種間與株高一樣，表現(xiàn)出顯著差異，說明本研究所用的品種是多樣的。但千粒重變異系數(shù)較小，品種之間表現(xiàn)出很小的差異，這與黃英杰等[29]和楊天育等[30]的研究一致，谷子千粒重也表現(xiàn)出較高的遺傳力。

小米的米色在食用品質(zhì)和商業(yè)價值評價中占據(jù)很重要的地位，人們大都喜歡米色黃的米粥[25]。禾璐[31]研究表明，小米越黃，風味越好，說明米色還和風味、食味關(guān)聯(lián)。本研究發(fā)現(xiàn)，長生13號的L*、a*和b*值排名均在前3位，表明長生13號的米色亮而且偏黃；長生8號的a*、b*和CCI值排名都在前3位，表明長生8號的米色偏黃且綜合指標好；晉谷40號和長農(nóng)52號的CCI值排名前2位，表明其米色綜合表現(xiàn)好。這些結(jié)果和長生13號、長生8號、晉谷40等品種是目前優(yōu)質(zhì)小米開發(fā)的主打品種是一致的，說明利用a*、b*和CCI值可以對小米的商品品質(zhì)進行評價。

小米的化學成分直接影響食物的蒸煮品質(zhì)，就蒸煮品質(zhì)而言，蛋白質(zhì)含量越高，蒸煮品質(zhì)越差[32]；直鏈淀粉含量高的小米，蒸煮特性表現(xiàn)為干燥、蓬松、色澤暗、適口性差且有回生現(xiàn)象。膠稠度以小米膠長計量，反映米膠的軟硬。其中膠長越長，米飯越軟，蒸煮性越好[33]。本研究中粗脂肪含量的變異系數(shù)最大，變異范圍3.29%～6.45%，這與李星等[15]研究的結(jié)論不一致，可能是由于小米化學成分含量的高低受播種時間、氣候條件和栽培方式等因素的影響。神谷13號的膠稠度值較其他品種大，蒸煮的米飯口感更好。

氨基酸也是小米營養(yǎng)品質(zhì)的重要指標[34]。本試驗測定了 13種氨基酸含量，同一品種不同氨基酸含量之間有差異，不同品種間同種氨基酸含量差異顯著。其中豫谷35號的Glu和Asp含量相較于其他品種最高，長生8號的Ala含量最高。氨基酸的呈味特性在很多食品的風味研究中起到很重要的作用[35-36]。本研究發(fā)現(xiàn)，豫谷35號、長生16號和神谷5號同時在甜味氨基酸和鮮味氨基酸中排名前3位，其非苦味氨基酸含量與苦味氨基酸含量的差值較其他品種大，鮮味較其他品種濃。進一步研究了16個品種的13種氨基酸的相關(guān)性，發(fā)現(xiàn)大多數(shù)氨基酸之間的相關(guān)性顯著，這與Yang等[37]研究結(jié)果一致。作為甜味氨基酸的Ala與其他大多數(shù)甜味氨基酸和鮮味氨基酸都表現(xiàn)為負相關(guān)，與Tyr、Ile和Val等苦味氨基酸表現(xiàn)為正相關(guān)。Ala含量越高，其他甜味和鮮味氨基酸含量越低。由于Ala在甜味和鮮味氨基酸總含量占比最大，Tyr、Ile和Val的含量占苦味氨基酸總含量占比大，導(dǎo)致氨基酸差值變大。綜合所有的品質(zhì)指標進行主成分分析，并且計算綜合得分，得到小米品質(zhì)主要受米色、粗脂肪、膠稠度、甜味氨基酸和鮮味氨基酸的影響，長生8號、神谷13號、長農(nóng)52號、長生16號和豫谷35號綜合得分高。

4 結(jié)論

Ala含量少的谷子品種，鮮味更濃；與其他品種相比，長生8號和長農(nóng)52號綜合品質(zhì)表現(xiàn)優(yōu)異，米色亮、顏色黃、脂肪和Ala含量較高；長生16號和豫谷35號蛋白質(zhì)含量較高，甜味和鮮味氨基酸含量高，蒸煮品質(zhì)較差；晉谷40號理論產(chǎn)量和外觀品質(zhì)均佳，但營養(yǎng)品質(zhì)較差。