張 帆，李 源，陳夢茹，邢英英，王秀康

（延安大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，陜西 延安 716000）

近年來，由于我國工業(yè)化程度不斷加深以及人口老齡化問題日趨嚴(yán)重，耕地和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力日趨減少，我國的糧食安全受到嚴(yán)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(fā)揮著重要的作用[3]。馬鈴薯塊莖營養(yǎng)豐富，含有淀粉、還原糖、蛋白質(zhì)、維生素等，對人體健康發(fā)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(zhì)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(yīng)的發(fā)生[7]；對于作為鮮菜直接食用的馬鈴薯，要求塊莖營養(yǎng)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(zhì)含量，以保證全粉加工食品的高質(zhì)量、高營養(yǎng)等[8]。因此，單一指標(biāo)無法準(zhǔn)確對馬鈴薯的品質(zhì)進(jìn)行全面的評價，必須應(yīng)用多個指標(biāo)進(jìn)行品質(zhì)綜合評價。目前，關(guān)于馬鈴薯品質(zhì)的綜合評價，國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)進(jìn)行了較多的研究[9-12]。但是這些研究大多運(yùn)用1 種或2 種評價方法進(jìn)行綜合評價，且受不同地區(qū)氣候以及土壤理化條件等差異的影響，種植在不同地區(qū)的同一馬鈴薯品種的品質(zhì)差異較大。目前，對西北地區(qū)馬鈴薯品質(zhì)綜合評價的研究較少[13-14]。吳琪瀅等[13]采用隸屬函數(shù)法在寧夏回族自治區(qū)和甘肅省對159份馬鈴薯種質(zhì)資源的產(chǎn)量和營養(yǎng)品質(zhì)進(jìn)行分析，篩選出了華薯9 號、天薯11 號等8 種適宜于該地區(qū)種植的優(yōu)良馬鈴薯種質(zhì)。WANG等[14]利用主成分分析法對黃土高原地區(qū)常種植的15個馬鈴薯品種的產(chǎn)量和品質(zhì)進(jìn)行綜合分析，發(fā)現(xiàn)夏波蒂為該地區(qū)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(chǎn)量和品質(zhì)進(jìn)行綜合評價，而利用多種評價方法對西北地區(qū)適宜于不同加工用途且品質(zhì)優(yōu)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(dú)特的地理條件，是陜西省馬鈴薯的主產(chǎn)區(qū)。為此，對該地區(qū)20個馬鈴薯品種的產(chǎn)量和品質(zhì)進(jìn)行測定，然后運(yùn)用主成分分析法、隸屬函數(shù)法以及系統(tǒng)聚類分析對其產(chǎn)量和品質(zhì)進(jìn)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(zhì)優(yōu)良的馬鈴薯品種。

1 材料和方法

1.1 試驗區(qū)概況及試驗材料

該試驗于2018 年5—10 月在陜西省榆林市現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技示范園（109°43′E、38°23′N）進(jìn)行，海拔1 050 m，該區(qū)域自然條件優(yōu)越，屬于半干旱大陸性季風(fēng)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(dá)到371 mm，蒸發(fā)量可達(dá)1 900 mm，總?cè)照諘r間約為2 900 h，平均氣溫為8.6 ℃。試驗區(qū)土壤pH值為8.1，含有機(jī)質(zhì)7.85 g/kg、銨態(tài)氮5.79 mg/kg、硝態(tài)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(nóng)業(yè)科學(xué)院提供，均適宜在西北地區(qū)常年種植（表1）。其中，定薯3 號是當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶經(jīng)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(shè)計

所有馬鈴薯品種的種植統(tǒng)一采用機(jī)械化種植方式（機(jī)械起壟+人工播種），小區(qū)長20 m、寬1.8 m，小區(qū)面積為36 m2，每小區(qū)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(qū)域漫灌，灌水量為40 mm，出苗后，收集氣象站的每日蒸發(fā)蒸騰量數(shù)據(jù)，結(jié)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(jù)當(dāng)?shù)赝扑]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(jī)選取3株，現(xiàn)場稱取各單株塊莖鮮質(zhì)量。然后將塊莖置于烘箱中殺青，烘干至恒質(zhì)量，碎化打粉，進(jìn)行品質(zhì)指標(biāo)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(lán)比色法測定，蛋白質(zhì)含量利用考馬斯亮藍(lán)G250染色法測定[16-17]。

1.4 品質(zhì)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(biāo)通過線性組合轉(zhuǎn)化為少數(shù)幾個相關(guān)綜合指標(biāo)的一種多元統(tǒng)計分析方法，其主要目的是通過數(shù)據(jù)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(biāo)應(yīng)盡可能多地反映原來指標(biāo)的主要信息。利用主成分分析，可將原始的多個品質(zhì)指標(biāo)轉(zhuǎn)化為較少的主要指標(biāo)，能夠較好地反映馬鈴薯的綜合品質(zhì)。主成分分析的主要步驟是采用SPSS 23.0 對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化和降維，然后利用Excel 2010 對馬鈴薯綜合品質(zhì)得分進(jìn)行計算。

1.4.2 隸屬函數(shù)法 采用隸屬函數(shù)法對馬鈴薯品質(zhì)進(jìn)行綜合評價，需要對各品質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行隸屬函數(shù)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(biāo)測定值，μ1表示馬鈴薯塊莖的某一指標(biāo)為正向評價指標(biāo)，μ2表示馬鈴薯塊莖的某一指標(biāo)為負(fù)向評價指標(biāo)，Xmax為所有供試品種中該品質(zhì)指標(biāo)的最大值，Xmin表示所有供試品種中該品質(zhì)指標(biāo)的最小值。

若該品質(zhì)指標(biāo)與馬鈴薯的綜合營養(yǎng)品質(zhì)呈正相關(guān)關(guān)系，隸屬函數(shù)值用公式（1)計算；反之，隸屬函數(shù)值用公式（2)計算。其中，單株塊莖產(chǎn)量、淀粉含量、蛋白質(zhì)含量、可溶性糖含量和維生素C含量均與馬鈴薯綜合營養(yǎng)品質(zhì)呈正相關(guān)，還原糖含量與綜合營養(yǎng)品質(zhì)呈負(fù)相關(guān)[19-20]。

1.4.3 系統(tǒng)聚類分析 利用各馬鈴薯品種各品質(zhì)指標(biāo)的總隸屬函數(shù)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(jìn)行系統(tǒng)聚類分析。

1.5 數(shù)據(jù)處理

利用Excel 2010 進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，采用SPSS 23.0軟件進(jìn)行單因素方差分析，采用Duncan’s新復(fù)極差法進(jìn)行多重比較，用SigmaPlot 14軟件繪制圖表。

2 結(jié)果與分析

2.1 20個馬鈴薯品種的品質(zhì)比較

2.1.1 單株塊莖產(chǎn)量 相同水肥條件下，不同馬鈴薯品種的單株塊莖產(chǎn)量相差較大（表2），變異系數(shù)為46.76%。其中，S12 單株塊莖產(chǎn)量最高，達(dá)到4.20 kg，顯著高于其他品種，較當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶選擇種植的馬鈴薯品種S1 提高116.5%；S15、S17、S11 單株塊莖產(chǎn)量也較高，均顯著高于S1；S4 單株塊莖產(chǎn)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(shù)高達(dá)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(shù)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(shù)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(shù)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(zhì)含量 20 個馬鈴薯品種的蛋白質(zhì)含量存在明顯差異（表2），變異系數(shù)高達(dá)68.10%。其中，S18的蛋白質(zhì)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(zhì)含量也較高，且與S18 差異不顯著；S19、S1、S11 的蛋白質(zhì)含量較低，三者差異不顯著。

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

2.2 20個馬鈴薯品種品質(zhì)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(chǎn)量和品質(zhì)進(jìn)行綜合評價，對所選取馬鈴薯品種的單株塊莖產(chǎn)量、維生素C含量、蛋白質(zhì)含量、淀粉含量、還原糖含量、可溶性糖含量進(jìn)行主成分分析，主成分分析中的特征值與方差貢獻(xiàn)率是選取主成分的關(guān)鍵。

對供試的20 個馬鈴薯品種的6 個與綜合品質(zhì)有關(guān)的指標(biāo)（單株塊莖產(chǎn)量、維生素C 含量、蛋白質(zhì)含量、淀粉含量、還原糖含量、可溶性糖含量）進(jìn)行主成分分析，根據(jù)方差累積貢獻(xiàn)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(yīng)的方差貢獻(xiàn)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(xiàn)率達(dá)到了90.448%，基本包含了所測的馬鈴薯品質(zhì)綜合評價指標(biāo)的全部信息，4 個主成分的基本表達(dá)式如下：

表3 馬鈴薯品質(zhì)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(zhì)指標(biāo)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(chǎn)量、維生素C含量、蛋白質(zhì)含量、淀粉含量、還原糖含量、可溶性糖含量的標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)。

主成分表達(dá)式中各個因子系數(shù)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(xiàn)強(qiáng)弱。在以上4個主成分表達(dá)式中貢獻(xiàn)率最大的因子依次是：第1主成分中的蛋白質(zhì)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(shù)法 結(jié)合主成分分析結(jié)果，對提取出的4個貢獻(xiàn)率較大的品質(zhì)指標(biāo)（蛋白質(zhì)含量、淀粉含量、還原糖含量、可溶性糖含量）進(jìn)行隸屬函數(shù)值的計算（表5），按照平均隸屬函數(shù)值大小對所供試的20 個馬鈴薯品種的品質(zhì)綜合評價優(yōu)劣程度進(jìn)行排 序，表 現(xiàn) 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(zhì)評價的隸屬函數(shù)值Tab.5 Membership function values of quality evaluation of 20 potato varieties

續(xù)表5 20個馬鈴薯品種品質(zhì)評價的隸屬函數(shù)值Tab.5（Continued） Membership function values of quality evaluation of 20 potato varieties

2.2.3 系統(tǒng)聚類分析 利用蛋白質(zhì)含量、淀粉含量、還原糖含量、可溶性糖含量的總隸屬函數(shù)值，對所供試的馬鈴薯品種進(jìn)行系統(tǒng)聚類分析（圖1），當(dāng)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(zhì)較優(yōu)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(shù)的35.0%，總隸屬函數(shù)值為1.912～2.120，這類材料普遍具有蛋白質(zhì)含量、淀粉含量、可溶性糖含量較高，還原糖含量較低的特點(diǎn)；第2類為綜合品質(zhì)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(shù)的40.0%，總隸屬函數(shù)值為1.340～1.743，這類材料普遍具有蛋白質(zhì)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(diǎn)；第3 類和第4 類為綜合品質(zhì)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(shù)的25.0%，總隸屬函數(shù)值為0.593～1.219，這類材料普遍具有還原糖含量較高，蛋白質(zhì)含量、淀粉含量、可溶性糖含量較低的特點(diǎn)，其中S13最突出。

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

3 結(jié)論與討論

榆林市作為陜西省馬鈴薯的主產(chǎn)區(qū)，在確保該地區(qū)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展方面發(fā)揮著重要的作用。在本研究中，相比當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶經(jīng)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(biāo)均存在很大差異，20 個馬鈴薯品種中單株塊莖產(chǎn)量、蛋白質(zhì)含量、淀粉含量、還原糖含量、可溶性糖含量的變異系數(shù)較大，分別達(dá)到46.76%、68.10%、50.07%、50.66%、64.79%，說明供試材料的這些指標(biāo)通過遺傳手段進(jìn)行改良的潛力較大，這與閆海鋒等[21]、王丹等[22]的研究結(jié)果類似，即后期可通過品種間雜交提高馬鈴薯綜合品質(zhì)，從而選育出較優(yōu)良的種質(zhì)。

馬鈴薯加工利用的方式不同，對馬鈴薯的品質(zhì)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(chǎn)、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(zhì)、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(zhì)含量和維生素C 含量均為供試品種中最高，出現(xiàn)這一結(jié)果的原因可能與馬鈴薯種植的環(huán)境和供試的品種類型有關(guān)[23-24]。用于淀粉加工生產(chǎn)的馬鈴薯要求淀粉含量在18%以上，對其他品質(zhì)沒有嚴(yán)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(chǎn)，造成這種現(xiàn)象的原因可能與外界氣候環(huán)境有關(guān)，較低溫度會導(dǎo)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(xiàn)象[27]，此過程的持續(xù)發(fā)生不僅會對馬鈴薯的淀粉生產(chǎn)造成不利影響，而且會嚴(yán)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(fā)生美拉德反應(yīng)，隨后產(chǎn)生丙烯酰胺，嚴(yán)重影響油炸薯片類食品的色澤、口感和品質(zhì)[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(jié)果相似。出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因可能與本試驗的施肥量與灌水量有關(guān)。研究發(fā)現(xiàn)，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(guān)系[32]。

目前，利用隸屬函數(shù)法對作物營養(yǎng)品質(zhì)進(jìn)行綜合評價的研究較多[33-35]。由于評價綜合營養(yǎng)品質(zhì)的指標(biāo)過多，一旦直接利用所有指標(biāo)進(jìn)行綜合營養(yǎng)評價會對評價結(jié)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(zhì)指標(biāo)進(jìn)行主成分分析，按照方差累積貢獻(xiàn)率大于85%的原則，提取出了4 個主成分，即蛋白質(zhì)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(xiàn)率逐漸減少，說明其對馬鈴薯營養(yǎng)品質(zhì)綜合表現(xiàn)的影響也依次遞減，隨后結(jié)合隸屬函數(shù)和系統(tǒng)聚類分析，篩選出S1、S8、S12、S14、S17、S19 和S20 共7 個品質(zhì)優(yōu)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(zhì)；S8 的蛋白質(zhì)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(zhì)；S12 的單株塊莖產(chǎn)量和淀粉含量較高，可作為大規(guī)模推廣種植的淀粉加工種質(zhì)；S14 和S20 的蛋白質(zhì)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(chǎn)量較高，可作為大規(guī)模推廣種植的種質(zhì)。