芝麻枯萎病害條件下籽粒及其制油品質變化分析

魏其超，苗紅梅，汪學德*，張海洋，袁青麗，李海玲

(1.河南工業(yè)大學 糧油食品學院，河南 鄭州 450001； 2.河南省農業(yè)科學院 芝麻研究中心，河南 鄭州 450002)

芝麻(SesamumindicumL.)屬胡麻科1年生草本植物，是世界上古老的特色優(yōu)質油料作物。芝麻籽粒中含有多種不飽和脂肪酸和氨基酸，對人體健康十分有利[1-2]。此外，芝麻還含有較高的木酚素、維生素E等抗氧化物質和豐富的礦物質，營養(yǎng)價值極高[3]。但是在我國芝麻主產區(qū)，芝麻易受病害(芝麻枯萎病、莖點枯病等)和漬害影響，造成單產水平低、籽粒品質差，對芝麻生產和農民增收產生巨大影響[4]。研究表明，病害及漬害條件下，芝麻植株生長發(fā)育會受到限制[5-6]。尤其在花期，芝麻枯萎病發(fā)生后，蒴果長勢受到明顯抑制，導致籽粒干癟，極大降低了芝麻產量；漬害條件下，秕籽率增加，粒色變暗，酸價升高，嚴重影響了籽粒品質[7]。目前尚未見關于枯萎病發(fā)生后芝麻籽粒及制油品質變化的報道。為此，選用3個白芝麻品種，在芝麻枯萎病單一病圃種植條件下，于成熟期收集不同等級病株的籽粒，系統(tǒng)地分析籽粒外觀、營養(yǎng)組分、微量成分及芝麻油品質的變化，以期為枯萎病害脅迫下芝麻的生產發(fā)展及產品加工工藝的改良提供理論依據。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

試驗共選用3個白芝麻品種4816、P12-0、P21，均由河南省農業(yè)科學院芝麻研究中心提供。2017年6月將3個白芝麻品種種植于河南省農業(yè)科學院原陽試驗基地芝麻枯萎病單一病圃，確?？菸“l(fā)生。以非病圃健康植株為對照。每個品種種植10行，行長5 m，行距40 cm，株距20 cm；每個處理設置3個重復，按隨機區(qū)組排列方式種植。田間管理采用正常芝麻種植管理方法進行。

依據仇存璞等[8]芝麻枯萎病抗性等級評價方法，在成熟期分別調查處理組及對照組植株病害發(fā)生等級，對病株進行0級、1級、2級、3級、4級劃分，其中0級代表未發(fā)生病害。適時收獲各處理植株，脫粒并用于品質檢測分析。

1.2 芝麻籽粒外觀品質分析

參照袁青麗等[7]方法，選取各處理芝麻籽粒100粒，采用萬深SC-G自動考種分析及千粒質量系統(tǒng)(杭州萬深檢測科技有限公司)測定籽粒長度、寬度、千粒質量；選用 Colorflex EZ色粒儀(上海信聯(lián)創(chuàng)作電子有限公司)測定L、a和b值(L為明度指數，a、b為彩度指數)。種皮色澤差異判定標準參照李里特[9]標準(表1)，并計算ΔE值。籽粒種皮色澤計算公式如下：

表1 作物種皮色澤差異判定標準

1.3 芝麻籽粒品質檢測

參照GB/T 5512—2008方法測定籽粒粗脂肪含量；參照GB 5009.5—2016方法測定粗蛋白含量；參照GB 5009.124—2016方法測定籽粒氨基酸成分；參照GB/T 5528—2008方法測定籽粒水分含量；參照GB/T 5505—2008方法測定籽?；曳趾?；參照硫酸-苯酚法[10-11]測定籽?？偺呛浚桓鶕O麗萍等[12]所述方法，分別制作Ca2+、K+、Na+、Mg2+離子含量標準曲線，并采用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(美國Agilent公司)測定籽粒中的Ca2+、K+、Na+、Mg2+礦物質元素含量。

1.4 芝麻油品質檢測

稱取2 kg芝麻籽粒，參照袁青麗等[7]方法進行冷榨芝麻油制備，將獲得的冷榨芝麻油樣品放于室溫保存，對折光指數、酸價、碘值、皂化值、過氧化值等理化指標進行測定，同時對芝麻油中脂肪酸組成及維生素E、芝麻素、芝麻林素等含量進行分析。折光指數測定參照GB/T 5527—2010方法，酸價測定參照GB 5530—2005方法，碘值測定參照GB/T 5532—2008方法，皂化值測定參照GB/T 5534—2008方法，過氧化值測定參照GB/T 5538—2005方法，脂肪酸組成測定參考GB/T 17376—2008和GB/T 17377—2006方法，維生素E含量測定參照GB 5009.82—2016方法。芝麻油中芝麻素和芝麻林素含量測定參照NY/T 1595—2008方法。高效液相色譜儀Waters 2695(美國Waters公司)條件為：色譜柱Sunfire(C18，250 mm×4.6 mm，5 μm)，柱溫30 ℃；流動相V甲醇∶V水=70∶30，流速1 mL/min；檢測波長287 nm；進樣量10 μL。試驗用化學試劑為分析純；正己烷、正庚烷、甲醇等有機溶劑為色譜純。

1.5 數據處理

使用Origin 8.0、Excel及SPSS軟件對測定數據進行分析。

2 結果與分析

2.1 不同枯萎病等級芝麻籽粒外觀品質變化

試驗針對芝麻枯萎病單一病圃條件下種植的3個芝麻品種，在成熟期進行枯萎病發(fā)生情況調查。調查中發(fā)現(xiàn)，0級為未發(fā)生病害的植株，芝麻籽粒飽滿，粒色正常，而4級病害下形成的芝麻籽粒多為秕粒，不能正常成熟，在實際生產中無法用于芝麻食品加工及榨油。為此，僅對0—3級病害下的芝麻籽粒進行品質評價分析(表2)。與0級相比，1—3級病害下3個白芝麻品種千粒質量均表現(xiàn)為下降，降幅在1.90%～38.49%。病害發(fā)生等級越高，千粒質量下降越明顯。其中P21的千粒質量由0級病害下的2.39 g下降至3級的1.47 g，變化幅度最大。在不同病害等級樣品中，芝麻籽粒長度和寬度較為穩(wěn)定，分別為3.00 mm和1.60 mm左右，總體上與0級差異不顯著。

在芝麻籽粒色澤評價方面，目前多使用L、a、b值表示。L值越大，表明籽粒色澤越光亮；ΔE值越大，表明粒色差異越明顯。如表2所示，在3個白芝麻品種中，0級病害籽粒L值為61.00～63.79。隨著病害等級的增加，3個品種的L、a、b值均有變化，其中L值變化顯著。3個品種在枯萎病害下L值降幅為0.35%～7.02%。此外，隨著病害等級程度的提高，3個品種ΔE逐漸增加，分別為0.59～3.10、2.24～4.29、0.52～4.14。與0級相比，3級病害下3個品種ΔE均達到顯著差別(3.0<ΔE≤6.0)。ΔE值越大，芝麻籽粒色澤越暗，這與肉眼觀察到的結果一致。綜上，枯萎病害的發(fā)生導致了芝麻籽粒生長發(fā)育受到影響，表現(xiàn)為光澤變暗，顏色加深。

表2 不同枯萎病等級芝麻籽粒外觀品質變化

注：不同小寫字母表示相同品種不同病害等級下差異顯著(P<0.05)，下同。

2.2 不同枯萎病等級芝麻籽粒主要成分變化

如表3所示，3個品種0級病害芝麻籽粒中的水分含量在3.60%～3.91%，粗脂肪含量為47.73%～50.05%，粗蛋白含量為20.08%～22.05%，總糖含量為9.74%～11.17%。與0級相比，3個品種1—3級病害芝麻籽粒的粗脂肪和粗蛋白含量變化幅度分別為-1.28%～1.61%和0.54%～5.08%。病害等級對粗脂肪和粗蛋白含量變化無顯著影響。但病害發(fā)生對芝麻籽粒總糖含量影響明顯，與0級相比，4816和P12-0芝麻籽粒的總糖含量變化較大，變化幅度分別為-5.24%～28.95%、-11.37%～20.35%。推測總糖含量的變化可能與病害脅迫影響植物生長代謝有關。

灰分是指樣品灼燒后剩下的各種礦物元素的氧化物，其含量高低往往與生長環(huán)境關系密切。從表3中可以看出，3個品種0級病害芝麻籽?；曳趾繛?.55%～4.98%。隨著枯萎病害等級的升高，3個品種芝麻籽粒的灰分含量逐漸增高，其含量在4.70%～5.71%，3級病害籽?；曳趾枯^0級分別提高了16.04%、12.05%、19.21%?；曳趾颗c病害等級關系密切，呈正相關。

表3 不同枯萎病等級芝麻籽粒主要成分變化 %

2.3 不同枯萎病等級芝麻籽粒礦物質元素含量變化

為探明枯萎病害下芝麻籽?；曳种械闹饕兓煞?，選用0級和3級病害芝麻籽粒，測定其中Ca2+、K+、Na+、Mg2+的含量(表4)。構建Ca2+、K+、Na+、Mg2+的標準曲線方程，分別為：YCa=345 466.88X+5 510.50(r=0.998)、YK=1 036.95X+281.64(r=0.998)、YNa=162 113.16X+23 916.62(r=0.997)、YMg=84 993.17X+386.02(r=0.997)。在0級病害芝麻籽粒中，Ca2+和K+含量較多，分別為11.66～15.00 mg/g 和9.05～11.44 mg/g。3級病害下， 4816、

P12-0、P21芝麻籽粒中，Ca2+含量與0級相比分別降低9.52%、12.27%、0.80%，K+含量分別增加18.01%、15.38%、2.96%。Mg2+含量僅次于Ca2+和K+，在3級病害下，4816芝麻籽粒中Mg2+含量與0級相比降低4.53%，P12-0芝麻籽粒中Mg2+含量與0級相比增加4.18%，P21芝麻籽粒中Mg2+含量與0級相比增加1.71%。與0級相比，3級病害下4816芝麻籽粒中Na+含量增加7.59%，P12-0芝麻籽粒中Na+含量下降10.42%，P21芝麻籽粒中Na+含量下降6.59%。但病害等級對Mg2+和Na+含量變化沒有顯著影響。

表4 不同枯萎病等級芝麻籽粒礦物質元素含量變化 mg/g

2.4 不同枯萎病等級芝麻籽粒氨基酸組分含量變化

氨基酸是重要的營養(yǎng)成分，其代謝產物能起到調節(jié)機體生命活動的作用。在芝麻籽粒中，蛋白質含量為18%～26%，屬于FAO/WHO建議的優(yōu)質蛋白質類[13]。為探明枯萎病發(fā)生是否對芝麻籽粒氨基酸組分造成影響，對3級病害芝麻籽粒的氨基酸組分進行了分析(表5)。3個品種主要氨基酸為谷氨酸、精氨酸、亮氨酸，0級病害芝麻籽粒中3種氨基酸含量分別為7.60%～8.70%、4.90%～5.70%、2.70%～3.30%。3級病害芝麻籽粒中3種氨基酸含量分別為8.00%～9.80%、5.10%～7.10%、3.00%～3.90%，與0級相比變幅分別為-1.15%～13.95%、-8.77%～26.79%、-3.03%～21.88%，病害等級對4816和P12-0芝麻籽粒中3種氨基酸變化無顯著影響。3級病害下3個品種籽粒中蘇氨酸、蛋氨酸、纈氨酸和異亮氨酸4種必需氨基酸的含量與0級病害芝麻籽粒相比也沒有顯著差異。4816和P12-0芝麻籽粒中除天冬氨酸外，病害等級對其他各氨基酸組分均無顯著影響。P21芝麻籽粒中部分氨基酸含量在3級病害條件下與0級病害相比有差異，推測可能是病害對品種的選擇性作用導致。

表5 不同枯萎病等級芝麻籽粒16種氨基酸含量變化 %

2.5 不同枯萎病等級芝麻籽粒制油品質變化

3級病害芝麻籽粒在外觀和部分營養(yǎng)組分上具有顯著變化。為進一步明確病害發(fā)生對芝麻籽粒制油品質是否造成影響，選用收獲的0級和3級病害芝麻籽粒樣品分別進行螺旋壓榨處理，制備冷榨芝麻油，并測定芝麻油中脂肪酸組成及含量(圖1)。芝麻油中含有油酸、亞油酸、棕櫚酸、硬脂酸、花生酸、亞麻酸、棕櫚油酸共7種主要脂肪酸組分。其中油酸和亞油酸是芝麻油最主要的脂肪酸類型，0級病害3個品種中的含量分別為36.98%～41.98%和41.16%～46.98%(圖1D和1E)。與0級相比，3級病害芝麻油中的油酸和亞油酸含量變化幅度分別為-0.68%～0.80%和0.68%～5.87%，差異不大，表明3級程度枯萎病害對芝麻油中的主要脂肪酸組分無明顯影響。圖1A和1C分別顯示了芝麻油中棕櫚酸和硬脂酸的變化，3級病害下3個品種棕櫚酸和硬脂酸含量分別為8.59%～10.08%和5.38%～6.02%，符合GB 8223—1987標準中的1級芝麻油標準。與其他組分相比，3級病害下3個品種芝麻油中的亞麻酸含量均變化顯著(圖1G)。0級病害芝麻油中亞麻酸含量為0.26%～0.37%，含量相對較少。與0級相比，3級病害下4816芝麻油中亞麻酸的含量降低了32.43%，P12-0、P21則分別增加了40.00%、42.31%。

從圖2A可以看出，芝麻油的折光指數均在1.472 5左右(20 ℃)，芝麻品種和病害的發(fā)生程度對其沒有顯著影響。與0級病害相比，3個品種的3級病害芝麻油的酸價均有明顯升高趨勢(圖2B)，其中4816芝麻油中酸價從1.71 mg/g升高至5.39 mg/g，P21芝麻油中酸價由1.95 mg/g升高至3.07 mg/g，P12-0芝麻油中酸價則由3.78 mg/g升高至6.80 mg/g。依據芝麻油GB 8223—1987標準，3個品種的3級病害芝麻油的酸價均超過3 mg/g，不符合1級芝麻油的標準。因此，枯萎病害發(fā)生對芝麻油的酸價有一定影響。

3個芝麻品種中，3級病害下芝麻油過氧化值與0級病害相比分別顯著下降16.42%、51.43%、15.66%(圖2C)。3個品種0級病害芝麻油的皂化值和碘值分別為175.14～186.80 mg/g和105.56～108.63 mg/g，3級病害芝麻油皂化值和碘值分別為179.09～182.05 mg/g和104.70～114.06 mg/g(圖2D和2E)。與0級相比，3級病害芝麻油皂化值和碘值變化幅度分別為-2.54%～2.71%和-0.81%～5.26%，表明枯萎病發(fā)生能夠導致芝麻油部分理化指標發(fā)生一定變化。

圖1 不同枯萎病等級芝麻油脂肪酸含量變化

2.6 不同枯萎病等級芝麻籽粒制油中抗氧化物質含量變化

芝麻中含有木酚素和生育酚2類強抗氧化活性物質[14]，因此，芝麻油的貨架期較一般油脂長。對3個品種芝麻油中的木酚素(芝麻素和芝麻林素)以及維生素E含量進行測定(表6)，結果發(fā)現(xiàn)，3個品種0級病害的芝麻油中木酚素含量為13.92～14.76 mg/g，而枯萎病發(fā)生會導致木酚素含量有所變化，其中，3級病害下，P21芝麻油中木酚素含量較0級病害降低5.01%，4816芝麻油中木酚素含量沒有顯著性變化，P12-0芝麻油中木酚素含量則顯著增加3.87%。與0級相比，3級病害下4816芝麻油中芝麻素含量降低0.98%，芝麻林素含量增加3.56%；P12-0芝麻油中芝麻素含量增加2.74%，芝麻林素含量增加6.59%；P21芝麻油中芝麻素含量降低5.54%，芝麻林素含量降低3.72%。推測這種差異可能與不同品種的抗病性以及次生代謝過程有關。

此外，從表6可以看出，3個品種0級病害芝麻油中維生素E的含量分別為0.38、0.33、0.35 mg/g，3級病害芝麻油中維生素E含量分別為0.37、0.26、0.39 mg/g。其中3級病害下，P12-0與P21芝麻油中的維生素E含量與0級相比，變化幅度分別為-21.21%與11.43%，差異顯著；4816芝麻油中的維生素E含量較0級下降2.63%，但差異不顯著。

圖2 不同枯萎病等級芝麻油理化指標變化

3 結論與討論

本研究首次系統(tǒng)地分析了芝麻枯萎病害脅迫條件下芝麻籽粒品質及制油理化特性的變化規(guī)律，明確了芝麻枯萎病害可導致芝麻籽粒千粒質量、粒色、總糖含量以及灰分含量發(fā)生顯著變化，也可造成芝麻油酸價升高以及抗氧化物質含量發(fā)生顯著變化，并影響油品質，為今后芝麻生產與加工工藝改進提供了理論依據。

芝麻枯萎病是由尖孢鐮刀菌芝麻?；?Fusariumoxysporumf.sp.sesami)侵染引起的，對芝麻植株生長、產量形成等產生重要影響[8]。本研究發(fā)現(xiàn)，枯萎病發(fā)生條件下，芝麻籽粒千粒質量有所下降，千粒質量的降低間接影響了芝麻的產量[15]。病害條件下芝麻籽粒的千粒質量顯著降低，種皮色澤加深，外觀品相差，直接降低了芝麻的商品價值。此外，病害等級較高時，芝麻籽粒往往干癟，無法形成產量，更不能用于加工和食用。結果與漬害脅迫下芝麻籽粒外觀品質變化特征較為相似[7]，表明非生物脅迫與生物脅迫均能影響芝麻籽粒種皮色素的積累，進而影響芝麻的外觀品質。因此，可以認為籽粒色澤能夠在一定程度上反映芝麻受非生物脅迫和生物脅迫的程度。

通過對枯萎病害下芝麻籽粒中主要組分變化規(guī)律進行研究發(fā)現(xiàn)，在干物質積累過程中3個品種芝麻灰分含量增加明顯，但礦物質元素Ca2+、K+和Mg2+呈現(xiàn)不同程度的變化。研究表明，枯萎病害與漬害脅迫[7]和干旱脅迫[16]2種非生物脅迫相同，均可以影響芝麻籽粒中的礦物質元素積累。推測在脅迫條件下，芝麻籽粒中礦物質成分的吸收、運輸以及生物利用等過程可能會受到影響，進而導致芝麻籽粒品質發(fā)生變化。

另外，通過對枯萎病害下芝麻籽粒中蛋白質含量及氨基酸組分的測定發(fā)現(xiàn)，3級病害下氨基酸組成沒有變化，含量存在一定范圍波動。3級病害下，芝麻籽粒中蛋白質的氨基酸組成仍以谷氨酸、精氨酸、亮氨酸為主，因此，以枯萎病害下芝麻籽粒為原料加工成的蛋白質產品，其營養(yǎng)價值不會受到影響。

在芝麻油制品中，酸價主要反映油脂中游離脂肪酸含量的多少，其值越大，表明游離脂肪酸含量越多，對芝麻油的儲存越不利。枯萎病發(fā)生可造成芝麻油酸價升高，與漬害脅迫[7]結果相似。因此，推測酸價的變化可以反映芝麻生長過程受生物脅迫或非生物脅迫的程度。在脅迫條件下，芝麻油脂的形成過程可能受到影響，造成甘一酯和甘二酯含量的顯著變化，進而導致游離脂肪酸含量增加。除此之外，枯萎病害引起的羰基減少或其他原因，是否也會導致游離脂肪酸含量的增加，還有待進一步深入研究。

一般情況下，芝麻油脂肪酸中油酸和亞油酸占85.00%左右[17]。本研究對脂肪酸組分的分析結果表明，病害條件下3個品種芝麻油中油酸和亞油酸含量變幅不大，亞麻酸含量變幅較大。與0級相比，3級病害下4816芝麻油中亞麻酸的含量降低了32.43%，P12-0、P21則分別增加了40.00%、42.31%。根據芝麻油的GB 8223—1987標準，1級芝麻油棕櫚酸含量在7.90%～12.00%，硬脂酸含量在4.50%～6.70%，本研究中3個芝麻品種在感染枯萎病前后，制油中棕櫚酸與硬脂酸含量均在1級芝麻油范圍內。李曉丹等[18]研究發(fā)現(xiàn)，芝麻種子發(fā)育過程中脂肪酸的積累存在品種間差異性，不同芝麻品種的脂肪酸含量各不相同，與本研究結果一致。由此推斷，芝麻油脂肪酸的組成變化受環(huán)境和品種等多方面因素的影響。

本研究發(fā)現(xiàn)，3級病害下，芝麻油中的木酚素和維生素E含量均有所變化，表明在枯萎病脅迫下芝麻籽粒中的主要抗氧化物質的含量會受到影響。Kwansu等[19]發(fā)現(xiàn)，干旱脅迫提高了芝麻中木酚素的積累水平。因此，適當的生物或非生物脅迫可能有利于芝麻中木酚素的積累，該變化對提高芝麻原料的利用價值具有積極意義。