14種沙棘果實中氨基酸組成的主成分分析與綜合評價

馬 旭,趙 英,韓 煒,武勝利,韓曉燕

(1.新疆師范大學(xué)地理科學(xué)與旅游學(xué)院/新疆干旱區(qū)湖泊環(huán)境與資源重點實驗室,烏魯木齊 830054;2.阿克蘇地區(qū)林業(yè)技術(shù)推廣服務(wù)中心,新疆阿克蘇 843006; 3.烏什縣林業(yè)與草原局,新疆阿克蘇 843400)

0 引 言

【研究意義】沙棘(Hippophaerhamnoides),胡頹子科,灌木或喬木,抗旱能力強,是中國西北干旱、半干旱區(qū)重要的造林樹種[1],也是中國西部地區(qū)最具代表性的一種經(jīng)濟植物[2]。研究表明沙棘果實中含有多種功能性成分,如各種維生素、多酚以及脂肪酸等,且包括人體必需的八種氨基酸:賴氨酸、色氨酸、苯丙氨酸、蛋氨酸、蘇氨酸、異亮氨酸、亮氨酸、纈氨酸以及兒童生長還需要的精氨酸和組氨酸兩種氨基酸,具有很高的經(jīng)濟價值[3]和藥用價值[4]。選育高含量氨基酸沙棘對于沙棘產(chǎn)業(yè)的健康持續(xù)發(fā)展具有重要意義?！厩叭搜芯窟M展】劉瑞等[5]發(fā)現(xiàn)沙棘果實中含有18種氨基酸,其中包括8種人體必需氨基酸;馬春梅等[6]對新疆大果沙棘氨基酸測定發(fā)現(xiàn),新棘1號果實中必需氨基酸含量最高為65 mg/g,其中新棘1號氨基酸含量最高達2.19%。王芳等[7]對山西4地區(qū)中國沙棘(Hippophaerhamnoidessubsp.SinensisRousi)葉氨基酸測定,得到沙棘葉中游離氨基酸含量偏高。姜少娟[8]發(fā)現(xiàn)沙棘果渣中水解氨基酸含量高達59.91 mg/g。新疆野生沙棘資源豐富,野生沙棘資源幾乎遍布南北疆,張焱等[9]對新疆7個地區(qū)野生沙棘種仁脂肪酸和蛋白質(zhì)分析評價;張文博等[10]對新疆野生沙棘種仁氨基酸含量進行測定。【本研究切入點】已報道的研究中對野生沙棘果實氨基酸方面的研究較少,而野生優(yōu)株則更少。在沙棘果實的研究中,多以果實品質(zhì)的綜合評價為主,對不同品種果實黃酮[11]、總糖及VC[12]等進行了大量研究,以沙棘果實氨基酸主成分分析及綜合評價的研究鮮有報道。需研究不同品種野生沙棘氨基酸含量,分析其氨基酸含量組成差異,對不同品種野生沙棘氨基酸品質(zhì)主成分比較分析及綜合評價?！緮M解決的關(guān)鍵問題】以阿爾泰地區(qū)野生沙棘林選出的14個沙棘優(yōu)良單株為研究對象,以新疆主栽沙棘品種深秋紅為對照,綜合評價14個沙棘優(yōu)株氨基酸,選出氨基酸含量高的沙棘優(yōu)株,為高含量氨基酸沙棘品種選育提供支撐。

1 材料與方法

1.1 材 料

2021年8月下旬至10月中旬于阿勒泰地區(qū)(阿勒泰市、清河縣、布爾津縣、哈巴河縣)野生沙棘林采摘沙棘果實,選出色澤一致、成熟度均一,每個品種隨機采集3份果實,立即用液氮冷凍處理,帶回實驗室研磨備用。14個沙棘優(yōu)株代號為:ANJR、QH-03-02、AHG、QA-01-01、CHNXY、擬QH-03-02、BT-06-04、BT-08-02、HH-03-01、HK-01-01、HK-04-01、HH-09-01、HH-02-02、HH-06-01,對照為新疆主栽品種深秋紅。

1.2 方 法

1.2.1 果實性狀指標測定

采用精確度達0.001 cm的電子數(shù)顯游標卡尺測量果實縱橫徑,記錄數(shù)據(jù)精確到0.001 cm。測定果實百果重和種子千粒種,數(shù)據(jù)精確到0.01 g。

1.2.2 產(chǎn)量、成熟期測定

沙棘果實的成熟期根據(jù)果實顏色及果實大小為標準,決定采收期。果實產(chǎn)量參考金爭平[13]的方法測定。

1.2.3 果實氨基酸含量測定

氨基酸組分和含量的測定依據(jù)GB 5009.124-2016《食品中氨基酸的測定》[14],于新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)質(zhì)量標準與檢測技術(shù)研究所,使用日立 L-8900氨基酸自動分析儀測定,具體參考楊喆[15]的方法測定。17種氨基酸包括:天冬氨酸(Asp)、蘇氨酸( Thr)、絲氨酸( Ser)、谷氨酸( Glu)、甘氨酸( Gly)、丙氨酸( Ala)、半胱氨酸( Cys)、纈氨酸 ( Val)、異亮氨酸( Ile )、甲硫氨酸( Met) 、亮氨酸 ( Leu )、酪氨酸 ( Try )、苯丙氨酸 ( Phe)、賴氨酸( Lys)、組氨酸( His)、精氨酸( Arg)、脯氨酸( Pro)。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS軟件對數(shù)據(jù)進行相關(guān)性分析、主成分分析、聚類分析。

主成分分析:用SPSS軟件對15種沙棘氨基酸降維,抽取特征值大于1.00的因子作為主成分。利用主成分對不同品種沙棘果實進行綜合評價,將各主成分得分Fi和相應(yīng)權(quán)重相乘后求和得到綜合評價函數(shù)。

聚類分析:采用系統(tǒng)聚類對15種沙棘果實氨基酸聚類分析。用EXCEL對數(shù)據(jù)處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 沙棘優(yōu)株果實性狀特征

研究表明,14種沙棘優(yōu)株成熟期在8月底至10月中旬,果實色澤為黃色、橙黃色、橘黃色和紅色,果粒大,形狀以卵圓形居多。14個優(yōu)選單株百果重在37.2～73.2 g,超過50 g的有11種,其中QH-03-02的百果重最大,達到73.2 g,高于深秋紅(CK)18.01%。14個優(yōu)選單株種子千粒重在10.36～21.44 g,其中HH-03-01種子千粒重達到21.44 g,高于深秋紅(CK)45.10%。14個優(yōu)選單株第4年單株產(chǎn)量均在到2 kg以上,其中QH-03-02達到3.69 kg,高于深秋紅(CK)7.59%。表1

2.2 沙棘果實中氨基酸含量

研究表明,沙棘果實氨基酸種類齊全,14種沙棘果實均含有17種氨基酸。其中賴氨酸(Lys)、苯丙氨酸(Phe)、蘇氨酸(Thr)、異亮氨酸(Ile)、亮氨酸(Leu)、纈氨酸(Val)之和為必需氨基酸。天冬氨酸(Asp)、谷氨酸(Glu)、甘氨酸(Gly)、絲氨酸(Ser)、丙氨酸(Ala)、胱氨酸(Cys)和脯氨酸(Pro)之和為非必需氨基酸。

不同沙棘優(yōu)株的氨基酸總量、人體必需氨基酸含量、非必需氨基酸含量之間均存在顯著性差異(P<0.05)。氨基酸總量為1.06～2.26 g/100g,高于2 g/100g的分別為BT-06-04(2.26 g/100g)、QH-03-02(2.19 g/100g)、BT-08-02(2.14 g/100g),較深秋紅(CK)高42.48%、40.64%、39.25%。必需氨基酸含量在0.334～0.674 g/100g,其中BT-06-04、QH-03-02含量最高為0.674、0.671 g/100g,較深秋紅(CK)高49.41%、49.18%。非必需氨基酸含量范圍在0.566～1.197 g/100g,其中BT-06-04含量最高為1.197 g/100g,較深秋紅(CK)高44.78%。

非必需氨基酸含量整體高于必需氨基酸含量,天冬氨酸含量最高,甲硫氨酸含量最低。17種氨基酸含量由高到低排序依次為Asp、Glu、Arg、Phe、Leu、Lys、Ser、Val、Pro、Gly、Ala、Ile、His、Tyr、Thr、Cys、Phe,平均含量在0.010～0.311 g/100g,天冬氨酸平均含量最高為0.311 g/100g,甲硫氨基酸平均含量最低為0.010 g/100g。優(yōu)株BT-06-04、QH-03-02、BT-08-02的氨基酸含量高于深秋紅(CK)。表2

表1 不同沙棘果實生理特性Table 1 Physiological characteristics of different Seabuckthorn fruits

2.3 沙棘果實中氨基酸的呈味特征

研究表明,沙棘果實呈味氨基酸含量:藥效氨基酸>鮮味氨基酸>甜味氨基酸>芳香族氨基酸,其中:BT-06-04、BT-08-02的呈味氨基酸含量最高為2.906和2.843 g/100g,較深秋紅(CK)高69.13%、68.45%。鮮味氨基酸總含量在0.36～0.82 g/100g,占呈味氨基酸的26.879%,其中BT-08-02的鮮味氨基酸含量最高為0.822 g/100g,較深秋紅高36.09%。屬于酸甜口味,甜味氨基酸總含量在0.161～0.361 g/100g,占呈味氨基酸的11.96%,其中BT-06-04含量最高為0.361 g/100g,較深秋紅高47.09%。藥效氨基酸總含量在0.722～1.578 g/100g,占呈味氨基酸的53.666%,其中BT-06-04最高為1.578 g/100g,較深秋紅高43.156%。芳香氨基酸總含量在0.097～0.258 g/100g,占呈味氨基酸的7.496%,其中擬QH-03-02含量最高,較深秋紅高55.81%。表3

2.4 沙棘果實中氨基酸的相關(guān)性

研究表明,多數(shù)氨基酸之間存在較強的相關(guān)性。其中天冬氨酸與甘、丙、纈、異亮、亮、酪、賴氨酸屬于非極性氨基酸又是非必需氨基酸,所以顯著相關(guān)(P<0.05),與脯氨酸呈極顯著相關(guān)(P<0.01);胱氨酸與丙氨酸呈負相關(guān),甲硫氨酸與酪氨酸呈負相關(guān);纈氨酸與亮、異亮、酪氨酸是脂肪類氨基酸也是藥效氨基酸,所以呈極顯著相關(guān)性(P<0.01),沙棘果實藥效氨基酸相關(guān)性強。脯氨酸與天冬、絲為非必需氨基酸有較顯著相關(guān)性(P<0.01),與甲硫、苯丙不具有相關(guān)性;賴氨酸、精氨酸、組氨酸呈顯著相關(guān)(P<0.01),沙棘中含有堿性氨基酸;其他氨基酸之間存在極顯著相關(guān)(P<0.01)。纈氨酸與異亮氨酸呈極顯著相關(guān)(P<0.01),相關(guān)系數(shù)為0.982,是所有相關(guān)系數(shù)中最高值,沙棘果實中必需氨基酸含量顯著。表4

2.5 沙棘果實中氨基酸的主成分

研究表明,主成分1的方差貢獻率為70.840%,主成分2的方差貢獻率為10.746%,主成分3的方差貢獻率為6.711%。前3個主成分特征值均大于1,累計方差貢獻率為88.296%,可以代表氨基酸含量的絕大部分信息,選取這3個主成分進行沙棘氨基酸含量的綜合評價。表5

表3 15種沙棘果實呈味氨基酸含量Table 3 Flavor amino acid content of 15 Seabuckthorn fruits(g/100g)

表5 15種沙棘果實主成分方差貢獻率Table 5 Variance contribution rate of 15 Seabuckthorn fruits

第一個主成分中異亮氨酸、甘氨酸、蘇氨酸、纈氨酸、酪氨酸、精氨酸載荷值較高,均大于0.9,主要反映沙棘果實中必需氨基酸的變化情況;第二主成分中谷氨酸、甘氨酸、丙氨酸、苯丙氨酸、賴氨酸、酪氨酸有較高的負相關(guān)性,第二主成分越大時,谷氨酸、甘氨酸、丙氨酸、苯丙氨酸、賴氨酸、酪氨酸值越小,第二成分主要反應(yīng)沙棘果實藥效氨基酸的變化情況。第三成分中,脯氨酸含量相對較高,第三成分主要反應(yīng)甜味氨基酸的變化狀況。表6

得到3個主成分因子表達式3個新的綜合指標來替代原來的17個指標,得到沙棘氨基酸成分的前3個主成分的線性關(guān)系式分別為F1、F2、F3:

F1=0.034x1+0.078x2+0.077x3+0.085x4+0.088x5+……+0.060x15+0.085x16+0.038x17;

F2=0.257x1+0.136x2+0.016x3-0.127x4-0.094x5+……+0.085x15-0.070x16+0.148x17;

F3=-0.034x1-0.175x2+0.026x3+0.064x4-0.002x5+……-0.214x15-0.032x16+0.251x17.

對各主成分對應(yīng)的方差相對貢獻率作為權(quán)重,對3個主成分得分進行加權(quán)求和得到綜合得分模型:

F=0.802F1+0.122F2+0.076F3.

第一主成分最高QH-03-02為2.003,第二主成分最高的BT-08-02為1.399,第三主成分最高的擬QH-03-03為1.365;綜合得分在0.5分以上沙棘優(yōu)株為BT-06-04、QH-03-02、BT-08-02、HK-01-01、擬QH-03-03,對照品種深秋紅綜合得分為-1.040,排名為13。表7

2.6 聚類分析

研究表明,將15種沙棘果實分為三類,第一類為HK-04-01、HH-02-02、深秋紅、ANJR、HH-09-01,表現(xiàn)為必需氨基酸含量較低;第二類為BT-06-04、BT-08-02、QH-03-02,表現(xiàn)為必需氨基酸含量高;第三類為HH-03-01、HK-01-01、QA-01-01、HH-06-01、AHG、CHNXY、擬QH-03-02,半必需氨基酸含量相對較高。圖1

表6 主成分載荷矩陣及系數(shù)Table 6 Principal component load matrix and coefficient

表7 15種沙棘優(yōu)株果實氨基酸含量綜合得分和排名Table 7 Comprehensive ranking of 15 Seabuckthorn species

圖1 聚類分析

3 討 論

依據(jù)氨基酸的呈味特征,可分為鮮味氨基酸(天冬氨酸、谷氨酸)、藥效氨基酸( 天冬氨酸、谷氨酸、甘氨酸、甲硫氨酸、亮氨酸、苯丙氨酸、酪氨酸、賴氨酸、精氨酸)、甜味氨基酸(甘氨酸、蘇氨酸、 脯氨酸、丙氨酸)、芳香族氨基酸(酪氨酸、苯丙氨酸)[16]。沙棘果實中含有豐富的VC、胡蘿卜素、葉酸、煙酸等[12],沙棘果實和葉片中都含有大量的黃酮,具有改善血液循環(huán),降低膽固醇,改善心腦血管疾病、延緩衰老等作用[11]。研究發(fā)現(xiàn),沙棘果實氨基酸含量豐富,均含有17種氨基酸,與前人研究一致[6,17],且有12種沙棘優(yōu)株的氨基酸含量顯著高于主栽品種深秋紅(P<0.05)。14種沙棘果實氨基酸總和在1.06～2.26 g/100g,與馬春梅等[6]、鄧世榮等[18]在新疆大果沙棘果實中氨基酸含量1.46～2.19 g/100g的測定分析的結(jié)果基本一致。14種沙棘優(yōu)良單株果實氨基酸含量低于已報道的枸杞[19](11.16 g/100g)氨基酸含量,與桑葚[20](2.057 g/100g)含量大致相同,高于藍莓[21](200 mg/100g)、樹莓[22](0.147 g/100g)、草莓[23](0.88%)、黑加侖[24](1.63%)等氨基酸含量,沙棘果實氨基酸含量較高。不同品種果實必需氨基酸、非必需氨基酸、呈味氨基酸含量存在明顯差異,BT-06-04、BT-08-02必需氨基酸、呈味氨基酸明顯高于深秋紅。14種優(yōu)株果實氨基酸總含量及必需氨基酸含量均高于何軼[25]報道的內(nèi)蒙古大黃果,也高于黑龍江晚熟品種[26],新疆的沙棘氨基酸含量較高,可能是由于新疆日照時間長、光照充足的地理環(huán)境所致,可以作為選育的良種。

沙棘果實中呈味氨基酸差異顯著,不同品種之間呈味氨基酸也有差異,其中BT-06-04呈味氨基酸是深秋紅的1.65倍。天冬氨酸、谷氨酸在17種氨基酸中含量最高,與秦莉等[27]對沙棘葉片的研究天冬氨酸最高、谷氨酸次之,半胱氨酸、甲硫氨酸含量最低一致,與王晴等[28]對沙棘籽氨基酸含量分析中谷氨酸含量較高結(jié)論一致。研究14種優(yōu)株沙棘果實鮮味氨基酸0.36～0.82 g/100g,低于枸杞[19](2.4～4.47 g/100g)鮮味氨基酸含量,高于獼猴桃[29](2.68～4.51 g/kg)、藍莓[21](18.684～40.04 mg/100g)、黑加侖[24](0.47%),BT-08-02果實中的鮮味氨基酸是獼猴桃、黑加侖的1倍、藍莓的約19倍,沙棘果實中鮮味氨基酸豐富。沙棘中藥效氨基酸占呈味氨基酸的53.666%,低于枸杞[19](4.47～7.27 g/100g),高于樹莓[30](0.036～0.053 g/100g)、藍靛果[31](0.495～0.637 g/100g)、葡萄[32](0.113～0.274 g/100g),BT-06-04果實中的藥效氨基酸是樹莓的約29倍,藍靛果的2.4倍,葡萄的5.7倍,具有較高的藥用價值。甜味氨基酸與芳香氨基酸分別占呈味氨基酸的11.96%、7.496%有一定比重,沙棘果實中氨基酸種類豐富。

將沙棘果實中17種氨基酸經(jīng)過主成分分析得到3個新的主成分,其累計貢獻率達88.296%,較好的反應(yīng)17種氨基酸的綜合含量狀況。其中F1載荷值有7個在0.9以上,F1中BT-06-04的得分最高。F2載荷值中僅賴氨酸含量最高,且F2上BT-08-02得分最高,F2藥效氨基酸差異顯著,BT-08-02藥用價值較高。F3載荷值中脯氨酸含量最高,F3上擬QH-03-02得分最高,擬QH-03-02甜味氨基酸品質(zhì)較好。牟紅梅等[33]聚類結(jié)果在一定程度上反映了各果實性狀在不同品種間存在一定的差異。此聚類與主成分分析相比,得到基本一致分析結(jié)果,較好地反映沙棘果實不同種質(zhì)間的差異性。

4 結(jié) 論

4.114種沙棘優(yōu)株果實中均含有較高的氨基酸,人體所必需氨基酸含量齊全,3種沙棘優(yōu)株顯著高于主栽品種深秋紅,其中BT-06-04、BT-08-02、QH-03-02氨基酸含量高于主栽品種深秋紅39.25%以上,可作為高含量氨基酸沙棘種質(zhì)材料進行品種選育。

4.2沙棘果實呈味氨基酸含量為藥效氨基酸>鮮味氨基酸>甜味氨基酸>芳香族氨基酸,其中:藥效氨基酸含量最高的為BT-06-04、鮮味氨基酸含量最高的為BT-08-02、甜味氨基酸含量最高的為BT-06-04芳香氨基酸含量最高的為擬QH-03-02。