基于近紅外光譜技術(shù)的油莎豆品質(zhì)檢測(cè)及相關(guān)性分析

魏尊苗，陳欣，程艷，劉佳遙，王占海，許方達(dá)，牟忠生

（吉林省農(nóng)業(yè)科學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 136105）

油莎豆（Cyperus esculentus L.）又名油莎草、地下板栗、地下核桃、虎堅(jiān)果等，屬莎草科莎草屬多年生草本植物，是集油、糧、牧、飼多種用途于一體的新型植物[1]。油莎豆是目前所有作物中唯一在地下器官——根莖中積累油脂的作物[2]，粗脂肪含量在25%左右。油莎豆塊莖和莖葉均可利用，營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)豐富，綜合價(jià)值高，含淀粉、脂肪、糖、蛋白質(zhì)、膳食纖維，同時(shí)富含維生素C、維生素E和鉀、磷、鈉、鈣、鎂等礦物質(zhì)[3-5]以及大量的具有天然保健作用的甾醇。油莎豆?fàn)I養(yǎng)物質(zhì)成分與奶類似[6]，具有奶香味和甜椰子混合的獨(dú)特風(fēng)味。目前，國(guó)外已將油莎豆加工成種類繁多的食品，如咖啡和可可的代用品、油莎豆糖果、油莎豆糕點(diǎn)酒類和飲料等[7]。油莎豆還有一定藥用價(jià)值，《新華本草綱要》中記載，油莎豆塊莖具有一定抗炎癥作用，并有健脾健胃功效[8]。

近幾年，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，食用油供需矛盾日益突出，《全國(guó)種植業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整規(guī)劃（2016-2020年）》[9]全國(guó)種植業(yè)調(diào)整規(guī)劃，提出“多油并舉”在適宜地區(qū)示范推廣油用牡丹、油莎豆等，增加新油源。油莎豆產(chǎn)業(yè)逐漸被關(guān)注，種植面積穩(wěn)步提成。油莎豆不僅脂肪含量高，淀粉含量也較高，榨油后的油莎豆還可以用來(lái)釀酒，高油高淀粉油莎豆品質(zhì)育種成為科研工作者研究熱點(diǎn)。

目前油莎豆品質(zhì)含量的測(cè)定方法主要為實(shí)驗(yàn)室化學(xué)檢測(cè)，其中蛋白質(zhì)含量檢測(cè)采用凱氏定氮法，脂肪含量檢測(cè)采用索氏提取法，淀粉含量檢測(cè)采用旋光法，總糖含量檢測(cè)采用蒽酮法[10]?；瘜W(xué)檢測(cè)法檢測(cè)時(shí)間長(zhǎng)，工序繁瑣，工作量大，需要專業(yè)檢測(cè)人員，不利于大量樣品快速檢測(cè)，并且檢測(cè)需要破壞樣品。近紅外光譜分析技術(shù)是20 世紀(jì)90 年代以來(lái)發(fā)展最快的光譜分析技術(shù)之一，其檢測(cè)速度快、不破壞樣品、操作簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、效率高，已在農(nóng)業(yè)[11]、醫(yī)藥[12]、煙草、食品[13]、石油化工[14]和林業(yè)等多個(gè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中，已在玉米[15-17]、大豆[18]、油菜籽、小麥[19]，花生、水稻、芝麻[20]和人參[21]等作物上應(yīng)用，適用于大批量材料的測(cè)定和重要育種材料篩選，但還未見(jiàn)近紅外應(yīng)用在油莎豆檢測(cè)中的報(bào)道。

本研究采用吉林省農(nóng)業(yè)科學(xué)院油莎豆研究團(tuán)隊(duì)建立的油莎豆近紅外檢測(cè)模型，利用近紅外谷物分析儀對(duì)油莎豆群體材料的粗脂肪、蛋白質(zhì)、淀粉和總糖進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)4 項(xiàng)指標(biāo)的相關(guān)性進(jìn)行分析，并篩選高品質(zhì)油莎豆材料，特別是高油、高淀粉材料，以期為油莎豆品質(zhì)育種奠定基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料與儀器

1.1.1 試驗(yàn)材料 材料取自吉林省松原市海勃日戈鎮(zhèn)油莎豆試驗(yàn)基地，基地油莎豆種植面積為20 hm2。種植品種為從河北購(gòu)買的圓粒油莎豆品種。待9 月下旬油莎豆成熟期，隨機(jī)選取了1726 株長(zhǎng)勢(shì)良好的油莎豆單株，單獨(dú)收獲，裝袋、清洗、晾曬，使油莎豆種子含水量降到12%左右。

1.1.2 主要儀器設(shè)備 近紅外谷物分析儀：型號(hào)DA7250，波通公司。

1.2 種植方法

1.2.1 整地施肥 整地配合施底肥，每公頃施用硫基復(fù)合肥（N:P:K=12:18:15）800 kg，施肥深度12~15 cm。

1.2.2 播種 2020 年5 月10 日播種，土壤10 cm深溫度已穩(wěn)定在12 ℃以上，播種深度為鎮(zhèn)壓后3~5 cm，播種后澆透水。

1.2.3 種植密度 壟作，行距65 cm，株距10 cm，單粒播種，1 粒/穴。

1.2.4 田間管理 雜草3 葉期時(shí)噴施高效氟吡甲禾靈防治禾本科雜草，采用人工除闊葉草，分蘗盛期和結(jié)豆期，及時(shí)灌水。

1.2.5 收獲 9月下旬，地下塊莖成熟，收取油莎豆單株。

1.3 近紅外檢測(cè)

采用近紅外谷物分析儀（DA7250）對(duì)油莎豆樣品進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)模型為吉林省農(nóng)業(yè)科學(xué)院經(jīng)濟(jì)植物研究所油莎豆團(tuán)隊(duì)建立，采用小盤裝樣，每個(gè)樣品設(shè)置兩次重復(fù)裝樣，測(cè)定項(xiàng)目包括粗脂肪、粗蛋白、總糖、淀粉，共4 項(xiàng)。

1.4 數(shù)據(jù)分析

利用Excel 軟件對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總，利用SPSS軟件計(jì)算油莎豆品質(zhì)性狀的平均值、變異系數(shù)，繪制數(shù)據(jù)分布直方圖和相關(guān)散點(diǎn)圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 油莎豆品質(zhì)性狀分析

由表1 可知，油莎豆中粗脂肪的含量最高，平均為23.50%，其次是淀粉和總糖，平均含量分別為21.39%和18.82%，粗蛋白含量最低，平均為3.34%。供試的1 726 份材料粗脂肪含量變化范圍為14.08%~32.92%，粗蛋白含量的變化范圍為0.30%~6.64%，淀粉含量變化范圍為9.41%~29.85%，總糖含量變化范圍為12.03%~27.64%，其中粗蛋白含量的變異系數(shù)最大，為27.19%，總糖含量的變異系數(shù)最小，為9.88%，粗脂肪含量和淀粉含量變異系數(shù)相對(duì)較小，分別為13.18%和14.30%。

表1 油莎豆品質(zhì)性狀的描述與統(tǒng)計(jì)Table 1 Description and statistics of the quality traits of Cyperus esculentus 單位：%

2.2 高油和高淀粉油莎豆材料篩選

根據(jù)油莎豆生產(chǎn)所需和育種目標(biāo)設(shè)定脂肪含量在30%以上為高油材料，淀粉含量在27%以上為高淀粉材料。1 726 份材料中，篩選出高油材料25 份，占總數(shù)的1.45%（見(jiàn)表2），篩選出高淀粉材料23 份，占總數(shù)的1.33%，其中638 號(hào)材料粗脂肪含量31.11%，淀粉含量27.69%，既是高油材料也是高淀粉材料，見(jiàn)表3。

表2 粗脂肪含量在30%以上的油莎豆單株Table 2 Single plant of tigernut with crude fat content of more than 30%

表3 淀粉含量在27%以上的油莎豆單株Table 3 Single plant of tigernut with starch content of more than 27%

2.3 油莎豆品質(zhì)性狀相關(guān)性分析

利用SPSS 軟件對(duì)品質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果顯示，粗脂肪含量與粗蛋白質(zhì)含量、淀粉含量正相關(guān)，與總糖含量負(fù)相關(guān)；淀粉含量與粗蛋白質(zhì)含量正相關(guān)，與總糖含量負(fù)相關(guān)；粗蛋白質(zhì)含量與總糖含量負(fù)相關(guān)，見(jiàn)圖1 至圖4。

圖1 油莎豆粗脂肪與蛋白、淀粉、糖相關(guān)散點(diǎn)圖Fig.1 Scatter plots of crude fat and protein,starch,and sugar of tigernut

圖2 油莎豆蛋白與粗脂肪、淀粉、糖相關(guān)散點(diǎn)圖Fig.2 Scatter plots of protein and crude fat,starch,and sugar of tigernut

圖3 油莎豆淀粉與粗脂肪、蛋白質(zhì)、糖相關(guān)散點(diǎn)圖Fig.3 Scatter plots of starch and crude fat,protein and sugar of tigernut

圖4 油莎豆糖與粗脂肪、淀粉、蛋白相關(guān)散點(diǎn)圖Fig.4 Scatter plots of sugar and crude fat,starch and protein of tigernut

3 結(jié)論與討論

本研究對(duì)1 726 個(gè)油莎豆樣品進(jìn)行品質(zhì)指標(biāo)檢測(cè)并進(jìn)行相關(guān)性分析，得出粗脂肪含量與淀粉含量呈正相關(guān)，與總糖含量呈負(fù)相關(guān)，與師茜等[22]研究結(jié)果基本一致。有研究表明，糖是淀粉、蛋白質(zhì)和脂肪合成的間接底物[23]，儲(chǔ)藏過(guò)程中，淀粉可逐漸向糖轉(zhuǎn)化[24]，與本研究結(jié)果脂肪含量、蛋白質(zhì)含量、淀粉含量與總糖含量呈負(fù)相關(guān)相符。

本研究表明，油莎豆脂肪含量與蛋白質(zhì)含量呈正相關(guān)，裴宇峰等[25]和楊慶凱[26]研究認(rèn)為大豆蛋白質(zhì)含量與油分含量呈負(fù)相關(guān)。研究結(jié)果不一致的原因可能有三點(diǎn)：一是兩種作物中蛋白質(zhì)和脂肪含量和兩者比例相差甚多，大豆中蛋白質(zhì)和脂肪含量分別為40%和20%[26]，兩者之比約為2，而本研究中1 726 份油莎豆材料蛋白質(zhì)含量和脂肪含量平均分別為3%和23%，兩者之比約為0.13，大豆中蛋白質(zhì)和脂肪比是油莎豆中蛋白質(zhì)和脂肪比的15 倍；二是大豆和油莎豆兩種作物營(yíng)養(yǎng)成分合成機(jī)制存在差別，油莎豆是目前所有作物中唯一在地下器官——根莖中積累油脂的作物[27]；三是可能受環(huán)境因素的影響，具體原因還有待進(jìn)一步研究。

近紅外光譜分析技術(shù)以操作簡(jiǎn)單、不破壞樣品、檢測(cè)速度快等優(yōu)點(diǎn)，適用于大批量育種早代材料的篩選[28]，在農(nóng)作物品質(zhì)育種中得到廣泛應(yīng)用，但應(yīng)用較為成熟的多為大宗農(nóng)作物，如大豆[18]、玉米[15-17]、水稻、小麥[19]等，在小眾農(nóng)作物中應(yīng)用有限。油莎豆是近幾年新興的油料作物，還未見(jiàn)應(yīng)用近紅外光譜檢測(cè)油莎豆品質(zhì)的報(bào)道，吉林省農(nóng)業(yè)科學(xué)院油莎豆研究團(tuán)隊(duì)于2019 年構(gòu)建了油莎豆粗脂肪、粗蛋白質(zhì)、淀粉和總糖近紅外檢測(cè)模型，經(jīng)過(guò)兩年的完善，已基本可滿足油莎豆育種材料的快速檢測(cè)需要，但是受材料限制，與成熟模型相比，存在所用定標(biāo)樣品少，蛋白質(zhì)含量的變化范圍較窄等問(wèn)題，仍需進(jìn)一步優(yōu)化和完善。

綜上所述，油莎豆粗脂肪含量、粗蛋白質(zhì)含量、淀粉含量之間兩兩呈正相關(guān)，與總糖含量均呈負(fù)相關(guān)，油莎豆品質(zhì)育種過(guò)程中，粗脂肪、蛋白質(zhì)、淀粉三者可協(xié)同提高。