14种沙棘果实中氨基酸组成的主成分分析与综合评价

马 旭,赵 英,韩 炜,武胜利,韩晓燕

(1.新疆师范大学地理科学与旅游学院/新疆干旱区湖泊环境与资源重点实验室,乌鲁木齐 830054;2.阿克苏地区林业技术推广服务中心,新疆阿克苏 843006; 3.乌什县林业与草原局,新疆阿克苏 843400)

0 引 言

【研究意义】沙棘(Hippophaerhamnoides),胡颓子科,灌木或乔木,抗旱能力强,是中国西北干旱、半干旱区重要的造林树种[1],也是中国西部地区最具代表性的一种经济植物[2]。研究表明沙棘果实中含有多种功能性成分,如各种维生素、多酚以及脂肪酸等,且包括人体必需的八种氨基酸:赖氨酸、色氨酸、苯丙氨酸、蛋氨酸、苏氨酸、异亮氨酸、亮氨酸、缬氨酸以及儿童生长还需要的精氨酸和组氨酸两种氨基酸,具有很高的经济价值[3]和药用价值[4]。选育高含量氨基酸沙棘对于沙棘产业的健康持续发展具有重要意义。【前人研究进展】刘瑞等[5]发现沙棘果实中含有18种氨基酸,其中包括8种人体必需氨基酸;马春梅等[6]对新疆大果沙棘氨基酸测定发现,新棘1号果实中必需氨基酸含量最高为65 mg/g,其中新棘1号氨基酸含量最高达2.19%。王芳等[7]对山西4地区中国沙棘(Hippophaerhamnoidessubsp.SinensisRousi)叶氨基酸测定,得到沙棘叶中游离氨基酸含量偏高。姜少娟[8]发现沙棘果渣中水解氨基酸含量高达59.91 mg/g。新疆野生沙棘资源丰富,野生沙棘资源几乎遍布南北疆,张焱等[9]对新疆7个地区野生沙棘种仁脂肪酸和蛋白质分析评价;张文博等[10]对新疆野生沙棘种仁氨基酸含量进行测定。【本研究切入点】已报道的研究中对野生沙棘果实氨基酸方面的研究较少,而野生优株则更少。在沙棘果实的研究中,多以果实品质的综合评价为主,对不同品种果实黄酮[11]、总糖及VC[12]等进行了大量研究,以沙棘果实氨基酸主成分分析及综合评价的研究鲜有报道。需研究不同品种野生沙棘氨基酸含量,分析其氨基酸含量组成差异,对不同品种野生沙棘氨基酸品质主成分比较分析及综合评价。【拟解决的关键问题】以阿尔泰地区野生沙棘林选出的14个沙棘优良单株为研究对象,以新疆主栽沙棘品种深秋红为对照,综合评价14个沙棘优株氨基酸,选出氨基酸含量高的沙棘优株,为高含量氨基酸沙棘品种选育提供支撑。

1 材料与方法

1.1 材 料

2021年8月下旬至10月中旬于阿勒泰地区(阿勒泰市、清河县、布尔津县、哈巴河县)野生沙棘林采摘沙棘果实,选出色泽一致、成熟度均一,每个品种随机采集3份果实,立即用液氮冷冻处理,带回实验室研磨备用。14个沙棘优株代号为:ANJR、QH-03-02、AHG、QA-01-01、CHNXY、拟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,对照为新疆主栽品种深秋红。

1.2 方 法

1.2.1 果实性状指标测定

采用精确度达0.001 cm的电子数显游标卡尺测量果实纵横径,记录数据精确到0.001 cm。测定果实百果重和种子千粒种,数据精确到0.01 g。

1.2.2 产量、成熟期测定

沙棘果实的成熟期根据果实颜色及果实大小为标准,决定采收期。果实产量参考金争平[13]的方法测定。

1.2.3 果实氨基酸含量测定

氨基酸组分和含量的测定依据GB 5009.124-2016《食品中氨基酸的测定》[14],于新疆农业科学院农业质量标准与检测技术研究所,使用日立 L-8900氨基酸自动分析仪测定,具体参考杨喆[15]的方法测定。17种氨基酸包括:天冬氨酸(Asp)、苏氨酸( Thr)、丝氨酸( Ser)、谷氨酸( Glu)、甘氨酸( Gly)、丙氨酸( Ala)、半胱氨酸( Cys)、缬氨酸 ( Val)、异亮氨酸( Ile )、甲硫氨酸( Met) 、亮氨酸 ( Leu )、酪氨酸 ( Try )、苯丙氨酸 ( Phe)、赖氨酸( Lys)、组氨酸( His)、精氨酸( Arg)、脯氨酸( Pro)。

1.3 数据处理

采用SPSS软件对数据进行相关性分析、主成分分析、聚类分析。

主成分分析:用SPSS软件对15种沙棘氨基酸降维,抽取特征值大于1.00的因子作为主成分。利用主成分对不同品种沙棘果实进行综合评价,将各主成分得分Fi和相应权重相乘后求和得到综合评价函数。

聚类分析:采用系统聚类对15种沙棘果实氨基酸聚类分析。用EXCEL对数据处理。

2 结果与分析

2.1 沙棘优株果实性状特征

研究表明,14种沙棘优株成熟期在8月底至10月中旬,果实色泽为黄色、橙黄色、橘黄色和红色,果粒大,形状以卵圆形居多。14个优选单株百果重在37.2～73.2 g,超过50 g的有11种,其中QH-03-02的百果重最大,达到73.2 g,高于深秋红(CK)18.01%。14个优选单株种子千粒重在10.36～21.44 g,其中HH-03-01种子千粒重达到21.44 g,高于深秋红(CK)45.10%。14个优选单株第4年单株产量均在到2 kg以上,其中QH-03-02达到3.69 kg,高于深秋红(CK)7.59%。表1

2.2 沙棘果实中氨基酸含量

研究表明,沙棘果实氨基酸种类齐全,14种沙棘果实均含有17种氨基酸。其中赖氨酸(Lys)、苯丙氨酸(Phe)、苏氨酸(Thr)、异亮氨酸(Ile)、亮氨酸(Leu)、缬氨酸(Val)之和为必需氨基酸。天冬氨酸(Asp)、谷氨酸(Glu)、甘氨酸(Gly)、丝氨酸(Ser)、丙氨酸(Ala)、胱氨酸(Cys)和脯氨酸(Pro)之和为非必需氨基酸。

不同沙棘优株的氨基酸总量、人体必需氨基酸含量、非必需氨基酸含量之间均存在显著性差异(P<0.05)。氨基酸总量为1.06～2.26 g/100g,高于2 g/100g的分别为BT-06-04(2.26 g/100g)、QH-03-02(2.19 g/100g)、BT-08-02(2.14 g/100g),较深秋红(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含量最高为0.674、0.671 g/100g,较深秋红(CK)高49.41%、49.18%。非必需氨基酸含量范围在0.566～1.197 g/100g,其中BT-06-04含量最高为1.197 g/100g,较深秋红(CK)高44.78%。

非必需氨基酸含量整体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种氨基酸含量由高到低排序依次为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为0.311 g/100g,甲硫氨基酸平均含量最低为0.010 g/100g。优株BT-06-04、QH-03-02、BT-08-02的氨基酸含量高于深秋红(CK)。表2

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

2.3 沙棘果实中氨基酸的呈味特征

研究表明,沙棘果实呈味氨基酸含量:药效氨基酸>鲜味氨基酸>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为2.906和2.843 g/100g,较深秋红(CK)高69.13%、68.45%。鲜味氨基酸总含量在0.36～0.82 g/100g,占呈味氨基酸的26.879%,其中BT-08-02的鲜味氨基酸含量最高为0.822 g/100g,较深秋红高36.09%。属于酸甜口味,甜味氨基酸总含量在0.161～0.361 g/100g,占呈味氨基酸的11.96%,其中BT-06-04含量最高为0.361 g/100g,较深秋红高47.09%。药效氨基酸总含量在0.722～1.578 g/100g,占呈味氨基酸的53.666%,其中BT-06-04最高为1.578 g/100g,较深秋红高43.156%。芳香氨基酸总含量在0.097～0.258 g/100g,占呈味氨基酸的7.496%,其中拟QH-03-02含量最高,较深秋红高55.81%。表3

2.4 沙棘果实中氨基酸的相关性

研究表明,多数氨基酸之间存在较强的相关性。其中天冬氨酸与甘、丙、缬、异亮、亮、酪、赖氨酸属于非极性氨基酸又是非必需氨基酸,所以显著相关(P<0.05),与脯氨酸呈极显著相关(P<0.01);胱氨酸与丙氨酸呈负相关,甲硫氨酸与酪氨酸呈负相关;缬氨酸与亮、异亮、酪氨酸是脂肪类氨基酸也是药效氨基酸,所以呈极显著相关性(P<0.01),沙棘果实药效氨基酸相关性强。脯氨酸与天冬、丝为非必需氨基酸有较显著相关性(P<0.01),与甲硫、苯丙不具有相关性;赖氨酸、精氨酸、组氨酸呈显著相关(P<0.01),沙棘中含有碱性氨基酸;其他氨基酸之间存在极显著相关(P<0.01)。缬氨酸与异亮氨酸呈极显著相关(P<0.01),相关系数为0.982,是所有相关系数中最高值,沙棘果实中必需氨基酸含量显著。表4

2.5 沙棘果实中氨基酸的主成分

研究表明,主成分1的方差贡献率为70.840%,主成分2的方差贡献率为10.746%,主成分3的方差贡献率为6.711%。前3个主成分特征值均大于1,累计方差贡献率为88.296%,可以代表氨基酸含量的绝大部分信息,选取这3个主成分进行沙棘氨基酸含量的综合评价。表5

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

表5 15种沙棘果实主成分方差贡献率Table 5 Variance contribution rate of 15 Seabuckthorn fruits

第一个主成分中异亮氨酸、甘氨酸、苏氨酸、缬氨酸、酪氨酸、精氨酸载荷值较高,均大于0.9,主要反映沙棘果实中必需氨基酸的变化情况;第二主成分中谷氨酸、甘氨酸、丙氨酸、苯丙氨酸、赖氨酸、酪氨酸有较高的负相关性,第二主成分越大时,谷氨酸、甘氨酸、丙氨酸、苯丙氨酸、赖氨酸、酪氨酸值越小,第二成分主要反应沙棘果实药效氨基酸的变化情况。第三成分中,脯氨酸含量相对较高,第三成分主要反应甜味氨基酸的变化状况。表6

得到3个主成分因子表达式3个新的综合指标来替代原来的17个指标,得到沙棘氨基酸成分的前3个主成分的线性关系式分别为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.

对各主成分对应的方差相对贡献率作为权重,对3个主成分得分进行加权求和得到综合得分模型:

F=0.802F1+0.122F2+0.076F3.

第一主成分最高QH-03-02为2.003,第二主成分最高的BT-08-02为1.399,第三主成分最高的拟QH-03-03为1.365;综合得分在0.5分以上沙棘优株为BT-06-04、QH-03-02、BT-08-02、HK-01-01、拟QH-03-03,对照品种深秋红综合得分为-1.040,排名为13。表7

2.6 聚类分析

研究表明,将15种沙棘果实分为三类,第一类为HK-04-01、HH-02-02、深秋红、ANJR、HH-09-01,表现为必需氨基酸含量较低;第二类为BT-06-04、BT-08-02、QH-03-02,表现为必需氨基酸含量高;第三类为HH-03-01、HK-01-01、QA-01-01、HH-06-01、AHG、CHNXY、拟QH-03-02,半必需氨基酸含量相对较高。图1

表6 主成分载荷矩阵及系数Table 6 Principal component load matrix and coefficient

表7 15种沙棘优株果实氨基酸含量综合得分和排名Table 7 Comprehensive ranking of 15 Seabuckthorn species

图1 聚类分析

3 讨 论

依据氨基酸的呈味特征,可分为鲜味氨基酸(天冬氨酸、谷氨酸)、药效氨基酸( 天冬氨酸、谷氨酸、甘氨酸、甲硫氨酸、亮氨酸、苯丙氨酸、酪氨酸、赖氨酸、精氨酸)、甜味氨基酸(甘氨酸、苏氨酸、 脯氨酸、丙氨酸)、芳香族氨基酸(酪氨酸、苯丙氨酸)[16]。沙棘果实中含有丰富的VC、胡萝卜素、叶酸、烟酸等[12],沙棘果实和叶片中都含有大量的黄酮,具有改善血液循环,降低胆固醇,改善心脑血管疾病、延缓衰老等作用[11]。研究发现,沙棘果实氨基酸含量丰富,均含有17种氨基酸,与前人研究一致[6,17],且有12种沙棘优株的氨基酸含量显著高于主栽品种深秋红(P<0.05)。14种沙棘果实氨基酸总和在1.06～2.26 g/100g,与马春梅等[6]、邓世荣等[18]在新疆大果沙棘果实中氨基酸含量1.46～2.19 g/100g的测定分析的结果基本一致。14种沙棘优良单株果实氨基酸含量低于已报道的枸杞[19](11.16 g/100g)氨基酸含量,与桑葚[20](2.057 g/100g)含量大致相同,高于蓝莓[21](200 mg/100g)、树莓[22](0.147 g/100g)、草莓[23](0.88%)、黑加仑[24](1.63%)等氨基酸含量,沙棘果实氨基酸含量较高。不同品种果实必需氨基酸、非必需氨基酸、呈味氨基酸含量存在明显差异,BT-06-04、BT-08-02必需氨基酸、呈味氨基酸明显高于深秋红。14种优株果实氨基酸总含量及必需氨基酸含量均高于何轶[25]报道的内蒙古大黄果,也高于黑龙江晚熟品种[26],新疆的沙棘氨基酸含量较高,可能是由于新疆日照时间长、光照充足的地理环境所致,可以作为选育的良种。

沙棘果实中呈味氨基酸差异显著,不同品种之间呈味氨基酸也有差异,其中BT-06-04呈味氨基酸是深秋红的1.65倍。天冬氨酸、谷氨酸在17种氨基酸中含量最高,与秦莉等[27]对沙棘叶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,与王晴等[28]对沙棘籽氨基酸含量分析中谷氨酸含量较高结论一致。研究14种优株沙棘果实鲜味氨基酸0.36～0.82 g/100g,低于枸杞[19](2.4～4.47 g/100g)鲜味氨基酸含量,高于猕猴桃[29](2.68～4.51 g/kg)、蓝莓[21](18.684～40.04 mg/100g)、黑加仑[24](0.47%),BT-08-02果实中的鲜味氨基酸是猕猴桃、黑加仑的1倍、蓝莓的约19倍,沙棘果实中鲜味氨基酸丰富。沙棘中药效氨基酸占呈味氨基酸的53.666%,低于枸杞[19](4.47～7.27 g/100g),高于树莓[30](0.036～0.053 g/100g)、蓝靛果[31](0.495～0.637 g/100g)、葡萄[32](0.113～0.274 g/100g),BT-06-04果实中的药效氨基酸是树莓的约29倍,蓝靛果的2.4倍,葡萄的5.7倍,具有较高的药用价值。甜味氨基酸与芳香氨基酸分别占呈味氨基酸的11.96%、7.496%有一定比重,沙棘果实中氨基酸种类丰富。

将沙棘果实中17种氨基酸经过主成分分析得到3个新的主成分,其累计贡献率达88.296%,较好的反应17种氨基酸的综合含量状况。其中F1载荷值有7个在0.9以上,F1中BT-06-04的得分最高。F2载荷值中仅赖氨酸含量最高,且F2上BT-08-02得分最高,F2药效氨基酸差异显著,BT-08-02药用价值较高。F3载荷值中脯氨酸含量最高,F3上拟QH-03-02得分最高,拟QH-03-02甜味氨基酸品质较好。牟红梅等[33]聚类结果在一定程度上反映了各果实性状在不同品种间存在一定的差异。此聚类与主成分分析相比,得到基本一致分析结果,较好地反映沙棘果实不同种质间的差异性。

4 结 论

4.114种沙棘优株果实中均含有较高的氨基酸,人体所必需氨基酸含量齐全,3种沙棘优株显著高于主栽品种深秋红,其中BT-06-04、BT-08-02、QH-03-02氨基酸含量高于主栽品种深秋红39.25%以上,可作为高含量氨基酸沙棘种质材料进行品种选育。

4.2沙棘果实呈味氨基酸含量为药效氨基酸>鲜味氨基酸>甜味氨基酸>芳香族氨基酸,其中:药效氨基酸含量最高的为BT-06-04、鲜味氨基酸含量最高的为BT-08-02、甜味氨基酸含量最高的为BT-06-04芳香氨基酸含量最高的为拟QH-03-02。