不同小麦品种营养组分含量的近红外光谱分析

陈向东，吴晓军，姜小苓，李淦，李笑慧，茹振钢

（河南科技学院小麦中心，现代生物育种河南省协同创新中心，河南新乡453003）

小麦是世界上主要粮食作物之一，容易储藏，营养价值较高，具备独特的面筋特性，可制作多种食品。小麦是全球约35%～40%人口的主食，也是人体所需能量、蛋白质和膳食纤维的主要来源，同时还是最重要的贸易粮食和国际援助粮食[1]。

小麦品质是一复杂的综合性状，一般分为加工品质、外观品质、食用品质和营养品质4个方面。小麦的营养品质主要由组成蛋白质的氨基酸含量及其平衡程度决定。在小麦品质性状的分析过程中，利用快速有效的分析检测方法可以及时了解小麦品质性状特点，提高工作效率，特别在小麦品种的选育过程中更具有实际应用价值[2]。近红外光对物质的穿透能力较强，进行近红外光谱分析不需对样品作任何化学分析，具有快速、高效的特点。谷物品质近红外仪具有操作简便、速度快、良好的重复性和稳定性等特点，可以应用于小麦品质的定量检测与分析[3-4]。目前，近红外光谱分析（near infrared spectroscopy，NIR）在作物品质分析和评价、品种资源鉴定和品质育种中得到了广泛的应用[2-10]。

探讨利用近红外光谱技术对不同生态类型和品质类型的14个小麦品种全麦粉蛋白、淀粉、纤维、脂肪、水分、氨基酸等营养组分快速检测，并统计分析了不同品种间变异及遗传多样性。

1 材料和方法

1.1 材料与设备

1.1.1 材料

选用国内外的14个小麦品种，由河南科技学院小麦中心提供。于2013年～2014年度种植于河南科技学院小麦中心校内试验地，试验地土地平整，土壤肥沃，灌溉设施良好，人工播种。田间正常管理，籽粒自然干燥后收获。本研究选用的14个小麦品种的种植区域和来源，见表1。

表1 14个小麦品种的种植区域和来源Table 1 The planting area and source of 14 wheat varieties selected

1.1.2 设备

XDS型近红外品质分析仪：Foss分析仪器公司；FW80高速万能粉碎机：济南科翔实验仪器有限公司。

1.2 试验方法

1.2.1 磨粉

挑选出样品中的杂质，用小型粉碎机粉碎样品，粉碎时间均为1 min，粉碎得到全麦粉。

1.2.2 品质性状含量测定

利用Foss公司生产的XDS型近红外品质分析仪测定，开机预热仪器30 min，采用化学计量学方法建立的数学模型作为参比标准板进行校准后，将粉末样品放入圆形凹杯中，表面刮平，用圆薄片轻微压实盖上置于光谱仪样品台上进行扫描，每个样品重复3次。

1.2.3 数据分析方法

采用SPSS和Microsoft Excel软件进行方差分析和显著性检验。

1.2.4 聚类分析

测得的数据利用Interval data模块计算距离矩阵，采用SAHN模块进行不加权成对算术平均法（unweighted pair-group method with arithmetic means，UPGMA）聚类分析。

2 结果与分析

2.1 小麦营养组分方差分析

通过14个品种的15个营养组分变异系数分析，见表2。

表2 全麦粉15个营养组分数据统计分析Table 2 Statistical analysis of 15 nutritive components in whole wheat flour

从表2中可以发现蛋白质含量介于15.68%～18.43%之间。脂肪含量变异系数最大为13.05%，淀粉含量变异系数最小为2.20%。变异系数从大到小分别为脂肪、灰分、纤维素、亮氨酸、异亮氨酸、蛋氨酸、半胱氨酸、水分、缬氨酸、蛋白质、赖氨酸、苏氨酸、精氨酸、色氨酸、淀粉。不同的变异系数反映不同的变异程度，大的变异系数展示了这些性状更加丰富的遗传多样性。对于这15个性状，基因型的变异都达到极显著水平以上。

2.2 小麦主要营养组分多重比较分析

14个小麦品种全麦粉中主要营养成分比较分析，见表3。

表3 不同小麦品种全麦粉主要营养组分比较分析Table 3 Comparative analysis of main nutrient components in different whole wheat flour

由表3可知，强筋小麦品种小冰麦33和云南57的蛋白质含量显著高于其他品种；淀粉含量较高的品种有郑麦9023、烟农19、宁春4号、浙丰2号、川麦107等，其变异系数小，遗传多样性较低。川麦44、周麦18和浙丰2号的脂肪含量极显著高于其他品种。水分含量除了浙丰2号外，其他品种差异不显著。云南57的纤维含量最高。国外引进品种CL0442的灰分含量最高。

2.3 小麦氨基酸含量多重比较分析

14个小麦品种全麦粉中主要氨基酸含量比较分析，见表4。

表4 不同小麦品种全麦粉氨基酸组分比较分析Table 4 Comparative analysis of amino acid components in different whole wheat flour

由表4可知，强筋小麦品种小冰麦33的9种氨基酸含量极显著高于其他品种。其次是云南57，有8种氨基酸含量处于第二级别。弱筋品种的氨基酸含量普遍较低。小麦赖氨酸含量较高品种有小冰麦33、川麦44、CL0442、周麦 18。

2.4 不同类型小麦品质性状聚类分析

14个小麦品种品质性状的系统聚类分析见图1。

图1 14个小麦品种品质性状的系统聚类分析Fig.1 Phylogenetic analysis of quality traits for 14 wheat varieties

由图1可见，14个小麦材料可以聚为两大类群。从聚类结果看，第I类包括3小类，中筋品种矮抗58和济麦22聚为一类；弱筋品种浙丰2号和川麦107及中筋小麦品种扬麦16和洛优9909聚为一类；强筋品种烟农19、郑麦9023和宁春4号聚为一类，蛋白质含量较低，淀粉含量较高。第II类包括2小类，中筋品种周麦18与川麦44及CL0442聚为一类；强筋品种小冰麦33和云麦57聚在一类，蛋白质和氨基酸含量较高。

3 讨论

本研究采用近红外光谱分析技术检测小麦籽粒全麦粉品质性状，效率大大提高。近红外检测小麦面粉中的蛋白质、水分和灰分等成分已成为国际公认的标准检测方法。前人研究比较了近红外光谱仪和凯氏定氮化学方法测定小麦蛋白质含量，发现其结果有较好的相关性，近红外光谱仪可以对育种材料进行早期预测[6，11-12]。本研究中通过近红外光谱检测的蛋白质含量与前人报道的化学方法检测蛋白质含量相关系数达到82.9%。但近红外光谱技术作为优越的品质检测手段也存在一些影响因素如基因型、水分含量差异等[13-15]。Cao等[14]利用近红外预测结果均高于样品的实验室分析结果可能是由于参照近红外模型的建立样品的原因。张灵帅等[13]通过比较含水量在9%～27%的2个品种，发现测定误差随样品含水量的降低而减小。王京宇等[15]通过比较近红外和烘箱法水分测定结果，发现利用近红外用于水分测量有较好的精度和准确度。蛋白质含量会随水分含量的减少而增加，当水分变化幅度为3.3%时，蛋白质含量变化幅度为0.92%。本研究中利用不同生态区和品质类型的14个品种，有较低水分含量在5.66%～6.73%，因此该试验蛋白质含量结果普遍高2%，但基本符合供试材料的品质性状特征，与其实际利用的情况是一致的。同时，除浙丰2号外，本研究中其他品种水分含量无显著差异，因此比较不同品种的营养物质相对含量差异是有意义的。由于近红外光谱技术具有快速简单、不破坏籽粒等优点，特别在对小麦杂种后代品质性状的跟踪筛选中可能具有重要利用价值。

小麦的营养品质主要是指蛋白质含量和氨基酸组成的平衡程度，其中必需氨基酸含量是决定小麦营养品质的关键。本研究中测定的强、中、弱筋小麦籽粒中淀粉和蛋白质含量规律与前人研究一致，强筋小麦蛋白质含量高，但淀粉含量低，弱筋小麦则相反[16]。研究发现淀粉、蛋白、纤维的变异系数较高，有利于发掘品质性状极端的变异品种。小麦中含有各种必需氨基酸，但由于小麦中赖氨酸、苏氨酸和异亮氨酸含量较低，导致氨基酸组成不平衡，成为小麦的限制性氨基酸。本研究筛选到3种含量较高的小麦品种小冰麦33、云南57和CL0442等品种，可为营养品质育种提供了种质资源，也为进一步挖掘利用综合品质性状优良的基因提供了表型性状快速鉴定方法。