稀土对不同品种大豆籽粒脂肪酸含量及组分的影响

任红玉，刘彦余，张舒颖，苏晓蕾，盛文亚，张兴文

（1.东北农业大学资源与环境学院，哈尔滨 150030；2.哈尔滨工业大学化工与化学学院，哈尔滨 150001）

大豆是食用植物油主要原料，其籽粒油脂中主要成分是脂肪酸，脂肪酸是机体主要能源物质之一，其中饱和脂肪酸不易被人体消化吸收，过量易引起肥胖及脑血管疾病，但易于大豆油贮存。不饱和脂肪酸中油酸含量高，豆油稳定性好，耐贮运[1]；亚油酸和亚麻酸作为必需脂肪酸可防止血清中胆固醇沉积，有效防治高血压和心血管疾病；但亚麻酸因其高度不饱和性，易氧化变质产生豆腥味，降低大豆油等制品的营养和经济价值。因此，脂肪酸配比适宜对人体健康尤为关键，大豆各脂肪酸所占比例关系到大豆油营养、贮运、加工，是决定大豆油脂品质重要因素。改良大豆油脂肪酸组分，提高其抗氧化性是近年来大豆脂肪酸育种主要目标[1-2]，其次是降低棕榈酸和亚麻酸比例，提高亚油酸和油酸比例[3-4]。

稀土（Rare earth，RE）是由性质十分相近的原子序数从57至71的15种镧系元素以及ⅢB族钪（Sc）和钇（Y）元素组成[5]。大量理论研究和生产实践结果表明，适宜的施用稀土可显著改善作物品质[6-7]。闫生荣等研究结果表明，在UV-B胁迫下稀土镧对大豆幼苗脂膜脂肪酸含量具有一定影响[8]。Huang等研究表明，20 mg·L-1La3+可促进大豆幼苗中氨基酸生成，且蛋白质含量也有所增加[9]。目前针对大豆成熟籽粒脂肪酸含量及组分配比对稀土响应的研究鲜见报道。

本文以大豆两个品种为试验材料，在大豆苗期、初花期分别喷施镧、铈、镧+铈，研究稀土对成熟期大豆籽粒脂肪酸组分、含量及相关性的影响。研究结果为科学合理使用稀土、选育高油脂低亚麻酸优质大豆品种提供参考，对优化大豆品质具有重要理论和实践指导意义。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验于2019年在东北农业大学校内试验基地完成。大豆两个品种分别为东农42和东农52。试验用土为典型黑土，采用盆栽种植，常规管理。

脂肪酸甲酯标准样品：棕榈酸（纯度≥99.0%）、油酸（纯度>99.0%）、亚油酸（纯度>99.0%），均购自于阿拉丁试剂（上海）有限公司；硬脂酸（纯度≥99.0%）、亚麻酸（纯度≥99.0%），均购自于美国NU-CHEK公司。

1.2 仪器与设备

TRACE 1300系列气相色谱仪—Thermo公司；Infratec 1241近红外谷物分析仪—丹麦FOSS公司。

1.3 试验方法

1.3.1 试验设计

在大豆苗期（V3，6月25日）、初花期（R1，7月6日）叶面喷施稀土溶液。其中LaCl3溶液浓度为3种，分别是100、150、200 mg·L-1（La10、La15、La20）；CeCl3溶液浓度为3种，分别为30、60、90 mg·L-1（Ce3、Ce6、Ce9）；LaCl3+CeCl3溶液浓度为3种，分别为40、60、70 mg·L-1（LC4、LC6、LC7）。对照（CK）喷等量蒸馏水，每个处理设3个生物学重复。待成熟期从主茎顶端第二、三节位取样，于烘箱中105℃杀青5 min后，50℃烘箱烘干至恒重。

1.3.2 大豆籽粒脂肪酸含量测定方法

1.3.2.1 色谱条件

色谱柱：FFAP弹性石英毛细管柱（100 m×0.25 mm×0.20µm）；手动进样，进样量：1µL；采用分流进样，分流比：10∶1；进样口温度：250℃；柱温：200℃；载气：氮气，40 mL·min-1；氢气，40 mL·min-1；空气，400 mL·min-1；火焰离子检测器（FID）；检测器温度：250℃；采取程序升温方式：100℃，以15℃·min-1升温至225℃保持1 min，然后以5℃·min-1升至250℃，保持1 min。

1.3.2.2 标准曲线制作

以棕榈酸甲酯、硬脂酸甲酯、油酸甲酯、亚油酸甲酯和亚麻酸甲酯为标准样品，采用Thermo公司TRACE 1300系列气相色谱仪分别检测，确定其保留时间，作为判断未知样品成分依据，对不同脂肪酸组分定性。

1.3.2.3 豆粉脂肪酸提取与测定

在上述色谱条件下检测粉碎后过100目筛大豆粉。准确称取大豆粉30.00 mg加入离心管中，加1.00 mL正己烷浸提20 min；然后加入0.5 mol·L-1甲醇钠溶液1.00 mL完成甲酯化，摇匀10 min，使其充分甲酯化，静置后取上清液过0.22µm有机系针孔式滤膜，放置于色谱样品瓶中，存于4℃冰箱中待测。样品脂肪酸提取方法参照范胜栩等简易甲酯化提取法[10-11]，运用面积归一法计算各脂肪酸在总脂肪酸中相对百分比含量[12-14]。

1.4 数据处理与分析

利用SPSS 19.0软件分析差异显著性，利用Origin 2019b软件作图。

2 结果与分析

2.1 大豆脂肪酸组分及其与蛋白质、脂肪相关分析

2.1.1 东农42脂肪酸组分及其与蛋白质、脂肪相关分析

对东农42籽粒主要品质性状作相关分析，如表1所示。结果表明，脂肪与蛋白质含量呈极显著负相关（P<0.01，r=-0.472），因此在选育高蛋白品种时，可通过降低脂肪含量有目的开展特用品种选育工作。硬脂酸与棕榈酸含量呈极显著正相关（P<0.01，r=0.622）；同时亚油酸含量分别与棕榈酸、硬脂酸含量均呈显著负相关（P<0.05，r1=-0.410、r2=-0.446），使选育高不饱和、低饱和脂肪酸品种成为可能。油酸与亚油酸含量呈极显著负相关（P<0.01，r=-0.936），使选育高亚油酸或高油酸含量大豆品种成为可能。脂肪与亚麻酸含量呈显著负相关（P<0.05，r=-0.427），亚麻酸含量随脂肪含量增多而减少，提高脂肪含量与降低亚麻酸含量并不矛盾，所以降低大豆亚麻酸含量可有效提高大豆脂肪含量。这对大豆品质育种尤其是高油品种选育具有重要参考。

表1 稀土处理下东农42籽粒品质性状指标间相关系数Table 1 Correlation coefficient between grain quality indices of Dongnong 42 treated with rare earth

2.1.2 东农52脂肪酸组分及其与蛋白质、脂肪相关分析

东农52品质性状相关性分析见表2，油酸含量与棕榈酸、亚油酸含量呈极显著负相关（P<0.01），与硬脂酸含量呈极显著正相关（P<0.01），相关系数分别为-0.465、-0.873、0.464；亚油酸与硬脂酸含量呈极显著负相关（P<0.01），相关系数为-0.664。因此，在高亚油酸或高油酸含量品种育种时，利用这种性状相互消长的关系，在育种中得到高不饱和、低饱和脂肪酸含量品系。

表2 稀土处理下东农52籽粒品质性状指标间相关系数Table 2 Correlation coefficient between grain quality indices of Dongnong 52 treated with rare earth

2.2 稀土对大豆籽粒脂肪酸含量的影响

2.2.1 稀土对大豆籽粒棕榈酸含量的影响

如图1所示，东农42所有处理棕榈酸含量均低于CK。其中Ce3、Ce9处理棕榈酸含量较CK显著降低（P<0.05），且Ce3处理下棕榈酸含量达到最低为11.86%，降至2.23%。上述结果表明，在目前浓度范围内，喷施稀土镧、铈溶液均可降低大豆籽粒棕榈酸含量，但混合稀土溶液浓度过高时棕榈酸含量呈上升趋势。东农52所有处理棕榈酸含量均显著低于CK（P<0.05）。其中La15处理下棕榈酸含量达到最低为11.22%，较CK降低6.42%。上述结果表明，在目前浓度范围内，喷施稀土镧、铈溶液均可降低大豆籽粒棕榈酸含量，但稀土镧浓度过高时棕榈酸含量呈上升趋势。

图1 稀土处理下大豆籽粒棕榈酸含量变化Fig.1 Changes of palmitic acid content in soybean under rare earth treatment

综上所述，稀土对大豆东农42、东农52棕榈酸含量影响效果显著。比较两个品种结果可知，不同浓度稀土处理对降低东农52棕榈酸含量效果优于东农42。

2.2.2 稀土对大豆籽粒硬脂酸含量的影响

如图2所示，东农42除LC7外，所有处理硬脂酸含量均低于CK，且除La10、LC7外，其他处理均较CK显著降低（P<0.05）；其中，Ce3处理下硬脂酸含量达到最低为4.53%，较CK降低11.35%。上述结果表明，在目前浓度范围内，喷施稀土镧、铈溶液均可降低大豆籽粒硬脂酸含量，但混合稀土浓度过高时硬脂酸含量呈上升趋势。

图2 稀土处理下大豆籽粒硬脂酸含量变化Fig.2 Changes of stearic acid content in soybean under rare earth treatment

与CK相比，东农52除La15硬脂酸含量显著升高外（P<0.05），其他处理变化均不显著。

综上所述，稀土对降低大豆东农42硬脂酸含量效果较好。

2.2.3 稀土对大豆籽粒油酸含量的影响

如图3所示，东农42大豆籽粒油酸含量除Ce9、La20、LC4外，其他处理均较CK显著升高（P<0.05），且LC6处理达到最高为27.50%，较CK显著升高10.66%（P<0.05）。表明喷施适宜浓度稀土镧、铈溶液均可提高大豆籽粒油酸含量，但稀土浓度过高时油酸含量呈减少趋势。

图3 稀土处理下大豆籽粒油酸含量变化Fig.3 Changes of oleic acid content in soybean under rare earth treatment

在所有稀土处理下，东农52大豆籽粒油酸含量均显著高于CK（P<0.05）。其中，LC4处理下油酸含量达到最高为26.97%，较CK显著升高8.57%（P<0.05）。表明在本试验条件下，稀土处理均可提高大豆籽粒油酸含量。

综上所述，混合稀土对大豆东农42、东农52油酸含量影响效果更显著，且对东农42效果优于东农52。

2.2.4 稀土对大豆籽粒亚油酸含量的影响

如图4所示，在Ce9、La20、LC4处理下，东农42亚油酸含量均显著高于CK（P<0.05）。La20处理下亚油酸含量达到最高为51.34%，较CK升高3.11%。表明适宜浓度镧、铈均可提高大豆籽粒亚油酸含量，且随单一稀土溶液浓度升高，亚油酸含量呈上升趋势。

图4 稀土处理下大豆籽粒亚油酸含量变化Fig.4 Changes of linoleic acid content in soybean under rare earth treatment

在Ce6、La10、La20处理下，东农52亚油酸含量均高于CK。大豆籽粒中亚油酸含量顺序为Ce6>Ce3>Ce9、La20>La10>La15、LC7>LC6>LC4，La20处理下亚油酸含量达到最高为51.96%，较CK显著升高0.56%（P<0.05）。表明在本试验条件下，稀土处理均可提高大豆籽粒亚油酸含量，且随单一稀土镧、混合稀土浓度升高，亚油酸含量呈上升趋势。综上所述，混合稀土对大豆东农42、东农52亚油酸含量影响效果显著，且对东农42效果优于东农52。

2.2.5 稀土对大豆籽粒亚麻酸含量的影响

如图5所示，除Ce6外，在其他处理下东农42亚麻酸含量均显著低于CK（P<0.05）。其中La20处理下亚麻酸含量达到最低为7.36%，较CK显著降低9.36%（P<0.05）。表明在本试验条件下，稀土处理均可降低大豆籽粒亚麻酸含量。

图5 稀土处理下大豆籽粒亚麻酸含量变化Fig.5 Changes of seed linolenic acid content in soybean under rare earth treatment

在所有处理下，东农52亚麻酸含量均低于CK。其中LC4处理下亚麻酸含量达到最低为6.30%，较CK显著降低10.63%（P<0.05）。表明本试验条件下，稀土处理均可降低大豆籽粒亚麻酸含量，但镧+铈混合稀土溶液浓度过高时大豆籽粒中亚麻酸含量呈上升趋势。

综上所述，混合稀土对大豆东农42、东农52亚麻酸含量影响效果更显著，且对东农52效果优于东农42。

2.3 稀土对大豆籽粒脂肪酸不饱和程度的影响

2.3.1 东农42

表3为稀土处理下大豆东农42脂肪酸饱和度变化。除LC7外，所有稀土处理SFA含量均低于CK，其中Ce3含量最低。单一稀土铈处理下，SFA含量随稀土浓度升高先升再降；Ce3、Ce6、Ce9处理下SFA含量较CK均显著降低（P<0.05），降幅分别为4.87%、2.38%和2.90%。在单一镧处理下，SFA含量随稀土浓度升高而降低；La15、L20处理下SFA含量较CK均显著降低（P<0.05），降幅分别为1.97%和3.13%。在混合稀土处理下，SFA含量随稀土浓度升高先降再升；LC6处理下SFA含量较CK显著降低（P<0.05）1.68%。

MUFA仅包含油酸，含量变化同油酸。PUFA包含亚油酸和亚麻酸，其含量在Ce9、La20、LC4处理下均显著高于CK（P<0.05），与相同处理下MUFA含量变化规律相反。其中Ce9的PUFA含量最高为59.04%，较CK显著升高1.95%（P<0.05）。UFA方面，除LC7外，所有处理均高于CK，其中Ce3含量最高。

脂肪酸不饱和度（UFA/SFA）和双键指数（DBI）可直接反映脂肪酸不饱和水平。由表3可知，除LC7外，所有处理UFA/SFA均高于CK，其中Ce3值最高。除La10和LC7外，其他处理DBI均大于CK，其中，Ce3达到最大值为9.06%，较CK显著升高4.98%（P<0.05）。

表3 稀土处理下大豆东农42籽粒脂肪酸不饱和程度变化Table 3 Changes of unsaturated degree of fatty acid in soybean Dongnong 42 treated with rare earth (%)

以上结果表明，适宜浓度稀土可优化大豆东农42脂肪酸组分配比，降低SFA含量，提高UFA含量，且UFA含量随稀土浓度升高与SFA含量变化规律相反。在UFA中，MUFA含量随稀土浓度升高与PUFA含量变化规律相反。Ce3处理最大程度提高大豆籽粒UFA含量。LC6处理最大程度提高大豆籽粒MUFA含量，降低PUFA含量。Ce9处理最大程度提高PUFA含量，降低大豆籽粒MUFA含量。说明Ce3和LC6主要通过提高MUFA含量而使UFA含量增加，UFA较CK分别显著升高1.01%和0.35%（P<0.05）；Ce9主要通过提高PUFA中亚油酸含量而使UFA含量增加，UFA较CK显著升高0.60%（P<0.05）。

2.3.2 东农52

表4为稀土处理下大豆东农52脂肪酸饱和度变化。SFA方面，LC7达到最小值为15.90，较CK显著降低3.28%（P<0.05）。所有处理SFA含量均小于CK，但无显著变化。

表4 稀土处理下大豆东农52籽粒脂肪酸不饱和程度变化Table 4 Changes of unsaturated degree of fatty acid in soybean Dongnong 52 treated with rare earth (%)

MUFA含量变化同油酸。PUFA包含亚油酸和亚麻酸，所有处理PUFA含量均显著低于CK（P<0.05），在LC4达到最小值。从UFA组分来看，所有处理UFA含量均高于CK，在LC7达到最大值为84.10%。

从脂肪酸不饱和水平看，由表4可知，所有处理UFA/SFA均高于CK，其中LC7处理下最高，与UFA含量变化规律相同。所有处理下DBI较CK均不显著，其中在LC7达到最高值为9.34%，较CK增加2.86%。

以上结果表明，适宜浓度稀土可优化大豆东农52脂肪酸组分配比，降低SFA含量，提高UFA含量，且UFA含量随稀土浓度升高与SFA含量变化规律相反。在UFA中，LC7处理通过提高MUFA含量最大程度提高大豆籽粒UFA含量，UFA较CK显著升高0.65%（P<0.05）。LC4处理最大程度提高大豆籽粒MUFA含量，降低PUFA含量。说明LC4主要通过提高MUFA含量而提高UFA总含量，同时通过使LC4亚麻酸含量达到最小值降低PUFA含量。

3 讨论

3.1 稀土对大豆籽粒脂肪酸组分与蛋白质、脂肪相关性的影响

通过相关分析可知，稀土对大豆籽粒脂肪酸组分间及其与蛋白质、脂肪相关关系研究结果不同。东农42蛋白质与脂肪含量呈极显著负相关[15]，符合“底物竞争调控蛋白质与脂肪含量比率”假说；油酸与亚油酸含量呈极显著负相关，与前人研究结果一致[16]，主要因为受环境、地点和材料等因素影响较小。硬脂酸与棕榈酸呈极显著正相关；亚油酸与棕榈酸、亚油酸与硬脂酸、脂肪与亚麻酸均呈显著负相关。其中亚油酸与硬脂酸相关性结果与郑永战等研究结果一致[17]。本试验研究结果为选育高不饱和脂肪酸、低饱和脂肪酸大豆品种提供理论依据，使培育具有高蛋白、高油、高亚油酸或高油酸优质大豆品种成为可能。亚麻酸与脂肪负相关性这一研究结果使培育高油、低亚麻酸大豆品种成为可能，更适用于加工高稳定性、耐储运大豆油、豆奶等大豆制品，提高其商品价值，同时说明提高油分与优化脂肪酸组分配比之间无明显冲突。

东农52油酸与棕榈酸、油酸与亚油酸、亚油酸与硬脂酸呈极显著负相关，油酸与硬脂酸呈极显著正相关。这些结果与前人研究结果不同[18-20]。主要是因大豆品质指标之间相关关系比较稳定，不易被改变，如油酸与亚油酸；部分关系易受环境影响，而使相关系数变化较大，如油酸与棕榈酸。

Wilson和Burfon等通过选用高油酸大豆品种显著降低其亚麻酸含量[21-22]。目前高蛋白、高油、高不饱和脂肪酸、低饱和脂肪酸大豆品种成为育种主要目标。蛋白质与脂肪、油酸与亚油酸呈极显著负相关，使培育具有高蛋白或高油、高亚油酸或高油酸优质大豆品种成为可能。

3.2 稀土对大豆籽粒脂肪酸组分配比优化作用的影响

大豆籽粒中主要含有五种脂肪酸，各种脂肪酸具有不同化学特性和生理功能。研究表明，通过外源调控可优化大豆脂肪酸组分配比，改善大豆品质，提高其营养和经济价值。本试验中东农42棕榈酸和硬脂酸含量均在Ce3处理下达到最低，东农52棕榈酸和硬脂酸含量均在LC7处理下达到最低。说明低浓度稀土铈溶液对东农42饱和脂肪酸含量降低效果更好，高浓度混合稀土溶液更利于降低东农52饱和脂肪酸含量。研究发现，油酸含量高，豆油稳定性好，使油耐贮运，且油酸可明显降低Ⅱ型糖尿病患者血糖。因此，开展品质育种时可适当提高油酸含量。东农42和东农52油酸含量分别在LC6和LC4处理下达到最高，说明混合稀土溶液更利于提高两个品种油酸含量。东农42和东农52亚油酸含量在La20处理下均达到最高，说明高浓度稀土镧溶液对提高两个大豆品种亚油酸含量优化效果显著。由于亚麻酸高度不饱和性，导致大豆油稳定性和耐贮性降低，因此可适当降低大豆籽粒中亚麻酸含量。所有稀土处理均可降低亚麻酸含量，其中东农42和东农52亚麻酸含量分别在La20和LC4处理下达到最低，说明稀土镧溶液对东农42亚麻酸含量降低效果更好，而混合稀土溶液更利于降低东农52亚麻酸含量。

综上，在目前所设浓度范围内，叶面喷施稀土可使大豆籽粒中脂肪酸含量和组分发生显著变化，饱和脂肪酸及亚麻酸含量降低，亚油酸和油酸含量升高。这一结果可能是稀土影响脂肪酸合成途径，促使饱和脂肪酸脱饱和向油酸、亚油酸等转化。适宜的脂肪酸组分配比是决定大豆油脂品质重要因素。降低大豆籽粒中饱和脂肪酸及亚麻酸含量，同时提高其抗氧化性，更有利于脂肪酸组分优化。基于脂肪酸组分间相关关系，可达到间接优化大豆脂肪酸组分目标[23-24]。

3.3 稀土对大豆籽粒不饱和程度变化的影响

分析大豆籽粒脂肪酸不饱和程度发现，单一稀土和混合稀土在适宜范围内均可有效提高大豆籽粒脂肪酸不饱和程度，在最佳施用浓度时作用效果达到最好。同时，同浓度同品种稀土对不同品种大豆籽粒脂肪酸不饱和程度影响效力也存在差异。对于东农42而言，Ce3处理下UFA/SFA和DBI均最高，Ce3即为最佳施用浓度。东农52的UFA/SFA和DBI均在LC7达到最高，LC7即为最佳施用浓度。研究结果表明，叶面喷施稀土可使大豆籽粒脂肪酸不饱和度和双键指数升高。董春娟等研究结果表明，脂肪酸不饱和度调节通过脂肪酸去饱和酶（Fatty acid desaturase，FAD）实现，FAD催化在脂肪酸链特定位置形成双键产生不饱和脂肪酸[25]。这可能是施用稀土诱导大豆籽粒FAD表达，提高脂肪酸不饱和度。稀土对FAD基因转录调控机理研究，将是下一步工作重点。

综上，大豆籽粒中脂肪酸含量与稀土密切相关，合理施用可有效提升大豆品质。有关外源调控下大豆籽粒脂肪酸含量变化研究陆续有报道，但主要集中在施用氮、磷、钾肥料以及微量元素对改善大豆脂肪酸品质上，将稀土与大豆脂肪酸含量结合起来系统研究较少。本研究仅限于稀土施用后脂肪酸含量和不饱和程度改变，其作用机制有待进一步探讨。

4 结论

不同浓度和种类稀土对不同品种大豆籽粒脂肪酸含量及组分影响效力不同，适宜浓度稀土可优化大豆籽粒脂肪酸配比，提高大豆品质价值及营养价值。

a.东农42亚油酸与油酸含量呈极显著负相关，与硬脂酸、棕榈酸含量呈显著负相关，硬脂酸与棕榈酸含量呈极显著正相关；脂肪与亚麻酸、蛋白质含量分别呈显著和极显著负相关。东农52油酸与硬脂酸含量呈极显著正相关，与棕榈酸、亚油酸含量呈极显著负相关，亚油酸与硬脂酸含量呈极显著负相关。

b.喷施稀土溶液可优化大豆籽粒脂肪酸组分配比，显著降低饱和脂肪酸含量，提高不饱和脂肪酸含量。东农42在30 mg·L-1CeCl3处理下，棕榈酸、硬脂酸含量皆最低，分别较CK显著降低2.23%和11.35%；不饱和脂肪酸含量最高，较CK显著增加1.01%。200 mg·L-1LaCl3处理下亚油酸含量达到最高，较CK显著增加3.11%；亚麻酸含量达到最低较CK显著降低9.36%。

东农52在40 mg·L-1LaCl3+CeCl3处理下，油酸含量最高，较CK显著增加8.57%；亚麻酸含量最低，较CK显著减少10.63%。在70 mg·L-1LaCl3+CeCl3处理下，不饱和脂肪酸含量最高，较CK显著增加0.65%。200 mg·L-1LaCl3处理下亚油酸含量达到最高，较CK显著增加0.51%；硬脂酸含量最低，但较CK无显著变化。

c.稀土在适宜范围内可有效提高大豆籽粒脂肪酸不饱和程度。30 mg·L-1CeCl3为东农42最佳处理，UFA/SFA和DBI均最高，分别较CK显著增加6.25%和4.98%。70 mg·L-1LaCl3+CeCl3为东农52最佳处理，UFA/SFA和DBI均达到最高，分别较CK显著增加4.13%和2.86%。