芋头挥发性代谢物分析及其品质综合评价

郭巨先 黄家昕 李桂花 符梅 罗文龙 王 俊 陆美莲

（1广东省农业科学院蔬菜研究所/广东省蔬菜新技术研究重点实验室，510640，广东广州；2仲恺农业工程学院，510225，广东广州）

芋头[Colocasia esculenta(L.)Schoot]属天南星科多年生草本植物，是一种粮菜兼用作物，其营养丰富，含有多种矿物质和维生素，球茎可食用，同时具有药用价值，能提高机体免疫力，入药能治疗多种疾病，且用途广泛，在人体内能不同程度地增强细胞免疫和体液免疫的功能[1-3]。芋头在我国具有多年的栽培历史，且虫害较少，氮素利用效率高，是高产多能的作物。国内种植区域大部分集中在珠江流域及台湾省，因受自身生长习性影响，分布趋向南方[4-5]。随着种植面积的扩大和产业化的形成，栽培芋头已经成为我国南方地区的重要经济作物[6-7]。我国广东地区芋头栽培历史悠久，在长期发展中形成了具有一定地方特色和知名度的品种[7]。芋头的研究多集中在资源评价[8-11]、栽培[12]和加工[13-14]等方面。芋头品种的评价因素有抗病性、产量性状、耐贮存性和营养品质等[8-11]，其中营养品质和产量性状是品种评价的重要因素。芋头作为一种大众食品，大部分研究[13,15-22]仅对槟榔芋的淀粉理化性质以及香沙芋、红芽芋和槟榔芋的常规营养成分进行了检测和基本定量分析，而对芋头资源品质相关性状的综合评价研究[10-11]较少，并且缺乏有效的数学分析方法对其进行系统评价。

主成分分析法具有综合评分指标和简化评价程序的功能，能够表达待测品种的综合信息，是一种科学的统计评价法；聚类分析按照相似归类的原则，将分析对象划分成若干类群。结合2种分析方法，能够将性状相似、营养水平相等的品种划为同类，进行优良排序，该方法已经广泛用于农作物的综合评价[22-23]。但是利用主成分分析法对芋头品质进行综合评价的研究少见报道。

本研究收集了18个来源于我国不同地区的芋头资源，测定了13个农艺性状和常规营养指标以及黄酮和总酚等功能保健成分，运用主成分分析法和代谢组学方法对芋头品质进行综合评价，从而筛选出综合品质较佳的品种，为我国芋头现代品种的选育和资源开发利用提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

本研究引进了各地的多子芋品种7个和魁芋品种11个（表1），于2019年2月25日定植于广东省农业科学院钟落潭试验基地，株行距40cm×50cm，采用露地单行种植，常规肥水管理。2019年12月20日统一采收。

表1 供试芋品种和来源Table 1 The names and origins of tested taro varieties

1.2 测定项目与方法

1.2.1 外观品质指标 用GY-1手持式硬度计测定硬度，参考《芋种质资源描述规范和数据标准》[24]和《农作物种质资源鉴定评价技术规范》[25]测量芋头的纵径、横径和单芋重等形态指标，每个品种设置3个重复。

1.2.2 总酚及黄酮含量 参考李静等[26]的方法测定芋头中总酚含量。参考邓菊庆等[32]的方法测定芋头总黄酮含量。称取芋头根部约2.5g，80℃烘干24h后，研成粉末，并用60%乙醇萃取待测。精确称取芦丁标准溶液0.0、0.2、0.4、0.7、1.2、1.6和2.0mL，用60%乙醇溶解相应浓度后，于510nm波长测定吸光度，并根据样品吸光度计算样液的总黄酮含量。以没食子酸标准品25mg，定容后制定标准曲线浓度，在760nm的紫外光下测定吸光度，计算对应的总酚含量。

1.2.3 常规营养品质 参考王鸿飞等[28]的方法测定芋头中维生素C（Vc）的含量。按照王春霞等[29]的方法测定直链淀粉和支链淀粉的含量。参考宋萍等[30]的方法测定粗纤维含量。按照《食用菌中总糖含量的测定：GB/T 15672-2009》[31]测定还原糖含量。依照《食品安全国家标准食品中蛋白质的测定：GB 5009.5-2016》[32]测定蛋白质含量。

1.2.4 挥发性代谢组学 挥发性代谢物分析以外观和芋香味差异较大的炭步香芋和花都红芽芋为材料。从-80℃冰箱中取出样品进行液氮研磨，涡旋混合均匀，每个样本称取约1g（液体1mL）于顶空瓶中。分别加入1～2mL饱和NaCl溶液，10μL内标溶液。全自动顶空固相微萃取HS-SPME进行样本萃取，以供GC-MS（Agilent 8890-5977B）分析。SPME进样参数：老化温度250℃，老化时间5min；加热温度60℃，加热时间10min；吸附时间20min；解析时间5min；进样后老化时间5min。

1.3 数据处理

主成分分析采用初始因子载荷矩阵旋转处理，目的是剔除重复信息，让矩阵系数更加显著。运用软件SPSS 23.0和Excel进行数据分析和处理。GC-MS分析获取的原始数据文件首先由MassHunter软件（Agilent）进行峰提取，获得特征峰的质荷比、保留时间和峰面积等信息，然后进行统计学分析。

2 结果与分析

2.1 不同芋品种的外观指标

本研究中大部分芋头外观大小存在较大的形态学变异（表2）。供试芋头品种外观指标的变异系数介于36.30%～94.54%，说明芋头品种的硬度、大小和单芋重等外观变异较大。其中，多子芋单芋重为37.73～119.67g，而魁芋的单芋重为530.03～1900.01g，多子芋和魁芋的变异系数均超过90%，可知芋头品种对单芋重的影响最大。其中，单芋重最大值与最小值相差达到1862.27g，约为50倍。魁芋的纵径、横径和单芋重普遍大于多子芋，而硬度差异不显著。相关性分析（表3）表明，硬度与纵径和单芋重均呈负相关，而纵径与横径和单芋重之间存在极显著正相关，说明外观指标间存在较强的相关性。

表2 不同芋头品种的硬度、纵径、横径和单芋重的比较分析Table 2 Variation of hardness,longitudinal diameter,transverse diameter and weight per taro of different taro varieties

表3 不同芋头品种各外观品质指标的皮尔森相关性分析Table 3 Pearson correlation analysis on appearance quality indexes of different taro varieties

2.2 不同芋品种营养品质指标

各供试芋头品种基础营养指标存在较大变异（图1），变异系数介于11.10%～52.50%，说明芋头品种对营养品质的影响较大。变异系数排序为直链淀粉＞支链淀粉＞黄酮＞还原糖＞总酚＞粗纤维＞蛋白质＞Vc＞干物质。其中干物质的变异系数最小，为11.10%。直链淀粉的变异系数最大，为52.50%。其中，多子芋的干物质、直链淀粉和支链淀粉含量要普遍低于魁芋，有5个多子芋和1个魁芋的总酚含量相对较高，而10个魁芋品种的黄酮类物质相对含量较高。相关分析结果（表4）显示，关键营养成分Vc和直链淀粉含量均与总酚、黄酮和还原糖含量呈显著负相关。其中还原糖、直链淀粉和支链淀粉含量之间存在显著正相关，而该3个参数与粗纤维、还原糖和蛋白质含量呈显著负相关。

表4 9个营养品质相关指标的皮尔森相关性分析Table 4 Pearson correlation analysis on the nine quality related indexes

图1 18个芋头品种的营养品质相关参数的变异Fig.1 Variation of quality indexes in 18 taro varieties

2.3 芋头品种性状的主成分分析

由表5可知，前4个主成分累计贡献率达82.31%，能反映芋头营养品质参数变异的大部分信息，因此选取前4个主成分进行芋头品种综合分析。第1主成分贡献率达到41.42%，主要代表横径、支链淀粉、干物质、黄酮、纵径和单芋重等特征；第2主成分贡献率达到16.96%，主要代表直链淀粉、Vc和粗纤维的特征信息；第3主成分贡献率达到13.41%，主要代表粗纤维、蛋白质和Vc的特征信息；第4个主成分贡献率达到10.52%，主要代表还原糖和总酚的特征信息。

表5 4个主成分的特征值、贡献率及累计贡献率Table 5 The eigenvalues,contribution rates and the accumulative contribution rates of four principal components

2.4 不同芋品种的综合评价

根据主成分得分结果，构建了4个主成分的函数表达式，并得出各自的得分，根据方差贡献率对各个主成分进行赋值，得出公式F=0.4142×F1+0.1696×F2+0.1341×F3+0.1052×F4，由此求出各芋头品种主成分得分（表6）。对18个芋头品种的品质性状进行综合评价。由表6可知，第1主成分中除龙岩香芋外，其余10个魁芋品种得分都较高，而7个多子芋品种在第1主成分中得分均为负值。炭步香芋、张溪香芋和乳源香芋的第1主成分大于1，说明魁芋品种的优势在单芋重和淀粉等质量性状和黄酮等功能成分含量上。广西红芽芋和荔浦香芋在第2主成分得分较高，说明这2个品种在粗纤维和Vc含量上具有优势。江西白芽芋、炭步香芋和乳源香芋在第3主成分得分较高，说明这些品种在Vc、膳食纤维和直链淀粉含量上都有较强的优势。龙岩香芋和连州岭芋在第4主成分得分最高，说明这2个品种还原糖和酚类物质具有优势。

表6 供试芋品种的主成分得分及其排序Table 6 The scores of the principal components and the ranking of the excellent degree of the quality of taro varieties

2.5 差异性挥发性代谢物分析

通过GC-MS气质联用法，进一步分析了炭步香芋（魁芋）和花都红芽芋（多子芋）的差异挥发性代谢物。相对于花都红芽芋，炭步香芋具有更长根茎（图2a）。主成分分析（图2b）证明了2种芋头品种之间的差异比较明显。共鉴定到76种挥发性代谢物，这些代谢物丰度差异不同（图2c）。通过差异丰度代谢物分析，共发现了2种极显著上调的代谢物（图2d）。这2种代谢物包括1-甲基乙基-萘和4-甲基-6-庚烯-4-油化物（表7）。因此，这2种显著上调的代谢物很可能与炭步香芋香味的生物学特性有关。

图2 炭步香芋和花都红芽芋的差异挥发性代谢物比较Fig.2 Comparison on quality related traits and correlation analysis in Tanbuxiang taro and Huaduhongya taro

表7 芋头的2种差异性挥发性代谢物Table 7 Two significantly enriched metabolites in two taro varieties

3 讨论

芋头是一种重要的蔬菜兼粮食作物，提高芋头的经济价值一直是我国芋头高产优质育种的核心。对于芋头经济价值的评估，首先要系统调查芋头相关经济性状的自然变异，对于开展芋头的分子设计育种亦至关重要[33-35]，然而国内外对该方面相关报道很少。本研究通过整合各项形态学指标、生理生化参数以及代谢组学分析，系统阐述了芋头不同品种间的遗传变异，揭示了影响芋头香气的关键小分子代谢物。

3.1 芋头感观与营养品质分析

种质资源是进行育种、科研和生产的重要物质基础。目前国内芋头种质资源最丰富的是国家种质武汉水生蔬菜资源圃，该资源圃共收集并保存了来自全国各地的芋头种质资源400多份[33]。如何对芋头的种质资源进行系统评价是芋头现代育种的重要科学问题。本研究以来自我国不同生态区收集的18个芋头品种为例，系统分析了各形态学指标及生理学参数，并证明了各品质性状存在着遗传差异，且变异范围广，尤其是单芋重、纵径、直链淀粉和支链淀粉，说明供试品种中这些营养指标蕴含着巨大的改良潜力。

3.2 芋头香气品质相关代谢物分析

香气是芋头食味品质最重要的指标之一。前人[34-36]根据芋头的食味品质进行了分级，然而并没有一个量化的指标。随着代谢组学的发展，挥发性代谢物的检测已经成为经济作物品质评价的重要手段之一[37-38]。本研究利用GC-MS气质联用的方法，对炭步香芋和花都红芽芋的挥发性代谢物进行系统分析，共鉴定到了76种挥发性代谢物，其中炭步香芋1甲基乙基-萘和4-甲基-6-庚烯-4-油化物较花都红芽芋显著上调，这2种代谢物的生理学功能目前并没有相关报道，推测这2种代谢物与芋头香气的分子调控有关，对于多子芋和魁芋的香气相关代谢物仍需要分子生物学研究。

3.3 基于主成分分析的芋头品种综合评价

主成分分析法具有简化评价指标的功能。前人[22-23]对于园艺经济作物的果实品质方面已有大量研究。本研究通过主成分降维的方法，将13项评价指标简化成4个互相独立的综合指标（主成分），其特征值均大于1，累积贡献率高达82.31%，说明4个主成分反映了品质性状的大部分特征信息。结果显示，魁芋综合排名前5位依次是张溪香芋＞乳源香芋＞长亭香芋＞荔浦香芋＞炭步香芋；多子芋以广西红芽芋综合得分最高。

4 结论

从综合评分排序来看，魁芋排名较前的5个品种分别是张溪香芋、乳源香芋、长亭香芋、荔浦香芋和炭步香芋，排名较前的几个品种分别从广东、广西和福建收集而来，说明这几个地区是芋头生长的优势产区。广西红芽芋综合排名第8位，在多子芋中排名第1位，是优质的多子芋品种。相对于花都多子芋，炭步香芋中显著上调的代谢物包括1-甲基乙基-萘和4-甲基-6-庚烯-4油化物，说明这2种代谢物很可能是槟榔芋品种产生芋香味的主要原因。