20,个马铃薯品种品质比较与综合评价

张 帆，李 源，陈梦茹，邢英英，王秀康

（延安大学 生命科学学院，陕西 延安 716000）

近年来，由于我国工业化程度不断加深以及人口老龄化问题日趋严重，耕地和农业生产力日趋减少，我国的粮食安全受到严重威胁[1-2]。马铃薯（Solanum tuberosumL.)又称土豆、洋芋等，是我国常见的粮食作物，在保障国家粮食安全方面发挥着重要的作用[3]。马铃薯块茎营养丰富，含有淀粉、还原糖、蛋白质、维生素等，对人体健康发挥着重要的作用[4]。马铃薯可以直接作为蔬菜食用，也可以加工成各种食品。由于马铃薯用途不同，对其品质要求也不同[5-6]。例如：对于薯片、薯条等油炸型马铃薯食品的加工，要求块茎中的还原糖含量在0.3%以下，以防止美拉德反应的发生[7]；
对于作为鲜菜直接食用的马铃薯，要求块茎营养价值丰富、不麻口等即可；
对于作为全粉加工的马铃薯，要求具有较高的维生素和蛋白质含量，以保证全粉加工食品的高质量、高营养等[8]。因此，单一指标无法准确对马铃薯的品质进行全面的评价，必须应用多个指标进行品质综合评价。目前，关于马铃薯品质的综合评价，国内外学者已经进行了较多的研究[9-12]。但是这些研究大多运用1 种或2 种评价方法进行综合评价，且受不同地区气候以及土壤理化条件等差异的影响，种植在不同地区的同一马铃薯品种的品质差异较大。目前，对西北地区马铃薯品质综合评价的研究较少[13-14]。吴琪滢等[13]采用隶属函数法在宁夏回族自治区和甘肃省对159份马铃薯种质资源的产量和营养品质进行分析，筛选出了华薯9 号、天薯11 号等8 种适宜于该地区种植的优良马铃薯种质。WANG等[14]利用主成分分析法对黄土高原地区常种植的15个马铃薯品种的产量和品质进行综合分析，发现夏波蒂为该地区最适宜推广种植的品种。但这些研究主要利用单一的评价方法对马铃薯产量和品质进行综合评价，而利用多种评价方法对西北地区适宜于不同加工用途且品质优良的马铃薯品种的综合评价及筛选研究尚未见报道。榆林市位于陕西省北部，拥有广袤的土地和独特的地理条件，是陕西省马铃薯的主产区。为此，对该地区20个马铃薯品种的产量和品质进行测定，然后运用主成分分析法、隶属函数法以及系统聚类分析对其产量和品质进行综合评价，以期筛选出适宜在榆林市种植的适用于不同加工用途且品质优良的马铃薯品种。

1.1 试验区概况及试验材料

该试验于2018 年5—10 月在陕西省榆林市现代农业科技示范园（109°43′E、38°23′N）进行，海拔1 050 m，该区域自然条件优越，属于半干旱大陆性季风气候，全年降水时期主要集中在6、7、8 三个月份，平均降水量可达到371 mm，蒸发量可达1 900 mm，总日照时间约为2 900 h，平均气温为8.6 ℃。试验区土壤pH值为8.1，含有机质7.85 g/kg、铵态氮5.79 mg/kg、硝态氮1.03 mg/kg、碱解氮48.90 mg/kg、速效钾55.52 mg/kg、速效磷6.77 mg/kg。

供试的20 个马铃薯品种由榆林市农业科学院提供，均适宜在西北地区常年种植（表1）。其中，定薯3 号是当地农户经常选择种植的马铃薯品种，作为本试验的对照品种。

表1 供试马铃薯品种名称及编号Tab.1 Name and number of tested potato varieties

1.2 试验设计

所有马铃薯品种的种植统一采用机械化种植方式（机械起垄+人工播种），小区长20 m、宽1.8 m，小区面积为36 m2，每小区种植2 垄马铃薯。每垄种植1 行马铃薯，垄底宽90 cm，株距为25 cm，种植密度为50 505 株/hm2。

播种前，采用区域漫灌，灌水量为40 mm，出苗后，收集气象站的每日蒸发蒸腾量数据，结合孙景生等[15]提出的Penman-Moteith 公式计算灌水量，平均每10 d灌水一次。

根据当地推荐的施肥水平，施N、P2O5、K2O分别为200、80、300 kg/hm2，采用滴灌施肥方式分3 次施入，施肥时期分别为块茎形成期、块茎膨大期、淀粉积累期，施肥比例分别为20%、55%、25%。

1.3 测定项目及方法

在成熟期，每个马铃薯品种随机选取3株，现场称取各单株块茎鲜质量。然后将块茎置于烘箱中杀青，烘干至恒质量，碎化打粉，进行品质指标测定。其中，淀粉含量利用碘比色法测定，还原糖含量利用3，5-二硝基水杨酸比色法测定，可溶性糖含量利用硫酸-蒽酮比色法测定，维生素C 含量利用钼蓝比色法测定，蛋白质含量利用考马斯亮蓝G250染色法测定[16-17]。

1.4 品质综合评价

1.4.1 主成分分析 主成分分析是采用降维的思想，在损失较少信息的前提下将多个指标通过线性组合转化为少数几个相关综合指标的一种多元统计分析方法，其主要目的是通过数据降维以排除众多信息共存中相互重叠的信息，简化后的指标应尽可能多地反映原来指标的主要信息。利用主成分分析，可将原始的多个品质指标转化为较少的主要指标，能够较好地反映马铃薯的综合品质。主成分分析的主要步骤是采用SPSS 23.0 对原始数据进行标准化和降维，然后利用Excel 2010 对马铃薯综合品质得分进行计算。

1.4.2 隶属函数法 采用隶属函数法对马铃薯品质进行综合评价，需要对各品质指标进行隶属函数值计算，其公式[18]如下：

式中，X为某一马铃薯品种的块茎指标测定值，μ1表示马铃薯块茎的某一指标为正向评价指标，μ2表示马铃薯块茎的某一指标为负向评价指标，Xmax为所有供试品种中该品质指标的最大值，Xmin表示所有供试品种中该品质指标的最小值。

若该品质指标与马铃薯的综合营养品质呈正相关关系，隶属函数值用公式（1)计算；
反之，隶属函数值用公式（2)计算。其中，单株块茎产量、淀粉含量、蛋白质含量、可溶性糖含量和维生素C含量均与马铃薯综合营养品质呈正相关，还原糖含量与综合营养品质呈负相关[19-20]。

1.4.3 系统聚类分析 利用各马铃薯品种各品质指标的总隶属函数值，采用SPSS 23.0软件基于欧式距离，将不同品种通过类间平均距离连接，进行系统聚类分析。

1.5 数据处理

利用Excel 2010 进行数据处理，采用SPSS 23.0软件进行单因素方差分析，采用Duncan’s新复极差法进行多重比较，用SigmaPlot 14软件绘制图表。

2.1 20个马铃薯品种的品质比较

2.1.1 单株块茎产量 相同水肥条件下，不同马铃薯品种的单株块茎产量相差较大（表2），变异系数为46.76%。其中，S12 单株块茎产量最高，达到4.20 kg，显著高于其他品种，较当地农户选择种植的马铃薯品种S1 提高116.5%；
S15、S17、S11 单株块茎产量也较高，均显著高于S1；
S4 单株块茎产量最低，S5次之，两者分别较S1显著降低67.0%、56.7%。

2.1.2 淀粉含量 20 个马铃薯品种的淀粉含量相差也较大（表2），变异系数高达50.07%。其中，S12淀粉含量最高，为14.05%，显著高于其他品种，较S1提高26.1%；
S15、S1淀粉含量也较高；
S4和S13淀粉含量较低，均较S1显著降低73.8%。

2.1.3 还原糖含量 20 个马铃薯品种的还原糖含量差异也较大（表2），变异系数为50.66%。其中，S15 的还原糖含量最高，为0.27%，显著高于其他品种，较S1 提高80.0%；
S5、S9、S13、S14、S15、S18 还原糖含量也较高；
S17 的还原糖含量最低，较S1 显著降低82.4%；
S2、S16的还原糖含量也较低，均显著低于S1。

2.1.4 可溶性糖含量 20 个马铃薯品种的可溶性糖含量差异很大（表2），变异系数为64.79%。其中，S19 的可溶性糖含量最高，为1.08%，显著高于其他品种，较S1 提高24.1%；
S5 的可溶性糖含量较高，显著高于S1；
S9 的可溶性糖含量最低，较S1 显著降低92.0%；
S7、S9、S10、S12、S13 的可溶性糖含量较低，均显著低于S1。

2.1.5 维生素C含量 20个马铃薯品种的维生素C含量差异较大（表2），变异系数为33.72%。其中，S18 的维生素C 含量最高，显著高于其他品种，较S1提高36.6%；
S5 和S1 的维生素C 含量也较高；
S2 的维生素C含量最低，较S1降低62.0%。

2.1.6 蛋白质含量 20 个马铃薯品种的蛋白质含量存在明显差异（表2），变异系数高达68.10%。其中，S18的蛋白质含量最高，为0.28%，显著高于其他品种，较S1 提高8.3 倍；
S14 的蛋白质含量也较高，且与S18 差异不显著；
S19、S1、S11 的蛋白质含量较低，三者差异不显著。

表2 20个马铃薯品种的块茎产量和品质Tab.2 Tuber yield and quality of 20 potato varieties

2.2 20个马铃薯品种品质的综合评价

2.2.1 主成分分析 为了对不同马铃薯品种的产量和品质进行综合评价，对所选取马铃薯品种的单株块茎产量、维生素C含量、蛋白质含量、淀粉含量、还原糖含量、可溶性糖含量进行主成分分析，主成分分析中的特征值与方差贡献率是选取主成分的关键。

对供试的20 个马铃薯品种的6 个与综合品质有关的指标（单株块茎产量、维生素C 含量、蛋白质含量、淀粉含量、还原糖含量、可溶性糖含量）进行主成分分析，根据方差累积贡献率≥85%的原则提取主成分，共提取了4个主成分Z1、Z2、Z3和Z4（表3—表4），其对应的方差贡献率分别是38.863%、22.324%、17.844%和11.417%，这4个主成分的方差累积贡献率达到了90.448%，基本包含了所测的马铃薯品质综合评价指标的全部信息，4 个主成分的基本表达式如下：

表3 马铃薯品质评价的主成分分析Tab.3 Principal component analysis of potato quality evaluation

表4 马铃薯各品质指标的载荷矩阵Tab.4 Loading matrix of each quality indexes of potato

Z1=-0.770W1+0.639W2+0.836W3-0.566W4+0.537W5-0.151W6；

Z2=0.430W1+0.426W2+0.154W3+0.719W4+0.512W5-0.412W6；

Z3=0.046W1+0.497W2-0.145W3+0.142W4+0.098W5+0.878W6；

Z4=0.153W1+0.295W2+0.379W3+0.084W4-0.649W5-0.054W6

式中，W1—W6分别表示马铃薯单株块茎产量、维生素C含量、蛋白质含量、淀粉含量、还原糖含量、可溶性糖含量的标准化数据。

主成分表达式中各个因子系数的绝对值的大小可以反映该因子对其主成分所作出的贡献强弱。在以上4个主成分表达式中贡献率最大的因子依次是：第1主成分中的蛋白质含量（0.836）、第2主成分中的淀粉含量（0.719）、第3 主成分中的可溶性糖含量（0.878）和第4主成分中的还原糖含量（0.649）。

2.2.2 隶属函数法 结合主成分分析结果，对提取出的4个贡献率较大的品质指标（蛋白质含量、淀粉含量、还原糖含量、可溶性糖含量）进行隶属函数值的计算（表5），按照平均隶属函数值大小对所供试的20 个马铃薯品种的品质综合评价优劣程度进行排 序，表 现 为S19＞S17＞S1＞S20＞S8＞S12＞S14＞S3＞S2＞S6＞S16＞S5＞S10＞S18＞S11＞S15＞S7＞S9＞S4＞S13。

表5 20个马铃薯品种品质评价的隶属函数值Tab.5 Membership function values of quality evaluation of 20 potato varieties

续表5 20个马铃薯品种品质评价的隶属函数值Tab.5（Continued） Membership function values of quality evaluation of 20 potato varieties

2.2.3 系统聚类分析 利用蛋白质含量、淀粉含量、还原糖含量、可溶性糖含量的总隶属函数值，对所供试的马铃薯品种进行系统聚类分析（图1），当阈值处于5 时可将供试的20 个马铃薯品种分为4类，第1 类为综合品质较优的材料，包括S1、S8、S12、S14、S17、S19 和S20，共7 个品种，占供试品种总数的35.0%，总隶属函数值为1.912～2.120，这类材料普遍具有蛋白质含量、淀粉含量、可溶性糖含量较高，还原糖含量较低的特点；
第2类为综合品质居中的材料，包括S2、S3、S5、S6、S10、S11、S16 和S18，共8 个品种，占供试材料总数的40.0%，总隶属函数值为1.340～1.743，这类材料普遍具有蛋白质含量、淀粉含量、可溶性糖含量较高和还原糖含量适中的特点；
第3 类和第4 类为综合品质较差的材料，包括S4、S7、S9、S13 和S15，共5 个品种，占供试材料总数的25.0%，总隶属函数值为0.593～1.219，这类材料普遍具有还原糖含量较高，蛋白质含量、淀粉含量、可溶性糖含量较低的特点，其中S13最突出。

图1 不同马铃薯品种品质性状的系统聚类分析Fig.1 Systematic cluster analysis on quality traits of different potato varieties

榆林市作为陕西省马铃薯的主产区，在确保该地区农业经济发展方面发挥着重要的作用。在本研究中，相比当地农户经常选择种植的品种定薯3号，其余19 个供试马铃薯品种的各个指标均存在很大差异，20 个马铃薯品种中单株块茎产量、蛋白质含量、淀粉含量、还原糖含量、可溶性糖含量的变异系数较大，分别达到46.76%、68.10%、50.07%、50.66%、64.79%，说明供试材料的这些指标通过遗传手段进行改良的潜力较大，这与闫海锋等[21]、王丹等[22]的研究结果类似，即后期可通过品种间杂交提高马铃薯综合品质，从而选育出较优良的种质。

马铃薯加工利用的方式不同，对马铃薯的品质要求存在一定的差异。马铃薯在我国的主要用途有种用、鲜食、淀粉生产、油炸食品加工及马铃薯全粉类食品加工。对于鲜食类的马铃薯有高蛋白质、高维生素C 含量等要求，在所供试的20 个马铃薯品种中老红皮较适合，其蛋白质含量和维生素C 含量均为供试品种中最高，出现这一结果的原因可能与马铃薯种植的环境和供试的品种类型有关[23-24]。用于淀粉加工生产的马铃薯要求淀粉含量在18%以上，对其他品质没有严格的要求[25-26]。在供试的马铃薯中没有淀粉含量在18%以上的品种，淀粉含量都普遍较低，不适宜用于淀粉加工生产，造成这种现象的原因可能与外界气候环境有关，较低温度会导致马铃薯中所积累的淀粉降解，还原糖含量增加，马铃薯块茎的代谢失衡，这就是所谓的“低温糖化”现象[27]，此过程的持续发生不仅会对马铃薯的淀粉生产造成不利影响，而且会严重影响马铃薯油炸食品的加工。在马铃薯的油炸食品加工过程中要求还原糖含量不超过0.3%，因为薯片在高温油炸的过程中，块茎中所含的还原糖将与游离氨基酸发生美拉德反应，随后产生丙烯酰胺，严重影响油炸薯片类食品的色泽、口感和品质[28-29]，但本研究中供试马铃薯品种的还原糖含量均较低，这与王秀康等[30]的研究结果相似。出现这一现象的原因可能与本试验的施肥量与灌水量有关。研究发现，灌水、施肥以及灌水与施肥的交互作用均显著影响马铃薯块茎中还原糖含量[31]。另外，造成还原糖含量较低的原因也可能与供试品种遗传特性有极大关系[32]。

目前，利用隶属函数法对作物营养品质进行综合评价的研究较多[33-35]。由于评价综合营养品质的指标过多，一旦直接利用所有指标进行综合营养评价会对评价结果造成很大偏差。本研究通过对供试的20 个马铃薯品种的6 个品质指标进行主成分分析，按照方差累积贡献率大于85%的原则，提取出了4 个主成分，即蛋白质含量、淀粉含量、可溶性糖含量、还原糖含量，所提取的主成分的贡献率逐渐减少，说明其对马铃薯营养品质综合表现的影响也依次递减，随后结合隶属函数和系统聚类分析，筛选出S1、S8、S12、S14、S17、S19 和S20 共7 个品质优良的品种。其中，S1 的淀粉含量和维生素C 含量较高，可作为菜用和淀粉加工的兼用种质；
S8 的蛋白质含量较高，还原糖含量较低，可作为全粉加工和油炸食品加工的兼用种质；
S12 的单株块茎产量和淀粉含量较高，可作为大规模推广种植的淀粉加工种质；
S14 和S20 的蛋白质含量较高，可用于全粉加工；
S19 和S17 的还原糖含量较低，可用于马铃薯油炸类食品加工，同时S17的单株块茎产量较高，可作为大规模推广种植的种质。