表1 鲜食玉米样品信息
Table 1 Information of corn samples
牛丽影，刘春菊，李大婧，宋江峰，刘春泉*
(江苏省农业科学院 农产品加工研究所，江苏 南京，210014)
摘 要 对在乳熟期至蜡熟期3次采收的甜玉米(S1-3)、糯玉米(W1-3)和常规玉米(C1-3)氨基酸含量变化进行了比较，并采用化学评分值对营养进行了分析。结果表明，3种玉米在各采收期含量最高的氨基酸均为谷氨酸，其次为丙氨酸、亮氨酸、和天冬氨酸。9个样品17种氨基酸的相关性分析结果显示，除半胱氨酸外，其他氨基酸之间均表现为正相关关系。通过主成分分析提取了2个主成分，分别解释总变量的83.2% 与13.2%。在主成分得分二维图上，糯玉米在主成分1方向介于甜玉米和普通玉米之间，在主成分2方向则按采收期顺序排列S3>S2>S1, W3>W2>W1, C3>C2>C1。结合各氨基酸在2个主成分上的载荷分析，主成分1提取的信息主要反映品种间氨基酸含量S>W>C的差别；主成分2则显示了3种玉米随采收期延迟氨基酸变化的共同点，主要表现为半胱氨酸含量的上升与丙氨酸含量的下降。另外，样品间化学评分差值最大的为含硫氨基酸，C3为最高值，S1为最低值。分析结果为鲜食玉米风味和营养评价及利用提供借鉴。
关键词 鲜食玉米；采收期；氨基酸；相关性分析；化学评分
DOI:10.13995/j.cnki.11-1802/ts.017909
第一作者：副研究员(刘春泉研究员为通讯作者，E-mail：liuchun quan2009@163.com)。
基金项目：江苏省农业科技自主创新资金项目[CX(17)2013]
收稿日期：2018-05-29，改回日期2018-07-30
我国鲜食玉米经过几十年的选育工作，品种已达数百个，并且类型多样[1]，适宜鲜食的玉米根据胚乳特点划分主要有甜玉米和糯玉米[2]。鲜食玉米相比常规玉米，多具有水润、甜嫩、青香等特点，或糯或脆，广受消费者喜爱。鲜食玉米往往比常规玉米具有更多的可溶性糖含量和甜味[3-4]，氨基酸作为重要的营养风味指标也得到广泛的关注，不同类型及品种的鲜食玉米氨基酸含量存在显著的差异[5-8]。鲜食玉米大多以乳熟中期为适宜的采收时间[9-10]，此时具有丰富的水分和最高的可溶性糖含量，但是鲜食玉米发育过程中可溶性糖与氨基酸的变化趋势并不一致[5, 11]。另外，玉米作为谷物普遍以赖氨酸为第一限制氨基酸[12]，但部分甜玉米品种的赖氨酸质量分数可以高于0.4%[13-14]，为高赖氨酸类型，营养价值较高。
主成分分析法(principal component analysis, PCA)，是将多个变量通过线性变换为具有代表性的少数几个变量，从而更加简单的反映不同样品间差异的一种多元统计分析方法[15]。被广泛应用于产地[16]、品种[17]、贮藏[18]、加工[19]等因素导致的变化和差异，并可通过指标和样品在主成分二维或三维图中的聚集和分散，简洁直观地展示样品及指标间的相关性及变化差异关系[15-19]。
在鲜食玉米生产中受气候影响以及个体发育速度的差异，会存在部分鲜食品质欠佳(或早或晚于适采期)的玉米个体。本研究对分属于甜玉米、糯玉米、常规玉米的3个品种玉米在乳熟初期至蜡熟期进行3次采收，对氨基酸的组成和含量变化进行了比较和探讨，并通过相关性分析和主成分分析研究了不同类型玉米随采收期延迟氨基酸含量变化的共性与特性，最后采用化学评分法对样品氨基酸营养特点进行了分析，为从氨基酸角度对鲜食玉米的利用提供了参考。
甜玉米(晶甜5号)、糯玉米(京甜紫花糯2号)及常规玉米(苏玉29)采自江苏省农业科学院六合基地，样品的采收时间与编号见表1。将新鲜采收的玉米手工分离玉米粒，液氮速冻，然后真空冻干，打粉备用。
表1 鲜食玉米样品信息
Table 1 Information of corn samples
氨基酸的测定参照GB/T18246—2000方法,采用L-8900日立氨基酸自动分析仪以及盐酸水解及茚三酮柱后衍生法进行分析测定。
1.3.1 氨基酸含量比较
采用JMP 10.0进行单因素方差分析(Tukey HSD法计算差异显著性)、多元相关性分析以及主成分分析。
1.3.2 营养价值的评定
以FAO/WHO推荐的必需氨基酸模式作参比，采用比值系数法计算化学评分(CS)[20]。
(1)
CSi为第i种氨基酸的CSi评分值。
如表2所示，共检测出17种氨基酸。样品中含量最高的氨基酸均为谷氨酸(>10 mg/g)，其次为丙氨酸、亮氨酸和天冬氨酸。S1-3和W1的天冬氨酸含量显著高于其他样品，谷氨酸含量则以S3最高。甜玉米中谷氨酸含量随生长期延长表现出上升趋势(S1<S2<S3)，而糯玉米则相反，呈现下降趋势(W1>W2>W3)，常规玉米变化不显著。据报道[21]，鲜食玉米的氨基酸含量以干重计，含量最高的为谷氨酸，但是甜玉米中游离的氨基酸却是甘氨酸含量最高[22]。天冬氨酸和谷氨酸是重要的鲜味氨基酸，是番茄[23]、蘑菇[24]等果蔬鲜味的特征成分。
表2 鲜食玉米中氨基酸含量比较
Table 2 Comparison of amino acids contents in fresh edible corns
注：同行标有不同字母表示差异显著，P<0.05为差异显著。
人对鲜味的感知往往基于溶液中游离态的成分，鲜食玉米虽然富含水分，但往往以固态形式食用，是否对鲜味有贡献仍待分析。丝氨酸与甘氨酸在3种玉米中随采收期延迟变化趋势类似，2种氨基酸在甜玉米中的最高值均出现在S3, 在糯玉米和常规玉米中最高值则分别出现在W1和C1中。丙氨酸在3种类型玉米中均为采收越晚，含量越低；半胱氨酸则相反，采收越晚的样品含量越高。组氨酸、精氨酸、脯氨酸在甜玉米中表现为采收越晚，含量越高，而在糯玉米中则随采收期延迟呈依次下降趋势。随采收期变化氨基酸总量表现为S1≈S2<S3, W1>W2>W3，C1≈C3>C2，而对于不同玉米品种，甜玉米>糯玉米>常规玉米的特点与崔彦宏等[25]的报道一致。
对必需氨基酸含量变化进行分析可发现，甜玉米中必需氨基酸总量随采收期延迟呈上升趋势(S1<S2<S3)，这个上升趋势来自于缬氨酸、苏氨酸、蛋氨酸、亮氨酸、酪氨酸、苯丙氨酸、异亮氨酸7种氨基酸含量的上升，仅有赖氨酸出现下降现象。糯玉米的必需氨基酸总量随采收期延迟变化趋势与甜玉米相反，呈下降趋势(W1>W2>W3)，并且是8种氨基酸均表现为下降趋势。但是，常规玉米总必需氨基酸表现为C1>C2≈C3，其中蛋氨酸、亮氨酸、酪氨酸在3个采收期未表现出显著差异。从总必需氨基酸在氨基酸中的比例分析，总氨基酸含量最低的C2比值最高，并且大体表现为甜玉米≤糯玉米≤常规玉米，与氨基酸总量的趋势相反。
各样品氨基酸的相关性分析图如图1所示，可以看出相关性阵列中主要为正相关关系(r >0),只有半胱氨酸(Cys)与13种氨基酸表现出负相关关系(蛋氨酸、组氨酸、脯氨酸、亮氨酸除外)。从主成分分析的结果(图2)看，主成分1解释了总变量的82.2%，在主成分1上，样品的排列顺序与氨基酸总量由大到小一致，总体表现为甜玉米>糯玉米>常规玉米。除半胱氨酸与丙氨酸外，其他氨基酸的聚集体现了氨基酸之间正相关关系。主成分2解释总变量的13.2%，在主成分2方向，3种类型的玉米均按照采收期顺序排列，半胱氨酸在主成分2上的载荷最高，体现了3种玉米发育中半胱氨酸随采收期延迟含量增加的共同特征。S1与丙氨酸最为接近则体现了S1丙氨酸含量最高的特点。总体而言，主成分分析的结果可以更为直观、清晰地显示样品和指标的关系。
图1 17种氨基酸含量的相关性分析
Fig.1 Heatmap of correlation analysis based on 17 amino acid contents
A-得分图；B-载荷图
图2 9个样品17种氨基酸的主成分分析图
Fig.2 PCA plots of the 17 amino acids in 9 samples
FAO/WHO/UNU联合专家委员会人类蛋白和氨基酸营养需求[20]包括组氨酸、色氨酸在内的11种氨基酸，其中蛋氨酸与半胱氨酸之和记为含硫氨基酸，苯丙氨酸与酪氨酸之和记为芳香氨基酸。根据其推荐的成人需求量数据，计算得CS值见表3。所有样品均以组氨酸的CS值最低，亮氨酸则是唯一高于推荐值(CS>100)的氨基酸，芳香氨基酸CS评分仅次于亮氨酸。据报道，赖氨酸在普通玉米中为第一限制氨基酸，玉米籽粒蛋白质组分中赖氨酸含量在4 mg/g以上的为优质蛋白玉米[26]，而且普通玉米的赖氨酸含量随灌浆时间延长呈下降趋势[12]。此研究中的甜玉米S1-3和W1的赖氨酸含量高于4 mg/g，但CS值仍然偏低，并且3种玉米赖氨酸的化学评分均表现为随采收期的延迟呈下降趋势。刘鹏[27]的研究认为不同胚乳类型玉米籽粒发育的不同时期籽粒中的第一限制性氨基酸均为赖氨酸，本研究显示3种胚乳类型的玉米组氨酸为第一限制氨基酸而非赖氨酸，这可能与品种和采收期有关，或者未将组氨酸作为必需氨基酸进行分析。另外，样品间含硫氨基酸的化学评分差值最大，最低值出现在S1(分值27)，最高值出现在C3(分值70)。对于同一玉米品种，异亮氨酸、苏氨酸、缬氨酸的CS值在不同采收期变化较小。
表3 不同采收期的3种玉米中必需氨基酸的化学评分
Table 3 Chemical scores of the three cultivars at different harvest time
在对鲜食玉米氨基酸的组成与变化的报道中，玉米的品种、发育阶段范围、氨基酸的测定方法多有不同，得到的结果也有所不同。研究结果普遍显示甜玉米中氨基酸含量高于普通玉米[5]，刘鹏[27]研究显示总氨基酸含量在授粉后20～30 d均表现为普通玉米>糯玉米>甜玉米，在授粉后20 d必需氨基酸比例为糯玉米>普通玉米>甜玉米。另外，不同的氨基酸在玉米成熟过程中积累变化不同，如蛋白态氨基酸和总氨基酸的积累速率与游离氨基酸相反[5]。甜玉米有超甜、普甜、增强型几个类型，并且品种众多，但是大多在乳熟初期总氨基酸含量最高，并且以干基水解方法测得含量最高为谷氨酸[6, 11, 21]，游离氨基酸则以丙氨酸含量最高[22]；鲜食期糯玉米则无论是水解氨基酸[8]还是游离氨基酸[28]，谷氨酸均为含量最高的氨基酸。SANDERSON等[29]在对3个品种的甜玉米的研究中发现，授粉15、30、50 d籽粒中丙氨酸含量依次下降，而半胱氨基含量依次上升。本研究中甜玉米在授粉19～34 d也表现出与上述报道[29]相同的变化趋势。但是，本研究中总氨基酸和必需氨基酸含量表现为甜玉米>糯玉米>普通玉米，3种玉米随采收期延迟表现出3种变化趋势，与刘鹏[27]的研究结果不同，玉米的多样性和发育阶段的差异性说明为实现鲜食玉米的充分有效利用，针对特定品种开展相关成分变化研究是有必要的。
PCA是一种转换向量空间的方法，常用于多样品多指标的比较，往往可以使主要结果更为简明和直观[15]，PC1是对总方差贡献最大的主成分，本研究结果显示，糯玉米在PC1上的得分位于常规玉米和甜玉米之间，说明玉米类型上的差异为最主要的差异；而在PC2上的得分3种玉米均按采收期顺序排列，说明PC2主要体现了发育程度的差异，半胱氨酸在PC2上的载荷为正值而丙氨酸为负值，体现了这2种氨基酸随采收期的变化呈相反趋势的特点，对应相关性分析的数据(图1)。从必需氨基酸含量来看，必需氨基酸含量变化与总氨基酸含量变化一致，为S>W>C，但是必需氨基酸在总氨基酸中的比例变化则相反，即氨基酸含量最高的甜玉米中必需氨基酸的比例最低(表2)。另外，9个样品中S1的含硫氨基酸的CS评分最低，赖氨酸的CS评分却是最高的(表3)。在实际生产中需根据应用目的来选择合适的玉米类型和采收期，或者通过混合搭配来提高利用效率。
对3个玉米品种中17种氨基酸在乳熟期至蜡熟期之间的变化进行了分析比较，结果显示，(1)不同玉米类型间氨基酸含量上差异显著，甜玉米的氨基酸总量和必需氨基酸总量均高于糯玉米和常规玉米，但是必需氨基酸在总氨基酸中的比例则以甜玉米最低；(2)3个采收期的3种玉米氨基酸变化差异显著，但3种玉米随采收期延迟变化趋势各不相同，说明了针对性研究的必要性；(3)3种玉米均随采收期延迟甘氨酸含量下降以及半胱氨酸含量上升，而且半胱氨酸含量最高的最晚采收的常规玉米的CS评分最高；(4)相关性分析色图和主成分的二维图谱有助于直观分析17种氨基酸变化的相关性和玉米样品的变化和差异性。
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NIU Liying, LIU Chunju, LI Dajing, SONG Jiangfeng, LIU Chunquan*
(Institute of Farm Product Processing, Jiangsu Academy of Agricultural Sciences, Nanjing 210014, China)
ABSTRACT Amino acids contents in three fresh-edible corns harvested at three different times from milk stage to dough stage (sweet corn S1-3, waxy corn W1-3, common corn C1-3) were analyzed. The chemical score of amino acids were calculated for nutritional analysis. The results showed that in all samples, Glu was the most abundant amino acid, followed by Ala, Leu, and Asp. Correlation analysis based on seventeen amino acids in nine samples showed that amino acids were all positively correlated with each other, except Cys. Two principle components (PCs) were extracted and explained 83.2% and 13.2% of the total variance using principle component analysis (PCA). Waxy corn samples on PC1 located between sweet corn and common corn samples. Sample scores on PC2 were arranged according to their harvest time, i.e. C3>C2>C1, W3>W2>W1, and S3>S2>S1. By analyzing the loading data of amino acids on PC1 and PC2, the information extracted by PC1 mainly showed the differences in amino acid contents among different cultivars (S>W>C). Furthermore, PC2 indicated the common characters of amino acid changes during corn harvesting, which mainly showed as increasing in Cys and decreasing in Ala. Differences in chemical scores of samples showed that sulfur containing amino acids had the largest differences, with C3 had the highest value and S1 had the lowest. These results would be valuable to evaluate the flavor and nutritional values of fresh-edible corns as well as their utilization.
Key words fresh edible corn; harvest time; amino acid; correlation analysis; chemical score