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基于模糊数学和聚类分析的香菇品种综合品质评价

2021-12-25刘芹孔维丽崔筱宋志波孔维威康源春张玉亭

中国瓜菜 2021年11期
关键词:模糊数学聚类分析香菇

刘芹 孔维丽 崔筱 宋志波 孔维威 康源春 张玉亭

摘    要:为筛选出适合河南地区种植的香菇品种,以河南省食用菌种质资源库近年选育和引进的43个香菇品种为研究对象,对其14个生物经济学指标进行统计分析,运用模糊数学和聚类分析的方法建立综合评价体系。结果表明,不同香菇品种间鲜菇总产量、外观和开伞难易差异较大,内在品质方面差异较小。结合模糊数学评判和聚类分析,43个品种可以划分为4个类群:综合品质优良的豫香1号、雨花3号、南山N12等7个品种聚为I类,综合品质较差的香分N1、夏1、朕迪ZSL-6等9个品种聚为IV类,其他综合品质中等的品种分别聚为II和III类。研究结果可为其他食用菌的品质评价提供借鉴,并为河南省香菇优良种质的创制和开发提供部分可利用的资源。

关键词:香菇;品种;综合品质;模糊数学;聚类分析

中图分类号:S646.1+2 文献标志码:A 文章编号:1673-2871(2021)11-037-10

Comprehensive quality evaluation of Lentinula edodes using fuzzy mathematics and cluster analysis

LIU Qin, KONG Weili, CUI Xiao, SONG Zhibo, KONG Weiwei, KANG Yuanchun, ZHAGN Yuting

(Institute of Plant Nutrition, Agricultural Resources and Environmental Science, Henan Academy of Agricultural Sciences, Zhengzhou 450002, Henan, China)

Abstract: The purpose is to select the suitable Lentinula edodes varieties for planting in Henan Province. In this study, 14 bioeconomic indicators of 43 common cultivated species of Lentinula edodes were analyzed. Fuzzy mathematics and cluster analysis were used for establishing comprehensive evaluation system. The results showed that coefficients of variation of yield, external quality-related indexes and umbrella's opening difficulty indexes of fruiting body were larger, while coefficients of variation of internal quality-related indexes were lower. Combined with fuzzy mathematical evaluation and cluster analysis, the 43 species can be divided into four groups: seven species including Yuxiang 1, Yuhua 3, Nanshan N12, etc., with superior quality were clustered into group I. Nine species including Xiangfen N1, Xia 1, Zhendi ZSL-6, etc., with the worst quality were assigned into group IV.The other species with moderate quality were clustered into groups II and III. The results of this study can provide reference for the quality evaluation of different varieties of edible mushrooms, and also provide some available resources for the creation and development of high-quality germplasm of L. edodes in Henan province.

Key words: Lentinula edodes; Species; Comprehensive quality; Fuzzy mathematics; Cluster analysis

香菇Lentinula edodes (Berk.) Pegler,隸属于担子菌门(Basidiomycota)、蘑菇亚门(Agaricomycotina)、蘑菇纲(Agaricomycetes)、蘑菇目(Agaricales),类脐菇科(Omphalotaceae),微香菇属(Lentinula)[1]。香菇在我国具有悠久的栽培历史,风味独特、肉质鲜美、营养丰富,长期食用能够提高身体免疫力、防病健身,故有“菇中皇后”的美誉[2-4]。河南香菇年产量居全国第一,2019年河南省年产食用菌541万t,产值达397亿元,其中香菇产量312万t,占全国香菇年产量的28%[5]。卢氏、泌阳、南召、淅川、灵宝、嵩县、西峡等贫困山区是全国重要的香菇产区,种植规模约20亿棒[6]。

食用菌具有生长周期短、经济效益高的优点,河南省73.6%贫困县把食用菌产业作为脱贫攻坚的主要抓手[7]。良种对食用菌丰产、稳产具有至关重要的作用,是食用菌产业可持续发展的基础和动力[8]。我国食用菌品种选育刚刚起步,自主选育的香菇等品种远远满足不了市场需求,生产中栽培面积最大的香菇品种9608在生产中应用已经超过15年,菌种退化,产量下降。适宜秋栽、夏栽的60 d及90 d短菌龄优良品种缺乏,适宜周年栽培的品种严重不足。随着食用菌产能的扩大,对不同功能的优良品种的需求量越来越大,迫切需要加快香菇短菌龄抗高温夏栽、中菌龄广温型秋栽高产品种的选育进程,填补省内市场需求空白。

雜种优势是优良品种选育的基本原则之一。对亲本综合品质的评价是预测亲本优势,准确快速筛选优良亲本自交系,减少育种工作量的前提基础[9]。目前,对食用菌种质资源的分析和评价主要集中于分类鉴定、简单外观评价,而包含外在品质、内在品质、耐贮性等指标在内的综合评价较少[10]。模糊数学是将矩阵评判和模糊理论结合起来,对于综合问题的评价具有良好的效果[11-12];聚类分析已广泛应用于农作物种质资源类群的划分[13-16]。刘芹等[17]、刘美迎等[18]将这2种方法联合用在平菇、葡萄等的研究中,构建新的农作物综合品质评价体系,为后续优良品种的创制奠定基础,进而提高育种效率[9]。笔者在本研究中利用模糊数学和聚类分析方法对河南省食用菌种质资源库现存的43个香菇品种进行综合评价和类群划分,旨在筛选出综合性状优良的香菇品种,为筛选杂交亲本、创制优良新种质提供参考。

1 材料和方法

1.1 试验地点

该试验于2020年2—11月进行,地点位于河南省农业科学院原阳二基地。

1.2 材料

供试品种共43个,均保藏于河南省食用菌种质资源库,编号及名称见表1。

1.3 方法

1.3.1 香菇栽培 有以下各环节。

(1)培养料配方:木屑78%,麸皮20%,石膏2%,含水量约55%。

(2)装袋:将木屑加入同样质量的水提前1 d预湿,然后混入麸皮、石膏搅拌均匀,加入清水反复翻拌3~4次,使水分均匀吸收。机器装袋,采用15 cm×60 cm×0.006 cm的聚乙烯袋,每袋装干料1.25 kg,每个品种设置3组重复,每组重复30袋,每个品种90袋。

(3)灭菌、接种:110 ℃高压蒸汽灭菌8 h,菌袋冷却后无菌打孔接种,每个菌袋打4个穴孔,接种量约为干料质量的3%,接种后套上外膜袋。

(4)发菌培养:在发菌室进行菌丝培养,保持室内温度(25±2)℃,空气相对湿度50%~70%,CO2浓度 ≤ 0.3%,黑暗或弱光。

(5)出菇管理:菌袋转色完毕,脱袋排架,进入出菇管理期,保持棚内湿度80%~90%,温度20~28 ℃,10月中旬开始采收第一潮菇(七成熟),记载子实体性状、鲜菇产量等。

1.3.2 香菇各项生长指标的测定 有以下各项:

(1)子实体内在品质分析:分析100 g干子实体内粗纤维、脂肪、粗多糖、氨基酸及蛋白质含量。氨基酸含量依据GB 5009.124—2016《食品中氨基酸的测定》进行测定;蛋白质含量依据GB 5009.5—2016《食品中蛋白中的测定》进行测定;粗纤维含量依据GB/T 5009.10—2003《植物类食品中粗纤维的测定》进行测定;粗多糖含量测定依据NY/T 1676—2008《食用菌中粗多糖含量的测定》进行测定;脂肪含量测定依据GB 5009.6—2016《食品中脂肪测定》进行测定。

(2)子实体外在品质测定:测定指标分别为菌柄直径、菌盖直径、菌柄长度、菌盖厚度、菌柄形状。具体方法如下:

菌柄直径:(菌柄的最大直径+菌柄的最小直径)/2,cm;

菌盖直径:十字法量取菌盖的直径,求其平均值,cm;

菌柄长度:菌柄顶端到底部的距离,cm;

菌盖厚度:沿切去菌柄后的菌盖中心纵向切开后,量取菌柄着生处菌肉厚度,cm;

菌柄形状:按上下等粗(1级)、上粗下细(2级)、上细下粗(3级)3个标准划分。

(3)产量测定:鲜菇总产量:每个品种均采收第1潮、90个栽培袋所获得的鲜菇总质量,kg。

(4)耐贮性测定:测定指标分别为菌盖硬度、子实体开伞难易和菌柄硬度。具体方法如下:

菌盖、菌柄的硬度:按照NY/T 2560—2014《植物新品种特异性、一致性和稳定性测试指南 香菇》进行描述,硬度性状表现可分为3级,硬(1级)、中(2级)和软(3级);

开伞难易:将采收后的香菇贮藏于4~5 ℃环境中,观察开伞情况。根据开伞时间分为3级:不易(1级):5~7 d开伞、中(2级):3~5 d开伞和易(3级):0~3 d开伞。

1.3.3 香菇品种模糊综合评价模型的建立 有以下步骤:

(1)判断矩阵构建及一致性检验:参考刘芹等的方法[17]构造层次结构模型。根据划分评价因子的层次类别关系,将层析结构分为4层(图1):第1层为目标层(A),为品质综合评价;第2层为准则层(B),记为B={B1,B2,B3,B4},B1为香菇内在品质,B2为香菇外在品质,B3为香菇产量性状,B4为香菇耐贮性;第3层为指标层(X),为影响香菇品质的因素,记为X={X1,X2,X3,X4,…,X14};第4层为方案层(Y),为不同的供试香菇品种,记为Y={Y1,Y2,Y3,Y4,…,Y43}。依据上述测定的数据和食用菌专家的意见,分别进行X-B、B-A间因素两两比较矩阵的构建,当矩阵一致性比例CR值小于0.1时,说明该矩阵一致性较好,矩阵可用。

(2)组合权重系数计算[17]X层上第j元素对目标层A的组合权重向量S根据公式(1)计算:

Sj =(p1,p2,…,pk) × wj                                                              (1)

式中:pk为B层上第k个准则相对于目标层A的权重向量;wj表示X层第j个元素对所属准则层Bk的权重向量。

(3)模糊品质综合评定将上述14个生物经济学指标测定的原始数据进行极差标准化处理。各香菇品种的综合评价得分表示为:

Ri=Yij×Sj                                        (2)

式中:Ri为第i组的供试品种品质指标的综合评定指数;Yij为第i组供试样品的第j个评价因子标准化结果;Sj为第j个因素的组合权重[17-18]。

1.3.4 供试品种的聚类分析 采用离差平方和(Ward)法,以筛选的14个生物经济学性状指标为依据,对43个香菇品种进行聚类分析[18]。

1.4 数据处理

利用Microsoft Excel 2016构建判断矩阵及进行一致性检验,运用Matlab R2017b计算权重,采用SPSS 20.0进行聚类分析。

2 结果与分析

2.1 不同品种香菇生物特性及品质指标评价

2.1.1    子实体外观品质    有以下几个指标:

(1)菌盖:43个供试品种的菌盖平均直径为5.28 cm,平均厚度为1.32 cm,其中香25的菌盖平均直径最大为7.40 cm,沪农1号的菌盖平均直径最小为3.60 cm。朕迪CGL-9、朕迪DM-18和香1024的菌盖厚度最大为1.75 cm,灵仙13菌盖最薄为0.60 cm(图2)。

(2)菌柄:43个供试品种中,菌柄形状上下等粗(1级)的为:农香1号、香28、香9608、香8081、香9312、L18、武香N12、申香215、韩香1号、南山N12、沪农1号、庆元2号、香8082、L8084、朕迪ZSL-6、朕迪CGL-9、朕迪DM-13、朕迪DM-18、灵仙11、灵仙13、灵仙14、南山N11、卢香、夏1、香808、香931、香ZX-4、香升龙1-1、香856和香泌阳252;上粗下细(2级)的为:香LS1、雨花3号、香泌阳152、香分N1、豫香1号;上细下粗(3级)的为:农香3号、香1024、香25、香087、香LS12、香泌阳253、939 N12、朕迪CGL-10。菌柄平均直径为1.44 cm,平均长度为4.09 cm,其中香LS 12的菌柄直径最大为2.40 cm,香ZX-4菌柄最细为0.70 cm。而香9312、武香N12和香LS 12的菌柄最长为6.25 cm,庆元2号的菌柄最短为1.70 cm(表2)。

2.1.2    子实体耐贮性    供试的43个品种中,菌盖和菌柄均硬(1级)的为香LS1、雨花3号、韩香1号、朕迪DM-18、香分N1、夏1;菌盖和菌柄硬度中(2级)的为农香1号、香9312、申香215、沪农1号、朕迪DM-13、灵仙11、香808、香931;菌盖和菌柄软(3级)的为L18、香LS12、泌阳253、朕迪CGL-10。子实体不易开伞(1级)的为农香1号、农香3号、香8081、香9312、香LS1、雨花3号、韩香1号、南山N12、L8084、939 N12、香泌阳152、朕迪CGL-9、朕迪CGL-10、朕迪DM-13、豫香1号、香升龙1-1、香泌阳252;易开伞(3级)的为L18、香25、香087、香ZX-4、香856。因此,韩香1号、雨花3号和香LS1菌盖和菌柄质地较硬且不易开伞,而L18菌盖和菌柄质地均较软且容易开伞(表2)。

2.1.3    子实体内在品质    由表2可知,各品种之间的内容物含量有较大的的差异,其中朕迪DM-13具有最高的氨基酸含量(w,后同)(20.01 g·100 g-1)和蛋白质含量(26.80 g·100 g-1),而农香3号的氨基酸和蛋白质含量最低,分别为10.96 g·100 g-1和16.60 g·100 g-1。供试的43个品种香菇的粗纤维和粗多糖平均含量分别为7.14 g·100·g-1和5.06 g·100 g-1,其中香9608的粗纤维含量最高(10.80 g·100·g-1),豫香1号的粗纤维含量最低(4.60g·100·g-1);粗多糖含量最高的是豫香1号(9.44 g·100 g-1),最低的是农香1号(3.39 g·100 g-1)。供试香菇子实体平均脂肪含量为1.25 g·100 g-1,最高的是香LS1、香25、L8084、朕迪CGL-10、香808(1.60 g·100 g-1),最低的是香9608、香8081、灵仙14(0.90 g·100 g-1)。

2.1.4    产量    由表2可知,43个供试品种第一潮菇平均总产量为9.76 kg,其中豫香1号的产量最高为22.10 kg,香分N1的产量最低为0.20 kg。

2.2 主要经济学性状指标变异系数

由表3可知,不同香菇品种间鲜菇总产量的差异最大(64.52%),其次为菌柄形状、菌柄硬度、開伞难易和菌盖硬度,其变异系数分别为53.61%、46.48%、39.69%和33.49%,表明香菇不同品种在产量、菌柄形状、菌肉质地等方面差异较大。不同香菇品种间氨基酸含量的变异系数最小(13.37%),说明不同香菇品种间氨基酸含量的差异较小。

2.3 层次单排序及判断矩阵的一致性检验

由表4~7可知,所有比较矩阵的CR<0.1,表明各因素的权重赋值符合要求,所有矩阵一致性合理。

2.4 层次总排序

组合权向量组成的权重集Sj=(0.076 9,0.180 1,0.032 0,0.180 1,0.032 0,0.159 1,0.032 9,0.032 9,0.011 0,0.016 8,0.016 8,0.040 4,0.094 5,0.094 5)。CR组合= 0.012 4<0.1,表示组合权向量一致性合理,层次总权重排序结果可靠。

2.5 模糊综合评价香菇品质

由表8可知,豫香1号、韩香1号、雨花3号、南山N12、香LS1、朕迪DM-13这6个品种综合得分均大于0.65(一级),尤其是在外观品质、产量、氨基酸和蛋白质含量方面具有较为突出的表现,是优良的香菇栽培品种;939 N12、南山N11、朕迪DM-18、香泌阳152、香808、香8081、农香1号、朕迪CGL-9、申香215、香泌阳252、卢香、香1024、香856、香9312、香LS12、香25、武香N12、香升龙1-1、香8082、L8084、灵仙11、香931、夏1综合得分居0.50~0.65之间,得分比较高(二级);而香ZX-4、L18、灵仙14、香087、香泌阳253、香9608、庆元2号、沪农1号综合得分处于0.40~0.50之间,得分较低(三级);香分N1、灵仙13、香28、朕迪CGL-10、农香3号和朕迪ZSL-6综合得分为0.30~0.40,得分低(四级),其在外在品质、产量和内在品质方面的表现较差,其中朕迪ZSL-6的综合得分最低。

2.6 供试品种的聚类分析

由图3可知,在欧氏距离为10时,43个香菇品种可划分为4大类群:其中第I类群包括豫香1号、雨花3号、南山N12、香8081、韩香1号、香LS1、939 N12,这7个品种在子实体外观、产量、开伞难易、氨基酸和蛋白质含量等方面相似,在模糊评价中得分较高,综合品质方面较为突出。第Ⅱ类群包括卢香、香808、香8082、香泌阳252、香9608、香泌阳253、香9312、香升龙1-1、L18、香856、L8084、武香N12、南山N11、香25、香ZX-4、农香1号、香LS12、灵仙13,这18个品种的菌盖直径、菌盖硬度、粗纤维含量等指标表现出相近的趋势,因此聚类在一起。第Ⅲ类群所包含的品种为香泌阳152、朕迪DM-18、香931、香1024、朕迪CGL-9、灵仙11、灵仙14、申香215、朕迪DM-13,此9个品种在菌柄长度、菌盖厚度及脂肪含量等方面较为类似,故归为一类。第Ⅳ类群包括9个品种,分别为香分N1、夏1、朕迪ZSL-6、香28、庆元2号、沪农1号、香087、农香3号、朕迪CGL-10,此类品种在菌盖厚度及直径、粗多糖和氨基酸含量等方面表现较差而归为一类。

3 讨论与结论

本研究中,43个香菇常规栽培品种的14个生物经济学性状具有较为显著的差异。通过分析各指标的变异程度发现,鲜菇总产量变异系数最大,说明产量变化的多样性来源于品种间的差异[17-18],其中具有高产丰产特性的豫香1号、南山N12、韩香1号、雨花3号是非常有潜力的栽培品种。其次菌柄形状的变异系数也较大,菌柄硬度、开伞难易和菌盖硬度的变异系数相对较小,说明子实体外观、质地在不同品种间的差异较小,其中豫香1号属于菌盖厚且质硬、不易开伞、菌柄形状为上粗下细的品种。

优质食用菌评价标准一般包括外形美观、菌盖厚、菌肉质地硬、丰产、耐贮性好、氨基酸含量高等[3,19]。香菇综合品质衡量是多项指标的综合评价,以往香菇品质的评价指标主要包括菌盖厚度、菌肉质地、产量等,很少涉及氨基酸、粗多糖含量等內在品质指标,因而无法满足栽培者对香菇内在品质的要求。评价因子及其权重的确定是正确进行品质评价的基础[20-22]。随着人们对健康食品要求的日益增加,香菇的内在品质也成为影响栽培者种植和消费者选购的重要因素。香菇中含有大量的纤维素、氨基酸和蛋白质。蛋白质含量是食用菌营养价值的重要评判指标,氨基酸尤其类味精(Monosodium glutamate-like)氨基酸(谷氨酸和天冬氨酸)的存在有助于食用菌特征风味的形成[3]。而丰富的粗纤维有助于现代“文明病”如便秘、肥胖症等的防治,但是粗纤维含量过高会影响口感,比如菌柄纤维素含量较菌盖高而口感差,因此纤维素的权重值低于氨基酸和蛋白质。此外,香菇多糖具有较高的医疗和保健价值,因此其权重值相应的也较高[3, 23]。香菇的耐贮性和菌肉质地和开伞难易有着密切的关系,质地较硬的香菇品种较耐贮藏,不易开伞的品种不仅贮藏性好,而且外观好。因此笔者在本研究中将菌肉质地和开伞难易作为评价香菇耐贮性的指标。此外,产量是香菇栽培者选种的重要判定指标,品种优劣与产量高低密切相关,因而将产量作为一项重要的评价指标[18]。

本研究中根据市场对香菇品质指标的要求,结合优良品种选育目标,在指标选择和矩阵赋值上合理变动,确定了香菇综合品质评价指标的权重赋值,合理量化了14个生物经济学指标对香菇综合品质的影响程度,并将这14个评价指标归类为4个方面的影响因素,分别为外在品质、内在品质、耐贮性和产量[24]。然后,采用模糊数学结合聚类分析的方法对河南省食用菌种质资源库现存的43个香菇常规栽培品种进行综合评价和类群划分,并获得较为一致的结果:综合品质优良的豫香1号、雨花3号、南山N12、韩香1号、香LS1、939 N12、香8081聚为I类,综合品质较差的香分N1、夏1、朕迪ZSL-6、香28、庆元2号、沪农1号、香087、农香3号、朕迪CGL-10聚为IV类。其他综合品质中等的品种分别聚为II和III类。

种质资源的综合评价是遗传育种的前提和基础[13]。当前的育种研究中,通过分析和评价农作物的表型性状可以预测其自交系间的杂种优势。李晔等[9]认为虽然目前对于表型评价能否反映真实的遗传差异仍存在分歧,但这可能与评价所选用依据及数量、算法、所选品种及其生长环境有一定关系。笔者在本文中所选用的43个香菇品种的亲缘关系尚未清楚,所以无法确定此次评价结果能否反映品种间真实的遗传差异。但表型性状是遗传因素和环境因素相互作用的结果,在一定程度上会反映香菇不同品种间的遗传差异。笔者采用模糊数学和聚类分析的方法对香菇表型性状进行评价和归类虽然不一定与真实亲缘关系吻合,但仍可作为香菇杂交育种工作中优秀亲本选择的重要依据。因此,笔者将会在后续研究中以此次工作为基础,进行香菇优良品种选育,以期获得河南省香菇杂优模式,提高优良种质创制效率,实现河南省食用菌产业的高质量发展。

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