小麥籽粒硬度及其對面粉加工品質(zhì)影響的研究進(jìn)展

吳宏亞， 蔣正寧， 王 玲， 程順和

(1.揚(yáng)州大學(xué)農(nóng)學(xué)院/江蘇省作物遺傳生理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/教育部植物功能基因組學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 揚(yáng)州 225009;2.江蘇里下河地區(qū)農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所，江蘇 揚(yáng)州 225007)

小麥籽粒硬度是小麥品質(zhì)育種和品質(zhì)研究的一個(gè)重要參數(shù)，也是小麥分類、分級和定價(jià)的重要評價(jià)指標(biāo)。在面粉制作過程中，籽粒硬度不僅影響磨粉能耗、潤麥加水量、出粉率等，而且是決定面粉顆粒大小、面粉粒度分布、破損淀粉數(shù)量及淀粉破損程度等的關(guān)鍵因素［1］。根據(jù)籽粒硬度，普通小麥分為硬質(zhì)小麥和軟質(zhì)小麥。硬質(zhì)小麥制粉時(shí)面粉淀粉粒破損較多，面粉較粗，面團(tuán)吸水率高，適合制作面包類食品。軟質(zhì)小麥制粉時(shí)淀粉粒破損小，面粉細(xì)膩，面團(tuán)吸水率較低，適合制作餅干類食品［2］。隨著硬度測試方法的日趨完善及其分子遺傳基礎(chǔ)的研究逐步加快，人們對小麥籽粒硬度遺傳機(jī)理的認(rèn)識也逐漸清晰。普通小麥籽粒硬度由主效基因控制，該基因位點(diǎn)位于5D染色體短臂上，軟質(zhì)對硬質(zhì)為顯性，能夠解釋60%左右的變異［3］。目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)籽粒硬度多種基因型，不同基因型具有不同的胚乳質(zhì)地，從而具有不同的加工品質(zhì)特性。

1 小麥籽粒硬度的形成機(jī)理及測定方法

1.1 籽粒硬度及其形成

小麥成熟胚乳主要由淀粉顆粒和貯藏蛋白構(gòu)成，淀粉粒在造粉體內(nèi)合成，被連續(xù)的蛋白質(zhì)基質(zhì)包圍［4］。胚乳成熟過程中，胚乳細(xì)胞呈現(xiàn)程序性死亡和脫水現(xiàn)象，蛋白質(zhì)被膜蛋白體融合并形成蛋白質(zhì)基質(zhì)，而淀粉顆粒仍舊相互作用并被殘留的造粉體膜所包圍，呈顆粒狀。自然成熟胚乳中淀粉粒和蛋白質(zhì)基質(zhì)的存在狀態(tài)及其相互作用是形成籽粒硬度的基礎(chǔ)［5］。目前有關(guān)籽粒硬度形成機(jī)理的觀點(diǎn)不完全一致，有研究認(rèn)為小麥籽粒硬度與蛋白質(zhì)基質(zhì)對淀粉粒的黏著作用有關(guān)，這種作用在硬質(zhì)麥中表現(xiàn)比軟質(zhì)麥強(qiáng)［4］;有學(xué)者用蛋白質(zhì)基質(zhì)的連續(xù)性來解釋籽粒硬度，他們認(rèn)為蛋白質(zhì)基質(zhì)的不連續(xù)會導(dǎo)致胚乳結(jié)構(gòu)強(qiáng)度發(fā)生變化［6］;也有研究人員認(rèn)為籽粒硬度的差異不僅歸因于蛋白質(zhì)基質(zhì)的連續(xù)性而且也與淀粉-蛋白質(zhì)的黏著性有關(guān)。由此可見籽粒硬度主要由籽粒中淀粉和蛋白質(zhì)基質(zhì)間的粘合力和包被淀粉顆粒的蛋白質(zhì)基質(zhì)連續(xù)性決定的。張瑞奇［7］利用掃描電鏡觀察結(jié)果顯示，軟、硬質(zhì)近等基因系籽粒糊粉層細(xì)胞無顯著差異，而胚乳顯微結(jié)構(gòu)差異明顯，軟質(zhì)近等基因系籽粒胚乳蛋白質(zhì)基質(zhì)與淀粉粒表面呈分離狀態(tài)，而硬質(zhì)近等基因系籽粒胚乳蛋白質(zhì)基質(zhì)與淀粉粒緊密結(jié)合。

1.2 籽粒硬度測定方法

破壞小麥籽粒所需的力有張力、壓力、剪切力和扭曲力，小麥籽粒硬度的測定就建立在研磨、壓碎、磨耗或壓痕原理之上。主要包括研磨時(shí)間法(Grinding time，GT)、顆粒指數(shù)法(Particle size index，PSI)、近紅外光譜法(Near infrared reflect，NIR)、單籽粒谷物特性測定儀法(Single kernel characterization system，SKCS)和電子顯微鏡直接觀測法(Scanning electron microscope，SEM)等。其中顆粒指數(shù)法、近紅外光譜法、單籽粒谷物特性測定法等應(yīng)用最為廣泛。顆粒指數(shù)法是先將一定質(zhì)量的小麥籽粒磨成粉，經(jīng)特定篩子篩一定時(shí)間后，計(jì)算篩后與篩前質(zhì)量的比值即是該樣品的PSI值。一般PSI小于16為硬麥，16～25為混合麥，大于25為軟麥。近紅外光譜測試法是近些年發(fā)展起來的一種快速、高效測試方法，可同時(shí)測定多個(gè)籽粒性狀，主要是利用波長1 680 nm和2 230 nm處兩個(gè)近紅外光的強(qiáng)吸收點(diǎn)建立模型進(jìn)行檢測，結(jié)果一般在0至100之間，數(shù)值越高，質(zhì)地越硬［8］。單籽粒谷物特性測定系統(tǒng)是利用壓力作用把籽粒壓碎，然后通過傳感器感應(yīng)力的大小確定樣品的硬度，可同時(shí)測定籽粒質(zhì)量(mg)、直徑(mm)、硬度指數(shù)(Hardness index，HI)和水分(%)，并用質(zhì)量、水分和溫度進(jìn)行修正。該方法測定值小于40為軟質(zhì)麥，大于60為硬質(zhì)麥，混合麥介于40～60之間。

2 小麥籽粒硬度的遺傳與分子機(jī)理

2.1 小麥籽粒硬度基因遺傳定位

Sourdille等對小麥籽粒硬度進(jìn)行QTL定位結(jié)果表明，除影響籽粒硬度主效QTL位點(diǎn)位于5DS上外，在染色體2A、2D、5A、5B、6D、7A 上發(fā)現(xiàn)存在微效 QTL 位點(diǎn)［9］;另外，在染色體 3A、3BL、1A、6D、6B和2B上也存在影響籽粒硬度的微效QTL位點(diǎn)［10-11］。李文福等檢測到控制硬度的2個(gè)加性效應(yīng)位點(diǎn)，分別位于2A和7D染色體上，qhd2A和qhd7D均具有單位點(diǎn)的加性效應(yīng)，可分別解釋3.77%和 7.90% 的表型變異［12］。Crepieux 等［13］研究表明，除位于5DS的Ha位點(diǎn)外，還檢測到另外一個(gè)QTL位于1DL上，并與Glu-D1位點(diǎn)緊密連鎖。Arbebide檢測到一個(gè)次效QTL與Glu-A3位點(diǎn)緊密連鎖，推測籽粒貯藏蛋白可能影響籽粒硬度［14］。

2.2 小麥籽粒硬度的分子機(jī)理

研究籽粒硬度的突破性進(jìn)展是Friabilin蛋白的發(fā)現(xiàn)。Greenwell等［15］第一次從水洗小麥淀粉表面分離出一種被命名為Friabilin的分子量為15 000的蛋白質(zhì)(后來被更正為13 000)，這種蛋白質(zhì)在軟麥的水洗淀粉中比較豐富，在硬麥淀粉中卻相對較少，而在硬粒小麥中完全缺失。Friabilin蛋白同時(shí)存在于軟麥和硬麥中，但與淀粉結(jié)合的程度因基因型的不同而有差異。Friabilin蛋白能夠軟化小麥胚乳，易與淀粉顆粒表面相互作用，且蛋白表達(dá)量與籽粒硬度呈顯著負(fù)相關(guān)［16］。Friabilin蛋白復(fù)合體主要由puroindoline a(PINA)、puroindoline b(PINB)、grain softness protein(GSP-1)3 種蛋白組成［17］，PINA 和PINB是其主要成分，分別由Pina-D1和Pinb-D1基因編碼;GSP-1蛋白亞基由 grain softness protein-1(Gsp-1)基因編碼。這3個(gè)基因均與Ha位點(diǎn)緊密連鎖。轉(zhuǎn)基因研究證實(shí)，Pina-D1和Pinb-D1基因是籽粒硬度的主效基因［18-19］。因此，決定puroindoline蛋白表達(dá)的Pins基因是籽粒硬度的分子基礎(chǔ)。

Puroindoline蛋白的變化將直接影響到小麥胚乳質(zhì)地的變化，而其基因變化的主要來源為Pina和Pinb編碼區(qū)單核苷酸的替代、缺失或Pina的缺失［20］。Puroindoline蛋白通過其色氨酸結(jié)構(gòu)域的α-螺旋形成的膜固著環(huán)與淀粉表面的雙分子極性脂緊密結(jié)合構(gòu)成了小麥籽粒硬度的分子基礎(chǔ);另外該區(qū)域中色氨酸數(shù)目的多少則決定著該基因脂聯(lián)能力的大?。?1］。根據(jù) puroindoline蛋白脂聯(lián)的能力，Behave等［18］推測小麥種子中的puroindoline蛋白與淀粉粒質(zhì)膜的表面結(jié)合并與之產(chǎn)生相互作用，在磨粉的過程中容易使蛋白基質(zhì)和淀粉粒分開，淀粉粒完整，表現(xiàn)為軟質(zhì);而當(dāng)puroindoline蛋白缺失或功能受損時(shí)，淀粉粒膜表面沒有或結(jié)合了較少的puroindoline蛋白，使蛋白基質(zhì)和淀粉粒緊密接觸并產(chǎn)生相互作用力，磨粉時(shí)蛋白基質(zhì)和淀粉粒不容易分開，產(chǎn)生破損的淀粉粒，從而表現(xiàn)為硬質(zhì)。GSP-1蛋白缺少一個(gè)半胱氨酸骨架，且色氨酸殘基數(shù)也相對較少，對籽粒硬度調(diào)節(jié)相對較弱，但其具有脂聯(lián)作用的最重要的功能域卻相對保守［22］?？傮w來看，puroindoline蛋白由于具有很強(qiáng)的脂聯(lián)能力，能夠吸附在淀粉粒質(zhì)膜表面，對籽粒硬度的影響更大;而GSP-1蛋白由于色氨酸含量并不豐富，因此對籽粒硬度調(diào)節(jié)作用較小，但GSP-1蛋白在puroindoline蛋白缺失或突變的硬粒小麥中起的作用可能更大［18，21］。

3 小麥籽粒硬度基因型與品質(zhì)的關(guān)系

不同Pins基因型對小麥品質(zhì)性狀和食品加工品質(zhì)的影響不同。Martin 等［23］、Cane 等［24］和 Nagamine等［25］認(rèn)為 Pina-D1a/Pinb-D1b 基因型小麥的出粉率、磨粉評分、面粉顆粒大小、亮度(L*值)、紅度(a*值)、面團(tuán)形成時(shí)間、延展性均高于Pina-D1b/Pinb-D1a基因型，但灰分含量、吸水率較低;陳鋒等［26］則認(rèn)為，Pina-D1b/Pinb-D1a 具有更高的灰分含量和a*值。Ma等［1］認(rèn)為，Pina-D1b/Pinb-D1a 基因型小麥的破損淀粉率高于其他基因型，但L*值較低;Pina-D1b/Pinb-D1d基因型的破損淀粉含量、出粉率、黃度(b*值)低于其他基因型，但L*值較高。Eagles等［27］認(rèn)為Pina-D1a/Pinb-D1b基因型與野生D1a/Pinb型(Pina-D1a/Pinb-D1a)小麥面粉顏色和淀粉糊化特性間均有顯著差異;Pina-D1a/Pinb-D1e基因型的峰值黏度最高;并且野生型的面條L*值、黃亮度(L*-b*)值和軟硬度分值顯著高于Pina-D1b/Pinb-D1a類型，但 b*值顯著較低;Pina-D1a/Pinb-D1b類型的面條品質(zhì)優(yōu)于Pina-D1a/Pinb-D1a和Pina-D1b/Pinb-D1a兩種類型。Chen等［28］認(rèn)為Pinb-D1b基因型小麥的面條a*值、黏彈性和評價(jià)總分高于 Pina-D1b類型和野生型;Cane等［24］認(rèn)為Pinb-D1b基因型的面包體積較大，但面包結(jié)構(gòu)評分較低;Nagamine等［25］認(rèn)為Pina-D1b基因型小麥面團(tuán)吸水率比Pinb-D1b基因型小麥高，但出粉率和面團(tuán)形成時(shí)間明顯比后者偏低。

由此可以看出，目前基因型與小麥籽粒硬度關(guān)系和對加工品質(zhì)影響的研究比較深入，已明確Pins基因突變會引起籽粒硬度變大，但不同突變類型的表現(xiàn)型、品質(zhì)性狀及加工品質(zhì)差異較大，導(dǎo)致不同面食類型對Pins基因型的需求不同。

4 籽粒硬度對小麥加工品質(zhì)的影響

小麥加工品質(zhì)包括磨粉品質(zhì)和食品加工品質(zhì)兩個(gè)方面，出粉率、灰分含量和面粉色澤是衡量磨粉品質(zhì)的重要指標(biāo);食品加工品質(zhì)包括面粉品質(zhì)、面團(tuán)品質(zhì)、淀粉特性、烘焙品質(zhì)和蒸煮品質(zhì)［29］等。小麥籽粒硬度同時(shí)影響磨粉品質(zhì)和食品加工品質(zhì)，是決定品質(zhì)性狀及食品加工品質(zhì)的重要指標(biāo)。

研究表明小麥籽粒硬度決定磨粉能耗、潤麥加水量和出粉率，還與面粉色澤和灰分含量有關(guān)［30］。硬質(zhì)麥胚乳與麩皮的分離程度高、篩理性好、出粉率較高;軟質(zhì)麥篩分效果差、出粉率較低［31］。籽粒硬度與灰分含量呈顯著或極顯著正相關(guān)［32］，但與面粉白度的關(guān)系目前研究結(jié)果尚不一致。李宗智等［33］認(rèn)為籽粒硬度與面粉白度呈極顯著正相關(guān);周艷華等［30］、胡瑞波等［32］則認(rèn)為籽粒硬度與面粉白度呈極顯著或顯著負(fù)相關(guān)。小麥籽粒硬度與磨粉品質(zhì)的關(guān)系密切，在一定范圍內(nèi)，籽粒硬度越大，出粉率和灰分含量越高。

硬質(zhì)小麥蛋白質(zhì)含量比軟質(zhì)小麥高，且在小麥籽粒中蛋白質(zhì)和淀粉以水溶性糖蛋白方式緊密結(jié)合，制粉時(shí)淀粉粒破碎較多，損傷淀粉含量高，導(dǎo)致面團(tuán)吸水率增大。因此，籽粒硬度與蛋白質(zhì)含量、濕面筋含量、吸水率呈顯著正相關(guān)［34］，并且還決定著面粉的顆粒大小分布和破損淀粉粒的多少。籽粒硬度與淀粉含量關(guān)系密切，但研究結(jié)果不一致。張春慶等［35］認(rèn)為籽粒硬度與直鏈淀粉含量呈極顯著正相關(guān)，與支鏈淀粉呈極顯著負(fù)相關(guān);胡瑞波等［32］則認(rèn)為籽粒硬度與淀粉含量呈顯著負(fù)相關(guān)，與直鏈淀粉含量呈負(fù)相關(guān)，與支鏈淀粉呈正相關(guān)。在制作食品時(shí)，由于硬質(zhì)麥制粉淀粉粒較粗，破損多，吸水多，和面和發(fā)酵時(shí)易膨脹，適宜制作面包;軟質(zhì)麥制粉淀粉粒較細(xì)，破損少，制作面條口感爽滑、柔軟。并且，籽粒硬度與面包體積、包心紋理及質(zhì)地呈顯著正相關(guān)［36］，與饅頭色澤呈顯著負(fù)相關(guān)，與饅頭體積、黏彈性和饅頭評價(jià)總分呈顯著正相關(guān)［37］，與面條色澤、表觀、光滑性和食味呈顯著負(fù)相關(guān)［38-39］。雖然籽粒硬度對淀粉含量的關(guān)系目前還不明確，但籽粒硬度影響多個(gè)品質(zhì)性狀，是決定食品加工類型的關(guān)鍵性狀已有定論。

綜上所述，小麥籽粒硬度通過影響磨粉品質(zhì)和食品加工品質(zhì)，決定著面食加工類型。硬質(zhì)、高蛋白、強(qiáng)筋小麥適于制作面包和機(jī)制面條;而軟質(zhì)、低蛋白、弱筋小麥適于制作餅干和糕點(diǎn);介于兩者之間的半硬質(zhì)小麥，蛋白質(zhì)含量與面筋強(qiáng)度中等，可用于制作一些發(fā)酵時(shí)間短的軟式和硬式面包及各種類型的薄餅，也適于制作中國饅頭和面條等食品。

5 開展軟質(zhì)小麥品種培育的設(shè)想及思路

中國小麥分布區(qū)域很廣，根據(jù)各個(gè)地區(qū)的氣候特點(diǎn)，將全國小麥的分布分成了8個(gè)區(qū)域。由于南北氣候的差異，不同小麥籽粒蛋白質(zhì)和淀粉的含量也有較大的差異。在長江中下游流域，由于氣候濕潤，小麥灌漿期的溫差較小和多陰雨等原因，不能有效地積累蛋白，籽粒中淀粉含量相對偏高，比較適合生產(chǎn)軟質(zhì)小麥。用于餅干制作的小麥面粉要求淀粉顆粒完整、吸水少，需要軟質(zhì)型的籽粒，因此，培育弱筋軟質(zhì)小麥品種是長江中下游地區(qū)首要育種目標(biāo)。結(jié)合該地區(qū)的生態(tài)特點(diǎn)，就如何更好開展軟質(zhì)小麥品種培育提出以下4點(diǎn)設(shè)想。首先，以中國南方麥區(qū)20年來栽培的小麥為研究對象，對小麥Pina和Pinb基因型的多態(tài)性進(jìn)行分析，進(jìn)一步篩選野生型pin基因軟質(zhì)小麥作為親本，與該地區(qū)大面積推廣品種或中間材料雜交，培育適于該地區(qū)大面積生產(chǎn)的弱筋軟質(zhì)小麥品種。第二，以甲基磺酸乙酯(EMS)或快中子誘變創(chuàng)制軟質(zhì)小麥突變體庫，利用SDSPAGE對突變體進(jìn)行HMW-GS檢測，獲得不同高分子量谷蛋白亞基缺失系，籽粒硬度puroindoline基因缺失的軟質(zhì)小麥品質(zhì)突變體。第三，挖掘近緣物種中的優(yōu)異軟質(zhì)野生型 pins基因，創(chuàng)造、利用目標(biāo)基因的導(dǎo)入系材料，如南京農(nóng)業(yè)大學(xué)陳佩度課題組創(chuàng)制的T5VS·5DL易位系材料，該純合易位染色體材料其籽粒胚乳為軟質(zhì)，易位染色體對主要農(nóng)藝性狀無顯著負(fù)效應(yīng)，為弱筋小麥品質(zhì)改良及拓展胚乳質(zhì)地范圍提供了新的基因資源和思路［40］;第四，在分析優(yōu)異野生型pins基因基礎(chǔ)上，克隆野生型pins基因，直接通過轉(zhuǎn)基因技術(shù)手段導(dǎo)入該地區(qū)優(yōu)異品種。目前，這一方法已取得突破，如 Giroux等［41］將野生型Pinb-D1a導(dǎo)入攜帶 Pinb-D1b的硬質(zhì)小麥中，轉(zhuǎn)基因籽粒表現(xiàn)軟質(zhì)，水洗淀粉中 friabilin含量增加顯著，籽粒硬度破損淀粉顆粒數(shù)明顯減少。Beecher等［42］將中國春野生型Pinb-D1a轉(zhuǎn)入硬麥中，使其SKCS硬度值由70降為25，與典型軟質(zhì)麥相同，其破損淀粉也由原來的3.71% 降低為1.69%，這些研究成果為轉(zhuǎn)基因方法改良小麥籽粒硬度提供了新的思路。

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