小麥籽粒硬度及其對面粉加工品質影響的研究進展

吳宏亞， 蔣正寧， 王 玲， 程順和

(1.揚州大學農學院/江蘇省作物遺傳生理重點實驗室/教育部植物功能基因組學重點實驗室，江蘇 揚州 225009;2.江蘇里下河地區農業科學研究所，江蘇 揚州 225007)

小麥籽粒硬度是小麥品質育種和品質研究的一個重要參數，也是小麥分類、分級和定價的重要評價指標。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、破損淀粉數量及淀粉破損程度等的關鍵因素［1］。根據籽粒硬度，普通小麥分為硬質小麥和軟質小麥。硬質小麥制粉時面粉淀粉粒破損較多，面粉較粗，面團吸水率高，適合制作面包類食品。軟質小麥制粉時淀粉粒破損小，面粉細膩，面團吸水率較低，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的研究逐步加快，人們對小麥籽粒硬度遺傳機理的認識也逐漸清晰。普通小麥籽粒硬度由主效基因控制，該基因位點位于5D染色體短臂上，軟質對硬質為顯性，能夠解釋60%左右的變異［3］。目前已經發現籽粒硬度多種基因型，不同基因型具有不同的胚乳質地，從而具有不同的加工品質特性。

1 小麥籽粒硬度的形成機理及測定方法

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成，淀粉粒在造粉體內合成，被連續的蛋白質基質包圍［4］。胚乳成熟過程中，胚乳細胞呈現程序性死亡和脫水現象，蛋白質被膜蛋白體融合并形成蛋白質基質，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基質的存在狀態及其相互作用是形成籽粒硬度的基礎［5］。目前有關籽粒硬度形成機理的觀點不完全一致，有研究認為小麥籽粒硬度與蛋白質基質對淀粉粒的黏著作用有關，這種作用在硬質麥中表現比軟質麥強［4］;有學者用蛋白質基質的連續性來解釋籽粒硬度，他們認為蛋白質基質的不連續會導致胚乳結構強度發生變化［6］;也有研究人員認為籽粒硬度的差異不僅歸因于蛋白質基質的連續性而且也與淀粉-蛋白質的黏著性有關。由此可見籽粒硬度主要由籽粒中淀粉和蛋白質基質間的粘合力和包被淀粉顆粒的蛋白質基質連續性決定的。張瑞奇［7］利用掃描電鏡觀察結果顯示，軟、硬質近等基因系籽粒糊粉層細胞無顯著差異，而胚乳顯微結構差異明顯，軟質近等基因系籽粒胚乳蛋白質基質與淀粉粒表面呈分離狀態，而硬質近等基因系籽粒胚乳蛋白質基質與淀粉粒緊密結合。

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。主要包括研磨時間法(Grinding time，GT)、顆粒指數法(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。其中顆粒指數法、近紅外光譜法、單籽粒谷物特性測定法等應用最為廣泛。顆粒指數法是先將一定質量的小麥籽粒磨成粉，經特定篩子篩一定時間后，計算篩后與篩前質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展起來的一種快速、高效測試方法，可同時測定多個籽粒性狀，主要是利用波長1 680 nm和2 230 nm處兩個近紅外光的強吸收點建立模型進行檢測，結果一般在0至100之間，數值越高，質地越硬［8］。單籽粒谷物特性測定系統是利用壓力作用把籽粒壓碎，然后通過傳感器感應力的大小確定樣品的硬度，可同時測定籽粒質量(mg)、直徑(mm)、硬度指數(Hardness index，HI)和水分(%)，并用質量、水分和溫度進行修正。該方法測定值小于40為軟質麥，大于60為硬質麥，混合麥介于40～60之間。

2 小麥籽粒硬度的遺傳與分子機理

2.1 小麥籽粒硬度基因遺傳定位

Sourdille等對小麥籽粒硬度進行QTL定位結果表明，除影響籽粒硬度主效QTL位點位于5DS上外，在染色體2A、2D、5A、5B、6D、7A 上發現存在微效 QTL 位點［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［10-11］。李文福等檢測到控制硬度的2個加性效應位點，分別位于2A和7D染色體上，qhd2A和qhd7D均具有單位點的加性效應，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位點外，還檢測到另外一個QTL位于1DL上，并與Glu-D1位點緊密連鎖。Arbebide檢測到一個次效QTL與Glu-A3位點緊密連鎖，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理

研究籽粒硬度的突破性進展是Friabilin蛋白的發現。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(后來被更正為13 000)，這種蛋白質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蛋白同時存在于軟麥和硬麥中，但與淀粉結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，且蛋白表達量與籽粒硬度呈顯著負相關［16］。Friabilin蛋白復合體主要由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個基因均與Ha位點緊密連鎖。轉基因研究證實，Pina-D1和Pinb-D1基因是籽粒硬度的主效基因［18-19］。因此，決定puroindoline蛋白表達的Pins基因是籽粒硬度的分子基礎。

Puroindoline蛋白的變化將直接影響到小麥胚乳質地的變化，而其基因變化的主要來源為Pina和Pinb編碼區單核苷酸的替代、缺失或Pina的缺失［20］。Puroindoline蛋白通過其色氨酸結構域的α-螺旋形成的膜固著環與淀粉表面的雙分子極性脂緊密結合構成了小麥籽粒硬度的分子基礎;另外該區域中色氨酸數目的多少則決定著該基因脂聯能力的大小［21］。根據 puroindoline蛋白脂聯的能力，Behave等［18］推測小麥種子中的puroindoline蛋白與淀粉粒質膜的表面結合并與之產生相互作用，在磨粉的過程中容易使蛋白基質和淀粉粒分開，淀粉粒完整，表現為軟質;而當puroindoline蛋白缺失或功能受損時，淀粉粒膜表面沒有或結合了較少的puroindoline蛋白，使蛋白基質和淀粉粒緊密接觸并產生相互作用力，磨粉時蛋白基質和淀粉粒不容易分開，產生破損的淀粉粒，從而表現為硬質。GSP-1蛋白缺少一個半胱氨酸骨架，且色氨酸殘基數也相對較少，對籽粒硬度調節相對較弱，但其具有脂聯作用的最重要的功能域卻相對保守［22］。總體來看，puroindoline蛋白由于具有很強的脂聯能力，能夠吸附在淀粉粒質膜表面，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，因此對籽粒硬度調節作用較小，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的關系

不同Pins基因型對小麥品質性狀和食品加工品質的影響不同。Martin 等［23］、Cane 等［24］和 Nagamine等［25］認為 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)、面團形成時間、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］則認為，Pina-D1b/Pinb-D1a 具有更高的灰分含量和a*值。Ma等［1］認為，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類型的面條品質優于Pina-D1a/Pinb-D1a和Pina-D1b/Pinb-D1a兩種類型。Chen等［28］認為Pinb-D1b基因型小麥的面條a*值、黏彈性和評價總分高于 Pina-D1b類型和野生型;Cane等［24］認為Pinb-D1b基因型的面包體積較大，但面包結構評分較低;Nagamine等［25］認為Pina-D1b基因型小麥面團吸水率比Pinb-D1b基因型小麥高，但出粉率和面團形成時間明顯比后者偏低。

由此可以看出，目前基因型與小麥籽粒硬度關系和對加工品質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型、品質性狀及加工品質差異較大，導致不同面食類型對Pins基因型的需求不同。

4 籽粒硬度對小麥加工品質的影響

小麥加工品質包括磨粉品質和食品加工品質兩個方面，出粉率、灰分含量和面粉色澤是衡量磨粉品質的重要指標;食品加工品質包括面粉品質、面團品質、淀粉特性、烘焙品質和蒸煮品質［29］等。小麥籽粒硬度同時影響磨粉品質和食品加工品質，是決定品質性狀及食品加工品質的重要指標。

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［30］。硬質麥胚乳與麩皮的分離程度高、篩理性好、出粉率較高;軟質麥篩分效果差、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［32］，但與面粉白度的關系目前研究結果尚不一致。李宗智等［33］認為籽粒硬度與面粉白度呈極顯著正相關;周艷華等［30］、胡瑞波等［32］則認為籽粒硬度與面粉白度呈極顯著或顯著負相關。小麥籽粒硬度與磨粉品質的關系密切，在一定范圍內，籽粒硬度越大，出粉率和灰分含量越高。

硬質小麥蛋白質含量比軟質小麥高，且在小麥籽粒中蛋白質和淀粉以水溶性糖蛋白方式緊密結合，制粉時淀粉粒破碎較多，損傷淀粉含量高，導致面團吸水率增大。因此，籽粒硬度與蛋白質含量、濕面筋含量、吸水率呈顯著正相關［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系密切，但研究結果不一致。張春慶等［35］認為籽粒硬度與直鏈淀粉含量呈極顯著正相關，與支鏈淀粉呈極顯著負相關;胡瑞波等［32］則認為籽粒硬度與淀粉含量呈顯著負相關，與直鏈淀粉含量呈負相關，與支鏈淀粉呈正相關。在制作食品時，由于硬質麥制粉淀粉粒較粗，破損多，吸水多，和面和發酵時易膨脹，適宜制作面包;軟質麥制粉淀粉粒較細，破損少，制作面條口感爽滑、柔軟。并且，籽粒硬度與面包體積、包心紋理及質地呈顯著正相關［36］，與饅頭色澤呈顯著負相關，與饅頭體積、黏彈性和饅頭評價總分呈顯著正相關［37］，與面條色澤、表觀、光滑性和食味呈顯著負相關［38-39］。雖然籽粒硬度對淀粉含量的關系目前還不明確，但籽粒硬度影響多個品質性狀，是決定食品加工類型的關鍵性狀已有定論。

綜上所述，小麥籽粒硬度通過影響磨粉品質和食品加工品質，決定著面食加工類型。硬質、高蛋白、強筋小麥適于制作面包和機制面條;而軟質、低蛋白、弱筋小麥適于制作餅干和糕點;介于兩者之間的半硬質小麥，蛋白質含量與面筋強度中等，可用于制作一些發酵時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 開展軟質小麥品種培育的設想及思路

中國小麥分布區域很廣，根據各個地區的氣候特點，將全國小麥的分布分成了8個區域。由于南北氣候的差異，不同小麥籽粒蛋白質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，比較適合生產軟質小麥。用于餅干制作的小麥面粉要求淀粉顆粒完整、吸水少，需要軟質型的籽粒，因此，培育弱筋軟質小麥品種是長江中下游地區首要育種目標。結合該地區的生態特點，就如何更好開展軟質小麥品種培育提出以下4點設想。首先，以中國南方麥區20年來栽培的小麥為研究對象，對小麥Pina和Pinb基因型的多態性進行分析，進一步篩選野生型pin基因軟質小麥作為親本，與該地區大面積推廣品種或中間材料雜交，培育適于該地區大面積生產的弱筋軟質小麥品種。第二，以甲基磺酸乙酯(EMS)或快中子誘變創制軟質小麥突變體庫，利用SDSPAGE對突變體進行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基因缺失的軟質小麥品質突變體。第三，挖掘近緣物種中的優異軟質野生型 pins基因，創造、利用目標基因的導入系材料，如南京農業大學陳佩度課題組創制的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，易位染色體對主要農藝性狀無顯著負效應，為弱筋小麥品質改良及拓展胚乳質地范圍提供了新的基因資源和思路［40］;第四，在分析優異野生型pins基因基礎上，克隆野生型pins基因，直接通過轉基因技術手段導入該地區優異品種。目前，這一方法已取得突破，如 Giroux等［41］將野生型Pinb-D1a導入攜帶 Pinb-D1b的硬質小麥中，轉基因籽粒表現軟質，水洗淀粉中 friabilin含量增加顯著，籽粒硬度破損淀粉顆粒數明顯減少。Beecher等［42］將中國春野生型Pinb-D1a轉入硬麥中，使其SKCS硬度值由70降為25，與典型軟質麥相同，其破損淀粉也由原來的3.71% 降低為1.69%，這些研究成果為轉基因方法改良小麥籽粒硬度提供了新的思路。

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