小麥細胞壁結構對水分遷移的調控作用

李 佟 應瑞峰 吳彩娥 李婷婷 范龔建 黃梅桂

(南京林業大學南方現代林業協同創新中心1，南京 210037)

(南京林業大學輕工科學與食品學院2，南京 210037)

小麥是世界性的重要糧食作物，全球超過1/3的人口以小麥為主食。小麥細胞壁主要由阿拉伯木聚糖(AX)與β－(1－3)(1－4)葡聚糖(BG)組成，比例約為78/22［1］。研究發現糊粉層細胞壁為復合多層結構，即AX層與BG層交替重疊的多層層狀結構［2－3］。但這種奇特的多層結構在小麥生長發育的過程中起什么樣的作用卻不得而知。在小麥和大麥籽粒發育和成熟階段，特別是籽粒脫水階段(含水量從40%降到約12% ～14%)，發現胚乳各部位含水量存在巨大的差異性:胚芽附近，胚乳四周含水量較高，而胚乳中心區域含水量較低［4］。其原因很可能是胚乳細胞壁層狀結構調控了水分的分布與擴散速率［5－6］。在干旱與高溫脅迫下，籽粒中BG和AX的含量都發生了顯著改變［7］，特別是小麥籽粒AX含量和植物水分利用率都增加了，兩者呈正相關，其原因很可能是AX調節了水分的分布與擴散速率，從而提高了水分的利用率［8－9］。研究中發現不同產地不同生長環境下的小麥中AX和BG的含量都有較大的差異，且相應的AX和BG的含量越高，小麥中蛋白質的含量就越高［10］。其原因可能是糊粉層細胞壁越厚，AX和BG的含量越高，調控水分遷移和擴散，從而影響小麥的品質。目前小麥糊粉層細胞壁多層結構對水分分布及擴散的影響研究的較少，因此實驗以小麥籽粒為研究對象，測定其水分擴散速率。通過低場核磁共振法測定樣品的橫向弛豫時間T2比較水分子的移動性，研究細胞壁結構調控水分遷移和擴散。

1 材料與方法

1.1 實驗材料與設備

小麥:周麥22產自河南周口;小麥:中麥895產自江蘇徐州;小麥:百農矮抗58產自江蘇淮安;小麥:三抗1產自山東濟南;大麥產自山東臨沂;青稞產自西藏。

SZF－06B脂肪測定儀:上海新嘉電子有限公司;SX－4－10箱式電阻爐:江蘇通州市滬通實驗儀器廠;K－355半自動凱氏定氮儀:上海萬捷可以有限公司;Quanta 200環境掃描電子顯微鏡:美國FEI公司;VTMR20－010－T低場核磁共振分析儀:上海紐邁電子科技有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 基本理化性質測定

千粒重采用GB/T 5519—2008;將小麥磨粉后進行下面實驗，粗蛋白含量測定采用 GB/T 31518—2015;灰分含量測定采用GB 5009.4—2010;脂肪含量測定采用GB 5009.6—2016;淀粉含量測定采用GB/T 5009.9—2008。

1.2.2 籽粒的微觀結構觀察

通過環境掃描電子顯微鏡觀察小麥橫截面的糊粉層及細胞壁結構。樣品經干燥除氣和鍍膜噴金后，放入環境掃描電鏡觀察臺，抽氣，然后真空環境下觀察樣品［11］。

1.2.3 籽粒的水分遷移速率測定

配制 NaBr、NaCl、BaCl23 種飽和鹽溶液，20 ℃ 密閉環境下達到平衡時，相對濕度分別為59%、75%、91%。

吸水速率的測定:準確稱取大小基本相同的2種小麥、大麥和青稞各10顆，重復3次。將每組樣品放置于干燥器中干燥平衡，達到平衡后分別放入相對濕度為59%、75%、91%的真空干燥器中，每隔1 h稱量一次，根據公式(1)計算吸水速率。

式中:V1為吸水速率;Mi為第i次吸水后的質量;M0為干燥環境中達到平衡時的質量;T為時間。

干燥速率的測定:將平衡后的樣品，分別放入3個相對濕度為0%的干燥器中，進行干燥，每隔1 h稱量一次，并根據公式(2)計算水分干燥速率。

式中:V2為水分干燥速率;mi為干燥i小時的質量;M0為干燥環境中達到平衡時的質量;T為時間。

含水量的測定:準確稱量大小基本相同的4種干燥樣品，分別放在3個相對濕度條件下1、2、3、4、5、6 h，然后放入烘干至恒重的稱量皿中，放入真空干燥箱中，設置溫度70 ℃、真空度 93.3 ～98.6 kPa，干燥10 h，待稱量皿冷卻后稱量質量［12］。根據公式(3)計算含水量。

式中:H為含水量;Mi為第i次吸水后的質量;m0為自干燥箱取出時稱量皿和小麥的總質量。

1.2.4 籽粒水分移動性研究

CPMG(Carr－Purcell－Meiboom －Gill)脈沖序列被用于測定樣品的自旋－自旋弛豫時間(T2)［13－14］。將小麥種子置于永磁場中心位置的射頻線圈的中心進行CPMG脈沖序列實驗。參數:采樣點數TD=400 074，譜寬SW=200 kHz，回波個數Echo Count=4 000，重復描次數NS=4，采樣重復時間TW=2 000 ms，回波時間TE=0.5 ms。利用T2FitFrm軟件調用CPMG序列擬合T［15－16］。

2 結果與分析

2.1 小麥的基本理化性質

樣品理化性質數據如表1所示，從表中數據可以發現，這6種樣品的理化性質存在明顯的差異，其差異可能與生長的環境及品種有關。

表1 4種小麥、青稞和大麥的基本成分

2.2 小麥、大麥和青稞籽粒的糊粉層結構

如圖1可見小麥籽粒糊粉層為單層細胞結構，大麥籽粒糊粉層為雙層細胞結構，青稞籽粒糊粉層為三層細胞結構。表1可見，4個小麥品種的糊粉層及細胞壁與青稞和大麥都存在顯著差異。其中小麥品種中Z22的糊粉層及細胞壁最厚，Z895的糊粉層及細胞壁最薄。Z22糊粉層的厚度是是Z895糊粉層的1.22倍，Z22糊粉層細胞壁的厚度是Z895糊粉層細胞壁的1.11倍。選取Z22和Z895與QK和DM進行下面的水分遷移速率的比較。

圖1 籽粒糊粉層電鏡圖(800×)

表2 不同品種小麥麩皮和糊粉層及細胞壁的厚度/μm

2.3 2種小麥和大麥、青稞籽粒的水分遷移速率及含水量

如圖2～圖4所示在59%、75%、91%的相對濕度環境下，糊粉層細胞壁厚度分別為4.93、5.21μm的Z895和Z22的吸水速率明顯高于糊粉層細胞壁分別為7.04、7.33 μm 的 DM 和 QK，Z895 吸水速率最大，大麥最小。從漸近線及公式中，發現吸水速率與糊粉層細胞壁的厚度大小呈負相關，且 R2＞0.900，相關性較強，所以籽粒吸水速率隨著糊粉層的細胞壁壁厚的增加而減慢。

如圖5～圖7所示，在59%、75%、91%的相對濕度環境下，糊粉層細胞壁厚度為4.93μm的Z895，干燥速率最快，糊粉層細胞壁厚度為5.21μm的Z22次之，糊粉層細胞壁為7.33μm的DM最慢。從圖中的漸近線及公式中，發現干燥速率與糊粉層細胞壁的厚度大小呈負相關，且R2＞0.900，相關性較強，所以籽粒水分向外擴散的速率隨著糊粉層的細胞壁壁厚的增加而減慢。

圖2 不同糊粉層厚度樣品的吸水速率(相對濕度RH=59%)

圖3 不同糊粉層厚度樣品的吸水速率(相對濕度RH=75%)

圖4 不同糊粉層厚度樣品的吸水速率(相對濕度RH=91%)

圖5 不同糊粉層厚度樣品的干燥速率(在59%相對濕度下平衡的樣品)

圖6 不同糊粉層厚度樣品的干燥速率(在75%相對濕度下平衡的樣品)

圖7 不同糊粉層厚度樣品的干燥速率(在91%相對濕度下平衡的樣品)

如圖8～圖10中可見在干燥狀態下，DM的含水量最高，QK次之，Z895含量最低，但在吸水后Z895和Z22的含水量逐漸高于QK和DM。

通過實驗結果發現:不同樣品在相同條件下，吸水速率、干燥速率和含水量都有一定差異，糊粉層細胞壁越厚水分吸收干燥速率就越慢，含水量越少，且水分遷移都要穿過糊粉層細胞壁，所以可以猜測糊粉層細胞壁對小麥籽粒體內水分微環境具有一定的調節作用，糊粉層細胞壁可以控制體內水分向外的擴散。

圖8 樣品的含水量(相對濕度RH=59%)

圖9 樣品的含水量(相對濕度RH=75%)

圖10 樣品的含水量(相對濕度RH=91%)

2.4 籽粒水分的移動性

在核磁共振反演擬合軟件迭代次數為10 000次的參數設置下，每個T2反演曲線上均有2個波峰(見圖11)，根據弛豫時間T2的差異將水分劃分為2個存在狀態。各個峰的結束時間T2i表示第i種成分的橫向弛豫時間，各峰的峰面積A2i表示第i種成分的信號強度，對應各組分的的含量［17］。

如圖11所示，每個反演圖譜都有兩個峰，根據水分的相態特征［18－19］，較短弛豫時間T21為自由度較低的水組分;較長弛豫時間T22為自由水度較高的水組分。根據核磁反演數據比較各樣品的峰面積如圖12～圖15所示，發現隨著吸收水分時間的延長，組分的峰面積會增大，且在相同吸水時間下，細胞壁較厚的大麥和青稞兩個組分的總峰面積都小于細胞壁較薄的中麥和周麥;但細胞壁較厚的大麥和青稞中自由度較高水組分的峰面積大于中麥和周麥中自由度較高水組分的峰面積;比如在RH=91%條件下吸水4 h，中麥、周麥、青稞和大麥的含水量分別為:5.13%、5.02%、4.81% 和 4.63%，自由度較高水組分峰面積對應分別為:128.809、135.185、158.713 和162.560，大麥和青稞籽粒在較低含水量的情況下還具有較高的水分子移動性;所以細胞壁較厚籽粒內部水分子的移動性更好。可能原因是大麥和青稞細胞壁結構中多糖組分改變了體內水分的分布狀態。

圖11 迭代次數10 000次T2反演圖譜(干燥樣品)

圖12 籽粒吸水后T21組分的峰面積(相對濕度RH=75%)

圖13 籽粒吸水后T22組分的峰面積(相對濕度RH=75%)

圖14 籽粒吸水后T2 1組分的峰面積(相對濕度RH=91%)

圖15 籽粒吸水后T22組分的峰面積(相對濕度RH=91%)

3 結論

相同條件下，糊粉層細胞壁越厚，籽粒的吸水、干燥速率越慢;干燥狀態下，細胞壁越厚籽粒體內含水量越多;相同吸水條件下，細胞壁越厚籽粒吸水量越少，且體內水分子移動性越好。即相同條件下，細胞壁越厚，籽粒內水分自由度越高，水分活度越高。由于小麥灌漿期間淀粉和蛋白質的合成不僅受到土壤水分、光照時間和溫度等因素影響，還受到相關蛋白淀粉合成酶的影響，而相關合成酶的酶活性除了受基因編碼的調控還受到體內水分活度的影響。所以在適當范圍內體內水分活度越高，酶活性越高，蛋白淀粉合成量越多，小麥品質越好、產量越高。

本實驗初步研究了糊粉層及細胞壁厚度對籽粒內部水分向外擴散的影響，并以此為基礎探討糊粉層及細胞壁對體內水分微環境的調控作用，為深入研究糊粉層及細胞壁結構對小麥產量和品質的影響提供參考。

Wheat Cell Wall Structure's Adjustment and Control Function of Water Migration

Li Tong1，2Ying Ruifeng1，2Wu Caie1，2Li Tingting1，2Fan Gongjian1，2Huang Meigui2

(Co － Innovation Centre for the Sustainable Forestry in Southern China，Nanjing Forestry University1，Nanjing 210037)
(College of Light Industry Science and Food，Nanjing Forestry University2，Nanjing 210037)

AbstractTo prove the adjustment and control effects of the wheat aleurone layer cell wall，composed multilayer structure，composed by araboxylan and beta－(1－3)(1－4)glucan，this paper studied the adjustment and control effects of the cell wall structure of the wheat aleurone layer，such as water absorption rate，drying rate and the mobility of water molecules.The results showed that:by environmental scanning electron microscopy(SEM)to screen Zhoumai22 with the thickest aleurone layer thickness and Zhongmai895 with the thinnest aleurone layer，take the barley and highland barley for contrast，therein the thickness of barley cell wall was1.49 times as thickness of the zhongmai cell wall.By comparing the relationship among water absorption rate，drying rate and the aleurone layer thickness of Zhoumai22，Zhongmai895，barley and highland barley，found that there's a negative correlation among the aleurone layer cell wall，water absorption and drying rate.The low field nuclear magnetic resonance showed that under the same water absorption conditions，aleurone cell wall was thicker，the water content was lower but the mobility of water molecules in vivo was better;in dry conditions，the aleurone layer cell wall was thicker，the content of water was higher and the mobility of water molecules in vivo was better.Therefore，wheat aleurone cell wall structure has a significant role in the adjustment and control of water migration.

Key wordswheat，cell wall，aleurone layer，araboxylan，beta－(1 －3)(1 －4)glucan