小麥籽粒品質性狀與葡萄糖和乙醇產量的關系

丁麗，張志鵬，彭遠松，趙曉芳，李嘉，陳國躍，蒲至恩，李偉*，俞佳

1(四川農業大學，小麥研究所，四川 成都， 611130) 2(四川農業大學 農學院，四川 成都，611130) 3(瀘州老窖股份有限公司，四川 瀘州，646000)

小麥(TriticumaestivumL.)是我國的主要糧食作物之一，同時也是最具有加工優勢的谷類作物之一，具有多樣化的用途[1]。隨著經濟的發展，饅頭、面包、點心等面制食品加工業對小麥品種的需求量日益增大[2]。小麥營養豐富，富含大量的碳水化合物，可用于生產葡萄糖[3]，酒[4-5]、生物燃料[6]和酒曲[7]等。可見小麥生產對保證我國糧食安全及食品加工行業的穩定發展具有十分重要的意義。

小麥籽粒的品質指標對其最終產物的品質影響備受研究者的關注。研究表明，基因型和環境因素等都能對小麥品質造成不同程度的影響[8-11]。趙俊曄等[12]、石玉等[13]先后報道了較高的貯藏蛋白含量有利于提高強筋小麥的加工品質。楊聯芝等[14]指出灰分、穩定時間等是影響優質速凍油條用小麥粉的關鍵因素。張影全等[15]指出優質蘭州拉面與容重、蛋白質含量等小麥品種籽粒質量性狀顯著相關。小麥的磨粉、加工、面制品烘焙等品質與戊聚糖顯著相關，降低其含量可有效改善軟質小麥品質[16]。近年來，小麥淀粉生產葡萄糖[17]、乙醇[18]和陳化小麥發酵生產酒精的工藝[19]受到關注，但通常檢測小麥葡萄糖和乙醇產量的過程相對復雜，而小麥傳統籽粒品質指標與葡萄糖、乙醇加工產物之間的關系了解較少，不能為葡萄糖和乙醇加工原糧的選擇和專用型品種的選育提供參考。

本研究對前期篩選的9個小麥新品種(系)在3個環境下的籽粒品質指標以及葡萄糖和乙醇產物進行了測量，并采用方差分析、相關分析、多元逐步回歸分析和通徑分析評價各指標間的關系。本研究結果將為深入了解小麥籽粒品質性狀與葡萄糖和乙醇間的關系，以及為優質專用型小麥新品種的選育奠定基礎。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

供試9個小麥新品種(系)分別是A80、A171、B441、B886、B4886、蜀麥691、蜀麥126、蜀麥921和蜀麥830。所有供試材料均由四川農業大學小麥研究所提供。2016～2017年所有材料分別種植于四川農業大學溫江(30°43′N，103°52′E)、雅安(29°58′N，102°59′E)和瀘州(28°56′N，105°21′E)3個試驗點，供試材料均五行區窩播，行長2 m，行距30 cm，窩距10 cm，每窩點播5粒。田間管理參照常規大田管理，成熟時適時收獲，室內考種測定千粒重(g)。

無水乙醇、碘、碘化鉀、重鉻酸鉀、硫酸和葡萄糖，西隴化工有限公司；50% NaOH溶液，美國Sigma-Aldrich公司；超純水(電阻率≧18.19 MΩ·cm)；α-淀粉酶、糖化酶，上海源葉生物科技有限公司；支鏈淀粉酶，濟南藍馨生物科技有限公司；安琪活性干面包酵母，湖北安琪酵母股份有限公司。所有試劑均為分析純。

1.2 儀器與設備

DIONEX-ICS-5000+型離子色譜，美國Thermo Fisher Scientific公司；UPH-Ⅲ-10T型超純水機，四川優普超純科技有限公司；0.45 μm津騰有機濾頭及一次性注射器，成都力天世紀生物科技有限公司；Allegra X-30R型離心機，貝殼曼庫爾特商貿(中國)有限公司；CP224S電子天平，德國賽多利斯公司；Infratec TM 1241近紅外谷物籽粒分析儀，瑞士FOSS公司；FW80高速萬能粉碎機，天津市工業電器廠。

1.3 方法

1.3.1 小麥籽粒原糧品質測定方法

利用近紅外谷物籽粒分析儀[20]測定小麥籽粒的品質性狀，包括容重(g/L)、硬度(%)、軟度指數、蛋白質含量(%)、水分(%)、粉質參數、灰分(%)、吸水率(%)、形成時間(min)、穩定時間(min)、沉降值(mL)、濕面筋含量(%)、面筋指數(%)、延伸性(mm)、最大拉伸阻力(EU)和粗淀粉含量(%)等16個品質性狀。

1.3.2 小麥籽粒直鏈淀粉含量的測定方法

小麥籽粒全麥粉直鏈淀粉(%)采用雙波長法[21]進行測定。

1.3.3 小麥籽粒葡萄糖的測定方法

葡萄糖(kg/t)采用酶解法[17]提取，其提取方法如下，稱取小麥面粉0.1 g，加水配制成質量分數為2%的料液，沸水浴50 min使其糊化，冷卻后調節PH為5.5，并在50 ℃下依次加入質量分數為2%的α-淀粉酶、糖化酶以及支鏈淀粉酶，酶解50 min后離心取其上清液待測。葡萄糖的測定以DIONEX-ICS-5000+型離子色譜[22]進行。

1.3.4 小麥籽粒乙醇的測定方法

采用生淀粉直接發酵法[5]提取乙醇，菌種為安琪活性干面包酵母，在28 ℃下發酵82 h后用重鉻酸鉀比色法[23]進行乙醇的測定。

1.3.5 數據分析

采用Excel軟件對數據整理，方差分析、Duncan新復極差法多重比較、相關性分析、多元逐步回歸分析及通徑分析均采用DPS軟件(v7.5版)[24]。

2 結果與分析

2.1 小麥籽粒原料品質性狀的分析

供試小麥的各品質性狀分別在基因型、環境及互作間的差異達到顯著或極顯著(表1)。其中，軟度指數、硬度、粉質參數、吸水率、形成時間、沉降值、最大拉伸阻力、粗淀粉含量的基因型差異達到極顯著，而千粒重、蛋白質含量、水分、濕面筋含量、延伸性差異達到顯著。

表1 小麥品質性狀分析Table 1 Analysis of wheat quality characters

注：表中百分比%表示基因型、環境、基因×環境各占總平方和的百分比；*和**分別代表F檢驗達到顯著(P<0.05)和極顯著(P<0.01)水平。

蛋白質含量均值最大來自材料B441(15.16%)，千粒重、吸水率和粗淀粉含量最大值均來自材料B4886，其均值分別為53.34 g、64.22%和69.97%。千粒重、蛋白質含量、形成時間、穩定時間、沉降值、濕面筋含量、面筋指數、延伸性、最大拉伸阻力和直鏈淀粉在不同地點間的差異達到極顯著。千粒重、面筋指數、直鏈淀粉均值最大來自溫江試驗點，蛋白質含量、形成時間、沉降值、濕面筋含量、延伸性、最大拉伸阻力均值最大則來自瀘州試驗點。

各性狀的基因、環境以及基因×環境互作的平方和比值表明，品種(系)間的變異大于地點和互作變異的性狀有硬度、軟度指數、水分、粉質參數、吸水率和粗淀粉含量，其中吸水率、粉質參數和粗淀粉含量分別為84.23%、78.36、72.68%；受地點間影響較大的性狀依次為：最大拉伸阻力>形成時間>延伸性>濕面筋含量>沉降值>千粒重>蛋白質含量；受基因×環境互作影響較大的為容重。

2.2 小麥籽粒葡萄糖產量分析

基因型、環境和兩者的互作對葡萄糖產量的效應達到顯著或極顯著(表1)，其中基因×環境互作的變異占42.59%。供試材料葡萄糖均值為46.01 kg/t，變異系數為15.17%。品系B4886的葡萄糖產量最高(49.30 kg/t)，蜀麥691的最低(46.48 kg/t)。葡萄糖在不同試驗點間存在差異，溫江(49.23 kg/t)和瀘州點(48.80 kg/t)均與雅安點差異顯著(40.01 kg/t)。

2.3 小麥籽粒乙醇產量分析

方差分析表明，基因型、環境互作以及基因對乙醇產量的影響達到極顯著(表1)，基因變異占總變異的66.62%。乙醇產量的均值為179.19 L/t，變異系數為22.04%。品系蜀麥126的乙醇產量最高(310.36 L/t)，品系B4886的最低(166.80 L/t)。供試材料乙醇產量在溫江(192.36 L/t)和瀘州點(171.84 L/t)均與雅安點差異顯著(173.23 L/t)。

2.4 品種(系)性狀間相關分析

性狀間的簡單相關分析表明(表2)，性狀間存在復雜的相關關系，有33對性狀間極顯著正相關。其中，穩定時間、粗淀粉含量、葡萄糖與千粒重呈顯著正相關；蛋白質含量、吸水率、形成時間、沉降值、濕面筋含量、粗淀粉含量與硬度呈極顯著正相關；粉質參數、形成時間、沉降值、濕面筋含量、延伸性、最大拉伸阻力與蛋白質含量呈極顯著正相關；千粒重、硬度、吸水率、粗淀粉含量與葡萄糖呈顯著正相關。

表2 小麥品種(系)品質性狀間的相關分析Table 2 Correlation analysis between quality characters of wheat varieties(lines)

注:X1千粒重,X2容重,X3硬度,X4軟度指數,X5蛋白質含量,X6水分,X7粉質參數,X8灰分,X9吸水率,X10形成時間,X11穩定時間,X12沉降值,X13濕面筋含量,X14面筋指數,X15延伸性,X16最大拉伸阻力,X17粗淀粉含量,X18直鏈淀粉,Y1葡萄糖,Y2乙醇。*和**分別表示達到顯著(P<0.05)和極顯著(P<0.01)水平。

2.5 籽粒葡萄糖和乙醇產量的多元逐步回歸分析

以小麥籽粒18個品質性狀為自變量(X)(表1)，分別以葡萄糖產量(Y1)和乙醇產量(Y2)為因變量，進行多元逐步回歸分析[18]。結果表明，小麥籽粒葡萄糖和乙醇的回歸方程的F值與復相關系數R值均達到極顯著水平，Durbin-Watson統計量接近2，表明參數之間不存在自相關，回歸方程可靠。所得葡萄糖回歸方程為：Y1=-42.03-0.25X1+2.37X5+3.63X18(R2=0.54)，此回歸關系可以解釋54%的變異。方程表明，千粒質量(X1)、蛋白質含量(X5)、直鏈淀粉(X18)是影響葡萄糖的主要因素。千粒重、蛋白質含量、直鏈淀粉每增加一個標準單位，葡萄糖分別增加-0.25、2.37、3.63 kg/t。

小麥籽粒乙醇產量的回歸方程為：Y2=2 521.38-2.42X2-15.99X3-2.69X4+15.73X9+26.37X12-6.33X15+8.53X18(R2=0.63)，此回歸關系可以解釋63%的變異。方程表明，影響乙醇產量的因素中容重(X2)、硬度(X3)、軟度指數(X4)、延伸性(X15)每增加一個標準單位，乙醇分別減少2.42、15.99、2.69、6.33 L/t，而吸水率(X9)、沉降值(X12)、直鏈淀粉(X18)每增加一個標準單位，乙醇則分別增加15.73、26.37、8.53 L/t。

2.6 籽粒葡萄糖和乙醇產量的通徑分析

對各性狀與葡萄糖的通徑分析[14,24]表明(表3)，對葡萄糖影響的直接通徑系數的絕對值大小依次為：直鏈淀粉>蛋白質含量>千粒重，表明直鏈淀粉對葡萄糖的直接影響最大，其次是蛋白質含量，通徑系數均為正值。而千粒重對葡萄糖的直接效應為負向，但千粒重與葡萄糖顯著正相關，這是由于千粒重通過直鏈淀粉具有較大的正向間接通徑系數所致。所以千粒重應與直鏈淀粉、蛋白質含量協調到恰到好處。

表3 小麥品質性狀對葡萄糖的通徑分析Table 3 Path analysis of glucose for quality traits in wheat

對各性狀與籽粒乙醇產量的通徑分析表明(表4)，沉降值對乙醇的正向直接效應較大，但通過硬度和延伸性的負向間接效應也較大，而與籽粒乙醇產量表現為負相關，所以籽粒乙醇產量應適當考慮沉降值的作用。吸水率與小麥籽粒乙醇產量的直接通徑系數為1.08。

表4 小麥品質性狀對乙醇的通徑分析Table 4 Path analysis of ethanol for quality traits in wheat

通過軟度指數、沉降值、直鏈淀粉所起的間接效應為正值，而通過容重、硬度、延伸性所起的間接效應都為負值。吸水率通過軟度指數所起的間接效應有較大的正值，但其與乙醇產量未達到顯著性水平。直鏈淀粉與小麥籽粒乙醇產量的直接通徑系數為0.37，通過容重、吸水率、延伸性所起的間接效應為正值，而通過硬度、軟度指數、沉降值所起的間接效應為負值，但是直鏈淀粉與籽粒乙醇產量為正相關，主要是因為直鏈淀粉通過延伸性具有較大的正的間接通徑系數所致。延伸性與小麥籽粒乙醇產量的負向直接效應最大，通過容重、軟度指數、吸水率、沉降值所起的間接效應為正值，而通過硬度、直鏈淀粉所起的間接效應為負值。硬度與籽粒乙醇產量的直接通徑系數為-2.24，通過軟度指數、吸水率、沉降值、直鏈淀粉所起的間接作用均為正值。盡管硬度和軟度指數均對乙醇產量有較大的負向直接效應，但由于間接效應的差異，導致最終硬度與乙醇產量正相關，而與軟度指數是負相關。容重與乙醇的直接通徑系數為-0.71，通過軟度指數、吸水率、延伸性所起的間接效應為正值，而通過硬度等3個性狀所起的間接效應都為負值。容重對乙醇產量有較大的直接負向效應。

從通徑分析可知，小麥籽粒的直鏈淀粉對于葡萄糖產量的正向直接效應最大，其次是蛋白質。而對乙醇產量來說，小麥籽粒沉降值對于乙醇產量的正向直接效應最大，其次為直鏈淀粉，延伸性對于乙醇產量有最大的負向直接效應，且比硬度的降低效果更好，同時也應適當考慮容重的作用。

3 討論

小麥蛋白質含量等性狀指標可作為評價小麥品種品質優劣的依據[13]，最終可用于多種用途，其中葡萄糖和乙醇可經小麥籽粒加工而來[3,18,23]。本研究發現，小麥各品質性狀的基因型、環境及兩者間的互作均達到顯著或極顯著水平，表明在有特定品質需求的原糧小麥品種育種中，既需要考慮選育專用型品種，同時也需要在適宜的地區生產，前人也有類似的報道[8-11]。基因型、環境及兩者的互作對葡萄糖產量有顯著或極顯著影響，而乙醇產量受基因型、環境兩者的互作及基因型的極顯著影響，表明以小麥原糧生產葡萄糖時需要優良品種類型與適宜栽培區域相結合。而以生產乙醇為目標時，原糧種植地點和品種的相互作用是值得關注的因素。這也與在其他品質性狀研究中主張優質小麥產區來種植優質小麥類似[25-26]。本研究中，溫江點、雅安點和瀘州點分別在葡萄糖和乙醇產量上差異顯著，瀘州生態點的各指標數值較溫江生態點和雅安生態點的低，但瀘州生態點各品種(系)品質指標變異程度較小，品質相對穩定，更適宜栽種以生產葡萄糖和乙醇為目標的原糧。

本研究中供試小麥籽粒品質性狀間有著復雜的相關關系，前人也有類似的報道[12,27]。直鏈淀粉含量對葡萄糖產量的直接影響最大，其次是蛋白質的影響。乙醇產量與小麥籽粒品質性狀未表現出顯著相關性，但在多元逐步回歸分析中，乙醇產量受沉降值、直鏈淀粉等7個性狀的影響顯著。進一步采用回歸分析和通徑分析對性狀間關系進行剖析可以看出，影響小麥籽粒葡萄糖產出的主要因素為直鏈淀粉。而有多個因素對乙醇產量均有影響，乙醇產量的影響因素主要為沉降值、直鏈淀粉，同時應適當考慮延伸性、硬度、容重的作用。這些籽粒品質指標易于檢測，可以用于輔助篩選葡萄糖和乙醇生產原糧和專用型小麥品種育種。

本研究中，依據專用小麥品種品質分類標準(GB/T 17320—2013)，供試品系B4886、蜀麥691接近中強筋標準，而蜀麥126(川審麥2016004)屬于弱筋小麥，且對于葡萄糖產量來說，材料B4886最高，但對于乙醇產量來說該材料的乙醇產量較低。可以看出，小麥品質強弱筋標準并不適合作為加工原糧的籽粒葡萄糖產量和乙醇產量的衡量指標。