施氮水平對啤酒大麥麥芽品質的影響

高 健，朱 娟，呂 超，郭寶健，許如根

(教育部植物功能基因組學重點實驗室/江蘇省作物基因組學與分子育種重點實驗室/糧食作物現代產業技術協同創新中心/揚州大學農業科技發展研究院，江蘇揚州 225009 )

大麥是世界第四大禾谷類作物，根據其用途可分為食用大麥、飼用大麥、啤用大麥和藥用大麥。大麥麥芽是啤酒釀造的主要原料。麥芽品質取決于大麥原料的質量，大麥原料質量與品種、栽培技術、生態和生產條件有關[1]。為提高作物產量和品質，氮肥被廣泛應用于農業生產。隨著氮肥施用量不斷提高，我國已經成為世界上氮肥消費第一大國。氮肥施用過量，不僅對農作物增產效果甚微，反而會引起一系列環境問題[2]。

大麥麥芽品質主要受遺傳特性、栽培技術及環境條件共同作用[3-5]。在栽培中，土壤含氮量及氮肥運籌對大麥的麥芽品質影響較大[6-10]。Beillouin等[9]發現，通過延遲施氮和減施氮肥不僅能夠減少氮素損失，還能實現啤酒大麥的高產和優質。Grant等[11]的研究表明，適宜的氮肥用量可以顯著增加大麥籽粒β-淀粉酶活性。王禮焦等[12]研究發現，隨著施肥量的增加和生育后期施肥比例的增大，大麥籽粒的蛋白含量、麥芽總氮含量、糖化力和可溶性氮的含量均呈上升趨勢，麥芽浸出物則降低。潘永東等[13]的研究表明，氮肥施用量為180 kg·hm-2時，大麥麥芽浸出率達最大值，糖化時間最短。陳明賢等[14]研究也發現，增施氮肥或氮肥施用時間后移能夠顯著增加大麥籽粒蛋白質含量。以上研究多以單品種為研究對象，有關施氮量對多個大麥品種品質性狀影響的報道較為鮮見。

本研究擬以江蘇省推廣或示范種植的10個二棱啤用大麥品種(系)為材料，探究施氮量對大麥麥芽品質的影響，以期為江蘇優質高產啤酒大麥原料生產提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

本研究以江蘇省推廣或示范種植的10個二棱啤用大麥品種(系)為材料。其中，蘇啤3號(g1)、蘇啤4號(g2)、蘇啤6號(g3)為江蘇鹽城市農業科學院育成品種；揚農啤4號(g4)、揚農啤5號(g5)、揚農啤7號(g6)、揚農啤8號(g7)、揚農啤9號(g8)為揚州大學農學院育成品種；花30(g9)、合05-7(g10)為上海市農業科學院育成品種(系)。

1.2 試驗設計

將參試材料采用裂區設計播種于揚州大學作物遺傳育種試驗田，試點土壤肥力中等偏高。氮肥施用量設3個水平，即0(NL)、75(NM)和150 kg·hm-2(NH)。每個材料播10行區，行長3 m，行距0.2 m，每行180粒。重復3次。成熟后分區收獲脫粒，曬干、測產后貯藏備用。

1.3 測定項目與方法

將籽粒過1.7 mm篩，取1.7 mm篩上的籽粒250 g置于微型制麥系統中制取麥芽，制麥程序參考汪軍妹[15]的方法。制芽后去除麥芽根，利用的DLFU盤式粉碎機將麥芽磨成粉(盤間距為 0.2 mm)，測定麥芽庫爾巴哈值(KI)、浸出率(ME)、α-氨基氮含量(AN)和糖化力(DP)[16]。

1.4 數據處理

數據利用Excel 2003進行整理，利用DPS 7.05進行方差分析、多重比較及相關分析，運用Genstat18軟件中GGE biplot[17-18]對參試品種的糖化力和庫爾巴哈值進行品種穩定性分析。

2 結果與分析

2.1 施氮水平對大麥麥芽品質性狀的影響

由表1可知，糖化力、庫爾巴哈值和α-氨基氮含量在品種(系)間變異系數較大，表明此3個性狀在不同基因型間具有較大差異。供試品種(系)的糖化力、庫爾巴哈值、α-氨基氮含量和浸出率在3個施氮水平間均具有顯著差異，其中，糖化力和α-氨基氮含量隨施氮量的增加顯著增加，而庫爾巴哈值和浸出率隨施氮量的增加顯著降低。

表1 不同施氮水平下參試大麥品種(系)的品質性狀

2.2 施氮水平對大麥麥芽品質的影響

10個大麥品種在3個施氮水平下的糖化力均值見圖1，從圖1可以看出，除了揚農啤8號(g7)和揚農啤9號(g8)，其他參試品種(系)的糖化力均隨施氮水平的提高而增加，且不同施氮水平間差異顯著。揚農啤8號(g7)和揚農啤9號(g8)的糖化力在高氮水平(NH)與中氮水平(NM)間的差異不顯著，且中氮水平的糖化力略高于高氮水平，二者均顯著高于低氮水平(NL)。在低氮水平下，除蘇啤3號(g1)和蘇啤6號(g3)的糖化力(>260WK)達到國標優級啤麥[25]要求外，其余參試品種(系)的麥芽糖化力偏低,說明多數供試啤酒大麥品種(系)在低氮水平生產的大麥原料的糖化力達不到優質啤酒大麥的行業標準。

相同品種(系)圖柱上不同字母表示處理間差異在0.05水平顯著。下圖同。

參試大麥品種(系)在3個氮水平下的庫爾巴哈值見圖2。從圖2可以看出，整體而言，10個參試品種(系)麥芽的庫爾巴哈值均隨施氮水平的提高而降低，不同施氮水平間的差異程度因品種(系)而異。蘇啤4號(g2)和揚農啤7號(g6)的麥芽庫爾巴哈值在不同施氮水平間的差異不顯著；蘇啤3號(g1)和揚農啤5號(g5)的麥芽庫爾巴哈值在不同施氮水平間的差異均達顯著水平；蘇啤6號(g3)和揚農啤8號(g7)的麥芽庫爾巴哈值在低氮與中氮水平間差異不顯著，二者均顯著高于高氮水平；其余4個品種(系)的麥芽庫爾巴哈值在高氮與中氮水平間差異不顯著，但均顯著低于低氮水平的庫爾巴哈值。合05-7(g10)和揚農啤7號(g6)在不同氮水平的庫爾巴哈值均達到優級或一級麥芽行業標準[25]，蘇啤6號(g3)低氮和中氮水平的庫爾巴哈值達到優級麥芽行業標準。

圖2 參試大麥品種(系)在3個施氮水平下的庫爾巴哈值

從圖3可以看出， 參試大麥品種(系)麥芽α-氨基氮含量隨施氮水平的提高而增加，在不同施氮水平間的差異程度因品種而異。蘇啤4號(g2)、揚農啤7號(g6)及揚農啤8號(g7)3個品種在高氮和中氮水平間的α-氨基氮含量差異不顯著，但均顯著高于低氮水平的α-氨基氮含量，其余7個品種(系)的α-氨基氮含量在3個施氮水平間的差異均達到顯著水平。除揚農啤8號(g7)和花30(g9)低氮水平下的α-氨基氮含量較低外，其余參試品種(系)在3個施氮水平下的α-氨基氮含量均大于150 mg·100g-1，均達到行標優級麥芽標準[25]。

參試大麥品種(系)在3個施氮水平下麥芽浸出率見圖4。從圖4可以看出，參試品種(系)麥芽浸出率隨施氮水平的提高而降低，不同施氮水平間的差異程度因品種(系)而異。揚農啤7號(g6)和揚農啤8號(g7)在低氮和中氮水平的浸出率差異不顯著，但均顯著高于高氮水平，其余8個品種(系)的浸出率在3個施氮水平間的差異均達到顯著水平，且該8個品種(系)在低氮水平下的麥芽浸出率均大于77%，達一級麥芽行業標準[25]。

圖3 參試大麥品種(系)在3個施氮水平下的α-氨基氮含量

圖4 參試大麥品種(系)在3個施氮水平下的浸出率

2.3 參試品種(系)麥芽品質性狀的方差分析

從表2可知，施氮水平和品種(系)對大麥的糖化力、α-氨基氮含量、庫爾巴哈值和浸出率4個麥芽品質指標的影響均達到極顯著，施氮水平與品種(系)的互作效應對糖化力和庫爾巴哈值也有極顯著影響。表明大麥麥芽品質性狀除受到品種(系)自身遺傳因素外，還受到施氮水平的影響，糖化力和庫爾巴哈值還受二者的交互作用影響。

表2 參試大麥品質性狀的方差分析

2.4 參試大麥品種(系)糖化力和庫爾巴哈值的穩定性分析

根據品種(系)與氮水平的互作對糖化力和庫爾巴哈值有顯著影響(表2)，可分析參試品種(系)在不同施氮水平下2性狀的穩定性。

2.4.1 糖化力的穩定性分析

糖化力數據標準化后經主成分分析得兩個獨立主成分：

第一主成分Z1=0.537 4X1+0.616 2X2+0.575 8X3；

第二主成分Z2=0.796 0X1-0.145 0X2-0.587 7X3。

其中，X1為低氮水平，X2為中氮水平，X3為高氮水平。

第一主成分和第二主成分累計貢獻率達 95.03%(大于85%)，可涵蓋基因型與施氮水平互作的大部分生物學信息，通過構建10個大麥品種(系)糖化力的適應性與穩定性GGN雙標圖(圖5)，由圖5可知，蘇啤3號(g1)的糖化力最高，其次是蘇啤6號(g3)，揚農啤5號(g5)的糖化力最低。從3個施氮水平下糖化力的穩定性來看，揚農啤5號(g5)最穩定，其次是揚農啤7號(g6)，揚農啤8號(g7)穩定性最差。

圖5 大麥糖化力的適應性與穩定性GGN雙標圖

2.4.2 庫爾巴哈值的穩定性分析

庫爾巴哈值數據標準化后經主成分分析得兩個獨立主成分：

第一主成分Z1=0.231 0X1+0.721 7X2+0.652 5X3；

第二主成分Z2=0.905 6X1+0.085 7X2-0.415 4X3。

第一主成分和第二主成分累計貢獻率達 93.27%，即可涵蓋基因型和施氮水平互作的大部分生物學信息，構建參試品種(系)庫爾巴哈值的適應性和穩定性GGN雙標圖(圖6)，由圖6可知，合05-7(g10)庫爾巴哈值最高，其次是蘇啤3號(g1)，揚農啤8號(g7)的庫爾巴哈值最低；從3個氮水平下庫爾巴哈值的穩定性來看，蘇啤6號(g3)最穩定，其次是花30(g9)，蘇啤3號(g1)的穩定性 最差。

圖6 大麥庫爾巴哈值的適應性與穩定性GGN雙標圖

2.5 不同施氮水平下麥芽品質性狀的相關分析

從表3可知，在3個施氮水平下，糖化力與α-氨基氮含量呈顯著或極顯著正相關，與浸出率呈極顯著負相關；浸出率與庫爾巴哈值呈極顯著正相關，與α-氨基氮含量呈極顯著負相關。

表3 施氮水平和參試大麥品質性狀的相關分析

3 討 論

3.1 氮水平對大麥麥芽品質性狀的影響

全世界約有20%的大麥被用來釀造啤酒，麥芽的品質影響啤酒質量和風味。麥芽品質性狀與籽粒淀粉含量及其組成和蛋白含量及其組分等籽粒品質性狀有關，麥芽品質與籽粒品質的關系因性狀不同而異。啤酒大麥原料籽粒蛋白質含量是影響麥芽品質的關鍵因素之一[19]。大麥籽粒的蛋白質含量不僅受品種的遺傳因素影響，也與氮肥施用水平有關。已有研究認為，增施氮肥可提高大麥籽粒產量和蛋白含量，大麥籽粒蛋白質含量的增加，可使大麥麥芽糖化力、α-氨基氮含量、β-葡聚糖含量、麥芽浸出率、庫爾巴哈值及啤酒的產能降低[20-21]。本研究認為，隨著施氮水平的提高，參試品種的麥芽浸出率和庫爾巴哈值呈下降趨勢，α-氨基氮含量和糖化力呈增加趨勢，與Adel等[21]研究結果一致。

3.2 啤酒大麥麥芽品質性狀的相關性

衡量大麥麥芽品質性狀的主要指標有庫爾巴哈值、糖化力、α-氨基氮含量及浸出率。本研究中，在3個氮水平下，糖化力與α-氨基氮含量呈顯著或極顯著正相關，與浸出率呈極顯著負相關；浸出率與庫爾巴哈值呈極顯著正相關，與α-氨基氮含量呈極顯著負相關；庫爾巴哈值與糖化力、α-氨基氮含量的相關不顯著。麥芽品質指標中，糖化力、α-氨基氮含量及浸出率3個指標值越大，麥芽品質越好；庫爾巴哈值應在適宜的范圍內，并不是越大越好，改良麥芽品質性狀需通過品種改良和栽培措施調節來打破品質性狀間的負相關，實現品質性狀的最優組合[22]。

3.3 不同施氮水平下大麥麥芽品質及其穩定性

優質麥芽通常具有較高的麥芽浸出物、糖化力和α-氨基氮含量及合適的庫爾巴哈值[23]，影響麥芽品質的因素較多，如品種的遺傳差異、栽培技術和制麥工藝等[24]。參照啤酒麥芽行業標準QB/T1686-2008中優級麥芽糖化力、α-氨基氮含量、浸出率及庫爾巴哈值四個指標，對本研究參試品種(系)的麥芽品質性狀進行綜合評定，發現在低氮水平下，除蘇啤3號(g1)和蘇啤6號(g3)的糖化力達到國標優級啤麥要求外，其余參試品種(系)的麥芽糖化力均偏低；高氮和中氮水平下參試品種(系)的麥芽糖化力均達到或超過一級行業標準；從3個施氮水平下糖化力的穩定性來看，揚農啤5號(g5)最穩定，其次是揚農啤7號(g6)。合05-7(g10)和揚農啤7號(g6)在不同施氮水平的庫爾巴哈值均達到優級或一級麥芽行業標準，蘇啤6號(g3)在低氮和中氮水平的庫爾巴哈值達到優級麥芽行業標準；從3個施氮水平下庫爾巴哈值的穩定性來看，蘇啤6號(g3)最穩定，其次是花30(g9)。除揚農啤8號(g7)和花30(g9)在低氮水平下的α-氨基氮含量較低外，其余參試品種在3個氮水平下的α-氨基氮含量均大于150 mg·100g-1，均達到行標優級麥芽標準。參試品種(系)在低氮水平下的麥芽浸出率均大于77%，達行業標準一級麥芽，其余2個氮水平麥芽浸出率均偏低，達不到一級麥芽行業標準。綜合4個麥芽指標的表型及糖化力和庫爾巴哈值的穩定性，參試品種(系)的麥芽浸出率普遍偏低、糖化力和α-氨基氮含量普遍偏高、庫爾巴哈值變異較大，其中揚農啤7號(g6)和蘇啤6號(g3)的麥芽綜合品質較好，這兩個品種的豐產性也較好，建議作為江蘇的主體推廣品種；從施氮水平的綜合影響來看，參試大麥品種以中氮水平的麥芽品質 較好。