基因、灌溉和儲藏對小麥蛋白質理化特性影響的研究進展

劉鴻飛 張 波 張影全 劉 銳 郭波莉

(中國農業科學院農產品加工研究所；農業部農產品加工綜合性重點實驗室1,北京 100193) (農業農村部食物與營養發展研究所2，北京 100081)

蛋白質是小麥籽粒的主要成分之一，小麥粉的應用品質取決于蛋白質的含量和構成。根據Osborne的蛋白質分類方法，小麥蛋白分為清蛋白、球蛋白、麥醇溶蛋白和麥谷蛋白[1]。麥醇溶蛋白和麥谷蛋白是面筋的主要組成部分，是決定面團流變學特性的主要因素。根據蛋白質在十二烷基硫酸鈉溶液(Sodium Dodecyl Sulfate, SDS)中溶解度，可以將蛋白質分為SDS可溶蛋白和SDS不可溶蛋白。SDS不可溶蛋白主要是麥谷蛋白，被稱為麥谷蛋白大聚體(Glutenin Macropolymer, GMP)。GMP的理化特性是預測小麥及小麥粉應用質量的重要指標。其中，GMP含量和顆粒大小對面包烘焙品質有重要影響[2,3]；GMP顆粒大小與面團的形成時間有極強的相關性[4]；GMP的流變學特性與面包體積和彈性有極強的相關關系[5]。

小麥生產加工鏈包括種植、儲藏和加工等過程，其中很多因素會影響小麥籽粒和小麥粉的蛋白質理化特性和加工品質[6]，其中可人為干預的主要因素包括品種、灌溉、籽粒和小麥粉儲藏條件等。以生產加工鏈為脈絡梳理，便于理解和掌握小麥蛋白質理化特性鏈式發展的規律，重點整理匯總了谷蛋白亞基類型和表達量、灌溉、儲藏對小麥籽粒和小麥粉蛋白質理化特性影響的研究進展，以及灌溉與儲藏可能的影響機制，以期對小麥育種、生產、籽粒和小麥粉儲藏提供參考。

1 灌溉及儲藏對小麥蛋白質理化特性的可能影響機制

小麥生長期內灌溉頻率和灌溉時期影響植株氮素吸收特性、氮素利用效率和氮素再分配效率[7-8]，從而影響小麥籽粒蛋白質理化特性。一般認為，干旱脅迫和過量灌溉均影響小麥植株氮素的吸收和轉運，干旱阻礙氮素向籽粒轉移從而減少籽粒氮素積累量；過量灌溉會造成籽粒中的蛋白質被稀釋，導致蛋白質含量降低[9-10]；適度節水處理有利于小麥葉片氮素向籽粒中轉運，促進籽粒氮素的積累，從而促進籽粒蛋白質積累和GMP形成[11,12]。

儲藏時間影響小麥籽粒和小麥粉最終應用品質[13]。有報道認為，隨著儲藏時間的延長，小麥籽粒中游離巰基逐漸被氧化為二硫鍵，低分子質量蛋白質通過二硫鍵交聯形成高分子質量蛋白質；醇溶蛋白

表1 西農1330品種近等基因系的蛋白質理化特性[26]

表2 西農136和Glenlea品種近等基因系的蛋白質理化特性[27]

含量降低，麥谷蛋白含量增加[14]。同時，游離巰基的減少抑制蛋白酶的降解作用[15-17]。小麥籽粒后熟和小麥粉熟化過程中，合成作用和降解作用同時發生，但總體趨勢呈現出合成作用大于降解作用[18]。

2 基因對小麥籽粒蛋白質理化特性及質量的影響

位于小麥1A、1B、1D染色體長臂上近著絲點處的Glu-A1、Glu-B1和Glu-D1位點，總稱為Glu-1位點，負責編碼高分子質量谷蛋白亞基(HMW-GS)。HMW-GS存在著豐富的變異類型，其中Glu-A1位點有3種基因形式, Glu-B1位點有11種等位基因變異，Glu-D1位點有6種等位基因變異[19-21]。位于1A、1B、1D染色體短臂上的Glu-A3、Glu-B3和Glu-D3位點，總稱為Glu-3位點，負責編碼低分子質量谷蛋白亞基(LMW-GS)。根據亞基的分子量，LMW-GS可以分為B型、C型和D型亞基[22,23]。近等基因系是指除了某一兩個基因外，其他遺傳背景都相同的遺傳材料[24]。通過連續回交得到只有編碼HMW-GS或LMW-GS的某個位點遺傳信息不同而其他遺傳背景均一致的近等基因系，用來研究不同谷蛋白亞基組成對小麥品質的影響。

HMW-GS主要影響谷蛋白網絡結構，是決定面筋彈性的重要組分。β折疊和β轉角的含量與面團的黏彈性顯著正相關，而α螺旋的含量與面團黏彈性呈負相關關系[25]。Gao等[26]利用西農1330和它的三個近等基因系研究Glu-B1位點的HMW-GS組成對小麥面筋蛋白二級和微觀結構的影響。結果表明(表1)，四個近等基因系之間HMW-GS/LMW-GS ratio、Glu/Gli ratio、總蛋白質含量、濕面筋含量之間沒有顯著差異；7+9亞基有利于α螺旋結構的形成；17+18亞基有利于形成β折疊結構和提高SDS沉降值；14+15亞基有利于形成β轉角和提高Zeleny沉降值；從面團形成時間、穩定時間、彈性以及最大拉伸阻力來看，與其他三個近等基因系相比西農1330呈現所有指數的最低值。

亞基表達量與蛋白質理化特性呈正相關。由表2可見，Li等[27]利用西農136和Glenlea兩個品種雜交后連續回交五代得到的HMW-Bx7和HMW-Bx7OE近等基因系研究高分子質量谷蛋白亞基Bx7過表達對面團流變學特性的影響。結果表明，HMW-Bx7OE與HMW-Bx7相比，總蛋白含量、濕面筋含量、Zeleny沉降值、面團形成時間和穩定時間分別顯著增加了18.6%、17.7%、22.1%、58.1%和73.6%；HMW-Bx7OE的HMW-GS/LMW-GS、Glu/Gli、面團儲能模量值和損耗模量值均高于HMW-Bx7。當亞基缺失時，HMW-GS/LMW-GS ratio、Glu/Gli ratio、濕面筋含量和Zeleny沉降值、UPP%、面團吸水率、面團形成時間和穩定時間均比亞基表達時顯著降低[28]。

3 灌溉對小麥籽粒蛋白質理化特性及質量的影響

小麥主要的灌溉制度有不澆水(生育期無灌溉)，一水制(拔節水或孕穗水)，二水制(越冬水+拔節或孕穗水，拔節或起身水+開花水)以及三水制(越冬水+拔節水+開花或灌漿水，起身或拔節水+開花水+灌漿水)。趙廣才等[29]認為適當減少灌溉次數可以提高總蛋白含量，并能延長面團的形成時間和穩定時間。許振柱等[30]認為澆拔節水和孕穗水有利于籽粒儲藏蛋白和GMP的積累。

適當節水處理有利于蛋白質積累和GMP大顆粒形成。Dai等[31]研究了W0(不澆水)和W1(拔節水)對強筋麥濟南17和師欒02-1、中筋麥煙農24、弱筋麥魯麥21蛋白質理化特性的影響。結果表明，和W1相比，W0處理四個品種的GMP含量分別增加了3.1%、9.3%、10.0%和13.8%～18.7%；弱筋麥的增加幅度最大。W0處理四個品種中直徑大于100 μm 的GMP大顆粒含量分別增加了1.4%、4.7%、3.7%、5.1%～6.6%；弱筋麥的增加幅度最大。Dai等[32]研究了W0(不澆水)，W1(拔節水和開花水)W2(越冬水、拔節水、開花水和灌漿水)對強筋麥濟南17和弱筋麥魯麥21蛋白質理化特性的影響。結果表明，與W2、W0處理相比，2011—2012年度兩個品種在W1灌溉條件下的蛋白質含量分別增加1.12%、0.73%和1.41%、0.86%，GMP含量分別增加0.34%、0.22%和0.19%、0.31%；2012—2013年度兩個品種在W1灌溉條件下的蛋白質含量分別增加0.98、0.69%和1.22%、0.92%，GMP含量分別增加0.17%、0.11%和0.11%、0.18%。2012—2013年度兩個品種W1處理下GMP大顆粒(直徑>100 μm)含量分別增加了3.04%、4.36%和3.62%、2.49%。

拔節期、開花期和灌漿期是灌溉影響小麥品質的主要時期。盛坤等[33]研究了改變不同生育期灌溉條件的10種水處理條件對新麥26蛋白質理化特性的影響結果表明，拔節期之前土壤水分含量對小麥蛋白質含量沒有顯著影響，拔節期、開花期和灌漿期土壤含水量低的小麥蛋白質含量分別比土壤含水率高的小麥蛋白質含量高0.42%、0.59%和1.33%；面筋指數沒有隨著土壤含水率的變化發生明顯的變化。

4 儲藏對小麥籽粒蛋白質理化特性及質量的影響

隨著儲藏時間的延長，小麥籽粒蛋白質含量和面筋含量變化不大，面團形成時間、穩定時間、抗拉伸阻力和拉伸面積均有增大的趨勢[34-38]。

小麥蛋白質理化特性在籽粒短期儲藏到完成后熟期呈現逐漸增加并穩定的趨勢。小麥籽粒儲藏過程中，儲藏環境溫濕度會顯著影響小麥品質，與低溫低濕條件相比，高溫高濕條件會加速小麥品質變化。Yue等[39]研究了硬白冬小麥luomai18分別在15 ℃/50%RH，20 ℃/65%RH，28 ℃/75%RH，35 ℃/85%RH條件下儲藏期內蛋白質理化特性的變化。結果表明，隨著儲藏時間延長到14周，游離巰基含量降低，二硫鍵含量增加；面筋指數、SDS沉降值、谷蛋白溶脹指數均增加，其中高溫高濕條件下增幅最大，增幅分別為15.08%、37.17 mL和0.98%；麥谷蛋白含量、Glu/Gli和GMP含量均增加。高溫高濕條件下，GMP中二硫鍵含量增幅最大為0.057 mmol/g。Miroslav等[40]研究了塞爾維亞3個硬白冬小麥品種Pobeda、Zvezdana和Apache籽粒在22 ℃、70%相對濕度下短期儲藏期間蛋白質理化特性的變化。結果表明，隨著儲藏時間延長，3個品種小麥濕面筋含量分別降低了4.5%、4.7%和4.7%；面筋指數分別增加了9.4%、12.9%和5.5%；面團的儲存模量G’值先降低后升高，其中Zvezdana變化幅度最大，儲藏50 d小麥面團的G’值比儲藏10 d的小麥面團G’值相對增加了10.9%。

小麥籽粒后熟期完成后隨儲藏時間進一步延長，小麥蛋白質理化特性呈現降低的趨勢，小麥品質發生劣變。Hakan等[41]研究了Bezostaya和Lancer兩個品種籽粒在自然儲藏條件下小麥蛋白質理化特性的變化。結果表明，從新收獲到儲藏180 d，Bezostaya和Lancer的粗蛋白質質量分數分別降低2.11%和5.99%；Zeleny沉降值分別降低4.82、5.20 mL；濕面筋質量分數分別降低4.77%和2.00%；干面筋質量分數分別降低1.67%和1.93%。

5 儲藏對小麥粉蛋白質理化特性及質量的影響

小麥粉在短期儲藏到完成熟化過程中低分子質量蛋白質通過二硫鍵連接形成高分子質量蛋白質，蛋白質理化特性相關指標均呈現逐漸增加后穩定的趨勢，小麥粉品質也逐漸改善并穩定。王娜等[42]研究了在24 ℃、通風儲藏期間小麥粉蛋白質理化特性的變化。結果表明，從儲藏0 d到儲藏90 d，三種小麥粉的總蛋白質含量沒有明顯變化，三種小麥粉的游離巰基含量降低，降幅分別為5.5%、4.1%和4.4%，而二硫鍵含量增加，增幅分別為1.6%、1.8%和2.0%；麥醇溶蛋白含量降低，降幅為16.54 mg，麥谷蛋白含量增加，增幅為19.48 mg；高筋粉、中筋粉和低筋粉的GMP含量分別增加了6、5 2.5、mg/g樣品，粒徑分別增加了1.4、1.3、0.9 μm。

而隨儲藏時間進一步延長，小麥粉品質出現劣變。儲藏環境溫濕度會顯著影響小麥粉蛋白質理化特性與低溫低濕條件相比，高溫高濕條件會加速小麥粉蛋白質理化特性變化。劉長虹等[43]研究了在25 ℃，50%、65%和80%相對濕度儲藏期間小麥粉蛋白質特性的變化。結果表明，儲藏過程中，小麥粉粗蛋白含量變化不大，濕面筋含量降低，其中80%相對濕度下濕面筋降低了2.5%。王穎等[44]研究了分別在25、30、35 ℃，50%、65%和80%溫濕度組合條件下儲藏180 d以及室溫條件下儲藏150 d小麥粉蛋白質理化特性的變化。結果表明，隨著儲藏時間的延長，不同溫濕度組合儲藏條件下中筋粉和高筋粉的總蛋白質含量沒有明顯變化變化；25 ℃和30 ℃條件下，中筋粉和高筋粉的濕面筋含量先增加后降低，而35 ℃條件下，中筋粉和高筋粉的濕面筋含量呈現降低的趨勢，相同溫度條件下，濕度越高，降低的幅度越大；室溫條件下儲藏的小麥粉，中筋粉和高筋粉的吸水率和弱化度增加，而面團穩定時間分別減少1.31、0.78 min。

6 總結與展望

小麥品種、灌溉條件、籽粒和小麥粉儲藏溫濕度及時間顯著影響蛋白質的理化特性。HMW-GS和LMW-GS的類型和表達量顯著影響小麥蛋白質理化特性。其中高分子質量谷蛋白亞基表達量與蛋白質含量、GMP含量、顆粒大小和流變學特性正相關；不同高分子質量谷蛋白亞基對蛋白質理化特性的影響程度也有顯著差異，如5+10亞基與2+12亞基相比是較為優質的高分子質量谷蛋白亞基。灌溉主要影響小麥蛋白質含量、GMP含量和顆粒大小，適當的節水處理有利于蛋白質積累和GMP大顆粒形成。儲藏時間和溫濕度主要影響小麥籽粒和小麥粉的游離巰基含量、二硫鍵含量、麥醇溶蛋白含量、麥谷蛋白含量、GMP含量和面團流變學特性；短期儲藏中，儲藏時間與GMP含量和顆粒大小顯著正相關；而隨著儲藏時間進一步延長，GMP含量和面團黏彈性逐漸降低；低溫低濕條件下小麥蛋白質含量、濕面筋含量和沉降值等指標均沒有顯著變化，適當熱處理會加速小麥籽粒和小麥粉后熟，而高溫高濕條件下小麥濕面筋含量和面筋指數等指標降低幅度大，且蛋白質水解程度也顯著高。

灌溉對GMP理化特性方面研究主要集中在GMP含量和顆粒大小，在其形貌或流變學特性研究報道較少。儲藏對小麥籽粒、小麥粉蛋白質含量和面團流變學特性的影響已有大量研究，但對小麥籽粒和小麥粉GMP理化特性的研究較少，特別關于GMP形貌的研究正處于起步階段，而蛋白質形貌與面制品質量之間的關系仍需進一步研究。加強小麥加工鏈中蛋白質組分形貌以及流變學特性的研究可以為小麥高效節水灌溉技術，籽粒和小麥粉儲藏質量至面制品質量控制提供參考。