施氮量對糯小麥和非糯小麥籽粒淀粉組分與理化特性的影響

張 敏，趙 城，劉希偉，宋霄君，張玉春，楊 敏，周齊齊，蔡瑞國

(河北科技師范學院生命科技學院，河北昌黎 066600)

施氮量對糯小麥和非糯小麥籽粒淀粉組分與理化特性的影響

張 敏，趙 城，劉希偉，宋霄君，張玉春，楊 敏，周齊齊，蔡瑞國

(河北科技師范學院生命科技學院，河北昌黎 066600)

為探明氮肥對小麥籽粒淀粉組分和理化特性的影響，采用田間試驗，分析了4個施氮量(0、100、200、300 kg ·hm-2)對糯小麥(農(nóng)大糯50222)和非糯小麥(輪選987)籽粒淀粉組分與理化特性的影響。結(jié)果表明，隨施氮量的增加，小麥籽粒淀粉含量降低，輪選987籽粒中B型淀粉粒的數(shù)目占比增加，而農(nóng)大糯50222 籽粒的B型淀粉粒數(shù)目占比呈減少趨勢；增施氮肥能顯著提高小麥籽粒淀粉的峰值黏度和谷值黏度。相同施氮量處理下，輪選987淀粉的被測糊化特征參數(shù)(除谷值黏度外)均大于農(nóng)大糯50222。施氮量不同，2個品種籽粒淀粉X-衍射圖譜中各峰的位置和相對強度明顯不同。隨施氮量的增加，輪選987淀粉的相對結(jié)晶度增大，而農(nóng)大糯50222淀粉的相對結(jié)晶度減小。相關(guān)分析表明，小麥籽粒的直鏈淀粉含量和直支比與最終黏度、稀澥值、反彈值、糊化溫度和峰值時間呈顯著正相關(guān)，與谷值黏度和相對結(jié)晶度呈顯著負相關(guān)；支鏈淀粉含量反之。小麥籽粒的B型淀粉粒數(shù)目占比與峰值黏度、稀澥值呈顯著負相關(guān)。綜上所述，施氮量可影響小麥籽粒的淀粉含量和粒度分布，進而改變其糊化特性和晶體特征。

小麥；氮肥用量；淀粉組成；糊化特性；晶體特性

淀粉是小麥籽粒的重要組成部分，約占籽粒干重的65%～70%[1]，其理化特性主要包括淀粉組分、粒度分布特征、晶體特征、糊化特性等，對淀粉的加工品質(zhì)和食用品質(zhì)具有重要作用[2-4]。小麥籽粒淀粉主要包括直鏈淀粉和支鏈淀粉兩種類型，并以淀粉粒的形式存在于小麥胚乳中[5]。研究表明，小麥胚乳主要由A型淀粉粒(直徑≥10 μm)和B型淀粉粒(直徑<10 μm)組成[6]；淀粉粒粒度分布呈雙峰曲線，B型淀粉粒和A型淀粉粒各有一個峰[7]。Peterson等[8]研究發(fā)現(xiàn)，A型淀粉粒數(shù)目占比與峰值黏度顯著負相關(guān)；顧 峰等[5]研究發(fā)現(xiàn)，籽粒中支鏈淀粉含量與峰值黏度顯著負相關(guān)?？梢?，淀粉組成、粒度分布特征與糊化特性之間存在一定的相關(guān)性。同時，淀粉作為一種天然結(jié)晶高聚物，由結(jié)晶區(qū)和非結(jié)晶區(qū)兩部分組成，結(jié)晶區(qū)主要由支鏈淀粉構(gòu)成，非結(jié)晶區(qū)主要由直鏈淀粉構(gòu)成[9-10]。小麥籽粒淀粉組分和理化特性受基因型和環(huán)境條件的共同影響[5,11]，氮肥是影響小麥生長發(fā)育的主要因素之一，對小麥籽粒淀粉組分及理化特性等有重要影響[12-13]。

糯小麥由于基因 Wx-A1b、 Wx-B1b及 Wx-D1b在個體中同時純合或缺失，籽粒不含直鏈淀粉或直鏈淀粉含量很低(<2%)[14-16]。非糯小麥與糯小麥的淀粉組分、淀粉理化特性、加工品質(zhì)有較大差異[14]。目前，施氮量對淀粉組分及理化特性影響的研究多集中于非糯小麥。本研究擬分析4種施氮量對糯小麥、非糯小麥品種籽粒淀粉組分、粒度分布、糊化特性和晶體特征的影響，以期為改良小麥淀粉品質(zhì)提供一定的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與設計

試驗于2013-2014年在河北科技師范學院昌黎校區(qū)生命科技學院實驗站(119°15′ N,39°72′ E)進行。選用非糯小麥品種輪選987和糯小麥品種農(nóng)大糯50222為試驗材料。2013年10月2日播種，試驗地0～20 cm土壤的全氮、水解氮、速效磷、速效鉀含量分別為0.50 g·kg-1、57.5 mg·kg-1、39 mg·kg-1、75 mg·kg-1。設置4個氮肥水平，分別為0 kg·hm-2(N0，對照)、100 kg·hm-2(N100，低氮)、200 kg·hm-2(N200，中氮)、300 kg·hm-2(N300，高氮)。氮肥底施50%，拔節(jié)期追施50%。完全隨機區(qū)組設計，小區(qū)面積為9 m2(3 m×3 m)，3次重復?；久?75萬·hm-2，行距20 cm，3葉期定苗，管理措施同當?shù)匦←湼弋a(chǎn)田。試驗期間小麥生長發(fā)育正常，2014年6月15日收獲。

1.2 測定項目與方法

1.2.1 小麥籽粒淀粉的提取

取完熟期小麥籽粒5 g，加25 ml 0.5 mol·L-1的NaCl溶液，于4 ℃冰箱靜置48 h，去除胚和果皮，放入研缽中，加入5 mL 0.5 mol·L-1的NaCl進行研磨，直至面筋出現(xiàn)，過濾。重復上述步驟，至濾出液遇碘不變藍。合并濾液，3 000 r·min-1離心10 min，取沉淀。沉淀依次用2 mol·L-1NaCl、2% SDS、0.2% NaOH溶液沖洗，去除沉淀中的雜質(zhì)和蛋白質(zhì)，直至沉淀為白色為止。最后沉淀用丙酮振蕩沖洗3次，40 ℃烘干，混勻密封，4 ℃貯藏備用。每個樣品重復3次。

1.2.2 淀粉含量的測定

用PERTEN 3100型試驗磨磨制全麥粉?？偟矸酆坎捎幂焱?硫酸比色法測定，具體方法參照GB5006-85《谷物籽粒粗淀粉測定法》[17]。直鏈淀粉含量參照GB7648-87的方法測定，支鏈淀粉含量為兩者的差值。

1.2.3 淀粉粒度分布的測定

利用LS13320型激光粒度分析儀(貝克曼庫爾特公司)測定小麥淀粉粒度分布[18]。計算結(jié)果和作圖均采用儀器本身攜帶的軟件。

1.2.4 淀粉糊化特性的分析

采用澳大利亞Newport scientific儀器公司生產(chǎn)的快速黏度分析儀(RVA 4500)測定淀粉糊化特性[19]。計算結(jié)果和作圖均采用儀器本身攜帶的軟件。

1.2.5 淀粉晶體特征的測定

采用日本理學D/max 2500PC型粉末X-射線衍射儀進行測定[20]。利用Jade 5.0軟件分析結(jié)晶峰的位置并計算相對結(jié)晶度。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2003對數(shù)據(jù)進行整理和作圖，利用DPS 7.05對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 施氮量對小麥籽粒淀粉及其組分含量的影響

由表1可知，施氮量對小麥籽粒淀粉及其組分含量有顯著影響。隨施氮量的增加，輪選987籽粒的直鏈淀粉含量先降后升，N200處理顯著低于其他處理；支鏈淀粉和總淀粉含量先降低后增加，以N100處理最低，各處理間差異顯著。農(nóng)大糯50222在N100處理下，籽粒中直鏈淀粉、支鏈淀粉和總淀粉含量顯著高于其他處理，N200和N300處理的支鏈淀粉和總淀粉含量顯著低于N0處理。兩個品種籽粒的直鏈淀粉含量均以N200處理最低。輪選987直/支比以N100處理最大，而農(nóng)大糯50222直/支比以N300處理最大。

2.2 施氮量對小麥籽粒淀粉粒度分布的影響

輪選987和農(nóng)大糯50222籽粒淀粉粒的粒徑分布均呈單峰曲線，其峰值分別為3.06 μm和2.54 μm(表2)。就淀粉粒數(shù)目而言，輪選987籽粒的B型淀粉粒占比為98.0%～98.4%，以N100處理最高；農(nóng)大糯50222籽粒的B型淀粉粒占比為99.1%～99.3%，以N0處理最高(表2)。兩品種籽粒淀粉粒的體積分布均呈雙峰曲線；各處理輪選987籽粒的A型淀粉粒體積占比均明顯高于B型淀粉粒，以N200處理A型淀粉粒體積占比最高；農(nóng)大糯50222 A、B型淀粉粒體積占比差異較小，以N300處理A型淀粉粒體積占比最高。輪選987 A型淀粉粒體積占比(62.1%～66.6%)高于農(nóng)大糯50222(46.5%～51.7%)。兩品種籽粒淀粉粒的表面積分布均呈雙峰曲線，且B型淀粉粒的表面積占比明顯大于A型淀粉粒；施氮量對兩個品種B型淀粉粒的表面積占比影響不同，輪選987 B型淀粉粒的表面積占比以N100處理最高，而農(nóng)大糯50222 在N0處理下最高，各處理間差異顯著。可見，施氮量對小麥籽粒中B型淀粉粒表面積的影響存在基因型差異。

不同施氮量對淀粉粒平均粒徑和中位粒徑有顯著影響，對其數(shù)目、體積、表面積分布的峰值粒徑無影響。輪選987各施氮處理的籽粒淀粉粒的平均粒徑均顯著小于對照，而峰值粒徑不受施氮量變化的影響。施氮處理的農(nóng)大糯50222淀粉粒數(shù)目分布中的平均粒徑和中位粒徑均顯著小于對照，且在N100處理下減小幅度最大，而體積和表面積分布中的平均粒徑和中位粒徑均呈增大趨勢，在N300處理下增加幅度最大。

2.3 施氮量對小麥籽粒淀粉糊化特性的影響

由表3可知，輪選987在N100處理下，糊化溫度顯著高于其他處理；峰值時間顯著大于N0和N200處理，與N300處理差異不顯著；N200處理下的峰值黏度、谷值黏度、稀澥值均顯著高于其他處理；最終黏度和反彈值以N200處理最低、N300處理最高，各處理間差異顯著。隨施氮量的增加，農(nóng)大糯50222糊化溫度先降后升，且N0處理顯著高于其他施氮處理；峰值時間顯著降低，3個施氮處理的差異不顯著；峰值黏度、稀澥值、反彈值均以N300處理最大，且顯著大于其他3個處理(反彈值的N200處理除外)，N200處理顯著大于N0和N100處理；谷值黏度和最終黏度均以N200處理最大，且顯著大于其他處理(最終黏度的N300處理除外)。品種間比較，農(nóng)大糯50222淀粉被測糊化特性參數(shù)(谷值黏度除外)均小于輪選987，表明輪選987糊化過程中所需的熱焓較高，淀粉糊化特性存在基因型差異。

表1 施氮量對小麥籽粒淀粉含量及其組分的影響Table 1 Effect of nitrogen rate on grain starch content and components

同一品種同列數(shù)據(jù)后不同字母表示差異在0.05水平顯著。

Data followed by different letters within same cultivar in same column mean significant difference atP<0.05 level.

表2 施氮量對小麥籽粒淀粉粒分布特征參數(shù)的影響Table 2 Effect of nitrogen rate on characteristic parameters of starch granule distribution of wheat grains

B-type：B型淀粉粒；AD：平均粒徑；MD：中位粒徑；PD：峰值粒徑。

B-type:B-type starch granule;AD:Average diameter;MD:Middle diameter;PD:Peak diameter.

表3 施氮量對小麥淀粉糊化特性的影響Table 3 Effect of nitrogen rate on the pasting characteristics of wheat starch

2.4 施氮量對小麥籽粒淀粉晶體特征的影響

對淀粉的X-衍射圖譜分析發(fā)現(xiàn)，2小麥品種淀粉的晶體類型均呈典型的A型特征(圖1)。輪選987在2θ為15°、20°和23°附近均有單峰出現(xiàn)，在2θ為17°和18°附近有相連的雙峰出現(xiàn)。不同處理的峰值衍射強度均表現(xiàn)為18°>17°>20°>23°>15°。農(nóng)大糯50222在2θ為15°和23°附近各有一個單峰，在2θ為17°和18°附近有一個相連的雙峰，在2θ為20°附近有一小峰，其衍射強度很低。不同處理的峰值衍射強度均表現(xiàn)為18°>17°>23°>15°>20°。說明小麥淀粉X-衍射圖譜的尖峰強度存在基因型差異。由表4可見，施氮量不同可引起小麥淀粉相對結(jié)晶度發(fā)生改變，且變化存在基因型差異。隨施氮量增加，輪選987籽粒淀粉的相對結(jié)晶度先增后減，以N200處理最大，且顯著高于其他處理，其次為N300處理。農(nóng)大糯50222的相對結(jié)晶度則隨施氮量增加先減后增，以N200處理最低，且顯著低于其他處理(表4)。

施氮量增加，淀粉X-衍射圖譜中出峰位置存在一定的差異(表4)，其變化范圍均在0.02°以內(nèi)，未達到顯著水平，但小麥淀粉X-衍射圖譜出峰位置的峰值強度存在顯著差異(表5)。隨施氮量增加，輪選987在2θ為15°、17°、18°和20°的尖峰強度先降低后升高，而2θ為23°時呈相反變化趨勢。通過與2θ為18°的峰值比較發(fā)現(xiàn)，施氮量增加，輪選987在2θ為17°和20°尖峰的相對強度呈先減小后增大的趨勢，2θ為23°尖峰的相對強度呈相反變化趨勢；而農(nóng)大糯50222在2θ為15°、17°、23°尖峰相對強度呈先升高后降低的趨勢，2θ為20°尖峰的相對強度呈增大趨勢?？梢?，施氮量對小麥淀粉X-衍射圖譜中各尖峰的強度存在調(diào)控作用。

圖1 施氮量對小麥淀粉X-衍射圖譜的影響

品種Cultivar處理Treatment結(jié)晶峰衍射角Diffractionpeaksat2θvalue/°第1尖峰Firstpeak第2尖峰Secondpeak第3尖峰Thirdpeak第4尖峰Fourthpeak第5尖峰Fifthpeak相對結(jié)晶度Relativecrystallinity/%輪選987N015.0a17.1a18.0a20.0a22.9a23.0dLunxuan987N10015.0a17.1a18.0a19.8a23.1a23.1cN20015.1a17.1a18.2a19.9a23.0a23.7aN30015.1a17.2a18.0a19.9a23.0a23.6b農(nóng)大糯50222N015.0a17.0a18.0a20.0a23.1a30.9aNongdanuo50222N10015.0a17.0a18.0a20.0a23.1a30.4bN20014.9a17.0a18.0a19.9a22.9a27.7dN30015.0a17.0a17.9a19.9a23.1a29.5c

2.5 淀粉組成與糊化特性和相對結(jié)晶度的相關(guān)性

由表6可知，直鏈淀粉含量和直支比與最終黏度、稀澥值、反彈值、糊化溫度和峰值時間顯著正相關(guān)，與谷值黏度和相對結(jié)晶度顯著負相關(guān)。支鏈淀粉含量與峰值黏度、最終黏度、稀澥值、反彈值、糊化溫度和峰值時間顯著負相關(guān)，與谷值黏度、相對結(jié)晶度顯著正相關(guān)?？偟矸酆颗c峰值黏度顯著負相關(guān)。B型淀粉粒的數(shù)目、體積和表面積占比與峰值黏度、稀澥值均顯著負相關(guān)，相對結(jié)晶度與B型淀粉粒體積占比呈顯著正相關(guān)。

表5 施氮量對小麥淀粉X-衍射圖譜尖峰強度的影響Table 5 Effects of nitrogen rate on intensity of X-ray diffraction peaks of wheat starch

*：與2θ=18°峰強比較的相對強度。

*：Relative intensity of diffraction angle 15°,17°,20° and 23° to angle 18° 。

表6 淀粉組分與其RVA特征參數(shù)和相對結(jié)晶度之間的相關(guān)性分析Table 6 Correlation coefficients between starch composition and RVA characteristic parameters and relative crystallinity

PV:Peak viscosity; TV:Trough viscosity; FV:Final viscosity; BD:Breakdown; SB:Setback; PM:Pasting temperature; PT:Peak time; RC:Relative crystallinity. *:P<0.05; **:P<0.01.

3 討 論

3.1 施氮量對小麥籽粒淀粉及其組分含量的影響

環(huán)境條件和栽培措施對小麥籽粒中淀粉的積累有重要影響。姜 東等[21]認為，適量施氮能有效提高中筋品種魯麥22籽粒中直鏈淀粉和支鏈淀粉的含量；蔡瑞國等[12]發(fā)現(xiàn)，適量施氮能提高強筋和弱筋小麥籽粒中的支鏈淀粉含量，降低直鏈淀粉含量。本試驗結(jié)果表明，隨施氮量的增加，輪選987小麥籽粒直鏈淀粉、支鏈淀粉和總淀粉含量均先降后升；農(nóng)大糯50222的直鏈、支鏈和總淀粉含量則先升后降。兩個品種籽粒的直鏈淀粉含量均以N200處理降低幅度最大。輪選987直/支比在N100處達最大，農(nóng)大糯50222直/支比在N300處最大。農(nóng)大糯50222支鏈淀粉、總淀粉含量均大于相應處理輪選987的，但其直鏈淀粉含量極低，均未超過0.9%，這與前人的研究結(jié)果一致[22]。

3.2 施氮量對小麥籽粒淀粉粒度分布的影響

成熟小麥籽粒中含兩種類型的淀粉粒，即A型大淀粉粒(直徑10～35 μm)和B型小淀粉粒(1～10 μm)，其體積和表面積分布均呈雙峰曲線，A型和B型淀粉粒分別有一個峰[23]。本研究表明，兩個小麥品種籽粒淀粉粒的粒徑分布均為1～45 μm，籽粒淀粉粒的數(shù)目分布呈單峰曲線，體積分布和表面積分布均呈雙峰曲線，谷值粒徑均在10 μm左右。可見，糯小麥和非糯小麥的淀粉粒數(shù)目、體積和表面積占比的分布趨勢相同，不存在基因型差異。

農(nóng)大糯50222籽粒中B型淀粉粒的數(shù)目、體積和表面積占比均高于相同處理下的輪選987，這與前人研究結(jié)果一致[24]。農(nóng)大糯50222籽粒淀粉粒數(shù)目占比、體積和表面積占比的峰值粒徑均低于輪選987，這與蔡瑞國等[25]的研究結(jié)果不同。

3.3 施氮量對小麥淀粉糊化特性和晶體特征的影響

淀粉糊化特性是淀粉品質(zhì)好壞的重要影響因素，其峰值黏度是決定面條品質(zhì)的重要參數(shù)[26]。本研究結(jié)果表明，增施氮肥可明顯提高小麥淀粉的峰值黏度。除谷值黏度外，其余被測糊化特性的參數(shù)均表現(xiàn)為農(nóng)大糯50222小于輪選987相應處理。小麥淀粉粒以一種高度組織的半結(jié)晶狀態(tài)存在于胚乳中，分為結(jié)晶區(qū)和無定型區(qū)[27]。本研究結(jié)果表明，小麥淀粉的XRD衍射圖譜呈A-型特征，在2θ為15°、17°、18°、20°和23°分別有峰，但各峰的強度明顯不同，輪選987表現(xiàn)為18°>17°>20°>23°>15°，農(nóng)大糯50222表現(xiàn)為18°>17°>23°>15°>20°，而施氮量對各峰的強度未產(chǎn)生影響，說明尖峰強度受基因型影響較大，這與前人研究結(jié)果不同[28]。施氮量對兩個小麥品種的相對結(jié)晶度呈影響相反，隨施氮量增加，輪選987小麥淀粉的相對結(jié)晶度呈先增后減趨勢，農(nóng)大糯50222呈先降后升趨勢。

3.4 淀粉成分與理化特性的相關(guān)性分析

有研究表明，A型淀粉粒占比與峰值黏度呈負相關(guān)[5]，環(huán)境條件對小麥淀粉的糊化特性、直、支鏈淀粉含量有顯著影響[4]，而支鏈淀粉是形成淀粉中結(jié)晶區(qū)的重要因素[20]。本研究發(fā)現(xiàn)，施氮量對小麥籽粒淀粉組成、糊化和晶體特性存在顯著影響。小麥淀粉中，B型淀粉粒占比與谷值黏度正相關(guān)，與其他被測糊化特性參數(shù)均呈負相關(guān)關(guān)系。直鏈淀粉含量和直支比與最終黏度、稀澥值、反彈值顯著正相關(guān)，與低谷黏度和相對結(jié)晶度顯著負相關(guān)。支鏈淀粉含量與峰值黏度、最終黏度、稀澥值、反彈值、糊化溫度和峰值時間均呈顯著負相關(guān)，與谷值黏度和相對結(jié)晶度極顯著正相關(guān)?？梢?，淀粉的糊化特性和晶體特征與其淀粉組成有明顯的相關(guān)性。

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Effect of Nitrogen Rate on Starch Composition and Physicochemical Properties of Waxy and Non-Waxy Wheat

ZHANG Min,ZHAO Cheng,LIU Xiwei,SONG Xiaojun,ZHANG Yuchun,YANG Min,ZHOU Qiqi,CAI Ruiguo

(Life Science and Technology College,Hebei Normal University of Science & Technology,Changli,Hebei 066600,China)

To investigate the influence of nitrogen rate on wheat starch components and physicochemical properties,the waxy wheat Nongdanuo 50222(ND50222) and non-waxy wheat Lunxuan 987(LX987) were selected as the experimental materials to study the effect of nitrogen rate(0,100,200,and 300 kg N·hm-2) on the composition and properties of starch. The results showed that with the increase of nitrogen rate ,wheat starch content was decreased; the ratio of B-type starch granule of LX987 was increased,while that of ND50222 was decreased. The increase of nitrogen application improved the peak viscosity and trough viscosity. The pasting parameters(except for the trough viscosity) of the LX987 starch were higher than those of ND50222 starch under the same nitrogen treatment. The position and the relative intensity of X-ray peak in the wheat starch were significantly changed with the different nitrogen rate.The relative crystallinity of LX987 starch was increased with the increase of nitrogen rate,however,that of ND50222 was decreased. Correlation analysis showed that amylose content and the amylose/amylopectin ratio were positive correlated with the peak viscosity,final viscosity,breakdown value,setback value,pasting temperature and the pasting time. The correlation between amylopectin content and the above indices were negative. The B-type starch granule proportion was significantly negatively correlated with peak viscosity and breakdown values. The application of nitrogen fertilizer affected the starch content and grain size distribution of wheat,and then affected the pasting properties and crystal properties.

Wheat; Nitrogen rate ; Starch composition; Pasting property; Crystal property

10.7606/j.issn.1009-1041.2017.06.09

時間：2017-06-07

2016-11-11

2016-12-13

“十三五”國家重點研發(fā)計劃項目(2016YFD0300402-2); 國家自然科學基金項目(31201157)；河北省自然科學基金項目(C2015407061)；河北省教育廳優(yōu)秀青年基金項目(Y2012032)

E-mail：zhangmin625@126.com(張 敏)；13911015924@163.com(趙 城，與第一作者同等貢獻)

蔡瑞國(E-mail:cairuiguo@126.com)

S512.1；S312

A

1009-1041(2017)06-0786-08

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