灌漿期高溫脅迫對不同品種小麥蛋白組分及面團(tuán)揉混特性的影響

馮 波 曹 芳 李升東 劉愛峰 程敦公 張立順

(1山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物研究所,山東 濟(jì)南 250100;2濟(jì)南永豐種業(yè)有限公司,山東 濟(jì)南 250306)

小麥(Triticum aestivumL.)是我國主要的口糧作物,其生產(chǎn)關(guān)乎我國糧食安全和社會穩(wěn)定。隨著市場經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的提高,人們對小麥品質(zhì)的要求也愈來愈高。研究表明,小麥的產(chǎn)量和品質(zhì)不僅受種質(zhì)遺傳特性的影響,還與環(huán)境因素和栽培措施有關(guān)[1-3]。近年來氣候變暖引起小麥高溫?zé)岷Φ陌l(fā)生日趨頻繁與嚴(yán)重,尤其是小麥灌漿期發(fā)生的高溫脅迫,嚴(yán)重影響小麥的產(chǎn)量和品質(zhì),已經(jīng)成為我國黃淮海地區(qū)小麥生產(chǎn)必須面對的嚴(yán)峻問題之一[4-5]。灌漿期高溫導(dǎo)致小麥籽粒淀粉積累速率減小,生育期縮短,粒重和產(chǎn)量降低[6-9]。然而灌漿期高溫脅迫對小麥品質(zhì)的影響卻是眾說紛紜。李詠等[10]研究表明,灌漿早期和灌漿中期高溫脅迫對不同類型小麥品種的面粉糊化特性有不同程度的負(fù)面影響;吳進(jìn)東等[11]研究表明,花后短暫高溫提高了面粉濕面筋含量,改善了小麥的粉質(zhì)參數(shù)和拉伸參數(shù),對小麥糊化溫度影響不顯著,但會降低其他的淀粉糊化參數(shù);王晨陽等[7]認(rèn)為花后高溫顯著降低淀粉的峰值黏度、低谷黏度、終結(jié)黏度、稀懈值和糊化時(shí)間;張洪華等[8]研究發(fā)現(xiàn),高溫脅迫后小麥蛋白質(zhì)含量升高,蛋白質(zhì)組分中可溶性谷蛋白含量上升,不可溶性谷蛋白含量下降,面團(tuán)的形成時(shí)間和穩(wěn)定時(shí)間縮短;姚儀敏等[12]研究認(rèn)為,開花后連續(xù)適度高溫會提高小麥籽粒蛋白質(zhì)的含量、面粉濕面筋含量和沉降值,延長面團(tuán)的形成時(shí)間和穩(wěn)定時(shí)間,總體上顯著提高了小麥品質(zhì)。

可見小麥灌漿期發(fā)生高溫脅迫會顯著改變小麥品質(zhì)。但前人對于高溫?zé)岷π←溍娣燮焚|(zhì)影響的研究結(jié)論因試驗(yàn)方法不同、品種差異等原因不盡一致,且大多是盆栽溫室處理[9,11,13-15],大田研究較少[8,10,12],對大田條件下高溫處理后小麥蛋白組分和面團(tuán)揉混特性的研究尤其較少。因此,本研究選用濟(jì)麥22和新麥26 作為試驗(yàn)材料,在大田條件下,于灌漿初期和中期通過搭棚進(jìn)行高溫脅迫,成熟后對小麥籽粒硬度和面粉的淀粉黏滯譜、蛋白質(zhì)組分含量、揉混參數(shù)等品質(zhì)參數(shù)進(jìn)行分析,研究灌漿期不同時(shí)段高溫脅迫對不同品種小麥籽粒硬度和淀粉特性、蛋白質(zhì)組分含量及加工品質(zhì)的影響,以期為優(yōu)質(zhì)專用小麥生產(chǎn)的抗逆穩(wěn)產(chǎn)栽培及品質(zhì)改良提供技術(shù)與理論參考。

圖1 高溫處理期間人工增溫大棚內(nèi)外的溫度Fig.1 Temperature of inner and outside of the artificial greenhouse during high temperature stress

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2011-2013年在山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物研究所試驗(yàn)田進(jìn)行。供試小麥品種為濟(jì)麥22(JM22)和新麥26(XM26),分別來自于山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物研究所和河南省新鄉(xiāng)市農(nóng)業(yè)科學(xué)院。小區(qū)面積1.5 m×9 m,基本苗165株·m-2,行距25 cm。完全隨機(jī)排列,3 次重復(fù)。分別在開花后12 d(灌漿初期)和開花后22 d(灌漿中期)搭建塑料大棚,進(jìn)行高溫脅迫處理,分別設(shè)為S1和S2,脅迫時(shí)間為3 d。大棚平頂設(shè)計(jì),采用刷漆的鑄鐵做框架,覆蓋厚度70 μm的塑料薄膜。棚高1.7 m,棚內(nèi)每個(gè)小區(qū)上方距離冠層50 cm處均勻懸掛3個(gè)溫度計(jì),搭棚期間8:00-18:00 每隔2 h 記錄棚內(nèi)空氣溫度。為避免棚內(nèi)濕度過大,在大棚側(cè)面距頂部20 cm 處對稱開30 cm×30 cm的通風(fēng)窗口,3 d后移走大棚。以不搭棚的田間小區(qū)作為對照(CK),田間自動氣象站(CM10l Campbell Scientific,Logan,美國)記錄溫度。高溫脅迫處理期間S1與CK 3 d的日平均溫度分別相差10.48、9.71、9.84℃,S2與CK 3 d的日平均溫度分別相差13.74、10.39、13.10℃,棚內(nèi)外空氣溫度變化如圖1[16]所示。

JM22 兩年的播種時(shí)間均為10月6日,XM26 兩年的播種時(shí)間均為10月9日,花期一致。試驗(yàn)田為黃棕壤土,有機(jī)質(zhì)10.9 g·kg-1、全氮1.33 g·kg-1、速效氮80.5 mg·kg-1、速效磷33.4 mg·kg-1、速效鉀118.9 mg·kg-1。播前底施有機(jī)肥3 750 kg·hm-2,純氮120 kg·hm-2,P2O5105 kg·hm-2和K2O 105 kg·hm-2,拔節(jié)期追施純氮105 kg·hm-2,氮肥為尿素。于越冬期和拔節(jié)期各灌水1 次,每次灌水量900 m3·hm-2。其余管理措施同常規(guī)大田栽培。小麥生長期間未發(fā)生倒伏和嚴(yán)重病蟲害。小區(qū)單獨(dú)收獲,貯存3個(gè)月后磨粉用于面粉品質(zhì)測定。

1.2 測定項(xiàng)目與方法

1.2.1 籽粒硬度測定 采用4100 型單籽粒硬度儀(瑞典PERTEN 公司)測定。每個(gè)處理測定300個(gè)籽粒,取平均值,樣品的籽粒硬度用平均硬度指數(shù)表示。

1.2.2 淀粉黏滯譜的測定 參照王慧等[17]的方法分離得到淀粉。采用Super 3 型快速粘度分析儀(rapid viscosity analyzer,RVA)(澳大利亞Newport scientific),按照田紀(jì)春[18]的方法快速測定淀粉糊化特性,并用TCW(Thermal cycle for windows)配套軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

1.2.3 蛋白質(zhì)組分含量的測定 參照文獻(xiàn)[19-21]的方法,提取分離各種蛋白質(zhì)組分,再用K-360 凱氏定氮儀(瑞士BUCHI)測定含氮量,得出不可溶蛋白、可溶蛋白、醇溶蛋白、谷蛋白、清球蛋白的含量以及谷醇比。

1.2.4 揉混參數(shù)的測定 采用小型試驗(yàn)?zāi)シ蹤C(jī)Quadrumat Junior(德國Brabender 公司)磨制面粉,出粉率約60%。用Models New Generation 型電子揉混儀(National MFG 公司,美國),按GB/T 24853-2010[22]測定揉混參數(shù)。

1.3 數(shù)據(jù)分析

因兩年數(shù)據(jù)結(jié)果趨勢一致,因此采用兩年數(shù)據(jù)的平均值進(jìn)行分析。試驗(yàn)數(shù)據(jù)利用Microsoft Office Excel 2013 進(jìn)行處理,利用DPS v17.10軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,差異顯著性采用Tukey進(jìn)行多重比較,采用Sigmaplot 10.0軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 高溫脅迫對不同筋力小麥籽粒硬度的影響

由圖2可知,高溫脅迫對XM26 籽粒硬度的影響大于對JM22 籽粒硬度的影響。S1和S2 使XM26 籽粒硬度分別較CK 增加8.54%和6.10%,JM22 分別較CK 增加6.04%和3.36%。S1對兩品種籽粒硬度指數(shù)的影響均大于S2,但S1、S2 兩處理間差異不顯著,兩品種表現(xiàn)一致。

圖2 灌漿期高溫脅迫對不同品種小麥籽粒硬度的影響Fig.2 Effects of high temperature stress on grain hardness in different wheat cultivars during grain-filling stages

2.2 灌漿期高溫脅迫對不同筋力小麥淀粉黏滯譜特征值的影響

小麥淀粉黏滯譜特征值因高溫脅迫的影響而改變,不同品種淀粉黏滯譜特征值改變的規(guī)律不同,且不同灌漿時(shí)期高溫脅迫對小麥淀粉黏滯譜特征值改變的程度不同。由表1可知,S1和S2 使JM22的峰值黏度、低谷黏度、最終黏度、崩解值和峰值時(shí)間經(jīng)高溫脅迫后均較CK 升高,分別提高2.81%和18.63%、7.71%和19.51%、2.45%和4.08%、1.88%和12.22%、2.45%和4.08%,而回復(fù)值則分別降低了10.17%和2.03%。S1的糊化溫度與CK 變化不大,S2則降低了21.83%。S2的最終黏度、崩解值與CK和S1 差異均顯著,而S1與CK間差異不顯著,S2對JM22 淀粉黏滯譜特征值的影響大于S1;S1的回復(fù)值顯著低于CK,但S2的回復(fù)值與CK相比差異不顯著。

S1和S2 使XM26的峰值黏度、低谷黏度、最終黏度、崩解值、回復(fù)值、糊化溫度均較CK 降低,分別降低12.95%和31.21%、1.81%和27.18%、2.50%和22.22%、37.92%和40.23%、3.57%和14.39%、0.10%和3.95%。而峰值時(shí)間分別提高了2.04%和2.35%。其中,S2、S1與CK 三者之間的峰值黏度均達(dá)顯著水平,S2與S1間、S1與CK間的低谷黏度、最終黏度、回復(fù)值差異均不顯著。S2對XM26 淀粉黏滯譜參數(shù)的影響大于S1(表1)。

表1 灌漿期高溫脅迫對不同品種小麥淀粉糊化特性的影響Table1 Effects of high temperature stress on pasting of starch in different wheat cultivars during grain-filling stages

2.3 灌漿期高溫脅迫對不同筋力小麥蛋白質(zhì)組分含量的影響

S1和S2 使JM22的蛋白質(zhì)含量分別降低2.04%和1.53%,XM26 分別增加2.96%和1.61%(表2)。高溫脅迫也改變了不同筋力小麥品種籽粒中蛋白質(zhì)各組分的含量。S1和S2 使JM22 籽粒中不可溶蛋白含量分別增加8.42%和5.29%,而可溶蛋白、醇溶蛋白、谷蛋白含量分別降低9.96%和5.73%、0.87%和0.40%、4.52%和6.01%,且谷醇比降低。JM22的S2除谷蛋白含量較CK顯著減低外,蛋白總量及其余蛋白組分與CK 均差異不顯著。與CK相比,S1和S2 均增加了XM26 谷蛋白和不可溶蛋白含量,谷蛋白含量分別增加13.66%和17.27%,不可溶蛋白增加28.95%和34.80%,S1與S2 差異不顯著,而S2與CK間差異顯著;可溶蛋白、醇溶蛋白、清球蛋白含量則減少,其中S1與CK的可溶蛋白差異顯著,S2與CK 無顯著差異,而S2與CK 醇溶蛋白差異顯著,S1與CK無顯著差異。此外,S2的谷醇比較CK顯著增加。

表2 灌漿期高溫脅迫對不同品種小麥蛋白質(zhì)組分及含量的影響Table2 Effects of high temperature stress on component and content of protein in different wheat cultivars during grain-filling stages

2.4 灌漿期高溫脅迫對不同品種小麥面團(tuán)揉混參數(shù)的影響

由表3可知,灌漿期高溫脅迫使JM22的峰值時(shí)間較CK顯著延長,衰落角α 減小,S1和S2間差異均不顯著。與CK相比,JM22 經(jīng)S1 處理后,其峰值高度顯著升高,峰值寬度和8 min 帶寬顯著增加,但S2與CK 差異均不顯著。其中灌漿時(shí)期高溫脅迫對JM22峰值高度、峰值寬度、8 min 帶寬的影響程度表現(xiàn)為S1＞S2。高溫脅迫同樣使XM26的峰值時(shí)間較CK顯著延長,且S1 較S2 也顯著延長;S1和S2的峰值高度和8 min 帶寬均較CK顯著增加,但S1與S2 差異不顯著。

3 討論

溫度被認(rèn)為是影響小麥生長發(fā)育和品質(zhì)的主要因素[23],特別是在花后灌漿期高溫會嚴(yán)重影響小麥的品質(zhì)。小麥籽粒硬度決定小麥磨粉品質(zhì)和食品加工品質(zhì),是衡量小麥品質(zhì)評價(jià)的重要指標(biāo)之一[24-25]。本研究發(fā)現(xiàn),XM26的面筋強(qiáng)度大于JM22,其硬度指數(shù)也大于JM22,證實(shí)了硬度較高的小麥面團(tuán)筋力強(qiáng)[26]的結(jié)論。JM22和XM26的籽粒硬度指數(shù)受高溫脅迫的影響均升高,且XM26 籽粒硬度指數(shù)受高溫脅迫的影響大于JM22;兩品種硬度指數(shù)的變化與試驗(yàn)結(jié)果中反映面筋強(qiáng)度的揉混參數(shù)衰落角α的變化相吻合。面團(tuán)筋力與硬度指數(shù)之間是否存在相關(guān)關(guān)系有待于采用更多的品種進(jìn)行驗(yàn)證。

淀粉是小麥粉的主要成分,其淀粉糊化特性是反映淀粉品質(zhì)的重要指標(biāo)[27]。本試驗(yàn)結(jié)果表明,灌漿期高溫脅迫降低了XM26的淀粉糊化品質(zhì),這與王晨陽等[7]得出的灌漿期高溫處理降低小麥淀粉糊化品質(zhì)的結(jié)論一致。本研究還發(fā)現(xiàn),中筋小麥JM22的峰值黏度、低谷黏度、最終黏度和峰值時(shí)間在灌漿期高溫脅迫后較CK 提高,即JM22的面條彈性、韌性等品質(zhì)由于高溫脅迫而有所改善。這與李詠等[10]研究發(fā)現(xiàn)灌漿中期高溫脅迫顯著提高中筋小麥新春11的峰值黏度等糊化指標(biāo)相吻合。綜上可知,高溫脅迫對不同品種淀粉糊化特性的影響是不同的。研究表明,淀粉組成對淀粉糊化特性有一定影響,且直鏈淀粉含量、淀粉直/支比與淀粉的糊化特性之間均存在顯著相關(guān)關(guān)系[26-30]。小麥支鏈淀粉含量與峰值黏度、稀澥值呈顯著負(fù)相關(guān)[30]。灌漿初期和灌漿中期,正是小麥籽粒淀粉積累的重要時(shí)期,高溫脅迫影響直鏈淀粉和支鏈淀粉的酶活,不僅降低了兩品種淀粉總量,也改變了其直/支比,從而影響其淀粉糊化特性。高溫脅迫對小麥淀粉組成以及含量影響的生理機(jī)制,將在后續(xù)試驗(yàn)中進(jìn)一步探究。

蛋白質(zhì)是小麥籽粒的重要成分,各蛋白組分含量和比例與小麥品質(zhì)密切相關(guān)。清蛋白和球蛋白是影響小麥營養(yǎng)品質(zhì)的結(jié)構(gòu)蛋白;醇溶蛋白和谷蛋白是決定面團(tuán)黏彈性的儲藏蛋白,對面粉加工品質(zhì)產(chǎn)生重要影響[31]。Randall 等[32]和Blumenthal 等[33]認(rèn)為不同小麥品種蛋白質(zhì)含量對高溫脅迫的響應(yīng)是不同的。本研究發(fā)現(xiàn),S1和S2對同一小麥品種蛋白質(zhì)組分及含量的影響表現(xiàn)一致,但灌漿期高溫脅迫對不同品種小麥蛋白質(zhì)含量及組分的影響不同。灌漿期高溫脅迫使JM22 蛋白質(zhì)總含量降低,不可溶蛋白含量增加,可溶蛋白、醇溶蛋白、谷蛋白含量降低,谷/醇比降低;而灌漿期高溫脅迫使XM26 蛋白質(zhì)總含量增加,不可溶蛋白和谷蛋白含量增加,谷醇比增加,可溶蛋白、醇溶蛋白和清球蛋白含量降低。盧紅芳等[9]盆栽試驗(yàn)研究表明,灌漿前期高溫脅迫均顯著提高強(qiáng)筋和中筋兩小麥品種蛋白質(zhì)總含量及各組分含量,但降低了谷醇比,這可能是由于試驗(yàn)處理的溫度及時(shí)間等條件不同。本研究品種之間比較發(fā)現(xiàn),XM26 蛋白質(zhì)總含量及其組分含量對高溫脅迫的敏感性大于JM22,表明不同品種小麥蛋白質(zhì)組分對高溫脅迫的敏感性不同。

揉混參數(shù)主要反映面團(tuán)在揉混、攪拌過程中的塑性、彈性和黏性特征,是面團(tuán)流變學(xué)特性的重要參數(shù)。峰值時(shí)間越長,面團(tuán)形成所需的攪拌時(shí)間越長;峰值高度越大,面粉對攪拌的耐受力越大;峰值寬度越大,面筋彈性越大;8 min 帶寬越大,面粉對攪拌的耐受力和面團(tuán)的彈性越大;衰落角α 越小,面筋強(qiáng)度越大[34-35]。本研究發(fā)現(xiàn),灌漿期高溫脅迫使中筋小麥JM22的峰值時(shí)間延長,衰落角α 減小;峰值高度、峰值寬度和8 min 帶寬增加,尤其是S1與CK 差異顯著,說明灌漿期高溫脅迫增強(qiáng)了JM22 面粉對攪拌的耐受力,并改善了其面筋彈性和面筋強(qiáng)度等面粉品質(zhì),且S1對JM22面粉揉混參數(shù)的影響大于S2。對于XM26,高溫脅迫使其峰值時(shí)間較CK顯著延長,且S1＞S2;峰值高度和8 min 帶寬顯著增加,但S1與S2 差異不顯著,說明S1和S2 均顯著改善了XM26的面團(tuán)特性。

4 結(jié)論

灌漿期高溫脅迫改善JM22和XM26的面團(tuán)揉混特性,但降低了JM22的蛋白質(zhì)含量,提高了其淀粉糊化品質(zhì);提高了XM26的蛋白質(zhì)含量,但降低了其淀粉糊化品質(zhì)。S1對蛋白質(zhì)含量及面團(tuán)特性的影響大于S2,而S2對淀粉糊化品質(zhì)的影響大于S1。淀粉組成及其含量影響淀粉糊化品質(zhì)[7],而面團(tuán)特性則與高分子量麥谷蛋白亞基表達(dá)量有關(guān)。因此,研究高溫脅迫對不同筋力小麥品種淀粉組成與結(jié)構(gòu)、高分子量谷蛋白亞基表達(dá)的影響,進(jìn)而闡明灌漿期高溫脅迫對不同筋力小麥品種品質(zhì)的影響機(jī)理,將是下一步研究的方向。