基因、灌溉和儲藏對小麥蛋白質(zhì)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(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品加工研究所；農(nóng)業(yè)部農(nóng)產(chǎn)品加工綜合性重點實驗室1,北京 100193) (農(nóng)業(yè)農(nóng)村部食物與營養(yǎng)發(fā)展研究所2，北京 100081)

蛋白質(zhì)是小麥籽粒的主要成分之一，小麥粉的應(yīng)用品質(zhì)取決于蛋白質(zhì)的含量和構(gòu)成。根據(jù)Osborne的蛋白質(zhì)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(xué)特性的主要因素。根據(jù)蛋白質(zhì)在十二烷基硫酸鈉溶液(Sodium Dodecyl Sulfate, SDS)中溶解度，可以將蛋白質(zhì)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(yù)測小麥及小麥粉應(yīng)用質(zhì)量的重要指標(biāo)。其中，GMP含量和顆粒大小對面包烘焙品質(zhì)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(guān)性[4]；GMP的流變學(xué)特性與面包體積和彈性有極強的相關(guān)關(guān)系[5]。

小麥生產(chǎn)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(zhì)理化特性和加工品質(zhì)[6]，其中可人為干預(yù)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(chǎn)加工鏈為脈絡(luò)梳理，便于理解和掌握小麥蛋白質(zhì)理化特性鏈?zhǔn)桨l(fā)展的規(guī)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(zhì)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(chǎn)、籽粒和小麥粉儲藏提供參考。

1 灌溉及儲藏對小麥蛋白質(zhì)理化特性的可能影響機制

小麥生長期內(nèi)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(zhì)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(zhuǎn)運，干旱阻礙氮素向籽粒轉(zhuǎn)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(zhì)被稀釋，導(dǎo)致蛋白質(zhì)含量降低[9-10]；適度節(jié)水處理有利于小麥葉片氮素向籽粒中轉(zhuǎn)運，促進籽粒氮素的積累，從而促進籽粒蛋白質(zhì)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(yīng)用品質(zhì)[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(zhì)量蛋白質(zhì)通過二硫鍵交聯(lián)形成高分子質(zhì)量蛋白質(zhì)；醇溶蛋白

表1 西農(nóng)1330品種近等基因系的蛋白質(zhì)理化特性[26]

表2 西農(nóng)136和Glenlea品種近等基因系的蛋白質(zhì)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(fā)生，但總體趨勢呈現(xiàn)出合成作用大于降解作用[18]。

2 基因?qū)π←溩蚜５鞍踪|(zhì)理化特性及質(zhì)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(zé)編碼高分子質(zhì)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(zé)編碼低分子質(zhì)量谷蛋白亞基(LMW-GS)。根據(jù)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(xù)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(zhì)的影響。

HMW-GS主要影響谷蛋白網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，是決定面筋彈性的重要組分。β折疊和β轉(zhuǎn)角的含量與面團的黏彈性顯著正相關(guān)，而α螺旋的含量與面團黏彈性呈負相關(guān)關(guān)系[25]。Gao等[26]利用西農(nóng)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(jié)構(gòu)的影響。結(jié)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(zhì)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(jié)構(gòu)的形成；17+18亞基有利于形成β折疊結(jié)構(gòu)和提高SDS沉降值；14+15亞基有利于形成β轉(zhuǎn)角和提高Zeleny沉降值；從面團形成時間、穩(wěn)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(nóng)1330呈現(xiàn)所有指數(shù)的最低值。

亞基表達量與蛋白質(zhì)理化特性呈正相關(guān)。由表2可見，Li等[27]利用西農(nóng)136和Glenlea兩個品種雜交后連續(xù)回交五代得到的HMW-Bx7和HMW-Bx7OE近等基因系研究高分子質(zhì)量谷蛋白亞基Bx7過表達對面團流變學(xué)特性的影響。結(jié)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(wěn)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(dāng)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(wěn)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(zhì)理化特性及質(zhì)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(jié)水或孕穗水)，二水制(越冬水+拔節(jié)或孕穗水，拔節(jié)或起身水+開花水)以及三水制(越冬水+拔節(jié)水+開花或灌漿水，起身或拔節(jié)水+開花水+灌漿水)。趙廣才等[29]認為適當(dāng)減少灌溉次數(shù)可以提高總蛋白含量，并能延長面團的形成時間和穩(wěn)定時間。許振柱等[30]認為澆拔節(jié)水和孕穗水有利于籽粒儲藏蛋白和GMP的積累。

適當(dāng)節(jié)水處理有利于蛋白質(zhì)積累和GMP大顆粒形成。Dai等[31]研究了W0(不澆水)和W1(拔節(jié)水)對強筋麥濟南17和師欒02-1、中筋麥煙農(nóng)24、弱筋麥魯麥21蛋白質(zhì)理化特性的影響。結(jié)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(jié)水和開花水)W2(越冬水、拔節(jié)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(zhì)理化特性的影響。結(jié)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(zhì)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(zhì)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(jié)期、開花期和灌漿期是灌溉影響小麥品質(zhì)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(zhì)理化特性的影響結(jié)果表明，拔節(jié)期之前土壤水分含量對小麥蛋白質(zhì)含量沒有顯著影響，拔節(jié)期、開花期和灌漿期土壤含水量低的小麥蛋白質(zhì)含量分別比土壤含水率高的小麥蛋白質(zhì)含量高0.42%、0.59%和1.33%；面筋指數(shù)沒有隨著土壤含水率的變化發(fā)生明顯的變化。

4 儲藏對小麥籽粒蛋白質(zhì)理化特性及質(zhì)量的影響

隨著儲藏時間的延長，小麥籽粒蛋白質(zhì)含量和面筋含量變化不大，面團形成時間、穩(wěn)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(zhì)理化特性在籽粒短期儲藏到完成后熟期呈現(xiàn)逐漸增加并穩(wěn)定的趨勢。小麥籽粒儲藏過程中，儲藏環(huán)境溫濕度會顯著影響小麥品質(zhì)，與低溫低濕條件相比，高溫高濕條件會加速小麥品質(zhì)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(nèi)蛋白質(zhì)理化特性的變化。結(jié)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(shù)、SDS沉降值、谷蛋白溶脹指數(shù)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(zhì)理化特性的變化。結(jié)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(shù)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(zhì)理化特性呈現(xiàn)降低的趨勢，小麥品質(zhì)發(fā)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(zhì)理化特性的變化。結(jié)果表明，從新收獲到儲藏180 d，Bezostaya和Lancer的粗蛋白質(zhì)質(zhì)量分數(shù)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(zhì)量分數(shù)分別降低4.77%和2.00%；干面筋質(zhì)量分數(shù)分別降低1.67%和1.93%。

5 儲藏對小麥粉蛋白質(zhì)理化特性及質(zhì)量的影響

小麥粉在短期儲藏到完成熟化過程中低分子質(zhì)量蛋白質(zhì)通過二硫鍵連接形成高分子質(zhì)量蛋白質(zhì)，蛋白質(zhì)理化特性相關(guān)指標(biāo)均呈現(xiàn)逐漸增加后穩(wěn)定的趨勢，小麥粉品質(zhì)也逐漸改善并穩(wěn)定。王娜等[42]研究了在24 ℃、通風(fēng)儲藏期間小麥粉蛋白質(zhì)理化特性的變化。結(jié)果表明，從儲藏0 d到儲藏90 d，三種小麥粉的總蛋白質(zhì)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(zhì)出現(xiàn)劣變。儲藏環(huán)境溫濕度會顯著影響小麥粉蛋白質(zhì)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(zhì)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(zhì)特性的變化。結(jié)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(zhì)理化特性的變化。結(jié)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(zhì)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(xiàn)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(wěn)定時間分別減少1.31、0.78 min。

6 總結(jié)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(zhì)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(zhì)理化特性。其中高分子質(zhì)量谷蛋白亞基表達量與蛋白質(zhì)含量、GMP含量、顆粒大小和流變學(xué)特性正相關(guān)；不同高分子質(zhì)量谷蛋白亞基對蛋白質(zhì)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(yōu)質(zhì)的高分子質(zhì)量谷蛋白亞基。灌溉主要影響小麥蛋白質(zhì)含量、GMP含量和顆粒大小，適當(dāng)?shù)墓?jié)水處理有利于蛋白質(zhì)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(xué)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(guān)；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(zhì)含量、濕面筋含量和沉降值等指標(biāo)均沒有顯著變化，適當(dāng)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(shù)等指標(biāo)降低幅度大，且蛋白質(zhì)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(xué)特性研究報道較少。儲藏對小麥籽粒、小麥粉蛋白質(zhì)含量和面團流變學(xué)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(guān)于GMP形貌的研究正處于起步階段，而蛋白質(zhì)形貌與面制品質(zhì)量之間的關(guān)系仍需進一步研究。加強小麥加工鏈中蛋白質(zhì)組分形貌以及流變學(xué)特性的研究可以為小麥高效節(jié)水灌溉技術(shù)，籽粒和小麥粉儲藏質(zhì)量至面制品質(zhì)量控制提供參考。