不同HMW-GSs組成小麥籽粒淀粉理化特性對面團(tuán)穩(wěn)定時間的影響

牛洪壯，劉洋，李曉萍，韓裕軒，王可可，楊雁，楊千慧，閔東紅?

1西北農(nóng)林科技大學(xué)農(nóng)學(xué)院/旱區(qū)作物逆境生物學(xué)國家重點實驗室，陜西楊凌 712100；2陜西省興平市種子管理站，陜西興平 713100

0 引言

【研究意義】隨著生活水平的提高，人們對面制品的品質(zhì)要求也在提高，因此，對小麥品質(zhì)的要求也越來越高。小麥面團(tuán)的流變學(xué)特性在很大程度上影響著人們的食品質(zhì)量[1-4]。淀粉作為小麥胚乳中含量最高的成分，影響著面團(tuán)的流變學(xué)特性和食品品質(zhì)[5-8]，闡明淀粉對面團(tuán)流變學(xué)特性的影響有助于理解淀粉在面團(tuán)中的作用，也可以對小麥的品質(zhì)育種提供理論指導(dǎo)?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】小麥面團(tuán)是一種復(fù)雜的混合物，廣泛分布的蛋白質(zhì)細(xì)絲穿過面團(tuán)[9]，使得淀粉顆粒被包裹在面筋蛋白基質(zhì)中[10]。面筋蛋白分為麥谷蛋白和醇溶蛋白[11-15]，其中，麥谷蛋白中的高分子量麥谷蛋白亞基（high-molecular-weight glutenin subunits，HMW-GSs）是影響面團(tuán)流變學(xué)特性的主要因素[16-18]。面團(tuán)的流變學(xué)特性涉及面團(tuán)的流動和變形行為，與其他面團(tuán)混合特性相比，面團(tuán)的穩(wěn)定時間與流變特性參數(shù)有更密切的關(guān)系[19]，面團(tuán)的穩(wěn)定時間通常被用作面團(tuán)質(zhì)量的描述[20-21]。雖然面筋蛋白對面團(tuán)的影響至關(guān)重要，但與淀粉相比，面筋蛋白在面團(tuán)中所占比例較小，因此不能全面反映面團(tuán)的特性[22]。有研究表明，用其他物質(zhì)代替面團(tuán)中的淀粉可以改變面團(tuán)的流變學(xué)特性，證實了淀粉在面團(tuán)中也起著重要的作用[23]。淀粉是小麥的主要儲藏碳水化合物，占谷物的60%—75%，面粉的70%—80%[24-25]，谷物在發(fā)育過程中會積累不同大小和形狀的淀粉顆粒[24,26]，其顆粒結(jié)構(gòu)包括A型（直徑≥10 μm）和B型淀粉粒（直徑＜10 μm）[27-28]。A型淀粉粒和B型淀粉粒在物理化學(xué)方面存在顯著差異[29-31]，這種差異會對面團(tuán)的流變學(xué)特性和食品的品質(zhì)產(chǎn)生影響[6,32-34]。根據(jù)其分子結(jié)構(gòu)，淀粉可進(jìn)一步分為直鏈淀粉和支鏈淀粉[35]，在小麥粉中添加直鏈淀粉可以改善面團(tuán)的抗形變能力和食品的品質(zhì)[36-37]。淀粉的相對結(jié)晶度、短程有序度和糊化焓對面團(tuán)穩(wěn)定時間都具有相關(guān)性，且它們之間通常是相互關(guān)聯(lián)的[16,38]。【本研究切入點】前人的研究多集中于淀粉的理化性質(zhì)之間的聯(lián)系或添加淀粉之后的重組面粉特性，在天然面粉中，小麥淀粉理化性質(zhì)對面團(tuán)流變學(xué)特性的影響相關(guān)研究較少?！緮M解決的關(guān)鍵問題】本研究選擇具有3種HWM-GSs組合的12個小麥品種或品系，探討淀粉理化特性對面團(tuán)穩(wěn)定時間的影響。為揭示淀粉在面團(tuán)流變學(xué)特性中的作用提供信息，為小麥品質(zhì)育種提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 材料

以新麥26、濟(jì)麥44、西農(nóng)615、藁城8901、西農(nóng)221、西農(nóng)979、西農(nóng)633、西農(nóng)059、15（85）2A、14（417）0-0-10、小偃22和周麥18共12個小麥品種或品系為試驗材料，新麥26是新鄉(xiāng)市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院選育的強(qiáng)筋小麥品種，濟(jì)麥44是山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院選育的強(qiáng)筋小麥品種，藁城8901是藁城市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院選育的強(qiáng)筋小麥品種，西農(nóng)979是西北農(nóng)林科技大學(xué)小麥育種研究室選育的強(qiáng)筋小麥品種，小偃22是西北農(nóng)林科技大學(xué)小麥育種研究室選育的中筋小麥品種，周麥18是周口市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院選育的中筋小麥品種，西農(nóng)615、西農(nóng)221、西農(nóng)633、西農(nóng)059、15（85）2A、14（417）0-0-10是西北農(nóng)林科技大學(xué)農(nóng)學(xué)院小麥抗逆遺傳改良實驗室選育的小麥品種或品系。12個試驗材料于2019年種植于陜西楊凌的西北農(nóng)林科技大學(xué)試驗農(nóng)場，按照農(nóng)場的常規(guī)方法進(jìn)行田間管理。將收獲的種子干燥后，在瑞典波通3100錘式粉碎磨中進(jìn)行研磨。研磨出的面粉通過 100目篩子，4℃保存。

1.2 麥谷蛋白的提取與檢測

提取12個試驗材料籽粒中的麥谷蛋白，用十二烷基硫酸鈉聚丙烯酰胺凝膠電泳（sodium dodecyl sulfate-polyacrylamide gel electrophoresis，SDS-PAGE）方法進(jìn)行HMW-GSs的檢測[39]。

1.3 面團(tuán)流變學(xué)特性分析

面團(tuán)的混揉特性用法國肖邦技術(shù)公司的Mixolab2混合試驗儀進(jìn)行分析[39]，檢測面團(tuán)形成時間和面團(tuán)穩(wěn)定時間。每個樣本進(jìn)行3次重復(fù)試驗。

1.4 淀粉的分離

采用手洗方法從各個試驗材料的面粉中分離淀粉和面筋。將分離出的淀粉勻漿通過100目篩網(wǎng)，得到的淀粉溶液離心后分別在2 mol·L-1氯化鈉和2%十二烷基硫酸鈉（sodium dodecyl sulfate，SDS）中進(jìn)行洗滌，將洗滌后的淀粉溶液離心后用蒸餾水去除殘留的蛋白質(zhì)，自然風(fēng)干后經(jīng)過100目篩子[40]。

1.5 淀粉顆粒形態(tài)的觀察

將淀粉顆粒用導(dǎo)電雙面膠固定在樣品臺后進(jìn)行噴金處理，然后用日本電子株式會社的JSM-6390LV鎢燈絲掃描電鏡進(jìn)行觀察，加速電壓為10.0 kV，放大倍數(shù)為1 500倍。

1.6 淀粉顆粒的粒度分布分析

淀粉顆粒數(shù)量分布用美國麥奇克儀器有限公司的S3500系列激光粒度分析儀進(jìn)行檢測。先檢測蒸餾水背景，運行時間為50 s，泵速為45 r/min，然后將0.05 g的淀粉樣品加到樣品池，當(dāng)?shù)矸劬鶆蚍稚⒑筮M(jìn)行分析，分析結(jié)束后導(dǎo)出原始數(shù)據(jù)[16]。再用Microsoft Excel 2010進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。每個樣本進(jìn)行3次重復(fù)試驗。

1.7 直鏈淀粉含量的檢測

使用北京索萊寶科技有限公司的直鏈淀粉含量檢測試劑盒測定淀粉中直鏈淀粉的含量。每個樣本進(jìn)行3次重復(fù)試驗。

1.8 淀粉的X射線衍射分析

淀粉的X射線衍射試驗用日本理學(xué)電機(jī)株式會社的D/max-2200pc X射線衍射儀進(jìn)行。淀粉樣品在40 mA、40 kV條件下進(jìn)行測試，衍射角（2θ）范圍為3°—40°，速度為3°·min-1[41]，將測得的結(jié)果用MID JADE 6.5軟件計算相對結(jié)晶度。每個樣本進(jìn)行3次重復(fù)試驗。

1.9 淀粉的傅里葉變換紅外光譜分析

淀粉的外區(qū)有序結(jié)構(gòu)用德國布魯克光譜儀器公司的 VERTEX 70紅外光譜儀進(jìn)行檢測[42]。用 OMNIC 9.9.509軟件進(jìn)行光譜分析，根據(jù)分析結(jié)果進(jìn)行吸光度1 045/1 022 cm-1和1 022/995 cm-1比值的計算，每個樣本進(jìn)行3次重復(fù)試驗。

1.10 淀粉糊化特性和熱特性的分析

淀粉的熱特性用日本株式會社日立制作所的STA7200RV熱差-熱重同步分析儀進(jìn)行檢測[16]。使用儀器提供的軟件TA7000 version 10.41計算起始溫度（T0）、峰值溫度（Tp）、結(jié)束溫度（Tc）和糊化焓（ΔHgel）。每個樣本進(jìn)行3次重復(fù)試驗。

1.11 統(tǒng)計分析

使用 Office Excel 2010和SPSS 22.0軟件對結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計分析。數(shù)據(jù)由樣本的平均值±標(biāo)準(zhǔn)差的形式呈現(xiàn)。

2 結(jié)果

2.1 高分子量麥谷蛋白亞基分布

將12個試驗材料進(jìn)行HWM-GSs鑒定。新麥26、濟(jì)麥44、西農(nóng)615和藁城8901具有相同的HWM-GSs組合，亞基組合為1、7+8、5+10；西農(nóng)221、西農(nóng)979、西農(nóng)633和西農(nóng)059具有相同的HWM-GSs組合，亞基組合為 1、7+8、2+12；15（85）2A、14（417）0-0-10、小偃22和周麥18具有相同的HWM-GSs組合，亞基組合為1、7+9、2+12（圖1）。

2.2 面團(tuán)的混揉特性分析

從表1可知，12個試驗材料的穩(wěn)定時間存在顯著性差異，形成時間最長的是西農(nóng)633（7.53 min），最短的是周麥18（2.61 min），穩(wěn)定時間最長的是新麥26（41.80 min），最短的是周麥18（3.14 min）?？梢钥吹叫蔓?6、濟(jì)麥44、西農(nóng)221、西農(nóng)979和西農(nóng)633均具有較長的面團(tuán)穩(wěn)定時間，其中新麥26的面團(tuán)穩(wěn)定時間遠(yuǎn)遠(yuǎn)長于其他材料。

表1 12個試驗材料的形成時間和穩(wěn)定時間Table 1 Dough processing properties of the 12 varieties

2.3 淀粉的顆粒形態(tài)

從圖2可以看出，在12個試驗材料的淀粉顆粒中，大淀粉粒呈不規(guī)則的橢圓形，小淀粉粒呈不規(guī)則橢圓形和多面體形。新麥26、濟(jì)麥44、藁城8901、西農(nóng)221、西農(nóng)979和西農(nóng)059的淀粉粒排列緊密，且前2個材料與后4個材料相比，小淀粉粒明顯較多（圖2-A、圖2-B、圖2-D、圖2-E、圖2-F和圖2-H），西農(nóng)615、西農(nóng) 633、15（85）2A、14（417）0-0-10、小偃 22和周麥18的淀粉粒排布較為分散（圖2-C、圖2-G、圖2-I、圖2-J、圖2-K和圖2-L），西農(nóng)979、15（85）2A、小偃22和周麥18中A型淀粉粒的直徑較大（圖2-F、圖2-I、圖2-K和圖2-L）。

2.4 淀粉顆粒的粒度分布

淀粉顆粒粒度分布結(jié)果表明，12個試驗材料中，A型淀粉粒（直徑≥10 μm）的含量均大于B型淀粉粒（直徑＜10 μm）的含量。A 型淀粉粒的含量為 54.34%—70.11%，存在顯著差異。B型淀粉粒的含量為29.89%—45.66%，B型淀粉粒與A型淀粉粒的比值為0.43—0.84（表2）。面團(tuán)穩(wěn)定時間最長的新麥26，A型淀粉含量最低，B型淀粉含量最高；而面團(tuán)穩(wěn)定時間最短的周麥18，A型淀粉含量最高，B型淀粉含量最低，這在圖2A和圖2L中可以觀察到。結(jié)果表明，12個試驗材料中的A型淀粉粒含量越高，B型淀粉粒含量就會越低，B型淀粉粒與A型淀粉粒含量的比值就會越小。

表2 12個試驗材料的淀粉粒數(shù)量分布與直鏈淀粉含量Table 2 Amylose content, number distribution of starch granules of starch from 12 varieties

2.5 直鏈淀粉含量

從表2可以看出，12個試驗材料的直鏈淀粉含量為18.17%—24.57%，存在顯著差異。新麥26的直鏈淀粉含量最高，周麥18的直鏈淀粉含量最低。結(jié)合表1中的面團(tuán)穩(wěn)定時間和表2中的直鏈淀粉含量可以看出，西農(nóng)615、藁城8901和西農(nóng)059的直鏈淀粉含量和穩(wěn)定時間比較接近，西農(nóng)221與西農(nóng)633的直鏈淀粉含量和穩(wěn)定時間比較接近，15（85）2A、14（417）0-0-10和小偃 22的直鏈淀粉含量和穩(wěn)定時間比較接近。表明材料的直鏈淀粉含量比較接近，則它們的面團(tuán)穩(wěn)定時間也較為接近。

2.6 淀粉的X射線衍射圖譜分析結(jié)果

淀粉的X射線衍射圖譜分析結(jié)果表明，12個試驗材料淀粉的衍射圖譜相似，主要表現(xiàn)為在15°、17°、18°和23°附近有較強(qiáng)的衍射峰。其中，17°和18°附近的衍射峰是相連的雙峰，20°附近有較弱的衍射峰（圖3）。材料的相對結(jié)晶度為 25.78（新麥 26）—35.32（周麥18）（表3）。

表3 12個試驗材料的淀粉相對結(jié)晶度和短程有序度Table 3 Structural order of starch external region and relative crystallinity of starch from 12 varieties

2.7 淀粉外區(qū)結(jié)構(gòu)的有序性

12個試驗材料的傅里葉變換紅外光譜試驗結(jié)果表明，淀粉的1 045/1 022 cm-1值和1 022/995 cm-1值具有顯著差異，1 045/1 022 cm-1值最高的是新麥26（1.11），最低的為西農(nóng)059（0.74）。1 022/995 cm-1值最高的是周麥18（1.21），最低的是新麥26（0.77）（表3）。新麥26擁有最高的1 045/1 022 cm-1值和最低的1 022/995 cm-1值；周麥18的1 022/995 cm-1值最高，1 045/1 022 cm-1值反而較低。表明較高的1 045/1 022 cm-1值通常對應(yīng)較低的1 022/995 cm-1值。

2.8 淀粉的熱特性

由表4可以知，12個試驗材料中，西農(nóng)221的起始溫度（56.27℃）和結(jié)束溫度（69.02℃）最高，西農(nóng)633的峰值溫度（64.83℃）最高，14（417）0-0-10的起始溫度（51.67℃）、峰值溫度（54.33℃）和結(jié)束溫度（60.78℃）均為最小。材料間的ΔHgel存在顯著差異，其中，最大的是周麥18（8.47 J·g-1），最小的是新麥 26（6.90 J·g-1）。

表4 12個試驗材料的熱特性Table 4 The thermal properties of starch from 12 varieties

2.9 淀粉理化特性對面團(tuán)穩(wěn)定時間的影響

對12個試驗材料進(jìn)行了回歸分析，結(jié)果表明直鏈淀粉含量（r=0.88，P＜0.01）及淀粉短程有序度（r=0.83，P＜0.01）與面團(tuán)的穩(wěn)定時間呈顯著正相關(guān)（圖4-B和圖4-D），A型淀粉粒含量（r=0.61，P＜0.05）、淀粉相對結(jié)晶度（r=0.84，P＜0.01）及淀粉糊化焓（r=0.71，P＜0.01）與面團(tuán)穩(wěn)定時間呈顯著負(fù)相關(guān)（圖4-A、圖4-C和圖4-E）。

3 討論

3.1 A型淀粉粒含量對面團(tuán)穩(wěn)定時間的影響

小麥的淀粉顆粒分為A型和B型，A型淀粉粒具有更多的生長時間，因此存在更高的比例[24]，本研究結(jié)果表明A型淀粉與面團(tuán)的穩(wěn)定時間呈顯著負(fù)相關(guān)，說明較大的淀粉粒對面團(tuán)穩(wěn)定時間存在負(fù)向效應(yīng)。這種現(xiàn)象主要是因為淀粉粒在面團(tuán)中起到填充的作用，較多的小淀粉顆?？梢蕴岣叩矸墼诿鎴F(tuán)中的填充度，較大的淀粉顆粒含量多則面團(tuán)的填充度較差，這與一些前人的研究結(jié)果一致[14,23,33]。但僅憑淀粉顆粒的大小分布不能完全反映面團(tuán)的特性[5]，面團(tuán)的混合特性在很大程度上還取決于面筋與淀粉之間的相互作用[16]。

3.2 直鏈淀粉含量對面團(tuán)穩(wěn)定時間的影響

直鏈淀粉本質(zhì)上是一種葡萄糖的線性聚合物[24]。有研究表明，在面粉中添加高直鏈淀粉可以增加小麥面團(tuán)的抗形變能力[36]。另一項研究表明，在3個相同MW-GSs的試驗材料中，高直鏈淀粉含量對小麥面團(tuán)的穩(wěn)定時間具有正向效應(yīng)[16]，本研究結(jié)果表明，直鏈淀粉與面團(tuán)穩(wěn)定時間呈顯著正相關(guān)。以上結(jié)果表明，無論是在重組面粉中，還是在天然小麥粉中，直鏈淀粉對面團(tuán)的穩(wěn)定時間都具有重要的作用。

3.3 相對結(jié)晶度對面團(tuán)穩(wěn)定時間的影響

淀粉是一種天然多晶聚合物，由結(jié)晶區(qū)和非結(jié)晶區(qū)組成。淀粉及其衍生物的結(jié)晶度直接影響淀粉制品的使用特性[43]。普通天然淀粉分為 3種基本晶體類型：A、B和C。A類晶體結(jié)構(gòu)以谷物淀粉為主。在15°、17°、18°和 23°處有明顯的衍射峰[44]。本研究中的12個試驗材料的X射線衍射圖相似，均屬于A型晶體結(jié)構(gòu)。

結(jié)晶性源于顆粒內(nèi)支鏈淀粉雙螺旋的分級組織，而直鏈淀粉、無序支鏈和連接雙螺旋的分支點是造成無定形區(qū)域的原因[45]。當(dāng)?shù)矸鄣穆菪Y(jié)構(gòu)被破壞時會暴露出羥基，這些羥基可以通過面團(tuán)中的氫鍵與水結(jié)合，導(dǎo)致面團(tuán)的自由水含量下降[24]。自由水含量越低，水分流動性越差，導(dǎo)致面團(tuán)穩(wěn)定時間越短[46]。有研究表明，直鏈淀粉含量增加會破壞相對結(jié)晶度[47]。因此，相對結(jié)晶度越低則面團(tuán)的穩(wěn)定時間越長[16]，這與本研究中淀粉相對結(jié)晶度與面團(tuán)穩(wěn)定時間呈顯著負(fù)相關(guān)的結(jié)果一致。

3.4 淀粉的外區(qū)有序結(jié)構(gòu)對面團(tuán)穩(wěn)定時間的影響

在傅里葉變換紅外光譜儀測試結(jié)果中，吸光度1 045、1 022和995 cm-1處的譜帶分別與淀粉中的有序結(jié)構(gòu)，無定形結(jié)構(gòu)和螺旋結(jié)構(gòu)相關(guān)。用吸光度1 045/1 022 cm-1值來定量淀粉的外區(qū)有序結(jié)構(gòu)，用1 022/995 cm-1值來衡量淀粉中無定形結(jié)構(gòu)與碳水化合物結(jié)構(gòu)的比例[42]。

前人研究表明，具有較低1 045/1 022 cm-1值的淀粉通常具有較高1 022/995 cm-1值[16,41]，本研究也得出相似的結(jié)果。高1 022/995 cm-1值通常與高結(jié)晶度和高A型淀粉粒含量相關(guān)[16]。本研究結(jié)果表明淀粉短程有序度與面團(tuán)穩(wěn)定時間呈顯著正相關(guān)，A型淀粉粒含量及淀粉相對結(jié)晶度與面團(tuán)穩(wěn)定時間呈顯著負(fù)相關(guān)，進(jìn)一步證實了這個結(jié)論。

3.5 淀粉熱特性對面團(tuán)穩(wěn)定時間的影響

在淀粉熱特性的測定結(jié)果中，起始溫度、峰值溫度和結(jié)束溫度可以反應(yīng)晶體的質(zhì)量，而糊化焓反映晶體雙螺旋有序解離所需的能量，所以糊化焓越高的淀粉結(jié)晶度越高[48]。由于較高的糊化焓是較高的結(jié)晶度提供了結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，而支鏈淀粉在結(jié)晶度中起主要作用，較高的直鏈淀粉含量則降低了微晶的熔點和糊化能量[49]，所以較高的糊化焓反映了較低的直鏈淀粉含量和較短的面團(tuán)穩(wěn)定時間。這與本研究中淀粉糊化焓與面團(tuán)穩(wěn)定時間呈顯著負(fù)相關(guān)的結(jié)果一致。

4 結(jié)論

12個試驗材料的直鏈淀粉含量（r=0.88，P＜0.01）及淀粉短程有序度（r=0.83，P＜0.01）與面團(tuán)的穩(wěn)定時間呈顯著正相關(guān)，A型淀粉粒含量（r=0.61，P＜0.05）、淀粉相對結(jié)晶度（r=0.84，P＜0.01）及淀粉糊化焓（r=0.71，P＜0.01）與面團(tuán)穩(wěn)定時間呈顯著負(fù)相關(guān)。其中直鏈淀粉含量與面團(tuán)穩(wěn)定時間的相關(guān)系數(shù)最大。在小麥品質(zhì)育種過程中，可以將以上指標(biāo)作為參考進(jìn)行品種選育。