施氮量对糯小麦和非糯小麦籽粒淀粉组分与理化特性的影响

张 敏，赵 城，刘希伟，宋霄君，张玉春，杨 敏，周齐齐，蔡瑞国

(河北科技师范学院生命科技学院，河北昌黎 066600)

施氮量对糯小麦和非糯小麦籽粒淀粉组分与理化特性的影响

张 敏，赵 城，刘希伟，宋霄君，张玉春，杨 敏，周齐齐，蔡瑞国

(河北科技师范学院生命科技学院，河北昌黎 066600)

为探明氮肥对小麦籽粒淀粉组分和理化特性的影响，采用田间试验，分析了4个施氮量(0、100、200、300 kg ·hm-2)对糯小麦(农大糯50222)和非糯小麦(轮选987)籽粒淀粉组分与理化特性的影响。结果表明，随施氮量的增加，小麦籽粒淀粉含量降低，轮选987籽粒中B型淀粉粒的数目占比增加，而农大糯50222 籽粒的B型淀粉粒数目占比呈减少趋势；增施氮肥能显著提高小麦籽粒淀粉的峰值黏度和谷值黏度。相同施氮量处理下，轮选987淀粉的被测糊化特征参数(除谷值黏度外)均大于农大糯50222。施氮量不同，2个品种籽粒淀粉X-衍射图谱中各峰的位置和相对强度明显不同。随施氮量的增加，轮选987淀粉的相对结晶度增大，而农大糯50222淀粉的相对结晶度减小。相关分析表明，小麦籽粒的直链淀粉含量和直支比与最终黏度、稀澥值、反弹值、糊化温度和峰值时间呈显著正相关，与谷值黏度和相对结晶度呈显著负相关；支链淀粉含量反之。小麦籽粒的B型淀粉粒数目占比与峰值黏度、稀澥值呈显著负相关。综上所述，施氮量可影响小麦籽粒的淀粉含量和粒度分布，进而改变其糊化特性和晶体特征。

小麦；氮肥用量；淀粉组成；糊化特性；晶体特性

淀粉是小麦籽粒的重要组成部分，约占籽粒干重的65%～70%[1]，其理化特性主要包括淀粉组分、粒度分布特征、晶体特征、糊化特性等，对淀粉的加工品质和食用品质具有重要作用[2-4]。小麦籽粒淀粉主要包括直链淀粉和支链淀粉两种类型，并以淀粉粒的形式存在于小麦胚乳中[5]。研究表明，小麦胚乳主要由A型淀粉粒(直径≥10 μm)和B型淀粉粒(直径<10 μm)组成[6]；淀粉粒粒度分布呈双峰曲线，B型淀粉粒和A型淀粉粒各有一个峰[7]。Peterson等[8]研究发现，A型淀粉粒数目占比与峰值黏度显著负相关；顾 峰等[5]研究发现，籽粒中支链淀粉含量与峰值黏度显著负相关。可见，淀粉组成、粒度分布特征与糊化特性之间存在一定的相关性。同时，淀粉作为一种天然结晶高聚物，由结晶区和非结晶区两部分组成，结晶区主要由支链淀粉构成，非结晶区主要由直链淀粉构成[9-10]。小麦籽粒淀粉组分和理化特性受基因型和环境条件的共同影响[5,11]，氮肥是影响小麦生长发育的主要因素之一，对小麦籽粒淀粉组分及理化特性等有重要影响[12-13]。

糯小麦由于基因 Wx-A1b、 Wx-B1b及 Wx-D1b在个体中同时纯合或缺失，籽粒不含直链淀粉或直链淀粉含量很低(<2%)[14-16]。非糯小麦与糯小麦的淀粉组分、淀粉理化特性、加工品质有较大差异[14]。目前，施氮量对淀粉组分及理化特性影响的研究多集中于非糯小麦。本研究拟分析4种施氮量对糯小麦、非糯小麦品种籽粒淀粉组分、粒度分布、糊化特性和晶体特征的影响，以期为改良小麦淀粉品质提供一定的理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料与设计

试验于2013-2014年在河北科技师范学院昌黎校区生命科技学院实验站(119°15′ N,39°72′ E)进行。选用非糯小麦品种轮选987和糯小麦品种农大糯50222为试验材料。2013年10月2日播种，试验地0～20 cm土壤的全氮、水解氮、速效磷、速效钾含量分别为0.50 g·kg-1、57.5 mg·kg-1、39 mg·kg-1、75 mg·kg-1。设置4个氮肥水平，分别为0 kg·hm-2(N0，对照)、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%，拔节期追施50%。完全随机区组设计，小区面积为9 m2(3 m×3 m)，3次重复。基本苗375万·hm-2，行距20 cm，3叶期定苗，管理措施同当地小麦高产田。试验期间小麦生长发育正常，2014年6月15日收获。

1.2 测定项目与方法

1.2.1 小麦籽粒淀粉的提取

取完熟期小麦籽粒5 g，加25 ml 0.5 mol·L-1的NaCl溶液，于4 ℃冰箱静置48 h，去除胚和果皮，放入研钵中，加入5 mL 0.5 mol·L-1的NaCl进行研磨，直至面筋出现，过滤。重复上述步骤，至滤出液遇碘不变蓝。合并滤液，3 000 r·min-1离心10 min，取沉淀。沉淀依次用2 mol·L-1NaCl、2% SDS、0.2% NaOH溶液冲洗，去除沉淀中的杂质和蛋白质，直至沉淀为白色为止。最后沉淀用丙酮振荡冲洗3次，40 ℃烘干，混匀密封，4 ℃贮藏备用。每个样品重复3次。

1.2.2 淀粉含量的测定

用PERTEN 3100型试验磨磨制全麦粉。总淀粉含量采用蒽酮-硫酸比色法测定，具体方法参照GB5006-85《谷物籽粒粗淀粉测定法》[17]。直链淀粉含量参照GB7648-87的方法测定，支链淀粉含量为两者的差值。

1.2.3 淀粉粒度分布的测定

利用LS13320型激光粒度分析仪(贝克曼库尔特公司)测定小麦淀粉粒度分布[18]。计算结果和作图均采用仪器本身携带的软件。

1.2.4 淀粉糊化特性的分析

采用澳大利亚Newport scientific仪器公司生产的快速黏度分析仪(RVA 4500)测定淀粉糊化特性[19]。计算结果和作图均采用仪器本身携带的软件。

1.2.5 淀粉晶体特征的测定

采用日本理学D/max 2500PC型粉末X-射线衍射仪进行测定[20]。利用Jade 5.0软件分析结晶峰的位置并计算相对结晶度。

1.3 数据处理

采用Excel 2003对数据进行整理和作图，利用DPS 7.05对数据进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 施氮量对小麦籽粒淀粉及其组分含量的影响

由表1可知，施氮量对小麦籽粒淀粉及其组分含量有显著影响。随施氮量的增加，轮选987籽粒的直链淀粉含量先降后升，N200处理显著低于其他处理；支链淀粉和总淀粉含量先降低后增加，以N100处理最低，各处理间差异显著。农大糯50222在N100处理下，籽粒中直链淀粉、支链淀粉和总淀粉含量显著高于其他处理，N200和N300处理的支链淀粉和总淀粉含量显著低于N0处理。两个品种籽粒的直链淀粉含量均以N200处理最低。轮选987直/支比以N100处理最大，而农大糯50222直/支比以N300处理最大。

2.2 施氮量对小麦籽粒淀粉粒度分布的影响

轮选987和农大糯50222籽粒淀粉粒的粒径分布均呈单峰曲线，其峰值分别为3.06 μm和2.54 μm(表2)。就淀粉粒数目而言，轮选987籽粒的B型淀粉粒占比为98.0%～98.4%，以N100处理最高；农大糯50222籽粒的B型淀粉粒占比为99.1%～99.3%，以N0处理最高(表2)。两品种籽粒淀粉粒的体积分布均呈双峰曲线；各处理轮选987籽粒的A型淀粉粒体积占比均明显高于B型淀粉粒，以N200处理A型淀粉粒体积占比最高；农大糯50222 A、B型淀粉粒体积占比差异较小，以N300处理A型淀粉粒体积占比最高。轮选987 A型淀粉粒体积占比(62.1%～66.6%)高于农大糯50222(46.5%～51.7%)。两品种籽粒淀粉粒的表面积分布均呈双峰曲线，且B型淀粉粒的表面积占比明显大于A型淀粉粒；施氮量对两个品种B型淀粉粒的表面积占比影响不同，轮选987 B型淀粉粒的表面积占比以N100处理最高，而农大糯50222 在N0处理下最高，各处理间差异显著。可见，施氮量对小麦籽粒中B型淀粉粒表面积的影响存在基因型差异。

不同施氮量对淀粉粒平均粒径和中位粒径有显著影响，对其数目、体积、表面积分布的峰值粒径无影响。轮选987各施氮处理的籽粒淀粉粒的平均粒径均显著小于对照，而峰值粒径不受施氮量变化的影响。施氮处理的农大糯50222淀粉粒数目分布中的平均粒径和中位粒径均显著小于对照，且在N100处理下减小幅度最大，而体积和表面积分布中的平均粒径和中位粒径均呈增大趋势，在N300处理下增加幅度最大。

2.3 施氮量对小麦籽粒淀粉糊化特性的影响

由表3可知，轮选987在N100处理下，糊化温度显著高于其他处理；峰值时间显著大于N0和N200处理，与N300处理差异不显著；N200处理下的峰值黏度、谷值黏度、稀澥值均显著高于其他处理；最终黏度和反弹值以N200处理最低、N300处理最高，各处理间差异显著。随施氮量的增加，农大糯50222糊化温度先降后升，且N0处理显著高于其他施氮处理；峰值时间显著降低，3个施氮处理的差异不显著；峰值黏度、稀澥值、反弹值均以N300处理最大，且显著大于其他3个处理(反弹值的N200处理除外)，N200处理显著大于N0和N100处理；谷值黏度和最终黏度均以N200处理最大，且显著大于其他处理(最终黏度的N300处理除外)。品种间比较，农大糯50222淀粉被测糊化特性参数(谷值黏度除外)均小于轮选987，表明轮选987糊化过程中所需的热焓较高，淀粉糊化特性存在基因型差异。

表1 施氮量对小麦籽粒淀粉含量及其组分的影响Table 1 Effect of nitrogen rate on grain starch content and components

同一品种同列数据后不同字母表示差异在0.05水平显著。

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

表2 施氮量对小麦籽粒淀粉粒分布特征参数的影响Table 2 Effect of nitrogen rate on characteristic parameters of starch granule distribution of wheat grains

B-type：B型淀粉粒；AD：平均粒径；MD：中位粒径；PD：峰值粒径。

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

表3 施氮量对小麦淀粉糊化特性的影响Table 3 Effect of nitrogen rate on the pasting characteristics of wheat starch

2.4 施氮量对小麦籽粒淀粉晶体特征的影响

对淀粉的X-衍射图谱分析发现，2小麦品种淀粉的晶体类型均呈典型的A型特征(图1)。轮选987在2θ为15°、20°和23°附近均有单峰出现，在2θ为17°和18°附近有相连的双峰出现。不同处理的峰值衍射强度均表现为18°>17°>20°>23°>15°。农大糯50222在2θ为15°和23°附近各有一个单峰，在2θ为17°和18°附近有一个相连的双峰，在2θ为20°附近有一小峰，其衍射强度很低。不同处理的峰值衍射强度均表现为18°>17°>23°>15°>20°。说明小麦淀粉X-衍射图谱的尖峰强度存在基因型差异。由表4可见，施氮量不同可引起小麦淀粉相对结晶度发生改变，且变化存在基因型差异。随施氮量增加，轮选987籽粒淀粉的相对结晶度先增后减，以N200处理最大，且显著高于其他处理，其次为N300处理。农大糯50222的相对结晶度则随施氮量增加先减后增，以N200处理最低，且显著低于其他处理(表4)。

施氮量增加，淀粉X-衍射图谱中出峰位置存在一定的差异(表4)，其变化范围均在0.02°以内，未达到显著水平，但小麦淀粉X-衍射图谱出峰位置的峰值强度存在显著差异(表5)。随施氮量增加，轮选987在2θ为15°、17°、18°和20°的尖峰强度先降低后升高，而2θ为23°时呈相反变化趋势。通过与2θ为18°的峰值比较发现，施氮量增加，轮选987在2θ为17°和20°尖峰的相对强度呈先减小后增大的趋势，2θ为23°尖峰的相对强度呈相反变化趋势；而农大糯50222在2θ为15°、17°、23°尖峰相对强度呈先升高后降低的趋势，2θ为20°尖峰的相对强度呈增大趋势。可见，施氮量对小麦淀粉X-衍射图谱中各尖峰的强度存在调控作用。

图1 施氮量对小麦淀粉X-衍射图谱的影响

品种Cultivar处理Treatment结晶峰衍射角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相对结晶度Relativecrystallinity/%轮选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农大糯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 淀粉组成与糊化特性和相对结晶度的相关性

由表6可知，直链淀粉含量和直支比与最终黏度、稀澥值、反弹值、糊化温度和峰值时间显著正相关，与谷值黏度和相对结晶度显著负相关。支链淀粉含量与峰值黏度、最终黏度、稀澥值、反弹值、糊化温度和峰值时间显著负相关，与谷值黏度、相对结晶度显著正相关。总淀粉含量与峰值黏度显著负相关。B型淀粉粒的数目、体积和表面积占比与峰值黏度、稀澥值均显著负相关，相对结晶度与B型淀粉粒体积占比呈显著正相关。

表5 施氮量对小麦淀粉X-衍射图谱尖峰强度的影响Table 5 Effects of nitrogen rate on intensity of X-ray diffraction peaks of wheat starch

*：与2θ=18°峰强比较的相对强度。

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

表6 淀粉组分与其RVA特征参数和相对结晶度之间的相关性分析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 讨 论

3.1 施氮量对小麦籽粒淀粉及其组分含量的影响

环境条件和栽培措施对小麦籽粒中淀粉的积累有重要影响。姜 东等[21]认为，适量施氮能有效提高中筋品种鲁麦22籽粒中直链淀粉和支链淀粉的含量；蔡瑞国等[12]发现，适量施氮能提高强筋和弱筋小麦籽粒中的支链淀粉含量，降低直链淀粉含量。本试验结果表明，随施氮量的增加，轮选987小麦籽粒直链淀粉、支链淀粉和总淀粉含量均先降后升；农大糯50222的直链、支链和总淀粉含量则先升后降。两个品种籽粒的直链淀粉含量均以N200处理降低幅度最大。轮选987直/支比在N100处达最大，农大糯50222直/支比在N300处最大。农大糯50222支链淀粉、总淀粉含量均大于相应处理轮选987的，但其直链淀粉含量极低，均未超过0.9%，这与前人的研究结果一致[22]。

3.2 施氮量对小麦籽粒淀粉粒度分布的影响

成熟小麦籽粒中含两种类型的淀粉粒，即A型大淀粉粒(直径10～35 μm)和B型小淀粉粒(1～10 μm)，其体积和表面积分布均呈双峰曲线，A型和B型淀粉粒分别有一个峰[23]。本研究表明，两个小麦品种籽粒淀粉粒的粒径分布均为1～45 μm，籽粒淀粉粒的数目分布呈单峰曲线，体积分布和表面积分布均呈双峰曲线，谷值粒径均在10 μm左右。可见，糯小麦和非糯小麦的淀粉粒数目、体积和表面积占比的分布趋势相同，不存在基因型差异。

农大糯50222籽粒中B型淀粉粒的数目、体积和表面积占比均高于相同处理下的轮选987，这与前人研究结果一致[24]。农大糯50222籽粒淀粉粒数目占比、体积和表面积占比的峰值粒径均低于轮选987，这与蔡瑞国等[25]的研究结果不同。

3.3 施氮量对小麦淀粉糊化特性和晶体特征的影响

淀粉糊化特性是淀粉品质好坏的重要影响因素，其峰值黏度是决定面条品质的重要参数[26]。本研究结果表明，增施氮肥可明显提高小麦淀粉的峰值黏度。除谷值黏度外，其余被测糊化特性的参数均表现为农大糯50222小于轮选987相应处理。小麦淀粉粒以一种高度组织的半结晶状态存在于胚乳中，分为结晶区和无定型区[27]。本研究结果表明，小麦淀粉的XRD衍射图谱呈A-型特征，在2θ为15°、17°、18°、20°和23°分别有峰，但各峰的强度明显不同，轮选987表现为18°>17°>20°>23°>15°，农大糯50222表现为18°>17°>23°>15°>20°，而施氮量对各峰的强度未产生影响，说明尖峰强度受基因型影响较大，这与前人研究结果不同[28]。施氮量对两个小麦品种的相对结晶度呈影响相反，随施氮量增加，轮选987小麦淀粉的相对结晶度呈先增后减趋势，农大糯50222呈先降后升趋势。

3.4 淀粉成分与理化特性的相关性分析

有研究表明，A型淀粉粒占比与峰值黏度呈负相关[5]，环境条件对小麦淀粉的糊化特性、直、支链淀粉含量有显著影响[4]，而支链淀粉是形成淀粉中结晶区的重要因素[20]。本研究发现，施氮量对小麦籽粒淀粉组成、糊化和晶体特性存在显著影响。小麦淀粉中，B型淀粉粒占比与谷值黏度正相关，与其他被测糊化特性参数均呈负相关关系。直链淀粉含量和直支比与最终黏度、稀澥值、反弹值显著正相关，与低谷黏度和相对结晶度显著负相关。支链淀粉含量与峰值黏度、最终黏度、稀澥值、反弹值、糊化温度和峰值时间均呈显著负相关，与谷值黏度和相对结晶度极显著正相关。可见，淀粉的糊化特性和晶体特征与其淀粉组成有明显的相关性。

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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

时间：2017-06-07

2016-11-11

2016-12-13

“十三五”国家重点研发计划项目(2016YFD0300402-2); 国家自然科学基金项目(31201157)；河北省自然科学基金项目(C2015407061)；河北省教育厅优秀青年基金项目(Y2012032)

E-mail：zhangmin625@126.com(张 敏)；13911015924@163.com(赵 城，与第一作者同等贡献)

蔡瑞国(E-mail:cairuiguo@126.com)

S512.1；S312

A

1009-1041(2017)06-0786-08

网络出版地址：http://kns.cnki.net/kcms/detail/61.1359.S.20170607.1004.020.html