基因、灌溉和储藏对小麦蛋白质理化特性影响的研究进展

刘鸿飞 张 波 张影全 刘 锐 郭波莉

(中国农业科学院农产品加工研究所；农业部农产品加工综合性重点实验室1,北京 100193) (农业农村部食物与营养发展研究所2，北京 100081)

蛋白质是小麦籽粒的主要成分之一，小麦粉的应用品质取决于蛋白质的含量和构成。根据Osborne的蛋白质分类方法，小麦蛋白分为清蛋白、球蛋白、麦醇溶蛋白和麦谷蛋白[1]。麦醇溶蛋白和麦谷蛋白是面筋的主要组成部分，是决定面团流变学特性的主要因素。根据蛋白质在十二烷基硫酸钠溶液(Sodium Dodecyl Sulfate, SDS)中溶解度，可以将蛋白质分为SDS可溶蛋白和SDS不可溶蛋白。SDS不可溶蛋白主要是麦谷蛋白，被称为麦谷蛋白大聚体(Glutenin Macropolymer, GMP)。GMP的理化特性是预测小麦及小麦粉应用质量的重要指标。其中，GMP含量和颗粒大小对面包烘焙品质有重要影响[2,3]；GMP颗粒大小与面团的形成时间有极强的相关性[4]；GMP的流变学特性与面包体积和弹性有极强的相关关系[5]。

小麦生产加工链包括种植、储藏和加工等过程，其中很多因素会影响小麦籽粒和小麦粉的蛋白质理化特性和加工品质[6]，其中可人为干预的主要因素包括品种、灌溉、籽粒和小麦粉储藏条件等。以生产加工链为脉络梳理，便于理解和掌握小麦蛋白质理化特性链式发展的规律，重点整理汇总了谷蛋白亚基类型和表达量、灌溉、储藏对小麦籽粒和小麦粉蛋白质理化特性影响的研究进展，以及灌溉与储藏可能的影响机制，以期对小麦育种、生产、籽粒和小麦粉储藏提供参考。

1 灌溉及储藏对小麦蛋白质理化特性的可能影响机制

小麦生长期内灌溉频率和灌溉时期影响植株氮素吸收特性、氮素利用效率和氮素再分配效率[7-8]，从而影响小麦籽粒蛋白质理化特性。一般认为，干旱胁迫和过量灌溉均影响小麦植株氮素的吸收和转运，干旱阻碍氮素向籽粒转移从而减少籽粒氮素积累量；过量灌溉会造成籽粒中的蛋白质被稀释，导致蛋白质含量降低[9-10]；适度节水处理有利于小麦叶片氮素向籽粒中转运，促进籽粒氮素的积累，从而促进籽粒蛋白质积累和GMP形成[11,12]。

储藏时间影响小麦籽粒和小麦粉最终应用品质[13]。有报道认为，随着储藏时间的延长，小麦籽粒中游离巯基逐渐被氧化为二硫键，低分子质量蛋白质通过二硫键交联形成高分子质量蛋白质；醇溶蛋白

表1 西农1330品种近等基因系的蛋白质理化特性[26]

表2 西农136和Glenlea品种近等基因系的蛋白质理化特性[27]

含量降低，麦谷蛋白含量增加[14]。同时，游离巯基的减少抑制蛋白酶的降解作用[15-17]。小麦籽粒后熟和小麦粉熟化过程中，合成作用和降解作用同时发生，但总体趋势呈现出合成作用大于降解作用[18]。

2 基因对小麦籽粒蛋白质理化特性及质量的影响

位于小麦1A、1B、1D染色体长臂上近着丝点处的Glu-A1、Glu-B1和Glu-D1位点，总称为Glu-1位点，负责编码高分子质量谷蛋白亚基(HMW-GS)。HMW-GS存在着丰富的变异类型，其中Glu-A1位点有3种基因形式, Glu-B1位点有11种等位基因变异，Glu-D1位点有6种等位基因变异[19-21]。位于1A、1B、1D染色体短臂上的Glu-A3、Glu-B3和Glu-D3位点，总称为Glu-3位点，负责编码低分子质量谷蛋白亚基(LMW-GS)。根据亚基的分子量，LMW-GS可以分为B型、C型和D型亚基[22,23]。近等基因系是指除了某一两个基因外，其他遗传背景都相同的遗传材料[24]。通过连续回交得到只有编码HMW-GS或LMW-GS的某个位点遗传信息不同而其他遗传背景均一致的近等基因系，用来研究不同谷蛋白亚基组成对小麦品质的影响。

HMW-GS主要影响谷蛋白网络结构，是决定面筋弹性的重要组分。β折叠和β转角的含量与面团的黏弹性显著正相关，而α螺旋的含量与面团黏弹性呈负相关关系[25]。Gao等[26]利用西农1330和它的三个近等基因系研究Glu-B1位点的HMW-GS组成对小麦面筋蛋白二级和微观结构的影响。结果表明(表1)，四个近等基因系之间HMW-GS/LMW-GS ratio、Glu/Gli ratio、总蛋白质含量、湿面筋含量之间没有显著差异；7+9亚基有利于α螺旋结构的形成；17+18亚基有利于形成β折叠结构和提高SDS沉降值；14+15亚基有利于形成β转角和提高Zeleny沉降值；从面团形成时间、稳定时间、弹性以及最大拉伸阻力来看，与其他三个近等基因系相比西农1330呈现所有指数的最低值。

亚基表达量与蛋白质理化特性呈正相关。由表2可见，Li等[27]利用西农136和Glenlea两个品种杂交后连续回交五代得到的HMW-Bx7和HMW-Bx7OE近等基因系研究高分子质量谷蛋白亚基Bx7过表达对面团流变学特性的影响。结果表明，HMW-Bx7OE与HMW-Bx7相比，总蛋白含量、湿面筋含量、Zeleny沉降值、面团形成时间和稳定时间分别显著增加了18.6%、17.7%、22.1%、58.1%和73.6%；HMW-Bx7OE的HMW-GS/LMW-GS、Glu/Gli、面团储能模量值和损耗模量值均高于HMW-Bx7。当亚基缺失时，HMW-GS/LMW-GS ratio、Glu/Gli ratio、湿面筋含量和Zeleny沉降值、UPP%、面团吸水率、面团形成时间和稳定时间均比亚基表达时显著降低[28]。

3 灌溉对小麦籽粒蛋白质理化特性及质量的影响

小麦主要的灌溉制度有不浇水(生育期无灌溉)，一水制(拔节水或孕穗水)，二水制(越冬水+拔节或孕穗水，拔节或起身水+开花水)以及三水制(越冬水+拔节水+开花或灌浆水，起身或拔节水+开花水+灌浆水)。赵广才等[29]认为适当减少灌溉次数可以提高总蛋白含量，并能延长面团的形成时间和稳定时间。许振柱等[30]认为浇拔节水和孕穗水有利于籽粒储藏蛋白和GMP的积累。

适当节水处理有利于蛋白质积累和GMP大颗粒形成。Dai等[31]研究了W0(不浇水)和W1(拔节水)对强筋麦济南17和师栾02-1、中筋麦烟农24、弱筋麦鲁麦21蛋白质理化特性的影响。结果表明，和W1相比，W0处理四个品种的GMP含量分别增加了3.1%、9.3%、10.0%和13.8%～18.7%；弱筋麦的增加幅度最大。W0处理四个品种中直径大于100 μm 的GMP大颗粒含量分别增加了1.4%、4.7%、3.7%、5.1%～6.6%；弱筋麦的增加幅度最大。Dai等[32]研究了W0(不浇水)，W1(拔节水和开花水)W2(越冬水、拔节水、开花水和灌浆水)对强筋麦济南17和弱筋麦鲁麦21蛋白质理化特性的影响。结果表明，与W2、W0处理相比，2011—2012年度两个品种在W1灌溉条件下的蛋白质含量分别增加1.12%、0.73%和1.41%、0.86%，GMP含量分别增加0.34%、0.22%和0.19%、0.31%；2012—2013年度两个品种在W1灌溉条件下的蛋白质含量分别增加0.98、0.69%和1.22%、0.92%，GMP含量分别增加0.17%、0.11%和0.11%、0.18%。2012—2013年度两个品种W1处理下GMP大颗粒(直径>100 μm)含量分别增加了3.04%、4.36%和3.62%、2.49%。

拔节期、开花期和灌浆期是灌溉影响小麦品质的主要时期。盛坤等[33]研究了改变不同生育期灌溉条件的10种水处理条件对新麦26蛋白质理化特性的影响结果表明，拔节期之前土壤水分含量对小麦蛋白质含量没有显著影响，拔节期、开花期和灌浆期土壤含水量低的小麦蛋白质含量分别比土壤含水率高的小麦蛋白质含量高0.42%、0.59%和1.33%；面筋指数没有随着土壤含水率的变化发生明显的变化。

4 储藏对小麦籽粒蛋白质理化特性及质量的影响

随着储藏时间的延长，小麦籽粒蛋白质含量和面筋含量变化不大，面团形成时间、稳定时间、抗拉伸阻力和拉伸面积均有增大的趋势[34-38]。

小麦蛋白质理化特性在籽粒短期储藏到完成后熟期呈现逐渐增加并稳定的趋势。小麦籽粒储藏过程中，储藏环境温湿度会显著影响小麦品质，与低温低湿条件相比，高温高湿条件会加速小麦品质变化。Yue等[39]研究了硬白冬小麦luomai18分别在15 ℃/50%RH，20 ℃/65%RH，28 ℃/75%RH，35 ℃/85%RH条件下储藏期内蛋白质理化特性的变化。结果表明，随着储藏时间延长到14周，游离巯基含量降低，二硫键含量增加；面筋指数、SDS沉降值、谷蛋白溶胀指数均增加，其中高温高湿条件下增幅最大，增幅分别为15.08%、37.17 mL和0.98%；麦谷蛋白含量、Glu/Gli和GMP含量均增加。高温高湿条件下，GMP中二硫键含量增幅最大为0.057 mmol/g。Miroslav等[40]研究了塞尔维亚3个硬白冬小麦品种Pobeda、Zvezdana和Apache籽粒在22 ℃、70%相对湿度下短期储藏期间蛋白质理化特性的变化。结果表明，随着储藏时间延长，3个品种小麦湿面筋含量分别降低了4.5%、4.7%和4.7%；面筋指数分别增加了9.4%、12.9%和5.5%；面团的储存模量G’值先降低后升高，其中Zvezdana变化幅度最大，储藏50 d小麦面团的G’值比储藏10 d的小麦面团G’值相对增加了10.9%。

小麦籽粒后熟期完成后随储藏时间进一步延长，小麦蛋白质理化特性呈现降低的趋势，小麦品质发生劣变。Hakan等[41]研究了Bezostaya和Lancer两个品种籽粒在自然储藏条件下小麦蛋白质理化特性的变化。结果表明，从新收获到储藏180 d，Bezostaya和Lancer的粗蛋白质质量分数分别降低2.11%和5.99%；Zeleny沉降值分别降低4.82、5.20 mL；湿面筋质量分数分别降低4.77%和2.00%；干面筋质量分数分别降低1.67%和1.93%。

5 储藏对小麦粉蛋白质理化特性及质量的影响

小麦粉在短期储藏到完成熟化过程中低分子质量蛋白质通过二硫键连接形成高分子质量蛋白质，蛋白质理化特性相关指标均呈现逐渐增加后稳定的趋势，小麦粉品质也逐渐改善并稳定。王娜等[42]研究了在24 ℃、通风储藏期间小麦粉蛋白质理化特性的变化。结果表明，从储藏0 d到储藏90 d，三种小麦粉的总蛋白质含量没有明显变化，三种小麦粉的游离巯基含量降低，降幅分别为5.5%、4.1%和4.4%，而二硫键含量增加，增幅分别为1.6%、1.8%和2.0%；麦醇溶蛋白含量降低，降幅为16.54 mg，麦谷蛋白含量增加，增幅为19.48 mg；高筋粉、中筋粉和低筋粉的GMP含量分别增加了6、5 2.5、mg/g样品，粒径分别增加了1.4、1.3、0.9 μm。

而随储藏时间进一步延长，小麦粉品质出现劣变。储藏环境温湿度会显著影响小麦粉蛋白质理化特性与低温低湿条件相比，高温高湿条件会加速小麦粉蛋白质理化特性变化。刘长虹等[43]研究了在25 ℃，50%、65%和80%相对湿度储藏期间小麦粉蛋白质特性的变化。结果表明，储藏过程中，小麦粉粗蛋白含量变化不大，湿面筋含量降低，其中80%相对湿度下湿面筋降低了2.5%。王颖等[44]研究了分别在25、30、35 ℃，50%、65%和80%温湿度组合条件下储藏180 d以及室温条件下储藏150 d小麦粉蛋白质理化特性的变化。结果表明，随着储藏时间的延长，不同温湿度组合储藏条件下中筋粉和高筋粉的总蛋白质含量没有明显变化变化；25 ℃和30 ℃条件下，中筋粉和高筋粉的湿面筋含量先增加后降低，而35 ℃条件下，中筋粉和高筋粉的湿面筋含量呈现降低的趋势，相同温度条件下，湿度越高，降低的幅度越大；室温条件下储藏的小麦粉，中筋粉和高筋粉的吸水率和弱化度增加，而面团稳定时间分别减少1.31、0.78 min。

6 总结与展望

小麦品种、灌溉条件、籽粒和小麦粉储藏温湿度及时间显著影响蛋白质的理化特性。HMW-GS和LMW-GS的类型和表达量显著影响小麦蛋白质理化特性。其中高分子质量谷蛋白亚基表达量与蛋白质含量、GMP含量、颗粒大小和流变学特性正相关；不同高分子质量谷蛋白亚基对蛋白质理化特性的影响程度也有显著差异，如5+10亚基与2+12亚基相比是较为优质的高分子质量谷蛋白亚基。灌溉主要影响小麦蛋白质含量、GMP含量和颗粒大小，适当的节水处理有利于蛋白质积累和GMP大颗粒形成。储藏时间和温湿度主要影响小麦籽粒和小麦粉的游离巯基含量、二硫键含量、麦醇溶蛋白含量、麦谷蛋白含量、GMP含量和面团流变学特性；短期储藏中，储藏时间与GMP含量和颗粒大小显著正相关；而随着储藏时间进一步延长，GMP含量和面团黏弹性逐渐降低；低温低湿条件下小麦蛋白质含量、湿面筋含量和沉降值等指标均没有显著变化，适当热处理会加速小麦籽粒和小麦粉后熟，而高温高湿条件下小麦湿面筋含量和面筋指数等指标降低幅度大，且蛋白质水解程度也显著高。

灌溉对GMP理化特性方面研究主要集中在GMP含量和颗粒大小，在其形貌或流变学特性研究报道较少。储藏对小麦籽粒、小麦粉蛋白质含量和面团流变学特性的影响已有大量研究，但对小麦籽粒和小麦粉GMP理化特性的研究较少，特别关于GMP形貌的研究正处于起步阶段，而蛋白质形貌与面制品质量之间的关系仍需进一步研究。加强小麦加工链中蛋白质组分形貌以及流变学特性的研究可以为小麦高效节水灌溉技术，籽粒和小麦粉储藏质量至面制品质量控制提供参考。