不同HMW-GSs组成小麦籽粒淀粉理化特性对面团稳定时间的影响

牛洪壮，刘洋，李晓萍，韩裕轩，王可可，杨雁，杨千慧，闵东红✉

1西北农林科技大学农学院/旱区作物逆境生物学国家重点实验室，陕西杨凌 712100；2陕西省兴平市种子管理站，陕西兴平 713100

0 引言

【研究意义】随着生活水平的提高，人们对面制品的品质要求也在提高，因此，对小麦品质的要求也越来越高。小麦面团的流变学特性在很大程度上影响着人们的食品质量[1-4]。淀粉作为小麦胚乳中含量最高的成分，影响着面团的流变学特性和食品品质[5-8]，阐明淀粉对面团流变学特性的影响有助于理解淀粉在面团中的作用，也可以对小麦的品质育种提供理论指导。【前人研究进展】小麦面团是一种复杂的混合物，广泛分布的蛋白质细丝穿过面团[9]，使得淀粉颗粒被包裹在面筋蛋白基质中[10]。面筋蛋白分为麦谷蛋白和醇溶蛋白[11-15]，其中，麦谷蛋白中的高分子量麦谷蛋白亚基（high-molecular-weight glutenin subunits，HMW-GSs）是影响面团流变学特性的主要因素[16-18]。面团的流变学特性涉及面团的流动和变形行为，与其他面团混合特性相比，面团的稳定时间与流变特性参数有更密切的关系[19]，面团的稳定时间通常被用作面团质量的描述[20-21]。虽然面筋蛋白对面团的影响至关重要，但与淀粉相比，面筋蛋白在面团中所占比例较小，因此不能全面反映面团的特性[22]。有研究表明，用其他物质代替面团中的淀粉可以改变面团的流变学特性，证实了淀粉在面团中也起着重要的作用[23]。淀粉是小麦的主要储藏碳水化合物，占谷物的60%—75%，面粉的70%—80%[24-25]，谷物在发育过程中会积累不同大小和形状的淀粉颗粒[24,26]，其颗粒结构包括A型（直径≥10 μm）和B型淀粉粒（直径＜10 μm）[27-28]。A型淀粉粒和B型淀粉粒在物理化学方面存在显著差异[29-31]，这种差异会对面团的流变学特性和食品的品质产生影响[6,32-34]。根据其分子结构，淀粉可进一步分为直链淀粉和支链淀粉[35]，在小麦粉中添加直链淀粉可以改善面团的抗形变能力和食品的品质[36-37]。淀粉的相对结晶度、短程有序度和糊化焓对面团稳定时间都具有相关性，且它们之间通常是相互关联的[16,38]。【本研究切入点】前人的研究多集中于淀粉的理化性质之间的联系或添加淀粉之后的重组面粉特性，在天然面粉中，小麦淀粉理化性质对面团流变学特性的影响相关研究较少。【拟解决的关键问题】本研究选择具有3种HWM-GSs组合的12个小麦品种或品系，探讨淀粉理化特性对面团稳定时间的影响。为揭示淀粉在面团流变学特性中的作用提供信息，为小麦品质育种提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 材料

以新麦26、济麦44、西农615、藁城8901、西农221、西农979、西农633、西农059、15（85）2A、14（417）0-0-10、小偃22和周麦18共12个小麦品种或品系为试验材料，新麦26是新乡市农业科学研究院选育的强筋小麦品种，济麦44是山东省农业科学研究院选育的强筋小麦品种，藁城8901是藁城市农业科学研究院选育的强筋小麦品种，西农979是西北农林科技大学小麦育种研究室选育的强筋小麦品种，小偃22是西北农林科技大学小麦育种研究室选育的中筋小麦品种，周麦18是周口市农业科学研究院选育的中筋小麦品种，西农615、西农221、西农633、西农059、15（85）2A、14（417）0-0-10是西北农林科技大学农学院小麦抗逆遗传改良实验室选育的小麦品种或品系。12个试验材料于2019年种植于陕西杨凌的西北农林科技大学试验农场，按照农场的常规方法进行田间管理。将收获的种子干燥后，在瑞典波通3100锤式粉碎磨中进行研磨。研磨出的面粉通过 100目筛子，4℃保存。

1.2 麦谷蛋白的提取与检测

提取12个试验材料籽粒中的麦谷蛋白，用十二烷基硫酸钠聚丙烯酰胺凝胶电泳（sodium dodecyl sulfate-polyacrylamide gel electrophoresis，SDS-PAGE）方法进行HMW-GSs的检测[39]。

1.3 面团流变学特性分析

面团的混揉特性用法国肖邦技术公司的Mixolab2混合试验仪进行分析[39]，检测面团形成时间和面团稳定时间。每个样本进行3次重复试验。

1.4 淀粉的分离

采用手洗方法从各个试验材料的面粉中分离淀粉和面筋。将分离出的淀粉匀浆通过100目筛网，得到的淀粉溶液离心后分别在2 mol·L-1氯化钠和2%十二烷基硫酸钠（sodium dodecyl sulfate，SDS）中进行洗涤，将洗涤后的淀粉溶液离心后用蒸馏水去除残留的蛋白质，自然风干后经过100目筛子[40]。

1.5 淀粉颗粒形态的观察

将淀粉颗粒用导电双面胶固定在样品台后进行喷金处理，然后用日本电子株式会社的JSM-6390LV钨灯丝扫描电镜进行观察，加速电压为10.0 kV，放大倍数为1 500倍。

1.6 淀粉颗粒的粒度分布分析

淀粉颗粒数量分布用美国麦奇克仪器有限公司的S3500系列激光粒度分析仪进行检测。先检测蒸馏水背景，运行时间为50 s，泵速为45 r/min，然后将0.05 g的淀粉样品加到样品池，当淀粉均匀分散后进行分析，分析结束后导出原始数据[16]。再用Microsoft Excel 2010进行数据分析。每个样本进行3次重复试验。

1.7 直链淀粉含量的检测

使用北京索莱宝科技有限公司的直链淀粉含量检测试剂盒测定淀粉中直链淀粉的含量。每个样本进行3次重复试验。

1.8 淀粉的X射线衍射分析

淀粉的X射线衍射试验用日本理学电机株式会社的D/max-2200pc X射线衍射仪进行。淀粉样品在40 mA、40 kV条件下进行测试，衍射角（2θ）范围为3°—40°，速度为3°·min-1[41]，将测得的结果用MID JADE 6.5软件计算相对结晶度。每个样本进行3次重复试验。

1.9 淀粉的傅里叶变换红外光谱分析

淀粉的外区有序结构用德国布鲁克光谱仪器公司的 VERTEX 70红外光谱仪进行检测[42]。用 OMNIC 9.9.509软件进行光谱分析，根据分析结果进行吸光度1 045/1 022 cm-1和1 022/995 cm-1比值的计算，每个样本进行3次重复试验。

1.10 淀粉糊化特性和热特性的分析

淀粉的热特性用日本株式会社日立制作所的STA7200RV热差-热重同步分析仪进行检测[16]。使用仪器提供的软件TA7000 version 10.41计算起始温度（T0）、峰值温度（Tp）、结束温度（Tc）和糊化焓（ΔHgel）。每个样本进行3次重复试验。

1.11 统计分析

使用 Office Excel 2010和SPSS 22.0软件对结果进行统计分析。数据由样本的平均值±标准差的形式呈现。

2 结果

2.1 高分子量麦谷蛋白亚基分布

将12个试验材料进行HWM-GSs鉴定。新麦26、济麦44、西农615和藁城8901具有相同的HWM-GSs组合，亚基组合为1、7+8、5+10；西农221、西农979、西农633和西农059具有相同的HWM-GSs组合，亚基组合为 1、7+8、2+12；15（85）2A、14（417）0-0-10、小偃22和周麦18具有相同的HWM-GSs组合，亚基组合为1、7+9、2+12（图1）。

2.2 面团的混揉特性分析

从表1可知，12个试验材料的稳定时间存在显著性差异，形成时间最长的是西农633（7.53 min），最短的是周麦18（2.61 min），稳定时间最长的是新麦26（41.80 min），最短的是周麦18（3.14 min）。可以看到新麦26、济麦44、西农221、西农979和西农633均具有较长的面团稳定时间，其中新麦26的面团稳定时间远远长于其他材料。

表1 12个试验材料的形成时间和稳定时间Table 1 Dough processing properties of the 12 varieties

2.3 淀粉的颗粒形态

从图2可以看出，在12个试验材料的淀粉颗粒中，大淀粉粒呈不规则的椭圆形，小淀粉粒呈不规则椭圆形和多面体形。新麦26、济麦44、藁城8901、西农221、西农979和西农059的淀粉粒排列紧密，且前2个材料与后4个材料相比，小淀粉粒明显较多（图2-A、图2-B、图2-D、图2-E、图2-F和图2-H），西农615、西农 633、15（85）2A、14（417）0-0-10、小偃 22和周麦18的淀粉粒排布较为分散（图2-C、图2-G、图2-I、图2-J、图2-K和图2-L），西农979、15（85）2A、小偃22和周麦18中A型淀粉粒的直径较大（图2-F、图2-I、图2-K和图2-L）。

2.4 淀粉颗粒的粒度分布

淀粉颗粒粒度分布结果表明，12个试验材料中，A型淀粉粒（直径≥10 μm）的含量均大于B型淀粉粒（直径＜10 μm）的含量。A 型淀粉粒的含量为 54.34%—70.11%，存在显著差异。B型淀粉粒的含量为29.89%—45.66%，B型淀粉粒与A型淀粉粒的比值为0.43—0.84（表2）。面团稳定时间最长的新麦26，A型淀粉含量最低，B型淀粉含量最高；而面团稳定时间最短的周麦18，A型淀粉含量最高，B型淀粉含量最低，这在图2A和图2L中可以观察到。结果表明，12个试验材料中的A型淀粉粒含量越高，B型淀粉粒含量就会越低，B型淀粉粒与A型淀粉粒含量的比值就会越小。

表2 12个试验材料的淀粉粒数量分布与直链淀粉含量Table 2 Amylose content, number distribution of starch granules of starch from 12 varieties

2.5 直链淀粉含量

从表2可以看出，12个试验材料的直链淀粉含量为18.17%—24.57%，存在显著差异。新麦26的直链淀粉含量最高，周麦18的直链淀粉含量最低。结合表1中的面团稳定时间和表2中的直链淀粉含量可以看出，西农615、藁城8901和西农059的直链淀粉含量和稳定时间比较接近，西农221与西农633的直链淀粉含量和稳定时间比较接近，15（85）2A、14（417）0-0-10和小偃 22的直链淀粉含量和稳定时间比较接近。表明材料的直链淀粉含量比较接近，则它们的面团稳定时间也较为接近。

2.6 淀粉的X射线衍射图谱分析结果

淀粉的X射线衍射图谱分析结果表明，12个试验材料淀粉的衍射图谱相似，主要表现为在15°、17°、18°和23°附近有较强的衍射峰。其中，17°和18°附近的衍射峰是相连的双峰，20°附近有较弱的衍射峰（图3）。材料的相对结晶度为 25.78（新麦 26）—35.32（周麦18）（表3）。

表3 12个试验材料的淀粉相对结晶度和短程有序度Table 3 Structural order of starch external region and relative crystallinity of starch from 12 varieties

2.7 淀粉外区结构的有序性

12个试验材料的傅里叶变换红外光谱试验结果表明，淀粉的1 045/1 022 cm-1值和1 022/995 cm-1值具有显著差异，1 045/1 022 cm-1值最高的是新麦26（1.11），最低的为西农059（0.74）。1 022/995 cm-1值最高的是周麦18（1.21），最低的是新麦26（0.77）（表3）。新麦26拥有最高的1 045/1 022 cm-1值和最低的1 022/995 cm-1值；周麦18的1 022/995 cm-1值最高，1 045/1 022 cm-1值反而较低。表明较高的1 045/1 022 cm-1值通常对应较低的1 022/995 cm-1值。

2.8 淀粉的热特性

由表4可以知，12个试验材料中，西农221的起始温度（56.27℃）和结束温度（69.02℃）最高，西农633的峰值温度（64.83℃）最高，14（417）0-0-10的起始温度（51.67℃）、峰值温度（54.33℃）和结束温度（60.78℃）均为最小。材料间的ΔHgel存在显著差异，其中，最大的是周麦18（8.47 J·g-1），最小的是新麦 26（6.90 J·g-1）。

表4 12个试验材料的热特性Table 4 The thermal properties of starch from 12 varieties

2.9 淀粉理化特性对面团稳定时间的影响

对12个试验材料进行了回归分析，结果表明直链淀粉含量（r=0.88，P＜0.01）及淀粉短程有序度（r=0.83，P＜0.01）与面团的稳定时间呈显著正相关（图4-B和图4-D），A型淀粉粒含量（r=0.61，P＜0.05）、淀粉相对结晶度（r=0.84，P＜0.01）及淀粉糊化焓（r=0.71，P＜0.01）与面团稳定时间呈显著负相关（图4-A、图4-C和图4-E）。

3 讨论

3.1 A型淀粉粒含量对面团稳定时间的影响

小麦的淀粉颗粒分为A型和B型，A型淀粉粒具有更多的生长时间，因此存在更高的比例[24]，本研究结果表明A型淀粉与面团的稳定时间呈显著负相关，说明较大的淀粉粒对面团稳定时间存在负向效应。这种现象主要是因为淀粉粒在面团中起到填充的作用，较多的小淀粉颗粒可以提高淀粉在面团中的填充度，较大的淀粉颗粒含量多则面团的填充度较差，这与一些前人的研究结果一致[14,23,33]。但仅凭淀粉颗粒的大小分布不能完全反映面团的特性[5]，面团的混合特性在很大程度上还取决于面筋与淀粉之间的相互作用[16]。

3.2 直链淀粉含量对面团稳定时间的影响

直链淀粉本质上是一种葡萄糖的线性聚合物[24]。有研究表明，在面粉中添加高直链淀粉可以增加小麦面团的抗形变能力[36]。另一项研究表明，在3个相同MW-GSs的试验材料中，高直链淀粉含量对小麦面团的稳定时间具有正向效应[16]，本研究结果表明，直链淀粉与面团稳定时间呈显著正相关。以上结果表明，无论是在重组面粉中，还是在天然小麦粉中，直链淀粉对面团的稳定时间都具有重要的作用。

3.3 相对结晶度对面团稳定时间的影响

淀粉是一种天然多晶聚合物，由结晶区和非结晶区组成。淀粉及其衍生物的结晶度直接影响淀粉制品的使用特性[43]。普通天然淀粉分为 3种基本晶体类型：A、B和C。A类晶体结构以谷物淀粉为主。在15°、17°、18°和 23°处有明显的衍射峰[44]。本研究中的12个试验材料的X射线衍射图相似，均属于A型晶体结构。

结晶性源于颗粒内支链淀粉双螺旋的分级组织，而直链淀粉、无序支链和连接双螺旋的分支点是造成无定形区域的原因[45]。当淀粉的螺旋结构被破坏时会暴露出羟基，这些羟基可以通过面团中的氢键与水结合，导致面团的自由水含量下降[24]。自由水含量越低，水分流动性越差，导致面团稳定时间越短[46]。有研究表明，直链淀粉含量增加会破坏相对结晶度[47]。因此，相对结晶度越低则面团的稳定时间越长[16]，这与本研究中淀粉相对结晶度与面团稳定时间呈显著负相关的结果一致。

3.4 淀粉的外区有序结构对面团稳定时间的影响

在傅里叶变换红外光谱仪测试结果中，吸光度1 045、1 022和995 cm-1处的谱带分别与淀粉中的有序结构，无定形结构和螺旋结构相关。用吸光度1 045/1 022 cm-1值来定量淀粉的外区有序结构，用1 022/995 cm-1值来衡量淀粉中无定形结构与碳水化合物结构的比例[42]。

前人研究表明，具有较低1 045/1 022 cm-1值的淀粉通常具有较高1 022/995 cm-1值[16,41]，本研究也得出相似的结果。高1 022/995 cm-1值通常与高结晶度和高A型淀粉粒含量相关[16]。本研究结果表明淀粉短程有序度与面团稳定时间呈显著正相关，A型淀粉粒含量及淀粉相对结晶度与面团稳定时间呈显著负相关，进一步证实了这个结论。

3.5 淀粉热特性对面团稳定时间的影响

在淀粉热特性的测定结果中，起始温度、峰值温度和结束温度可以反应晶体的质量，而糊化焓反映晶体双螺旋有序解离所需的能量，所以糊化焓越高的淀粉结晶度越高[48]。由于较高的糊化焓是较高的结晶度提供了结构稳定性，而支链淀粉在结晶度中起主要作用，较高的直链淀粉含量则降低了微晶的熔点和糊化能量[49]，所以较高的糊化焓反映了较低的直链淀粉含量和较短的面团稳定时间。这与本研究中淀粉糊化焓与面团稳定时间呈显著负相关的结果一致。

4 结论

12个试验材料的直链淀粉含量（r=0.88，P＜0.01）及淀粉短程有序度（r=0.83，P＜0.01）与面团的稳定时间呈显著正相关，A型淀粉粒含量（r=0.61，P＜0.05）、淀粉相对结晶度（r=0.84，P＜0.01）及淀粉糊化焓（r=0.71，P＜0.01）与面团稳定时间呈显著负相关。其中直链淀粉含量与面团稳定时间的相关系数最大。在小麦品质育种过程中，可以将以上指标作为参考进行品种选育。