小麦籽粒硬度及其对面粉加工品质影响的研究进展

吴宏亚， 蒋正宁， 王 玲， 程顺和

(1.扬州大学农学院/江苏省作物遗传生理重点实验室/教育部植物功能基因组学重点实验室，江苏 扬州 225009;2.江苏里下河地区农业科学研究所，江苏 扬州 225007)

小麦籽粒硬度是小麦品质育种和品质研究的一个重要参数，也是小麦分类、分级和定价的重要评价指标。在面粉制作过程中，籽粒硬度不仅影响磨粉能耗、润麦加水量、出粉率等，而且是决定面粉颗粒大小、面粉粒度分布、破损淀粉数量及淀粉破损程度等的关键因素［1］。根据籽粒硬度，普通小麦分为硬质小麦和软质小麦。硬质小麦制粉时面粉淀粉粒破损较多，面粉较粗，面团吸水率高，适合制作面包类食品。软质小麦制粉时淀粉粒破损小，面粉细腻，面团吸水率较低，适合制作饼干类食品［2］。随着硬度测试方法的日趋完善及其分子遗传基础的研究逐步加快，人们对小麦籽粒硬度遗传机理的认识也逐渐清晰。普通小麦籽粒硬度由主效基因控制，该基因位点位于5D染色体短臂上，软质对硬质为显性，能够解释60%左右的变异［3］。目前已经发现籽粒硬度多种基因型，不同基因型具有不同的胚乳质地，从而具有不同的加工品质特性。

1 小麦籽粒硬度的形成机理及测定方法

1.1 籽粒硬度及其形成

小麦成熟胚乳主要由淀粉颗粒和贮藏蛋白构成，淀粉粒在造粉体内合成，被连续的蛋白质基质包围［4］。胚乳成熟过程中，胚乳细胞呈现程序性死亡和脱水现象，蛋白质被膜蛋白体融合并形成蛋白质基质，而淀粉颗粒仍旧相互作用并被残留的造粉体膜所包围，呈颗粒状。自然成熟胚乳中淀粉粒和蛋白质基质的存在状态及其相互作用是形成籽粒硬度的基础［5］。目前有关籽粒硬度形成机理的观点不完全一致，有研究认为小麦籽粒硬度与蛋白质基质对淀粉粒的黏着作用有关，这种作用在硬质麦中表现比软质麦强［4］;有学者用蛋白质基质的连续性来解释籽粒硬度，他们认为蛋白质基质的不连续会导致胚乳结构强度发生变化［6］;也有研究人员认为籽粒硬度的差异不仅归因于蛋白质基质的连续性而且也与淀粉-蛋白质的黏着性有关。由此可见籽粒硬度主要由籽粒中淀粉和蛋白质基质间的粘合力和包被淀粉颗粒的蛋白质基质连续性决定的。张瑞奇［7］利用扫描电镜观察结果显示，软、硬质近等基因系籽粒糊粉层细胞无显著差异，而胚乳显微结构差异明显，软质近等基因系籽粒胚乳蛋白质基质与淀粉粒表面呈分离状态，而硬质近等基因系籽粒胚乳蛋白质基质与淀粉粒紧密结合。

1.2 籽粒硬度测定方法

破坏小麦籽粒所需的力有张力、压力、剪切力和扭曲力，小麦籽粒硬度的测定就建立在研磨、压碎、磨耗或压痕原理之上。主要包括研磨时间法(Grinding time，GT)、颗粒指数法(Particle size index，PSI)、近红外光谱法(Near infrared reflect，NIR)、单籽粒谷物特性测定仪法(Single kernel characterization system，SKCS)和电子显微镜直接观测法(Scanning electron microscope，SEM)等。其中颗粒指数法、近红外光谱法、单籽粒谷物特性测定法等应用最为广泛。颗粒指数法是先将一定质量的小麦籽粒磨成粉，经特定筛子筛一定时间后，计算筛后与筛前质量的比值即是该样品的PSI值。一般PSI小于16为硬麦，16～25为混合麦，大于25为软麦。近红外光谱测试法是近些年发展起来的一种快速、高效测试方法，可同时测定多个籽粒性状，主要是利用波长1 680 nm和2 230 nm处两个近红外光的强吸收点建立模型进行检测，结果一般在0至100之间，数值越高，质地越硬［8］。单籽粒谷物特性测定系统是利用压力作用把籽粒压碎，然后通过传感器感应力的大小确定样品的硬度，可同时测定籽粒质量(mg)、直径(mm)、硬度指数(Hardness index，HI)和水分(%)，并用质量、水分和温度进行修正。该方法测定值小于40为软质麦，大于60为硬质麦，混合麦介于40～60之间。

2 小麦籽粒硬度的遗传与分子机理

2.1 小麦籽粒硬度基因遗传定位

Sourdille等对小麦籽粒硬度进行QTL定位结果表明，除影响籽粒硬度主效QTL位点位于5DS上外，在染色体2A、2D、5A、5B、6D、7A 上发现存在微效 QTL 位点［9］;另外，在染色体 3A、3BL、1A、6D、6B和2B上也存在影响籽粒硬度的微效QTL位点［10-11］。李文福等检测到控制硬度的2个加性效应位点，分别位于2A和7D染色体上，qhd2A和qhd7D均具有单位点的加性效应，可分别解释3.77%和 7.90% 的表型变异［12］。Crepieux 等［13］研究表明，除位于5DS的Ha位点外，还检测到另外一个QTL位于1DL上，并与Glu-D1位点紧密连锁。Arbebide检测到一个次效QTL与Glu-A3位点紧密连锁，推测籽粒贮藏蛋白可能影响籽粒硬度［14］。

2.2 小麦籽粒硬度的分子机理

研究籽粒硬度的突破性进展是Friabilin蛋白的发现。Greenwell等［15］第一次从水洗小麦淀粉表面分离出一种被命名为Friabilin的分子量为15 000的蛋白质(后来被更正为13 000)，这种蛋白质在软麦的水洗淀粉中比较丰富，在硬麦淀粉中却相对较少，而在硬粒小麦中完全缺失。Friabilin蛋白同时存在于软麦和硬麦中，但与淀粉结合的程度因基因型的不同而有差异。Friabilin蛋白能够软化小麦胚乳，易与淀粉颗粒表面相互作用，且蛋白表达量与籽粒硬度呈显著负相关［16］。Friabilin蛋白复合体主要由puroindoline a(PINA)、puroindoline b(PINB)、grain softness protein(GSP-1)3 种蛋白组成［17］，PINA 和PINB是其主要成分，分别由Pina-D1和Pinb-D1基因编码;GSP-1蛋白亚基由 grain softness protein-1(Gsp-1)基因编码。这3个基因均与Ha位点紧密连锁。转基因研究证实，Pina-D1和Pinb-D1基因是籽粒硬度的主效基因［18-19］。因此，决定puroindoline蛋白表达的Pins基因是籽粒硬度的分子基础。

Puroindoline蛋白的变化将直接影响到小麦胚乳质地的变化，而其基因变化的主要来源为Pina和Pinb编码区单核苷酸的替代、缺失或Pina的缺失［20］。Puroindoline蛋白通过其色氨酸结构域的α-螺旋形成的膜固着环与淀粉表面的双分子极性脂紧密结合构成了小麦籽粒硬度的分子基础;另外该区域中色氨酸数目的多少则决定着该基因脂联能力的大小［21］。根据 puroindoline蛋白脂联的能力，Behave等［18］推测小麦种子中的puroindoline蛋白与淀粉粒质膜的表面结合并与之产生相互作用，在磨粉的过程中容易使蛋白基质和淀粉粒分开，淀粉粒完整，表现为软质;而当puroindoline蛋白缺失或功能受损时，淀粉粒膜表面没有或结合了较少的puroindoline蛋白，使蛋白基质和淀粉粒紧密接触并产生相互作用力，磨粉时蛋白基质和淀粉粒不容易分开，产生破损的淀粉粒，从而表现为硬质。GSP-1蛋白缺少一个半胱氨酸骨架，且色氨酸残基数也相对较少，对籽粒硬度调节相对较弱，但其具有脂联作用的最重要的功能域却相对保守［22］。总体来看，puroindoline蛋白由于具有很强的脂联能力，能够吸附在淀粉粒质膜表面，对籽粒硬度的影响更大;而GSP-1蛋白由于色氨酸含量并不丰富，因此对籽粒硬度调节作用较小，但GSP-1蛋白在puroindoline蛋白缺失或突变的硬粒小麦中起的作用可能更大［18，21］。

3 小麦籽粒硬度基因型与品质的关系

不同Pins基因型对小麦品质性状和食品加工品质的影响不同。Martin 等［23］、Cane 等［24］和 Nagamine等［25］认为 Pina-D1a/Pinb-D1b 基因型小麦的出粉率、磨粉评分、面粉颗粒大小、亮度(L*值)、红度(a*值)、面团形成时间、延展性均高于Pina-D1b/Pinb-D1a基因型，但灰分含量、吸水率较低;陈锋等［26］则认为，Pina-D1b/Pinb-D1a 具有更高的灰分含量和a*值。Ma等［1］认为，Pina-D1b/Pinb-D1a 基因型小麦的破损淀粉率高于其他基因型，但L*值较低;Pina-D1b/Pinb-D1d基因型的破损淀粉含量、出粉率、黄度(b*值)低于其他基因型，但L*值较高。Eagles等［27］认为Pina-D1a/Pinb-D1b基因型与野生D1a/Pinb型(Pina-D1a/Pinb-D1a)小麦面粉颜色和淀粉糊化特性间均有显著差异;Pina-D1a/Pinb-D1e基因型的峰值黏度最高;并且野生型的面条L*值、黄亮度(L*-b*)值和软硬度分值显著高于Pina-D1b/Pinb-D1a类型，但 b*值显著较低;Pina-D1a/Pinb-D1b类型的面条品质优于Pina-D1a/Pinb-D1a和Pina-D1b/Pinb-D1a两种类型。Chen等［28］认为Pinb-D1b基因型小麦的面条a*值、黏弹性和评价总分高于 Pina-D1b类型和野生型;Cane等［24］认为Pinb-D1b基因型的面包体积较大，但面包结构评分较低;Nagamine等［25］认为Pina-D1b基因型小麦面团吸水率比Pinb-D1b基因型小麦高，但出粉率和面团形成时间明显比后者偏低。

由此可以看出，目前基因型与小麦籽粒硬度关系和对加工品质影响的研究比较深入，已明确Pins基因突变会引起籽粒硬度变大，但不同突变类型的表现型、品质性状及加工品质差异较大，导致不同面食类型对Pins基因型的需求不同。

4 籽粒硬度对小麦加工品质的影响

小麦加工品质包括磨粉品质和食品加工品质两个方面，出粉率、灰分含量和面粉色泽是衡量磨粉品质的重要指标;食品加工品质包括面粉品质、面团品质、淀粉特性、烘焙品质和蒸煮品质［29］等。小麦籽粒硬度同时影响磨粉品质和食品加工品质，是决定品质性状及食品加工品质的重要指标。

研究表明小麦籽粒硬度决定磨粉能耗、润麦加水量和出粉率，还与面粉色泽和灰分含量有关［30］。硬质麦胚乳与麸皮的分离程度高、筛理性好、出粉率较高;软质麦筛分效果差、出粉率较低［31］。籽粒硬度与灰分含量呈显著或极显著正相关［32］，但与面粉白度的关系目前研究结果尚不一致。李宗智等［33］认为籽粒硬度与面粉白度呈极显著正相关;周艳华等［30］、胡瑞波等［32］则认为籽粒硬度与面粉白度呈极显著或显著负相关。小麦籽粒硬度与磨粉品质的关系密切，在一定范围内，籽粒硬度越大，出粉率和灰分含量越高。

硬质小麦蛋白质含量比软质小麦高，且在小麦籽粒中蛋白质和淀粉以水溶性糖蛋白方式紧密结合，制粉时淀粉粒破碎较多，损伤淀粉含量高，导致面团吸水率增大。因此，籽粒硬度与蛋白质含量、湿面筋含量、吸水率呈显著正相关［34］，并且还决定着面粉的颗粒大小分布和破损淀粉粒的多少。籽粒硬度与淀粉含量关系密切，但研究结果不一致。张春庆等［35］认为籽粒硬度与直链淀粉含量呈极显著正相关，与支链淀粉呈极显著负相关;胡瑞波等［32］则认为籽粒硬度与淀粉含量呈显著负相关，与直链淀粉含量呈负相关，与支链淀粉呈正相关。在制作食品时，由于硬质麦制粉淀粉粒较粗，破损多，吸水多，和面和发酵时易膨胀，适宜制作面包;软质麦制粉淀粉粒较细，破损少，制作面条口感爽滑、柔软。并且，籽粒硬度与面包体积、包心纹理及质地呈显著正相关［36］，与馒头色泽呈显著负相关，与馒头体积、黏弹性和馒头评价总分呈显著正相关［37］，与面条色泽、表观、光滑性和食味呈显著负相关［38-39］。虽然籽粒硬度对淀粉含量的关系目前还不明确，但籽粒硬度影响多个品质性状，是决定食品加工类型的关键性状已有定论。

综上所述，小麦籽粒硬度通过影响磨粉品质和食品加工品质，决定着面食加工类型。硬质、高蛋白、强筋小麦适于制作面包和机制面条;而软质、低蛋白、弱筋小麦适于制作饼干和糕点;介于两者之间的半硬质小麦，蛋白质含量与面筋强度中等，可用于制作一些发酵时间短的软式和硬式面包及各种类型的薄饼，也适于制作中国馒头和面条等食品。

5 开展软质小麦品种培育的设想及思路

中国小麦分布区域很广，根据各个地区的气候特点，将全国小麦的分布分成了8个区域。由于南北气候的差异，不同小麦籽粒蛋白质和淀粉的含量也有较大的差异。在长江中下游流域，由于气候湿润，小麦灌浆期的温差较小和多阴雨等原因，不能有效地积累蛋白，籽粒中淀粉含量相对偏高，比较适合生产软质小麦。用于饼干制作的小麦面粉要求淀粉颗粒完整、吸水少，需要软质型的籽粒，因此，培育弱筋软质小麦品种是长江中下游地区首要育种目标。结合该地区的生态特点，就如何更好开展软质小麦品种培育提出以下4点设想。首先，以中国南方麦区20年来栽培的小麦为研究对象，对小麦Pina和Pinb基因型的多态性进行分析，进一步筛选野生型pin基因软质小麦作为亲本，与该地区大面积推广品种或中间材料杂交，培育适于该地区大面积生产的弱筋软质小麦品种。第二，以甲基磺酸乙酯(EMS)或快中子诱变创制软质小麦突变体库，利用SDSPAGE对突变体进行HMW-GS检测，获得不同高分子量谷蛋白亚基缺失系，籽粒硬度puroindoline基因缺失的软质小麦品质突变体。第三，挖掘近缘物种中的优异软质野生型 pins基因，创造、利用目标基因的导入系材料，如南京农业大学陈佩度课题组创制的T5VS·5DL易位系材料，该纯合易位染色体材料其籽粒胚乳为软质，易位染色体对主要农艺性状无显著负效应，为弱筋小麦品质改良及拓展胚乳质地范围提供了新的基因资源和思路［40］;第四，在分析优异野生型pins基因基础上，克隆野生型pins基因，直接通过转基因技术手段导入该地区优异品种。目前，这一方法已取得突破，如 Giroux等［41］将野生型Pinb-D1a导入携带 Pinb-D1b的硬质小麦中，转基因籽粒表现软质，水洗淀粉中 friabilin含量增加显著，籽粒硬度破损淀粉颗粒数明显减少。Beecher等［42］将中国春野生型Pinb-D1a转入硬麦中，使其SKCS硬度值由70降为25，与典型软质麦相同，其破损淀粉也由原来的3.71% 降低为1.69%，这些研究成果为转基因方法改良小麦籽粒硬度提供了新的思路。

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