谷蠹侵害后小麦品质变化的研究进展

张玉荣，暴 洁，周显青，左祥莉，王一荣

（河南工业大学 粮油食品学院，粮食储藏与安全教育部工程研究中心，粮食储运国家工程实验室，河南 郑州 450001）

0 引言

在全世界范围内，谷蠹是最具破坏性的储粮害虫，在适宜的生长条件下谷蠹的侵害可将小麦籽粒全部啮碎，同时产生大量粉屑，严重时粉屑质量能达到储粮质量的20%～30%.大量的粉屑产生，不仅可降低粮堆的透气性，还可引起粮堆发热、霉变、结块，最终导致粮食完全失去食用价值.谷蠹侵害小麦后其品质变化以及危害程度的研究在国内外均有相关报道，如Golebiowska[1]指出谷蠹、米象和谷象在实验室条件（温、湿度分别为28 ℃和75%）下对小麦进行30 d 感染，结果表明在整个感染期中对小麦危害最大的是幼虫期和成虫期，且谷蠹对小麦的危害最为严重.Campbell 等[2]指出谷蠹和谷象对从卵期到蛹期小麦进行感染，谷蠹可引起小麦60%的质量损失.张玉荣等[3]研究了不同的虫口密度和感染时间，谷蠹侵害后对小麦水分和容重的影响，结果表明：随着虫口密度的增加和感染时间的延长，水分含量增加、容重降低.郭长征等[4]报道被谷蠹危害的小麦其发芽率、发芽势呈下降趋势，并且随着虫口密度的增加和危害时间的延长，下降幅度增大.朱光有等[5]研究报道了蛀蚀性害虫（玉米象、米象和谷蠹）侵害小麦后其出粉率与虫口密度和感染时间均呈极显著负相关；随虫口密度增加和感染时间延长，出粉率总体呈降低趋势，小麦的稳定时间和粉质指数呈下降趋势.作者就近几年来谷蠹侵害后小麦中蛋白质、脂类、淀粉、酶等相关品质指标的变化以及对其加工品质和食用品质影响的研究进行总结和分析，并对其品质指标变化与害虫密度和侵害时间的相关性进行简要介绍，以期能为相关研究者提供有用的参考信息.

1 谷蠢侵害后小麦蛋白质及相关指标的变化与分析

1.1 谷蠢侵害后小麦蛋白质的变化

大量的研究表明被谷蠹侵害后的小麦，其粗蛋白质含量总体呈降低趋势.且蛀蚀程度越严重，粗蛋白质含量下降越迅速，影响如图1 所示[6].并随着侵害时间的延长，面筋蛋白中的-SH 含量呈上升趋势，-S-S-含量呈下降趋势，面筋蛋白的二级结构虽有微量变动，但总体变化不大[7-8].

图1 谷蠹不同蛀蚀对小麦粗蛋白含量的影响Fig.1 Effect of rhizopertha dominica decay on crude protein content of wheat

小麦面筋中的蛋白质主要是以单体或通过二硫键形成的寡聚体、多聚体形式存在[9]，活性氧的累积能引起蛋白质的氧化，导致二硫键的形成.巯基作为抗氧化成分存在于小麦籽粒中，与其他一些抗氧化基团相比更易于氧化[10]，能够维持细胞的正常代谢并保护细胞膜的完整性；当小麦蛋白质中的巯基含量减少时，可能会诱导细胞发生凋亡，从而导致小麦籽粒的衰老[11].Chrastil 等[12]通过试验发现小麦谷蛋白中二硫键含量越高，蛋白质分子质量越大，加工而成的面条越硬，黏性越小.傅宾孝等[13]研究指出，品质好的面粉中-S-S-不易断裂，游离-SH 少，品质差的面粉中-S-S-易断裂，游离-SH 多.被谷蠹侵害后的小麦，面筋蛋白中的-SH 含量呈上升趋势，-S-S-含量呈下降趋势，并且随着虫口密度增加和侵害时间的延长，这些变化趋势会更加明显，对面条软硬度、黏度产生很大影响.同时害虫达到一定的种群密度后其分泌的酸性物质和酶残留在样品中，也可导致大分子之间的键连作用减弱，使面粉的品质劣变，造成面筋中-S-S-还原为游离的-SH，从而导致小麦蛋白质的变性，使面筋的吸水能力降低，失去弹性和延伸性，面团流变学特性发生变化，加工品质变劣[14].

面筋是小麦粉中所特有的一种胶体混合蛋白质，面筋蛋白的巯基、二硫键、α-螺旋、β-折叠、β-转角等空间结构决定了小麦粉加工产品的品质，而关于虫蚀后面筋蛋白的空间网状结构还应该有更为精细和深入的研究，可以具体到面筋蛋白的空间肽链及蛋白质亚基空间排列和亚基之间的连接和相互作用的变化，即对小麦粉及其制品品质影响进行深入探讨研究.

1.2 谷蠢侵害后小麦面筋的变化

被谷蠢危害后的小麦其干、湿面筋含量及面筋吸水量均呈下降趋势；且随着谷蠢虫口密度增加和危害时间延长，下降的趋势更显著；同时可引起小麦面筋的质量严重劣变，面筋的结构也会遭到严重的破坏[3].

小麦中的面筋主要是由蛋白质组成，组成面筋的两种蛋白质分别是麦胶蛋白和麦谷蛋白，在面团揉和过程中，空气中的氧气会不断进入，氧化蛋白质中的硫氢键变为二硫键，形成三维空间的网状凝胶物质，可留系大量的水，即形成湿面筋，将湿面筋烘去水分后即为干面筋，通过干、湿面筋质量可计算出面筋吸水量，判断小麦面筋蛋白的品质变化情况.如果小麦中的面筋蛋白遭到破坏，即面筋网络结构被破坏，面筋也就难以形成，其吸水量也会受到影响而发生变化[6].相关研究报道：谷蠹的危害可导致小麦面筋吸水量发生变化[15].在小麦籽粒中蛋白质主要存在于小麦胚乳中，而谷蠹属于蛀蚀性害虫，蛀蚀胚乳部位明显高于其他部位[16].因此被谷蠹侵害后的小麦，胚乳损失最为严重，并且随着虫口密度增加和侵害时间的延长，这种损失会更加严重，同时面筋蛋白的空间结构也会遭到严重破坏，面筋的产出率会有明显的降低，干、湿面筋含量及面筋吸水量均呈显著下降趋势[17].另外，谷蠢在对小麦进行危害时，还可分泌大量的蛋白酶分解面筋蛋白，导致蛋白质中的肽键断裂，破坏面筋的网状结构，对面筋的出产率和质量造成一定程度的损害，影响小麦粉的烘焙品质.

总之，面筋作为小麦粉品质非常重要的组成部分，不仅可以提供人体所需的蛋白质，还赋予小麦类食品不同的加工性能和口味.谷蠹蛀蚀小麦后，导致面筋难以形成，破坏了小麦面筋的品质.因此在研究虫蚀后面筋含量和质量还应该从影响面筋蛋白组分的分子质量分布、亚基种类以及食品的蒸煮品质和影响加工性能的组成成分等方面进行.

2 谷蠹侵害后小麦脂类的变化与分析

被谷蠢侵害后的小麦其脂肪酸值明显升高，并且随着谷蠢虫口密度的增加和危害时间的延长而升高，二者之间呈正相关[10].其中小麦脂肪酸值主要反映小麦中游离脂肪酸的含量，被谷蠢侵害后小麦中游离脂肪酸含量增多可导致粮食酸败、发苦，严重时可影响小麦的加工和食用品质.小麦中游离脂肪酸的含量与小麦储藏品质有极强的相关性，同时也是评价储藏小麦粉脂类品质优劣的主要指标[18].故可通过检测小麦中脂肪酸值的变化来较为准确地反映小麦中脂类品质的优劣.

脂类作为小麦营养的3 大成分之一，是决定小麦品质的另一重要因素，小麦籽粒中脂类的变化主要有两个方面，一种是发生氧化产生过氧化物和不饱和脂肪酸，另一种是受脂肪酶水解产生甘油和脂肪酸.根据近些年的研究发现：脂肪酸含量与组成变化均会对小麦的储藏以及烘焙品质产生影响，同时脂肪酸在氧气充足的条件下发生过氧化反应，并进一步分解产生酮、醛等小分子物质，造成小麦储藏品质劣变[18].章绍兵等[19]研究了游离脂肪酸对面条品质的影响，结果表明，随着游离脂肪酸含量的增加，面条的硬度先增大后减小，黏聚性和回复性也有所降低.Rho 等[20]研究脂类对面条品质的影响，结果显示，脂类能够增加熟面条的硬度，面粉脱脂后熟面条的应切力、咀嚼性和蒸煮损失增加.谷蠹在侵害小麦时，可将其啮碎，破碎的粮粒直接暴露于空气中，粮粒中所含脂类很快被空气中的氧气氧化，形成游离脂肪酸[4].随着谷蠢虫口密度的增加、危害时间的延长，谷蠢对小麦籽粒的侵害更严重，暴露于空气中的破碎粮粒也会逐渐增多，小麦中游离脂肪酸含量也随之升高，严重影响了小麦粉制成面条和面包的品质.

脂肪酸值是目前判定粮食储藏品质的一个较好指标，其组分和含量的变化均会对小麦的储藏以及烘培品质产生影响.谷蠹蛀蚀小麦后，脂肪酸含量与组成均会受到影响，并对小麦的储藏以及烘焙品质产生影响.小麦被谷蠹侵害后游离脂肪酸的种类及含量、极性脂与非极性脂的组成和含量的变化，以及脂类与面团其他成分的相互作用对面团品质的影响，可从这些变化着手研究以获得面粉、面团、面筋和面包等食品中脂类结合方式的更多信息及其作用机制.

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3 谷蠢侵害后小麦淀粉的变化与分析

随着谷蠹虫口密度增加、危害时间延长，被谷蠹侵害的小麦，粗淀粉含量、峰值黏度、最低黏度均呈下降趋势；虫口密度愈大，粗淀粉含量的变化也越大，尤其是高虫口密度条件下，粗淀粉含量在较短的感染时间内迅速降低.虫口密度一定时，随着蛀蚀时间的延长峰值时间均呈现缩短趋势，而在蛀蚀时间一定时，虫口密度增加其峰值时间变化趋势无规律可循；虫口密度一定时，随着蛀蚀时间的延长，衰减值和回生值呈下降趋势，而蛀蚀时间一定时，随着虫口密度增加，衰减值和回生值呈波动变化趋势，且变化规律不明显.

淀粉是小麦籽粒的主要组成成分，主要存在于胚乳中，成熟的小麦籽粒胚乳占籽粒重量的90%以上.小麦受蛀蚀性害虫侵害后，随着蛀蚀时间的延长，虫口密度的增加，小麦颗粒会受到不同程度的损害，其中胚乳部位损害最为严重，从而导致淀粉含量及质量受到极大损伤[21].而淀粉的糊化特性主要受到淀粉种类、含量和颗粒大小的影响，淀粉中直链淀粉的链能够形成螺旋结构，且结构内部多为疏水基团，直链淀粉能够与脂质碳氢链之间的疏水性基团发生交互作用形成单螺旋包接结构，配体靠疏水键相互作用进入淀粉螺旋结构内部，最终形成稳定的螺旋状复合物[22-24].这种复合物中脂质分子占据了淀粉颗粒螺旋腔内部的成分，抑制了水分子的析出，从而限制了淀粉在糊化过程中的吸水溶胀能力，降低了小麦淀粉的峰值黏度[17].姚大年等[25]研究快速黏度参数与面条品质的关系，结果表明，面粉峰值黏度、最低黏度和最终黏度等分别与面条评分呈显著正相关.Gaines等[26]研究认为，破损淀粉含量对软麦产品尤其是甜点、糕点等产品至关重要.小麦淀粉的糊化特性对面条、面包、馒头以及其他面制食品的加工品质和食用品质具有显著影响[27].谷蠹侵害小麦后，淀粉含量降低，致使淀粉-脂质复合物中脂质含量相对增大，抑制水分子析出的能力增强，淀粉的峰值黏度会显著下降，同时形成的螺旋状复合物稳定性降低，淀粉结构的凝胶强度减弱，耐剪切能力降低，崩解值增大[17].

总之，在淀粉的各种特性研究中，糊化特性的研究最为广泛.小麦受谷蠹侵害后，可在粮粒内部产生一个空洞界面，此界面受到谷蠹蛀蚀的挤压，产生机械力，可研究这种机械力是否能造成破损淀粉，若可引起破损淀粉含量升高，即可使其糊化特性发生改变，使小麦面制食品的品质受到影响.也可从受谷蠹侵害后小麦中淀粉与脂类的络合物含量、淀粉粒度分布、结晶度、晶型结构的变化对糊化特性的影响、与其制品品质性状的关系等方面进行深入研究.

4 谷蠹侵害后小麦酶活性的变化与分析

4.1 谷蠹侵害后小麦α-淀粉酶活性的变化

受谷蠹侵害后小麦α-淀粉酶活性升高，并且随着虫口密度的增大和侵害时间的延长，小麦受侵害的程度越严重，α-淀粉酶活性升高的越明显.

α-淀粉酶活性是衡量小麦发芽的一个生理指标.通常情况下，α-淀粉酶活性的强弱是通过降落数值反应的，降落数值越低，则α-淀粉酶活性越高；反之，则α-淀粉酶活性越低[28].刘四奎[7]研究认为蛀蚀性害虫对损伤粒的损害是降落数值下降的重要原因，α-淀粉酶主要分布于胚乳的糊粉层和胚部，由于害虫蛀蚀后对胚乳的糊粉层和胚部造成了严重损害，导致降落数值降低，其次害虫分泌物和排泄物也可对α-淀粉酶产生激活作用[29]，使淀粉糊化时液化程度降低，在虫口密度增加，侵害时间延长时，胚和胚乳部分损害严重，造成降落数值显著下降.夏晨光等[30]研究证明α-淀粉酶活性强弱与面团的发酵能力呈正相关.α-淀粉酶与面筋品质有关，对小麦面筋有弱化作用.张玉荣[16]认为α-淀粉酶活性升高可改善小麦烘焙品质，而α-淀粉酶活性过高则会使烘焙品质下降.虫蚀的小麦降落数值降低，α-淀粉酶活性升高，随着谷蠹侵害时间延长和虫口密度的增加，α-淀粉酶活性过高，可将淀粉分解为糖类和糊精，使面团黏性增加，面包体积偏小，影响烘焙品质，从而极大地破坏了面粉的加工和食用品质.

α-淀粉酶活性测定是判定小麦发芽能力的一个较好指标，谷蠹蛀蚀小麦后α-淀粉酶活性升高，对小麦面团、面筋品质、烘焙品质产生较大影响.目前关于虫蚀小麦中α-淀粉酶活性的研究并不深入，可以寻找α-淀粉酶变化的活性区，特异性结合底物的位置及对小麦加工品质和使用品质的影响，可通过控制害虫密度、侵害时间来控制α-淀粉酶活性区与淀粉的结合程度，为提高小麦的加工和使用品质做出更多贡献.

4.2 谷蠹危害后小麦过氧化物酶（POD）活性的变化

受谷蠹侵害后的小麦POD 活性降低，并且随着虫口密度的增加和侵害时间延长，POD 活性显著降低.

POD 属于抗氧化酶，主要分布于小麦的细胞组织中，用以维持自由基含量的正常水平，对清除自由基，平衡细胞内代谢起着关键作用[31].研究表明：POD 具有提高植物光合作用，抗逆水平，增强防御能力，延缓衰老等作用[31].Fukuda 等[32-33]研究认为自由基产生和清除的失衡是引起种子衰老的主要原因.据相关研究[34]报道，过氧化物酶可以消除植物细胞内的自由基，延缓细胞衰老.谷蠹在侵害小麦时，其幼虫在粮粒内部生长发育的整个过程，对小麦造成不同程度的损害，前期蛀蚀程度较轻时，小麦细胞膜和组织遭到破坏，细胞内部物质与空气接触，造成短时间内过氧化物酶上升；但后期蛀蚀程度严重时，小麦颗粒内部组织物质迅速减少，从而使POD 活性下降[7]，加速了小麦细胞的衰老.POD 活性下降的两个很重要的原因是蛀食性害虫的侵蚀和分泌物的产生：首先是害虫蛀蚀使粮粒内部变空，导致POD 在籽粒内的含量减少，引起小麦细胞组织减少；其次是害虫的分泌物和排泄物，这些代谢产物可对POD 的活性产生抑制作用[35].受谷蠹侵害程度严重时，可引起小麦温度升高、水分增大，甚至发生霉变，也可导致自由基快速积累，加剧小麦细胞的氧化损伤、破坏细胞基质及线粒体内蛋白质等生物大分子结构，从而导致蛋白质多肽链断裂，构象发生改变，最终使酶钝化或者失活.

目前，仅对小麦受谷蠹侵害后POD 活性影响进行研究，谷蠹侵害小麦后POD 活性降低抗逆水平、防御能力降低，加速细胞衰老.而对小麦受谷蠹侵害后细胞结构，自由基清除，细胞衰老的变化及对小麦加工品质和食用品质影响的研究较少，还有待今后进一步研究.

5 谷蠹侵害后小麦被害百分率、千粒重的变化与分析

被谷蠢感染的小麦其被害百分率升高、千粒重逐渐下降，随着谷蠢蛀蚀程度的逐渐增加，小麦样品被害百分率变化的幅度和千粒重下降的幅度都是越来越明显，如图2 所示[36].

图2 谷蠹蛀蚀对小麦千粒重、被害百分率的影响Fig.2 Effect of Rhizopertha dominica decay on grain weight and the percentage of damage of wheat

千粒重能体现粮粒大小与饱满程度，产后储藏过程中会因粮食呼吸和虫霉的侵害导致其降低[36]，从而影响粮食的质量等级.现在关于小麦被害百分率增加对面包焙烤品质及面团流变学特性影响方面也有一些研究，据国内外相关研究报道，当小麦被害百分率超过被查粮粒总数的5%以上时，会对其面团流变学特性及面包的焙烤品质有影响，此时该小麦已不再适于用作面包了[4].小麦受谷蠹侵害后，颗粒受到损伤，小麦的质量减少，千粒重降低.当虫害感染时间短、害虫密度较小时，害虫的取食量小，千粒重的降低幅度不显著；随着感染时间延长，害虫达到一定种群密度时，随后代发展数量的增多，取食量加大则使千粒重变化加剧，从而对小麦粉面团的流变性和烘焙品质产生显著的不利影响[36].

千粒重是评价种子质量指标的内容之一.蛀食性害虫的发生和危害在一定时期是在粮粒内部进行的，外部难以发现粮食的受损情况，一旦发现就已造成较大损失.谷蠢蛀蚀小麦后其被害百分率升高、千粒重随着谷蠢蛀蚀程度的增加逐渐下降.未来可以根据其外观指标变化与害虫的生长发育状态和品质的变化相关性进行深入研究，及时发现粮食中虫情的发生和变化，以期达到控制害虫的目的.

6 谷蠹侵害后小麦加工品质及流变学特性的变化与分析

小麦受谷蠹侵害后面团的稳定时间和粉质指数与感染时间和虫口密度之间均呈极显著正相关，面团弱化度与感染时间和虫口密度呈极显著负相关，且随虫口密度增加和感染时间的延长，小麦的稳定时间和粉质指数均呈现大幅度的下降趋势.

稳定时间和粉质指数作为评价面团粉质特性劣变过程的指标，其变化不是孤立的而是存在着密切的联系[37]；小麦受谷蠹侵害时，随着虫口密度的增大，侵害时间的延长，取食小麦籽粒的胚乳也不断增多，一方面破坏小麦组织结构，消耗了小麦蛋白质，另一方面由于其虫体感染增加了动物蛋白质和脂类，害虫还会分泌一些酶类和酸性物质[37]，这些物质在制粉过程中混入小麦粉中，均会对小麦的流变学特性造成影响.如淀粉酶可以水解小麦粉中的淀粉，使面团原有的结构受到影响，从而对稳定时间和粉质指数等产生不利影响；酸性物质的增加，促使脂肪酶与脂肪进行逆向反应，脂肪酶含量得到维持，面团吸水后脂肪酶通过反应产生的氢过氧化物具有氧化能力，可使面筋蛋白质中处于螺旋状态相邻的-SH 氧化脱氢为-S-S-结构，改变了面筋的网状结构，使面团筋力减弱，稳定时间增加，面团形成面筋网络的速度加快，形成时间缩短；小麦受谷蠹侵害严重时，小麦粉中的麦麸含量升高，麦麸不仅对蛋白质产生稀释和劣化的作用，而且还与小麦粉竞争吸收水分，由于麸皮与水的接触面积较大、比小麦粉具有更强的吸水性，麸皮大量吸水后使面团具有很高的稠度，破坏了面团的正常结构，导致面团耐搅拌能力和强度减弱，稳定时间缩短，粉质指数下降.

7 结论

谷蠹侵害后小麦蛋白质、淀粉、脂类、酶等食用品质及加工品质都会发生变化，这些变化不仅与谷蠹侵害时的虫口密度和侵害时间有密切关系，还与谷蠹侵害时的生长发育阶段及其代谢产物有关系.谷蠹侵害时虫口密度越大，侵害时间越长，对小麦品质影响越严重.谷蠹在整个生长发育阶段，其中幼虫阶段和成虫阶段的破坏程度及其分泌物和排泄物质也最多，使小麦品质劣变的程度也最为严重.

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