青稞籽粒灌浆期淀粉质量分数的动态变化

2017-01-03郑许光齐军仓惠宏杉黄湘怡

西北农业学报 2016年12期

关键词：花后支链直链

郑许光，齐军仓，惠宏杉，黄湘怡

(石河子大学农学院，新疆石河子 832003)

青稞籽粒灌浆期淀粉质量分数的动态变化

郑许光，齐军仓，惠宏杉，黄湘怡

(石河子大学农学院，新疆石河子 832003)

为了研究青稞籽粒灌浆期直链淀粉与支链淀粉质量分数的动态变化。采用双波长分光光度法对3个青稞品种‘甘垦5号’、‘北青6号’和‘昆仑12号’的淀粉质量分数进行测定，并借助logistic对测定结果进行拟合，以求得总淀粉、直链淀粉和支链淀粉的合成速率。结果表明，3个品种在籽粒灌浆期支链淀粉、总淀粉的质量分数是随生育期的延长而逐渐增加，‘北青6号’和‘昆仑12号’的直链淀粉也是随生育期的延长而逐渐增加的。其中‘北青6号’和‘昆仑12号’的支链淀粉/直链淀粉的比例呈现下降趋势，到花后15 d之后，这一比例已接近相同。总淀粉、直链淀粉和支链淀粉的合成速率均呈单峰曲线变化,即先增加后降低。并且均在花后21 d左右达到最大积累速率，直链淀粉与支链淀粉的最终积累量主要取决于最大积累速率和平均积累速率的大小。研究初步揭示了青稞籽粒灌浆期直链淀粉、支链淀粉和总淀粉质量分数的积累规律。

青稞；籽粒灌浆期；淀粉质量分数；淀粉合成速率

青稞亦称裸大麦、米大麦、元麦，是生长在中国西北、西南特别是西藏、青海、甘肃等地的一种重要的高原谷类作物[1]。淀粉是青稞籽粒的主要成分之一，占籽粒干质量的65%左右，包括直链淀粉和支链淀粉2种。青稞籽粒淀粉成分独特，普遍含74%～78%的支链淀粉，有些甚至接近100%[2-3]。支链淀粉不仅具有优良的增稠剂、乳化剂、黏着剂、悬浮剂的功效，而且随着支链淀粉质量分数增加能够使淀粉品质整体优化，从而被广泛地应用于食品、造纸、纺织和黏着剂工业[4]；直链淀粉质量分数是影响粮食感官品质和加工特性的一个重要因素，其质量分数的高低，可作为评价粮食品质的一个重要指标[5]。所以，直链淀粉和支链淀粉的质量分数测定对粮食的合理加工，淀粉的合理利用均具有重要意义。

测定淀粉的方法很多，如双波长法和多波长法、旋光法、国标法、比色法、碘亲和力测定法、排阻色谱分析法、近红外法、差示扫描量热法、伴刀豆球蛋白法等[6]，但这些方法成本高，或者操作复杂，或者不能区分直链淀粉与支链淀粉，应用受到限制。然而淀粉的双波长分光光度法则根据支链淀粉与碘生成棕红色包合物，直链淀粉与碘生成深蓝色包合物，2种包合物的吸收光谱不同，通过标准品直链淀粉与标准品支链淀粉经碘试剂处理后扫描获得各自的吸收光谱，运用作图法找到适合测定直链淀粉与支链淀粉的参比波长和测定波长，并建立起直链淀粉质量分数与支链淀粉质量分数与吸光度差值的标准曲线。对待测样品进行处理后，同时采用4种波长对其进行测定，就可分别求得直链淀粉与支链淀粉的质量分数，并进而求得总淀粉质量分数。该测定方法具有成本低、简便快速的特点[7]，已成为植物淀粉测定的常用方法[6]。

本试验采用此方法，测定‘甘垦5号’、‘北青6号’和‘昆仑12号’共3个青稞品种籽粒灌浆期直链淀粉、支链淀粉和总淀粉质量分数的动态变化，研究结果有助于明确青稞籽粒灌浆期支链淀粉、直链淀粉和总淀粉的积累规律。

1 材料与方法

1.1 试验材料

选取青稞品种‘北青6号’总淀粉质量分数为(97.95±1.34)%[8]、‘昆仑12号’总淀粉质量分数为(95.57±0.56)%[8]和高支链淀粉的青稞品种‘甘垦5号’支链淀粉质量分数高达98.94%[3,9]为研究对象。2015年4月至7月在石河子大学农学院试验站种植，人工条播，行距20 cm，株距2 cm，小区面积15 m2，3次重复。青稞开花期，挂牌、标记穗子中上部颖花在同一天开花的穗子，于花后5 d、10 d、15 d、20 d、25 d、30 d取样。每个小区取20穗，首先经105 ℃杀青30 min，然后在70 ℃烘箱中烘干至恒质量，称量粒质量。

1.2 测定方法

1.2.1 直链、支链淀粉标准工作液的配置参考金玉红等[10]的方法(略有改动)，具体操作如下：称取0.100 0 g直链淀粉纯品，放在100 mL烧杯中，加少量无水乙醇湿润，加入1 mol/L NaOH 10 mL，在65 ℃[11]热水浴中溶解后，取出加蒸馏水定容至50 mL，混匀，静置。支链淀粉标准工作液的配制方法同上。

1.2.2 淀粉扫描液的配制及双波长的确定取直链、支链淀粉标准工作液1.3 mL、2.0 mL各置100 mL烧杯中，加蒸馏水25 mL，以0.1 mol/L HCl溶液调pH至3.5，再分别将溶液全部转移至50 mL容量瓶中，加0.5 mL碘试剂，加蒸馏水至刻度。室温静置20 min[12]后摇匀。以蒸馏水做空白进行分光比色[13]。

用U3900分光光度计对淀粉扫描液进行扫描得到吸收光谱(图1)。确定直链淀粉测定波长λ1为554 nm，参比波长λ2为490 nm；支链淀粉测定波长λ3为542 nm，参比波长λ4为713 nm。

图1 支链淀粉、直链淀粉测定波长与参比波长的选取

1.2.3 直链、支链淀粉标准曲线的建立以测定波长λ1、参比波长λ2的吸光度差值OD为纵坐标，即ΔA=Aλ1-Aλ2,直链淀粉质量分数为横坐标，获得直链淀粉的标准曲线(图2)，其拟合方程为y=0.007 9x-0.013 9，R2=0.998 9，说明标准曲线制作良好，直链淀粉质量浓度在30 mg/L 范围内呈现良好的线性关系。

图2 直链淀粉标准曲线

以测定波长λ3、参比波长λ4的吸光度值差值为纵坐标，即ΔA=Aλ3-Aλ4，支链淀粉质量浓度为横坐标，获得支链淀粉的标准曲线(图3)，其拟合方程为y=0.005 9x+0.019 1，R2=0.994 5，说明标准曲线制作良好，支链淀粉质量浓度在100 mg/L范围内呈现良好的线性关系。

1.2.4 样品溶液的制备和质量分数测定称取0.1 g已粉碎过60目筛的青稞籽粒样品，放在100 mL烧杯中，加少量无水乙醇湿润，加入1 mol/L NaOH 10 mL，在65 ℃热水浴中溶解后，加蒸馏水定容至50 mL，混匀，静置。吸取3 mL作为样品测定液，加入20～30 mL蒸馏水，以0.1mol/LHCl调pH至3.5左右，在样品测定液中加碘试剂0.5 mL，定容至50 mL，混匀，室温静置20 min。以蒸馏水为对照，用分光光度计测定样品溶液在λ1、λ2、λ3、λ4这4个波长条件下的吸光度，根据直、支链淀粉的双波长标准曲线算出样品的直、支链淀粉质量分数，两者相加求得样品总淀粉质量分数。

图3 支链淀粉标准曲线

W=W1+W2

其中：W为总淀粉质量分数，W1为直链淀粉质量分数，W2为支链淀粉质量分数，M为样品质量(g)，10为单位换算系数。

1.3 数据处理

采用Excel 2013和DPS 7.05处理数据，标准曲线的绘图采用Excel 2013，采用curveExpert 1.4进行logistics曲线拟合，其中淀粉积累过程中的淀粉积累量由淀粉质量分数乘以粒质量求得。根据淀粉积累量(y)与开花后时间(t)建立logistic方程y=k/(1+eA+Bt)，采用curveExpert 1.4 对籽粒支链淀粉和直链淀粉积累过程进行拟合[14]，通过对方程求一阶导数可以得到淀粉积累速率方程，并可得出淀粉积累特征参数。积累速率最大时的日期Tmax=-A/B；积累活跃生长期(大约完成淀粉总积累量的90%)D=[ln(1/9)-A]/B；平均积累速率Vmean=K/D；最大积累速率Vmax=-KB/4；积累起始势C0=K/(1+eA)。

2 结果与分析

2.1 3个青稞品种籽粒灌浆期淀粉质量分数变化趋势

由于‘甘垦5号’为糯性青稞，支链淀粉质量分数高达98.94%，其直链淀粉质量分数过低，导致吸光值太小而检测不出，故在此不作比较。从图4可以看出‘北青6号’和‘昆仑12号’这2个品种直链淀粉的变化趋势，在花后5 d到花后30 d，2个品种的直链淀粉质量分数是逐渐增加的，其中‘北青6号’在花后5 d与花后25 d存在显著差异，而‘昆仑12号’在花后10 d与花后25 d间存在显著差异，说明这一时段是直链淀粉快速积累期。在25～30 d 2个品种直链淀粉质量分数略有升高但增加不显著，说明直链淀粉的合成基本停滞。从不同品种间来看，除花后5 d外，‘昆仑12号’在整个测定周期均比‘北青6号’的直链淀粉质量分数高，在多数花后时间中达到极显著差异。非糯性青稞品种直链淀粉最终积累的质量分数：‘昆仑12号’>‘北青6号’。

不同字母表示两者在0.01水平上差异显著，下同。

从图5可看出，3个品种的支链淀粉质量分数均呈缓慢上升的趋势，在花后5 d与花后10 d呈显著差异，而花后10 d到花后25 d增加不显著，再结合图4直链淀粉是上升的趋势，可以推测‘北青6号’和‘昆仑12号’在花后5 d到花后10 d支链淀粉的合成速度快于直链淀粉，而在花后10 d到花后25 d直链淀粉的合成速度快于支链淀粉的。从不同品种间来看，3个青稞品种之间差异不显著。

图5 3个青稞品种籽粒灌浆期中支链淀粉质量分数变化趋势

从图6可以看出,3个青稞品种籽粒灌浆期中总淀粉质量分数均呈缓慢上升的趋势。但从不同品种间来看，3个青稞品种在花后5 d到花后20 d无显著差异，但从花后25 d到花后30 d，‘甘垦5号’与‘北青6号’和‘昆仑12号’均呈极显著差异，而‘北青6号’与‘昆仑12号’差异不显著。在籽粒灌浆期中3个品种总淀粉质量分数经历略微的上升与下降的震荡变化，但在花后30 d 3个品种淀粉质量分数均达到最大值。

图6 3个青稞品种籽粒灌浆期总淀粉质量分数变化趋势

图7是2个品种支链淀粉和直链淀粉比例的变化情况，可以看出，2个品种的这一比例均是逐渐下降的，再次表明，‘北青6号’和‘昆仑12号’在花后5 d到花后10 d支链淀粉的合成速度快于直链淀粉，而在花后10 d到花后25 d直链淀粉的合成速度快于支链淀粉的。从不同品种间来看，‘昆仑12号’在花后5 d的支链淀粉和直链淀粉比例达19.42倍，远高于‘北青6号’的10.34倍，但到花后10 d这一比例快速下降，随后持续缓慢下降，到花后15 d与花后30 d时2个品种的比例基本接近，已经没有差异。

2.2 3个青稞品种籽粒灌浆期淀粉积累速率的变化

2.2.1 直链淀粉积累速率在籽粒灌浆过程中，不同品种的青稞直、支链淀粉和总淀粉积累速率均呈先增加后降低的趋势(图8)。不同品种的青稞在花后21 d左右积累速率达到最大值。非糯性‘北青6号’和‘昆仑12号’的直链淀粉积累速率在初期(花后5～10 d)几乎相同。而在灌浆中后期(花后15 d之后)，‘昆仑12号’的积累速率和积累速率最大值均大于‘北青6号’。由此说明灌浆后期积累速率的大小和最大积累速率值的高低是品种间直链淀粉质量分数高低的原因之一。

2.2.2 支链淀粉积累速率非糯性和糯性2种青稞品种在整个灌浆过程中，非糯性品种‘北青6号’和‘昆仑12号’支链淀粉的积累速率均大于糯性品种‘甘垦5号’(图9)，说明非糯性青稞品种的支链淀粉的合成能力优于糯性青稞品种，可能由于支链淀粉的合成是由直链淀粉转化而成的。

图7 2个青稞品种籽粒灌浆期支链淀粉/直链淀粉变化趋势

图8 2个青稞品种籽粒灌浆期直链淀粉积累速率

2.2.3 总淀粉积累速率 3个青稞品种花后15 d之后灌浆过程中总淀粉积累速率表现为：‘北青6号’>‘昆仑12’>‘甘垦5号’，这与支链淀粉的合成积累速率表现一致，主要是因为3个青稞品种中淀粉质量分数均以支链淀粉为主。总淀粉最大积累速率与总淀粉的质量分数基本相符，最大积累速率越大，总淀粉质量分数也越高(图10)。

2.3 不同类型青稞淀粉积累特征参数比较

表1显示，2个非糯性青稞品种的籽粒支链淀粉的最大积累速率(Vmax)、达到最大积累速率的时间(Tmax)、平均积累速率(Vmean)和积累活跃生长期(D)均大于糯性青稞品种相应的各积累特征参数值，这可能与不同类型品种支链淀粉的最终积累量有关。

图9 3个青稞品种籽粒灌浆期支链淀粉积累速率

2个非糯性青稞品种的直链淀粉与支链淀粉的积累特征参数规律类似，‘北青6号’支链淀粉Vmax、Vmean、Tmax和D均大于‘昆仑12号’。这可能是由于不同品种间淀粉最终的积累量和直链淀粉与支链淀粉所占的百分比不同导致的。

图10 3个青稞品种籽粒灌浆期总淀粉积累速率

表1 不同类型青稞支链淀粉和直连淀粉积累特征参数

3 讨论

本试验采用双波长分光光度法研究3个青稞品种籽粒灌浆期直链淀粉、支链淀粉和总淀粉以及支链淀粉/直链淀粉的变化动态。结果表明在整个籽粒灌浆期，直链淀粉和支链淀粉在总淀粉中的质量分数是逐渐上升，而灌浆后期直链淀粉合成速率大于支链淀粉合成速率，导致支链淀粉和直链淀粉的比例逐渐下降。总淀粉质量分数呈逐渐上升趋势，这与黄惠芳等[15]研究木薯干质量计的总淀粉质量分数比较稳定不同，这可能是作物种类不同导致的。

虽然淀粉积累的变化趋势在3个品种中均呈上升趋势，但在质量分数水平上3个品种间还是具有明显差异的，例如在花后5 d到花后10 d，3个品种在支链淀粉和总淀粉质量分数上均存在显著差异，而在花后25 d之后‘甘垦5号’与‘北青6号’和‘昆仑12号’的总淀粉质量分数呈极显著差异，而‘北青6号’与‘昆仑12号’差异不显著。品种‘昆仑12号’和‘北青6号’在花后5 d时其支链淀粉和直链淀粉的比例可高达19.42倍，但在花后15 d之后2个品种间已经没有差异，这些结果说明这3个青稞品种间直链淀粉、支链淀粉的积累速率是有差异的。

不同品种青稞直、支链淀粉积累速率均呈单峰曲线变化，支链淀粉的积累在灌浆前期比较活跃，而直链淀粉在灌浆后期比较活跃，且在灌浆中后期，2个非糯青稞品种的支链/直链的比例基本接近，已经没有差异。闫素辉等[16]认为，直链淀粉与支链淀粉最终积累量取决于启动时间和积累速率，而最大积累速率出现时间的早晚和积累持续期的长短对其调节作用较小，而曹颖妮[17]认为，直链淀粉与支链淀粉积累量的大小取决于最大积累速率和平均积累速率的大小，与积累启动时间和积累持续期的长短关系不大，本试验的结果与曹颖妮的研究一致。

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(责任编辑：成敏 Responsible editor:CHENG Min)

Dynamic Change of Starch Mass Fraction in Hulless Barley at Filling Stage

ZHENG Xuguang,QI Juncang,HUI Hongshan and HUANG Xiangyi

(College of Agriculture, Shihezi University, Shihezi Xinjiang 832003, China)

The objective of this study was to uncover the dynamic change pattern of starch mass fraction in hulless barley at filling stage. The mass fraction of amylopectin and amylase in three hulless barley cultivars(‘Ganken 5’,‘Beiqing 6’ and ‘Kunlun 12’) was investigate by dual-wavelength spectrophotometry. To obtain the synthetic rate of total starch, amylopectin and amylase,logistic equation was employed to analysis data. The results showed that total starch and amylopectin of three hulless barley cultivars showed an upward trend at filling stage with the development of grain. And the ratio of amylopectin/amylase in ‘Beiqing 6’ and ‘Kunlun 12’ showed a tendency to decrease until 15 days after anthesis, then the ratio close to the same level. The synthesis rate of total starch, amylopectin and amylase showed a unimodal curve in three hulless barley cultivars, and the peak were presented at 21 days after anthesis. The accumulation quantity of amylopectin and amylase depended on the maximum accumulation rate and the average accumulation rate.

Hulless barley；Grain filling duration；Starch mass fraction；Rate of starch synthesis

ZHENG Xuguang, male,master student.Research area:physiological research on barley quality.E-mail:994194553@qq.com

QI Juncang,male,professor,doctoral supervisor.Research area:malting barley genetics and breeding.E-mail:shzqjc@qq.com

2015-10-29

2015-11-13

现代农业产业技术体系建设专项(CARS-05)。

郑许光，男，在读硕士，从事大麦品质生理研究。E-mail:994194553@qq.com

齐军仓，男，教授，博导，主要从事啤酒大麦遗传与育种研究。E-mail:shzqjc@qq.com

日期：2016-12-12

网络出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1220.S.20161212.1114.020.html

S330

1004-1389(2016)12-1802-07