施氮水平对啤酒大麦麦芽品质的影响

高 健，朱 娟，吕 超，郭宝健，许如根

(教育部植物功能基因组学重点实验室/江苏省作物基因组学与分子育种重点实验室/粮食作物现代产业技术协同创新中心/扬州大学农业科技发展研究院，江苏扬州 225009 )

大麦是世界第四大禾谷类作物，根据其用途可分为食用大麦、饲用大麦、啤用大麦和药用大麦。大麦麦芽是啤酒酿造的主要原料。麦芽品质取决于大麦原料的质量，大麦原料质量与品种、栽培技术、生态和生产条件有关[1]。为提高作物产量和品质，氮肥被广泛应用于农业生产。随着氮肥施用量不断提高，我国已经成为世界上氮肥消费第一大国。氮肥施用过量，不仅对农作物增产效果甚微，反而会引起一系列环境问题[2]。

大麦麦芽品质主要受遗传特性、栽培技术及环境条件共同作用[3-5]。在栽培中，土壤含氮量及氮肥运筹对大麦的麦芽品质影响较大[6-10]。Beillouin等[9]发现，通过延迟施氮和减施氮肥不仅能够减少氮素损失，还能实现啤酒大麦的高产和优质。Grant等[11]的研究表明，适宜的氮肥用量可以显著增加大麦籽粒β-淀粉酶活性。王礼焦等[12]研究发现，随着施肥量的增加和生育后期施肥比例的增大，大麦籽粒的蛋白含量、麦芽总氮含量、糖化力和可溶性氮的含量均呈上升趋势，麦芽浸出物则降低。潘永东等[13]的研究表明，氮肥施用量为180 kg·hm-2时，大麦麦芽浸出率达最大值，糖化时间最短。陈明贤等[14]研究也发现，增施氮肥或氮肥施用时间后移能够显著增加大麦籽粒蛋白质含量。以上研究多以单品种为研究对象，有关施氮量对多个大麦品种品质性状影响的报道较为鲜见。

本研究拟以江苏省推广或示范种植的10个二棱啤用大麦品种(系)为材料，探究施氮量对大麦麦芽品质的影响，以期为江苏优质高产啤酒大麦原料生产提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

本研究以江苏省推广或示范种植的10个二棱啤用大麦品种(系)为材料。其中，苏啤3号(g1)、苏啤4号(g2)、苏啤6号(g3)为江苏盐城市农业科学院育成品种；扬农啤4号(g4)、扬农啤5号(g5)、扬农啤7号(g6)、扬农啤8号(g7)、扬农啤9号(g8)为扬州大学农学院育成品种；花30(g9)、合05-7(g10)为上海市农业科学院育成品种(系)。

1.2 试验设计

将参试材料采用裂区设计播种于扬州大学作物遗传育种试验田，试点土壤肥力中等偏高。氮肥施用量设3个水平，即0(NL)、75(NM)和150 kg·hm-2(NH)。每个材料播10行区，行长3 m，行距0.2 m，每行180粒。重复3次。成熟后分区收获脱粒，晒干、测产后贮藏备用。

1.3 测定项目与方法

将籽粒过1.7 mm筛，取1.7 mm筛上的籽粒250 g置于微型制麦系统中制取麦芽，制麦程序参考汪军妹[15]的方法。制芽后去除麦芽根，利用的DLFU盘式粉碎机将麦芽磨成粉(盘间距为 0.2 mm)，测定麦芽库尔巴哈值(KI)、浸出率(ME)、α-氨基氮含量(AN)和糖化力(DP)[16]。

1.4 数据处理

数据利用Excel 2003进行整理，利用DPS 7.05进行方差分析、多重比较及相关分析，运用Genstat18软件中GGE biplot[17-18]对参试品种的糖化力和库尔巴哈值进行品种稳定性分析。

2 结果与分析

2.1 施氮水平对大麦麦芽品质性状的影响

由表1可知，糖化力、库尔巴哈值和α-氨基氮含量在品种(系)间变异系数较大，表明此3个性状在不同基因型间具有较大差异。供试品种(系)的糖化力、库尔巴哈值、α-氨基氮含量和浸出率在3个施氮水平间均具有显著差异，其中，糖化力和α-氨基氮含量随施氮量的增加显著增加，而库尔巴哈值和浸出率随施氮量的增加显著降低。

表1 不同施氮水平下参试大麦品种(系)的品质性状

2.2 施氮水平对大麦麦芽品质的影响

10个大麦品种在3个施氮水平下的糖化力均值见图1，从图1可以看出，除了扬农啤8号(g7)和扬农啤9号(g8)，其他参试品种(系)的糖化力均随施氮水平的提高而增加，且不同施氮水平间差异显著。扬农啤8号(g7)和扬农啤9号(g8)的糖化力在高氮水平(NH)与中氮水平(NM)间的差异不显著，且中氮水平的糖化力略高于高氮水平，二者均显著高于低氮水平(NL)。在低氮水平下，除苏啤3号(g1)和苏啤6号(g3)的糖化力(>260WK)达到国标优级啤麦[25]要求外，其余参试品种(系)的麦芽糖化力偏低,说明多数供试啤酒大麦品种(系)在低氮水平生产的大麦原料的糖化力达不到优质啤酒大麦的行业标准。

相同品种(系)图柱上不同字母表示处理间差异在0.05水平显著。下图同。

参试大麦品种(系)在3个氮水平下的库尔巴哈值见图2。从图2可以看出，整体而言，10个参试品种(系)麦芽的库尔巴哈值均随施氮水平的提高而降低，不同施氮水平间的差异程度因品种(系)而异。苏啤4号(g2)和扬农啤7号(g6)的麦芽库尔巴哈值在不同施氮水平间的差异不显著；苏啤3号(g1)和扬农啤5号(g5)的麦芽库尔巴哈值在不同施氮水平间的差异均达显著水平；苏啤6号(g3)和扬农啤8号(g7)的麦芽库尔巴哈值在低氮与中氮水平间差异不显著，二者均显著高于高氮水平；其余4个品种(系)的麦芽库尔巴哈值在高氮与中氮水平间差异不显著，但均显著低于低氮水平的库尔巴哈值。合05-7(g10)和扬农啤7号(g6)在不同氮水平的库尔巴哈值均达到优级或一级麦芽行业标准[25]，苏啤6号(g3)低氮和中氮水平的库尔巴哈值达到优级麦芽行业标准。

图2 参试大麦品种(系)在3个施氮水平下的库尔巴哈值

从图3可以看出， 参试大麦品种(系)麦芽α-氨基氮含量随施氮水平的提高而增加，在不同施氮水平间的差异程度因品种而异。苏啤4号(g2)、扬农啤7号(g6)及扬农啤8号(g7)3个品种在高氮和中氮水平间的α-氨基氮含量差异不显著，但均显著高于低氮水平的α-氨基氮含量，其余7个品种(系)的α-氨基氮含量在3个施氮水平间的差异均达到显著水平。除扬农啤8号(g7)和花30(g9)低氮水平下的α-氨基氮含量较低外，其余参试品种(系)在3个施氮水平下的α-氨基氮含量均大于150 mg·100g-1，均达到行标优级麦芽标准[25]。

参试大麦品种(系)在3个施氮水平下麦芽浸出率见图4。从图4可以看出，参试品种(系)麦芽浸出率随施氮水平的提高而降低，不同施氮水平间的差异程度因品种(系)而异。扬农啤7号(g6)和扬农啤8号(g7)在低氮和中氮水平的浸出率差异不显著，但均显著高于高氮水平，其余8个品种(系)的浸出率在3个施氮水平间的差异均达到显著水平，且该8个品种(系)在低氮水平下的麦芽浸出率均大于77%，达一级麦芽行业标准[25]。

图3 参试大麦品种(系)在3个施氮水平下的α-氨基氮含量

图4 参试大麦品种(系)在3个施氮水平下的浸出率

2.3 参试品种(系)麦芽品质性状的方差分析

从表2可知，施氮水平和品种(系)对大麦的糖化力、α-氨基氮含量、库尔巴哈值和浸出率4个麦芽品质指标的影响均达到极显著，施氮水平与品种(系)的互作效应对糖化力和库尔巴哈值也有极显著影响。表明大麦麦芽品质性状除受到品种(系)自身遗传因素外，还受到施氮水平的影响，糖化力和库尔巴哈值还受二者的交互作用影响。

表2 参试大麦品质性状的方差分析

2.4 参试大麦品种(系)糖化力和库尔巴哈值的稳定性分析

根据品种(系)与氮水平的互作对糖化力和库尔巴哈值有显著影响(表2)，可分析参试品种(系)在不同施氮水平下2性状的稳定性。

2.4.1 糖化力的稳定性分析

糖化力数据标准化后经主成分分析得两个独立主成分：

第一主成分Z1=0.537 4X1+0.616 2X2+0.575 8X3；

第二主成分Z2=0.796 0X1-0.145 0X2-0.587 7X3。

其中，X1为低氮水平，X2为中氮水平，X3为高氮水平。

第一主成分和第二主成分累计贡献率达 95.03%(大于85%)，可涵盖基因型与施氮水平互作的大部分生物学信息，通过构建10个大麦品种(系)糖化力的适应性与稳定性GGN双标图(图5)，由图5可知，苏啤3号(g1)的糖化力最高，其次是苏啤6号(g3)，扬农啤5号(g5)的糖化力最低。从3个施氮水平下糖化力的稳定性来看，扬农啤5号(g5)最稳定，其次是扬农啤7号(g6)，扬农啤8号(g7)稳定性最差。

图5 大麦糖化力的适应性与稳定性GGN双标图

2.4.2 库尔巴哈值的稳定性分析

库尔巴哈值数据标准化后经主成分分析得两个独立主成分：

第一主成分Z1=0.231 0X1+0.721 7X2+0.652 5X3；

第二主成分Z2=0.905 6X1+0.085 7X2-0.415 4X3。

第一主成分和第二主成分累计贡献率达 93.27%，即可涵盖基因型和施氮水平互作的大部分生物学信息，构建参试品种(系)库尔巴哈值的适应性和稳定性GGN双标图(图6)，由图6可知，合05-7(g10)库尔巴哈值最高，其次是苏啤3号(g1)，扬农啤8号(g7)的库尔巴哈值最低；从3个氮水平下库尔巴哈值的稳定性来看，苏啤6号(g3)最稳定，其次是花30(g9)，苏啤3号(g1)的稳定性 最差。

图6 大麦库尔巴哈值的适应性与稳定性GGN双标图

2.5 不同施氮水平下麦芽品质性状的相关分析

从表3可知，在3个施氮水平下，糖化力与α-氨基氮含量呈显著或极显著正相关，与浸出率呈极显著负相关；浸出率与库尔巴哈值呈极显著正相关，与α-氨基氮含量呈极显著负相关。

表3 施氮水平和参试大麦品质性状的相关分析

3 讨 论

3.1 氮水平对大麦麦芽品质性状的影响

全世界约有20%的大麦被用来酿造啤酒，麦芽的品质影响啤酒质量和风味。麦芽品质性状与籽粒淀粉含量及其组成和蛋白含量及其组分等籽粒品质性状有关，麦芽品质与籽粒品质的关系因性状不同而异。啤酒大麦原料籽粒蛋白质含量是影响麦芽品质的关键因素之一[19]。大麦籽粒的蛋白质含量不仅受品种的遗传因素影响，也与氮肥施用水平有关。已有研究认为，增施氮肥可提高大麦籽粒产量和蛋白含量，大麦籽粒蛋白质含量的增加，可使大麦麦芽糖化力、α-氨基氮含量、β-葡聚糖含量、麦芽浸出率、库尔巴哈值及啤酒的产能降低[20-21]。本研究认为，随着施氮水平的提高，参试品种的麦芽浸出率和库尔巴哈值呈下降趋势，α-氨基氮含量和糖化力呈增加趋势，与Adel等[21]研究结果一致。

3.2 啤酒大麦麦芽品质性状的相关性

衡量大麦麦芽品质性状的主要指标有库尔巴哈值、糖化力、α-氨基氮含量及浸出率。本研究中，在3个氮水平下，糖化力与α-氨基氮含量呈显著或极显著正相关，与浸出率呈极显著负相关；浸出率与库尔巴哈值呈极显著正相关，与α-氨基氮含量呈极显著负相关；库尔巴哈值与糖化力、α-氨基氮含量的相关不显著。麦芽品质指标中，糖化力、α-氨基氮含量及浸出率3个指标值越大，麦芽品质越好；库尔巴哈值应在适宜的范围内，并不是越大越好，改良麦芽品质性状需通过品种改良和栽培措施调节来打破品质性状间的负相关，实现品质性状的最优组合[22]。

3.3 不同施氮水平下大麦麦芽品质及其稳定性

优质麦芽通常具有较高的麦芽浸出物、糖化力和α-氨基氮含量及合适的库尔巴哈值[23]，影响麦芽品质的因素较多，如品种的遗传差异、栽培技术和制麦工艺等[24]。参照啤酒麦芽行业标准QB/T1686-2008中优级麦芽糖化力、α-氨基氮含量、浸出率及库尔巴哈值四个指标，对本研究参试品种(系)的麦芽品质性状进行综合评定，发现在低氮水平下，除苏啤3号(g1)和苏啤6号(g3)的糖化力达到国标优级啤麦要求外，其余参试品种(系)的麦芽糖化力均偏低；高氮和中氮水平下参试品种(系)的麦芽糖化力均达到或超过一级行业标准；从3个施氮水平下糖化力的稳定性来看，扬农啤5号(g5)最稳定，其次是扬农啤7号(g6)。合05-7(g10)和扬农啤7号(g6)在不同施氮水平的库尔巴哈值均达到优级或一级麦芽行业标准，苏啤6号(g3)在低氮和中氮水平的库尔巴哈值达到优级麦芽行业标准；从3个施氮水平下库尔巴哈值的稳定性来看，苏啤6号(g3)最稳定，其次是花30(g9)。除扬农啤8号(g7)和花30(g9)在低氮水平下的α-氨基氮含量较低外，其余参试品种在3个氮水平下的α-氨基氮含量均大于150 mg·100g-1，均达到行标优级麦芽标准。参试品种(系)在低氮水平下的麦芽浸出率均大于77%，达行业标准一级麦芽，其余2个氮水平麦芽浸出率均偏低，达不到一级麦芽行业标准。综合4个麦芽指标的表型及糖化力和库尔巴哈值的稳定性，参试品种(系)的麦芽浸出率普遍偏低、糖化力和α-氨基氮含量普遍偏高、库尔巴哈值变异较大，其中扬农啤7号(g6)和苏啤6号(g3)的麦芽综合品质较好，这两个品种的丰产性也较好，建议作为江苏的主体推广品种；从施氮水平的综合影响来看，参试大麦品种以中氮水平的麦芽品质 较好。