大麦籽粒淀粉和β-葡聚糖积累特性研究

王 蕾 王 悦 严宗山 李润喜 谢忠清 张自强 张想平

（1甘肃省农业工程技术研究院，733006，甘肃武威；2阜阳市农业技术推广中心，236000，安徽阜阳）

大麦成熟籽粒中碳水化合物占78%～83%，其中淀粉50%～70%[1]，β-葡聚糖2%～9%[2]。淀粉由支链淀粉和直链淀粉组成，直链淀粉/支链淀粉比值决定淀粉性质，进而决定其在食品加工行业的应用[3-4]。支链淀粉含量高于95%的大麦材料属于糯性大麦，其具有较高冷冻稳定性、易膨化等特性，适于冷冻食品[5-6]和膨化食品加工[7]。β-葡聚糖具有清肠、调节血糖、降低胆固醇和提高免疫力等生理功能[8-9]，其含量高低影响大麦的功能特性和应用价值。支链淀粉和β-葡聚糖均属于可溶性膳食纤维，能被人体吸收利用[10]，是食用大麦研究的重点品质指标[11]。

前人[10]研究表明，β-葡聚糖与支链淀粉和直链淀粉在代谢过程中相互影响，β-葡聚糖调节淀粉合成，其与直链淀粉含量呈反比，也有研究[12]认为高糯性直链淀粉材料β-葡聚糖含量高于常规材料，目前关于淀粉各组分与β-葡聚糖的关系还没有定论，因此，有必要对淀粉各组分与β-葡聚糖的关系做进一步分析。

通过对水稻和小麦淀粉各组分积累特性研究，发现支链淀粉和直链淀粉最终积累量由最大积累速率和平均积累速率决定[13-14]，但郭连安等[15]认为直链淀粉积累量由最大积累速率决定，支链淀粉积累量取决于最大积累速率出现时间和活跃积累期长短，郑许光等[16]通过对裸大麦淀粉积累特性研究认为支链淀粉和直链淀粉最终积累量由积累起势和积累速率决定，但其试验材料仅限于裸大麦，对皮大麦没有分析。关于大麦β-葡聚糖的研究大多在食品加工和提取方式等方面[17-18]，缺乏对积累特性的研究。本研究选用4个不同基因型大麦品种（系），研究淀粉各组分和β-葡聚糖积累特性，明确直链淀粉、支链淀粉与β-葡聚糖含量的关系，以期为培育高支链淀粉、高β-葡聚糖食用大麦新品种提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 试验地点和供试材料

试验在甘肃省农业工程技术研究院原种场试验田（103°15′E，37°30′N）进行。

试验材料：2个皮大麦品种：甘垦啤7号（GKP 7）和甘啤6号（GP 6）；2个裸大麦品系：甘垦6号（GK 6）、C 2-1（糯大麦）。试验采用随机区组排列，3次重复，小区面积12m2，区长4.0m，宽3.0m。田间统一管理，2018年3月底种植，7月底收获。

1.2 测定项目及方法

1.2.1 总淀粉含量测定 于开花期选取株高、穗型大小基本一致、同一天开花的麦穗挂牌标记。于花后7、14、21、28d选取标记麦穗，杀青烘干，用于淀粉各组分和β-葡聚糖含量测定。采用赵世杰等[19]蒽酮比色法测定总淀粉含量。

1.2.2 支链淀粉含量测定 采用Megazyme公司生产的直链淀粉/支链淀粉试剂盒测定直链淀粉占总淀粉的比例，根据总淀粉含量计算支链淀粉和直链淀粉含量。

1.2.3 β-葡聚糖含量测定 采用Megazyme公司生产的β-葡聚糖试剂盒测定β-聚葡聚糖含量。

1.2.4 淀粉各组分及β-葡聚糖积累特性 直链淀粉积累过程中直链淀粉积累量由直链淀粉含量乘以干物质量求得。根据直链淀粉积累量（y）与开花后天数（t）建立Logistic方程：y=k/（1+ae-bt），式中a、b为常数，k为生长终值量。根据方程推导出下列积累参数：积累起始势C0=K/（1+a），反映受精子房的生长潜势；最大积累速率Rmax=kb/4；最大积累速率出现时间Tmax=lna/b；T99为有效积累时间，表示达到99% k时间；R为平均积累速率；积累过程划分为3个阶段：渐增期、快增期和缓增期，3个阶段积累持续时间（d）分别为T1、T2、T3，积累速率（mg/d）分别为R1、R2、R3[20]。

支链淀粉和β-葡聚糖积累过程的Logistic方程拟合与直链淀粉相同。

1.3 数据处理

采用Excel 2010和SPSS 22.0进行数据整理及分析。

2 结果与分析

2.1 大麦籽粒淀粉各组分和β-葡聚糖含量变化

灌浆过程中，籽粒直链淀粉和支链淀粉含量测定结果（图1A和B）显示，随着灌浆进程推进，甘啤6号直链淀粉和支链淀粉含量均呈逐渐升高趋势，在成熟期达到最大值；甘垦啤7号和甘垦6号呈先升高后降低趋势，在21d有个峰值；糯大麦C 2-1直链淀粉含量在整个灌浆期均低于5.00%，且呈降低趋势，支链淀粉含量呈先升高后降低趋势，花后7～28d均显著高于其他非糯材料。

图1 大麦籽粒淀粉各组分及β-葡聚糖含量变化Fig.1 Changes of starch components and β-glucan contents in barley grain

由图1C可知，花后7～28d甘垦6号比例变化不明显，其他品种（系）明显下降，在花后14d趋于稳定，由此推测淀粉积累初期（0～7d），直链淀粉增长速率高于支链淀粉，7～14d支链淀粉积累增速率高于直链淀粉，14d后二者积累增速趋于一致。

由图1D可知，不同品种（系）大麦β-葡聚糖含量均呈逐渐升高趋势，在成熟期达到最大值，其中糯大麦C 2-1 β-葡聚糖含量在整个灌浆期均高于其他材料。籽粒灌浆初期，甘垦啤7号、甘垦6号和C 2-1 β-葡聚糖含量显著高于甘啤6号，三者间没有明显差异；成熟期糯大麦C 2-1的β-葡聚糖含量显著高于甘垦6号、甘啤6号和甘垦啤7号。

2.2 大麦籽粒淀粉各组分和β-葡聚糖积累量变化

C 2-1直链淀粉积累量先升高后降低，整个灌浆期均低于2.0mg，支链淀粉积累量7～14d快速增加，14～28d保持稳定；其他参试材料淀粉各组分花后7～28d积累量变化趋势与含量变化趋势基本一致（图2A和B）。花后7d，甘啤6号直链淀粉积累量最高，与甘垦6号没有显著差异，显著高于甘垦啤7号和C 2-1；花后28d，甘啤6号直链淀粉积累量最高，显著高于甘垦啤7号、甘垦6号和C 2-1；支链淀粉积累量为灌浆初期（花后7d）甘垦6号和C 2-1显著高于甘啤6号和甘垦啤7号，成熟期（花后28d），甘啤6号和C 2-1显著高于甘垦啤7号和甘垦6号。

由图2C可知，β-葡聚糖积累量呈逐渐升高趋势，成熟期积累量最高，其中糯大麦C 2-1积累量增加迅速，呈直线增长。花后7d，甘垦6号β-葡聚糖含量显著高于其余参试材料；花后28d，糯大麦C 2-1积累量显著高于甘垦啤7号、甘啤6号和甘垦6号。

图2 大麦籽粒淀粉各组分及β-葡聚糖积累量变化Fig.2 Changes of starch components and betaglucan accumulations in barley grain

2.3 成熟期籽粒淀粉各组分与β-葡聚糖相关性

由表1可以看出，β-葡聚糖含量与直链淀粉含量和积累量、直链淀粉/支链淀粉比呈极显著负相关，与支链淀粉含量呈正相关，说明成熟籽粒中直链淀粉含量越低、支链淀粉含量越高、直链淀粉/支链淀粉比越低，β-葡聚糖含量越高。β-葡聚糖积累量与淀粉各组分相关性较弱。

表1 大麦籽粒淀粉各组分与β-葡聚糖含量及积累量相关性分析Table 1 Correlation analysis of contents and accumulations of barley grain starch components and β-glucan

2.4 籽粒支链淀粉、直链淀粉及β-葡聚糖积累特性

糯大麦C 2-1直链淀粉积累量较低，其规律不符合Logistic方程，故不作讨论，其他3个材料Logistic方程拟合的决定系数R2均高于0.950，可以较好地表示直链淀粉积累特性（表2）。甘啤6号积累起势最高，有效积累时间最长，快增期持续时间和渐增期速率最高，平均积累速率、最大积累速率和达到最大速率的时间均低于甘垦啤7号，甘啤6号直链淀粉最终积累量高于甘垦啤7号，说明直链淀粉C0、T99、T2、R1对直链淀粉最终积累量形成作用较大。

表2 大麦籽粒直链淀粉、支链淀粉及β-葡聚糖积累参数分析Table 2 The parameters of logistic equation of amylose, amylopectin and β-glucan accumulation in barley grain

由支链淀粉积累特征参数可知，甘垦6号和C 2-1 C0值均高于甘啤6号和甘垦啤7号，推测裸大麦支链淀粉积累早于皮大麦。C 2-1和甘啤6号R、Rmax、R1和T2值较高，T99和Tmax较低，其最终积累量较高，推测高支链淀粉材料快增期持续时间长，平均积累速率、最高积累速率和渐增期积累速率较高，有效积累时间较短，能在较短时间达到最高速率。通过比较直链淀粉和支链淀粉积累特性可知，籽粒灌浆期支链淀粉积累速率均高于直链淀粉，支链淀粉快增期持续时间较直链淀粉短，渐增期和缓增期持续时间差异不明显，由此推测支链淀粉早于直链淀粉完成快速积累过程。

C 2-1和甘垦啤7号 β-葡聚糖C0、T99、Tmax、T1、T2、T3明显高于其他参试材料，其最终积累量也较高，说明β-葡聚糖积累量高的材料积累较早，有效积累持续时间长。

3 讨论

淀粉是禾谷类作物籽粒主要组成部分，前人关于淀粉含量及积累量变化的研究较多，宋归华等[21]研究表明糯小麦支链淀粉含量呈“S”型增长，在成熟期达到最大值；非糯小麦支链淀粉含量先增加后降低。而郑许光等[22]通过对糯大麦和非糯大麦研究认为直链淀粉和支链淀粉含量随生育期的推进均逐渐增加。通过对淀粉各组分积累量研究[23-24]认为直链淀粉和支链淀粉积累量均呈现“慢-快-慢”增加趋势。本试验结果表明不同大麦品种（系）淀粉各组分积累趋势存在差异，甘啤6号直链淀粉和支链淀粉含量随灌浆进行逐渐增加，在成熟期达到最大值；甘垦啤7号和甘垦6号直链淀粉和支链淀粉含量呈先升高后降低趋势，在花后21d达到最大值；糯大麦C 2-1直链淀粉含量在整个灌浆期均低于5.00%，呈降低趋势，支链淀粉含量在整个灌浆期先升高后降低。直链淀粉和支链淀粉积累量变化趋势基本同含量变化趋势一致。本次试验结果与前人研究存在差异，可能是由于灌浆后期高温干旱，降低直链淀粉和支链淀粉积累[25]，而甘啤6号含量和积累量持续升高，推测甘啤6号抗旱性优于其他参试材料。

β-葡聚糖具有降低血糖和胆固醇的作用[26-27]，可作为食品添加剂和保健用品进行开发利用[28]，是近年来育种工作者比较重视的一项品质指标。本研究发现β-葡聚糖含量及积累量在整个灌浆期均呈逐渐上升趋势，成熟期达到最大值，与臧慧[29]研究结果一致。糯大麦β-葡聚糖含量明显高于非糯大麦。通过相关分析结果表明，β-葡聚糖含量与直链淀粉/支链淀粉比、直链淀粉含量呈极显著负相关，与支链淀粉含量呈正相关，与Shu等[10]研究结果基本一致。

Logistic方程主要用于灌浆特征参数的拟合[30-31]，在淀粉各组分积累过程中也有应用[13-15]。本研究表明，直链淀粉最终积累量受积累起势、有效积累时间、快增期持续时间和渐增期积累速率影响较大，与鄢圣敏等[32]研究结果相同。支链淀粉积累量取决于最高积累速率、平均积累速率、快增期持续时间和渐增期积累速率，与前人[13-14]研究结果基本一致。而郭连安等[15]认为直链淀粉积累量主要由最大积累速率决定，支链淀粉积累量取决于最大积累速率出现时间和活跃积累期长短，本试验结果与其存在一定差异。通过比较直链淀粉与支链淀粉积累参数可知，支链淀粉积累快增期持续时间较直链淀粉短，积累速率高，能较早完成其快速积累过程，但曹颖妮等[13]研究认为支链淀粉在灌浆后期比较活跃，可能是因为小麦与大麦淀粉积累过程存在差异。本研究通过Logistic方程拟合β-葡聚糖积累过程，其方程R2值均大于0.950，说明采用Logistic方程可以较客观反映β-葡聚糖积累特性，通过积累参数可知β-葡聚糖最终积累量与积累起势、有效积累时间及各时期持续时间有关，与平均灌浆速率和最大灌浆速率关系较弱。

在育种实践中可以把直链淀粉/支链淀粉比值作为高β-葡聚糖品种选育的评价指标，通过提高支链淀粉和β-葡聚糖有效积累时间和积累速率等参数来提高支链淀粉和β-葡聚糖积累量。本试验主要探讨了直链淀粉、支链淀粉和β-葡聚糖积累特性及其相互关系，并未对淀粉各组分和β-葡聚糖代谢过程作研究，为了深入了解其合成过程及相互作用，有必要对代谢相关酶等影响因素作进一步分析。

4 结论

通过不同品种（系）大麦籽粒淀粉各组分和β-葡聚糖含量及积累特性研究发现，β-葡聚糖含量与直链淀粉/支链淀粉比呈极显著负相关；直链淀粉、β-葡聚糖最终积累量与积累起势与有效积累时间有关，支链淀粉最终积累量取决于最高积累速率和平均积累速率。