小麦蛋白质品质形成机理与调控研究进展

20-1-21小麦蛋白质品质形成机理与调控研究进展小麦是我国的重要粮食作物之一，但近年来，随着我国小麦生产和产量的逐年提高，我国普通小麦品种和品质差的品种供过于求，卖粮难，严重积压，滞销，而优质品种供不应求，需要进口。同时，随着社会饮食业、旅游业的发展和人民生活水平的提高，以小麦面粉为原料的各种精制面食和方便食品、保健食品及营养食品的生产增长很快，使得全国各地（包括以大米为主食的南方各地区）对小麦特别是优质小麦的需求，呈现不断增长的势头，并对小麦面粉及其制成品的品质提出了更高的要求。为此，国家每年需发大量外汇，从美国、加拿大和澳大利亚等过进口优质小麦。因此，在我国人民已基本解决温饱、粮食生产连年丰收的情况下，为了适应国民经济发展和人民生活水平提高的需要，大力发展我国的优质小麦生产，开发适合我国国情的专用粉生产，对于减少和取代部分优质小麦或专用粉的进口，节约外汇，具有重要的经济意义。长期以来我国小麦生产偏重产量，忽视品质的改良，以致在产量提高的同时品质有所下降。目前，在我国的小麦品种当中特别缺乏两种类型的优质小麦：一是蛋白质含量较高，面筋强度大，面筋质量好，能磨制强力粉和适于制作高级面包及优质面条的小麦；二是蛋白质和面筋含量低（﹤8%~10%），面筋强度弱，能磨制弱力粉和适于制作优质饼干和糕点的小麦。因此，我国发展优质小麦的方向是：以改善小麦的食品加工品质为主，重视发展上述两类小麦品种，尤其是适于磨制强力粉和制作高级面包和面条的强力小麦品种，因为目前我国的推广品种中这种类型的小麦品种数量不多，而且它们又是配制各种专用粉的关键品种类型。提高面筋的强度，改善面筋的质量（配制各种专用分的关键类型），兼顾我国人民的膳食习惯，发展馒头和面条的优质小麦品种[1]。因此，深入探讨小麦品质形成机理及其调控途径，对促进我国优质小麦生产具有重要意义。1.小麦子粒品质性状小麦子粒品质是指其对某种特定最终用途的适合性，是有多种因素组成且因用途而改变的复杂概念，通常分为营养品质和加工品质。营养品质主要指蛋白质含量及其氨基酸组成的平衡程度，其中必需氨基酸含量是决定小麦营养品质的关键。加工品质是指子粒和面粉对制粉和制作不同食品的适合性，加工品质可分为一次加工品质和二次加工品质，一次加工品质包括子粒性状、蛋白质品质和磨粉品质，磨粉品质以子粒容重、硬度、吸水率、出粉率、面粉白度为主要指标；二次加工品质是指食品加工品质，分为烘烤品质和蒸煮品质。其中食品加工品质是评价小麦子粒和面粉品质的基本指标和依据。食品种类不同对品质的要求也不同。如优质面包对小麦的要求是：①蛋白质含量适中（13%左右）；②吸水力强；③面筋强度大，以保证不掉屑、孔小而均匀；④不粘机械。饼干对小麦的要求是蛋白质含量低（8%~9%）、面筋强度低。而面条专用的优质小麦应是：质地较硬，出粉率高，面粉色白，灰分低（灰分﹤0.55%），蛋白含量不可过高（约在11%~13%左右），湿面筋含量中上等水平（26%~32%；优质面条﹥28%），筋力（面筋强度）中等水平（稳定时间2.5~20分钟），视不同的面条类型而定。由此可得出3点认识：①离开用途谈品质无意义；②单纯把蛋白质含量的高低作为评断优质麦标准或仅视为适合制作面包的小麦是片面和错误的；③单一品种不能满足某一种或各种专用粉的要求。不同品质的小麦面粉通过合理搭配（配粉），可配制成不同用途的专用粉[1]。1.1小麦蛋白质品质小麦面粉约含70%~80%的淀粉、10%~15%的蛋白质、1%~2%的脂类及其它成分。加工时，主要是取其胚乳，而胚和麦皮都是副产品，作为饲料处理了。小麦子粒的各个部分都含有蛋白质，但分布很不均匀。其中，胚占3.5%，胚乳占72.0%，糊粉层占15.0%，盾片占4.5%，果20-1-22皮和种皮占4.0%。Osborne（1985）根据蛋白质在水、NaCl溶液、70%~80%酒精以及稀酸或稀碱溶液中的溶解度不同，将种子蛋白分为清蛋白(Albumin)、球蛋白(Glbuline)、、醇溶蛋白(Prolamine)和谷蛋白(Glubeling)四种不同组分[2，3]。前两类为结构蛋白,主要存在于胚和糊粉层中,少部分存在于胚乳，分别占种子蛋白的9%和5%左右(Orth等，1972)。研究表明，它们是细胞质中的酶蛋白，主要功能是作为参与各种代谢的酶。这两类蛋白质中赖氨酸含量丰富,营养价值较高。后两类为贮藏蛋白,主要存在于胚乳中,分别占小麦种子蛋白的40%和46%左右（Orth等，1972）。是小麦面筋的主要成分,二者约占面筋总量的90%左右，其营养价值较低，但在加工食品的流变学特性上分别起粘滞作用和弹性作用，所以这两种蛋白质的含量和比例，决定小麦加工品质的优劣[4]。小麦胚乳中的蛋白质是小麦能够制作各种食品的物质基础，小麦子粒的蛋白质品质是指子粒的蛋白质含量及其组成。研究证明，小麦品质性状受蛋白组分的质量和数量共同影响。蛋白质的优劣，不仅表现为蛋白质含量的多寡，而更大程度地反映在蛋白质各组分在蛋白质中的比重。小麦蛋白质既是营养品质性状，也是加工品质性状，小麦籽粒蛋白质及其组分含量对营养品质和加工品质具有决定性作用[1]。蛋白质作为营养品质评价指标，包括其含量的高低，氨基酸组成的平衡程度以及消化率的大小等。小麦蛋白质中具有各种必需氨基酸，是完全蛋白质。但其氨基酸组成不平衡，又称为不平衡蛋白质。其第一限制性必需氨基酸是赖氨酸，其次是苏氨酸、异亮氨酸等。由于小麦蛋白质中赖氨酸等含量不足，使其消化率只有鸡蛋蛋白质的68.8%。因此，提高小麦蛋白质中赖氨酸含量是至关重要的。但由于小麦品种间赖氨酸含量变异性小，改良潜力不大，通过在面粉中使用添加剂来强化面粉的营养价值既简便，效果又好。与加工品质有关的蛋白质品质性状包括蛋白质的数量和质量，蛋白质的数量指标有蛋白质含量，面筋含量等；蛋白质的质量指标有伯尔辛克常数、沉淀值、面团形成时间、稳定时间及蛋白质的分子组成成分及其不同组分的亚基组成等。以此决定其为强筋粉、中筋粉或弱筋粉，而决定其适宜用途，是适合于制作面包，还是饼干糕点，还是面条、馒头等等[4]。麦谷蛋白/醇溶蛋白比值与品质性状显著相关，随麦谷蛋白含量的增加，面筋、沉降值、稳定时间都有明显增大，加工特性较好。麦谷蛋白/醇溶蛋白比值的增大或减小不同程度影响品质性状的改变，变异幅度最大的是稳定时间，但并不是比值越大，稳定时间就越长，只有适当比例时，才具有良好的流变学特性[5]。1.2HMW谷蛋白亚基与品质的关系麦谷蛋白根据其分子量大小分为高分子量谷蛋白亚基（HMW-GS）和低分子量麦谷蛋白亚基（LMW-GS）两类，优质的高分子量麦谷蛋白亚基对面粉的烘烤品质具有特别的作用。HMW-GS亚基组成和麦谷蛋白与醇溶蛋白在总蛋白中比例是决定品质性状的关键因素。品质变异的50%左右归因于HMW谷蛋白等位基因的变化（payne等，1987）。有研究发现Glu-A1位点上,1和2*两种亚基对品质贡献较大;Glu-B1位点上,7+8,14+15两种亚基对品质贡献较大,尤其值得一提的是Glu-D1位点上的5+10与2+12亚基，一般含1D控制的5+10亚基的基因型小麦品质较好，而其等位基因编码的亚基对2+12则与劣质相关。并认为1D控制的亚基影响大于1A。而1B控制亚基的影响最小（payne等，1981）[6]。但也有研究证明并不是所有含5+10亚基的小麦品种都有较好及稳定的品质特性[5]。据研究,国外的许多品种具有5+10亚基,而我国的小麦品种大多具有2+12亚基,具有5+10亚基的品种很少,地方品种中几乎不存在这类亚基[176]。但试验发现[177]，有些优质品种,虽具有2+12亚基,但其SDS-沉降值却和具有5+10亚基的亲本相差无几。据国内外研究[177],优质品种包括质量型(含有5+10亚基对)和数量型(蛋白质含量高)两类。质量型优质品种主要受遗传控制,具有5+10亚基对,受环境影响小,而数量型优质品种受环境影响较大,当环境条件有利于蛋白质积累时,其SDS-沉降值就高,烘烤品质就好,而当环境条件不利于蛋白质积累时,其SDS-沉降值就较低,烘烤品质就较差。所以在我国的小麦品质育种中,要培育品质优良的小麦品种,应在提高小麦籽粒蛋白质含量基础上,注意选用外国烘烤品质优良或渗有外国优良品种血缘,含5+10亚基的品种作杂交亲本,以改良我国当前栽培小麦的HMW-GS组成。20-1-231.3.小麦子粒蛋白质含量与子粒品质的关系1.3.1蛋白质含量对馒头品质的影响影响馒头质量的小麦品质性状有：角质率、容重、蛋白质、湿面筋、支链淀粉含量、支、直链淀粉比值、沉淀值、pel．值、降落值、面粉需水量、发酵成熟时间、发酵成熟体积。其作用顺序是：面粉物理性状大干籽粒化学组分，籽粒化学组分大于籽粒表型品质性状。[张春庆,李晴祺.影响普通小麦加工馒头质量的主要品质性状的研究[J].中国农业科学.1993,26(2)：39-46]小麦蛋白质的含量对馒头加工体积有较大影响(Tsen,1982;Faridi,1983;刘淑芬,986;张春庆等1993)。研究表明[王宪泽，李菡.影响馒头质量的小麦品质性状[J].种子Seed1998（3）.]高蛋白含量(＞12%)的面粉或强力型面粉制作的馒头，表面皱缩且颜色发黑。低蛋白含量(＜10%＝的软质小麦面粉制作的馒头，虽表面光滑，但质地与口感均较差。所以Lin等认为，蛋白质含量在10%-12%之间，面团强度中等的面粉最适宜制作馒头。黄思棣(1994)也提出，制作馒头小麦粉的蛋白质含量在10%-13%之间为宜，且南方酵面馒头比北方呛面馒头要求的蛋白质含量要相低些。1.3.2蛋白质含量对面条品质的影响[119]蛋白质含量与面条色泽、咀爵韧劲、煮面强度高度相关。日本学者佐藤晓子(1991)发现,面条色泽有随着小麦籽粒蛋白质含量的增加而变暗的趋向。这可能与蛋白质含量高时,参与黑色素生成反应的含氮化合物多有关,而且蛋白质含量高,淀粉含量相对减少,面条内部面筋网络结构紧密,影响对光的反射率。然而,满意的中国面条外观必须具有吸引力,以鲜亮、淡黄色、不发暗、不变色为优,不仅刚做成时如此,就是经过一昼夜或更长一些时间，仍需如此,所以外观表现非常重要。黄东印(1990)指出,面粉蛋白质含量与干面条断裂强度呈极显著正相关。林作楫(1994)的研究表明,蛋白质含量不仅与煮面强度高度相关,而且与煮面条的外观表现和总评价值呈显著负相关。但蛋白质含量和面团强度也不宜过高和过强,否则会造成面团加工困难,表面粗糙,同时会因煮面时间过长,而加重煮面被水侵蚀的程度,使表面结构破裂,硬度降低,面条外观品质变劣。另外,蛋白质含量过低,面团强度过弱的面条,在挂杆干燥、包装和运输过程中容易酥断,面条耐煮性差,易浑汤、断条,且食感较差,韧性和弹性不足。由于中国面条不仅要求有好的外观表现,还要求吃起来筋丝、爽口、富有弹性和韧性、煮后不浑汤、不易折断,所以,一般认为中国面条适宜的蛋白质含量应为中等,即12%～13%左右(田纪春,1995)。2.小麦子粒蛋白质品质的形成规律2.1子粒游离氨基酸含量的动态变化植物利用氮的形式是通过氨被同化为氨基酸，氨基酸库中的成分进一步被代谢，合成蛋白质和叶绿素等[8]。Jennjing（1965）等认为，子粒中可溶性氨基酸在一定程度上承当氨基酸参与贮藏蛋白质合成前体的功能。因此，了解小麦胚珠发育过程游离氨基酸组分及含量的变化，对小麦子粒成熟过程中蛋白质合成调控途径的研究十分重要。小麦籽粒发育过程中游离氨基酸含量变化对蛋白质形成起重要作用。研究表明[9]，在小麦子粒发育过程中，游离氨基酸含量和组分都不断变化，不同氨基酸在子粒发育的不同时期达到一个最高值。小麦子粒游离氨基酸的百分总含量在开花后4~12天急剧增加，表明小麦在开花后初期胚和胚乳器官分化以及细胞分裂过程中，蛋白质合成需要大量游离氨基酸以提供充足的氮源。在此期间，大多数被测氨基酸均增加，尤其是丝氨酸(Ser)、谷氨酸(Glu)、脯氨酸(Pro)、甘氨酸(Gly)和丙氨酸(Ala)增加最多，约占总游离氨基酸70%~80%，也有