小麦籽粒蛋白质品质空间分布规律的研究开题报告

1. 研究目的与意义

一、课题的意义

小麦是世界上种植面积最大、分布范围最广、总产量最高、贸易额最多的粮食作物，全世界约有35%-40%的人口以小麦作为主要粮食^[1,2]。在中国，小麦是仅次于水稻和玉米的第三大粮食作物，也是主要的商品粮和储备粮品种^[3]。小麦是人类最主要的植物性蛋白质和热量源，提供人类消耗蛋白质总量的20.3%、热量的18.6%、食物总量的11.1%^[4]。近年来，随着人民生活水平逐步提高，对优质小麦的需求也不断提高，小麦生产目标也由单纯的量的需求转向量和质并重。目前，小麦品质改良已成为麦类作物研究的热点，并且取得了一定的成果，但对于小麦籽粒各部分品质性状的空间分布规律则鲜有报道。对小麦籽粒不同部位蛋白质品质的空间分布规律进行研究，明确小麦籽粒品质性状的空间分布差异规律，可以进一步深化小麦籽粒品质形成机理，为小麦生产中品质调优提供技术支持和理论依据。

二、国内外研究概况

1 小麦籽粒

1.1 小麦籽粒的结构与形态

小麦籽粒由麸皮、胚、胚乳三部分组成，小麦籽粒麸皮从外向内依次为：表皮，外表皮，内表皮，种皮，珠心层和糊粉层。表皮、外表皮和内表皮三部分合称为果皮；珠心层位于种皮与糊粉层之间，厚约7微米；糊粉层包围着整个小麦好粒，属于胚乳的最外层；小麦胚芽占整粒小麦重量的2.5%-3.5%，由盾片及胚轴组成，盾片由连接着胚乳与胚轴的细胞组成，为贮备器官；小麦胚乳占小麦全粒重的80%-86%，它由中心细胞、边缘细胞和棱柱细胞组成。中心细胞接近胚乳中心，与其他细胞相比，其形状和大小均不规则的多。边缘细胞普遍比较小，在边缘细胞向胚乳中心方向存在着几层伸长的棱形细胞，它向籽粒内部延伸几乎到达籽粒中心。胚乳细胞的细胞壁和内容物构成面粉，这些细胞中含有大量的填充于蛋白质间的淀粉^[49]。

1.2 小麦籽粒的化学组分

小麦籽粒中的营养成分主要为蛋白质、淀粉、维生素、矿物质等。各种营养成分在小麦籽粒的不同部位分布是不均匀的，淀粉集中在中部的胚乳，而大量的蛋白质、维生素和矿物质存在于糊粉层和胚芽中^[7]。

小麦麸皮中的主要成分是粗纤维、粗蛋白和淀粉，并且小麦麸皮中含有多种矿物质和维生素，而小麦麸皮的粗纤维中膳食纤维含量很高。

小麦胚乳的主要成分为淀粉和蛋白质，是小麦的主要储能部位，是以面制食品为主食的人们日常生活中身体能量的主要来源之一^[7]。胚乳层主要含C、O，其他元素相对含量均较低，矿物质、维生素和其他营养元素含量都很少。从食用品质的角度考虑，面筋蛋白和淀粉是组成具有特殊面筋网络结构面团的关键物质，正是因为有了这样特殊的网络结构的面团，小麦粉才能制造出多种多样、口味多变的各种面食。

小麦胚有多种营养成分，有实验表明，小麦胚中蛋白质的含量约占30%以上。小麦胚中的蛋白属全价蛋白，它含有人体必需的8种氨基酸，且其含量与蛋、肉相当。特别是面粉中的第一限制氨基酸赖氨酸的含量十分丰富，含量高达1. 85%，远远高出大米和面粉^[7]。此外，小麦胚中还含有少量的植物固醇、磷脂等。

表1 各种化学成分在小麦籽粒不同部位的分布（%，以干物质计）

2 小麦籽粒品质的定义

小麦籽粒品质是指小麦籽粒的加工（制粉）或初级加工品（面粉）制作某种食品的适应性，也可理解为满足某种食品特性（需求）的程度^[8]。一般认为，小麦品质可以分为外观（形态）品质、营养品质、加工品质三大部分，彼此联系，密切相关^[9-11]。

加工品质是指小麦籽粒对制粉、面粉对制作不同食品的适合和满足程度，可分为一次加工品质（即制粉品质）和二次加工品质（即食品制作品质）^[12]。

外观品质就是籽粒的外观特性，与一次加工相类似或密切相关，主要指标是粒重、籽粒大小、性状、整齐度、腹沟深浅、皮色、种皮厚度等外观品质。

营养品质表示小麦籽粒中含有的营养物质对人（畜）营养需要的适合性和满足程度，它包括营养成分的多少、各种养分是否全面和平衡等。如维生素、矿物质、蛋白质、必需氧基酸、淀粉、纤维素、脂肪等，在小麦中营养品质最重要的指标是蛋白质与各组分含量和比例、淀粉的组成与种类等。

蛋白质和淀粉是小麦籽粒最重要的组分，二者含量和组分组成共同决定了小麦籽粒的营养品质和加工品质^[15,16]。因此，有关蛋白质和淀粉及其组分形成机理一直是小麦品质生理生态领域的研究热点与核心，尤以蛋白质及其组分在小麦籽粒中空间分布规律的研究更受重视。

3 籽粒蛋白质与小麦品质

3.1 小麦蛋白质组分及积累

小麦籽粒蛋白质含量与湿面筋含量具有很好的相关性，与加工品质密切相关。据李鸿恩^[5]对我国小麦种质资源品质现状分析来看，蛋白质平均含量为15.10%，变异幅度较大，为7.50%-28.90%。蛋白质质量是决定小麦品质的主要因素^[28,29,30]。根据小麦籽粒蛋白质在不同溶剂中的溶解性可将其分为4 类，即清蛋白（Albumin）、球蛋白（Globulin）、醇溶蛋白（Gliadin）和谷蛋白（Glutenin）。

清蛋白和球蛋白通常被称为代谢蛋白或者可溶性蛋白，为结构蛋白，在小麦籽粒蛋白质中，约占总量的10%-22%^[31]。主要存在于糊粉层、胚和种皮中。许多研究结果表明，清蛋白氨基酸组成比较平衡，特别是赖氨酸、色氨酸和蛋氨酸含量较高，但清蛋白与谷蛋白、干面筋含量、面包体积、面包评分呈显著或极显著负相关，与拉伸长度呈显著负相关^[6]。但由于小麦制粉后，保留在面粉中的蛋白质主要是醇溶蛋白和谷蛋白，因此，清蛋白和球蛋白营养价值虽然高，但对蛋白质的加工品质作用却很微小，主要作为酶参与各种代谢。

醇溶蛋白和谷蛋白合称为贮藏蛋白，是组成面筋的主要成分，约小麦籽粒蛋白质总量的80%左右，二者的数量和比例关系决定这面筋的质量，对面粉的食品加工品质有重要影响^[34]。醇溶蛋白约占总量的40%-50%，醇溶蛋白的组成具有高度的异质性和复杂性，对和面时间、面团筋力和面团稳定时间等有重要影响^[32,33]，主要决定的是面筋的粘性、延展性及膨胀性；谷蛋白约占35%-45%，主要决定面筋的弹性，谷蛋白的含量多少及质量好坏与烘烤品质密切相关。

小麦中还存在着大量不能被水、盐、乙醇或稀碱溶解的剩余蛋白质^[51]，剩余蛋白质的数量与面团强度和面包烘烤品质之间存在着很好的正相关关系，对小麦品种品质具有重要影响^[6]。

已有研究发现^[17]，总蛋白含量在小麦籽粒中分布的趋势为：随着籽粒从外到内总蛋白含量呈一凸型曲线，先上升后下降，均在第2层（P₂）含量达到最高。朱天钦^[35]认为，小麦蛋白质在胚乳中的分布是愈靠近皮层含量越高，愈靠近胚乳内心部分则愈低。王晓曦^[36]研究发现在整个小麦籽粒中，小麦胚乳由内向外，球蛋白、醇溶蛋白和谷蛋白组分含量呈现逐渐增大的分布趋势，清蛋白在接近皮层时增加的趋势才显现出来。

3.2 麦谷蛋白

3.2.1麦谷蛋白大聚合体及其与品质的关系

麦谷蛋白是面筋的主要成分之一，对面团流变学特性有重要决定作用。麦谷蛋白是由许多肽链经分子间二硫键结合形成的大聚合体。该聚合体的组成、含量和分子量分布直接影响着小麦面粉的品质，并已经证实小麦麦谷蛋白及其组分对小麦的面团的特性，尤其是对面包烘焙品质有重要作用^[17]。因此，在小麦品质分析中，将麦谷蛋白聚合体的组成、分子量的分布、麦谷蛋白大聚合体含量作为育种早代材料的品质性状选择的一个可靠的生化指标^[19]。

麦谷蛋白聚合体分子量的大小又与麦谷蛋白的溶解性有关，因此根据溶解特性，可将麦谷蛋白分为可溶性谷蛋白（SG）和不溶性谷蛋白（IG），不溶性谷蛋白的分子量较大，被称为谷蛋白大聚合体（GMP）或者胶状蛋白^[39]。两者相对比例的大小也可以反映其麦谷蛋白分子量大小的分布进而决定面筋的强度和品质。宋建民和吴祥云^[43]研究认为GMP含量与其它品质性状的相关性极其显著，GMP含量对面包体积的贡献显著高于沉淀值、干湿面筋含量、面团形成时间和稳定时间等。

已有研究发现^[44]，小麦籽粒分层碾磨后，GMP含量在不同层次内的变化趋势为：由皮层（P1层）向内，呈先升高后降低的趋势，在P3层达最大值。

根据麦谷蛋白亚基在十二烷基硫酸钠-聚丙烯酰胺凝胶电泳（SDS-PAGE）的迁移率，可将麦谷蛋白分为A、B和C三个区：A区为高分子量麦谷蛋白亚基（HMW-GS），B、C区为低分子量麦谷蛋白亚基（LMW-GS）^[20]。它们的含量和组成不同会使麦谷蛋白聚合体的含量和分子量改变，从而影响面筋蛋白的特性，进而影响面团的品质。

3.2.2高分子量谷蛋白亚基及其与品质的关系

HMW-GS的分子量较大，为90-147KD，只占麦谷蛋白的5%-10%。HMW-GS是线性蛋白分子，含有N-末端、C-末端和一个高度重复的中部区。到目前为止已发现并定名有 40 个HWM-GS，它们单独或以亚基对出现，如：1、2*、5 10、2 12、7 8、7 9、17 18、14 18 以及 4 12 等^[21]。

目前，HMW-GS与小麦品质的关系已得到了广泛深入的研究。研究的方式通常有4种：（1）利用特定HMW -GS亚基差异的群体；（2）只有一个位点上等位亚基有差异；（3）杂交后代或回交后代的各种分离群体；（4）HMW麦谷蛋白亚基的近等基因系。虽然有的研究结果互相矛盾，但关于5 10与2 12亚基和7 8与7 9亚基对小麦烘烤品质的影响的结论比较一致。研究认为，5 10亚基比2 12亚基的贡献大，7 8亚基比7 9亚基的贡献大。

据研究，HMW-GS在麦谷蛋白聚合体中的粒度分布不同，因此对品质的贡献大小不同。Popineau等^[45]用近等基因系研究麦谷蛋白聚合体，表明含有5 10亚基株系的麦谷蛋白聚合体明显大于含有2 12的株系，这与单个亚基的品质效应一致。Gupta 和MacRitchie^[46]研究发现，含有17 18亚基株系的麦谷蛋白聚合体明显大于含有20亚基的株系。5 10亚基对麦谷蛋白聚合体的效应大于17 18亚基。

同时，近几年我国学者在小麦育种思路中也越来越重视优质亚基的选择，并证明1、17 18以及5 10是改善面团品质的优质亚基，同时认为14 15亚基也属优质亚基^[20,22]。王瑞^[23]等在小麦杂交后代中，将14 15亚基对对品质性状的贡献大小与Payne等^[24]评价过的上述亚基对对品质性状的贡献大小进行了比较研究后，认为该对亚基品质评分3分。

研究发现^[44]，不同的HMW-GS含量在籽粒各层次中，以及不同品种不同层次中存在显著差异。例如在郑麦9023中，随着籽粒从外到内各亚基含量先显著上升，在P₃或P₄达到最高值，而后显著下降，在P₅后下降趋势渐缓；而在宁麦13中，随着籽粒从外到内1亚基和2亚基含量呈上升趋势，而在P₅-P₆呈急剧下降，之后下降趋势渐缓；籽粒从外到内7亚基、8亚基和12亚基含量呈一凸型曲线，先显著上升，并在P₂或P₃达到最大值，而后下降趋势渐缓。

3.2.3低分子量谷蛋白亚基及其与品质的关系

LMW-GS的分子量较小，占麦谷蛋白的90%。LMW-GS 又分为 B亚基、C亚基和D亚基，分子量分别为 40-50KD、30-40KD和55-70KD，这种成份影响着小麦的黏弹性，与面筋的延展性和抗性密切相关^[25].虽然对LMW-GS的发现较早，但是由于实验技术的有限，一直未深入探究。但随着科学技术的发展，HMW-GS与小麦品质的关系已经逐渐展开。

研究发现，不同的LMW-GS组成对小麦品质有不同的影响，而且LMW-GS的SDS-PAGE图谱中也同样存在一些与优质（改善面筋的质量）有关的谱带，并且表明C亚基与小麦加工品质呈负相关，B亚基对其影响不明显，而B/C 与面团的强度呈正相关^[25]；在面团抗流变方面，LMW-GS对面团筋力的影响比 HMW-GS更明显。我国也发现不同分子量的LMW-GS对小麦品质也有显著影响：以西北春小麦为例，46.7KD和52.0KD的能显著提高小麦面团筋力W值，而44.8KD和52.7KD能显著降低面团筋力等^[26]。而关于D亚基与品质的关系已有报道，但研究结果却并不一致。Masci等^[47]分析了小麦品种Newton姊妹系的SDS-沉降值，结果显示含有D亚基的株系其沉降值较低，说明D亚基对面团粘弹性有负面影响。然而，Nieto-Taladriz等^[48]研究显示D亚基对SDS-沉降值有正向效应。因此，D亚基与加工品质的关系尚不明确。

总之，麦谷蛋白亚基的组成及含量比例对小麦品质都有直接或间接的影响，因此也就指导了小麦育种研究，为生产品质优良的面制食品提供良好的原料。

三、应用前景

目前，小麦籽粒的碾磨制粉技术已取得一定的研究进展，但对于籽粒碾磨后各部分品质性状的分布特征则鲜有报道。因此，明确小麦籽粒品质性状的空间分布差异规律，以进一步深化小麦籽粒品质形成机理，为小麦籽粒品质调优途径建立提供依据，这将对小麦品质改良具有重大意义。

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2. 研究内容和预期目标

四、研究的目标

以成熟期扬麦16籽粒为材料，对小麦籽粒进行分层制粉，研究小麦成熟籽粒不同部位蛋白质品质的空间分布规律，进一步深化小麦籽粒品质形成机理，并为小麦籽粒品质调优提供理论依据。

五、研究的内容

3. 研究的方法与步骤

七、研究方法及技术路线

1、分层制粉方法：小麦收获后，挑选饱满、大小一致的小麦籽粒约100g，用aevf型分层碾米机（streckel schrader）对小麦籽粒进行从外到内逐级碾磨分层，一共分为9层，p₁（约占7%），p₂（约占6%），p₃（约占7%），p₄（约占10%），p₅（约占10%），p₆（约占10%），p₇（约占10%），p₈（约占15%），p₉（约占25%）。其中，p₁ p₂属于小麦的外层，主要成分是麸皮；p₃层是种皮与胚乳的过渡层，主要为部分糊粉层 外胚乳层；p₄-p₉属于小麦的内层，主要由胚乳组成。

2、蛋白质测定方法：

4. 参考文献

九、创新之处

分层制粉方法被认为是研究小麦籽粒不同部位的化学组分分布和品质性状差异的一种简单而有效的途径。本研究通过分层制粉技术研究了小麦成熟籽粒不同部位蛋白质品质的空间分布规律，进一步深化小麦籽粒品质形成机理，并为小麦生产品质调优提供技术支持和理论依据。

5. 计划与进度安排

十、研究计划

2022.7-2022.8：查阅相关文献资料，对课题研究内容大致了解掌握；收集样品并对样品进行初步的处理。

2022.9-2022.10：对已有样品进行室内试验分析，分析结果并调整方案。