小麦优质蛋白亚基与小麦品质的研究进展 赵娇娇
1127219 : 王秀娥 职称: 教授 １
小麦优质蛋白亚基与小麦品质的研究进展 摘要：小麦籽粒蛋白质含量约为 8%-20%，主要包括谷蛋白和醇溶蛋白，是面团弹性和延伸性的物质基础。蛋白质组分与格组分的分布是影响小麦品质的重要因素，特别是高分子量麦谷蛋白(HMW-GS)，因此提高蛋白质含量和改进 HMW-GS 组成一直是我国小麦加工品质改良的重要途径。目前推广的优质强筋小麦基本都携带优质亚基，然而真正适合烘焙优质面包的强筋小麦并不多，贮藏蛋白组分的含量及比例不合理是主要原因，改进贮藏蛋白亚基的质量组成是进一步提高我国小麦加工品质的有效途径。
关键词：谷蛋白、醇溶蛋白、品质、加工品质 1. 优质小麦品质指标 小麦是一种世界性的重要的粮食作物。小麦品质主要包括营养品质、加工品质以及形态品质[1]。小麦加工品质通常用出粉率、灰分含量、动力消耗和面粉百度等磨粉品质衡量；还包括烘焙品质、蒸煮品质及制作品质在内的食品加工品质。小麦籽粒蛋白含量及其氨基酸组成的平衡程度决定小麦的营养价值，因此小麦各种品质都与它所含蛋白质的种类与含量有关。对于小麦的一次加工品质，存在于小麦胚乳中的麦醇溶蛋白和麦谷蛋白是小麦面筋的主要成分，约占面筋总量的90%，评价小麦品质不能忽略蛋白质的质与量。目前对品质性状的评价主要是对一下三点进行分析研究。
1.1高分子量谷蛋白亚基 (HMW-GS) HMW-GS是由小麦第1组染色体长臂上基因编码形成。近年来研究表明[2]，面包的烘烤品质与蛋白质的不同组分，特别是与一些 HMW-GS有关，在Glu-D1位点编码的5 +10、Glu2B1位点的7OE +8﹡及17 +18、Glu-A1位点1及2﹡，对面团强度、沉降值和面包体积贡献较大。国外种质资源特别是含 5 +10的 HMW-GS，在品质育种中起了重要作用。近年来新发现的亚基 Glu-B1a (7OE +8﹡) 可显著提高 HWM-GS总量和面团强度，7OE +8﹡
可作为优质亚基用于强筋小麦育种。
但是，HMW-GS只能解释30%~79%的品质差异。HMW-GS的表达量、LMW-GS亚基以及醇溶蛋白等组成的不同，也是造成沉淀值和面筋弹性差异的重要原因。栗站稳[2]对443份国内外材料的分析结果表明，与国外品种相比优质亚基的频率明显偏低，是我国小麦加工品质差的重要原因之一；另外，中国品种醇溶蛋白谱带数目较少，且含有非优质谱带，可能是烘烤品质较差的另一个原因。目前，对小麦高分子量谷蛋白亚基（HMW-GS）的深入研究通过基因工程技术改善小麦品质已成为选育优质品种的一种方法。
1.2 沉淀值（沉降值） 沉淀值即小麦面粉蛋白参加沉淀反应的沉淀体积，沉淀值测定法包括Zaleny法和微量SDS沉淀法。大量研究表明，沉淀值与面包体积、面团流变性参数、比沉淀值及高分子量麦谷蛋白亚基品质评分等都存在显著或极显著正相关，沉淀值是反应蛋白质含量和品质的综合指标，国际上已将沉降值作为鉴定小麦品质的重要标准。沉降值遗传力较高，高于蛋白质含量遗传力，比其他方法能更深刻地反映出遗传差异。所以，沉降值具有高遗传力，并与面粉品质呈显著相关，可作为品质育种的早代选择指标。 ２
1.3籽粒硬度 小麦籽粒硬度是由胚乳细胞中蛋白质和淀粉之间的结合强度决定的。硬质小麦出粉率高，筛理容易，吸水率高，脂肪含量高，灰分含量较低，较适合制作面包和一定类型的面条等； 软质小麦硬度小，淀粉含量相对较高，适合制作糕点和饼干等食品。在加拿大、美国和澳大利亚等国的小麦贸易中，籽粒硬度是关键的品质指标之一。硬质小麦比重大，容重高，出粉率高，且硬质小麦胚乳的淀粉颗粒与蛋白质框架结合能力强，即胚乳连续性较强，软质小麦则相反。硬麦不仅具有优良的制粉特性，且蛋白含量高，面筋质量好，发酵性好。粗蛋白、稳定时间、沉淀值、面包评分在不同硬度指数值级别之间差异均达到显著水平，这说明，硬度指数的差异能在一定程度上反映小麦筋力的差异，用硬度指数法对小麦进行分类定价，是有科学依据的[16]。
2. 小麦蛋白品质的遗传 小麦籽粒是人类食用的主要粮食产品之一，小麦面粉因面筋的存在而具有广泛的加工适应性。目前小麦品质改良已成为小麦育种的一项重要内容，研究小麦种子中各项品质性状的遗传规律，对于了解小麦籽粒储存物质的遗传动态、提高小麦品质育种的效率具有实际指导意义。
2.1 小麦蛋白遗传的各种观点 李硕碧等[5]认为，籽粒蛋白质在F2代表现出中间遗传，但不同组合表现出差异，并认为可能是由于控制蛋白质含量的基因存在双向显性作用的结果。方先文等[13]在研究中将基因效应分为主基因效应和多基因效应，结果显示控制小麦蛋白质含量的主基因遗传率为67.19%，多基因的遗传率为11.18%。霍清涛等认为，沉淀值的遗传符合加性-显性模型，以显性效应为主，表现为超显性。沉淀值的高值与显性基因有关，低值与隐性基因有关。周艳华等[17]对硬度的遗传分析表明，硬度受加性为主显性为辅的一对主基因和一些微效基因控制。多数学者认为，籽粒蛋白质含量的遗传符合加性—显性基因效应模型,其中主要受加性效应的作用。但也有人报道以显性效应为主，在显性效应中，主要是部分显性，同时也存在超显性和完全显性。
2.2 小麦蛋白与遗传育种的关系 硬度与沉淀值以加性效应为主，适于早代选择；蛋白质含量、峰值时间、右斜率以显性效应为主，杂种优势利用的潜力较大；蛋白质含量与硬度可以在早代选择中同时得到改良；通过杂种优势利用，可以同时对蛋白质的质与量以及硬度进行改良。基因型效应在不同环境条件下偏离其遗传主效应的表现称为基因型×环境互作效应。它是基因型在各种环境条件下表现出的不同反应和对遗传主效应的离差，是除了遗传主效应之外的一部分可以遗传的基因效应。许多数量性状除了受遗传主效应和环境效应的影响外还受到基因型与环境互作的影响。根据该研究的结果,蛋白质含量的遗传主效应较易受到环境的影响；硬度的遗传主效应较稳定。关于配合力的分析显示，一般配合力与特殊配合力并无明显的对应关系，因此在选配组合时，既要考虑亲本的一般配合力，又要兼顾特殊配合力，应根据一般配合力选亲本，按特殊配合力选组合。研究表明，选用一般配合力高且性状间一般配合力能互补、特殊配合力大的双亲杂交，获得综合性状良好的强优势组合的机率较大。
2. 小麦面粉中面筋蛋白的组成 ３
小麦面筋蛋白指的是用水冲洗生面团，去除淀粉和水溶性蛋白之后剩下的复杂粘性蛋白。其蛋白质含量达 75%以上，此外还含有少量淀粉、纤维、糖、脂肪、类脂和矿物质等。面筋中蛋白质主要以单体或通过二硫键形成的寡聚体、多聚体形式存在，面筋蛋白的相对分子质量约3×104 ~1×10 7D。
20世纪初，Osborne根据其不同的溶解性将小麦籽粒中的蛋白质分为清蛋白、球蛋白、麦谷蛋白和醇溶蛋白。其中麦醇溶蛋白占蛋白总量的40%~50%，麦谷蛋白30%~40%，球蛋白占6%~10%，清蛋白占3%~5%。普遍认为由基因控制决定的麦谷蛋白和醇溶蛋白，它们是影响面团流变学特性的主要因素，尤以麦谷蛋白为主。
麦谷蛋白水合物具有粘结性和弹性，主要体现在面团的强度和弹性上。麦谷蛋白分子是自然界最大的蛋白质分子之一，内含β- 折叠结构较多，富含谷氨酰胺(Gln)和半胱氨酸 (Cys)，是由多肽键通过分子间二硫键连接而成的非均质的大分子聚合体蛋白，17~20个多47肽亚基构成，呈纤维状，分子量为5×104~1×107 D。麦谷蛋白分为高分子量谷蛋白亚基(HMW-GS)和低分子量谷蛋白亚基(LMW-GS)。HMW-GS分子量为8×104~1.3 ×105D，占谷蛋白的 10%；LMW - GS分子量为1×104~7×104 D，占90%。小麦谷蛋白是影响面团弹性及烘焙品质的重要因素，有几大分子的结构决定其功能性。因此，了解麦谷蛋白的结构与组成是研究面粉品质的基础。
而醇溶蛋白水合物主要为面团提供粘性和延伸性。醇溶蛋白间通过氢键和疏水作用相互反应，促进面筋粘性的形成。醇溶蛋白为单体蛋白，结构紧密呈球形，分子量为3×104~7.5×104 D。根据其各组分在A-PAGE中的迁移率，可分为α- (迁移最快 )，β-，γ-，ω- 醇溶蛋白(迁移最慢)。后来根据氨基酸和N末端序列分析将醇溶蛋白主要分为3组，α/β-，γ-，ω- 醇溶蛋白。根据氨基酸序列及组成和分子量，又可细分为α/β-，γ-，ω5-，ω1，2- 醇溶蛋白。醇溶蛋白分子无亚基结构，单肽依靠分子内二硫键和分子间的氢键、范德华力、静电力及疏水键连结，形成较紧密的三维结构，其氨基酸组成多为非极性。醇溶蛋白对面团的强度没有直接影响，却与面团的筋力密切相关。
3. 小麦籽粒蛋白质组分含量与加工品质的关系 由上可知，小麦籽粒蛋白质根据其溶解特性可分为清蛋白、球蛋白、醇溶蛋白和谷蛋白，贮藏蛋白由谷蛋白和醇溶蛋白组成，二者共同决定面团的黏弹性，对小麦加工品质具有重要作用。蛋白质各组分含量和贮藏蛋白含量均与总蛋白含量呈极显著正相关，总蛋白质、贮藏蛋白、谷蛋白、HMW-GS 和LMW-GS 含量均与面团形成时间、稳定时间和沉降值呈显著或极显著正相关, 表明这些蛋白质组分含量指标与籽粒蛋白质品质密切相关。
谷蛋白亚基组成及其含量对小麦的品质具有重要影响，HMW-GS和LMW-GS与面团形成时间、最大抗延阻力、拉伸面积和面包体积呈显著正相关，面粉中添加1%的高分子量谷蛋白亚基可增大面包体积，添加低分子量谷蛋白亚基可减小面包体积。石玉等[20]的研究表明， HMW-GS及LMW-GS含量均与面团形成时间、稳定时间及沉降值呈极显著正相关，HMW/LMW与面团形成时间和稳定时间呈极显著正相关，表明籽粒中具有较高HMW-GS、LMW-GS含量和HMW/LMW有利于形成强筋小麦的加工品质。Gli/Glu是影响面包烘焙品质和馒头品质的一项重要指标，Gli/Glu与和面时间、面团稳定时间、拉伸面积和最大抗延阻力及面包品质均呈显著负相关，与沉降值亦呈显著负相关，适当的Gli/Glu可获得较高的面包比容和面包评分。Scanlon等和Wieser等研究表明，低Gli/Glu增加面团形成时间、揉面峰值阻力、最大抗延阻力和面包体积。而最新研究中，Gli/Glu与面团稳定时间呈显著负相关，表明在总蛋白和贮藏蛋白含量较高的条件下，较低的Gli/Glu有利于