小麦籽粒品质性状与葡萄糖和乙醇产量的关系

小麦(Triticum aestivum L.)是我国的主要粮食作物之一，同时也是最具有加工优势的谷类作物之一，具有多样化的用途[1]。随着经济的发展，馒头、面包、点心等面制食品加工业对小麦品种的需求量日益增大[2]。小麦营养丰富，富含大量的碳水化合物，可用于生产葡萄糖[3]，酒[4-5]、生物燃料[6]和酒曲[7]等。可见小麦生产对保证我国粮食安全及食品加工行业的稳定发展具有十分重要的意义。

小麦籽粒的品质指标对其最终产物的品质影响备受研究者的关注。研究表明，基因型和环境因素等都能对小麦品质造成不同程度的影响[8-11]。赵俊晔等[12]、石玉等[13]先后报道了较高的贮藏蛋白含量有利于提高强筋小麦的加工品质。杨联芝等[14]指出灰分、稳定时间等是影响优质速冻油条用小麦粉的关键因素。张影全等[15]指出优质兰州拉面与容重、蛋白质含量等小麦品种籽粒质量性状显著相关。小麦的磨粉、加工、面制品烘焙等品质与戊聚糖显著相关，降低其含量可有效改善软质小麦品质[16]。近年来，小麦淀粉生产葡萄糖[17]、乙醇[18]和陈化小麦发酵生产酒精的工艺[19]受到关注，但通常检测小麦葡萄糖和乙醇产量的过程相对复杂，而小麦传统籽粒品质指标与葡萄糖、乙醇加工产物之间的关系了解较少，不能为葡萄糖和乙醇加工原粮的选择和专用型品种的选育提供参考。

本研究对前期筛选的9个小麦新品种(系)在3个环境下的籽粒品质指标以及葡萄糖和乙醇产物进行了测量，并采用方差分析、相关分析、多元逐步回归分析和通径分析评价各指标间的关系。本研究结果将为深入了解小麦籽粒品质性状与葡萄糖和乙醇间的关系，以及为优质专用型小麦新品种的选育奠定基础。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

供试9个小麦新品种(系)分别是A80、A171、B441、B886、B4886、蜀麦691、蜀麦126、蜀麦921和蜀麦830。所有供试材料均由四川农业大学小麦研究所提供。2016～2017年所有材料分别种植于四川农业大学温江(30°43′N，103°52′E)、雅安(29°58′N，102°59′E)和泸州(28°56′N，105°21′E)3个试验点，供试材料均五行区窝播，行长2 m，行距30 cm，窝距10 cm，每窝点播5粒。田间管理参照常规大田管理，成熟时适时收获，室内考种测定千粒重(g)。

无水乙醇、碘、碘化钾、重铬酸钾、硫酸和葡萄糖，西陇化工有限公司；50% NaOH溶液，美国Sigma-Aldrich公司；超纯水(电阻率≧18.19 MΩ·cm)；α-淀粉酶、糖化酶，上海源叶生物科技有限公司；支链淀粉酶，济南蓝馨生物科技有限公司；安琪活性干面包酵母，湖北安琪酵母股份有限公司。所有试剂均为分析纯。

1.2 仪器与设备

DIONEX-ICS-5000+型离子色谱，美国Thermo Fisher Scientific公司；UPH-Ⅲ-10T型超纯水机，四川优普超纯科技有限公司；0.45 μm津腾有机滤头及一次性注射器，成都力天世纪生物科技有限公司；Allegra X-30R型离心机，贝壳曼库尔特商贸(中国)有限公司；CP224S电子天平，德国赛多利斯公司；Infratec TM 1241近红外谷物籽粒分析仪，瑞士FOSS公司；FW80高速万能粉碎机，天津市工业电器厂。

1.3 方法

1.3.1 小麦籽粒原粮品质测定方法

利用近红外谷物籽粒分析仪[20]测定小麦籽粒的品质性状，包括容重(g/L)、硬度(%)、软度指数、蛋白质含量(%)、水分(%)、粉质参数、灰分(%)、吸水率(%)、形成时间(min)、稳定时间(min)、沉降值(mL)、湿面筋含量(%)、面筋指数(%)、延伸性(mm)、最大拉伸阻力(EU)和粗淀粉含量(%)等16个品质性状。

1.3.2 小麦籽粒直链淀粉含量的测定方法

小麦籽粒全麦粉直链淀粉(%)采用双波长法[21]进行测定。

1.3.3 小麦籽粒葡萄糖的测定方法

葡萄糖(kg/t)采用酶解法[17]提取，其提取方法如下，称取小麦面粉0.1 g，加水配制成质量分数为2%的料液，沸水浴50 min使其糊化，冷却后调节PH为5.5，并在50 ℃下依次加入质量分数为2%的α-淀粉酶、糖化酶以及支链淀粉酶，酶解50 min后离心取其上清液待测。葡萄糖的测定以DIONEX-ICS-5000+型离子色谱[22]进行。

1.3.4 小麦籽粒乙醇的测定方法

采用生淀粉直接发酵法[5]提取乙醇，菌种为安琪活性干面包酵母，在28 ℃下发酵82 h后用重铬酸钾比色法[23]进行乙醇的测定。

采用Excel软件对数据整理，方差分析、Duncan新复极差法多重比较、相关性分析、多元逐步回归分析及通径分析均采用DPS软件(v7.5版)[24]。

2 结果与分析

2.1 小麦籽粒原料品质性状的分析

供试小麦的各品质性状分别在基因型、环境及互作间的差异达到显著或极显著(表1)。其中，软度指数、硬度、粉质参数、吸水率、形成时间、沉降值、最大拉伸阻力、粗淀粉含量的基因型差异达到极显著，而千粒重、蛋白质含量、水分、湿面筋含量、延伸性差异达到显著。

注：表中百分比%表示基因型、环境、基因×环境各占总平方和的百分比；*和**分别代表F检验达到显著(P<0.05)和极显著(P<0.01)水平。

蛋白质含量均值最大来自材料B441(15.16%)，千粒重、吸水率和粗淀粉含量最大值均来自材料B4886，其均值分别为53.34 g、64.22%和69.97%。千粒重、蛋白质含量、形成时间、稳定时间、沉降值、湿面筋含量、面筋指数、延伸性、最大拉伸阻力和直链淀粉在不同地点间的差异达到极显著。千粒重、面筋指数、直链淀粉均值最大来自温江试验点，蛋白质含量、形成时间、沉降值、湿面筋含量、延伸性、最大拉伸阻力均值最大则来自泸州试验点。

各性状的基因、环境以及基因×环境互作的平方和比值表明，品种(系)间的变异大于地点和互作变异的性状有硬度、软度指数、水分、粉质参数、吸水率和粗淀粉含量，其中吸水率、粉质参数和粗淀粉含量分别为84.23%、78.36、72.68%；受地点间影响较大的性状依次为：最大拉伸阻力>形成时间>延伸性>湿面筋含量>沉降值>千粒重>蛋白质含量；受基因×环境互作影响较大的为容重。

2.2 小麦籽粒葡萄糖产量分析

基因型、环境和两者的互作对葡萄糖产量的效应达到显著或极显著(表1)，其中基因×环境互作的变异占42.59%。供试材料葡萄糖均值为46.01 kg/t，变异系数为15.17%。品系B4886的葡萄糖产量最高(49.30 kg/t)，蜀麦691的最低(46.48 kg/t)。葡萄糖在不同试验点间存在差异，温江(49.23 kg/t)和泸州点(48.80 kg/t)均与雅安点差异显著(40.01 kg/t)。

2.3 小麦籽粒乙醇产量分析

方差分析表明，基因型、环境互作以及基因对乙醇产量的影响达到极显著(表1)，基因变异占总变异的66.62%。乙醇产量的均值为179.19 L/t，变异系数为22.04%。品系蜀麦126的乙醇产量最高(310.36 L/t)，品系B4886的最低(166.80 L/t)。供试材料乙醇产量在温江(192.36 L/t)和泸州点(171.84 L/t)均与雅安点差异显著(173.23 L/t)。

2.4 品种(系)性状间相关分析

性状间的简单相关分析表明(表2)，性状间存在复杂的相关关系，有33对性状间极显著正相关。其中，稳定时间、粗淀粉含量、葡萄糖与千粒重呈显著正相关；蛋白质含量、吸水率、形成时间、沉降值、湿面筋含量、粗淀粉含量与硬度呈极显著正相关；粉质参数、形成时间、沉降值、湿面筋含量、延伸性、最大拉伸阻力与蛋白质含量呈极显著正相关；千粒重、硬度、吸水率、粗淀粉含量与葡萄糖呈显著正相关。

注: X1千粒重,X2容重,X3硬度,X4软度指数,X5蛋白质含量,X6水分,X7粉质参数,X8灰分,X9吸水率,X10形成时间,X11稳定时间,X12沉降值,X13湿面筋含量,X14面筋指数,X15延伸性,X16最大拉伸阻力,X17粗淀粉含量,X18直链淀粉,Y1葡萄糖,Y2乙醇。*和**分别表示达到显著(P<0.05)和极显著(P<0.01)水平。

2.5 籽粒葡萄糖和乙醇产量的多元逐步回归分析

以小麦籽粒18个品质性状为自变量(X)(表1)，分别以葡萄糖产量(Y1)和乙醇产量(Y2)为因变量，进行多元逐步回归分析[18]。结果表明，小麦籽粒葡萄糖和乙醇的回归方程的F值与复相关系数R值均达到极显著水平，Durbin-Watson统计量接近2，表明参数之间不存在自相关，回归方程可靠。所得葡萄糖回归方程为：Y1=-42.03-0.25X1+2.37X5+3.63X18(R2=0.54)，此回归关系可以解释54%的变异。方程表明，千粒质量(X1)、蛋白质含量(X5)、直链淀粉(X18)是影响葡萄糖的主要因素。千粒重、蛋白质含量、直链淀粉每增加一个标准单位，葡萄糖分别增加-0.25、2.37、3.63 kg/t。

小麦籽粒乙醇产量的回归方程为：Y2=2 521.38-2.42X2-15.99X3-2.69X4+15.73X9+26.37X12-6.33X15+8.53X18(R2=0.63)，此回归关系可以解释63%的变异。方程表明，影响乙醇产量的因素中容重(X2)、硬度(X3)、软度指数(X4)、延伸性(X15)每增加一个标准单位，乙醇分别减少2.42、15.99、2.69、6.33 L/t，而吸水率(X9)、沉降值(X12)、直链淀粉(X18)每增加一个标准单位，乙醇则分别增加15.73、26.37、8.53 L/t。

2.6 籽粒葡萄糖和乙醇产量的通径分析

对各性状与葡萄糖的通径分析[14,24]表明(表3)，对葡萄糖影响的直接通径系数的绝对值大小依次为：直链淀粉>蛋白质含量>千粒重，表明直链淀粉对葡萄糖的直接影响最大，其次是蛋白质含量，通径系数均为正值。而千粒重对葡萄糖的直接效应为负向，但千粒重与葡萄糖显著正相关，这是由于千粒重通过直链淀粉具有较大的正向间接通径系数所致。所以千粒重应与直链淀粉、蛋白质含量协调到恰到好处。

对各性状与籽粒乙醇产量的通径分析表明(表4)，沉降值对乙醇的正向直接效应较大，但通过硬度和延伸性的负向间接效应也较大，而与籽粒乙醇产量表现为负相关，所以籽粒乙醇产量应适当考虑沉降值的作用。吸水率与小麦籽粒乙醇产量的直接通径系数为1.08。

通过软度指数、沉降值、直链淀粉所起的间接效应为正值，而通过容重、硬度、延伸性所起的间接效应都为负值。吸水率通过软度指数所起的间接效应有较大的正值，但其与乙醇产量未达到显著性水平。直链淀粉与小麦籽粒乙醇产量的直接通径系数为0.37，通过容重、吸水率、延伸性所起的间接效应为正值，而通过硬度、软度指数、沉降值所起的间接效应为负值，但是直链淀粉与籽粒乙醇产量为正相关，主要是因为直链淀粉通过延伸性具有较大的正的间接通径系数所致。延伸性与小麦籽粒乙醇产量的负向直接效应最大，通过容重、软度指数、吸水率、沉降值所起的间接效应为正值，而通过硬度、直链淀粉所起的间接效应为负值。硬度与籽粒乙醇产量的直接通径系数为-2.24，通过软度指数、吸水率、沉降值、直链淀粉所起的间接作用均为正值。尽管硬度和软度指数均对乙醇产量有较大的负向直接效应，但由于间接效应的差异，导致最终硬度与乙醇产量正相关，而与软度指数是负相关。容重与乙醇的直接通径系数为-0.71，通过软度指数、吸水率、延伸性所起的间接效应为正值，而通过硬度等3个性状所起的间接效应都为负值。容重对乙醇产量有较大的直接负向效应。

从通径分析可知，小麦籽粒的直链淀粉对于葡萄糖产量的正向直接效应最大，其次是蛋白质。而对乙醇产量来说，小麦籽粒沉降值对于乙醇产量的正向直接效应最大，其次为直链淀粉，延伸性对于乙醇产量有最大的负向直接效应，且比硬度的降低效果更好，同时也应适当考虑容重的作用。

3 讨论

小麦蛋白质含量等性状指标可作为评价小麦品种品质优劣的依据[13]，最终可用于多种用途，其中葡萄糖和乙醇可经小麦籽粒加工而来[3,18,23]。本研究发现，小麦各品质性状的基因型、环境及两者间的互作均达到显著或极显著水平，表明在有特定品质需求的原粮小麦品种育种中，既需要考虑选育专用型品种，同时也需要在适宜的地区生产，前人也有类似的报道[8-11]。基因型、环境及两者的互作对葡萄糖产量有显著或极显著影响，而乙醇产量受基因型、环境两者的互作及基因型的极显著影响，表明以小麦原粮生产葡萄糖时需要优良品种类型与适宜栽培区域相结合。而以生产乙醇为目标时，原粮种植地点和品种的相互作用是值得关注的因素。这也与在其他品质性状研究中主张优质小麦产区来种植优质小麦类似[25-26]。本研究中，温江点、雅安点和泸州点分别在葡萄糖和乙醇产量上差异显著，泸州生态点的各指标数值较温江生态点和雅安生态点的低，但泸州生态点各品种(系)品质指标变异程度较小，品质相对稳定，更适宜栽种以生产葡萄糖和乙醇为目标的原粮。

本研究中供试小麦籽粒品质性状间有着复杂的相关关系，前人也有类似的报道[12,27]。直链淀粉含量对葡萄糖产量的直接影响最大，其次是蛋白质的影响。乙醇产量与小麦籽粒品质性状未表现出显著相关性，但在多元逐步回归分析中，乙醇产量受沉降值、直链淀粉等7个性状的影响显著。进一步采用回归分析和通径分析对性状间关系进行剖析可以看出，影响小麦籽粒葡萄糖产出的主要因素为直链淀粉。而有多个因素对乙醇产量均有影响，乙醇产量的影响因素主要为沉降值、直链淀粉，同时应适当考虑延伸性、硬度、容重的作用。这些籽粒品质指标易于检测，可以用于辅助筛选葡萄糖和乙醇生产原粮和专用型小麦品种育种。

本研究中，依据专用小麦品种品质分类标准(GB/T 17320—2013)，供试品系B4886、蜀麦691接近中强筋标准，而蜀麦126(川审麦2016004)属于弱筋小麦，且对于葡萄糖产量来说，材料B4886最高，但对于乙醇产量来说该材料的乙醇产量较低。可以看出，小麦品质强弱筋标准并不适合作为加工原粮的籽粒葡萄糖产量和乙醇产量的衡量指标。

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