文章信息
- 王志忠, 燕丽, 郑文寅, 张文明, 郭文善, 姚大年
- WANG Zhizhong, YAN Li, ZHENG Wenyin, ZHANG Wenming, GUO Wenshan, YAO Danian
- 不同生态区域小麦品种籽粒类胡萝卜素含量及品质性状研究
- Research on carotenoid contents and quality traits of wheat varieties in different ecological regions
- 南京农业大学学报, 2017, 40(1): 20-26
- Journal of Nanjing Agricultural University (Social Science), 2017, 40(1): 20-26.
- http://dx.doi.org/10.7685/jnau.201604048
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文章历史
- 收稿日期: 2016-04-19
2. 扬州大学江苏省粮食作物现代产业技术协同创新中心, 江苏 扬州 225009
2. Co-Innovation Center for Modern Production Technology in Grain Crops of Jiangsu Province, Yangzhou University, Yangzhou 225009, China
类胡萝卜素(carotenoid,CAR)是指由8个异戊二烯单位组成的碳氢化合物(胡萝卜素)及其氧化衍生物(叶黄素)两大类色素的总称[1],包括叶黄素、黄色素、玉米黄素、八氢番茄红素和堇菜黄素等,且不同植物类胡萝卜素的成分有所不同,是自然界广泛存在的天然色素。小麦籽粒中的CAR含量较少[2],主要是黄色素和玉米黄素[3]。类胡萝卜素是维生素A(VA)的前体物质,具有VA源活性,在植物有机体中具有抗氧化作用。在小麦收获和贮藏过程中,类胡萝卜素的抗氧化作用,可以延缓脂肪氧化酶(LOX)等对胚乳营养物质的氧化降解,延长籽粒的贮藏期。类胡萝卜素还是食品中的重要营养成分之一,玉米黄素等一些类胡萝卜素成分具有抗癌活性,能够有效清除体内的自由基,预防和修复细胞损伤,抑制DNA氧化,预防癌症[4-5]。通过育种方式改善小麦类胡萝卜素含量具有重要意义。
脂肪氧化酶(lipoxygenase,LOX)是一类不含血红素铁、催化含有顺-顺-1,4-戊二烯结构的多聚不饱和脂肪酸加氧反应、生成具有共轭双键结构的过氧化氢物的酶蛋白,在动物和植物中普遍存在[6-7]。小麦籽粒中的LOX活性是影响小麦面粉颜色和其贮藏特性的主要因素之一,小麦籽粒中的LOX作为一种酶蛋白,其含量很低,但其活性对小麦品质的影响非常重要。LOX会偶联氧化小麦中的类胡萝卜素,可以取代化学漂白剂使小麦面粉变白,提高其商品价值[8]。但过高的LOX活性不仅会加快脂质氧化反应,使籽粒氧化变质,降低种子贮藏期,还会破坏小麦籽粒中的黄色素,使小麦粉过白而失去了许多营养成分,进而造成麦类食品的营养价值下降。所以,从耐贮藏和营养角度考虑,降低LOX活性被认为是长期保存种子、保持麦类食品营养价值的重要方法之一。
白度是面粉和面条色泽评价的其重要品质参数之一,通常需要借助仪器测定,我国在面粉和面条色泽测定中引入CIE-L*、a*、b*表色系统[9]。类胡萝卜素分子中含有多个不饱和双键,可被增白剂(BPO)氧化而褪色。天然的类胡萝卜素不仅具有较高的营养价值,而且还会使某些食品呈现特有的黄色,备受人们喜爱。在硬粒小麦中,类胡萝卜素含量是一个重要的品质指标,它可使通心面等食品呈现特有的黄色。有研究表明影响面制品白度的因素还有蛋白质含量、灰分含量、多酚氧化酶(PPO)活性等[10-11]。
本研究以250个小麦品种为供试材料,分析各品种类胡萝卜素含量、LOX活性、白度和黄度等品质性状的品种间差异,并进行相关和聚类分析,以了解不同来源地品种的类胡萝卜素含量差异。
1 材料与方法 1.1 供试材料试验材料为来源于豫鲁及北方地区的146个小麦品种(系)、苏皖及南方地区的103个小麦品种(系)及中国春,共250个小麦品种(系)。于2014—2015年在安徽农业大学试验农场同一地块种植,每个品种播种1个小区,每小区2行,行长2 m,行距0.25 m。田间管理与大田生产一致,成熟期收获并脱粒,晒干后室内密闭贮藏3个月备用。
1.2 试验方法 1.2.1 全麦粉制备将供试材料分别清理干净后用PM-8188New型快速水分测定仪测定籽粒水分,润麦24 h,使水分达到14%左右,用SCINOCT-410型磨粉机(FOSS公司)粉碎,过直径0.5 mm筛孔,形成去除大麸皮的全麦粉,密封于牛皮纸袋中,放入冷藏柜保存,用于分析其相关品质性状。
1.2.2 类胡萝卜素含量测定参照吴媛媛等[12]小麦籽粒类胡萝卜素的测定方法。称取全麦粉2.0 g,置于40 mL离心管中,加入水饱和正丁醇10 mL,振荡提取1 h,静置15 min,室温下于10 000 r · min-1离心10 min,取上清液,用普析TU-1810型紫外可见分光光度计测定440 nm处的吸光值,3次重复。类胡萝卜素含量(mg · kg-1)=C×V/m。其中:C为吸光度对应浓度(μg · mL-1);V为提取类胡萝卜素溶液的体积(mL);m为全麦粉的质量(g)。
1.2.3 脂肪氧化酶(LOX)活性测定参照Cato等[13]的分光光度计法,适当改良后测定小麦籽粒中的LOX活性。
亚油酸底物的配制:取0.5 mL Tween 溶解于10 mL 0.05 mol · L-1 pH9.0的硼酸缓冲液中混匀,再滴入0.5 mL亚油酸,此时溶液变为乳浊液,然后加入1.3 mL1 mol · L-1的NaOH使溶液变澄清,最后加入90 mL 0.05 mol · L-1 pH9.0的硼酸缓冲液,并用HCl调pH值为7.0后定容至200 mL。
LOX提取液:称取0.5 g全麦粉,加入0.1 mol · L-1 pH7.5的磷酸缓冲液2.5 mL,在4 ℃条件下混匀30 min,然后在4 ℃下8 000 r · min-1离心10 min,上清液即为脂肪氧化酶提取液。
反应体系:取9.5 mL 0.05 mol · L-1 pH5.6醋酸钠缓冲液,加入0.3 mL亚油酸底物即为反应体系。
取3 mL反应体系加入60 μL酶提取液,用普析TU-1810型紫外可见分光光度计测定234 nm处的吸光值,用底物作对照。每15 s记录1个数据,观察D值变化。LOX计算公式:A=(D1-D2)/0.01。式中:A为酶活性单位;D1为反应30 s的D值;D2为反应15 s的D值;0.01为1个常数,即1 min内3 mL的反应体系在234 nm下吸光值增加0.01作为一个酶活力单位。LOX活性用nanokatal(nkat · g-1)表述,即在设定条件下每克干物质每秒钟消耗的氧浓度(nmol)[3]。
1.2.4 品质性状的测定使用CR410色差计(日本柯尼卡美能达公司)测定面粉的L*、a*、b*值,根据亨特白度公式(Wht=100-100-[(100-L∗)2 +a∗2 +b∗2])计算白度。使用1255型近红外光谱仪(美国FOSS公司)测定各供试材料的蛋白质含量、淀粉含量和湿面筋含量。
1.3 数据分析使用DPS统计分析软件进行方差分析、相关分析和聚类分析。
2 结果与分析 2.1 供试小麦品种类胡萝卜素含量分布范围由表 1可见:250个小麦品种(系)类胡萝卜素含量分布在1.574~4.987 mg · kg-1之间,其中类胡萝卜素含量在1.574~1.749 mg · kg-1范围的有8个品种,在1.750~3.999 mg · kg-1范围的有235个品种,4.000~4.249 mg · kg-1间的有3个品种,4.250~4.499 mg · kg-1间的有3个品种,4.500~4.749 mg · kg-1间的有1个品种,4.750~4.987 mg · kg-1间的有1个品种。试验筛选出高类胡萝卜素含量的小麦品种8个,包括花培212、漯麦9号、济宁12、漯9908、陕优225、农大186、陕354、徐麦29,低类胡萝卜素含量的小麦品种8个,包括西农979、皖麦35、安农95083-6-1、扬辐麦5242、苏麦3号、泛麦8号、扬麦16、轮选22。
| 类胡萝卜素含量/ (mg·kg-1) Carotenoid content | 品种数 No.of variety | 品种名 Variety name |
| 1.574~1.749 | 8 | 西农979,皖麦35,安农95083-6-1,扬辐麦5242,苏麦3号,泛麦8号,扬麦16,轮选22 |
| 1.750~1.999 | 16 | DP-38,镇麦168,D-37,周9811,山农283,陕229,郑麦9023,安农0419,扬06-164,百农64,小偃6号,扬06G86,烟农475,皖科700,平安6号,扬麦13 |
| 2.000~2.249 | 35 | 周优102,周9926,镇麦8号,DP-31,农大5225,DP-36,扬辐麦2号,郑0063,ZWY-7,周9811,轮选518,山农06-278,金麦王1号,DP-13,郑农21,安农8455,苏96176,安农8729-10,安农0451,07安徽03,PH86-16,38-6-3-1,淮麦19,皖麦19,宁麦9号,安农04144,百农88,安农8559,温麦6号,安徽3号,安农92484,川育8号,扬麦20,鄂恩1号,皖麦46 |
| 2.250~2.499 | 45 | 郑7698,D-41,周麦22,ZWY-3,许科1号,豫麦69,DP-33,周98100,邯4564,洲元9369,烟农5158,周99343,新麦19,偃展4110,安农0305,百农金优32,华麦2号,豫麦18,山农201,杨麦13,孟0318,皖麦56,山农20,皖西890608,连麦2号,石家庄8号,鲁麦22,皖麦50,徐麦9233,温麦8号,安农9267,皖垦麦076,中国春,烟农千斤王,安农90202,鄂麦19,皖麦54,烟农5286,中优16,济麦22,皖麦41,新麦208,烟农23,扬麦93111,洛麦23 |
| 2.500~2.749 | 34 | 百农3217,烟农21,04中36,泛麦5号,D-45,周麦11,山农优麦3号,山农0919,山农62008,洛麦21,阜麦936,济麦21,淮麦21,宛抗18,阜麦936,烟农15,安农9403,鄂恩4号,淮麦22,西安168,皖麦47,矮早781-64,郑麦9405,中优9507,豫麦50,烟4096,徐麦30,扬麦9,皖9210,淮阴9628,安农95240-5,蒿优9409,良星66号,皖协497 |
| 2.750~2.999 | 40 | 京九麦10号,鹤麦026,罗麦10,周麦18,周麦17,漯麦8号,淮麦0566,ZWY-9,豫麦34,ZWY-10,淮麦23,鹤麦0521,周麦12,漯6112,华农139,豫展10号,鲁农116,京科农1006,罗麦8号,周麦16,豫麦2号,周麦13,津07006,阳光58,淮麦29,石麦15,同丰2011,郑麦366,扬麦158,泰农18,扬麦15,烟2801,偃展1号,徐州29,皖麦38-96,周麦22,徐州8913,烟农19,安农91168,皖麦44 |
| 3.000~3.249 | 23 | 浚麦9907,山农08-29,山农19,周麦18,新麦18,许农5号,宁麦11,皖麦48,太空35,安农糯1,皖0202,皖麦56,偃展4110,定红201,北农矮抗56,皖麦52,内乡188,涡麦8号,开麦18,淮麦20,安农9192,山农17,川育37123 |
| 3.250~3.499 | 19 | 豫展4号,W1032,矮抗58,邯04-1355,ZWY-5,周8425B,淮麦22,05中37,周9816,太学7号,衡6061,秦农142,皖麦33,高新608,烟361,新麦26,皖0606,郑育麦9987,洛8628 |
| 3.500~3.749 | 19 | 石07-6023,新麦26,周麦17,ZWY-1,周9823,邯6228,周麦19,衡562,徐麦270,京科农2011,漯珍2号,淮阴9467,邯郸6172,陕228,皖麦38,丰抗2号,豫展1号,豫麦58,同丰2011 |
| 3.750~3.999 | 3 | 京08CA95,豫展9804,豫麦70-36 |
| 4.000~4.249 | 3 | 花培212,漯麦9号,济宁12 |
| 4.250~4.499 | 3 | 漯9908,陕优225,农大186 |
| 4.500~4.749 | 1 | 陕354 |
| 4.750~4.987 | 1 | 徐麦29 |
由表 2可见:50个供试小麦品种的类胡萝卜素含量、LOX活性、白度和黄度等品质性状品种间差异均达到极显著,表明基因型对小麦类胡萝卜素含量、LOX活性等品质性状影响较大。
| 性状 Traits | 变异来源 Variation source | 平方和 SS | 自由度 DF | 均方 MS | F值 F value |
| 类胡萝卜素 Carotenoids | 重复间 Repetitions | 0.088 7 | 1 | 0.088 7 | 9.511 |
| 品种间 Varieties | 188.983 5 | 249 | 0.759 0 | 81.419** | |
| 误差 Error | 2.321 1 | 249 | 0.009 3 | ||
| 总变异 Total variation | 191.393 3 | 499 | |||
| 脂肪氧化酶活性 LOX activity | 重复间 Repetitions | 33.571 6 | 1 | 33.571 6 | 5.265 |
| 品种间 Varieties | 14 582.587 9 | 249 | 58.564 6 | 9.184** | |
| 误差 Error | 1 587.794 4 | 249 | 6.376 7 | ||
| 总变异 Total variation | 16 203.953 9 | 499 | |||
| 白度 Whiteness | 重复间 Repetitions | 17.552 4 | 2 | 8.776 2 | 17.185 |
| 品种间 Varieties | 11 856.226 3 | 249 | 47.615 4 | 93.237** | |
| 误差 Error | 254.324 9 | 498 | 0.510 7 | ||
| 总变异 Total variation | 12 128.103 6 | 749 | |||
| 黄度 Yellowness | 重复间 Repetitions | 10.043 9 | 2 | 5.022 0 | 21.646 |
| 品种间 Varieties | 2 099.775 2 | 249 | 8.432 8 | 36.348** | |
| 误差 Error | 115.537 5 | 498 | 0.232 0 | ||
| 总变异 Total variation | 2 225.356 6 | 749 | |||
| 蛋白质 Protein | 重复间 Repetitions | 0.022 9 | 2 | 0.011 5 | 1.532 |
| 品种间 Varieties | 1 131.939 5 | 249 | 4.545 9 | 607.955** | |
| 误差 Error | 3.723 8 | 498 | 0.007 5 | ||
| 总变异 Total variation | 1 135.686 2 | 749 | |||
| 淀粉 Starch | 重复间 Repetitions | 8.200 1 | 2 | 4.100 0 | 0.849 |
| 品种间 Varieties | 2 445.735 7 | 249 | 9.822 2 | 2.034** | |
| 误差 Error | 2 404.633 2 | 498 | 4.828 6 | ||
| 总变异 Total variation | 4 858.569 0 | 749 | |||
| 湿面筋 Wet gluten | 重复间 Repetitions | 0.064 3 | 2 | 0.032 2 | 0.302 |
| 品种间 Varieties | 5 710.520 4 | 249 | 22.933 8 | 215.509** | |
| 误差 Error | 52.995 7 | 498 | 0.106 4 | ||
| 总变异 Total variation | 5 763.580 4 | 749 | |||
| Note:* *P<0.01. | |||||
由表 3可见:类胡萝卜素含量和LOX活性的变异系数较大,表明各品种间类胡萝卜素含量和LOX活性的差异较大,其中LOX活性的分布范围更广。黄度的变异系数中等,白度、蛋白质、淀粉和湿面筋含量的变异系数较小。
| 品质性状 Quality traits | 品种数 No.of variety | 平均值 Average | 变幅 Range | 标准差 SD | 变异系数 CV |
| 类胡萝卜素含量/(mg·kg-1) Carotenoid content | 250 | 2.72 | 1.57~4.99 | 0.62 | 22.79 |
| 脂肪氧化酶活性/(nkat·g-1) LOX activity | 250 | 15.36 | 5.60~33.90 | 5.41 | 35.22 |
| 白度 Whiteness | 250 | 72.44 | 59.01~80.60 | 3.98 | 5.50 |
| 黄度 Yellowness | 250 | 11.89 | 8.32~16.33 | 1.68 | 14.10 |
| 蛋白质含量/% Protein content | 250 | 13.57 | 11.03~17.73 | 1.23 | 9.06 |
| 淀粉含量/% Starch content | 250 | 66.30 | 60.97~68.60 | 1.81 | 2.73 |
| 湿面筋含量/% Wet gluten content | 250 | 33.05 | 24.30~40.33 | 2.76 | 8.35 |
由表 4可见:类胡萝卜素含量与LOX活性和白度呈显著或极显著负相关,与黄度、蛋白质含量呈极显著正相关。LOX活性与白度呈极显著正相关,与黄度呈极显著负相关。蛋白质含量与白度、淀粉含量呈极显著负相关,与湿面筋含量呈极显著正相关。淀粉含量与白度呈极显著正相关,与湿面筋含量呈极显著负相关。
| 品质性状 Quality traits | 脂肪氧化酶活性 LOX activity | 白度 Whiteness | 黄度 Yellowness | 蛋白质含量 Protein content | 淀粉含量 Starch content | 湿面筋含量 Wet gluten content |
| 类胡萝卜素含量 Carotenoid content | -0.16* | -0.21** | 0.28** | 0.18** | -0.07 | 0.14* |
| 脂肪氧化酶活性 LOX activity | 0.25** | -0.23** | -0.07 | 0.09 | -0.1 | |
| 白度 Whiteness | -0.76** | -0.16** | 0.21** | 0 | ||
| 黄度 Yellowness | 0.05 | -0.09 | 0.08 | |||
| 蛋白质含量 Protein content | -0.47** | 0.84** | ||||
| 淀粉含量 Starch content | -0.27** | |||||
| Note:*P<0.05,* *P<0.01. | ||||||
由表 5可见:河南和山东省及我国北方地区的146个小麦品种类胡萝卜素含量的平均值为2.989 mg · kg-1,变幅为1.656~4.656 mg · kg-1;江苏和安徽及南方地区的103个小麦品种类胡萝卜素含量的平均值为2.572 mg · kg-1,变幅为1.574~4.987 mg · kg-1;中国春的类胡萝卜素含量为2.367 mg · kg-1。其中,来自北京的小麦品种有10个,其类胡萝卜素含量的均值最高,为3.322 mg · kg-1;江苏的小麦品种有45个,其类胡萝卜素含量的均值最低,为2.450 mg · kg-1。综合表 5中数据和上述分析可以看出,北方各省的小麦品种类胡萝卜素含量均值均高于南方地区,且不同来源地品种的类胡萝卜素含量存在较大差异。
| 品种来源 Variety source | 品种数 No.of variety | 变幅/(mg·kg-1) Range | 类胡萝卜素含量均值/(mg·kg-1) Average carotenoid content | |
| 河南、山东及北方地区 Henan,Shandong and north region of China | 河南 Henan | 78 | 1.656~4.359 | 2.829 |
| 山东 Shandong | 30 | 1.937~4.086 | 2.633 | |
| 陕西 Shaanxi | 11 | 1.656~4.656 | 3.157 | |
| 北京 Beijing | 10 | 2.086~4.483 | 3.322 | |
| 河北 Hebei | 10 | 2.268~3.698 | 3.124 | |
| 其他 Other | 7 | 2.177~3.615 | 2.866 | |
| 小计 Total | 146 | 1.656~4.656 | 2.989 | |
| 安徽、江苏及南方地区 Anhui,Jiangsu and south regions of China | 安徽 Anhui | 50 | 1.574~3.739 | 2.549 |
| 江苏 Jiangsu | 45 | 1.607~4.987 | 2.450 | |
| 湖北 Hubei | 4 | 2.218~2.549 | 2.510 | |
| 其他 Other | 4 | 2.202~3.210 | 2.778 | |
| 小计 Total | 103 | 1.574~4.987 | 2.572 | |
| 中国春 Chinese Spring | 1 | — | 2.367 | |
| 总计 Total | 250 | 1.574~4.987 | 2.780 | |
由图 1可见:用欧式最长距离法对250个小麦品种(系)进行聚类分析,结果聚为3类。第1类包括安农糯1、中国春、扬麦9等61个品种,平均类胡萝卜素含量为2.56 mg · kg-1,LOX活性为22.20 nkat · g-1,全麦粉白度为75.28,黄度为10.81;第2类包括扬麦16、扬麦20、扬麦93111等132个品种,平均类胡萝卜素含量为2.82 mg · kg-1,LOX活性为13.32 nkat · g-1,全麦粉白度为69.44,黄度为13.02;第3类包括扬06G86、淮麦29、苏96176等57个品种,平均类胡萝卜素含量为2.66 mg · kg-1,LOX活性为12.77 nkat · g-1,全麦粉白度为76.34,黄度为10.41。聚类分析结果表明,类胡萝卜素含量较高的品种与黄度较高、LOX活性和白度较低的聚为一类,类胡萝卜素含量和黄度较低的品种与LOX活性、白度较高的聚为一类,各品质性状中等的聚为一类。这也进一步证明了上述类胡萝卜素含量与黄度呈正相关,与LOX活性和白度呈负相关的分析。
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图 1 不同小麦品种籽粒类胡萝卜素含量、LOX活性及全麦粉白度、黄度的聚类分析 Figure 1 Cluster analysis of wheat cultivars based on carotenoid content and lipoxygenase activity, whiteness and yellowness of the whole wheat flour |
类胡萝卜素具有抗氧化作用和较高的营养价值,对人类营养和健康具有重要作用。小麦类胡萝卜素改良是近几年国内外小麦遗传育种和食品营养研究的热点之一。Digesu等[14]认为,通过有性杂交等常规育种方法,可以有效提高小麦籽粒类胡萝卜素含量。本研究筛选出高类胡萝卜素含量的小麦品种8个,包括花培212、漯麦9号、济宁12、漯9908、陕优225、农大186、陕354、徐麦29,低类胡萝卜素含量的小麦品种8个,包括西农979、皖麦35、安农95083-6-1、扬辐麦5242、苏麦3号、泛麦8号、扬麦16、轮选22。可作为品种资源用于常规杂交育种。
本研究中,250份供试材料的全麦粉类胡萝卜素含量、LOX活性、白度和黄度的品种间差异均达到极显著,表明基因型对小麦类胡萝卜素含量等品质性状影响较大。结合相关分析和聚类分析可以得出,类胡萝卜素含量与全麦粉黄度呈极显著正相关,与LOX活性、全麦粉白度呈极显著负相关,这一结果与孙道杰等[8]和胡润波等[15]的研究结果基本一致。按地域将不同来源地的小麦品种分成苏皖及南方地区品种、豫鲁及北方地区品种,北方地区小麦品种的类胡萝卜素含量平均值为2.989 mg · kg-1,高于南方地区的2.572 mg · kg-1,且不同来源地品种的类胡萝卜素含量存在较大差异。
小麦面粉制品的颜色受类胡萝卜素含量的影响较大,低类胡萝卜素含量的小麦品种其面粉制品具有较高的白色度,但类胡萝卜素含量过低的品种,其营养品质将会大大降低。因此,如何根据育种目标,通过育种方法培育和筛选出满足不同需求的高、低类胡萝卜含量的小麦品种,还有待进一步的研究。
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