不同环境及栽培条件下啤用大麦阿拉伯木聚糖含量的变化
张晓勤1,2, 薛大伟2, 张国平1,*
1浙江大学农业与生物技术学院 浙江杭州 310058
2杭州师范大学生命与环境科学学院 浙江杭州310036
* 通讯作者(Corresponding author): 张国平, E-mail:zhanggp@zju.edu.cn
摘要

阿拉伯木聚糖(AX)含量是影响啤用大麦品质的主要因素之一。利用3个二棱大麦品种, 研究了籽粒灌浆期AX含量和内切木聚糖酶活性(EA)的变化动态以及施氮量、施肥期、种植密度和种植地点对AX含量的影响。结果表明, 3个品种的AX含量和EA在灌浆期变化趋势基本相同, 表现为阿拉伯木聚糖总含量(TAX)、非水溶性阿拉伯木聚糖含量(WUAX)和EA在整个灌浆期呈下降趋势, 水溶性阿拉伯木聚糖含量(WEAX)比例较低, 且呈先增后降的趋势。与其他两品种比较, 浙大9号在籽粒灌浆期TAX含量始终较高、EA始终较低。浙大9号籽粒TAX含量在杭州点显著高于在桐乡点, 而WEAX含量在桐乡点显著高于在杭州点。播种量、氮肥用量及运筹对桐乡点籽粒TAX和WEAX含量均无显著影响, 但在杭州点这3种农艺因子均显著影响WEAX含量。

关键词: 大麦; 灌浆期; 环境; 阿拉伯木聚糖; 内切木聚糖酶
Changes of Arabinoxylan Content in Malting Barley under Different Environments and Cultivation Conditions
ZHANG Xiao-Qin1,2, XUE Da-Wei2, ZHANG Guo-Ping1,*
1College of Agriculture & Biotechnology, Zhejiang University, Hangzhou 310058, China
2 College of Life & Environmental Sciences, Hangzhou Normal University, Hangzhou 310036, China
Abstract

Arabinoxylan (AX) content in barley grains is a principal chemical component affecting malt quality. The changes of arabinoxylan content and endoxylanase activity (EA) in grains during grain filling and their responses to agronomic factors, such as nitrogen rate and application timing, plant density, and growing site, were investigated using two-rowed barley cultivars, Hua 30, Zheda 9, and Zhexiu 12. All that three barley cultivars had the same changing trend in AX content and EA during grain-filling period. Contents of total arabinoxylan (TAX), water unextractable arabinoxylan (WUAX), and EA declined constantly during grain filling stage, and content of water extractable arabinoxylan (WEAX), a small proportion of TAX, increased at early stage and declined at late stage. When Zheda 9 was planted in Hangzhou and Tongxiang of Zhejiang Province, TAX content in grains was significantly higher in Hangzhou than in Tongxiang, and the opposite was true for WEAX content. The effects of plant density and nitrogen application rate and timing were not significant on both TAX and WEAX contents in Tongxiang, while the effect was significant of these factors on WEAX contents in Hangzhou.

Keyword: Barley; Grain filling stage; Environment; Arabinoxylan; Endoxylanase

大麦用途广泛, 是加工饲料和酿造啤酒的主要原料[1]。啤用大麦品质受蛋白质含量、β-葡聚糖酶、β-淀粉酶和极限糊精酶活性等多种化学成分及酶的影响。研究表明, 阿拉伯木聚糖(arabinoxylan, AX)对麦芽品质有重要影响, 其含量与麦粒硬度、种子吸水性和胚乳物质的释放等有关[2]。制麦时如AX降解不充分, 不但阻碍胚乳营养物质的释放, 而且未降解的AX进入麦芽汁后增加黏度, 妨碍麦芽汁及啤酒的过滤, 导致成品啤酒浑浊, 恶化啤酒泡沫和口感等品质[3]

AX是一种非淀粉多糖, 主要存在于麦类等谷物种子的胚乳及糊粉层细胞壁中, 以大麦种子中含量较高, 一般占种子干重的3%~5%左右[4,5]。AX主要由阿拉伯糖(arabinose)和木糖(xylose)等五碳糖组成, 以(1→4)-β-D-吡喃木糖残基为线形骨架, 在其O-2、O-3或O-2,3上连接有α-L-阿拉伯呋喃糖等取代物。根据其溶解性, AX通常被分为水溶性阿拉伯木聚糖(简称WEAX)和非水溶性阿拉伯木聚糖(简称WUAX)两类, 两者相比, WEAX分子量较小, 且ara/xyl的比值较低[6,7,8]。麦芽中AX的降解程度远低于β-葡聚糖, 降解不充分的WEAX进入麦芽汁中而增加其黏度[3,9]。由于AX含有复杂的侧链基团, 所以其完全降解依赖很多酶的作用, 如内切木聚糖酶、阿拉伯呋喃糖苷酶、外切木聚糖苷酶和阿魏酸酯酶等[1,10,11]。其中, 内切木聚糖酶(EC3.2.1.8)是最重要的一类酶, 该酶可随机作用于木糖主链的糖苷键并将其降解为小分子量的木寡糖, 其活性与AX的降解程度密切相关[12]

目前, 国内外对蛋白质、β-淀粉酶和β-葡聚糖等影响麦芽与啤酒品质的化学成分或酶研究较多, 已明确一些农艺因子对它们有显著的影响[13,14,15]。但迄今对AX的相关研究较少, 且主要集中在结构、性质与功能等方面, 对于其在大麦籽粒发育期间的合成与积累过程以及相关机制尚鲜有报道。而农艺因子(如收获时期, 氮肥水平及运筹, 杀菌剂处理等)对AX的影响仅在小麦的研究中有过报道[16,17]。我们在前期研究啤用大麦AX含量的基因型差异的基础 上[18], 对大麦籽粒灌浆期AX含量与EA的变化动态以及农艺因子对AX含量的影响进行了研究, 以期为啤用大麦优质生产提供理论参考及技术指导。

1 材料与方法
1.1 供试品种

以浙江省目前推广种植的二棱大麦品种花30、浙大9号和浙秀12为供试材料。花30分蘖强, 丰产性好, 啤用品质一般; 浙大9号茎秆粗壮, 抗倒耐湿, 千粒重高, 啤用品质好; 浙秀12矮秆多穗, 分蘖成穗率高, 丰产性和啤用品质均较好。

1.2 试验设计

1.2.1 籽粒灌浆期AX含量和EA变化动态 在浙江大学华家池校区实验农场(杭州), 2010年11月7日播种3个品种, 土壤为小粉土, 肥力中等。随机区组设计, 重复3次, 小区面积10 m2, 条播, 行长2 m, 行距0.25 m, 每行播100粒种子(发芽率大于90%)。每667 m2施复合肥(N-P-K: 15-15-15) 20 kg作基肥, 另在大麦二叶一心和孕穗期(剑叶露尖)分别施尿素6 kg和4 kg。抽穗时选择生长基本一致的穗, 挂牌标记; 花后7 d开始随机取挂牌麦穗, 每隔6 d取样一次, 取至籽粒成熟。将籽粒烘干磨粉后过100目筛, 存4℃冰箱用于AX和EA测定。

1.2.2 栽培条件对AX含量的影响 于2010— 2011年分别在浙江大学华家池校区实验农场(杭州)和嘉兴市桐乡实验农场(桐乡)进行试验, 后者土壤为青紫泥, 肥力中等偏上。以浙大9号为材料, 2010年11月初播种。设2种氮肥用量, 分别为180 kg hm-2 (N1)和240 kg hm-2 (N2); 2种氮肥施用时期, 即基肥施108 kg hm-2, 在苗期(T1)、苗期和抽穗期各追施50% (T2); 3种播种密度分别为每行80粒(D1)、120粒(D2)和160粒(D3)。裂区设计, 种植密度为主区, 氮肥用量为副区, 氮肥运筹为副副区。副副区面积10 m2, 重复3次。成熟后收获种子, 烘干后磨粉用于AX含量测定。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 阿拉伯木聚糖(AX)含量 按Douglas[19]及Rouau和Surget[20]介绍的方法并稍作改进。取0.1 g粉样与4 mL 硫酸 (1 mol L-1) 混匀, 沸水浴10 min后立即冷却并离心, 取适量上清液与显色剂反应, 测定TAX含量; 取0.1 g粉样和10 mL 纯水混匀并振荡30 min, 离心后取适量上清液与显色剂反应, 测定WEAX含量。用木糖(Sigma)做标准曲线, 非水溶性阿拉伯木聚糖含量(WUAX)含量用AX总量(TAX)与WEAX的差值表示。每次测定重复3次。

1.3.2 内切木聚糖酶活性(EA) 采用DNS法(二硝基水杨酸)测定内切木聚糖酶活性[21], 用木糖做标准曲线。籽粒样品中粗酶的提取方法参考[22]。

1.4 数据处理与统计分析

采用Microsoft Excel 2003和PASW statistics 18 (SPSS Inc.)软件分析数据。

2 结果与分析
2.1 灌浆期AX含量的变化动态

灌浆期大麦籽粒TAX呈下降趋势, 浙大9号始终保持最高, 浙秀12一直处于最低。花后7~19 d, 3个大麦品种TAX含量从5.36 %降至3.72 %; 花后20 d到成熟, TAX含量基本稳定在3.7%左右(图1-A)。由于木聚糖主要存在于种子的糊粉层和胚乳细胞壁中, 此时籽粒内木聚糖含量占籽粒干物质总量的比例较高, 这样TAX在灌浆初期较高。随着灌浆过程的进行, 籽粒内积累光合产物逐渐增多, 使籽粒中TAX相对含量明显下降。而花后25 d至籽粒成熟, 籽粒干物质积累速度下降, AX含量也随之趋于 稳定。

WEAX含量在籽粒灌浆期表现先增后降的趋 势, 花后7 d未能检测到, 花后19 d迅速增加 (0.33%), 花后25 d达到最高值(0.48 %), 此后下降, 至成熟期降至0.34%左右(图1-B)。

在籽粒灌浆期间, 3个品种籽粒WUAX含量平均达TAX的86%以上, 其变化过程(图1-C)基本与TAX相似。

图1 籽粒灌浆期间3个大麦品种籽粒AX含量和木聚糖酶活性的变化Fig. 1 Changes of AX content and endoxylanase activity in grains of three barley cultivars during filling stage

2.2 灌浆期木聚糖酶活性的变化及与AX的相关性分析

3个品种的籽粒木聚糖酶活性(EA)均随着灌浆进程而下降, 从花后7 d 的12.45 U g-1降至成熟期的1.84 U g-1; EA在品种间的差异恰好与TAX含量相反, 浙秀12一直保持最高, 浙大9号始终处于最低(图1-D)。

相关分析表明, EA与AX之间极显著相关, 其中WEAX与TAX, WUAX及EA呈显著负相关, 而后3个参数间呈显著正相关(表1)。

表1 AX含量与内切木聚糖酶活性之间的相关系数Table 1 Correlation between AX content and endoxylanase activity
2.3 种植地点和农艺因素对AX含量的影响

方差分析结果表明, 种植点对TAX与WEAX的含量影响显著, 氮肥运筹显著影响WEAX含量。在农艺因子组合方面表明, 种植密度与氮肥用量及运筹的互作对TAX含量有显著效应, 而种植点与氮肥用量互作显著影响WEAX含量(表2)。

表2 种植点及农艺因子组合对AX含量的方差分析Table 2 ANOVA of AX content by planting site and agronomic factors
表3 播种量、氮肥用量及运筹对大麦AX含量的影响Table 3 Effect of plant density, nitrogen application rate and timing on AX content in grains of barley (%)

浙大9号在杭州和桐乡两地种植, 籽粒TAX含量差异显著, 杭州点(3.24%)显著高于桐乡点(2.50%), 而WEAX含量恰好相反(表3)。籽粒中WEAX含量较低, 仅占TAX含量的10%左右。在种植密度中等、氮肥水平较低, 以及苗穗期平均施肥时, TAX和WEAX含量均处于相对较低的水平。农艺因素对AX的影响亦因种植地点而异, 这3种农艺因素对TAX和WEAX含量的影响在桐乡点差异没有达到显著水平; 而在杭州点对TAX含量均无显著影响, 但对WEAX含量的影响显著, 表现为随着种植密度的提高、氮肥用量的增加以及后期氮肥比例的升高, WEAX含量降低。

3 讨论

禾谷类作物籽粒灌浆期是产量和品质形成的关键时期。本研究结果显示, 尽管3个啤用大麦的AX含量有很大差异, 但AX各组分及EA的变化动态基本一致。有研究表明, 小麦籽粒的总戊聚糖在灌浆期间表现先增后降的变化趋势[23,24], 本研究结果与此有所不同, 说明AX在籽粒中合成与积累可能发生在早期。另外, 籽粒AX含量是其合成与降解的动态平衡表现, 木聚糖酶活性在灌浆前期较高, 在整个灌浆过程中亦呈下降趋势, 且下降幅度在前期较大, 也表明灌浆前期TAX含量下降快、而WEAX表现增加。

农艺因素影响大麦的啤用品质, 增加氮肥用量或孕穗期追施氮肥比例均会提高籽粒蛋白含量[13], 从而提高β-淀粉酶活性和糖化力(DP), 但降低麦芽浸出率[14,15]。本研究发现, 种植密度、氮肥用量及运筹对浙大9号的籽粒TAX含量的影响不显著。类似的研究有, Dornez等[17]采用3种氮肥水平及运筹研究小麦籽粒AX含量发现, 处理之间无显著差异。本研究种植密度中等、氮肥水平较低和苗穗期氮肥均等施用等处理, 籽粒TAX含量相对较低。因此, 在啤用大麦优质生产上, 应适当控制植株的种植密度、氮肥用量及生育后期氮肥追施。另外, 我们还发现同一品种在两地种植差异显著, 杭州点的籽粒TAX含量显著高于桐乡点, 可能原因一是与试验地的土壤及基础肥力有关, 杭州点为小粉土, 肥力中等, 桐乡点为青紫泥, 肥力中等偏上; 二是与两试验点在籽粒灌浆期的光温条件有关, 因而桐乡点籽粒成熟期比杭州点迟10 d左右。是单因素起主要作用还是多因素共同影响, 尚待进一步明确。

4 结论

3个啤用大麦品种籽粒的阿拉伯木聚糖总含量、非水溶性阿拉伯木聚糖含量和木聚糖酶活性在籽粒灌浆期呈下降趋势, 其中水溶性阿拉伯木聚糖含量的比例较低, 且呈先增后降的趋势。浙大9号籽粒的TAX含量杭州点显著高于桐乡点, 而WEAX含量桐乡点显著高于杭州点; 播种量、氮肥用量及运筹显著影响杭州点籽粒的WEAX含量。

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