不同麦区小麦籽粒蛋白质与氨基酸含量及评价
[刘慧, 王朝辉* 
, 李富翠, 李可懿, 杨宁, 杨月娥]
, 李富翠, 李可懿, 杨宁, 杨月娥]
引用本文
刘慧, 王朝辉, 李富翠, 李可懿, 杨宁, 杨月娥. . 不同麦区小麦籽粒蛋白质与氨基酸含量及评价. 作物学报, 2016, 42(5): 768-777
LIU Hui, WANG Zhao-Hui, LI Fu-Cui, LI Ke-Yi, YANG Ning, YANG Yue-E. . Contents of Protein and Amino Acids of Wheat Grain in Different Wheat Production Regions and Their Evaluation. ACTA AGRONOMICA SINICA, 2016, 42(5): 768-777
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LIU Hui, WANG Zhao-Hui, LI Fu-Cui, LI Ke-Yi, YANG Ning, YANG Yue-E. . Contents of Protein and Amino Acids of Wheat Grain in Different Wheat Production Regions and Their Evaluation. ACTA AGRONOMICA SINICA, 2016, 42(5): 768-777
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不同麦区小麦籽粒蛋白质与氨基酸含量及评价
第一作者联系方式: E-mail: liuhui952515@163.com
摘要
为了解我国小麦品种氨基酸营养状况, 收集了2009—2011年22个省655份小麦籽粒样品, 分析其蛋白质以及18种氨基酸含量。样品中春小麦和冬小麦籽粒蛋白质平均含量分别为13.7%和12.7%。春小麦符合强、中、弱筋蛋白质标准的样品分别占45%、22%和33%, 而冬小麦样品的比例分别为18%、24%和58%。除酪氨酸外, 春小麦各测定氨基酸组分的含量均高于冬小麦, 但必需氨基酸占总氨基酸的比例二者均为28.8%。小麦籽粒蛋白质含量呈现出北高南低、东高西低的趋势, 必需氨基酸含量和总量则呈现出东高西低的趋势。有98%的样品以赖氨酸、2%的样品以色氨酸为限制性氨基酸。春、冬小麦氨基酸评分平均值分别为53和56, 年度间有差异。在本研究取样区域内, 小麦籽粒蛋白质水平整体较低, 尤其是必需氨基酸赖氨酸含量和必需氨基酸占比低, 限制了小麦蛋白质的营养价值。
关键词:
小麦籽粒; 蛋白质; 氨基酸; 区域分布
Contents of Protein and Amino Acids of Wheat Grain in Different Wheat Production Regions and Their Evaluation
Abstract
In order to understand the nutritional status of amino acids of China’s wheat varieties, we collected 655 grain samples of wheat growing in 22 provinces from 2009 to 2011 and analyzed the content of total protein and 18 amino acids. The average grain protein contents of spring and winter wheat were 13.7% and 12.7%, respectively. In spring wheat, 45%, 22%, and 33% of samples met the protein standard for strong, medium, and weak gluten wheat, while the portion was 18%, 24%, and 58% in winter wheat, respectively. Spring wheat had higher contents in all amino acids except for tyrosine than winter wheat, but their ratios of essential to total amino acids were both 28.8%. Protein content decreased in the trend of from the north to the south, and from the east to the west. In addition, the single and the total essential amino acid content decreased from the east to the west. Lysine and tryptophan were the limiting amino acids in 98% and 2% of the wheat samples, respectively. The amino acid score varied across years, with an average of 53 in spring wheat and 56 in winter wheat. In conclusion, the overall protein content level of wheat grain was low in the sampling area. Particularly, the low contents and proportions of lysine and essential amino acids are limited factors in wheat protein nutrition.
Keyword:
Wheat grain; Protein; Amino acid; Regional distribution
小麦是世界上最重要的谷类作物之一, 约占我国粮食作物总播种面积的22% [1]。在发达国家, 膳食蛋白质可以从肉类、豆类和谷类等方面多种食物源获得; 而在欠发达国家, 膳食蛋白质主要由谷物提供[2, 3]。膳食蛋白质提供的氨基酸对机体生长和组织更新有重要作用[4], 摄入高水平氨基酸也能在一定程度上预防克山病、大骨节病[5], 还可提高膳食中微量元素的生物有效性[6, 7, 8]。长期以来, 高蛋白质含量一直是小麦育种的主要目标[9], 同时改善必需氨基酸的比例, 尤其是赖氨酸[4], 也是生物营养强化研究的热点之一。
对来自70多个国家和地区的小麦样品分析表明, 籽粒蛋白质含量为10.9%~19.2%, 平均变幅为13.0%~16.4% [10, 11, 12, 13], 且在不同年代和地点之间差异较大[11]。我国从20世纪50年代开始关注小麦蛋白质含量[14, 15]。2003— 2007年收集的2571份小麦, 其蛋白质含量在4个麦区之间差异显著, 平均值变幅为12.4%~15.1% [16]; 2008年和2009年收集河北冀中、河南豫北、陕西关中485份农户的主栽小麦品种, 其蛋白质含量介于11.1%~16.7%之间, 平均14.0% [17]。目前, 对小麦不同氨基酸组分含量的研究较少, 已有报道一致认为, 谷氨酸、脯氨酸、亮氨酸含量较高, 组氨酸、胱氨酸、蛋氨酸含量较低, 但不同研究报道的某种特定氨基酸的含量差异较大[5, 18, 19]。
国际上多采用氨基酸评分法来评价氨基酸组成及含量对蛋白质营养价值的影响[20], 而这一方面在国内应用并不广泛[21, 22]。对于蛋白质营养价值的评价, 已有研究多采用较早的标准, 如FAO (联合国粮农组织)/WHO (世界卫生组织) 1973年的评分标准[23]、FAO/WHO/UNU (联合国大学) 1985年的评分标准[24]。2007年FAO/WHO/UNU出版了新的小麦蛋白质评分标准[25]。另外, 随着品种不断更新换代, 需要对我国小麦籽粒蛋白质含量及其营养现状进行资料更新。
本研究以2009— 2011连续3年(按收获年份统计)收集的不同麦区655份田间小麦样品为材料, 旨在明确不同麦区小麦蛋白质及氨基酸含量及其在不同区域间的变化, 用FAO/WHO/UNU评分标准(2007)评价不同麦区小麦蛋白质的营养价值, 为提高小麦蛋白质含量、改善必需氨基酸比例提供依据。
1 材料与方法
1.1 样品收集及处理
样品来自全国22个小麦生产省(自治区、直辖市), 覆盖8个麦区, 包括春小麦73份(40个品种)、冬小麦582份(261个品种) [26] (表1)。由于青藏春冬麦区仅有5个春小麦样点, 且其分布靠近西北春麦区, 在分析时将其归在了西北春麦区。
 | 表1 本试验小麦样品来源 Table 1 Sources of wheat samples used in this study |
首先去除样品中的杂质、颖壳和虫咬籽粒, 然后每份样品称取约100 g, 装入网袋内用自来水清洗3遍、蒸馏水清洗2遍, 再将清洗干净的样品带网袋一起于室外干净塑料布上风干, 至含水量约为6.5%时取样分析。
1.2 蛋白质含量及其组分测定方法
每样品取部分籽粒, 粉碎后采用直接水解法测定除色氨酸、胱氨酸和蛋氨酸以外的氨基酸含量, 用碱解法测定色氨酸含量, 用氧化酸解法测定胱氨酸和蛋氨酸含量(GB/T18246-2000)。剩余风干籽粒于65℃烘至恒重, 立即粉碎, 采用浓硫酸加双氧水消煮, 用连续流动分析仪测定消解液中的氮素。籽粒蛋白质含量=籽粒全氮含量× 5.7[27]。按国家标准GB/T 17320-1998、17892-1999、GB/T 17893- 1999中小麦品质标准, 强、中、弱筋小麦蛋白质含量标准分别为≥ 14%、≥ 13%、< 13%, 其中优质强筋和优质弱筋小麦的蛋白质标准分别为≥ 15%和≤ 11.5%。
用Microsoft Excel 2007计算数据, 用SigmaPlot 12.0作频率分布图, 用ArcGIS10.2作区域分布图。
1.3 氨基酸评分标准
采用FAO/WHO/UNU模式(2007)计算氨基酸评分值[25] (表2)。氨基酸得分指待测蛋白质中某种必需氨基酸与“ 理想” 蛋白质中相应必需氨基酸的比值, “ 理想” 蛋白质含有各种必需氨基酸, 且各必需氨基酸含量完全能满足人体的需求。得分最低的氨基酸为第一限制性氨基酸, 由于限制性氨基酸含量相对较低, 导致其他必需氨基酸在体内不能被充分利用而浪费, 因此第一限制性氨基酸的得分即为该待测样品的氨基酸评分值[24]。
| 表2 2007年FAO/WHO/UNU氨基酸评分模式中“ 理想” 蛋白质的必需氨基酸含量 Table 2 Essential amino acid contents in “ ideal” protein in amino acid scoring patterns in the 2007 FAO/WHO/UNU reports |
2 结果与分析
2.1 小麦籽粒蛋白质含量
春小麦籽粒蛋白质含量平均值为13.7% (8.7%~19.6%), 变异系数为15%, 2009、2010、2011年分别为14.2%、13.5%和13.8%。3年共有45%的样品达到强筋小麦蛋白质标准, 其中25%达到优质标准; 33%达到弱筋小麦蛋白质标准, 其中14%达到优质标准(图1-a)。冬小麦蛋白质含量平均值为12.7% (7.9%~19.2%), 变异系数为12%, 2009、2010和2011年分别为13.1%、12.9%和12.3%。3年共有18%的样品达到强筋小麦蛋白质标准, 其中有8%达到优质标准; 58%达到弱筋小麦蛋白质标准, 其中19%达到优质标准(图1-b)。
 | 图1 不同麦区春小麦(a)和冬小麦(b)样品蛋白质含量Fig. 1 Protein content of spring wheat (a) and winter wheat (b) samples from different wheat production regions |
小麦籽粒蛋白质含量在不同区域间差异较大(图2)。春小麦蛋白质含量在东北春麦区最高, 平均值为14.9%, 接近优质强筋小麦蛋白质标准; 其次为北部和西北春麦区, 平均值为13.2%, 符合中筋小麦蛋白质标准; 新疆冬春麦区最低, 平均值为12.4%, 符合弱筋小麦蛋白质标准。冬小麦蛋白质含量在黄淮和北部冬麦区最高, 平均值为13.1%, 符合中筋小麦蛋白质标准; 其次为长江中下游冬麦区, 平均值为12.2%, 符合弱筋小麦蛋白质标准; 西南冬麦区和新疆冬春麦区最低, 平均值为11.7%, 接近优质弱筋小麦蛋白质标准。由此可见, 小麦蛋白质含量在不同麦区呈现出明显的北高南低、东高西低的趋势。
 | 图2 2009-2011年不同麦区小麦蛋白质含量区域分布麦区代号见表1, 华南冬麦区(VI)和青藏春冬麦区(X)无采样。Fig. 2 Regional distribution of wheat protein content in different wheat production regions from 2009 to 2011Codes of regions are given in Table 1, excluding Southwest Winter Wheat Region (VI) and Qinghai-Tibetan Plateau Spring-Winter Wheat Region (X). |
2.2 小麦籽粒氨基酸含量
春、冬小麦在各年份氨基酸含量排序一致, 且占氨基酸总量的比例也基本一致, 表现为谷、脯、亮氨酸含量较高, 占氨基酸总量的将近50%; 酪、组、蛋、色氨酸含量较低, 约占8% (表3和表4)。必需氨基酸中, 亮、苯丙、缬氨酸含量较高, 蛋氨酸、色氨酸较低, 与人体健康最密切的赖氨酸占氨基酸总量不足3%。各氨基酸含量变幅均较大, 极值相差2倍以上。除了酪氨酸, 春小麦各氨基酸含量均高于冬小麦。除2009年冬小麦必需氨基酸含量均较低, 各氨基酸含量没有明显的年际间变化。春小麦必需氨基酸含量略高于冬小麦, 但必需氨基酸占氨基酸总量的百分比, 冬、春小麦均为28.8%。
| 表3 2009-2011年不同麦区春小麦籽粒各氨基酸含量 Table 3 Grain amino acid content of spring wheat in different wheat production regions from 2009 to 2011 |
| 表4 2009-2011年不同麦区冬小麦籽粒各氨基酸含量 Table 4 Grain amino acid content of winter wheat in different wheat production regions from 2009 to 2011 |
除了色氨酸, 各必需氨基酸含量在不同区域差异均较明显。必需氨基酸各组分及总量在不同春小麦区域均表现为东北春麦区> 西北春麦区> 北部春麦区和新疆冬春麦区, 而在冬小麦生长区表现为黄淮和北部冬麦区> 长江中下游冬麦区> 西南冬麦区和新疆冬春麦区。可见, 春、冬小麦各必需氨基酸含量以及必需氨基酸总量在不同麦区间整体呈现出东高西低的趋势(图3)。
 | 图3 2009-2011年不同麦区小麦籽粒必需氨基酸含量区域分布Fig. 3 Regional distribution of essential amino acid contents of wheat grain in different wheat production regions from 2009 to 2011 |
必需氨基酸中, 赖氨酸平均得分值最低, 春、冬小麦平均分别为53、56, 且在不同年份均表现为春小麦低于冬小麦(表5)。除了赖氨酸, 其他必需氨基酸3年平均得分值均高于100, 表明这些氨基酸含量基本能满足人体需求。但是综合3年春、冬小麦, 色氨酸、亮氨酸、苏氨酸、异亮氨酸、缬氨酸分别有9%、12%、13%、18%和24%的样品得分值低于100。
| 表5 不同麦区春、冬小麦籽粒必需氨基酸得分 Table 5 Scores of components and total essential amino acids in spring and winter wheat from different regions |
春、冬小麦中, 约2%的样品色氨酸为限制性氨基酸, 且均为冬小麦, 其他样品均以赖氨酸为限制性氨基酸。春、冬小麦氨基酸平均评分值分别为53和56, 且在不同年份差异较大。由于赖氨酸(2%的样品为色氨酸)含量较低, 使其他必需氨基酸不能被人体充分利用而浪费, 会降低蛋白质的营养价值。
3 讨论
3.1 不同麦区小麦籽粒蛋白质、氨基酸含量总体评价
2009— 2011年不同麦区收集的655份春小麦和冬小麦分别有45%和18%、22%和24%、33%和58%的样品达到强、中、弱筋小麦蛋白质标准, 平均值分别为13.7%和12.7%。冬小麦蛋白质含量低于春小麦, 可能是由于冬小麦较高的产量对蛋白质含量的稀释作用引起的[28], 在本研究中, 小麦蛋白质含量随着产量的增加呈现出降低的趋势, 且冬小麦平均产量(6.6 t hm-2)高于春小麦(5.4 t hm-2)。此外, 开花(抽穗)至成熟期的日均气温是影响籽粒蛋白质含量的关键气候因素, 二者极显著正相关, 在此期间北方平均气温较高, 南方较低, 从南到北日均气温每增加l℃, 蛋白质含量约提高0.4~0.5个百分单位[29, 30]。春、冬小麦蛋白质含量平均为12.8%, 低于俄罗斯西伯利亚(平均16.4%)[12]和芬兰(95%的含量高于13.0%)[13], 可能是这2个地区较低的产量对蛋白质的浓缩效应引起的, 产量分别为1.9~4.2 t hm-2和3.3~4.7 t hm-2。
春、冬小麦氨基酸含量在各年份均表现为谷、脯、亮氨酸含量较高, 胱、组、蛋氨酸含量较低, 这与国内外其他研究一致[5, 18, 19, 31, 32], 但是不同研究之间差异很大, 且国内小麦各氨基酸含量基本都低于国外。氨基酸含量差异受遗传组成、环境因素以及试验年份籽粒成熟时的天气条件影响[4], 此外, 施氮量、病虫害等也会对其造成影响[18]。除酪氨酸外, 春小麦各氨基酸含量均高于冬小麦, 但必需氨基酸占比均为28.8%, 低于匈牙利冬小麦(29.6%)[18]。本研究中春冬小麦必需氨基酸总量略高于、非必需氨基酸总量远高于匈牙利小麦, 导致必需氨基酸占比较低, 推测主要是由于基因差异造成的。
3.2 不同麦区小麦籽粒蛋白质、必需氨基酸区域差异
蛋白质含量在不同区域间差异较大, 无论春小麦还是冬小麦, 籽粒蛋白质含量均呈现北高南低、东高西低的趋势。受基因和环境条件的共同影响, 小麦蛋白质含量存在显著区域间差异, 其中环境因素约占三分之二[2]。Triboi等[33]认为, 蛋白质含量主要受地点和施氮量的影响, 占总变异的63%, 品种因素只占4%。我国地域辽阔, 纬度不同导致了我国气候、气象、土壤、水文等由北向南、由东到西产生差异, 这可能是不同麦区小麦籽粒蛋白质含量差异较大的主要原因。
除了色氨酸, 小麦各必需氨基酸含量及必需氨基酸总量在不同区域间呈现出东高西低的趋势, 与蛋白质的变化规律相似。春小麦表现为东北春麦区> 西北春麦区> 北部春麦区和新疆冬春麦区, 冬小麦与蛋白质的区域变化规律一致。本研究发现, 各必需氨基酸与蛋白质含量均极显著正相关, 相关系数在0.3~0.9之间。对我国不同省份的72份小麦的研究表明, 必需氨基酸总量在中部最高, 东南部次之, 西北部最低[5]。
综上所述, 东北春麦区春小麦蛋白质和氨基酸含量较高, 适合发展强筋小麦; 北部和新疆冬春麦区春小麦蛋白质和氨基酸含量较低, 适合发展弱筋小麦。长江中下游冬麦区和西南冬麦区小麦的蛋白质含量整体较低, 氨基酸含量也较低, 是我国最具优势的低蛋白含量区, 适合发展弱筋和优质弱筋小麦; 黄淮冬麦区是我国最重要的小麦产区, 其播种面积和总产量均居首位, 适合发展中筋小麦。根据气候、土壤等环境条件, 以稳定和提高产量为前提, 结合小麦蛋白质与氨基酸在不同区域间差异特点, 将传统育种技术和分子标记辅助选择等技术相结合选育适合各区域种植的优质品种[34], 同时加强小麦栽培技术的研究和推广, 特别是加强肥料管理, 在优化氮磷钾投入的基础上, 注重微量元素的施用, 以有效提高蛋白质、必需氨基酸总量和相对占比[35], 在整体上提高和优化我国目前小麦的蛋白质与氨基酸的数量和质量。
3.3 不同麦区小麦籽粒蛋白质营养价值的评价
2009— 2011年收集的655份小麦有98%的样品限制性氨基酸为赖氨酸, 这与前人研究一致[3, 36, 37], 2%的样品为色氨酸, 春、冬小麦籽粒氨基酸评分值平均为53、56。张林生[22]以FAO/WHO1973提出的氨基酸评分标准为参考, 发现小麦赖氨酸(52)、苏氨酸(73)得分值最低, 分别为第一、第二限制性氨基酸, 异亮氨酸、亮氨酸、苏氨酸、缬氨酸得分值均小于100。在本研究中, 以2007年的标准评判, 除了赖氨酸得分值较低(春、冬小麦平均56), 其他必需氨基酸得分值均大于100。春、冬小麦氨基酸评分值在不同种植年份之间差异较大, 2010年(55、58) ≈ 2011年(53、59) > 2009年(49、50)。氨基酸评分值的年际变化在巴基斯坦已有报道, 44个春小麦品种氨基酸评分值在1995— 1996年低于1996— 1997年, 分别为44和47 [4]。
蛋白质和必需氨基酸缺乏是发展中国家和欠发达国家人体营养的主要问题之一。小麦的营养品质可通过增加其蛋白质含量和限制性氨基酸尤其是赖氨酸的含量得到改善。但2009— 2011年对不同麦区春、冬小麦的研究发现, 赖氨酸的变异较小, 约为11%, 这可能使提高赖氨酸含量较为困难。
The authors have declared that no competing interests exist.
作者已声明无竞争性利益关系。The authors have declared that no competing interests exist.
参考文献
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