《食品科学》：山西农业大学姬虎太研究员等：小麦面筋蛋白遗传特性综合评价

小麦（Triticum aestivum L.）是制作馒头、面条、面包、饼干和其他烘焙食品的最主要原料之一。其蛋白质的量与质是育种家选择新品种的基本标准，也是影响烘焙质量的重要指标。小麦中蛋白质的组成和含量受基因型、生长环境等诸多因素的影响，其中最重要的组分是面筋蛋白，约占总蛋白含量的80%左右，是决定小麦粉最终用途的重要指标。小麦品质评价与改良工作中，不但要关注其蛋白质含量，还要关注其面筋蛋白的数量与质量以及面筋网络中二硫键的含量。

山西农业大学小麦研究所的姜兰芳、毛航、姬虎太*等选取不同筋力小麦品种为供试材料，分别测定其籽粒品质（巯基含量、二硫键含量、蛋白质含量和GMP含量）、面粉品质（湿面筋含量、干面筋含量、沉降值和面筋指数）和面团品质（流变学特性指标和面筋聚集参数），综合运用主成分分析、相关性分析、隶属函数法和逐步回归等方法对小麦面筋蛋白品质进行综合评价，并通过测定面包品质验证综合评价值的可靠性，旨在明确不同筋力小麦籽粒巯基、二硫键含量与面筋蛋白品质的关系，为小麦品质改良及评价提供理论依据。

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巯基、二硫键含量的差异分析

二硫键含量与面筋蛋白网络结构息息相关，是影响品质指标重要因素之一，其与巯基是蛋白质重要的功能基团，二者之间可发生互换反应，在不同筋力小麦品种中的含量有较大差异。由图1可以看出，44 个小麦籽粒中巯基、二硫键含量变化趋势基本相同，即在籽粒中巯基含量高的品种二硫键含量也较高。不同小麦品种中巯基含量的变幅为13.30～16.66 μmol/g，平均值为14.75 μmol/g，变异系数较大，为18.62%，而二硫键含量变幅为3.28～6.78 μmol/g，平均值为4.60 μmol/g，变异系数为4.71%。其中，籽粒中巯基含量最高的品种为‘冀师02-1’，‘山农22’最低；二硫键含量最高的品种为‘藁优2018’，‘山农22’最低。

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面筋蛋白性状的变异分析

将面筋蛋白性状分为数量性状、质量性状和面筋聚集性状3 类指标进行分析，对供试小麦样品的17 个蛋白性状进行描述性统计，如表2所示，面筋蛋白性状变异范围在4.74%～89.46%。数量性状中，GMP含量、湿面筋含量和干面筋含量沉降值的变异系数较大，GMP质量分数变幅为15.40%～43.09%，平均值为28.49%；湿面筋质量分数变幅为28.00%～47.50%，平均值为35.23%；干面筋质量分数变幅为10.80%～19.95%，平均值为14.08%。质量性状中，变异系数排序为：稳定时间＞粉质质量指数＞拉伸面积＞最大拉伸阻力＞面筋指数＞延伸度＞吸水率。其中稳定时间、粉质质量指数、拉伸面积和最大拉伸阻力变异系数分别为89.46%、80.78%、51.72%和50.21%，变异系数均大于50%，说明面筋蛋白质量性状的变异潜力较大，为育种材料的选择及品质改良提供了极大可能。吸水率的变异系数最小，为4.74%，说明其表现相对较稳定。面筋聚集性状中，PMT、AM、聚集能量和PM等变异系数较大，分别为42.39%、20.36%、11.08%和11.06%。3 类性状指标的峰度与偏度绝对值多数小于1，仅有部分大于1，表明供试小麦样品面筋蛋白各性状基本服从偏态分布。

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面筋蛋白品质性状综合评价

3.1 主成分分析

小麦大部分品质性状间存在一定的相关性，通过单一或几个指标评价品质存在局限性，利用主成分分析将多指标转换为综合因子客观评价品质已得到认可。基于巯基、二硫键含量和面筋蛋白性状进行主成分分析，KMO（Kaiser-Meyer-Olkin）值（0.74）和Bartlett检验（P＜0.01）合格。如表3所示，19 个性状可以被提取为3 个主成分，贡献率分别为40.80%、19.86%和15.88%，累计贡献率达到76.54%，表明这3 个成分能反映19 个性状的绝大多数信息。第1主成分的最大拉伸阻力、拉伸面积、面筋指数、稳定时间、粉质质量指数、二硫键含量、PMT和GMP含量载荷较大，称为面筋蛋白质量因子；第2主成分的聚集能量、BEM和PM载荷较大，称为面筋聚集因子；第3主成分的蛋白质含量、巯基含量、干面筋含量和湿面筋含量载荷较大，称为面筋蛋白数量因子。

3.2 主成分因子相关性分析

对主成分因子载荷大于0.70的15 个面筋蛋白性状的指标值进行相关性分析，如图2所示，小麦籽粒中巯基含量与蛋白质含量呈极显著正相关，相关系数达到0.74，二硫键含量与GMP含量、面筋指数、稳定时间、粉质质量指数、拉伸面积、最大拉伸阻力等蛋白质量性状均呈极显著正相关，相关系数达到0.80以上；GMP含量与面筋指数、拉伸面积等蛋白质量性状呈极显著正相关，但与蛋白质含量、湿面筋含量和干面筋含量等数量性状间相关性不显著；面筋指数、稳定时间、粉质质量指数、拉伸面积、最大拉伸阻力指标间存在极强正相关；PMT与二硫键含量、面筋蛋白质量性状均呈极显著正相关，相关系数达到0.70以上，聚集能量与BEM和PM呈极显著正相关。

3.3 聚类分析

基于巯基、二硫键含量和面筋蛋白性状的指标值进行系统聚类，将44 份小麦品种分为3 个类群（表4、图3），并分别统计每类材料不同性状的平均值。结果表明，第I类群聚集的10 份材料均为强筋小麦，且第一主成分提取载荷较大的面筋蛋白质量因子指标值均最高；第II类群聚集的11 份材料的蛋白质量品质略微差于第I类群，该部分除‘石优17’外，其他材料也均为强筋小麦。与第I类群材料的品质相比，第I类群蛋白质量性状较第I类群略差，但数量性状与第I类群相当，没有显著差异；第III类群包含23 份材料，包括中筋和中强筋小麦，这部分材料的蛋白数量性状（沉降值除外）和质量性状均较差。3 个类群之间的面筋指数、稳定时间、粉质质量指数、拉伸面积、最大拉伸阻力和PMT均存在显著差异。

3.4 面筋蛋白性状综合评价

结合主成分分析结果，通过隶属函数法进行归一化处理，计算各个性状的隶属函数值，利用贡献率求得权重系数分别为0.533、0.259和0.207，通过权重及隶属函数值求得每个品种的D值，其大小决定蛋白综合性状的优劣程度，数值越大面筋蛋白综合性越优，反之亦然。供试样品的D值变化范围为0.165～0.882，平均值为0.461。对聚类分析中得到的3 个类群的D值进行统计和分析，第I类群D值平均值为0.646，第II类群D值平均值为0.563，第III类群D值平均值为0.332，根据D值筛选出排名较高的6 个品种分别为‘冀师02-1’‘临优145’‘藳优9415’‘西农979’‘藁优2018’和‘师栾02-1’；较低的6 个品种为‘品育8012’‘临优2069’‘西农585’‘烟农1212’‘山农22’和‘泰科麦33’（图4）。其中，主成分因子载荷大于0.70的15 个性状中有12 个性状的平均值与D值呈显著正相关（P＜0.05）（表3、5），拉伸面积与D值的相关系数高达0.927，二硫键含量和GMP含量与D值的相关系数分别为0.876和0.733；湿面筋含量与D值相关系数为0.072。

3.5 建立回归模型及筛选综合评价指标

D值作为因变量、19 个面筋蛋白性状作为自变量，建立逐步回归方程：Y＝-0.565+0.011X2+0.003X3+0.009X4+0.006X6+0.001X8+0.001X12+0.001X15。方程中的X2、X3、X4、X6、X8、X12和X15分别代表二硫键含量、GMP含量、蛋白质含量、干面筋含量、面筋指数、拉伸面积和PMT。相关系数r＝0.998，校正系数R2＝0.995，这7 个指标解释了D值99.50%的变异，检验统计量F为961.64。相关性分析表明，除蛋白质含量与D值呈显著正相关外，其余6 个指标与D值均呈极显著正相关（表5），该回归方程包括3 个面筋蛋白数量因子、3 个质量因子和1 个面筋聚集因子，可用于小麦蛋白质数量和质量综合评价，上述7 个指标可作为筛选小麦优异种质的关键性指标。

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面筋蛋白D值与面包品质关系

小麦蛋白质的量与质是决定面包品质的主要指标。因此，通过测定面包品质进一步验证蛋白D值的准确性和可行性。将蛋白D值与面包品质指标体积、比容、硬度、弹性、胶黏性和咀嚼性进行线性分析，结果如图5所示。面包品质指标与D值之间具有较好的线性关系，决定系数R2在0.561 4～0.771 3之间，其中体积和比容与D值的R2分别为0.771 3和0.687 1，硬度、弹性、胶黏性和咀嚼性的决定系数R2均在0.50以上，分别为0.606 2、0.584 7、0.561 4和0.603 4。面包体积、比容、弹性与D值呈正相关，而硬度、胶黏性和咀嚼性与D值呈负相关。蛋白D值不但可以反映被测样品中面筋蛋白的数量与质量，还可预测面包的烘焙品质。

不同筋力小麦面筋蛋白性状变异分析

变异系数可用来评估遗传多样性丰富程度，数值越大表明改良潜力越大。研究表明，一般变异系数大于10%代表该样本间性状差异较大。本研究选取的供试品包含了强筋力、中强筋力和中筋力小麦品种，面筋蛋白性状的差异较大，其中面筋指数最大为99.05，面筋指数最小为21.77。不同筋力小麦籽粒巯基、二硫键含量变幅与李府等的研究基本一致，巯基含量的变异系数为18.62%，二硫键含量的变异系数为4.71%，可能是因为籽粒中二硫键含量较少。19 个面筋蛋白性状的变异系数分析发现蛋白质量性状（稳定时间、粉质质量指数、拉伸面积和最大拉伸阻力）的变异系数较大，这与李晓丽等的研究结果较为一致。原因可能是所选供试品中面筋质量差异较大，且由基因型决定。而面筋聚集特性中PMT、AM、PM和聚集能量等变异系数也较大，面筋聚集仪是一种基于剪切作用快速测量面筋聚集行为的设备，在最近的一项研究中，PMT被提出作为混合仪和面筋指数测试的替代方法评估硬粒小麦的面筋蛋白强度。

面筋蛋白综合评价

主成分分析是在尽量保持原有信息的基础上将多指标简化为少量综合指标的一种统计分析方法。本研究利用主成分分析和隶属函数法相结合综合评价面筋蛋白，该方法已经在海岛棉、陆地棉、水稻等物种的综合评价中得到应用。对19 个面筋蛋白性状进行主成分分析提取到3 个主成分因子，累计贡献率达到76.54%，表明这3 个因子能反映19 个蛋白性状的绝大多数信息。3 个主成分因子分别为面筋蛋白质量因子、数量因子和聚集因子，其中二硫键含量和GMP含量归为蛋白质量因子，表明其直接影响面筋蛋白的质量，这与Li Liqun等的研究结果较为一致。该研究表明面筋的二级结构是决定面团质量的关键，特别是β-折叠结构含量与面团的黏弹性呈正相关，面筋结构中的β-折叠和二硫键协同作用，形成致密稳定的面筋网络结构。对主成分提取载荷较大的15 个性状进行相关性分析发现，巯基含量与二硫键、蛋白质含量显著正相关，这与李文阳等的研究结果一致，该研究发现小麦籽粒中蛋白质含量、巯基含量、二硫键含量随着施氮水平的增加而逐渐增加。而二硫键含量与面筋指数、稳定时间、最大拉伸阻力等蛋白质量性状呈显著正相关。因为巯基与二硫键是蛋白质重要的功能基团，二者的含量决定面筋网络结构的聚集程度，其中，二硫键的交联作用有利于面筋网络结构形成，对面制品意义重大。面筋聚集能量与BEM、PM和干面筋含量显著正相关，这与Marti等的研究结果相一致，聚集能量可以反映面团稳定性。D值与主成分因子载荷大于0.70的12 个性状呈显著正相关，因此，D值兼顾面筋蛋白质量性状、数量性状和聚集性状，其大小可以综合评价面筋蛋白的量与值，还可为面粉用途的选择提供参考依据。

面筋蛋白性状较多且存在一定的相关性，通过逐步回归得到二硫键含量、GMP含量、蛋白质含量、干面筋含量、面筋指数、拉伸面积和PMT 7 个性状显著影响小麦面筋蛋白综合表现。因此，在小麦品质遗传改良及评价等工作中可重点关注这7 个性状。尤其是二硫键含量、GMP含量和面筋指数，这些指标的检测不需要太多的样品量和昂贵的仪器，即使是早代材料也可用来检测确定其品质。

结论

不同筋力小麦面筋蛋白存在较丰富的变异潜力，面筋蛋白质量性状的变异系数较大；面筋蛋白的数量与质量以及面筋网络中二硫键的含量可作为小麦品质评价和改良的关键指标；采用多元统计分析方法综合评价面筋蛋白品质具有可行性，‘冀师02-1’‘临优145’‘藳优9415’‘西农979’‘藁优2018’和‘师栾02-1’D值较高，可作为强筋优质亲本加以利用。

作者简介

通信作者：

姬虎太 研究员

山西农业大学小麦研究所 所党委书记、所长

1992年毕业于北京农业大学作物专业。现任山西农业大学小麦研究所所长、研究员，兼任山西省现代农业产业技术小麦体系首席专家、山西省第七届农作物品种审定委员会小麦专业委员会委员，临汾市D类高层次人才，《山西农业科学》第五届编委。

主要从事小麦品质遗传育种和谷物品质加工研究等工作。参加工作以来，主持山西省小麦良种攻关、山西省科技成果推广等项目6 项，参与国家“863”、国家科技支撑计划、国家转基因小麦重大专项和国家小麦产业体系山西省综合试验站等项目20余项，选育出中强筋小麦新品种临优145、临优2018、临优2069、临Y7287、晋麦92号、晋麦94号、品育8161、品育8012、品育8155和紫麦8555等10 个品种。获山西省科技进步一等奖2 项、二等奖3 项、三等奖2 项。

发表论文30余篇，参编《山西小麦》、《小麦品质及其改良》、《小麦形态发育图谱》、《山西玉米与小麦良种繁育》和《环境分子生物学研究技术与方法》等论著5 部。先后获临汾市直工委优秀共产党员、山西省农林水劳动竞赛委员会五一劳动奖章等荣誉称号。

第一作者：

姜兰芳 助理研究员

山西农业大学小麦研究所

2011年毕业于西南大学化学化工学院，硕士研究生，2016年入职于山西农业大学小麦研究所，研究方向主要是优质小麦选育及品质研究，工作以来，参与多项国家、省部级项目，发表多篇小麦品质相关论文，参与审定小麦品种4 个，获山西省科技进步一等奖1 项、二等奖1 项。2022年主持山西省青年基金《小麦蛋白质二硫键异构酶（wPDI）对面筋蛋白聚集的影响机制》1 项。

本文《小麦面筋蛋白遗传特性综合评价》来源于《食品科学》2024年45卷11期，作者：姜兰芳，毛航，王雪，曹勇，郝建宇，马小飞，王敏，李晓丽，张定一，姬虎太*。DOI：10.7506/spkx1002-6630-20230918-149。点击下方阅读原文即可查看文章相关信息。

实习编辑：普怡然；责任编辑：张睿梅。点击下方阅读原文即可查看全文。图片来源于文章原文及摄图网

为深入探讨未来食品在大食物观框架下的创新发展机遇与挑战，促进产学研用各界的交流合作，由北京食品科学研究院、中国肉类食品综合研究中心及中国食品杂志社《食品科学》杂志、《Food Science and Human Wellness》杂志、《Journal of Future Foods》杂志主办，西华大学食品与生物工程学院、四川旅游学院烹饪与食品科学工程学院、西南民族大学药学与食品学院、四川轻化工大学生物工程学院、成都大学食品与生物工程学院、成都医学院检验医学院、四川省农业科学院农产品加工研究所、中国农业科学院都市农业研究所、四川大学农产品加工研究院、西昌学院农业科学学院、宿州学院生物与食品工程学院、大连民族大学生命科学学院、北京联合大学保健食品功能检测中心共同主办的“第二届大食物观·未来食品科技创新国际研讨会”即将于2025年5月24-25日在中国 四川 成都召开。

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