全 文 :Vol. 29 , No. 4
pp. 481~485 July , 2003
作 物 学 报
ACTA AGRONOMICA SINICA
第 29 卷 第 4 期
2003 年 7 月 481~485 页
我国冬小麦品种多酚氧化酶活性的遗传变异及其与品质性状的相关
分析
葛秀秀1 何中虎1 ,2 , 3 杨 金1 张歧军1 Ξ
(1中国农业科学院作物育种栽培研究所 ,国家小麦改良中心 ; 2 CIMMYT中国办事处 ,北京 100081)
摘 要 PPO 及其相应底物是面条贮存期间 (或挂面干燥过程中)颜色褐变的主要原因。本试验对我国 164 份冬小麦品
种的籽粒 PPO 以及 83 份主栽品种的面粉 PPO 进行了筛选 ,研究了基因型、环境及其互作对籽粒及面粉 PPO 活性的影响 ,
同时探讨了 PPO 活性与其他品质性状的关系。结果表明 ,我国冬小麦品种间 PPO 活性变异较大 ,籽粒 PPO 变化范围
1193~12. 00 A475/ g min - 1 ×103 ,面粉 PPO 变化范围 0. 22~3. 74 A475/ g min - 1 ×103 。基因型、环境及其互作对 PPO 活性的
影响都达到极显著水平 ,除软麦面粉外 ,基因型对小麦 PPO 活性的影响大于环境。面粉 PPO 活性与面粉白度及 24 h 面
团颜色呈显著负相关 , r 值分别为 - 0. 50 和 - 0. 59 ;容重、千粒重、籽粒硬度、出粉率通过改变面粉中麸皮含量 (主要影响
PPO 含量)而影响面团颜色 ,而蛋白质及淀粉特性则通过影响 PPO 活性的表达导致品种间面团颜色变化的差异。
关键词 普通小麦 ;多酚氧化酶 (PPO) ;颜色褐变 ;加工品质
中图分类号 : S512 文献标识码 : A
Polyphenol Oxidase Activities of Chinese Winter Wheat Cultivars and Correlations
with Quality Characteristics
GE Xiu2Xiu1 HE Zhong2Hu1 ,2 YANGJin1 ZHANG Qi2Jun1
(1 Institute of Crop Breeding and Cultivation , National Wheat Improvement Center , Chinese Academy of Agricultural Sciences ; 2 CIMMYT China Office , CAAS , Beijing
100081 , China)
Abstract The enzyme polyphenol oxidase( PPO) has been related to undesirable brown discoloration of wheat2based end
products such as noodles. 164 cultivars from winter wheat region in China were used to screen grain PPO activity , and 83
cultivars were used to determine flour PPO activity and other quality characteristics. Two sets of wheat samples were used to
investigate the effects of genotype , environment and their interaction on grain and flour PPO activity. Significant differences
in grain and flour PPO activity were observed in the China winter wheat populations. Grain PPO activity among China winter
wheats ranged from 1. 93 to 12. 00 A475/ g min - 1 ×103 , and flour PPO activity ranged from 0. 22 to 3. 74 A475/ g min - 1 ×
103 . The variability in grain and flour PPO activities was influenced by growing location and genotype for the winter wheat
samples. The variation in grain and flour PPO activities among growing locations appeared smaller than variation produced
by genotypes for the winter wheat samples except for soft wheat flour PPO. Flour PPO activities were related to L3 of flour
and 24 h fresh noodle sheets , correlation coefficients were - 0. 50 and - 0. 59 respectively. Quality parameters , such as
grain hardness , milling yield , flour protein , water absorption and falling number significantly Correlated with flour PPO ac2
tivities. Test weight , TKW , grain hardness and flour yield affected PPO content through changing bran content , while pro2
tein and starch affected PPO activities.
Key words T. aestivum ;Polyphenol oxidase ;Brown discoloration ;Processing quality
基金项目 :国家自然科学基金 (30270822、39930110) 、863 计划 (2001AA241031、2002AA207003) 、973 国家重点研究规划 (2002CB111300) 、948 重
大农业国际科技合作项目的资助。
作者简介 :葛秀秀 (1974 - ) ,女 ,中国农业科学院作物所博士后 ,主要从事小麦品质育种的研究。3 通讯作者 :何中虎 ,Tel :010268918556 ;Fax :010268918547 ; E2mail :zhhe @public3. bta. net . cn
Received(收稿日期) :2002208205 ,Accepted(接受日期) :2003201225.
国内对小麦的蛋白质数量和质量、面团流变学
特性和淀粉品质与面条加工品质的关系进行了较多
研究[1 ,2 ] ,但却忽视了面条颜色的相关研究 ,导致多
数品种制作的鲜切面在贮存过程中颜色变暗 (褐)或
干挂面的颜色偏暗 (褐) 。PPO 是引起面条 (团) 颜色
褐变的主要原因 ,通过遗传途径降低 PPO 活性有助
于改善面条的颜色[3~5 ] 。
多酚氧化酶 (polyphenol oxidase , PPO) 包括单酚
单氧化酶[酪氨酸酶 (tyrosinase) , EC1. 14. 18. 1 ]、双
酚氧 化 酶 [ 儿 茶 酚 氧 化 酶 ( catechol oxidase ) ,
EC11101312 ]、漆酶 (laccase ,EC1. 10. 3. 1) 。PPO 催化
内源苯酸 (如阿魏酸、芥子酸、香草酸等) 的氧化 ,导
致短链聚合物的产生 ,进而引起面团失色褐变[6 ] 。
酚类氧化产物如醌能够和胱氨酸的巯基、赖氨酸的
ε2氨基、氨基酸的α2氨基发生反应生成其他物质[7 ] ,
因此褐变反应在影响面制品表观色泽的同时 ,还直
接影响到食品的特性和蛋白质的营养品质。
国内有关小麦 PPO 的遗传研究未见报道 ,为
此 ,本试验对我国冬播麦区主栽品种的 PPO 活性进
行测定 ,筛选 PPO 活性低的品种 ,研究基因型、环境
及其互作对 PPO 活性的影响 ,同时探讨 PPO 活性与
其他品质性状的相关性 ,为 PPO 引起的面团褐变进
行遗传改良提供理论依据。
1 材料和方法
1. 1 供试材料 (如需详细清单请与作者联系)
2000~2001 年度 ,164 份北方冬麦区品种 (系)
种植于河南安阳中国农科院棉花所小麦试验地 ,用
于籽粒 PPO 活性差异筛选 ;83 份冬小麦品种种植于
河南郑州进行 PPO 活性与磨粉品质、面粉理化特
性、面团流变学特性及淀粉特性的关系分析 ;13 个
硬质冬小麦分别种植在山东济南、河南郑州和安阳 ,
13 个软质冬小麦品种同时种植在江苏大丰、四川成
都、安徽合肥。随机区组设计 ,2 次重复。
1. 2 品质性状测定方法
各试验点 2 次重复的种子进行以下品质指标的
测定。
1. 2. 1 容重 用 HGT21000 型容重仪测定 ,按国
家粮食标准 GB1351278 进行。
1. 2. 2 蛋白含量 用近红外 (NIR) 分析仪 ( Instal2
ab 600 , Newport Scientific Scales and Services Pty Ltd ,
Australia)测定 14 %湿基的蛋白含量。
1. 2. 3 籽粒硬度和千粒重 用单粒谷物硬度测
定仪 (SKCS 4100 , Single Kernel Characteristic System )
测定 ,硬度值大于 60 为硬质 ,小于 40 为软质 ,40~
60 之间为混合麦。
1. 2. 4 出粉率 参照 AACC 26220 方法 ,用瑞典
BUHLER 实验磨磨粉。
1. 2. 5 灰分 按 AACC 方法 08201 测定 ,测定结
果换算成 14 %湿基条件下的灰分含量。
1. 2. 6 降落值 按 AACC方法 56281B 测定。
1.2. 7 粉质仪参数 用德国 Brabender 公司的
810104 型粉质仪 (Farinograph)测定 ,按 AACC54221 方
法测定吸水率等面团流变学特性参数。
1. 2. 8 面粉、新鲜面片或干面片的颜色 用 Mi2
nolta CR2310 色度仪检测 (Minolta Camera Co. , Ltd. ,
Japan) ,使用 D65 灯的 1976 CIE - L 3 a 3 b 3 色度系
统。鲜面片贮存在塑料袋中 ,25 ℃恒温 ,0 h、2 h、24
h 时分别检测。干面片悬挂在 40 ℃、60 %相对湿度
的恒温、恒湿箱中 ,在 0 h、2 h、4 h、24 h、48 h 时检
测。6 次重复 (面片中心附近正反面各 3 次) 。L 值
表示亮度和白度 ,越大则越白 (亮) ; b 值表示蓝2黄
度 ,越大则越黄。
1. 2. 9 PPO 活性的测量 参照华盛顿州立大学
小麦品质实验室方法[8 ] 。
2 结果与分析
211 中国冬小麦品种 PPO 活性的遗传变异
将供试品种 PPO 活性的平均数等参数列于
表 1。
表 1 我国冬小麦品种 PPO 活性的平均值、变异系数和变化范围
Table 1 Mean ,coefficient of variance ( CV%) and range of
PPO activities of Chinese winter wheat
PPO 活性
(A475/ g min - 1 ×103)
PPO activity
个数
Number
平均
值
Mean
范围
Range
标准
差
SD
变异
系数
CV %
籽粒 Grain 164 6198 1193~12100 2136 3318
面粉 Flour 83 1162 0122~3174 0181 4810
硬质籽粒 Hard wheat grain 13 7139 2167~11163 2137 3212
硬质面粉 Hard wheat flour 13 1199 0175~3173 0168 3414
软质籽粒 Soft wheat grain 13 7107 2133~10185 2162 3710
软质面粉 Soft wheat flour 13 0189 0120~1162 0138 4217
由表 1 可知 ,164 份冬小麦籽粒 PPO 活性变化
范围为 1193~12100 A475/ g min - 1 ×103 ,最大值是最
小值的 6 倍 ,多数品种 PPO 活性分布在 6~10 之间
284 作 物 学 报 29 卷
(图 1) 。10 个籽粒 PPO 活性最低的品种 (系)是农大
3395 (1193) 、扬麦 5 号 (2133) 、农大 3291 (2135) 、农大
3214 (2159) 、绵阳 940112 (2159) 、中育 5 号 (2167) 、
山东 956161 (2173) 、山东 92440226 (2177) 、京 9428
(2190)和川 892114 (2196) 。
图 1 164 个中国主栽冬小麦品种籽粒 PPO 活性的分布
Fig11 Distribution of PPO activity in 164 Chinese winter wheats
83 个冬小麦主栽品种面粉 PPO 活性变化范围
为 0122~3174 A475/ g min - 1 ×103 ,最大值是最小值
的 17 倍。10 个面粉 PPO 活性最低的品种 (系) 是扬
麦 5 号 (0120) 、关封 2 号 (0123) 、绵阳 11 (0130) 、京
9428 (0152) 、丰优 6 号 (0165) 、郑优 6 号 (0167) 、百农
64 (0168) 、烟农 15 (0168) 、藁城 8901 (0175) 和鲁麦 22
(0180) 。
硬质冬小麦籽粒 PPO 活性是面粉 PPO 活性的 4
倍左右 ,而软质冬小麦籽粒 PPO 活性是面粉 PPO 活
性的 7 倍还多 ;同时 ,无论籽粒还是面粉 ,硬质冬小
麦 PPO 活性平均值都大于软质冬小麦 PPO 活性平
均值 ,表明 PPO 主要存在于麸皮中且受硬度的影
响。
以上结果表明 ,我国冬小麦品种 (系) 间籽粒和
面粉 PPO 活性存在很大差异 ,变异范围广 ,选择潜
力大 ,通过育种途径改善小麦制品颜色褐变现象是
可能的。
212 基因、环境及其互作对品种 PPO 活性的影响
种植在济南、郑州和安阳的硬质小麦籽粒和面
粉 PPO 活性分别为 8124 A475/ g min - 1 ×103、7139
A475/ g min - 1 ×103、5162 A475/ g min - 1 ×103 和 2156
A475/ g min - 1 ×103、1199 A475/ g min - 1 ×103、1164
A475/ g min - 1 ×103。种植在合肥、大丰和成都的软质
小麦籽粒和面粉 PPO 活性分别为 8139 A475/ g min - 1
×103、7107 A475/ g min - 1 ×103、6107 A475/ g min - 1 ×
103 和 1133 A475/ g min - 1 ×103、0189 A475/ g min - 1 ×
103、0187 A475/ g min - 1 ×103。
由表 2 方差分析可知 ,环境、基因型及其互作对
小麦的籽粒 PPO 活性有极显著影响 ,而且 ,基因型
均方大于环境均方 ,二者也都大于基因 ×环境互作
均方 ,表明籽粒 PPO 活性主要受基因型影响。Baik
等[9 ]也发现种植在澳大利亚和美国的同一品种籽粒
PPO 活性之间存在显著差异 ,但对同一地点的不同
品种进行比较 , 基因型则是影响 PPO 活性的主要
因素。
表 2 冬小麦 PPO 活性变异的方差分析
Table 2 Analysis of variance( ANOVA) of
polyphenol oxidase activity in grain and flour
来源 Source
自由度
df
平均方差
MS
F 值
F ratio
硬质籽粒 Hard grain PPO
环境 Location 2 2180 7137 3 3
基因型 Genotype 12 34123 90100 3 3
环境×基因型 Location ×Genotype 24 1168 4141 3 3
误差 Error 39 0138
硬质面粉 Hard flour PPO
环境 Location 2 1134 6138 3 3
基因型 Genotype 12 1149 7110 3 3
环境×基因型 Location ×Genotype 24 0136 1171 3 3
误差 Error 39 0121
软质籽粒 Soft grain PPO
环境 Location 2 32124 22126 3 3
基因型 Genotype 12 62190 43143 3 3
环境×基因型 Location ×Genotype 24 2198 2106 3 3
误差 Error 39 1145
软质面粉 Soft flour PPO
环境 Location 2 3171 5158 3 3
基因型 Genotype 12 2147 3173 3 3
环境×基因型 Location ×Genotype 24 0194 1142
误差 Error 39 0166
3 3显著水平 P = 0101. 3 3 Significant at P = 0101.
环境和基因型对小麦的面粉 PPO 活性有极显
著影响 ,只是硬质小麦基因型均方略高于环境均方 ,
而软质小麦则是环境均方略高于基因型均方 ;软质
小麦面粉 PPO 活性基因 ×环境互作差异不显著 ,而
硬质小麦面粉 PPO 活性基因 ×环境互作差异极显
著。
213 PPO 活性与面粉和面片颜色的关系
将 83 份鲜切面和挂面颜色随时间的变化列于
表 3。可以看出 ,鲜切面在贮存过程中和挂面在干
燥过程中都表现为 L 3 值降低和 b 3 值增大的趋势。
24 h 内鲜切面的颜色变化幅度比挂面大 ,而且 ,鲜切
384 4 期 葛秀秀等 : 我国冬小麦品种多酚氧化酶活性的遗传变异及其与品质性状的相关分析
面在贮存过程中的颜色变化是持续的 ,而挂面干燥
2 h 后颜色变化幅度很小 ,表明水分可能与颜色褐变
有关。
表 3 鲜切面和挂面的 L 3 、b 3值
Table 3 CIE L 3 and b 3 values of fresh and dry noodle sheets
颜色
鲜切面
Fresh noodle sheets
挂面
Dry noodle sheets
Color 0 h 2 h 24 h 0 h 2 h 4 h 24 h 48 h
L 3 84106 78118 73133 86178 83193 83177 83156 83122
b 3 12121 14141 15138 12188 13147 13146 13153 13146 表 4 为籽粒、面粉 PPO 活性与面粉和面片 L 3(亮度)和 b 3 (黄度) 值及其变化的相关系数。可以看出 ,PPO 活性和面粉、面片的 L 3 、b 3 值及其变化显著相关 ,PPO 活性和L 3 值及其变化为负相关 ,PPO活性和 b 3 值间为正相关 ,相关程度尤以 24 h 明显 ,籽粒和面粉 PPO 活性与鲜面片 24 h 的 L 3 值的相关系数分别为 - 0140 和 - 0159 ,面粉 PPO 活性与挂面24 h 的 L 3 值的相关系数为 - 0137。由此可见 ,PPO对酚底物的氧化是面粉及面片颜色褐变的重要原因 ,氧化过程需要水分的参与 ,氧化程度在 24 h 时
达最大。
表 4 PPO 活性与面粉和面片颜色的关系
Table 4 Correlation coefficients between PPO activities and color of flour and noodle sheet
PPO 活性 面粉颜色 Flour color 鲜面片颜色 Fresh noodle sheet color
PPO activity L 3 b 3 L 3 (0 h) b 3 (0 h) L 3 (2 h) b 3 (2 h) L 3 (24 h) b 3 (24 h)
籽粒 Grain
- 0124 3 0109 - 0123 3 - 0108 - 0133 3 3 0112 - 0140 3 3 - 0110
面粉 Flour
- 0150 3 3 0138 3 3 - 0129 3 3 0127 3 - 0138 3 3 0122 3 - 0159 3 3 0117
PPO 活性 挂面颜色 Dry noodle sheet color
PPO activity L 3 (2 h) b 3 (2 h) L 3 (4 h) b 3 (4 h) L 3 (24 h) b 3 (24 h) L 3 (48 h) b 3 (48 h)
籽粒 Grain 0101 - 0106 0103 - 0110 - 0111 0101 - 0116 - 0102
面粉 Flour
- 0128 3 0129 3 3 - 0124 3 0122 3 - 0137 3 3 0124 3 3 - 0127 3 0125 3
鲜面片颜色变化 挂面颜色变化
PPO 活性 Change of fresh noodle sheet color Change of dry noodle sheet color
PPO activity L 3 (0 - 2 h) L 3 (0 - 24 h) L 3 (2 - 24 h) L 3 (0 - 2 h) L 3 (0 - 24 h) L 3 (2 - 24 h)
籽粒 Grain 0107 0128 3 0127 3 0105 0118 0117
面粉 Flour 0129 3 3 0134 3 3 0140 3 3 0122 3 0130 3 3 0116
3 , 3 3显著水平 P = 0105 ,0101. 3 , 3 3 Significant at P = 0105 ,0101 level ,respectively.
214 PPO 活性与品质特性的相关性
表 5 为 PPO 活性与品质性状的相关系数 ,除灰
分外 ,相关系数不显著的性状没有列出。从表 5 可
以看出 ,容重和千粒重与籽粒 PPO 活性呈显著负相
关 ,但 r 值较小。面粉 PPO 活性与籽粒硬度和出粉
率呈极显著正相关 , r 值分别为 0158 和 0146。由此
可见 ,PPO 活性与品种的磨粉特性密切相关 ,影响面
粉麸皮含量的因素都会影响 PPO 活性。这一结果
与 Hatcher 等[10 ] 、Baik 等[9 ] 、Park[11 ] 的结论相同。
Hatcher 等认为 ,灰分含量高的 PPO 活性也高 (灰分
含量变化范围为 0142~110 ,平均值为 0165) ,但本试
验中面粉灰分含量与 PPO 活性相关并不显著 ,可能
是由于我国冬小麦主栽品种灰分含量较低、品种间
灰分含量差异不大 (灰分含量变化范围为 014~017 , 平均值为 0149)的缘故。表 5 PPO 与其他品质性状的相关系数Table 5 Correlation coefficients between PPO and quality characteristicsPPO 活性PPO activity 容重 (g/ L)Test weight 千粒重 (g)10002kernel weight 籽粒硬度Hardness 出粉率 ( %)Flour yield籽粒 Grain - 0126 3 3 - 0130 3 3 01046 01074面粉 Flour - 0113 - 0112 0158 3 3 0146 3 3PPO 活性PPO activity 面粉蛋白质含量 ( %)Flourprotein content 面粉灰分含量 ( %)Flourash content 吸水率( %)Waterabsorption 降落值(S)Fallingnumber籽粒 Grain 0119 0105 - 0105 0102面粉 Flour 0123 3 0112 0142 3 3 0144 3 3 PPO 活性是通过其与存在于水溶部分的酚底物
484 作 物 学 报 29 卷
反应产生黑色素来表达的[12 ] 。吸水率增大 ,面团水
分活度增加[11 ] ,可以使面粉中 PPO 更容易与酚底物
反应 ,使活性更好的表达 ,因此表现为 PPO 活性与
吸水率密切正相关 ( r = 0142) 。面粉 PPO 活性与蛋
白含量和降落值呈显著正相关 , r 值分别为 0123 和
0144。由于蛋白含量与吸水率呈正相关[13 ] ,蛋白质
及淀粉特性有可能通过影响 PPO 活性的表达导致
品种间面粉及面团颜色的差异。
面粉 PPO 活性与籽粒 PPO 活性的相关系数为
0164 ,通过选择籽粒 PPO 活性可较好地判断面粉
PPO 活性。
3 结论
国外研究表明 ,小麦品种中高水平的 PPO 活性
与小麦制品面包、馒头和面条[14~16 ]的褐变密切相
关。本研究结果也表明 ,籽粒和面粉 PPO 活性与鲜
面片和挂面 24 h L 3 的变化值显著相关 ,相关系数分
别为 - 0140 和 - 0159。因此 ,PPO 活性应作为面制
品品质改良的重要指标 ,育种过程中应注意选择
PPO 活性较低的品种。环境和基因型都影响 PPO
的活性 ,但 PPO 活性主要受基因型影响 ;不同品种
间 PPO 活性相差很大 ,因此 ,通过遗传育种途径改
良面制品颜色的褐变是可行的。本试验筛选出 PPO
活性低的品种可供育种中利用。
PPO 活性决定于 PPO 含量及其表达两个因素。
PPO 主要分布在小麦籽粒的糊粉层 ( Marsh 等 ,
1986) ,面粉中观测到的 PPO 活性主要归咎于麸皮的
污染[17 ] ,因此 ,容重、千粒重、籽粒硬度、出粉率通过
改变麸皮含量而影响籽粒及面粉 PPO 含量 ;而蛋白
质及淀粉特性则可以通过影响 PPO 活性的表达导
致品种间面粉及面团颜色的差异 ,这与淀粉组分带
影响馒头的白度相一致[18 ] 。
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