施氮水平對(duì)啤酒大麥麥芽品質(zhì)的影響

高 健，朱 娟，呂 超，郭寶健，許如根

(教育部植物功能基因組學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/江蘇省作物基因組學(xué)與分子育種重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/糧食作物現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心/揚(yáng)州大學(xué)農(nóng)業(yè)科技發(fā)展研究院，江蘇揚(yáng)州 225009 )

大麥?zhǔn)鞘澜绲谒拇蠛坦阮愖魑铮鶕?jù)其用途可分為食用大麥、飼用大麥、啤用大麥和藥用大麥。大麥麥芽是啤酒釀造的主要原料。麥芽品質(zhì)取決于大麥原料的質(zhì)量，大麥原料質(zhì)量與品種、栽培技術(shù)、生態(tài)和生產(chǎn)條件有關(guān)[1]。為提高作物產(chǎn)量和品質(zhì)，氮肥被廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。隨著氮肥施用量不斷提高，我國已經(jīng)成為世界上氮肥消費(fèi)第一大國。氮肥施用過量，不僅對(duì)農(nóng)作物增產(chǎn)效果甚微，反而會(huì)引起一系列環(huán)境問題[2]。

大麥麥芽品質(zhì)主要受遺傳特性、栽培技術(shù)及環(huán)境條件共同作用[3-5]。在栽培中，土壤含氮量及氮肥運(yùn)籌對(duì)大麥的麥芽品質(zhì)影響較大[6-10]。Beillouin等[9]發(fā)現(xiàn)，通過延遲施氮和減施氮肥不僅能夠減少氮素?fù)p失，還能實(shí)現(xiàn)啤酒大麥的高產(chǎn)和優(yōu)質(zhì)。Grant等[11]的研究表明，適宜的氮肥用量可以顯著增加大麥籽粒β-淀粉酶活性。王禮焦等[12]研究發(fā)現(xiàn)，隨著施肥量的增加和生育后期施肥比例的增大，大麥籽粒的蛋白含量、麥芽總氮含量、糖化力和可溶性氮的含量均呈上升趨勢(shì)，麥芽浸出物則降低。潘永東等[13]的研究表明，氮肥施用量為180 kg·hm-2時(shí)，大麥麥芽浸出率達(dá)最大值，糖化時(shí)間最短。陳明賢等[14]研究也發(fā)現(xiàn)，增施氮肥或氮肥施用時(shí)間后移能夠顯著增加大麥籽粒蛋白質(zhì)含量。以上研究多以單品種為研究對(duì)象，有關(guān)施氮量對(duì)多個(gè)大麥品種品質(zhì)性狀影響的報(bào)道較為鮮見。

本研究擬以江蘇省推廣或示范種植的10個(gè)二棱啤用大麥品種(系)為材料，探究施氮量對(duì)大麥麥芽品質(zhì)的影響，以期為江蘇優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)啤酒大麥原料生產(chǎn)提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

本研究以江蘇省推廣或示范種植的10個(gè)二棱啤用大麥品種(系)為材料。其中，蘇啤3號(hào)(g1)、蘇啤4號(hào)(g2)、蘇啤6號(hào)(g3)為江蘇鹽城市農(nóng)業(yè)科學(xué)院育成品種；揚(yáng)農(nóng)啤4號(hào)(g4)、揚(yáng)農(nóng)啤5號(hào)(g5)、揚(yáng)農(nóng)啤7號(hào)(g6)、揚(yáng)農(nóng)啤8號(hào)(g7)、揚(yáng)農(nóng)啤9號(hào)(g8)為揚(yáng)州大學(xué)農(nóng)學(xué)院育成品種；花30(g9)、合05-7(g10)為上海市農(nóng)業(yè)科學(xué)院育成品種(系)。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

將參試材料采用裂區(qū)設(shè)計(jì)播種于揚(yáng)州大學(xué)作物遺傳育種試驗(yàn)田，試點(diǎn)土壤肥力中等偏高。氮肥施用量設(shè)3個(gè)水平，即0(NL)、75(NM)和150 kg·hm-2(NH)。每個(gè)材料播10行區(qū)，行長(zhǎng)3 m，行距0.2 m，每行180粒。重復(fù)3次。成熟后分區(qū)收獲脫粒，曬干、測(cè)產(chǎn)后貯藏備用。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

將籽粒過1.7 mm篩，取1.7 mm篩上的籽粒250 g置于微型制麥系統(tǒng)中制取麥芽，制麥程序參考汪軍妹[15]的方法。制芽后去除麥芽根，利用的DLFU盤式粉碎機(jī)將麥芽磨成粉(盤間距為 0.2 mm)，測(cè)定麥芽庫爾巴哈值(KI)、浸出率(ME)、α-氨基氮含量(AN)和糖化力(DP)[16]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)利用Excel 2003進(jìn)行整理，利用DPS 7.05進(jìn)行方差分析、多重比較及相關(guān)分析，運(yùn)用Genstat18軟件中GGE biplot[17-18]對(duì)參試品種的糖化力和庫爾巴哈值進(jìn)行品種穩(wěn)定性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 施氮水平對(duì)大麥麥芽品質(zhì)性狀的影響

由表1可知，糖化力、庫爾巴哈值和α-氨基氮含量在品種(系)間變異系數(shù)較大，表明此3個(gè)性狀在不同基因型間具有較大差異。供試品種(系)的糖化力、庫爾巴哈值、α-氨基氮含量和浸出率在3個(gè)施氮水平間均具有顯著差異，其中，糖化力和α-氨基氮含量隨施氮量的增加顯著增加，而庫爾巴哈值和浸出率隨施氮量的增加顯著降低。

表1 不同施氮水平下參試大麥品種(系)的品質(zhì)性狀

2.2 施氮水平對(duì)大麥麥芽品質(zhì)的影響

10個(gè)大麥品種在3個(gè)施氮水平下的糖化力均值見圖1，從圖1可以看出，除了揚(yáng)農(nóng)啤8號(hào)(g7)和揚(yáng)農(nóng)啤9號(hào)(g8)，其他參試品種(系)的糖化力均隨施氮水平的提高而增加，且不同施氮水平間差異顯著。揚(yáng)農(nóng)啤8號(hào)(g7)和揚(yáng)農(nóng)啤9號(hào)(g8)的糖化力在高氮水平(NH)與中氮水平(NM)間的差異不顯著，且中氮水平的糖化力略高于高氮水平，二者均顯著高于低氮水平(NL)。在低氮水平下，除蘇啤3號(hào)(g1)和蘇啤6號(hào)(g3)的糖化力(>260WK)達(dá)到國標(biāo)優(yōu)級(jí)啤麥[25]要求外，其余參試品種(系)的麥芽糖化力偏低,說明多數(shù)供試啤酒大麥品種(系)在低氮水平生產(chǎn)的大麥原料的糖化力達(dá)不到優(yōu)質(zhì)啤酒大麥的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

相同品種(系)圖柱上不同字母表示處理間差異在0.05水平顯著。下圖同。

參試大麥品種(系)在3個(gè)氮水平下的庫爾巴哈值見圖2。從圖2可以看出，整體而言，10個(gè)參試品種(系)麥芽的庫爾巴哈值均隨施氮水平的提高而降低，不同施氮水平間的差異程度因品種(系)而異。蘇啤4號(hào)(g2)和揚(yáng)農(nóng)啤7號(hào)(g6)的麥芽庫爾巴哈值在不同施氮水平間的差異不顯著；蘇啤3號(hào)(g1)和揚(yáng)農(nóng)啤5號(hào)(g5)的麥芽庫爾巴哈值在不同施氮水平間的差異均達(dá)顯著水平；蘇啤6號(hào)(g3)和揚(yáng)農(nóng)啤8號(hào)(g7)的麥芽庫爾巴哈值在低氮與中氮水平間差異不顯著，二者均顯著高于高氮水平；其余4個(gè)品種(系)的麥芽庫爾巴哈值在高氮與中氮水平間差異不顯著，但均顯著低于低氮水平的庫爾巴哈值。合05-7(g10)和揚(yáng)農(nóng)啤7號(hào)(g6)在不同氮水平的庫爾巴哈值均達(dá)到優(yōu)級(jí)或一級(jí)麥芽行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[25]，蘇啤6號(hào)(g3)低氮和中氮水平的庫爾巴哈值達(dá)到優(yōu)級(jí)麥芽行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

圖2 參試大麥品種(系)在3個(gè)施氮水平下的庫爾巴哈值

從圖3可以看出， 參試大麥品種(系)麥芽α-氨基氮含量隨施氮水平的提高而增加，在不同施氮水平間的差異程度因品種而異。蘇啤4號(hào)(g2)、揚(yáng)農(nóng)啤7號(hào)(g6)及揚(yáng)農(nóng)啤8號(hào)(g7)3個(gè)品種在高氮和中氮水平間的α-氨基氮含量差異不顯著，但均顯著高于低氮水平的α-氨基氮含量，其余7個(gè)品種(系)的α-氨基氮含量在3個(gè)施氮水平間的差異均達(dá)到顯著水平。除揚(yáng)農(nóng)啤8號(hào)(g7)和花30(g9)低氮水平下的α-氨基氮含量較低外，其余參試品種(系)在3個(gè)施氮水平下的α-氨基氮含量均大于150 mg·100g-1，均達(dá)到行標(biāo)優(yōu)級(jí)麥芽標(biāo)準(zhǔn)[25]。

參試大麥品種(系)在3個(gè)施氮水平下麥芽浸出率見圖4。從圖4可以看出，參試品種(系)麥芽浸出率隨施氮水平的提高而降低，不同施氮水平間的差異程度因品種(系)而異。揚(yáng)農(nóng)啤7號(hào)(g6)和揚(yáng)農(nóng)啤8號(hào)(g7)在低氮和中氮水平的浸出率差異不顯著，但均顯著高于高氮水平，其余8個(gè)品種(系)的浸出率在3個(gè)施氮水平間的差異均達(dá)到顯著水平，且該8個(gè)品種(系)在低氮水平下的麥芽浸出率均大于77%，達(dá)一級(jí)麥芽行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[25]。

圖3 參試大麥品種(系)在3個(gè)施氮水平下的α-氨基氮含量

圖4 參試大麥品種(系)在3個(gè)施氮水平下的浸出率

2.3 參試品種(系)麥芽品質(zhì)性狀的方差分析

從表2可知，施氮水平和品種(系)對(duì)大麥的糖化力、α-氨基氮含量、庫爾巴哈值和浸出率4個(gè)麥芽品質(zhì)指標(biāo)的影響均達(dá)到極顯著，施氮水平與品種(系)的互作效應(yīng)對(duì)糖化力和庫爾巴哈值也有極顯著影響。表明大麥麥芽品質(zhì)性狀除受到品種(系)自身遺傳因素外，還受到施氮水平的影響，糖化力和庫爾巴哈值還受二者的交互作用影響。

表2 參試大麥品質(zhì)性狀的方差分析

2.4 參試大麥品種(系)糖化力和庫爾巴哈值的穩(wěn)定性分析

根據(jù)品種(系)與氮水平的互作對(duì)糖化力和庫爾巴哈值有顯著影響(表2)，可分析參試品種(系)在不同施氮水平下2性狀的穩(wěn)定性。

2.4.1 糖化力的穩(wěn)定性分析

糖化力數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化后經(jīng)主成分分析得兩個(gè)獨(dú)立主成分：

第一主成分Z1=0.537 4X1+0.616 2X2+0.575 8X3；

第二主成分Z2=0.796 0X1-0.145 0X2-0.587 7X3。

其中，X1為低氮水平，X2為中氮水平，X3為高氮水平。

第一主成分和第二主成分累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá) 95.03%(大于85%)，可涵蓋基因型與施氮水平互作的大部分生物學(xué)信息，通過構(gòu)建10個(gè)大麥品種(系)糖化力的適應(yīng)性與穩(wěn)定性GGN雙標(biāo)圖(圖5)，由圖5可知，蘇啤3號(hào)(g1)的糖化力最高，其次是蘇啤6號(hào)(g3)，揚(yáng)農(nóng)啤5號(hào)(g5)的糖化力最低。從3個(gè)施氮水平下糖化力的穩(wěn)定性來看，揚(yáng)農(nóng)啤5號(hào)(g5)最穩(wěn)定，其次是揚(yáng)農(nóng)啤7號(hào)(g6)，揚(yáng)農(nóng)啤8號(hào)(g7)穩(wěn)定性最差。

圖5 大麥糖化力的適應(yīng)性與穩(wěn)定性GGN雙標(biāo)圖

2.4.2 庫爾巴哈值的穩(wěn)定性分析

庫爾巴哈值數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化后經(jīng)主成分分析得兩個(gè)獨(dú)立主成分：

第一主成分Z1=0.231 0X1+0.721 7X2+0.652 5X3；

第二主成分Z2=0.905 6X1+0.085 7X2-0.415 4X3。

第一主成分和第二主成分累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá) 93.27%，即可涵蓋基因型和施氮水平互作的大部分生物學(xué)信息，構(gòu)建參試品種(系)庫爾巴哈值的適應(yīng)性和穩(wěn)定性GGN雙標(biāo)圖(圖6)，由圖6可知，合05-7(g10)庫爾巴哈值最高，其次是蘇啤3號(hào)(g1)，揚(yáng)農(nóng)啤8號(hào)(g7)的庫爾巴哈值最低；從3個(gè)氮水平下庫爾巴哈值的穩(wěn)定性來看，蘇啤6號(hào)(g3)最穩(wěn)定，其次是花30(g9)，蘇啤3號(hào)(g1)的穩(wěn)定性 最差。

圖6 大麥庫爾巴哈值的適應(yīng)性與穩(wěn)定性GGN雙標(biāo)圖

2.5 不同施氮水平下麥芽品質(zhì)性狀的相關(guān)分析

從表3可知，在3個(gè)施氮水平下，糖化力與α-氨基氮含量呈顯著或極顯著正相關(guān)，與浸出率呈極顯著負(fù)相關(guān)；浸出率與庫爾巴哈值呈極顯著正相關(guān)，與α-氨基氮含量呈極顯著負(fù)相關(guān)。

表3 施氮水平和參試大麥品質(zhì)性狀的相關(guān)分析

3 討 論

3.1 氮水平對(duì)大麥麥芽品質(zhì)性狀的影響

全世界約有20%的大麥被用來釀造啤酒，麥芽的品質(zhì)影響啤酒質(zhì)量和風(fēng)味。麥芽品質(zhì)性狀與籽粒淀粉含量及其組成和蛋白含量及其組分等籽粒品質(zhì)性狀有關(guān)，麥芽品質(zhì)與籽粒品質(zhì)的關(guān)系因性狀不同而異。啤酒大麥原料籽粒蛋白質(zhì)含量是影響麥芽品質(zhì)的關(guān)鍵因素之一[19]。大麥籽粒的蛋白質(zhì)含量不僅受品種的遺傳因素影響，也與氮肥施用水平有關(guān)。已有研究認(rèn)為，增施氮肥可提高大麥籽粒產(chǎn)量和蛋白含量，大麥籽粒蛋白質(zhì)含量的增加，可使大麥麥芽糖化力、α-氨基氮含量、β-葡聚糖含量、麥芽浸出率、庫爾巴哈值及啤酒的產(chǎn)能降低[20-21]。本研究認(rèn)為，隨著施氮水平的提高，參試品種的麥芽浸出率和庫爾巴哈值呈下降趨勢(shì)，α-氨基氮含量和糖化力呈增加趨勢(shì)，與Adel等[21]研究結(jié)果一致。

3.2 啤酒大麥麥芽品質(zhì)性狀的相關(guān)性

衡量大麥麥芽品質(zhì)性狀的主要指標(biāo)有庫爾巴哈值、糖化力、α-氨基氮含量及浸出率。本研究中，在3個(gè)氮水平下，糖化力與α-氨基氮含量呈顯著或極顯著正相關(guān)，與浸出率呈極顯著負(fù)相關(guān)；浸出率與庫爾巴哈值呈極顯著正相關(guān)，與α-氨基氮含量呈極顯著負(fù)相關(guān)；庫爾巴哈值與糖化力、α-氨基氮含量的相關(guān)不顯著。麥芽品質(zhì)指標(biāo)中，糖化力、α-氨基氮含量及浸出率3個(gè)指標(biāo)值越大，麥芽品質(zhì)越好；庫爾巴哈值應(yīng)在適宜的范圍內(nèi)，并不是越大越好，改良麥芽品質(zhì)性狀需通過品種改良和栽培措施調(diào)節(jié)來打破品質(zhì)性狀間的負(fù)相關(guān)，實(shí)現(xiàn)品質(zhì)性狀的最優(yōu)組合[22]。

3.3 不同施氮水平下大麥麥芽品質(zhì)及其穩(wěn)定性

優(yōu)質(zhì)麥芽通常具有較高的麥芽浸出物、糖化力和α-氨基氮含量及合適的庫爾巴哈值[23]，影響麥芽品質(zhì)的因素較多，如品種的遺傳差異、栽培技術(shù)和制麥工藝等[24]。參照啤酒麥芽行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)QB/T1686-2008中優(yōu)級(jí)麥芽糖化力、α-氨基氮含量、浸出率及庫爾巴哈值四個(gè)指標(biāo)，對(duì)本研究參試品種(系)的麥芽品質(zhì)性狀進(jìn)行綜合評(píng)定，發(fā)現(xiàn)在低氮水平下，除蘇啤3號(hào)(g1)和蘇啤6號(hào)(g3)的糖化力達(dá)到國標(biāo)優(yōu)級(jí)啤麥要求外，其余參試品種(系)的麥芽糖化力均偏低；高氮和中氮水平下參試品種(系)的麥芽糖化力均達(dá)到或超過一級(jí)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)；從3個(gè)施氮水平下糖化力的穩(wěn)定性來看，揚(yáng)農(nóng)啤5號(hào)(g5)最穩(wěn)定，其次是揚(yáng)農(nóng)啤7號(hào)(g6)。合05-7(g10)和揚(yáng)農(nóng)啤7號(hào)(g6)在不同施氮水平的庫爾巴哈值均達(dá)到優(yōu)級(jí)或一級(jí)麥芽行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，蘇啤6號(hào)(g3)在低氮和中氮水平的庫爾巴哈值達(dá)到優(yōu)級(jí)麥芽行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)；從3個(gè)施氮水平下庫爾巴哈值的穩(wěn)定性來看，蘇啤6號(hào)(g3)最穩(wěn)定，其次是花30(g9)。除揚(yáng)農(nóng)啤8號(hào)(g7)和花30(g9)在低氮水平下的α-氨基氮含量較低外，其余參試品種在3個(gè)氮水平下的α-氨基氮含量均大于150 mg·100g-1，均達(dá)到行標(biāo)優(yōu)級(jí)麥芽標(biāo)準(zhǔn)。參試品種(系)在低氮水平下的麥芽浸出率均大于77%，達(dá)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)一級(jí)麥芽，其余2個(gè)氮水平麥芽浸出率均偏低，達(dá)不到一級(jí)麥芽行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。綜合4個(gè)麥芽指標(biāo)的表型及糖化力和庫爾巴哈值的穩(wěn)定性，參試品種(系)的麥芽浸出率普遍偏低、糖化力和α-氨基氮含量普遍偏高、庫爾巴哈值變異較大，其中揚(yáng)農(nóng)啤7號(hào)(g6)和蘇啤6號(hào)(g3)的麥芽綜合品質(zhì)較好，這兩個(gè)品種的豐產(chǎn)性也較好，建議作為江蘇的主體推廣品種；從施氮水平的綜合影響來看，參試大麥品種以中氮水平的麥芽品質(zhì) 較好。