工业用高淀粉玉米及其品质改良(1)

工业用高淀粉玉米及其品质改良长期以来玉米一直是粮食和饲料的主要资源。目前，玉米已从单纯的粮食作物、饲料作物逐步向经济作物和工业原料过渡；由单纯产量型向定向品质型、专用型转变。以美国为例，1972年用于食品和非食品工业的玉米占全国玉米总量的9%，至1992年则增加到18%，达377.19×108kg；我国1981年淀粉总产量仅为42×104t，1997年已达270×104t，玉米淀粉约占80%以上，淀粉产量的年增长率为14%左右。玉米淀粉在医药、化工、食品、纺织、造纸、建筑、石油化工和塑料业等具有广泛的用途。因此，加速工业用高淀粉玉米品种的培育和改良已势在必行。1高淀粉玉米的概念和分类高淀粉玉米根据其籽粒中所含碳水化合物的比例和结构分为：混和高淀粉玉米，高支链淀粉玉米和高直链淀粉玉米。混合高淀粉玉米是指普通玉米籽粒中粗淀粉含量在75%以上的工业专用型玉米。根据轻工部颁布的高淀粉玉米分级标准：一级为玉米籽粒中粗淀粉含量为75%以上，二级为72%以上，三级为69%以上。普通玉米淀粉是直链淀粉和支链淀粉的混合体，两者所占的比重分别大约为28%和72%。我们通过品质育种和改良可不同程度地改变玉米胚乳中直链淀粉和支链淀粉的含量和比例。将玉米籽粒胚乳中几乎含有100%的支链淀粉的类型叫支链淀粉玉米（糯玉米或蜡质玉米）；将胚乳中直链淀粉含量在50%~80%的玉米叫高直链淀粉玉米。2影响玉米淀粉含量遗传基因及高淀粉玉米品质育种方法2.1糯玉米（支链淀粉）基因型及选育方法：1909年Collins把来源于我国的糯质玉米基因定名为wx；糯玉米籽粒，由于发生单基因突变（Wx变为wx），在纯合的隐性基因WxWx的控制下，可以将支链淀粉含量提高到100%。糯质玉米胚乳不透明，晦暗，类似蜂蜡状又称蜡质玉米。糯质玉米基因作用是累加的，其基因点上有若干个等位基因，它们是WX，Wx2和Wx。Wx对后二者为显性，后二者均为隐性基因。首先是从选育优良自交系入手，一般采取方法为：（1）从糯玉米农家种中直接选育一环系。（2）糯普异型杂交：用配合力和抗性较好的普通玉米自交系和糯玉米农户种杂交选育糯玉米二环系。（3）糯普异型杂交成对一次回交选育糯玉米二环系。选择优良的普通玉米自交系与糯玉米农家种杂交，第二年在同组合内回交，而回交的后代用轮回亲本成对互测配合力，从中选优良系自交至稳定。目前主要运用Wx基因既可以在籽粒中表达，也可以在花粉上表达。通过2%的KI溶液染色呈红棕色并渐渐变成暗棕色，而普通玉米则呈蓝色的识别方法。运用回交转育，回交、自交交替进行将优良的普通玉米自交系转育成含Wx基因的糯玉米同型系。由于控制糯玉米Wx的基因只是改变了玉米胚乳淀粉的性质，对产量并无太大影响。糯质玉米的配合力一般低于马齿玉米配合力，糯质玉米杂交种产量也略低于马齿玉米杂交种产量，而采用这一方法育成的糯玉米产量基本上与普通玉米相同。谢军（1990年）报道，吉林省糯玉米资源淀粉含量比普通玉米略低，平均为64.6%~67%。中国农科院品资所（1991）测定的1986~1988年共计4790份糯玉米资源结果为：糯玉米与普通玉米种质资源的粗淀粉含量没有明显差异。笔者认为作为粒用型糯玉米，应属中晚熟品种，籽粒中支链淀粉含量100%，总淀粉含量70%，产量在9000kg/hm2以上为宜。2.2高直链淀粉的基因型表现及选育方法：影响籽粒直链淀粉含量的突变基因主要有ae，du和su2，这三种突变基因都增加了直链淀粉的含量，但以ae基因最为显著。该基因是1952年由Vineyard和Bear在一个普通玉米中发现了这个可加倍直链淀粉含量的单隐性基因，后由Kramer等人（1958）建立以ae符号作为该基因在第5染色体上的永久性符号。纯合隐性基因ae可以把直链淀粉提高到55%~65%，甚至达到80%。Haunold和Lindsey（1960）曾指出，高直链淀粉突变体的表现型鉴定是困难的，但有时一种外观“半透明”的胚乳与高直链淀粉的特性是结合在一起的。他们还注意到一定的黄色遗传背景下，高直链淀籽粒颜色对原始黄色的饰变。Crane1964年曾报道，比较高的直链淀粉与成熟籽粒的轻度凹陷或皱缩是有关的。ae基因虽然可以显著提高直链淀粉的含量，但它可以引起籽粒总淀粉含量的下降和含水量的增加。目前高直链淀粉玉米杂交种的平均产量只有普通玉米的65%~75%。目前世界上只有美国已将含有ae基因的玉米杂交种商品化，含du、su2基因的杂交种也进入了示范阶段。商品化的直链淀粉玉米有三种类型：一种为五级（含直链淀粉50%~60%）；第二种为七级（含直链淀粉70%~80%）；第三种为八级（含直链淀粉80%~90%）。高直链淀粉玉米育种，现世界上主要是利用ae基因。通过回交和自交交替进行的方法是获得高直链淀粉自交系的一个较理想的方法。这种方法的缺点是育种周期长，每两个世代才能完成一次回交。但我们如果在每个世代对回交单株进行测交鉴定，选杂合突变基因型连续回交。具体程序是从回交第二代开始，在回交的同时取被回交单株花粉与纯合隐性亲本测交。收获后鉴定测交果穗，仅保留测交鉴定表现1∶1分离的回交果穗。如此重复便可以达到每个世代回交一次的目的。2.3混合高淀粉玉米的选育方法：根据11个省市（市）、自治区所选育并推广的88个杂交种的品质分析结果看：普通玉米粗淀粉平均为68.157%，其中粗淀粉含量大于70%的占64.62%，最高含量达76.6%。从28个省、市（区）提供的7609份玉米种质资源的淀粉品质分析表明：我国玉米种质资源的粗淀粉含量为68.31%，大部分在60%~72%，最高可达75.75%，粗淀粉含量大于72%的资源有230份。这说明从普通玉米中通过育种材料的定向选择，完全可以培育出粗淀粉含量达75%的专用型高淀粉玉米品种。因此，我们应调整育种目标，选择淀粉含量高的优质种质或合成优质群体做为育种素材，并通过添置快速品质分析设备，加强早代选系的品质分析，通过累加效应，达到提高淀粉含量的效果，力争早日培育出粗淀粉含量在75%的工业专用型高淀粉玉米新品种，产量与目前主栽玉米相同。3高淀粉玉米在工业中的加工利用途径3.1混合高淀粉玉米中粗淀粉的加工利用：淀粉经一定量酸碱催化可制成淀粉糖（葡萄糖、果糖、麦芽糖、果葡糖浆），果葡糖浆是食品和饮料工业的重要原料。葡萄糖氢化可制成山梨醇，它是一种重要的食品添加剂，山梨醇人体可以代谢，但不易被微生物所利用，可防止变败，所以作为面包和蛋糕的添加剂可防止食品干裂，保持食品的柔软新鲜，延长保质期和防止变质。山梨醇代谢不引起血糖升高，可作为糖尿病人的甜食品；山梨醇在口腔中不会引起pH值降低，可以作为防龋食品的原料。山梨醇是生产维生素C的起始原料；利用山梨醇可生产表面活性剂，在纺织业中作为乳化剂加工合成纤维，防止静电产生，在印染业中可作助染剂。山梨醇作代甘油，在化妆品，卷烟和油漆行业中的用途更为广泛。在医药工业中，精制的山梨醇可作为降脑压制剂；山梨醇经硝化生成硝基失水山梨醇，是治疗冠心病的良药。3.2支链淀粉在工业中的加工利用途径：由于支链淀粉具有较好的稳定性、溶解性、粘滞性、透明性，适于作增稠予制剂、乳化剂、粘着剂等而广泛用于香肠、汤羹类罐头、冷冻食品、膨化食品、快餐方便食品，固体饮料、软饮料、糕点、冰淇淋、果酱、饼干等食品的添加剂。工业方面，广泛应用于胶带，粘合剂。在造纸业、纺织业、建筑业、石油化工等工业也有广泛的用途。3.3直链淀粉在工业中的加工利用途径：直链淀粉是由一种可以制成像玻璃纸一样薄的透明薄膜的线型分子构成。直链淀粉可以制造可降解塑料制品、赛璐玢、胶片和其它产品。特别是在农用薄膜加工业、包装业、纺织业、食品工业、建筑业、石油化工等工业中有着大量的需求。研究表明，直链淀粉是生产生物降解膜的主要原料。在纺织业中，直链淀粉作为玻璃状定型胶料，是优质的浆纱原料；在食品业中，由于直链淀粉凝胶速度快非常适于作软糖的添料；在建筑业中作为制作波纹提花板和制造瓦楞纸箱的快干粘合剂等。目前，高淀粉玉米深加工和综合开发利用已成为21世纪玉米产业的一个重点和发展趋势。因此，抓住这个有利时机，尽快组织力量开展高淀粉玉米的研究，坚持走引进、选育、生产、加工和销售相结合的产业化发展道路，对于促进优质农业的发展，增加农民收入，提高农业效益，具有重大意义。