大麦是全球广泛栽培的第四大禾谷类作物，种植面积仅次于玉米、水稻和小麦；其用途多样，主要用作饲料与酿造啤酒，少量食用。近半个世纪以来，全球啤酒生产与消费量持续快速上升，啤酒大麦需求量亦随之不断增加。特别是在我国，自20世纪80年代以来，随着社会经济的快速发展与人们生活水平的显著改善，啤酒消费量急剧上升，2020年全年已近5 000万t，是全球啤酒第二大消费国美国的2.5倍[1]。与此同时，我国啤酒大麦的进口比例呈逐年攀升趋势，造成这一局面的因素固然是多方面的，但国产啤酒大麦品质欠佳是其中一个主要的原因，且啤酒酿造企业在向中高档产品转型发展时对啤酒大麦的品质也提出了更高的要求。
啤酒大麦的品质主要受遗传因素（基因型）的控制，而环境与栽培条件也有很大影响[2-3]。干旱是农业生产上一种最主要的非生物逆境胁迫，不仅会降低啤酒大麦的产量，而且会使其品质恶化，是全球范围内导致啤酒大麦品质在地区间、年度间表现不稳定的主要因素[4-5]。我国啤酒大麦主产区如甘肃、内蒙古等地在大麦生长期，特别是在籽粒发育成熟期，经常遭受干旱胁迫，从而导致啤酒大麦品质不佳、产量不稳定。衡量啤酒大麦麦芽品质的主要指标有麦芽浸出率、糖化力、黏度和库尔巴哈值等。由于这些指标的测定需要制麦仪、糖化仪、黏度计等专用设备，因此在研究干旱胁迫对啤酒大麦麦芽品质的影响时常通过分析与这些指标相关联的性状来代替，包括麦粒质量，蛋白质、β-葡聚糖含量，以及β-葡聚糖酶、β-淀粉酶、限制性糊精酶活性等。一般来说，麦粒质量和这些酶活性与浸出率、库尔巴哈值呈正相关，与黏度呈负相关；蛋白质含量、β-葡聚糖含量与浸出率呈负相关，β-葡聚糖含量与黏度呈正相关，蛋白质含量与这些酶活性呈正相关[6-8]。据报道，干旱胁迫降低了麦粒质量[9-10]，增加了蛋白质[11-12]和β-葡聚糖[13]含量，并提高了上述酶的活性[14-15]。由此可见，干旱胁迫能影响与啤酒大麦品质相关的多种性状，而这些性状之间关系复杂，分析干旱胁迫下这些性状的变化并不能可靠地阐明干旱对啤酒大麦麦芽品质的影响。
本文以前期研究明确的2种耐旱性和麦芽品质不同，但生育期和抽穗期相仿的栽培品种浙大9号和西藏野生大麦XZ166[16]为材料，在籽粒灌浆期进行干旱处理，分析其糖化力、浸出率、库尔巴哈值和黏度等主要麦芽品质指标，以明确干旱胁迫对大麦麦芽主要品质的影响以及基因型之间的差异。
1 材料与方法
1.1 供试材料与处理
根据前期研究结果，选择西藏野生大麦XZ166和栽培大麦浙大9号（ZU9）为供试材料，这2个基因型大麦的耐旱性与麦芽品质性状差异较大，XZ166耐旱性强于ZU9，但两者抽穗时间基本相同。
2个不同基因型大麦种子于2018年11月初播种在塑料箱（长0.8 m、宽0.6 m、高0.28 m）中，内装培养基质（蛭石和泥炭以质量比9∶1混合），放置在浙江大学紫金港校区的网室中培养。于二叶期定苗，每箱留40株。拔节期每箱施50 g复合肥（N-P-K=14-14-13）。干旱胁迫处理前，所有植株均正常浇水。试验设置4个干旱胁迫处理：对照组（CK），土壤含水量保持在20%左右；花后前期干旱组（M1），开花后7 d停止供水，停止供水3 d后土壤含水量降至5%，其后通过适量供水（下同）维持土壤含水量在5%左右，持续7 d；花后中期干旱组（M2），开花后 14 d停止供水，停止供水3 d后土壤含水量降至5%，然后维持土壤含水量在5%左右，持续7 d；花后较长时间干旱组（M3），开花后7 d停止供水，停止供水3 d后土壤含水量降至5%，然后维持土壤含水量在5%左右，持续14 d。土壤含水量由HH2湿度计（英国Delta-T Devices公司）测量。干旱处理结束后，恢复供水，使土壤含水量维持在20%左右，直至籽粒成熟。成熟后收获大麦籽粒，自然干燥后储存，待用。
1.2 微型制麦
收获的大麦籽粒在4 ℃贮藏室中放置3个月后，过2.2 mm筛，各处理取200 g，参照汪军妹[17]的方法进行制麦，主要程序如下：在16 ℃条件下，浸麦6 h，气体干燥14 h，浸麦8 h，气体干燥14 h，浸麦 4 h；于15 ℃条件下发芽96 h，65 ℃条件下烘焙 24 h，最后降温至25 ℃结束制麦。将制得的麦芽去根后，用麦芽专用粉碎机（德国Buhler-Miag公司）粉碎，待用。
1.3 麦芽品质指标及测定方法
1.3.1 蛋白质含量
准确称取0.2 g粉碎麦芽于消煮管中，加入3 g催化剂[m（硫酸钾）∶m（硫酸铜）=10∶1]，加入8 mL浓硫酸于360 ℃条件下消煮2.5 h，用FOSS-KjeltecTM 8400凯氏定氮仪（丹麦FOSS公司）测定消煮液总氮含量，再乘以换算系数6.25，得到麦芽蛋白质含量。
1.3.2 麦芽品质
按欧洲酿造协定（European Brewing Convention, EBC）法[18]测定麦芽糖化力、浸出率、黏度以及库尔巴哈值。
1.4 统计分析
采用SPSS 20.0软件进行方差分析，用最小显著差异法（least significant difference, LSD）检验各处理间的差异显著性。
2 结果与分析
2.1 干旱胁迫对麦芽蛋白质含量与浸出率的影响
干旱胁迫对麦芽蛋白质含量的影响如图1A所示。对照组（CK）中，浙大9号（ZU9）和XZ166麦芽的蛋白质含量分别为9.24%和9.07%，两者间无显著差异。花后前期干旱组（M1）中，2个基因型大麦的麦芽蛋白质含量显著增加，且以ZU9的增幅较大，增加至12.85%，而XZ166仅增加至9.90%。花后中期干旱组（M2）中，XZ166的麦芽蛋白质含量显著增加，而ZU9的变化不明显。花后较长时间干旱组（M3）中，ZU9和XZ166的麦芽蛋白质含量均显著升高，增幅均大于M1和M2处理，其中XZ166比对照组增加约30%，ZU9则增加约46%。
图1
图1
花后干旱胁迫处理对2个基因型大麦麦芽蛋白质含量和浸出率的影响
CK：对照组；M1：花后前期干旱组；M2：花后中期干旱组；M3：花后较长时间干旱组。短栅上不同小写字母表示同种大麦品种在不同处理间在P＜0.05水平差异有统计学意义。下同。
Fig. 1
Influence of drought stress treatments at post-anthesis on malt protein content and malt extract rate of two barley genotypes
CK: Control group; M1: Drought group at the early stage of post-anthesis; M2: Drought group at the middle stage of post-anthesis; M3: Drought group after a long time of post-anthesis. Different lowercase letters above bars indicate significant differences among different treatments of the same barley variety at the 0.05 probability level. The same below.
干旱胁迫对麦芽浸出率的影响如图1B所示。总体上，花后干旱胁迫导致2个基因型大麦的麦芽浸出率下降，且以ZU9下降较多。在对照组（CK）中，ZU9的麦芽浸出率为80.50%，高于XZ166（78.05%）。花后前期干旱组（M1）中，麦芽浸出率以ZU9降幅较大，而花后中期干旱组（M2）中麦芽浸出率以XZ166降幅较大。花后较长时间干旱组（M3）中，2个基因型大麦的麦芽浸出率显著降低，相比对照组，ZU9下降约28%，XZ166下降约10%。
2.2 干旱胁迫对麦芽糖化力和库尔巴哈值的影响
干旱胁迫对麦芽糖化力的影响如图2A所示。对照组（CK）中，浙大9号（ZU9）和XZ166的麦芽糖化力分别为321.73 WK（1 WK表示100 g无水麦芽在20 ℃、pH 4.3的条件下分解可溶性淀粉30 min产生1 g麦芽糖）和282.77 WK，两者差异较大。花后前期干旱组（M1）中，2个基因型大麦的麦芽糖化力均显著增加，而花后中期干旱组（M2）中，ZU9的麦芽糖化力变化较小；花后较长时间干旱组（M3）中，2个基因型大麦的麦芽糖化力均为最高，显著高于对照及其他2种处理，其中ZU9比对照组增加约12%，XZ166增加约15%。
图2
图2
花后干旱胁迫处理对2个基因型大麦麦芽糖化力和库尔巴哈值的影响
Fig. 2
Influence of drought stress treatments at post-anthesis on malt diastatic power and Kolbach index of two barley genotypes
干旱胁迫对麦芽库尔巴哈值的影响如图2B所示。对照组（CK）中，ZU9和XZ166的麦芽库尔巴哈值分别为38.46%和37.98%，两者无显著差异。花后前期干旱胁迫（M2）显著增加了2个基因型大麦的麦芽库尔巴哈值，而花后中期干旱胁迫（M2）对XZ166的影响较小；花后较长时间干旱组（M3）中， 2个基因型大麦的麦芽库尔巴哈值均达到最高，显著高于对照及其他2种处理，其中ZU9比对照组增加约7%，XZ166增加约6%。
2.3 干旱胁迫对麦芽汁黏度和 α -氨基氮含量的影响
干旱胁迫对麦芽汁黏度的影响如图3A所示。浙大9号（ZU9）和XZ166的麦芽汁黏度在干旱胁迫下发生了显著变化。花后前期干旱（M1）显著降低了2个基因型大麦的麦芽汁黏度，其中ZU9降低约14%，XZ166降低约15%；花后中期干旱（M2）和花后较长时间干旱（M3）均显著降低了2个基因型大麦的麦芽汁黏度，降低幅度以M3组较大。
图3
图3
花后干旱胁迫处理对2个基因型大麦麦芽汁黏度和 α -氨基氮含量的影响
Fig. 3
Influence of drought stress treatments on malt extract viscosity and α-amino nitrogen content of two barley genotypes
干旱胁迫对麦芽汁α-氨基氮含量的影响如图3B所示。对照组（CK）中，ZU9和XZ166的麦芽汁α-氨基氮质量浓度分别为169.64和162.71 mg/L，两者差异较小。花后前期干旱胁迫（M1）显著增加了2个基因型大麦的麦芽汁α-氨基氮含量，其中ZU9增加约11%，XZ166增加约7%；花后中期干旱（M2）显著增加了ZU9和XZ166的麦芽汁α-氨基氮含量。花后较长时间干旱胁迫（M3）下，ZU9和XZ166的麦芽汁α-氨基氮含量均显著升高，其增加幅度明显大于其他2种胁迫处理。
3 讨论
我们的前期研究表明，大麦在灌浆期对干旱胁迫的响应在基因型之间存在显著差异，西藏野生大麦XZ166的麦粒质量和蛋白质含量在干旱胁迫下的变化幅度显著小于栽培大麦浙大9号[25]。通常情况下，干旱胁迫能增加大麦籽粒β-淀粉酶活性，降低β-葡聚糖含量，这与在干旱条件下大麦籽粒灌浆期缩短、碳水化合物含量相对减少而蛋白质含量相对增加有关。因为在大麦籽粒灌浆过程中，早期有较多的蛋白质积累，而后期主要以碳水化合物积累为主，且作为细胞壁主要成分的β-葡聚糖在籽粒发育后期积累较多，而蛋白质组分中的麦醇溶蛋白则主要在籽粒发育前期积累。已知大麦籽粒中β-淀粉酶、限制性糊精酶等水解酶活性与蛋白质含量呈显著正相关[6-8]。对于提升麦芽品质而言，高水解酶活性和低β-葡聚糖含量是有利的，因为它们分别提高了麦芽糖化力和降低了麦芽汁黏度。但是，干旱胁迫下碳水化合物积累减少使麦粒质量降低（籽粒不饱满）又必然会导致麦芽浸出率下降，而浸出率是与麦芽品质、啤酒生产效益密切相关的品质性状。同时，干旱胁迫下籽粒蛋白质含量提高可导致啤酒浑浊等问题。综上所述，干旱胁迫对麦芽品质的影响是多方面的，虽然在干旱胁迫下，蛋白质含量提高和β-葡聚糖含量降低对提高糖化力和降低麦芽汁黏度是有利的，但同时干旱也显著降低了麦芽浸出率和增大了啤酒发生浑浊的风险。
本研究以栽培品种浙大9号和西藏野生大麦XZ166为供试材料，两者在麦芽品质和耐旱性状上差异较大，但抽穗与成熟期基本相同[16]。本研究结果显示，花后较长时间干旱胁迫（M3）对几个麦芽品质的影响均以浙大9号较明显，且2个基因型大麦对不同时期干旱胁迫处理的反应存在明显的差异：干旱前期处理（M1）对浙大9号的影响较大，而中期处理（M2）对XZ166的影响较大。这种基因型之间的显著差异启示我们，可以通过遗传改良来提高啤酒大麦麦芽品质在干旱胁迫下的稳定性。另外，2个基因型大麦的麦芽品质性状对不同处理时期干旱胁迫的反应存在差异，这可归因于它们在灌浆模式上的差异：浙大9号在籽粒灌浆前期发育速率较快，而XZ166则在中期发育速率较快，在发育速率较快的时期遭受逆境胁迫，大麦相关性状受影响的程度必然较为严重。因此，应根据当地干旱发生的历程，选用适宜的品种，尽量使其品质形成的关键时期避开逆境胁迫。
4 结论
从本研究结果可知，在干旱胁迫下，大麦麦芽汁黏度降低，麦芽糖化力和α-氨基氮含量提高，有利于提升麦芽品质。但是，麦粒质量降低和蛋白质含量增加导致麦芽浸出率下降，影响啤酒产量。另外，较高的蛋白质含量容易造成啤酒浑浊、口感与风味变劣。因此，干旱胁迫下保持籽粒蛋白质含量的相对稳定被认为是优质啤用品种的重要特性。干旱胁迫下麦芽品质参数的变化与大麦籽粒灌浆过程密切相关，为了减少干旱胁迫对大麦品质的影响，在大麦育种中应关注在干旱胁迫下灌浆过程相对稳定、麦粒质量变化较小的材料，以减小干旱胁迫对麦芽品质的影响。
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