作物品質生理生化與測試技術（簡體書）

本書共分為十章，介紹了作物品質的概念、影響因素和分類，作物澱粉品質、蛋白質品質、油脂品質和纖維素品質的理化性質、生物合成代謝和相關基因及其與加工品質的關係，作物麵粉品質、麵團品質及最終加工品質的評價指標及最新測試技術，還介紹了品質檢測的新儀器和新方法，以及基因編輯技術在作物品質改良中的應用。

目錄
Contents
前言
主編簡介
第一章緒論001
第一節作物品質概述001
第二節作物品質檢測方法概述004
第二章作物澱粉品質的生理生化008
第一節概述008
第二節澱粉的分類及理化功能013
第三節澱粉的生物合成代謝及主要相關基因020
第四節澱粉與加工品質的關係025
第三章作物蛋白質品質的生理生化028
第一節概述028
第二節蛋白質的分類及理化功能033
第三節蛋白質的生物合成代謝及主要相關基因036
第四節蛋白質與加工品質的關係041
第四章作物油脂品質的生理生化044
第一節概述044
第二節穀物脂肪酸的分類及理化功能047
第三節油脂的生物合成代謝及主要相關基因053
第四節穀物脂類與加工品質的關係058
第五章作物纖維素品質的生理生化064
第一節概述064
第二節纖維素的概念、分類及理化功能065
第三節纖維素的生物合成代謝及主要相關基因068
第四節纖維素和戊聚醣與麵包品質的關係072
第六章作物麵粉品質測試技術074
第一節蛋白質含量測試技術074
第二節濕麵筋含量測試技術077
第三節沉澱值測試技術081
第四節溶劑保持力測試技術084
第五節澱粉特性相關品質測試技術086
第七章作物麵團品質測試技術099
第一節粉質儀參數099
第二節拉伸儀參數101
第三節和麵儀參數104
第四節吹泡示功儀參數107
第五節Mixolab混合實驗儀參數111
第八章*終加工品質測試分析評價115
第一節麵包烘烤品質分析評價115
第二節餅乾烘烤品質分析評價119
第三節蛋糕烘烤品質分析評價122
第四節麵條品質分析評價124
第五節饅頭品質分析評價127
第九章主要測試方法介紹131
實驗一穀物中17種蛋白質水解氨基酸含量的測定——氨基酸分析儀法131
實驗二作物中總氮含量的檢測——杜馬斯燃燒法136
實驗三作物中礦質元素的測定——電感耦合等離子體質譜儀法140
實驗四作物中全氮、全磷的測定——連續流動分析儀法146
實驗五穀物製品中揮發性物質的測定——三重四極桿氣質聯用儀法151
實驗六進出活體作物的離子/分子流速測定——非損傷微測法156
實驗七作物中ABA和GA含量的測定——三重四極桿液質聯用儀法162
實驗八作物澱粉或麵粉粒度分析——LS13320激光粒度儀法167
第十章基因編輯技術在作物品質改良中的應用172
第一節概述172
第二節CRISPR/Cas9基因編輯系統173
第三節CRISPR/Cas9基因編輯技術在農作物改良中的研究進展174
第四節基因編輯技術的展望179
參考文獻180

第一章緒論
第一節作物品質概述
一、作物品質的概念
廣義上，品質就是指目標產品的質量，即產品的優劣；而就作物而言，品質是指能夠滿足人類需求的農作物目標產品的質量或優劣（田紀春，1995）。由於作物的種類較多，其產品多樣化，生產-銷售-加工-消費等環節的目的不同，所要求的標準也不同，所以很難對優質確定一個統一的標準。例如，對小麥而言，生產者認為籽粒飽滿、角質率高、容重高、粒色好、售價高的小麥品質好；經銷者則要求籽粒潔淨、大小均勻、含水量適宜、無病蟲和毒素感染、無發芽、無混雜、蛋白質含量一致；麵粉加工者除上述要求外，還要求種皮薄、粒色淺、易磨製、出粉率高和粉質好；食品加工者則重視百克麵粉的烘焙或蒸煮體積，以及製成食品的外觀、色澤、內部質地等；而消費者則要求製品具有較高的營養價值、較好的外觀及良好的口感（魏益民，2002）。不同的作物其品質評價指標也各不相同。例如，評價水果及蔬菜品質的指標包括感官指標和內部指標，其中感官指標主要側重於產品的外觀、質地、風味等，而內部指標主要是指營養物質種類和含量、無毒素、無雜物等。對於水稻，品質評價主要包括外觀品質、碾米品質及蒸煮加工和營養品質，其中，外觀品質主要包括米粒顏色、籽粒大小、形狀、粒重、均勻度、角質率、腹白度等；碾米品質主要包括出米率、糙米產量、精米產量等；蒸煮加工及營養品質主要包括直鏈澱粉及支鏈澱粉比例、蛋白質含量、糊化特性、營養物質含量等。因此，評價作物品質是一項十分複雜的任務。
二、影響作物品質的因素
影響作物品質的因素較多，包括內在因素和外在因素，內因主要是基因型，而外因主要涉及氣候條件、栽培措施、病蟲害、倒伏等環境因素，總體來說基因型和環境是關鍵因素（唐永金，2004）。即使同一基因型的品種，由於氣候、土壤、栽培措施、熟期和收穫期等方面的差異也可能導致品質的差異。例如，國內培育的優質小麥品種多數品質不穩定，即在不同地域環境下種植，其品質也會有所差異。一般情況下，基因型是主導因素，決定了作物的遺傳特性，但是環境條件對其也有影響。要想獲得優質的產品，前提條件是要有優質的品種，再加上相應的配套栽培措施，最終才能生產出相應的優質產品。
（一）基因型
一般情況下，多數作物品質的性狀主要受遺傳因素的控制，如蛋白質、澱粉、油脂、維生素、食味和蒸煮品質等，但是這些性狀如大米香味（受一個隱性基因控制）、籽粒長度、堊白率等也容易受環境條件的影響；因此，大多數品質性狀受主效基因和微效基因的控制，一般都是數量性狀，除了受遺傳因素的影響，還受環境條件的影響。
（二）環境因素
1.地理和氣候
禾穀類作物（小麥、水稻、玉米、大麥、黑麥）籽粒蛋白質含量由北向南、由西向東逐漸提高；大豆則是南高北低；小麥的蛋白質含量隨緯度或海拔的降低而逐漸降低。高緯度和高海拔地區，由於氣溫低、雨量少、日照長、晝夜溫差大，有利於油分的合成。季節等氣候條件不同，對作物的品質影響也較大，例如，不同季節種植的水稻，其品質就有差異。因此，地理和氣候條件顯著影響著作物的品質。
2.光照和溫度
適宜的光照和溫度利於作物優質品質的形成。溫度過高或過低都不利於作物優質品質的形成。前人研究發現，在一定的範圍內，隨著溫度的提高，籽粒蛋白質有所增加，如小麥在20～25℃條件下，蛋白質和麵筋含量最高；而水稻籽粒成熟期間的溫度則與直鏈澱粉含量呈負相關。一般光照充足時，有利於優質品質的形成，而光照不足會影響作物的品質。
3.水分
作物品質的形成期大多處於作物生長發育旺盛期，因此需水量多、耗水量大。如果此時遭遇乾旱或漬水，一般都會明顯降低品質。水分不足不僅會影響外觀品質，也會影響內在品質。水分過多則會抑制根系的生理功能，從而影響地上部的物質積累和代謝，降低品質。對於不同的作物或同種作物的不同品種，水分對其品質的影響是不同的。降雨量和土壤水分的增加，會使作物蛋白質含量有所降低；水分、溫度、施肥不同時，也會影響到油料作物油分的含量和成分；麻類作物生長期間如果水分充分供應，可促進形成品質優良的韌皮纖維，防止木質化。
4.營養元素
（1）大量元素一般來說，大量元素指的是肥料中的氮、磷、鉀；不同的作物施用氮、磷、鉀肥時，對作物品質的影響不同。例如，禾穀類作物小麥，施用氮肥能增加籽粒蛋白質含量，而當氮磷鉀配比合理時，能使產量和蛋白質含量均明顯增加；在油料作物中，高氮肥可增加飽和脂肪酸含量，減少不飽和脂肪酸含量，從而促使脂肪酸價提高，導致油分變劣；對於澱粉含量高的作物如馬鈴薯，施用鉀肥和磷肥利於提高澱粉的含量，而施用氮肥則會降低澱粉的含量；對於醣類作物如甘蔗和甜菜，生育後期低溫有利於積累糖分，而氮磷鉀配比合理使用及增施鉀肥也可以提高含糖量。
（2）微量元素一般來說，微量元素指的是鋅、鐵、硒、硼等；微量元素含量不足或過量都會影響作物的品質。作物的生長發育包括營養生長和生殖生長，都受微量元素的影響，例如，硼在作物生殖器官發育和受精過程中起重要作用，充足的硼肥利於分生組織的細胞分化。缺硼時，會引起作物不良的表現，例如，油菜的“花而不實”、大/小麥的“穗而不實”、棉花的“蕾而不花”、蘋果的“縮果病”、柑橘的“硬化病”、甜菜的“心腐病”、芹菜的“莖裂病”和花生的“有果無仁”等現象。增施硼肥時，不僅可以改善這些不良的表現，而且有利於根系的生長發育，進而改善這些作物的生長發育，提高其品質。
微量元素鋅參與了植物葉綠素和生長素的合成，改善植物的碳、氮代謝，有利於細胞的正常分裂與生長。當缺鋅時，植物的生長會受到影響，例如，出現葉片變白、節間變短、生長點壞死等現象，以及玉米“白芽病”、水稻“僵苗”、落葉果樹“小葉病”、柑橘“斑葉病”等；增施鋅肥後，可以改善作物的生長發育，避免不良症狀的產生，進而達到增產、改善品質的目的。
5.空氣質量
空氣質量的優劣主要受大氣污染的影響，例如，粉塵、二氧化碳濃度、臭氧濃度等。空氣質量不僅影響人類的生命健康，而且會影響作物的產量和品質。例如，提高臭氧濃度會降低大豆的油酸含量；而提高二氧化碳濃度則會增加脂肪中油酸的含量，二氧化碳濃度升高會降低作物體內碳水化合物向氨基酸和蛋白質轉換的速率，使作物體內氨基酸和蛋白質的含量下降。
6.土壤質量
通常質量好、肥力高、利於作物吸收礦質元素的土壤有利於提高作物的產量和優質品質的形成。例如，酸性土壤不利於作物的生長，但是用石灰改造後，可明顯提高作物的蛋白質含量。壤土、砂土比黏土更有利於花生總糖和蔗糖的積累，而且砂土中種植的花生脂肪中油酸/亞油酸的含量也最高。土壤的鹽漬化不僅影響作物產量而且影響作物品質。例如，鹽脅迫會影響大豆籽粒蛋白質含量，對大豆籽粒的脂肪含量影響不大，但對脂肪酸的組成有一定影響（常汝鎮等，1994）。
7.病蟲害
病害和蟲害嚴重影響作物的外觀品質（如籽粒大小、外觀光澤度和整齊度等）和營養品質（如降低有益成分含量、增加有害物質含量等），有的甚至產生毒素、危害人類的身體健康，例如，小麥赤黴病不僅影響小麥產量而且嚴重影響小麥品質，赤黴菌產生的嘔吐毒素在人體內積累到一定程度會致癌；花生和玉米中的黃曲霉毒素含量過高時容易致癌而影響消費者健康。
三、作物品質的分類
作物品質根據不同特徵可以分為不同種類（翟鳳林等，1991；田紀春，1995）。根據理化性質，可分為物理品質和化學品質；根據結構特點，可分為外觀品質和內含品質；根據用途，可分為食用品質、加工品質、飼用品質、工業用品質、商用品質和醫用品質；根據工藝流程，可分為一次加工品質和二次加工品質；根據貯藏保鮮特點，可分為保鮮品質和貯藏品質。不同的分類方式之間也相互聯繫。
（一）物理品質
物理品質主要是指作物產品物理特性的優劣。例如，糧食籽粒的形狀、大小、色澤、容重、角質率、種皮厚度、整齊度、飽滿度等；水果的果形、大小、色澤、質地等；蔬菜的新鮮度、柔嫩度等。物理品質決定了產品的外觀、結構、加工利用及銷售的優劣。因此，物理品質也影響產品的外觀品質。
（二）化學品質
化學品質主要指作物產品的化學特點，包括產品營養物質的成分、含量等。例如，糧食作物的蛋白質含量、氨基酸成分、麵筋含量等；果蔬的維生素成分、含量及礦質元素的成分、含量等。因此，產品的營養價值直接受化學品質的影響。化學品質也決定了產品的內含品質。
（三）加工品質
加工產品是指目標產品對製作不同食品的適合和滿足程度。加工品質分為一次加工品質和二次加工品質。一次加工品質是指農產品進行初加工的品質，例如，小麥的一次加工品質針對將小麥加工成麵粉的過程，常用的指標是容重、千粒重、硬質、出粉率、灰分含量和麵粉顏色等。二次加工品質是指一次加工後的產品進行再加工後產品的品質。例如，製作各種食品時對麵粉物化特性的要求，包括麵粉品質、麵團品質、烘烤品質與蒸煮品質等，主要是指麵粉及其製成品如麵包、饅頭、麵條、餅乾、糕點等的口感、滋味、烘焙特性和蒸炸特性等。
（四）食用品質
食用品質是評價加工品質的最終指標，包括營養品質、蒸煮品質、烘烤品質、衛生品質等。①營養品質主要是指目標器官中所含營養成分的含量、成分結構及對人畜營養需要的適應性和滿足程度，包括營養成分的多少、營養成分是否全面和平衡、營養成分被人畜吸收利用的難易程度，以及抗營養因子及有毒物質的成分、含量等。例如，糧食籽粒中的蛋白質含量、氨基酸成分及含量；油料作物的含油量及脂肪酸成分等。②蒸煮品質主要是指米、面等製作各種食品的適宜性和其質量的好壞，包括大米、小米的蒸煮品質、口感、硬度、風味；小麥麵粉製品如饅頭、麵條、包子等的品質。③烘烤品質主要是指面製品如麵包、蛋糕等食品的適宜性及其質量的優劣。④衛生品質主要是指產品是否具有毒性，例如，糧食籽粒及面製品中的嘔吐毒素、黃曲霉毒素等；油料作物產品中的芥酸；棉籽油中的棉酚、單寧、植酸、重金屬、農藥殘留等。
第二節作物品質檢測方法概述
一、作物品質檢測的意義
隨著糧食“豐年有餘”新局面的到來，我國作物生產也發生了轉變：一是由過去單純注重產量向產量、品質兼顧方向發展，培育優質專用作物新品種和種植優質高效作物已成為農業結構調整的主要內容；二是從保護環境和人民健康的角度出發，國家開始重視無公害、綠色和有機食品的安全生產，投入大量資金在各種作物主產區組建國家和省部級質檢結構，大力支持農產品質量標準化和監督檢驗工作。這些工作都是以作物品質的檢測分析為前提和基礎。目前，正規的作物品質檢測分析已有百年的歷史，隨著電子技術的發展和計算機軟件的開發，作物品質分析技術得到了迅速發展。例如，麵團流變學參數測試儀器由手動變為自動，以及自動凱氏定氮儀的問世等。因此，作物品質檢測對我國作物品質的改良具有重要的意義（鄧志英等，2020）。
首先，作物品質檢測是品質育種選擇的基礎。許多品質指標不能直觀判斷，例如，麵團穩定時間、麵筋含量等指標，必須通過測定才能確定。許多品質指標雖然可以直觀判斷，但常與實際情況有較大差異。例如，有些看起來為軟質胚乳的小麥，實際硬度測定值很大；角質率高的品種，硬度反而較小。現有品種的審定標準中已有品質指標和評分，品質檢測已是品種審定的前提條件。
其次，作物品質檢測是糧食優質優價的標準。國際貿易、進出口的價格談判，常以品質優劣作為主要依據。例如，美國硬紅冬麥的價格是一般小麥的兩倍。“訂單農業”的產業化種植，必須有品質監督檢測才能確定品種類別、最終用途和價格，從而協調產銷雙方的矛盾。
再次，作物品質檢測是質量標準化的必要前提。儘管國家和一些省份在“十五”至“十三五”期間都立項進行質量標準化工作，但我國農產品及其製品的質量標準仍亟待完善。質量標準化工作的前提和主要依據就是質量監督檢測，近期國際上關於中國食品質量的一些非議更說明我國的食品標準化有...