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1 高木俊介パン科学技術振興財団助成研究成果報告書 国産デュラム小麦およびデュラム小麦の品質遺伝子型をもつパン小麦の品質特性の解析 ( 国研 ) 農研機構西日本農業研究センター 高田兼則 1. 研究の背景小麦は世界中で広く栽培される主要作物のひとつである このなかでも パン 麺類 菓子など私たちの食生活に最も関わりがある小麦種がパン小麦 (Triticum aestivum L.) である 一方 主にスパゲッティなどのパスタ類に使用されるデュラム小麦 (T. turgidum L. ssp. durum) はパン小麦とは異なる種である パン小麦は異なる種が合わさることで進化した作物で A ゲノムをもつヒトツブ小麦 (AA) に B ゲノムをもつ近縁種のクサビ小麦 (BB) が合わさりフタツブ小麦 (AABB デュラム小麦の祖先 ) となり これに D ゲノムをもつ近縁種のタルホ小麦 (DD) がかけ合わさってパン小麦 (AABBDD) ができた すなわちパン小麦とデュラム小麦は D ゲノムの有無がこれら2つの種を類別しており D ゲノムが加わることによって小麦の遺伝的多様性が増し 異なる環境への適応性が高まった また パン小麦のもつ D ゲノムには種子の硬さを決定するピュロインドリン (Puroindolin) 遺伝子や 小麦粉の生地物性に大きく影響するグルテニン (Glutenin) 遺伝子などの小麦の品質に大きく関わる遺伝子が存在する 従来 日本の小麦はうどんや菓子に利用されてきたが 近年は北海道の 春よ恋 ゆめちから や温暖地向けの せときらら などの製パン性に優れる国産のパン用小麦品種も育成されている こうした品種改良においても グルテニンやピュロインドリンの研究の進展によるところが大きい 一方 国内で年間 30 万トン近い消費があるパスタ類だが 日本でデュラム小麦は栽培されてこなかった その理由として 日本でデュラム小麦を栽培すると成熟が遅く 収穫期が梅雨に入ってしまう デュラム小麦は乾燥した地域の栽培に適しているため 収穫時期に降雨に遭遇すると種子が穂についたまま芽が出てしまう穂発芽が極めて生じやすく また 種子の成熟中にかび毒 ( デオキシニバレノール ) を産生する赤かび病菌 ( フザリウム ) に感染しやすい欠点が指摘されている 当研究センターでは 成熟の早いデュラム小麦を選抜することにより日本で栽培されているパン小麦に近い収穫時期となる日本で初めてのデュラム小麦品種 セトデュール を育成した しかし 穂発芽や赤かび病の抵抗性を改良することは困難であり 安定して日本でデュラム小麦を栽培するためには多くの形質を改良する必要がある デュラム小麦品種の育成を進める一方で パン小麦の品質特性をデュラム小麦のように改良することで パスタ適性に優れるパン小麦の開発が可能となるかについて研究を進めてきた 本研究では 国産小麦の用途拡大を目的として 新たに開発したデュラム小麦と同様の品質遺伝子型を持たせた国産パン小麦と国産デュラム小麦 セトデュ

2 ール の品質特性を分析すると共に 加工特性の差異について明らかにする 2. 材料デュラム小麦は セトデュール を供試した 開発したパン小麦系統は 1) 米国の小麦品種 Bindokku で発見された D ゲノムの第五染色体の短腕に座乗するピュロインドリン遺伝子の変異に由来するピュロインドリンタンパク質の欠失 (Pina-D1k)( 図 1) 2) 育種素材の中から突然変異として見いだした D ゲノムの第一染色体の短腕に座乗する低分子量グルテニン (Glu-D3) の欠失 3) ネパールの在来種 Nap Hal(PI176223) に由来する D ゲノムの第一染色体の長腕に座乗する高分子量グルテニンの欠失 (Glu-D1i)( 図 2) これらのパン小麦間の交配により 3 種類のタンパンク質を欠失した系統である また 本系統はデュラムセモリナ粉の黄色みの色調を目標として 赤さび病抵抗性遺伝子 Lr19 をマーカーとして その近傍にある小麦粉の黄色色素量が増加する形質も合わせて導入した 具体的な来歴は以下の通りである 以降 本系統を欠失系統と表す ふくほのか (Pina-D1k 1),Lr19)/( 中系 08-39/DH-137 2) )F 3 // ふくほのか (Pina-D1k,Lr19)/( ふくほのか *2/(Nap Hal 3) / ふくほのか *3) F 3 図 1. ピュロインドリン蛋白質を欠失したパン小麦の 2 次元電気泳動像 左 : ピュロインドリン遺伝子が機能している軟質のパン小麦 中 : ピュロインドリンタンパク質を欠失したパン小麦系統 図 2. 小麦種子貯蔵蛋白質の一次元電気泳動像 左 : セトデュール 中 : 欠失系統 右 : 農林 61 号 ( パン小麦 )

3 3. 方法 3-1 栽培セトデュールおよび欠失系統は 2015 年 11 月に西日本農業研究センター試験圃場で基肥 N6.5g/ m2 追肥として 1 月に N1.5g/ m2 3 月に N2.6g/ m2 開花期に N6g/ m2を施要し 2016 年 6 月に収穫した 3-2 種子の分析子実硬度は 単一穀粒評価システム SKCS4100(Perten Instruments) で測定した タンパク質含量は近赤外分光分析装置 (Infratec1421,Foss) で測定した 灰分は燃焼法によって測定し タンパク質含量と灰分含量は 13.5% 水分に換算して示した 黄色色素量は AACC14-50 に準じて行った 製粉は AACC26-21A に従ってビューラー試験製粉機 Buhler MLU-202 で行った 但し 最終篩目開きが 300μm の篩セットを使用し ロールギャップを調整した 目標水分は 16% とし 製粉開始の 8 時間以上前に加水振盪した 小麦粉は 60% に調製して品質分析に供試した 3-3 小麦粉の分析タンパク質含量および灰分含量は近赤外分光分析装置 Infratec1421(Foss) で測定した 粒度は レーザー回折式粒度分布測定装置 Heros&rodos(Sympatec GmbH) で測定し中央値で表した また 小麦粉の粒子について走査型電子顕微鏡 S-3400( 日立ハイテクノロジー ) で観察を行った 黄色色素量は AACC14-50 に準じて行った 色相は小麦粉に加水した湿色を色差計 3500d( ミノルタ ) で測定し L*( 明るさ ) a*( 赤色み ) b*( 黄色み ) で表した タンパク質の量と質の差を推定する SDS 沈降量は Takata et al.(1999) の方法に準じて小麦粉 4.0g を供試して行った ポリマータンパク質の測定は Gupta et al.(1933) の方法を改変して液体クロマトグラフで測定し グルテニン / グリアジン比として示した アミロース含量は オートアナライザー ( ビーエル テック ) で測定した 損傷デンプンは 損傷デンプン測定キット (Megazyme) を使用して測定した 小麦粉の生地物性はドウラボ (FOSS) で測定し 吸水率 生地生成時間 弱化度およびバロリメーターバリューで表した 3-4 製パン試験製パン試験は日本イースト工業会のパン用酵母試験法ストレート法に準じて行った 配合は 小麦粉 100g 砂糖 5g 塩 2g ショートニング 5g ドライイースト 1g アスコルビン酸 g 1 次発酵 (30 RH75%)50 分 パンチ 2 次発酵 30 分 (30 RH75%) 生地は 170g に分割調製し 15 分 成形 ホイロ発酵 (38 RH85% )55 分基準 焼成 分で行った 加水率はドウラボの吸水率を基準に調整し 混捏時間はバーサロガーのピークタイムを参考に決定した パンは焼成 1 時間後に重量と容積を測定し 1 日後に評価を行った 4. 結果

4 4-1 種子の特性 容積重は欠失系統とセトデュールで差はなかった 千粒重はセトデュールが重く 種子が大きか った タンパク質含量はほぼ同程度であり 灰分含量は欠失系統がやや高かった 黄色色素量は 欠失系統はセトデュールより高かった 硬度はセトデュールが欠失系統より硬度指数 (HI) が 19 高 く デュラム小麦らしい高い値であったが 同じくピュロインドリンタンパク質をもたない欠失系統は デュラム小麦と同程度の硬さにならなかった ( 表 1) 製粉では 製粉歩留は欠失系統がセトデュー ルより高かった BM 率は値が低いほど硬質的であり 硬度を反映してセトデュールが欠失系統より 低かった さらに 欠失系統のセモリナ生成率はセトデュールより低く 粉砕率はセトデュールより 高く セトデュールとは異なり 硬質のパン小麦に類似した製粉性を示した 表 1. 原粒特性と製粉の結果 供試材料 容積重 (g) 千粒重 (g) 原粒 蛋白 灰分 黄色色素 (ppm) 硬度 (HI) 製粉歩留 BM 率 セモリナ生成率 粉砕率 欠失系統 セトデュール 製粉 4-2 小麦粉の特性 小麦粉のタンパク質含量は 種子のタンパク質含量の差以上に 欠失系統がセトデュールより 低くなった 一方で 灰分含量は種子では欠失系統が高かったが 小麦粉では大きく低下した ( 表 2) これは パン小麦である欠失系統は灰分の高いアリューロン層がふすま画分に取り除かれたこ とに対して 種子が硬いセトデュールは製粉時にアリューロン層の小麦粉中への混入が多いことを 示唆していた 表 2.60% 粉の品質分析結果 供試材料 蛋白 灰分 粒度 (μm) 黄色色素 (ppm) L* 明るさ 小麦粉の粒度は種子の硬さを反映してセトデュールが欠失系統より高く より粗い粒子であっ た 小麦粉の粒度分布を見ると ( 図 3) 欠失系統は 250μm の粒径がピークとなっているのに対 し セトデュールは 280μm の粒径がピークとなり また その頻度も多かった 製粉条件が異なる ものの参考で示した硬質小麦 せときらら とは 両者ともに粒度分布が大きく異なり 両者はセモリ ナ粉 ( 粗挽き粉 ) が主体の小麦粉であることを示していた 小麦粉の走査型電子顕微鏡による観察 では 欠失系統は細胞壁に沿って胚乳単位で割れた粒子が多いことに対して セトデュールでは 色相 a* 赤色み b* 黄色み SDS 沈降量 (ml) グルテニン / グリアジン比 アミロース含量 損傷デンプン 欠失系統 セトデュール

5 ランダムに破砕された細胞塊が多かった これらの結果は 損傷デンプン含量にも反映されており セトデュールの損傷デンプンは欠失系統より高く 硬く砕けにくい性質を示していた 黄色色素量は 種子と同様に欠失系統がセトデュールより多く 小麦粉の黄色みも高かった また 小麦粉の明るさは欠失系統が高く 明るく黄色みの強い色調であった 図 3. 小麦粉の粒度分布 図 4. 小麦粉の走査型電子顕微鏡写真 タンパク質の質においては 小麦粉のタンパク質が 12% 以上にもかかわらず 欠失系統 セトデュールともに SDS 沈降量はパン小麦の薄力粉よりも低い値 ( データー未記載 ) であった これは Glu-D1 および Glu-D3 のサブユニットを持たないことを反映していた また セトデュールの SDS 沈降量は欠失系統よりさらに低く不溶性タンパク質が極めて少ないことを示唆していた 同様にグルテンタンパク質の質を示すグルテニン / グリアジン比においては 欠失系統は一般のパン小麦と同様の比率であったが セトデュールはこの比がかなり低く グルテニン ( 不溶性タンパク質 ) の比

6 率がかなり低いことを示していた 不溶性タンパク質が少ないことは 小麦粉の生地物性にも現れていた ( 表 3 図 5) タンパク質含量が 12% 以上と強力粉並みに高いにもかかわらず 両者の生地物性は強力粉に比べて著しく弱かった ドウラボの生地形成時間は両者ともに 2 分台と短く 弱化度は大きかった 特にセトデュールは弱化度が大きく かなり生地が弱いことを示していた バロリメーターバリューはタンパク質含量が 12% 以上と高いにもかかわらず低く 欠失系統の値は薄力粉原料の輸入小麦銘柄 WW に近く セトデュールは 日本めん用のパン小麦品種 農林 61 号 に近い値であった 吸水率に関しては セトデュールは欠失系統より約 5% 高く この差は損傷デンプンの影響も考えられた 表 3. 小麦粉の生地物性の測定結果 供試材料 吸水率 生地形成時間 ( 分 ) ドウラボ 弱化度 (FU) バロリメーターバリュー 欠失系統 セトデュール 図 5. ドウラボのチャート 4-3 製パン性 欠失系統とセトデュールのドウラボのチャートは類似しており 加水率を除けば薄力粉的な特性 を示していたが バーサロガーのチャートは両者で大きく異なっていた ( 図 6) 欠失系統は ミキシ

7 ングピークタイムは短いものの 生地がまとまって 一定の負荷が生地にかかっていることが分かるが セトデュールは生地がまとまらず ミキシングのピークも判然としなかった 製パン試験で捏ねあがったパン生地は 欠失系統では 生地がつながりグルテン膜の形成が認められた 一方 セトデュールは 生地のつながりがなく 団子状にまとまっただけであった 図 7.100g 製パン試験のパン 図 6. 製パン配合の小麦粉 100g のピンミキサーに よる混捏時のバーサロガーのチャート パン試験のミキシング時間は バーサロガーのピークタイムを参考に生地状態から決定した セトデュールは生地状態からバーサロガーのピークよりも 1 分 40 秒短い 3 分 30 秒でミキシングを終了した ホイロ時間は基準を 55 分として 欠失系統はパン生地の高さが強力粉の生地の高さに近い時間まで発酵させた セトデュールは基準よりも 10 分長く発酵させたが 生地の膨らみがかなり低いままであった パンの評価は 欠失系統のタンパク質含量は強力粉並であったが パン容積は低く 焼き色はやや薄かった また 形均整やすだちは劣った 色相は黄色みが目立ち パン内相が詰まって くすみ があり低い評価となった さらに 香りや味が劣った セトデュールのパン容積は著しく低く そのため形均整 皮質 すだち 触感などいずれも低い評価となった

8 表 4. 製パン試験結果 供試材料 加水率 混捏時間 ( 分 : 秒 ) ホイロ時間 ( 分 ) パン容積 (ml) 比容積 (30) 焼き色 (10) 形均整 皮質 すだち (10) 色相 触感 香り (15) 味 評点 欠失系統 : (18) セトデュール : (0) 市販強力粉 : (28) パスタ加工適性乾燥スパゲッティは日本製粉 ( 株 ) で試作した ( 図 8) サンプルが少量であったため十分な評価は行えなかったが 欠失系統とセトデュールに作業性の違いはなかった 乾燥スパゲッティの切断面を走査型電子顕微鏡で観察すると セトデュールは大粒デンプンが大きく その割合が多い 一方 欠失系統は大粒デンプンが比較的小さく 小粒デンプンの割合が多いようであった 図 8. 乾燥スパゲッティ 上 : 欠失系統 下 : セトデュール 図 9. 乾燥スパゲッティの断面の SEM 画像 5. 考察デュラム小麦の品質に類似した遺伝子型をもつパン小麦系統を開発して デュラム小麦品種 セトデュール と品質特性を比較した グルテン特性は 欠失系統が D ゲノム上の高分子量グルテニンと低分子量グルテニンを持たないため デュラム小麦と同様に不溶性タンパク質が少なく 生地物性がかなり弱い点などは類似した結果であった 一方 デュラム小麦の特徴である硬い種子特性は ピュロインドリンタンパク質を生成しない Pina D1k 遺伝子型をもつ欠失系統はパン小麦では最も硬い遺伝子型であるが (Takata et al. 2010) デュラム小麦 セトデュール の硬さには及ばなかった 小麦粉の特性としては 小麦粉の粒子の観察から 粒子の形状が欠失系統とセトデュールで異なっており 欠失系統は主に細胞単位で砕けているが セトデュールは不規則に かつ鋭角に砕けているようであった こうした製粉時の粉砕特性の違いは 種子と小麦粉のタンパ

9 ク質含量と灰分含量の差にも影響していると考えられ 欠失系統はタンパク質含量や小麦粉の灰分含量がセトデュールより低く アリューロン層および種子表層の小麦粉への混入が少ない事を示唆していた また 製パン時にセトデュールではパン生地のグルテン膜が十分に形成されず 発酵時のガス保持力が極めて低いことも 鋭角に砕けている小麦粉の粒子による影響が考えられた 本研究では パン小麦の種子の硬さを決定するピュロインドリンは デュラム小麦の種子の硬さを説明できなかった Medcalf ら (1968) は 細胞壁多糖のアラビノキシランの組成比がデュラム小麦とパン小麦で異なっていることを報告しており 当研究グループでも同様の結果を得ている ( 未発表 ) また D Appolonia(1971) などペントサンの製パン性への影響は数多く報告されている また 加藤ら (2002) は パン小麦のアラビノキシラン含量の製粉歩留への影響を報告している 今後は 欠失系統およびセトデュールをさらに改変してデュラム小麦に由来するアラビノキシラン含量の加工適性への影響についての分析と育種素材の開発を進める予定である

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