播期对高粱营养与食味品质的调控效应*

张瑞栋, 张 壮, 岳忠孝, 李佳衡, 陈小飞, 徐晓雪, 邢艺凡, 姜 冰, 周宇飞**, 黄瑞冬

(1.沈阳农业大学农学院 沈阳 110866; 2.山西省农业科学院经济作物研究所 汾阳 032200)

高粱(Sorghum bicolor L.)是世界五大谷类作物之一, 具有光合能力高、抗逆性强等特点, 广泛分布在世界各地[1]。高粱籽粒内含有丰富的淀粉、蛋白质、脂肪、铁、镁、硒等营养物质, 在一些干旱和半干旱地区被当作重要的食物来源[2-3]。高粱曾是我国重要的主粮作物, 被广泛种植, 目前在我国的东北地区和黄河流域仍保持着食用高粱米和高粱面食的习惯[4-5]。由于高粱适口性不及水稻(Oryza sativa L.)、小麦(Triticum aestivum L.)和玉米(Zea mays L.), 使得高粱种植逐渐被其他作物所取代[6]。研究高粱的营养和食用品质对拓宽高粱用途, 推动高粱产业发展具有重要意义。

作物的品质受基因和环境共同调控。肖梦颖等[7]研究表明, 辽宁省地方高粱品种的营养和食用品质存在差异。景立权等[8]研究发现, 作物的生长环境是影响营养和食用品质的主要因素。播期直接关系到气候资源在作物生育期内的分布, 适宜的播种期是农业生产领域主要研究问题之一[9]。小麦晚播会增加籽粒蛋白质含量, 增加面粉的拉伸阻力, 而且弱筋小麦的品质对播期的响应比强筋小麦更加明显[10-12]。沈新平等[13]研究表明, 水稻的垩白度与播期存在一定相关性, 垩白度较高的品种在晚播时, 垩白度显著降低。邢志鹏等[14]研究表明, 水稻播期推迟, 稻米的碾米品质变优, 外观品质提升, 但稻米的营养品质和蒸煮品质变差。播期也可改变稻米淀粉黏滞性(RVA)谱特征参数, 随着播期的推迟, 稻米的峰值黏度、热浆黏度、崩解值均呈下降趋势, 消减值在不同播期中变化较大[15]。关于播期对高粱的影响前人做了一定的研究, 但主要集中在形态性状[16-17]和产量[18]性状等方面。尽管也有研究[19]表明播期的延后 对高粱籽粒淀粉含量的增加有一定的促进作用, 但关于播期对高粱籽粒品质性状, 特别是对食味品质的研究, 迄今还少见报道。因此, 本研究选用辽宁省的两个高粱主栽品种, 系统研究播期对高粱营养和食味品质的影响, 以期为高粱的优质高效生产及适宜播期的制定提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验地点与供试材料

试验于2013—2014年在沈阳农业大学试验基地(41°49′N, 123°33′E)进行。该区域属于北温带, 受季风气候影响,年平均降水量716.2 mm,年平均温度为8 ℃, 雨季主要集中在7—8月, 无霜期155～180 d, 2013年和2014年高粱生育期内气象条件见表1。试验田土壤类型为沙壤土, 0～30 cm 土层有机质含量15.6 g·kg-1, 碱解氮97.7 mg·kg-1, 速效磷26.3 mg·kg-1, 速效钾128.5 mg·kg-1, 土壤pH 为6.5。本研究的高粱品种为‘辽杂11’(辽宁省农业科学院选育)与‘沈杂5 号’(沈阳市农业科学院选育)。

表1 2013年和2014年高粱生育期内的气象条件 Table 1 Meteorological conditions during sorghum growth period in 2013 and 2014

1.2 试验设计

试验设置3 个播期, 2013年和2014年均4月30日(T1)、5月14日(T2)和5月28日(T3)进行播种。小区面积18 m2, 种植密度为90 000 株·hm-2, 试验采取裂区试验设计, 3 次重复。播种前施有机肥15 t·hm-2, 播种时施磷酸二铵 150 kg·hm-2, 拔节期追施尿素300 kg·hm-2, 其他田间管理同一般生产田。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 产量指标的测定

2013年和2014年收获时期一致, 3 个播期的高粱收获期分别为9月7日、9月16日和9月25日, 每个小区收获中间两行, 收获后置于通风的遮雨棚下进行风干, 然后考种, 测定穗数、穗粒数和千粒重, 计算每个小区产量。测产完的籽粒分别置于纱网袋中用于高粱营养品质和食味品质指标测定。

1.3.2 高粱营养品质的测定

测产后的籽粒分别粉碎, 参照何照范[20]的方法, 利用凯氏定氮法测定样品粗蛋白含量, 利用索氏抽提法测定粗脂肪的含量, 采用双波长法测定支、直链淀粉含量, 参照GB/T 15686—2008 测定籽粒单宁含量。每组样品分别进行3 次测定。

1.3.3 高粱淀粉特性的测定

利用Newport Scientific 公司制造的Super 3 型 快速黏度分析仪进行测定并分析高粱淀粉RVA 谱特征参数。参照阮少兰等[21]的方法测定高粱淀粉的蒸煮膨胀率。

1.3.4 高粱食味的测定

参照肖梦颖等[7]的研究方法, 测定高粱米粥的感官食味品质, 包括气味、外观、适口性、滋味、冷饭质地5 个指标。5 个指标满分分别为20、20、30、25、5 分, 共计100 分。

1.4 气象资料和数据统计分析

气象资料来自于沈阳农业大学气象观测站。采用Microsoft Excel 2010 进行数据处理、作图, 利用SPSS 18.0 对数据进行方差分析与相关分析。

2 结果与分析

2.1 播期对高粱产量及构成因素的影响

如表2 所示, 播期对‘沈杂5 号’产量有显著影响, 与T1(4月30日)相比, 2013年‘沈杂5 号’T2(5月14日)和T3(5月28日)处理产量分别增加12.35%和11.64%, 2014年产量分别增加12.47%和13.29%, 产量增加的主要原因是有效穗数的增加, 与T1相比, 2013年‘沈杂5 号’T2 和T3 的穗数分别增加18.97%和30.26%, 2014年穗数分别增加27.26%和29.38%。而播期推迟提高了‘辽杂11’穗数, 但对产量无显著影响。

表2 播期对不同高粱品种产量及构成因素的影响 Table 2 Effects of sowing dates on grain yield and yield components of different sorghum varieties

2.2 播期对高粱籽粒营养品质的影响

由表3 可知, 高粱籽粒粗蛋白、单宁、粗脂肪、支链淀粉和总淀粉含量在年份、品种和播期3 个因素下差异均达显著或者极显著水平, 直链淀粉的变异来源主要来自于年份和播期之间, 品种之间的差异未达显著水平。粗蛋白和单宁含量随播期的推迟呈降低趋势, ‘辽杂11’和‘沈杂5 号’粗蛋白和单宁含量均在T3处理最低。‘辽杂11’粗脂肪含量随播期推迟呈增加变化趋势, T3 比T1、T2 分别增加20.94%～23.49%和21.29%～25.41%, ‘沈杂5 号’粗脂肪含量在播期间的变化规律不明显。支链淀粉和总淀粉含量都随播期的推迟呈增加趋势, ‘辽杂11’和‘沈杂5 号’的支链淀粉和总淀粉含量在T3 处理下均达到最大。

2.3 播期对高粱淀粉特性的影响

随着播期的推迟, 高粱淀粉的峰值黏度、崩解值、最终黏度均呈现增加趋势, ‘辽杂11’峰值黏度在T2 和T3 处理下比T1 分别增加7.41%～13.65%和13.51%～18.50%, ‘沈杂5 号’的峰值黏度在不同播期间差异不显著。‘辽杂11’的崩解值在T2 和T3 处理下比T1 分别增加32.05%～51.39%和52.19%～53.08%, ‘沈杂5 号’的崩解值T2 和T3 处理比T1 增加37.14%和39.93%(2014年)。2013年‘辽杂11’的最终黏度T2 处理比T1 增加8.61%, ‘沈杂5 号’的最终黏度在播期间差异不显著。两品种的峰值时间在不同播期间差异不显著。糊化温度随播期的推迟呈减小趋势, ‘辽杂11’糊化温度T3 达到最低, ‘沈杂5 号’糊化温度T2 达到最低(表4)。

由图 1 可知, 两个高粱品种蒸煮膨胀率均达300%以上, ‘辽杂11’的膨胀率在不同播期之间差异不显著, ‘沈杂5 号’蒸煮膨胀率随播期的推迟呈增加的变化趋势, T3 处理较T1 增加6.30%(2013年)和12.09%(2014年)。

2.4 播期对高粱食味品质的影响

由表5 可知, 播期推迟后高粱的适口性、滋味、气味、外观和冷粥质地得分均表现为增加趋势。两品种的T3 综合得分均达到最大, ‘辽杂11’的T3 处理综合得分较T1 和T2 分别增加11.86%～12.81%和6.83%～8.44%; ‘沈杂5 号’T3 处理的综合得分与T1和T2 相比分别增加6.48%～7.18%和3.33%～4.06%, 食味品质综合得分在播期间的差异达极显著水平。

表3 播期对不同高粱品种营养品质的影响 Table 3 Effects of sowing dates on nutritional quality of different sorghum varieties

表4 播期对不同高粱品种淀粉RVA 谱特征参数的影响 Table 4 Effects of sowing dates on the starch RVA profile characteristics of different sorghum varieties

图1 播期对不同高粱品种蒸煮膨胀率的影响 Fig.1 Effects of sowing dates on cooking expansion rates of different sorghum varieties

2.5 高粱食味与高粱营养品质和RVA 谱各特征值的关系

由表6 可知, 粗蛋白含量和单宁含量与食味指标(冷粥质地除外)呈极显著负相关, 说明高粱富含粗蛋白和单宁的食味品质较差。粗脂肪、直链淀粉、支链淀粉和总淀粉含量与食味指标之间呈显著或极显著正相关, 说明淀粉和粗脂肪较高有利于改善高粱的食味品质。

由表7 可知, 峰值黏度、热浆黏度、崩解值、最终黏度、回复值与高粱的适口性、滋味、气味呈显著或极显著正相关, 说明峰值黏度、热浆黏度、崩解值、最终黏度、回复值对高粱食味的贡献为正效应。高粱的冷粥质地与热浆黏度、峰值时间和糊化温度呈极显著或显著正相关。

表5 播期对不同高粱品种食味的影响 Table 5 Effects of sowing dates on edible flavor of different sorghum varieties

表6 高粱食味品质与营养品质的相关分析 Table 6 Correlation analysis of food quality and nutrition quality of sorghum

表7 高粱食味品质与淀粉RVA 谱各特征值的相关分析 Table 7 Correlation analysis among eating quality indices and RVA profile characteristics of sorghum

2.6 气象因子对高粱营养品质和食味品质的影响

通过气象因子与高粱的食味品质、营养成分及RVA 谱特征值进行相关分析(表8), 结果表明: 高粱适口性与高粱生育期间的平均温度呈极显著正相关, 高粱生育期内的平均温度与支链淀粉含量、总淀粉含量和膨胀率呈显著或极显著正相关, 说明高粱生育期内较高的平均温度有利于高粱支链淀粉和总淀粉的积累, 生育期间的温度对高粱的适口性有正向效应; 高粱生育期内的日最高温度与直链淀粉的含量呈极显著正相关, 与最终黏度呈显著负相关。高粱生育期内的日最低温度与适口性、气味值、支链淀粉含量、峰值黏度和最终黏度呈显著正相关。生育期内的降水量与直链淀粉含量呈显著负相关。日照时数与综合评分、适口性、滋味、气味、支链淀粉、总淀粉、峰值黏度和膨胀率呈显著或极显著负相关。

表8 气象因子与高粱食味、营养成分及淀粉RVA 谱特征值的相关性 Table 8 Correlation between meteorological factors and sorghum nutrient component, edible flavor, RVA profile characteristics

3 讨论

播期影响作物的生长发育, 进而影响作物产量形成。品质性状也容易受生育期内环境因子的影响[22], 调整播期是改变作物生育期内环境资源分布的最重要栽培措施。李筠等[23]研究发现, 播期对小麦籽粒粗蛋白含量具有明显的调控作用, 随着播期的推迟小麦籽粒粗蛋白含量呈明显上升趋势。但在本研究中, 高粱籽粒粗蛋白含量随播期的推迟呈降低趋势, 这与彭波等[24]在水稻上的研究相类似。相关分析表明, 高粱粗蛋白含量与食味综合得分呈显著负相关, 播期推迟后籽粒粗蛋白含量的降低可提高高粱的食味品质。粗脂肪在加热过程中可参与美拉德反应, 产生挥发性香味物质。本研究中, 粗脂肪含量与高粱的食味品质呈显著正相关。郭宗学等[25]在玉米上 研究发现, 晚播也可使玉米籽粒粗脂肪含量上升, 但张胜等[26]研究发现玉米早播籽粒粗脂肪含量显著高于晚播。本研究中, 随着播期的推迟, ‘辽杂11’的粗脂肪含量显著增加, 粗脂肪含量的提高对改善高粱米质的外观和适口性方面具有正向作用, 但‘沈杂5 号’在不同播期下粗脂肪含量变化与‘辽杂11’不同, 关于籽粒中粗脂肪含量对播期的响应, 其具体原因尚需要进一步研究。单宁含量高的高粱籽粒, 在食用过程中会产生一定的苦涩感, 影响高粱的食用品质, 本研究发现, 随着播期的推迟, 高粱籽粒单宁含量呈减小趋势。高粱单宁含量的减少, 有助于改善高粱的口感和营养品质[27-29]。粗蛋白、粗脂肪和单宁含量与气象因素未发现显著相关性, 但是播期对其影响较为显著, 这可能与气象因子在高粱生育期内的分配格局有关。

高粱籽粒淀粉含量的多少是决定其品质的另一个重要因素[30], 直链淀粉含量过高的米饭质地较硬, 黏性较小, 直链淀粉含量过低, 米饭较软, 黏性较大[31]。本试验表明, 晚播对高粱籽粒中支链淀粉和总淀粉含量的增加有明显效果, 而此现象伴随着适口性的上升, 综合评分增加, 从而导致食味品质的提升, 李超等[19]研究也发现高粱适时晚播可提高高粱的支链淀粉与直链淀粉的比值, 改善高粱的品质。

稻米的RVA 谱特征值是评价稻米品质的一种简单快捷的方式, 肖梦颖等[7]研究发现, 高粱的RVA谱特征值也可作为高粱食用品质的评价指标。在水稻中峰值黏度大、崩解值大、最终黏度小、消减值小则食味好, 具有这种特性的米饭, 冷热均较软而黏[32]。本试验研究表明, 播期推迟后, 两个高粱品种的淀粉RVA 谱特征参数表现出不同程度的增长, 高粱的崩解值和峰值黏度在播期推迟后显著增加, 这可能与高粱在播期推迟后高粱支链淀粉和总淀粉含量的增加有关, 孔令平等[33]研究发现, 晚播条件下玉米峰值黏度增加, 可改善玉米籽粒品质, 而成臣等[34]在水稻上发现, 随着播期推迟, 籼、粳稻峰值黏度、热浆黏度、冷胶黏度和崩解值均呈降低趋势。由此可见, 籽粒淀粉的RVA 谱特征值与播期的关系, 在不同地区和不同品种中存在一定的差异。这可能是由于不同播期内的环境差异, 或者不同品种对环境的响应差异造成的。在本研究中, 崩解值与生育期内的平均温度呈显著正相关, 说明生育期内较高的温度有利于提高高粱的崩解值, 从而提高高粱的品质。本研究还发现, 播期推迟后, 高粱的蒸煮膨胀率有增加的趋势, 蒸煮膨胀率可反映高粱米的膨胀性, 蒸煮膨胀率增加表明高粱米的弹性提高。高粱膨胀率与生育期内的平均温度呈极显著正相关, 说明生育期内较高温度也有利于增加高粱的膨胀率。

4 结论

高粱的食味品质受品种和环境影响较大, 高粱生长期的日平均温度与高粱籽粒中支链淀粉含量呈显著正相关。对‘辽杂11’和‘沈杂5 号’而言, 适当晚播(沈阳地区在5月28日), 可减少高粱籽粒中粗蛋白和单宁含量, 有利于增加支链淀粉含量, 提高高粱的峰值黏度和崩解值, 从而提升高粱的食味品质。播期推迟有利于‘沈杂5 号’产量的提高。