半糯性粳稻的淀粉精细结构及其米粉/饭功能特性研究

张 超 吴 焱 魏海燕 刘国栋 张洪程

(江苏省作物遗传生理重点实验室；江苏省作物栽培生理重点实验室；江苏省粮食作物现代产业技术协同创新中心；扬州大学水稻产业工程技术研究院；扬州大学农学院，扬州 225009)

水稻是我国最主要的粮食作物之一。随着我国经济的发展和居民生活水平的提高，人们对稻米的需求逐渐由“吃得饱”向“吃得好”转变。改善稻米品质，获得具有优质食味品质的稻米，逐渐成为目前我国稻米产业发展的重要趋势[1]。近年来，水稻育种专家为满足市场需求，相继选育出了一系列优质食味品种，并在各水稻主产区进行推广。其中，半糯性粳稻，又称粳型软米，因其蒸煮后米饭富有弹性，软而不烂，冷饭不回生变硬等优点，深受江浙沪等地区消费者的喜爱。南粳9108、苏香粳3号、徐稻9号等半糯性粳稻品种，已在生产上大面积推广[2，3]。同时，半糯性粳稻也因其米饭的优质食味特性，常常被用于寿司制作，是优质寿司用米的平价替代品之一。此外，半糯性粳稻是制作方便米饭、米类点心，适合中央厨房工业化米饭生产的优质原材料，具有广阔的市场应用前景[4]。

目前，育种家一直采用直链淀粉含量来评价半糯性粳稻，其精米中直链淀粉质量分数一般在2%～15%之间[5]。此外，糊化温度、胶稠度也被作为辅助标准评价半糯性粳稻[6]。目前，半糯性粳稻的食味品质多采用感官评定方法进行评价，但研究者对半糯性粳稻米粉和米饭的功能特性及其形成机制尚缺乏深入的研究。

因此，本研究以在江苏地区大面积推广的半糯性粳稻(南粳9108、苏香粳3号、徐稻9号)作为实验材料，以糯性粳稻(淮糯12、镇糯19、扬粳糯2号)、非糯性粳稻(淮稻5号、苏粳815、扬育粳2号)作为对照，通过对比分析半糯性粳稻米粉的糊化特性、米饭的质构特性、米饭/糊的水分运动性与淀粉精细结构之间的相互关系，阐明淀粉精细结构对半糯性粳稻米粉/饭理化特性的影响。

1 材料与方法

1.1 实验材料

供试稻米品种：淮糯12、镇糯19、扬粳糯2号、南粳9108、苏香粳3号、徐稻9号、淮稻5号、苏粳815、扬育粳2号。9种粳稻按照相同栽培条件，在扬州大学农学院实验农场种植。稻谷成熟后收获、晾干、平衡水分至14%左右，抽真空4 ℃低温储藏用于后续实验。

1.2 方法

1.2.1 样品前处理

稻谷经SY88-TH砻谷机去壳出糙，采用LTJM-2099碾米机出精，制备精米。采用FOSS CT193旋风式磨进行研磨，过60目筛，制备米粉。

1.2.2 蒸煮米饭

称取整精米30 g，淘洗3次，按米水比1∶1.3加水，在密封铝罐中浸泡30 min。然后蒸煮30 min，焖10 min后，将铝罐放入鼓风箱冷却20 min。最后在室温下再冷却90 min，测定米饭质构。

1.2.3 淀粉精细结构的测定

样品处理：按照Tao等[7]所用的方法制备原淀粉与脱支淀粉。用蛋白酶、亚硫酸氢钠溶液、乙醇等试剂处理米粉来去除蛋白质等非淀粉组分。

淀粉分子量分布的测定：采用安捷伦1100系列凝胶排阻色谱仪配RID-10A检测器测试样品。按照Gilbert等[8]的方法测定。流动相为含0.5%LiBr的DMSO/LiBr溶液，柱温为80 ℃。测原淀粉时，使用GRAM pre-column、GRAM 100和GRAM 3000柱(PSS)串联，流速为0.3 mL/min。测脱支淀粉时，使用GRAM pre-column、GRAM 100和GRAM 1000柱(PSS)串联，流速为0.6 mL/min。采用分子量342～2.35×106的普鲁兰多糖作为标准品。

支链淀粉侧链长分布的测定：将冻干之后的脱支淀粉，用8-氨基芘-1,3,6-三磺酸(APTS)进行标记，然后在25 ℃，30 kV电压条件下，用碳水化合物分离缓冲液在N-CHO涂层毛细管中进行分离。使用配有固态激光诱导荧光(LIF)检测器和氩离子激发源的PA-800 Plus凝胶毛细管电泳仪(FACE)进行测定[9]。

1.2.4 米粉RVA谱黏滞性的测定

采用Perten Super3 RVA快速黏度仪测定，用配套TWC软件进行数据分析。称取3 g米粉，加入25 g去离子水。然后按照Standard 1法测定其糊化特性：在50 ℃下维持1 min，然后以6 ℃/min的速度升温至95 ℃，维持5 min，再以6 ℃/min的速度降温至50 ℃，维持2 min，测定过程中，前10 s的搅拌速度为960 r/min，其他时间搅拌速度为160 r/min。RVA谱特征值包括峰值黏度、热浆黏度、最终黏度、崩解值、消减值、回复值、糊化温度。

1.2.5 米饭质构测定

采用SMS TA.XT.Plus物性测定仪测定米饭质构。测试探头为P/36R，测试模式为压力测定，触发力设置为5 g，测试前速度1 mm/s，测试速度0.5 mm/s，测试后速度0.5 mm/s，进行2次压缩，第1次压缩程度为40%，第2次压缩程度为70%。每次挑选3粒米饭，呈环形摆放，重复6次。以硬度、弹性、黏性、口感均衡性评价米饭质构。其中，硬度为第1次压缩过程中最大正峰处的力值，弹性为第1次压缩过程中返回时米饭的回复能力与压缩时探头压缩能量的比值，黏性为最大负峰处的力值，口感均衡性为测试过程中最大负峰和正峰力值的比值。

1.2.6 米糊/饭水分运动性的测定

采用NMI20-015V-I低场核磁成像分析仪测定米糊/饭的水分运动性。称取5 g RVA测试之后的米糊，装入玻璃样品瓶中，进行测定。米饭水分运动性的测定：称取5 g 按1.2.2方法蒸煮后冷却1.5 h的米饭，装入玻璃样品瓶中，进行测定。测试参数为：等待时间(TW)为4 000 ms，回波时间(TE)为0.3 ms，累加采样4次，回波个数为15 000。数据采用系统软件进行反演，通过迭代算法计算样品中氢质子的自旋-自旋弛豫时间(T2)。

1.3 数据分析

用 SPSS 软件和 Microsoft Excel 软件分析和处理数据, 采用SPSS 13.0的单因素方差分析(One-Way ANOVA)在显著性水平α=0.05下进行分析。数据标注不同小写字母表示α=0.05水平下具有显著差异。采用Pearson相关进行相关性分析。

2 结果与讨论

2.1 淀粉精细结构分析

研究表明3种类型粳稻淀粉的含量及精细结构差异显著(表1)。与糯性粳稻淀粉和非糯性粳稻淀粉相比，半糯性粳稻淀粉中短链(DP 101～1 000)、中链(DP 1 001～2 000)、长链直链淀粉(DP 2 001～20 000)占总淀粉的含量均处于二者之间。在粳稻直链淀粉中，链长为DP 101～1 000的短链直链淀粉含量最多，其中半糯性粳稻直链淀粉中短链直链淀粉含量占直链淀粉总量的84.14%，而糯性淀粉和非糯性淀粉中该质量分数分别为75.49%、79.71%。

进一步对粳稻淀粉中支链淀粉的精细结构进行分析，发现半糯性粳稻淀粉中支链淀粉平均链长(DP值)为20.25，该值低于糯性粳稻淀粉，高于非糯性粳稻淀粉(表2)。半糯性粳稻支链淀粉中中等长度的B1、B2链含量最多，而糯性粳稻支链淀粉中较长的B3链含量最多，非糯性粳稻支链淀粉中较短的的A链含量最多。因此，与糯性粳稻淀粉和非糯性粳稻中支链淀粉相比，半糯性粳稻的支链淀粉中含有更多中等链长的B1、B2链，平均链长介于糯性粳稻跟非糯性粳稻之间。

表1 粳稻淀粉中直链淀粉含量及其结构分析

表2 粳稻支链淀粉含量及其结构分析

2.2 米粉糊化特性

稻米米粉的RVA谱黏滞特性与米饭蒸煮、食味品质密切相关。研究发现3种类型粳稻米粉的RVA谱特征值差异显著(表3)。热浆黏度、最终黏度、消解值、回复值均随着直链淀粉含量的增加而增加，其中半糯性粳稻的RVA谱特征值均介于糯性粳稻和非糯性粳稻二者之间。半糯性粳稻米粉的回复值显著低于费糯性粳稻米粉，该结果证实与非糯性粳稻相比，半糯性粳稻米粉不易回生，有助于米饭保持较好的口感[10]。

直链淀粉是影响米饭蒸煮食味品质的主要因素，糯性粳稻、半糯性粳稻、非糯性粳稻中直链淀粉含量存在显著差异，因此在蒸煮食味品质方面差异显著。研究结果表明，糊化状态的支链淀粉呈椭球形，分子运动能力较弱，因此不易回生；而直链淀粉呈线性，分子量较小，具有较强的运动能力[11-14]。一方面，线性的直链淀粉穿插于支链淀粉分子中，或者包裹在支链淀粉分子的周围，能够增加淀粉糊的黏度。因此，半糯性粳稻米粉与糯性粳稻米粉相比，表现出较高的峰值黏度、热浆黏度、最终黏度。另一方面，在回生过程中，直链淀粉分子量较小，具有较强的运动能力，能够快速调整分子的构象，并与其他直链淀粉分子或者支链淀粉长侧链形成双螺旋结构，发生重结晶，使得米糊回复值增加[13; 14]。因此，半糯性粳稻米粉的回复值显著低于非糯性粳稻米粉，半糯性粳稻不易回生。

此外，支链淀粉精细结构也与米粉的糊化、回生密切相关。本研究发现：与糯性粳稻淀粉和非糯性粳稻中支链淀粉相比，半糯性粳稻中支链淀粉的B1、B2链最多，而糯性粳稻中支链淀粉的B3链最多，非糯性粳稻中支链淀粉的A链最多。支链淀粉中的A链能够与直链淀粉或者B1链形成双螺旋结构，阻碍淀粉膨胀，并导致米糊崩解值降低[15]。支链淀粉中的B2、B3链在支链淀粉内起连接作用，有利于稳定支链淀粉结构[16-18]。在直链淀粉含量相同的前提下，支链淀粉链长越长，分支结构越多，平均链长越长，双螺旋结构越多，结晶度越高，糊化温度会越高，崩解值越小。

表3 粳稻米粉RVA谱特征值分析

2.3 米糊水分运动性

RVA测试后的米糊进一步采用低场核磁成像分析仪(LF-NMR)分析米糊中水分的运动性，研究结果如表4所示。在米糊中存在两种不同弛豫时间的氢质子，3 ～ 11 ms处代表结合水(T21)和200～700 ms处代表自由水(T22)。弛豫时间越小，水分运动能力越弱，表明米糊凝胶结构对水分的束缚能力越强，米糊凝胶强度越大，米糊水分运动性强。在粳稻米糊中，T2、T22值随着直链淀粉含量的增加而降低，说明米糊中水分的运动能力随着直链淀粉含量的增加而降低，凝胶结构对水分的束缚能力随着直链淀粉含量的增加而增加。半糯性粳稻米糊对水分的束缚能力显著强于糯性粳稻，而弱于非糯性粳稻。

与糯性粳稻相比，半糯性粳稻淀粉中的直链淀粉含量增加到约10%，米饭中的凝胶网络结构对水分的水分束缚能力显著增强。与非糯性粳稻相比，粳稻淀粉中直链淀粉含量进一步由10%增加到20%时，米饭对水分的束缚能力有所增强，但变化趋势变缓。这是由于支链淀粉分子量大，回生能力弱，所形成的凝胶网络结构空腔较大，凝胶三维网状结构内部的自由水运动能力强；而直链淀粉分子量较小，回生能力强，能够更快地形成质地紧密的凝胶三维网络结构，对水分的束缚能力强[19]。米糊内部水分的运动能力主要是受直链淀粉含量影响的，其中受DP101～1 000的短链直链淀粉含量的影响更显著，说明DP101～1 000的短直链淀粉对于直链淀粉回生形成凝胶网络结构起重要作用。

2.4 米饭质构

米饭的质构特性采用硬度、弹性、黏性、平衡值评价米饭的口感，其中平衡值能够反映米饭口感的均衡性，数值越大，黏弹性相对较好。研究发现：粳稻米饭的硬度、弹性随着直链淀粉含量的增加而增加，平衡值随着直链淀粉含量的增加而降低(表5)。半糯性粳稻米饭的硬度、弹性显著低于非糯性粳稻米饭；而其米饭口感的均衡性接近糯性粳稻米饭，而明显优于非糯性粳稻米饭。

表4 粳稻米糊中水分分布与运动性分析

表5 粳稻米饭质构分析

直链淀粉含量是影响粳稻米饭质构的最主要因素。Bhattacharya等[20]认为热水不溶性直链淀粉是决定大米品质的关键参数。由于直链淀粉的生物合成在淀粉积累后期更为活跃，导致直链淀粉大多集中于淀粉颗粒表面[16,21]。因此，在蒸煮过程中，大量直链淀粉在初始阶段能够快速从米粒中溶出，在米饭冷却过程中能够形成结构更加致密的三维凝胶网络结构，导致米饭质地变硬[22]。因此，半糯性粳稻米饭的硬度显著低于非糯性粳稻米饭，而显著高于糯性粳稻。

研究中还发现直链淀粉含量接近的粳稻米饭质地也存在较大差异，说明支链淀粉结构对米饭质地形成也有重要影响。Reddy等[23]认为支链淀粉中长B链的含量是决定大米质构品质更重要的因素。Ong等[24]发现长B链能够与其他淀粉链相互缠绕，形成更为致密的结构。此外，直链淀粉能够与支链淀粉侧链相互作用，形成晶体结构，从而增强淀粉颗粒的耐热性，限制蒸煮过程中淀粉的膨胀和溶出，使得米饭硬度增加[25]。此外，支链淀粉中较长的B2链与米饭弹性成显著负相关，较短的B1链与米饭黏性成显著正相关。半糯性粳稻支链淀粉中中等长度的B1、B2链含量最多，这有利于半糯性粳稻米饭获得低弹、高黏的质地。

2.5 米饭水分运动性

进一步采用低场核磁成像分析仪(LF-NMR)分析米饭中水分的运动性，研究米饭水分运动性与其质构的关系(表6)。研究发现：米饭中存在两种不同弛豫时间的氢质子，<10 ms处代表结合水(T21)和30～100 ms处代表自由水(T22)。与糯性粳稻米饭及非糯性粳稻米饭中水分的运动性相比，半糯性粳稻米饭中水分的运动能力显著弱于糯性粳稻米饭，而强于非糯性粳稻米饭。当粳稻中直链淀粉含量增加到10%左右时，米饭中的凝胶网络结构对水分的水分束缚能力显著增强，当直链淀粉含量进一步由10%增加到20%时，米饭对水分的束缚能力有所增强，但变化幅度较小。结果表明：与非糯性粳稻相比，半糯性粳稻直链淀粉含量较低，所形成的凝胶网络结构空腔较大，对水分的束缚能力较弱，米饭的硬度较低，质地较软，口感优于非糯性粳稻。

表6 粳稻米饭中水分分布与运动性分析

3 结论

半糯性粳稻淀粉中直链淀粉质量分数约为10.08%，显著低于非糯性粳稻，支链淀粉中含有更多中等链长的B1、B2链，平均链长介于糯性粳稻跟非糯性粳稻支链淀粉之间。与非糯性粳稻相比，半糯性粳稻米糊的回复值较低，回生能力较弱，半糯性粳稻米糊/饭具有较强的抗回生能力。此外，半糯性粳稻米糊/饭中水分的运动能力显著强于非糯性粳稻，高直链淀粉含量能够使淀粉凝胶网络结构更加致密，导致米糊/饭质构变硬，束缚水的能力增强，而半糯性粳稻米饭质地较软，口感明显优于非糯性粳稻，同时也没有糯性粳稻过分黏滞的不适口感，适合作为优质食味主粮稻米品种类型进行推广。同时，半糯性粳稻具有不易回生、软而不黏滞等优点，在方便米饭、中央厨房配餐等食品工业领域，也具有广阔的应用前景。