氮素穗肥对粳米淀粉特性和结构的影响及其与食用特征的关系

2023-01-12刘光明赵凌天廖平强王维领李国辉吴文革霍中洋

作物学报 2023年1期

蒋岩赵灿陈越刘光明赵凌天廖平强王维领许轲李国辉吴文革霍中洋,*

蒋岩1赵灿1陈越1刘光明1赵凌天1廖平强1王维领1许轲1李国辉1吴文革2,*霍中洋1,*

1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, 江苏扬州 225009;2安徽省农业科学院水稻研究所, 安徽合肥 230001

为研究氮素穗肥对粳米淀粉理化特性和精细结构的影响, 明确粳米食用特征与淀粉特性和结构的关系, 以南粳9108和南粳0212为供试材料, 在相同基蘖肥用量下设置3个穗肥施氮水平(0、45和135 kg N hm–2), 测定了不同处理下粳米的淀粉特性及其结构, 分析了其与食用特征间的关系。施用氮素穗肥降低了粳米食味值, 高氮下差异显著。硬度、弹性、黏性和平衡性的绝对值与总蛋白含量均随穗肥施氮量的增加而提高, 表观直链淀粉含量则与之相反。在淀粉特性和结构方面, 增施氮素穗肥提高了淀粉溶解度、膨胀势、糊化焓、小淀粉颗粒占比、相对结晶度、红外比值(1045/1022 cm–1), 降低了淀粉回生焓、回生度、大淀粉颗粒占比、淀粉平均直径和红外比值(1022/995 cm–1), 高氮影响更趋明显。施用氮素穗肥降低了表观直链淀粉含量, 提高了淀粉表层的有序性和结晶区稳定性, 淀粉粒径变小, 进而阻碍了淀粉膨胀和糊化, 米饭硬度升高, 食用口感变差。适量施用氮素穗肥可实现粳稻优质丰产协同。

氮素穗肥; 粳稻; 食味品质; 淀粉理化特性; 淀粉精细结构

水稻是主要的粮食作物, 全球约有半数以上人口以之为主食, 随着生活水平的日益提高, 人们对稻米品质的要求越来越高, 尤其是稻米的食味品质越来越受到人们的关注[1-2]。成熟稻米中淀粉含量最高, 约占精米干物质重的90%, 这意味着淀粉特性和结构与稻米品质密切相关[3]。淀粉结构的形成较复杂, 首先是由α-D-葡萄糖通过α-1,4糖苷链连接形成淀粉单链, 接着在酶促反应下, 由α-1,6糖苷链连接分支链形成直链淀粉和支链淀粉分子, 相邻的支链淀粉分支形成结晶簇, 接着堆叠交替形成半晶体生长环, 最后形成淀粉颗粒[4-5]。据报道, 淀粉分子在稻米蒸煮时遇水受热糊化, 糊化过程中破坏了淀粉的双螺旋结构, 使得淀粉分子转变为无序态, 从而影响了淀粉的溶胀特性和米饭的食用特征[6]。直链淀粉含量被认为是衡量稻米品质的主要指标, 在一定程度上, 低直链淀粉含量的米饭软, 口感好。但稻米的食用特征不仅和直链淀粉含量有关, 还受到淀粉理化特性和精细结构的影响[7]。淀粉糊化特征中, 米饭食味值与崩解值呈正相关, 与消减值呈负相关, Zhou等[8]发现支链淀粉中聚合度(degree of polymerization, DP)大于37的长链所占比例与淀粉崩解值呈显著的负相关, 与消减值、糊化温度和糊化焓呈显著正相关。硬度和黏性是评价米饭感官的重要指标, Hu等[9]发现淀粉回生程度高的米饭硬度高、黏性低。Li等[10]进一步研究指出, 支链淀粉含量、短链比例和分子量与黏性正相关, 直链淀粉分子可能通过与支链淀粉侧链缠绕或共结晶来限制淀粉膨胀, 使得米饭硬度上升。

稻米食用品质, 不仅受遗传基因调控, 而且还受农艺栽培措施影响。氮素是水稻生长发育中最重要的生命元素, 适量施氮能兼顾产量和稻米品质, 而过量施氮会恶化稻米的食味品质[11]。拔节孕穗期是水稻颖花分化和发育的关键时期, 与胚乳充实和稻米品质密切相关。穗肥是水稻在拔节孕穗期最主要的氮源, 在淀粉颗粒形成和籽粒灌浆充实中起着重要作用。陈云等[12]研究发现施用穗肥能改善稻米加工品质, 但会恶化食味品质, 降低胶稠度和食味值。Hu等[13]研究指出, 推迟施用穗肥会降低表观直链淀粉含量, 提高淀粉相对结晶度, 阻碍淀粉糊化, 导致蒸煮食味品质下降。Yang等[14]通过拟合Wu-Gilbert的链长分布模型发现, 高穗肥施用量会降低淀粉分支酶活性, 使支链淀粉产生更少的短链分支, 从而影响淀粉糊化。目前, 在淀粉糊化特性和精细结构与稻米食味品质和米饭质地方面已有一定的研究, 但氮素穗肥如何通过影响淀粉理化特性和结构来改变粳米食用特征仍需进一步研究。为此, 本研究选用江苏省2个代表性的粳稻品种为供试材料, 研究了氮素穗肥对米饭食用特征、淀粉性质和结构的影响, 从淀粉理化特性和精细结构角度探究了不同穗肥下粳米食用特征差异的形成原因, 以期为粳稻品种优质高产栽培提供理论基础和实践依据。

1 材料与方法

1.1 种植地点和试验设计

于2020年在扬州市广陵区沙头院士创新试验基地(32°31′N、119°55′E)进行, 土壤类型为潴育型水稻土, 质地黏性。0～20 cm土层pH 7.79, 含有机质31.72 g kg–1、碱解氮106.72 mg kg–1、速效钾123.12 mg kg–1、有效磷14.80 mg kg–1。水稻生长季节试验地的平均温度和降雨量见图1。

根据课题组前期大规模品种筛选结果, 选择花期相近的迟熟中粳品种南粳9108和南粳0212为供试品种, 两品种均在江苏地区广泛种植且在食味品质方面差异较大, 供试氮肥为尿素。试验设计为裂区试验, 以穗肥施氮量为主区, 所有小区在基施氮肥105 kg N hm–2(移栽前), 分蘖氮肥105 kg N hm–2(移栽后10 d)基础上, 设置3个氮素穗肥水平, 即CK (0 kg N hm–2)、LN (low nitrogen, 45 kg N hm–2)和HN (high nitrogen, 135 kg N hm–2), 于倒四叶(促花肥)和倒二叶(保花肥)按1∶1比例施用, 品种为裂区, 裂区面积为4 m×4 m。试验重复3次, 小区间田埂用塑料薄膜包裹, 保证单独排灌。试验于5月25日播种, 于6月18日选择长势一致的秧苗移栽, 株行距为30 cm × 12 cm, 每穴4株苗。过磷酸钙(P2O5含量13.5%)和氯化钾(K2O含量52.4%)的施用量分别为750 kg hm–2和300 kg hm–2, 磷肥和钾肥在移栽前作基肥一次施用。水分管理及病虫草害防治等相关的栽培措施均按高产栽培要求实施。水稻成熟后适时收获, 各小区取500 g稻谷在35℃下干燥至14%水分, 室温下储藏3个月, 待稻谷理化性质稳定后进行后续测定工作。

图1 2020年试验地水稻生长季平均温度和降雨量

1.2 测定项目及方法

1.2.1 产量及其构成要素在成熟期对各小区普查100穴, 计算有效穗数, 并按有效穗数平均值取6穴用来调查穗粒数、结实率和千粒重。各小区割取5 m2, 脱粒、去杂、晾晒后测定稻谷重和含水率, 按14%的含水率折算实产。

1.2.2 食味值和质构特性用佐竹食味计(RCTA 11A, Satake Co., 日本)测定食味值, 稻谷经出糙和出精, 去掉碎米得到整精米, 参照Zhou等[8]方法, 称取30 g整精米加1.3倍水淘洗3次, 经浸泡、蒸煮、闷制、风干、静置后称8 g熟米用配套铁环压制上机测定食味值。质构特性用物性分析仪(TA.XT.PlusC, Stable Micro Systems, 英国)测定, 探头为P/36R, 将蒸煮后的完整米粒置于样品台中心, 运行与力量感应元件配套的程序即可得到熟米硬度、弹性、黏性和平衡性等特性。

1.2.3 表观直链淀粉和总蛋白含量参照国家标准GB/T 17891-2017《优质稻谷》用分光光度计测定表观直链淀粉含量, 参照Tao等[15]方法, 利用全自动凯氏定氮仪(Kjeltec 8200, Foss, 瑞典)采用凯氏法测定总蛋白含量。

1.2.4 淀粉提取参照Hu等[13]的方法并做一些修改, 称取15 g米粉置于50 mL锥形瓶中, 加入35 mL 10–5mol L–1氢氧化钠溶液、0.15 g碱性蛋白酶和2颗玻璃球, 摇晃均匀后封住瓶口, 放入摇床, 于42℃摇晃24 h去除蛋白质。淀粉与蛋白酶混合液过200目筛后转移至50 mL离心管中, 加入30 mL去离子水震荡均匀, 1970×离心10 min, 倒掉上清液, 用勺子刮去上层淡黄色残渣, 重复3～5次直至上层无残渣。接着用乙醇、三氯甲烷/甲醇混合液(1∶1, v/v)清洗, 去掉油脂。然后置于烘箱40℃烘干24 h, 用玻璃棒搅拌分散后再烘24 h, 然后过200目筛得到天然淀粉, 然后置于干燥锅中保存。

1.2.5 淀粉溶解度和膨胀势参照Lu等[16]描述并做一些修改, 称取30 mg淀粉样品(m0)置于2 mL离心管(m1)中, 加入1 mL超纯水, 立即震荡摇匀使淀粉充分接触超纯水, 接着于90℃震荡水浴1 h。拿出后冷却至室温, 2400×离心10 min, 用移液枪吸净上清液后称取总重(m2), 然后在烘箱中60℃烘干至恒重(m3)。溶解度(%)=100 × (m0+m1–m3)/m0; 膨胀势(g/g) = (m2–m1)/(m3–m1)。

1.2.6 淀粉热力学特性参照Hu等[13]描述的方法, 使用差示扫描量热仪(DSC 214, Netzsch, 德国)测定, 称取5 mg淀粉样品置于配套的铝坩埚中, 加入10 μL超纯水后摇匀, 置于4℃下密封12 h。样品在室温下平衡1 h后上机进行测定工作。仪器会利用配套的标准真空铝坩埚空白进行校准, 升温速率为10℃ min–1, 淀粉凝胶特性从20℃升至100℃,淀粉老化特性从10℃升至90℃。回生度(%) = 回生焓/糊化焓 × 100。

1.2.7 淀粉粒径分布用激光粒度分析仪(MS- 2000, Malvern, 英国)测定淀粉粒径分布, 将淀粉样品分散在无水乙醇中, 转速设定为2500转 min–1, 样品测定前超声波分散30 s, 在去除背景干扰后机器会根据体积分布测量0.1～2000 μm间的淀粉样品。

1.2.8 淀粉晶体结构参照Lu等[16]的方法, 使用多晶X衍射分析仪(D8 Advance, Bruker-AXS, 德国)获得X射线衍射图谱。测定电压为40 kV, 电流为200 mA, 扫描区域衍射角(2θ)为4°至40°, 步长0.02°。利用MDI Jade 6.0处理X衍射图谱, 获得结晶区面积(Ac)和无定形区面积(Aa)。相对结晶度(%) = Ac/(Ac+ Aa) × 100。

1.2.9 淀粉表层有序性参照Man等[17]的方法, 采用傅里叶变换红外光谱仪(FTIR, 7000, Varian, 美国)分析淀粉表层有序性, 检测器为DTGS, ATR反射单元的附件为锗晶体。空白为水, 波数范围为400～4000 cm–1, 分辨率2 cm–1, 每个点扫描64次来获得淀粉样品的傅里叶变换红外光谱。在光谱图上选取800～1200 cm–1区域进行基线校正、解卷积, 设置半峰宽19 cm–1, 增强因子1.9。参照前人研究[18], 使用1045/1022 cm–1和1022/995 cm–1的比值来反映淀粉结构有序性。

1.3 数据的处理与分析

用Microsoft Excel 2019录入和整理数据, 用IBM SPSS Statistics 26.0进行方差分析, 采用LSD (Least Significant Different, 最小显著差数测验法)进行多重比较, 用Origin 2019b作图。数据呈现以平均值±标准差的形式, 同一品种同列以不同小写字母标注的数据处理在<0.05上差异显著。

2 结果与分析

2.1 产量及其构成要素

由表1可知, 增施氮素穗肥显著提高了稻谷产量, 产量达9.34～9.88 t hm–2。其中南粳9108品种HN和LN处理产量分别比CK高14.93%、10.92%, 南粳0212则分别高14.98%、8.72%, 但两品种HN和LN处理间均无显著差异。从产量构成要素来看, 有效穗数、每穗粒数随氮素穗肥施用量的增加而提高, 千粒重和结实率则与之相反, 且以每穗粒数的变幅较大(15.45%～19.80%)。说明每穗粒数的增加是施用氮素穗肥增产的主要原因。

2.2 食味品质和质构特性

日本佐竹米饭食味计利用光学原理检测成型定量的米饭, 并根据外观、硬度、黏度、平衡度评分测定米饭食味值。由表2可知, 追施氮素穗肥降低了熟米食味值, 其中南粳9108和南粳0212两品种HN处理较CK处理分别降低了4.46%和7.82%, 差异达显著水平; LN处理较对照也有所降低, 但差异不显著。不同品种间的米饭食味值表现为南粳9108优于南粳0212。质构仪能模拟食用米饭中咀嚼、挤压等过程, 借助感应元件精确测定米饭的感官特性。追施氮素穗肥提高了米饭的硬度、弹性、黏性和平衡性的绝对值(表2)。其中HN处理下, 南粳9108的硬度和弹性较CK处理显著提高, 分别达53.24%和6.86%; 黏性和平衡性的绝对值也显著提高, 分别达16.57%和21.24%; 在南粳0212上分别提高了46.02%、15.26%、24.32%和34.85%, 差异也达到显著水平。在LN处理下, 除南粳9108的弹性和黏性显著高于CK, 南粳0212平衡性显著高于CK外, 其他质构特性差异不显著。

2.3 表观直链淀粉和总蛋白含量

由表3可知, 追施氮素穗肥显著降低了精米粉中表观直链淀粉的含量, 其中南粳9108的HN和LN处理较CK分别降低了10.19%和7.18%, 南粳0212分别降低了5.23%和4.10%, 且南粳9108的HN处理与LN处理间差异显著。总蛋白含量随着穗肥施氮量的增加而显著提高, 其中南粳9108的HN和LN处理较CK分别提高7.96%和3.11%, 南粳0212分别提高了10.44%和3.99%。不同品种间的表观直链淀粉含量表现为南粳9108低于南粳0212, 蛋白质含量相当。

表1 氮素穗肥对粳稻产量及产量构成要素的影响

数据呈现以平均值±标准差的形式, 同一品种同列标注以不同小写字母的数据处理在< 0.05水平上显著。

CK: 0 kg N hm–2; LN: 45 kg N hm–2; HN: 135 kg N hm–2. NJ 9108: Nanjing 9108; NJ 0212: Nanjing 0212. The data were in the form of mean ± standard deviation. Different lowercase letters in the same varieties and column are significantly different at< 0.05.

表2 氮素穗肥对粳米食味值和质构特性的影响

处理和缩写同表1。数据呈现以平均值±标准差的形式, 同一品种同列标注以不同小写字母的数据处理在< 0.05水平上显著。

Treatments and abbreviations are the same as those given in Table 1. The data were in the form of mean ± standard deviation. Different letters in the same varieties and column are significantly different at< 0.05.

表3 氮素穗肥对表观直链淀粉、总蛋白含量和淀粉溶解度、膨胀势的影响

处理和缩写同表1。数据呈现以平均值±标准差的形式, 同一品种同列标注以不同小写字母的数据处理在< 0.05水平上显著。

2.4 淀粉膨胀势和溶解度

由表3可知, 淀粉膨胀势随穗肥施氮量增加而显著提高, 其中南粳9108的HN和LN处理较CK分别提高了14.26%和7.94%, 南粳0212分别提高了19.09%和8.29%, HN处理较LN处理也有显著提高。追施氮素穗肥提高了淀粉溶解度, 其中南粳9108的HN和LN处理较CK分别提高了16.81%和12.93%, 差异达显著水平, 南粳0212的HN处理较CK显著提高(9.34%), 而LN处理与CK无显著差异。不同品种间膨胀势和溶解度均表现为南粳9108高于南粳0212。

2.5 淀粉热力学特性

热力学特性包括凝胶特性和老化特性, 糊化焓和糊化温度反映了米饭蒸煮所需的能量和难易程度,回生焓和回生度反映了米饭冷却后淀粉分子的老化程度。由表4可知, 增施氮素穗肥显著提高了淀粉糊化焓, 回生焓和回生度则与之相反, 糊化起始温度(T0)、峰值温度(TP)和终止温度(TC)在各处理间差异较小。南粳9108的糊化焓表现为HN和LN处理较CK分别提高了10.19%和6.89%, 南粳0212分别提高了15.58%和6.15%。起始温度T0、峰值温度TP和终止温度TC在南粳9108各处理间均无显著差异, TP在南粳0212的LN处理较CK显著降低, TC在南粳0212的HN和LN处理较CK显著提高。南粳9108的回生焓表现为HN和LN处理较CK处理分别降低了36.40%和19.67%, 南粳0212分别降低了26.56%和14.52%。回生度的变化与回生焓一致, HN和LN处理较CK降幅达14.52%～36.40%。

2.6 淀粉粒径分布

由图2和表5可知, 增施氮素穗肥显著提高了小淀粉颗粒占比, 显著降低了大淀粉颗粒占比。氮素穗肥对中淀粉颗粒占比的影响存在品种间差异, 其中南粳9108的LN处理的中淀粉颗粒占比显著高于CK, HN处理显著低于CK, 而南粳0212的HN和LN处理均显著提高中淀粉颗粒占比。D[4,3] (体积平均直径)和D[3,2] (表面积平均直径)随穗肥施氮量的增加而降低, 其中南粳9108的D[4,3]和D[3,2]在HN处理下较CK分别降低了1.96%和5.53%, 南粳0212分别降低了2.69%和3.84%, 差异均达显著水平。

表4 氮素穗肥对淀粉热力学特性的影响

处理和缩写同表1。数据呈现以平均值±标准差的形式, 同一品种同列标注以不同小写字母的数据处理在< 0.05水平上显著。

DHgel: gelatinization enthalpy; T0: onset temperature; TP: peak of gelatinization temperature; TC: conclusion temperature;DHret: retrogradation enthalpies; Retrogradation percentage (R): R(%) =DHret/DHgel× 100. Treatments and abbreviations are the same as those given in Table 1. The data are in the form of means ± SDs. Different letters in the same varieties and column are significantly different at< 0.05.

表5 氮素穗肥对淀粉粒径分布的影响

处理和缩写同表1。数据呈现以平均值±标准差的形式, 同一品种同列标注以不同小写字母的数据处理在< 0.05水平上显著。

Treatments and abbreviations are the same as those given in Table 1. The data are in the form of means ± SDs. Different letters in the same varieties and column are significantly different at< 0.05.

图2 不同氮素穗肥下淀粉粒径分布图

处理和缩写同表1。Treatments and abbreviations are the same as those given in Table 1.

2.7 淀粉晶体结构

由图3可知, 粳米淀粉的X射线衍射图谱在2θ衍射角下的15°和23°呈现2个强峰, 在17°和18°呈现连续双峰, 为典型的A型淀粉晶体。进一步分析发现(表6), 粳米淀粉的相对结晶度, 随穗肥施氮量的增加而显著提高, 其中在南粳9108的HN和LN处理较CK处理分别提高了10.08%和4.97%, 南粳0212分别提高了4.45%和2.85%, HN处理较LN处理也有显著提高。

2.8 淀粉表层有序性

傅里叶变换红外光谱(FTIR)的衰减全反射模式(ATR)可分析淀粉颗粒的表层有序结构。由图4可知, 不同氮素穗肥下粳米淀粉的ATR-FTIR光谱吸收峰的位置一致, 但相对吸光度值有差异。通过1045/1022 cm–1和1022/995 cm–1峰强度比值分别反映淀粉表层有序性和无序性。由表6可知, 增施氮素穗肥提高了表层有序性, 降低了表层无序性, 其中南粳9108和南粳0212的1045/1022 cm–1比值在HN处理上较CK分别提高了6.46%和4.03%, 1022/995 cm–1比值分别降低了1.69%和1.39%, 差异均达显著水平, 而LN处理则与CK无显著差异。

2.9 Pearson相关分析

氮素穗肥下粳米食用特征与淀粉特性和结构间的相关性以热图形式表现(图5), 其中黏性和平衡性以绝对值进行分析, 通过颜色深浅和圆形大小直观的反映各指标间关联的紧密程度。食味值与大淀粉颗粒占比、D[4,3]、D[3,2]呈显著正相关, 与表观直链淀粉含量、中淀粉颗粒占比呈显著负相关。硬度与总蛋白含量、糊化焓、小淀粉颗粒占比、1045/1022 cm–1呈显著正相关, 与回生焓、回生度、1022/995 cm–1呈显著负相关。弹性与糊化焓、小淀粉颗粒占比、1045/ 1022 cm–1呈显著正相关, 与回生度呈显著负相关。黏性与总蛋白含量、溶解度、膨胀势、相对结晶度呈显著正相关, 与回生焓、回生度、1022/995 cm–1呈显著负相关。平衡性与溶解度、膨胀势、相对结晶度呈显著正相关, 与表观直链淀粉含量呈显著负相关。

图3 不同氮素穗肥下淀粉X射线衍射图谱

处理和缩写同表1。Treatments and abbreviations are the same as those given in Table 1.

表6 氮素穗肥对淀粉相对结晶度和红外比例的影响

处理和缩写同表1。数据呈现以平均值±标准差的形式, 同一品种同列标注以不同小写字母的数据处理在< 0.05水平上显著。

Treatments and abbreviations are the same as those given in Table 1. The data were in the form of means ± SDs. Different lowercase letters in the same varieties and column are significantly different at< 0.05.

图4 不同氮素穗肥下淀粉ATR-FTIR光谱

处理和缩写同表1。Treatments and abbreviations are the same as those given in Table 1.

图5 氮素穗肥下粳米食用特征与淀粉特性和结构的Pearson相关性热图

AAC表示表观直链淀粉含量, TPA表示总蛋白含量, SP表示膨胀势,DHgel、DHret、R分别表示糊化焓、回生焓和回生度, SSG、MSG、LSG、D[4,3]、D[3,2]分别表示小淀粉颗粒占比、中淀粉颗粒占比、大淀粉颗粒占比、体积平均直径和表面积平均直径, RC、1045/1022、1022/995分别表示相对结晶度, 红外比例1045/1022 cm–1和1022/995 cm–1, *表示在< 0.05水平上显著。

AAC: apparent amylose content; TPC: total protein content; SP: swelling power;DHgel: gelatinization enthalpy;DHret: retrogradation enthalpies; R: retrogradation percentage; SSG: small starch granules; MSG: middle starch granules; LSG: large starch granules; D[4,3], volume mean diameter; D[3,2], surface area weighted mean diameter; RC: relative crystallinity; 1045/1022: infrared ratio of 1045/1022 cm–1; 1022/995: infrared ratio of 1022/995 cm–1. *:< 0.05.

3 讨论

3.1 氮素穗肥下淀粉特性和结构的变化

淀粉特性主要指其在烹饪或遇水受热所表现出溶解、膨胀、糊化和冷却回生程度, 较高的直链淀粉含量会限制淀粉膨胀, 而蛋白质会阻碍淀粉网眼状结构发展, 限制淀粉吸收水分来使其糊化不完全[19]。本研究发现追施氮素穗肥会提高淀粉的溶解度和膨胀势, 且在高氮下更明显, 这可能和表观直链淀粉含量降低有关。直链淀粉的长链被发现会与支链淀粉团簇结构结合, 限制淀粉非结晶区域的水合作用, 从而限制淀粉颗粒的膨胀[20]。此外, 淀粉的溶解度和膨胀势还和淀粉粒径分布有关, 大淀粉颗粒与水分子接触结合的表面更多, 更易膨胀[13]。本研究中, 小淀粉颗粒随着穗肥施氮量的增加而提高, 大淀粉颗粒、D[4, 3]和D[3, 2]均随施氮量的增加而降低,这表明增施氮素穗肥降低了淀粉颗粒的平均直径。分析其原因主要与追施氮素穗肥延长了籽粒灌浆期有关, 大淀粉颗粒多在在灌浆早期和中期出现, 并随着灌浆期的延长进一步分解成中淀粉颗粒和小淀粉颗粒[21-22]。淀粉糊化过程中需消耗能量来解离双螺旋结构, 可通过热焓值来反映消耗能量的高低。本研究发现, 追施氮素穗肥会提高粳米淀粉糊化焓, 降低回生焓和回生度, 对糊化温度影响较小, 这与Zhu等[23]的研究一致。这主要与氮素穗肥降低了淀粉平均直径, 提高了相对结晶度有关。直链淀粉分子会在淀粉回生过程中快速结晶, 表观直链淀粉含量的下降使得粳米淀粉回生焓和回生度降低, 直链淀粉分支结构的差异也可能是影响淀粉回生程度的原因[24]。但Teng等[25]却发现, 后期氮肥会降低籼稻淀粉糊化焓, 究其原因, 可能和支链淀粉链长分布特性有关。根据支链淀粉簇模型, 支链淀粉的A链(DP 6-12)和B1链(DP 13-24)会形成双螺旋结构, 并在淀粉颗粒生长环内形成结晶薄片, 需要较高温度才能解离, 即更高的糊化焓[4,26]。有关氮素穗肥对直链和支链淀粉链长分布特性的影响需要进一步深入研究。

天然淀粉的结晶度一般在20%～50%, 淀粉的结晶区主要由支链淀粉外链相互缠绕形成的双螺旋结构组成, 部分直链淀粉分支和脂类也参与结晶的形成[27]。本研究发现, 追施氮素穗肥会提高淀粉相对结晶度和1045/1022 cm–1比值, 降低1022/995 cm–1比值, 这说明穗肥有改善粳米淀粉结晶结构和表层有序性的作用, 这和Yang等[22]研究一致。直链淀粉通常被认为与相对结晶度负相关, 较多的直链淀粉会破坏淀粉结晶区双螺旋结构, 从而降低淀粉结晶度[27]。支链淀粉链长分布也会影响淀粉结晶度, Zhu等[28]发现支链淀粉的A链与B3链(DP≥37)比值与淀粉相对结晶度正相关。直链淀粉的链长分布可能也会影响淀粉晶体结构, 这将是未来研究的重点内容。据报道, 淀粉的生物合成涉及多种酶, 直链淀粉通过颗粒结合型淀粉合成酶(GBSS)线性延伸合成, 而支链淀粉的合成较为复杂, 涉及到可溶性淀粉合成酶(SSs)、淀粉分支酶(SBE)、淀粉脱支酶(DBE)等[29]。淀粉合成酶中SSI、SSIIa和SSIIIa分别负责延伸支链淀粉短链、中长链和长链, SBE负责切割α-1,4连接的葡萄糖并转移到α-1,6处形成分支, DBE负责剪去位置不当的分支[30-31]。Lqbal等[32]和陈云等[33]认为, 氮素能提高GBSS、SSs和SBE酶活性, 促进淀粉生物合成, 这意味着氮素穗肥会通过影响淀粉合成相关酶活性来调控粳米淀粉特性和结构。有关穗肥对淀粉合成相关酶活性和淀粉精细结构动态形成的影响也将是今后研究的重要内容之一。

3.2 食用特征与淀粉特性和结构的关系

粳稻籽粒短圆, 直链淀粉和蛋白质含量较低, 加工和食味品质一般优于籼稻, 随着“北粳南移”观点的提出, 我国粳稻种植面积和产量都得到大幅提升[34-35]。粳稻食味品质除了受遗传基因控制外, 还受到环境和农艺措施的影响[36]。陈云等[12]研究穗肥减量时发现, 减半穗肥对粳稻的产量无明显影响, 但可改善稻米的食味值。本研究发现, 2个粳稻品种在低氮处理(45 kg N hm–2)的平均产量水平为9.41 t hm–2, 虽较高氮处理(135 kg N hm–2)减产4.47%, 但仍较不施穗肥处理显著增产, 增幅达9.80%。而2个粳稻品种的食味值评分在高氮下显著降低, 低氮则无明显影响。综合产量水平和食味值来看, 后期适量施用氮素穗肥可实现优质食味和丰产的协调统一。相关性分析表明食味值与表观直链淀粉含量负相关, 这是造成南粳9108和南粳0212食味值差异的原因之一。本研究发现, 粳米食味值与淀粉粒径分布也有关系, 南粳9108淀粉中较高的淀粉颗粒平均直径和大淀粉颗粒含量使其更易结合水分子完成糊化, 从而影响米饭食味值。大颗粒淀粉的支链淀粉分子被发现含有较高比例的长支链, 这些长支链会与碘指示剂发生显色反应影响表观直链淀粉含量,这也可能是淀粉粒径与食味值相关的原因[37]。为了明确粳米在食用特征上的差异, 我们用质构仪测定了硬度、弹性、黏性和平衡性。黏性和平衡性为负值, 绝对值越大表示黏性越强, 平衡性越好。本研究发现, 米饭的硬度、弹性、黏性和平衡性的绝对值均随着穗肥施氮量的增加而提高, 但增幅不同, 尤其是在高氮条件下, 以硬度增幅最大。Saleh等[38]发现, 在稻米蒸煮前用含有蛋白酶的缓冲液提前浸泡会使蒸煮后米饭的硬度显著降低。这说明蛋白质在蒸煮中为米粒提供支撑, Furukawa等[39]认为醇溶蛋白是起主要的支撑作用, 这与我们的研究发现相一致, 即总蛋白含量与硬度呈显著正相关。众所周知, 籽粒中的蛋白质主要为储藏蛋白质, 包括清蛋白、球蛋白、醇溶蛋白和谷蛋白, 氮素穗肥对蛋白质组分与含量的影响有待进一步研究。水稻籽粒中除蛋白质氨基酸外, 还有游离氨基酸[40], 穗肥如何调控游离氨基酸而导致食味品质差异将是后续研究的重要内容。

淀粉理化特性和精细结构也会影响米饭食用特征。金丽晨等[41]发现支链淀粉的长链会暴露在淀粉颗粒外, 通过与其余成分的相互作用使得米饭质地变硬, 弹性和淀粉晶体内部的作用力强弱有关。Ayabe等[42]发现淀粉颗粒的表层结构会影响米饭黏性, 在蒸煮中淀粉表层溶解出更多的支链淀粉会增强米饭黏性。本研究发现, 淀粉晶体结构和热力学特性与米饭硬度、弹性和黏性显著相关, 淀粉溶胀特性与黏性和平衡性显著正相关。淀粉热力学特性受到淀粉晶体的影响, 相对结晶度和1045/1022 cm–1比值较高的淀粉在糊化时需消耗更多能量解离双螺旋结构, 这就意味着糊化焓更高, 在同等烹饪条件下米饭质地更硬, 弹性更好。平衡性主要反映米饭的口感均衡性, 是测定中最大负峰(黏性)与正峰的比值, 主要与米饭黏性有关。淀粉在超过糊化温度的过量水中会吸水发生不可逆膨胀, 热能会打断氢键和分子间作用力, 使得淀粉分子游离并解离双螺旋结构, 最终淀粉颗粒会崩解[43]。高溶解度和膨胀势的淀粉在蒸煮时吸收水分子的能力更强, 更多淀粉分子从颗粒内部中游离, 使得米饭黏性增强。本研究发现黏性还与淀粉相对结晶度正相关, 与淀粉表层无序性负相关, 这可能和淀粉的分子结构有关。因为更多的支链淀粉短链会增强分子间作用力, 使淀粉颗粒难以分离。小分子量的支链淀粉在蒸煮中容易从米粒中浸出并附着在米粒表面, 这都使得米饭具有更高的黏性[9,44]。然而, 本研究缺少食味特征中人工品尝的相关指标, 仍需进一步深化研究。

4 结论

增施氮素穗肥提高了总蛋白含量、淀粉溶解度、膨胀势、糊化焓、小淀粉颗粒占比、相对结晶度、表层有序性(1045/1022 cm–1), 降低了表观直链淀粉含量、淀粉回生焓、回生度、大淀粉颗粒占比、淀粉平均直径和表层无序性(1022/995 cm–1), 淀粉晶体结构稳定性增加, 淀粉粒径减小, 阻碍了淀粉膨胀和糊化, 提高了米饭硬度, 降低了食味品质。随着氮素穗肥施用量的增加, 淀粉理化特性与结构差异及食味值劣变趋势越显著。适当减施氮素穗肥可实现粳稻优质丰产协同生产。

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Effects of nitrogen panicle fertilizer application on physicochemical properties and fine structure ofrice starch and its relationship with eating quality

JIANG Yan1, ZHAO Can1, CHEN Yue1, LIU Guang-Ming1, ZHAO Ling-Tian1, LIAO Ping-Qiang1, WANG Wei-Ling1, XU Ke1, LI Guo-Hui1, WU Wen-Ge2,*, and HUO Zhong-Yang1,*

1Jiangsu Key Laboratory of Crop Genetics and Physiology / Jiangsu Key Laboratory of Crop Cultivation and Physiology / Jiangsu Co-innovation Center for Modern Production Technology of Grain Crops / Yangzhou University, Yangzhou 225009, Jiangsu, China;2Rice Research Institute, Anhui Academy of Agricultural Sciences, Hefei 230001, Anhui, China

To clarify the variations of physicochemical properties and the fine structure ofrice starch under different nitrogen panicle fertilizer treatment and to explore the relationship between eating quality and starch properties and structure, three panicle fertilizer nitrogen application levels (0, 45, and 135 kg N hm–2) were set under same basal and tiller fertilizer with Nanjing 9108 and Nanjing 0212 as the materials. Starch properties and structure ofrice under different treatments were determined, and the relationship between starch characteristics and eating quality was examined. The result indicated that application of nitrogen panicle fertilizer reduced the eating value ofrice, and there was significant difference in the high nitrogen treatment. Hardness, resilience, the absolute value of stickiness and balance, and the total protein content increased as nitrogen application rate were increased, while the apparent amylose content had the opposite trend. In terms of starch properties and structure, application of nitrogen panicle fertilizer increased starch solubility and swelling power, gelatinization enthalpy, small starch granules, relative crystallinity, and infrared ratio of 1045/1022 cm–1, while decreased retrogradation enthalpy and percentage, large starch granules, starch average diameter and infrared ratio of 1022/995 cm–1, and the trend appeared obvious especially under high nitrogen treatment. In conclusion, applying nitrogen panicle fertilizer can reduce the apparent amylose content, improve the surface order of starch and the stability of crystal region, decrease the starch granules size, thereby hindering the starch swelling and gelatinization, leading to the increase of rice hardness, eventually deteriorating the eating quality. Appropriate application of nitrogen panicle fertilizer can realize the coordination of excellent quality and high yield of japonica rice.

nitrogen panicle fertilizer;rice; eating quality; physicochemical properties of starch; fine structure of starches

10.3724/SP.J.1006.2023.12083

本研究由国家自然科学基金项目(32001469), 江苏省重点研发计划项目(BE2020319, BE2019377, BE2021361), 国家重点研发计划项目(2018YFD0300802), 国家现代农业产业技术体系建设专项(水稻, CARS-01-28), 扬州大学研究生科研与实践创新计划资助项目(KYCX21_3242)和江苏省高校优势学科建设工程资助项目资助。

This study was supported by the National Natural Science Foundation of China (32001469), the Key Research Program of Jiangsu Province (BE2020319, BE2019377, BE2021361), the National Key Research and Development Program of China (2018YFD0300802), the China Agriculture Research System (Rice, CARS-01-28), the Postgraduate Research & Practice Innovation Program of Yangzhou University (KYCX21_3242), and the Priority Academic Program Development of Jiangsu Higher Education Institutions.

通信作者(Corresponding authors):霍中洋, E-mail: huozy69@163.com; 吴文革, E-mail: wuwenge@vip.sina.com

E-mail: mx120200671@yzu.edu.cn

2021-12-04;

2022-06-07;

2022-07-05.

URL: https://kns.cnki.net/kcms/detail/11.1809.S.20220704.1536.002.html

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