灌浆期田间自然低温对稻米蒸煮食味品质的影响

张冬梦， 姚栋萍， 吴俊， 罗秋红， 庄文， 刘雄伦， 邓启云， 柏斌*

（1.湖南农业大学农学院，长沙 410128； 2.湖南杂交水稻研究中心，杂交水稻国家重点实验室，长沙 410125）

人们食用的大米多为糙米碾白后的精米（胚乳），其主要成分是淀粉。蒸煮食味品质是构成稻米品质的重要方面，其与稻米淀粉的组成和其理化特性密切相关[1-2]。直链淀粉含量一直被视为评价稻米蒸煮食味品质的重要指标[3-5]，然而在一些中等或高表观直链淀粉含量（apparent amylose content, AAC）的水稻品种中，直链淀粉含量不具有决定性作用，部分AAC相似的水稻品种，其米饭质地却相差甚远。研究认为，这主要是因为稻米的蒸煮食味品质受直链淀粉影响的同时，也与支链淀粉的链长分布密切相关[6]。因此，通常将快速黏度分析仪（rapid visco analyzer, RVA）测定的RVA谱特征参数与AAC、胶稠度（gel consistency, GC）结合在一起，作为筛选优质稻米的重要依据[7-8]。一般来说，蒸煮食味品质好的品种，其RVA谱特征值的峰值黏度高、崩解值高、冷浆黏度低、消减值低、糊化温度低[9]。

温度是影响水稻籽粒灌浆的重要因素，水稻最适宜灌浆温度为22～30 ℃，籼稻灌浆期如果日均温低于22 ℃将影响水稻的产量和稻米品质，若低于20 ℃灌浆就会停止[10]。关于灌浆期低温影响稻米品质的研究已有一定进展。莫惠栋[11]认为，在所有环境影响因素中，温度对稻米品质的影响最大，尤其在抽穗至成熟期如遇低温，则会使稻米垩白增加、蛋白质含量降低，从而导致稻米品质变劣。林洪鑫等[12]发现，灌浆期低温使稻米的精米率、直链淀粉含量等指标下降，而垩白粒率和蛋白质含量增加，造成稻米整体食味品质降低。蒋李健[13]研究发现，灌浆期低温有利于直链淀粉的积累。王士强等[14]研究表明，水稻灌浆期经低温胁迫将使其糙米长宽比下降，糊化过程中的最高黏度和崩解值下降，消减值增加，食味品质降低。

虽然灌浆期低温对稻米品质影响的研究已有一定进展，但多数集中在加工、外观等指标上，通过检测这些指标来说明低温对品质的影响。而消费者最关心的稻米蒸煮食味品质及直接影响其品质的淀粉理化特性指标研究较少。另外，已有研究多数在半封闭或者封闭的温室中进行，而在大田自然条件下的实际低温环境研究较少。因此，本研究采用大田分期播种方式，筛选在灌浆期处于低温和适温的播期，研究灌浆期低温对稻米淀粉理化特性的影响，揭示灌浆期低温对稻米蒸煮食味品质影响的机制，建立不同水稻品种品质的低温耐受性评价方法，以期为筛选和选育具有耐低温优良品质的水稻品种提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验选用生产上大面积推广的7个高产优质水稻品种（组合）：‘晶两优534’‘Y两优900’‘Y两优1928’‘黄华占’‘Y两优911’‘野香优油丝’和‘桃优香占’，均由湖南杂交水稻研究中心提供。

1.2 试验设计

2020年分3期在湖南杂交水稻研究中心长沙试验基地播种，整体上播种移栽日期分别为：第1期3月28日播种，4月21日移栽；第2期5月7日播种，6月2日移栽；第3期6月16日播种，7月11日移栽。播种时依据品种生育期特征调整播种时间，以确保同一批次的水稻品种能够在同一时间段抽穗。按湖南地区常规方法播种育秧，插秧的密度为23.3 cm×23.3 cm，每丛插单苗。完全随机设计，7个品种每批播种种植10×30丛，试验期间按中稻常规管理措施进行水分和病虫害管理。

分期播种的田间材料出现始穗时，将自动温光记录仪HOBO (Onset Computer Corp, Bourne, MA,USA)放置在田中，并保持记录仪的位置处在水稻材料的穗部高度，以准确记录水稻品种穗部每天的温度环境。田间至少放置3个HOBO温光记录仪，防止仪器本身存在偏差。待所有批次材料均成熟后，取回HOBO温光记录仪，提取并分析温度数据。待稻株生理成熟后，对同一播种批次的同一水稻品种随机抽取100穗，立即置于40 ℃烘箱中烘干，直至稻谷的水分达到14%后在室内自然条件下放置2个月，测定淀粉理化指标和食味值。

1.3 测定项目和方法

1.3.1 不同播期温度测定 利用自动温光记录仪HOBO测得3个播期水稻始穗后40 d的温度。

1.3.2 稻米直链淀粉含量和胶稠度测定 直链淀粉含量的测定按照NY/T 2639—2014《稻米直链淀粉的测定 分光光度法》[15]，胶稠度测定按照NY/T 83—2017《米质测定方法》[16]。

1.3.3 黏度特性的测定 试验采用PerkinElmer仪器公司生产的快速黏度分析仪RVA 4800进行黏度特性的测定，检测指标包括峰值黏度（peak viscosity, PV）、谷值黏度（trough viscosity, TV）、崩解值（breakdown, BD）、最终黏度（cool paste viscosity, CPV）、消减值（setback, SB）、糊化温度（gelatinization temperature， GT）、峰值时间（peak time， PT）等。具体试验流程按照GB/T 24852—2010《大米及米粉糊化特性测定快速黏度仪法》[17]测定。

1.3.4 食味值和硬度、黏度的测定 利用日本佐竹米饭食味计（STA1B）测定水稻品种的食味值。称量30 g精米置于不锈钢罐中，加水浸泡30 min，将不锈钢灌接上洗米装置，用水冲洗约30 s至水流清澈，按照米水比1∶1.3的比例加入水后，在不锈钢罐上盖上滤纸，用橡皮套封好，放入电饭锅内蒸煮30 min，保温10 mim，冷却器中冷却20 min，冷却结束后称取7 g的米饭压缩到恒容，利用食味计测定米饭的综合食味值。利用配套的佐竹米饭黏度硬度计（RHS1A）测定米饭的黏度和硬度。

1.3.5 水稻品质低温耐受程度的综合评价 不同水稻品种的低温耐受程度评价参考本研究组前期研究开发的方法，并稍作修改[18]。为了消除品种特异性的影响，计算所有水稻品种淀粉理化指标的性状胁迫指数（index,I）作为试验数据，评价不同稻米品质的低温耐受程度。分别在低温处理和常温处理下测定淀粉相关理化指标，即低温特性值(character values under low temperature，PVLT)和常温特性值(character values under control temperature，PVCT)。性状胁迫指数（I）采用公式（1）或公式（2）计算。如果淀粉理化指标经低温胁迫后的变化与耐低温能力的变化方向一致，采用公式（1），反之采用公式（2）。如崩解值（BD）经低温胁迫后显著降低，说明品种品质变差，耐低温能力减弱，则性状胁迫指数采用公式（1）计算，反之采用公式（2）。

主成分分析（principal component analysis，PCA）通过SPSS 24.0软件将相互关联的理化指标转化为几个独立的主成分，被称为综合指标[19]。各综合指标对应的隶属函数值(U)由公式（3）计算。利用隶属函数值公式计算各综合指标的隶属函数值，由各主成分贡献对所有主成分总贡献率的比值确定权重(W)，由Ux数值与Wx乘积的累积确定综合评价值(D)。

式中，X是水稻品种群中某一品种的综合指标的主成分值，Ux是其对应的隶属函数值，Xmax和Xmin分别为本组所有试验品种综合指标主成分值的最大值和最小值[20]，n代表最后的综合指标，Wx代表水稻品种群中某一品种的主成分贡献对所有主成分总贡献率的比值所确定的权重。

1.4 数据处理和分析

所有测定结果均采用(平均值±标准偏差)的形式，采用SPSS 24.0统计软件对所得结果进行方差分析、Pearson相关性分析和主成分分析，差异显著性分析采用Ducan法，P＜0.05表示差异显著。利用Microsoft Excel软件进行绘图和隶属函数公式的计算。

2 结果与分析

2.1 不同播期的温度变化

依据不同品种自身生育期特点调整了播种时间，每个播期的水稻品种始穗期大致相同，7个品种在播期1、播期2和播期3的始穗期分别在7月18日、8月2日、9月18日左右。为覆盖所有品种的整个灌浆期，统计分析始穗后40 d的日均温变化。播期1和播期2每日平均温度范围分别为24～30 ℃和23～30 ℃，为常温播期（control temperature,CT）；播期3始穗后40 d日均温度范围为13～25 ℃，有33 d日均温低于22 ℃，被认定为低温播期（low temperature, LT）。由图1可知，播期1与播期3具有最大的温度差，因此本研究主要针对播期温度差异最大的播期1和播期3进行研究，探索灌浆期低温对稻米淀粉理化指标和食味值的影响规律，进一步解析灌浆期低温对稻米蒸煮食味品质的影响机制。

图1 3个播栽期水稻品种始穗后40 d的日均温Fig.1 Daily mean temperature of 40 days after initial heading stage of rice varieties in three sowing periods

2.2 灌浆期低温对直链淀粉含量和胶稠度的影响

稻米的直链淀粉含量可以分为4类：极低直链淀粉含量（＜9%）、低直链淀粉含量（9%～20%）、中直链淀粉含量（20%～25%）和高直链淀粉含量（＞25%）[21]。由表1可知，选用的7个水稻品种常温下直链淀粉含量（AAC）非常接近，在10%～15%之间，都属于低直链淀粉类型。与常温对照相比，灌浆期低温使所有水稻品种的AAC均显著升高，但仍属于低直链淀粉类型。水稻品种的AAC对灌浆期低温的响应在品种间存在差异，与常温对照相比，‘黄华占’经低温处理后的AAC变幅最小，‘Y两优911’的AAC变幅最大。

表1 灌浆期自然低温对稻米直链淀粉含量的影响Table 1 Effect on amylose content of natural low temperature during grain filling stage of rice

由图2可知，不同品种的胶稠度对低温的响应一致，灌浆期低温使所有品种的胶稠度显著降低，其中‘晶两优534’与‘野香优油丝’受低温影响最大，胶稠度极显著下降。金正勋等[22]发现胶稠度与食味值呈正相关，米饭在一定范围内偏软是米饭好吃的重要标志之一，低温胁迫使胶稠度降低至30～50 mm之间，使稻米蒸煮后变硬，口感变差。

图2 灌浆期自然低温对胶稠度的影响Fig.2 Effect on gel consistency of natural low temperature during grain filling stage of rice

2.3 灌浆期低温对黏度特性的影响

从表2中可以看到，灌浆期低温使所有水稻品种RVA谱特征参数中的峰值黏度（PV）、崩解值（BD）显著降低，而使峰值时间（PT）显著变长、糊化温度（GT）显著升高，所有品种的消减值（SB）经灌浆期低温处理后显著升高。各个品种的谷值黏度（TV）和最终黏度（CPV）对灌浆期低温的响应不一致，灌浆期低温使‘野香优油丝’和‘桃优香占’的TV显著升高，‘Y两优911’略微升高但差异不显著，其余品种的TV降低。不同水稻品种的CPV变化方向差异很大，部分品种表现为显著升高，另一部分品种表现为显著降低或无显著性改变。

表2 灌浆期自然低温对稻米RVA谱特征参数的影响Table 2 Effect on characteristic parameters of rice RVA spectrum of natural low temperature during grain filling stage of rice

2.4 灌浆期低温对精米硬度、黏度及食味值的影响

从表3可知，所有品种在低温胁迫后硬度均增加，黏度和食味值显著降低，食味品质变差。根据食味值的变幅，7个水稻品种耐低温能力强弱依次为‘Y两优911’＞‘黄华占’＞‘野香优油丝’＞‘晶两优534’＞‘桃优香占’＞‘Y两优900’＞‘Y两优1928’。经灌浆期低温处理后，‘Y两优911’食味值变幅最小，而在常温条件下食味值最高的‘Y两优1928’随着温度的降低食味值下降最多。同样在硬度和黏度方面，‘Y两优911’的变幅也较小，而‘Y两优1928’的变幅均最大。

表3 灌浆期自然低温对硬度、黏度和食味值的影响Table 3 Effect on hardness， viscosity and taste value of natural low temperature during grain filling stage of rice

2.5 稻米品质生理指标与食味值的相关性

从表4可知，除CPV、TV和PT外，食味值与RVA谱特征值呈极显著相关，其中与BD和PV呈极显著正相关，与SB和GT呈极显著负相关。食味值与AAC和GC分别呈极显著负相关和正相关，与米饭硬度、黏度分别呈极显著负相关和正相关。由此可知，稻米的BD、PV、GC和黏度越大，SB、GT、AAC和硬度越小，稻米的食味品质越好。然而，研究中并未发现CPV与食味值的相关性。在RVA谱特征值中，除CPV和TV外，其他指标之间都有极强的相关性。而TV和CPV与RVA谱特征值以外的指标如食味值、直链淀粉含量等相关性不是很大，同时低温胁迫下TV、CPV在各品种中变化不一致，说明TV、CPV这2个指标对低温胁迫的响应可能与其他理化指标不同。AAC与RVA谱特征值中除TV、CPV外的其他指标极显著相关。AAC与GC间呈极显著负相关。从淀粉理化指标和米饭食味特征与始穗后40 d的平均日均温（ADT）相关性分析可知，除了黏度特性中的TV和CPV，其他淀粉理化指标，米饭黏度、硬度及食味值都和ADT显著相关，说明淀粉理化指标和米饭的蒸煮食味品质受灌浆期始穗后40 d日均温的影响。

表4 食味值、始穗后40 d平均日均温及理化指标间的相关性分析Table 4 Correlation analysis of food taste value， average daily temperature and physical and chemical indexes in 40 d after the beginning of ear

2.6 不同水稻品种耐低温能力分析

从表4可知，BD、SB、GT、PV、PT、AAC、GC与ADT显著相关，这些淀粉理化指标对灌浆期低温更敏感，因此用来评价不同水稻品种的低温耐受程度。低温下各理化指标的胁迫程度用处理组的性状胁迫指数来评价，用SPSS软件分析的标准数据见表5。

表5 不同水稻品种灌浆期自然低温淀粉理化指标经SPSS处理标准值Table 5 Physical and chemical indexes of natural low temperature starch of different rice varieties at filling stage were treated by SPSS

通过PCA将相互关联的BD、SB、GT、PV、PT、AAC、GC转换为2个独立的综合指标，分别为F1和F2，累积贡献率为75%，说明2个主成分可以解释淀粉理化指标全部信息的75%。根据性状胁迫指数的标准数据和各指标的主成分系数计算主成分值。进一步利用隶属函数公式和各主成分的权重（W），计算不同水稻品种的综合评价值（D值），详见表6。根据D值，对不同水稻品种进行低温耐受程度评价，7个水稻品种低温耐受程度从强到弱依次为‘Y两优911’＞‘Y两优900’＞‘黄华占’＞‘桃优香占’＞‘野香优油丝’＞‘晶两优534’＞‘Y两优1928’。利用淀粉理化指标得到的不同品种耐低温能力与利用食味值受低温胁迫后变化幅度得到的顺序具有相同趋势，都表现为‘Y两优911’受低温胁迫影响最小，耐低温能力最强，而‘Y两优1928’在这些指标中变化幅度最大，耐低温能力最弱，其余5个品种的耐低温能力相似，处于中等水平。低温胁迫下，蒸煮食味品质的改变是淀粉各理化指标综合变化的结果，耐低温能力强的水稻品种各生理指标受低温胁迫的影响小，耐低温能力弱的品种受低温胁迫的影响大。

表6 不同水稻品种灌浆期自然低温主成分、隶属函数、权重和综合评价Table 6 Principal component value， membership function value， weight value and comprehensive evaluation value of natural low temperature in different rice varieties at filling stage

3 讨论

温度对水稻籽粒淀粉形成和积累的影响很大，而灌浆期是水稻淀粉形成和积累的关键时期，若此时遭遇低温，则会使得稻米的食味品质受到影响。本研究结果显示，灌浆期低温使直链淀粉含量、消减值、峰值时间、糊化温度和米饭硬度显著上升，胶稠度、峰值黏度、崩解值、米饭黏度和食味值显著下降，最终导致稻米的蒸煮食味品质变差。通过稻米淀粉理化指标与食味值的相关性分析发现，崩解值、消减值、糊化温度、峰值黏度、直链淀粉含量、胶稠度、米饭硬度、黏度与食味值极显著相关，其中崩解值与食味值相关性最大。通过对7个品种稻米品质受低温影响的比较发现，‘Y两优911’的低温耐受能力最强，‘Y两优1928’耐受低温能力最弱，其余5个品种低温耐受能力相似。

灌浆期遇低温胁迫会导致籽粒淀粉积累和有序结构的形成受到阻碍，进一步影响其糊化和黏度特性[23]。低温胁迫对RVA谱特征参数的影响具有品种特异性，不同品种的各参数变化程度不同，TV和CPV对于低温胁迫的响应机制复杂，导致各品种间的变化规律不一致。糊化温度（GT）代表大米在蒸煮后，淀粉粒因加热而快速吸水膨胀，从而使其结晶结构和双折射消失时所处的临界温度，是评价稻米蒸煮品质的重要指标。低温胁迫使稻米GT显著升高，稻米在蒸煮过程中需要更多的水分和时间，使稻米的蒸煮变得更加困难[24]。峰值黏度（PV）在一定程度上反映了淀粉颗粒的吸水膨胀能力。本研究发现，低温胁迫使PV显著降低，说明在低温下其淀粉颗粒的最大吸水膨胀力下降，进而导致其达到峰值黏度值时的时间延长，导致峰值时间变长，稻米蒸煮食味品质变差。崩解值（BD）和消减值（SB）是RVA的二级参数，食味品质好的稻米一般具有高的崩解值和低的消减值。在本研究中，低温胁迫下BD显著下降、SB显著升高，使稻米的食味品质变差。

本研究还发现，稻米的直链淀粉含量、胶稠度和淀粉黏度特性指标与始穗后40 d日均温显著相关。但目前关于灌浆期低温对直链淀粉含量的影响规律尚无定论。研究发现，孕穗期、抽穗期与灌浆期低温胁迫导致稻米直链淀粉含量下降[25]。王士强等[14]认为单纯孕穗期低温使直链淀粉含量增加。而其他研究者认为，温度对直链淀粉的影响与品种本身的直链淀粉含量类型密切相关，高直链淀粉含量类型品种与灌浆期日均温呈正相关，而中低直链淀粉含量类型的品种与灌浆结实期温度呈负相关[26-27]。本研究选用的均为低直链淀粉类型，随着温度的降低，直链淀粉含量呈上升趋势，表现为与灌浆期温度呈负相关。根据已有研究，灌浆期温度对于直链淀粉含量的影响可能与颗粒结合淀粉合成酶对低温胁迫的响应差异有关[24]。

从相关性分析中可以得知，淀粉理化指标与食味值密切相关，低温胁迫影响稻米淀粉理化指标，进而影响稻米的食味值，对稻米的蒸煮食味品质有重要的影响[18,23]。根据我们的研究可推测出，低温所造成的稻米蒸煮食味品质改变，可能与低温胁迫下稻米淀粉的组成与结构的改变有关[18]。另外，利用稻米淀粉的理化指标，并辅以主成分分析与隶属函数分析，可以得到不同水稻品种品质耐低温的综合评价值。进一步利用综合评价值的强弱可以对不同水稻品种品质的耐低温程度进行评价，得到的结果与通过食味值的变化幅度对品种品质耐低温性的评价结果基本一致。