温度与施氮量互作对稻米淀粉RVA谱特性影响的试验研究

聂秋生,杨 军,2*

(1.江西省气象局/江西省气象科学研究所,江西 南昌 330096;2.江西省农业气象中心,江西 南昌 330096)

水稻是世界三大粮食作物之一,全世界半数以上的人口以稻米为主食。我国是水稻生产大国,水稻在我国的种植面积约占粮食作物面积的30%,其产量约占粮食总产的40%。高温热害是水稻生长发育中的主要气象灾害之一,在我国所有稻区均有发生,高温热害导致水稻年减产约5%。在长江中下游稻区，每年梅雨季节过后,通常在6月下旬至7月中旬,此时早稻正值灌浆结实期,受西太平洋副高控制,易出现日平均温度高于30 ℃或日最高温度高于35 ℃持续3 d的高温天气,造成早稻高温逼熟,影响水稻的产量和品质[1-3]。

淀粉可看作是葡萄糖的高聚体,分为直链淀粉和支链淀粉两类。淀粉是植物养分的贮存形式之一,也是稻米胚乳的主要成分。精米中直链淀粉含量一直都被认为是评定稻米蒸煮食味品质最重要的指标之一[4]。然而,用碘比色法测定的直链淀粉含量实际上包括了真正的直链淀粉(水溶性直链淀粉)含量和能与碘起反应的支链淀粉分支链的长链B部分(水不溶性直链淀粉)含量,因此,常称为表观直链淀粉含量(Apparent Amylose Content, AAC)。除直链淀粉含量外,淀粉的糊化特性也是淀粉品质的重要指标[5]。研究发现,由RVA(Rapid Viscosity Analyzer)谱表征的糊化特性等能够较好地区分表观直链淀粉含量相似的优劣质品种,有利于稻米品质的改良研究[6-7]。稻米淀粉RVA谱是指一定量的米粉浆在加热、升温、冷却过程中,用快速粘度分析仪测定淀粉糊粘滞性变化所形成的粘度曲线[8]。由于淀粉粒的吸水溶胀和崩解,淀粉与水形成的悬浮物在加热时糊化和凝胶化,同时体系的粘度发生不断变化。因来源不同,各种物质在加热糊化时粘度变化存在很大差异。因此,对糊化特性和粘度的分析结果可作为判断淀粉或含淀粉食品质量的重要依据[9-11]。

稻米品质既受遗传基因的控制,又受栽培生态环境尤其是气象因子的影响[12]。气温是影响稻米品质的重要气象因子,其次为肥料,再其次为土壤水分[13]。张国发等[14]研究发现,结实期高温处理下,淀粉RVA谱特征值中糊化温度、冷胶粘度、回复值及消减值升高,最高粘度、热浆粘度和崩解值下降。张桂莲等[15]指出,抽穗结实期高温使稻米直链淀粉含量增加,淀粉RVA谱中崩解值降低,冷胶粘度、消减值和糊化温度升高。氮素也是影响稻米品质的重要因素之一。刘艳阳等[16]以武香粳14和武粳15为材料,研究了不同地力水平下施氮量对稻米淀粉RVA谱特性的影响,结果发现峰值粘度、热浆粘度、崩解值、最终粘度及回复值随施氮量的增加而呈显著或极显著下降,并指出每公顷追施225 kg氮量是稻米蒸煮食味品质变劣的临界值。陶进等[17]认为,随施氮量增加,稻米垩白度及消减值增加,崩解值下降。然而,温度与施氮量互作对RVA谱特性的影响鲜有报道。我们以2个早稻品种为材料,设计不同温度和氮素水平,研究了温度与施氮量互作对稻米品质的影响,以期为水稻减灾增效、高温热害防御及气象为农服务提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验设计

1.1.1 材料与种植 试验于2013年在江西农业大学科技园进行。供试材料为常规稻品系中531和杂交稻品种淦鑫203。中531为早籼稻,生育期117.0 d。淦鑫203为高产优质稻(荣丰A/R3,国审稻2009009),生育期114.4 d。试验地位于115°50′E、28°46′N,海拔48.80 m。供试田块土壤的基本理化性质如下:pH 5.94，有机质28.72 g/kg，全氮1.45 g/kg，速效氮92.01 mg/kg，速效磷28.31 mg/kg，速效钾221.67 mg/kg。于3月24日在大田播种。4月29日移栽,单本栽插。大田分4个小区,栽插规格为22.5 cm×24.5 cm,每个小区种80株秧苗。设定高氮(HN)和正常氮素(NN)水平。在正常氮素水平下，采用尿素、氯化钾和钙镁磷肥，按每公顷165 kg纯氮、180 kg K2O和90 kg P2O5的用量施肥；基肥、分蘖肥和穗肥按4∶2∶4的比例施用。在高氮水平下，分蘖肥和穗肥中的氮素是正常氮素水平的2倍,总施氮量为264 kg/hm2。其他田间管理按当地常规丰产栽培技术进行。

1.1.2 高温处理 采用人工气候箱开展高温控制试验,设日最高气温为38 ℃。在齐穗期选取发育进程基本一致的植株带泥移入盆钵(口径16.5 cm，深度15.5 cm)中，适应4 d,每盆移栽1丛。对植株进行随机挂牌标记,每处理12盆。淦鑫203与中531的生长略不同步,前者的生育期比后者早3 d。当盆钵中稻株的主茎和次二茎处于乳熟初期时,将植株移入两台人工气候箱中(PRX-1500B,上海)，连续进行高温处理4 d，处理的日期为6月24～28日。以前1 d所测的温度变化为依据,利用人工气候箱分时段模拟温度日变化以进行高温控制。光照时间、光强和相对湿度以前1 d气象站观测的数据为依据设定。人工气候箱控温处理具体设置如表1所示。人工气候箱采用梯度升降温,设定的程序每24 h自动循环,连续处理4 d。

表1 水稻高温处理期间人工气候箱的日气象要素设定

每个处理另有12盆稻株置于大田，作自然温度处理(对照)。对照的气象要素从附近1 km内的农业气象观测站获取。将经高温处理的水稻材料移回大田,并除去盆钵让其自然生长。在处理期间,38 ℃处理的日均温度、日均最高温度和日均最低温度平均分别较对照高2.95、2.16和4.80 ℃,差异显著或极显著。

1.2 测定项目与方法

1.2.1 直链淀粉含量 参照中华人民共和国国家标准《GB/T 17891─1999优质稻谷》的方法测定稻米直链淀粉含量。在稻谷收获后,选取穗上同一部位的籽粒晒干。先后利用出糙机、精米机和米粉机将稻谷脱壳成糙米,再磨成精米,最后加工成米粉,最后通过0.10 mm筛孔作为测定试样,用碘蓝比色法测定直链淀粉含量,8次重复。

1.2.2 淀粉RVA谱 RVA糊化特征值主要用峰值粘度或最高粘度(Peak viscosity, PKV)、保持粘度(Hold viscosity, HDV)或热浆粘度(Hot strength)、最终粘度(Final viscosity, FLV)或冷胶粘度(Cool viscosity)、崩解值或下降粘度(Breakdown, BDV, PKV-HDV)、消减值或回生值(Setback, SBV, FLV-PKV)等特征参数来表示。粘滞值的计量单位为厘泊(centipoise, cP)、随机单位(RVA arbitrary unit, RVU)或Pa·s,1 RVU=12 cP, 1 Pa·s=1000 cP。本文中的粘度单位是cP。

选取先前过筛的稻米米粉为试样，采用快速粘度分析仪(RVA—Tec Master, Perten Instruments)测定淀粉粘滞特性，分析淀粉RVA谱,用TWC(Thermal cycle for windows)配套软件[6]记录和分析数据。按照AACC(美国谷物化学协会)规程(1995─61-02)的标准方法[18]进行测定,4次重复。当米粉含水量为12%时,样品重量为3 g,超纯水为25 g。

1.3 数据统计方法

采用Microsoft Excel 2003和SPSS 17.0进行试验数据的统计分析。

2 结果与分析

2.1 高温和氮素水平对稻米直链淀粉含量的影响

由表2可知,直链淀粉含量因不同基因型品种而存在显著差异。中531各处理的直链淀粉含量很低,最高不超过10%,显著低于淦鑫203各处理的直链淀粉含量。在高温条件下,与正常氮素水平相比,高氮水平会降低淦鑫203的直链淀粉含量,但差异不明显;而在自然温度下,高氮水平会显著降低其直链淀粉含量(P<0.05)。在高温条件下,与正常氮素水平相比,高氮水平会显著增加中531的直链淀粉含量(P<0.05)；而在自然温度下,氮素水平对其直链淀粉含量的影响不显著。在高氮水平下,与自然温度相比,高温会增加2个水稻品种的直链淀粉含量；而在正常氮素条件下,高温会降低2个品种的直链淀粉含量,但差异均不显著,这说明高氮能在一定程度上缓解高温对直链淀粉含量的不利影响。

2.2 高温和氮素对稻米淀粉RVA谱特征值的影响

表2结果显示,不同基因型品种的淀粉RVA谱特征值存在明显差异。直链淀粉含量较低的中531有较小的峰值粘度、保持粘度、最终粘度、消减值和较大的崩解值,而直链淀粉含量较高的淦鑫203则相反。比较同一氮素水平不同温度处理间淀粉RVA谱特征值的差异可发现,不同指标对温度的反应存在差异。在同一氮素水平下,与自然温度相比,灌浆期高温会降低2个品种稻米的峰值粘度、保持粘度、崩解值和最终粘度,会显著增加消减值(P<0.05)。在高温条件下,2个品种高氮处理除消减值外的各项RVA谱特征值的降幅均低于正常氮素处理的,说明高氮可减轻高温带来的不良影响,提高米质。值得注意的是,高氮水平下中531高温和自然温度处理间,除消减值外的RVA谱各特征值差异不显著。无论在高温还是在自然温度下,淦鑫203各项RVA谱特征值对氮素的响应不明显;而中531在高温正常氮素处理下的RVA谱特征值显著低于其余处理的(P<0.05)。

由两个品种相应的淀粉RVA谱(图1)也可发现,随着直链淀粉含量不同,RVA谱也有明显差异。每一处理都有自己特定的淀粉谱特征值,即有特定淀粉粘滞性曲线。粘度值随时间推进而有规律地上升到峰值粘度,然后下降到保持粘度,最后上升到最终粘度,形成典型的RVA特征谱。淀粉RVA谱直观分析表明：高温处理下淦鑫203的淀粉粘滞性曲线始终低于自然温度对照下的(图1a)；而中531在高温高氮下的淀粉粘滞性曲线与在高温正常氮素水平下的差别不大(图1b)。

2.3 稻米淀粉RVA谱特征值间及与直链淀粉含量间的相关性

由表3可见：除崩解值与保持粘度、最终粘度和直链淀粉含量间相关不显著外,稻米淀粉RVA谱各特征值间以及与直链淀粉含量间均存在显著或极显著的正向或负向关系；直链淀粉含量与崩解值呈负相关,与其他4个特征值均呈极显著正相关(P<0.01),其中与最终粘度的相关性最高,相关系数达0.968,其次是消减值和保持粘度,相关系数分别为0.916和0.892。由此可见,在直链淀粉含量相近的情况下,利用RVA谱特征值尤其是最终粘度和消减值,可进一步评价稻米品质的优劣。

2.4 稻米淀粉RVA谱特征值与直链淀粉含量的方差分析

温度和氮素互作对稻米淀粉RVA谱特征值及直链淀粉含量影响的F测验结果列于表4。从表4中可看出：在不同校正模型间,淀粉RVA谱5个特征值和直链淀粉含量的差异均达到极显著水平(P<0.01);在不同品种间所有指标的差异均极显著(P<0.01);在不同温度间除直链淀粉含量外,其他特征值的差异均达到极显著水平;在不同氮素水平间峰值粘度、崩解值和最终粘度的差异显著或极显著。对于互作效应,崩解值存在极显著的温度与品种互作效应,峰值粘度、保持粘度、最终粘度和直链淀粉含量指标存在极显著的氮素与品种互作效应(P<0.01),在峰值粘度、保持粘度、崩解值、最终粘度和直链淀粉含量指标上存在显著或极显著的温度与施氮量互作效应。

表2 高温和氮素对稻米淀粉RVA谱特征值和直链淀粉含量的影响

注:表中数据为平均值±标准误；同列数据后不同小写字母表示在5%水平上差异显著。“*”和“**”分别表示在0.05和0.01水平上差异显著。HN表示高氮;NN表示正常氮素;HT表示高温;NT表示自然温度。

a:淦鑫203;b:中531。图1 高温和氮素对稻米淀粉RVA谱的影响

表3 稻米淀粉RVA谱各特征值间及与直链淀粉含量间的相关系数

注:“*”和“**”分别表示在0.05和0.01水平上相关显著。

3 讨论

稻米淀粉RVA谱特征值不仅因品种不同而异,也受外界环境温度的影响[19]。王丰等[20]研究发现,水稻经灌浆结实期高温处理后,淀粉的最终粘滞度、消减值和回冷恢复值呈明显的下降趋势。袁继超等[8]认为,峰值粘度、崩解值与齐穗后20 d的平均温度、最高温度和最低温度呈正相关,与消减值呈负相关。沈新平等[5]的研究证实,结实期平均温度每增加1 ℃,两优培九稻米淀粉的消减值就降低91 cP。本试验结果显示,在同一氮素水平下,与自然温度相比,灌浆期高温降低了2个早稻品种稻米的峰值粘度、保持粘度、崩解值和最终粘度,显著增加了消减值。

表4 稻米淀粉RVA谱特征值及直链淀粉含量方差分析结果(F值)

注:校正模型是SPSS软件对整体方差模型检验的结果。温度×氮素×品种达不到显著水平,归入误差项。“*”和“**”分别表示在0.05和0.01水平上差异显著。

施氮水平不仅影响水稻的产量[21],也会影响稻米的RVA谱特征值。刘艳阳等[16]研究表明,峰值粘度、热浆粘度、崩解值、最终粘度随施氮量的增加呈显著或极显著下降。有关研究表明,随着施氮量增加,稻米的峰值粘度和崩解值下降,消减值增大,导致其品质降低[22-23]。而金军等[24]的研究发现,氮素水平对稻米RVA谱特性具有一定的调节作用,但RVA谱各特征值对氮素的反应不一。本研究观察到,在峰值粘度、崩解值、最终粘度上存在显著的氮素效应,而在峰值粘度、保持粘度和最终粘度上存在极显著的氮素与温度及氮素与品种的互作效应。段骅等[25]研究表明,在高温胁迫下,中氮和高氮会增加整精米率和支链淀粉短链比例,降低垩白米率和支链淀粉中长链的比例,说明在水稻抽穗结实期遭受高温胁迫后,在穗分化期适当增施氮素可获得较好的稻米品质。刘永环等[26]研究认为,提高氮素追施比例可以增加籽粒的直链淀粉含量,降低支链淀粉含量和支链淀粉/直链淀粉的比例,使RVA谱特征值也发生变化。本研究结果表明,在高温条件下2个品种高氮处理的RVA谱特征值(除消减值外)的降幅均低于正常氮素处理的,说明高氮可减轻高温对RVA谱特征值的不良影响,从而提高稻米品质。

淀粉RVA谱是稻米的一项重要的品质特征[27]。RVA谱特征值中崩解值、消减值和回复值等指标与食味品质关系最为密切[10,28],优质水稻品种的崩解值一般较大,消减值较小,RVA谱特征值可作为优质稻米的辅助选择指标[29-30]。食味较好的水稻品种,其崩解值一般大于1200 cP,消减值小于300 cP;而食味差的品种的崩解值低于420 cP,消减值高于1000 cP[31]。本研究结果显示,品质较优的常规稻中531的消减值小于300 cP,崩解值在1200 cP左右,且高氮水平下中531在高温和自然温度间,除消减值外的RVA谱各特征值差异不大,说明38 ℃高温可能对其食味品质的影响不明显。

直链淀粉含量是评价稻米蒸煮食味品质的重要理化指标之一,也与RVA谱特征值密切相关。淀粉的合成与合成淀粉的前体物质(蔗糖)和籽粒利用蔗糖能力(酶活性)的大小有关[32-33],品种、温度、氮素等因素影响着淀粉含量[14,30]。本文结果显示,中531的直链淀粉含量很低,最高不超过10%,显著低于淦鑫203的直链淀粉含量。在自然温度或高温条件下,与正常氮素相比,高氮降低了淦鑫203的直链淀粉含量。在高温条件下,与正常氮素相比,高氮显著增加了中531的直链淀粉含量,而在自然温度下,氮素对其直链淀粉含量影响不显著。本研究还表明,直链淀粉含量较低的中531有着较小的峰值粘度、保持粘度、最终粘度、消减值和较大的崩解值,而直链淀粉含量较高的淦鑫203则表现相反,且直链淀粉含量与崩解值呈负相关,与其余特征值呈极显著正相关。因此,在测定直链淀粉含量的基础上,分析RVA谱特征值,可进一步评价高温热害条件下稻米品质的优劣。

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