不同地区再生季稻米蒸煮食味品质及淀粉结构与性能差异研究

旷 娜 唐启源 郑华斌 王慰亲 邹 丹 罗友谊

(湖南农业大学农学院，湖南 长沙 410128)

蒸煮食味品质作为稻米品质最重要的部分，主要由直链淀粉含量、胶稠度和糊化温度等指标来衡量，它与稻米淀粉特性(热性能、糊化特性等)密切相关[1]。近年来，随着生活水平的不断提高和粮食流通体系的进一步开放, 人们对稻米的食味品质提出了更高要求。推广和扩大优质水稻生产已成为水稻产业发展的主要方向[2]。再生稻是利用水稻节间休眠芽在特定环境下继续萌发的特性，在头季收割后通过一定的栽培管理措施，使稻桩上的芽萌发、生长成穗而又收获一季的水稻。相比于双季稻，再生稻具有生育期短、生产成本低和经济效益高等优点[3]。同时，再生季农药、化肥施用量少，秸秆就地利用，符合绿色发展理念[4]。徐春梅等[2]研究表明，高纬度试验点晚稻产量和温光资源利用率均高于低纬度试验点。唐健等[5]也证实在不同生态区进行双季晚稻种植，其产量、品质和温光资源利用率存在显著差异。同时，再生季稻米的直链淀粉含量低于双季晚稻，胶稠度长于双季晚稻，蒸煮品质优于双季晚稻[6]。因此，研究不同地区再生季稻米蒸煮食味品质具有重要意义。淀粉作为稻米中主要的贮藏碳水化合物，是决定稻米品质的关键成分[7]，其结构和特性也易受环境条件的影响。灌浆期日平均温度过高，易导致直链淀粉含量降低和长链支链淀粉含量增加[8]，或使糊化温度升高、胶稠度变硬[9]，影响精米的蒸煮食味品质。同时，高温会影响稻米淀粉颗粒结晶区的晶胞结构或微晶排列[10]。低温会使光合作用中酶促反应减弱，光合强度降低，有机物合成减少，使淀粉累积受阻。除温度外，灌浆期的光照对淀粉的合成与积累也存在一定影响。光照通过影响水稻光合作用以及改变温度，影响物质合成和谷粒的灌浆充实，从而影响米质[11]。

综合而言，前人对不同地区种植水稻的稻米品质差异和温光资源利用率，以及温光条件对稻米淀粉结构和特性的影响分别进行了研究。然而关于再生季稻米的蒸煮食味品质、淀粉晶体结构和性能与灌浆期温光条件的关系却鲜见报道。本研究通过比较不同生态区再生季稻米蒸煮食味品质和淀粉结构及其特性的差异，探究温光资源对再生季稻米品质的调控效应，以期进一步揭示再生稻再生季稻米品质的形成基础。

1 材料与方法

1.1 试验材料与试剂

试验于2019年在湖南长沙(28.2°N，113.2°E，海拔101.4 m)、河南信阳(32.1°N，114.1°E，海拔114.5 m)及广东肇庆(23.0°N，112.5°E，海拔60 m)进行，试验田前作为休闲田，土壤肥力中等。品种为高产杂交稻甬优4149及优质杂交稻晶两优1468，均属于低直链淀粉含量品种。各区按当地再生稻正常播种时间播种。手工移栽，秧龄不超过30 d，移栽株行距为20 cm×20 cm。头季施纯氮180 kg·hm-2，分3次使用，基肥(40%)、分蘖肥(40%)和穗肥(20%)。分蘖肥于移栽后10 d左右施用，穗肥为幼穗分化第三期施用。磷肥(P2O5)78.75 kg·hm-2全部作基肥，钾肥(K2O)168.75 kg·hm-2作基肥和穗肥各占50%。在头季成熟前7～10 d施尿素(N，46.4%)150 kg·hm-2和钾肥 (K2O，60%) 75 kg·hm-2作促芽肥。头季黄熟95%时，按品种人工收割，留桩高度为30 cm。再生季管理：头季收割后1～2 d内按区灌浅水，结合灌浅水，尿素按225 kg·hm-2作发苗肥。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，各试验点田间管理措施一致。各品种均收取再生季成熟籽粒。

1.2 主要仪器与设备

P810 全自动旋光仪，上海华岩仪器设备有限公司；RVA-Super4快速黏度分析仪，澳大利亚新港科器公司；THZ-320台式恒温振荡器，上海精宏试验设备有限公司；GFL-45电热鼓风干燥箱，天津莱玻特瑞仪器设备有限公司；200-F3差示扫描量热仪，德国耐驰公司；XRD-6100 X-射线衍射仪，日本岛津公司；Spectrum65傅立叶变换红外光谱仪，英国珀金埃尔默股份有限公司。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 蒸煮食味品质测定 水稻收获脱粒，风晒至水分约为14%，室内贮藏3个月后，用风选机风选后，按NY/T 83-2017[12]测定稻米的直链淀粉与胶稠度。

1.3.2 总淀粉含量和支链淀粉含量测定 总淀粉含量采用旋光度法[13]，支链淀粉含量为总淀粉含量减去直链淀粉含量。

1.3.3 米粉糊化特性 采用快速黏度分析仪(rapid visco analyzer, RVA)进行测定[6]。在铝罐中混合称取3.00 g样品与25 g蒸馏水。采用升温降温循环程序，50℃保温1 min，4.8 min升温至95℃，95℃保温2.5 min后，样品在3.8 min内冷却至50℃，保持1.4 min。前10 s螺旋桨的转速为960 r·min-1，随后测试中速度均为160 r·min-1。保存并记录数据。

1.3.4 淀粉提取 参照Bhat等[10]的方法并稍作改动。称取25 g精米于烧杯中，加入超纯水浸泡，于4℃冰箱过夜，浸泡过的稻米充分研磨后4层纱布过滤，然后再分别过74 μm、38.5 μm孔筛，滤液3 000×g离心20 min，弃上清液，余下固体加4倍左右体积的0.4% NaOH溶液，室温条件下震荡4 h，离心，弃上清，沉淀加超纯水充分悬浮后，离心20 min，弃上清，重复1次，用1 mol·L-1的HCl溶液调悬浮液pH值至中性，3 000×g离心20 min，弃上清，固体悬浮后过37 μm孔筛，继续离心悬浮，重复，直至上清液清澈，然后改用无水乙醇洗涤离心2次，沉淀于40℃干燥2 d，研磨，过150 μm孔筛，备用。

1.3.5 淀粉热性能测定 用差示扫描量热仪(differential scanning calorimeter，DSC)测定淀粉颗粒的热性能[10]。在铝锅中按质量比1∶3的比例混合淀粉样品与蒸馏水，以空坩锅为对照，密封平衡，室温下过夜。从25～100℃以10℃·min-1的加热速率扫描。DSC曲线的主要参数包括起始温度(To)、峰值温度(Tp)、终止温度(Tc)和糊化过程中焓的变化(ΔH)。

1.3.6 淀粉结晶度测定 采用X-射线衍射仪测定[10]。电压40 kV，30 mA-Cu-Kα辐射，扫描速度为2°·min-1，范围为5°～ 40°(2θ)。以每个样品的尖锐峰面积与X射线光谱总面积的比值作为结晶度测量。

1.3.7 淀粉结构有序性的测定 使用傅立叶变换红外光谱仪测定[14]。按1∶150(质量比)的比例混合淀粉样品与KBr固体，研磨，压片，在800～4 000 cm-1波长范围内，平均16次扫描，分辨率为2 cm-1。采用OMINC 8.2软件对1 200～800 cm-1区域的光谱进行了反褶积处理，半宽19 cm-1，增强因子1.9。从处理后的光谱中读取1 047 cm-1和1 022 cm-1波长处的吸光度值。

1.4 数据处理与分析

采用Microsoft Excel 2013处理数据，Statistix 8.0进行显著性分析(P<0.05)，LSD法进行多重比较。每个样品平行至少测2次，数值为平均值±标准误。

2 结果与分析

2.1 不同地区再生季齐穗后的环境因素分析

从各试验地区再生季齐穗后不同时段的平均温度可以看出(表1、2、3)，以肇庆地区的平均温度最高(甬优4149齐穗后不同时段的平均温度为27.8～29.3℃；晶两优1468为27.4～29.4℃)，信阳地区的温度最低(甬优4149为16.4～25.5℃；晶两优1468为15.6～25.1℃)，长沙地区的温度处于两者之间。温差上，以肇庆地区的变化幅度最小。日照时数方面，齐穗后前中期以长沙地区的日照时数最长，后期则以肇庆地区的日照时数最长。

表1 不同地区再生季齐穗后不同时间段的日平均温度

表2 不同地区再生季齐穗后不同时间段的日均温差

表3 不同地区再生季齐穗后不同时间段的平均日照时数

2.2 稻米蒸煮食味品质及淀粉含量比较

胶稠度和直链淀粉含量作为评价稻米蒸煮食味品质的主要指标，受种植地点的影响存在差异(图1)。长沙、肇庆两地区的稻米胶稠度无显著差异，但显著长于信阳地区。各试验地区间再生季稻米直链淀粉含量变动不大。总体来看，稻米胶稠度受种植地点的影响要大于直链淀粉含量。肇庆地区直链淀粉含量处于13%～18%之间，胶稠度大于60 mm，达部标一级。再生季稻米的总淀粉含量和支链淀粉含量均以肇庆地区最高(图2)。

注：小写字母表示在0.05水平差异显著。下同。

图2 不同地区再生季稻米的总淀粉与支链淀粉含量

2.3 糊化特性分析

同一品种不同种植地点对再生季稻米淀粉的糊化特性具有显著影响(表4)。其中肇庆地区稻米淀粉的峰值黏度、最低黏度和崩解值均显著高于长沙和信阳地区，但其消减值、糊化温度均显著低于长沙和信阳地区。RVA谱特征中，最终黏度受种植地点的影响较小。

表4 不同地区再生季稻米RVA谱特征

2.4 淀粉热性能分析

淀粉的DSC曲线特征值表明，峰值温度受种植地点的影响大于起始糊化温度、终止温度和热焓值(表5)。肇庆地区稻米淀粉的起始糊化温度和峰值温度最高，其次为长沙。终止温度和热焓值差异不大，以信阳地区略低。

表5 不同地区再生季稻米淀粉热性能参数

2.5 淀粉晶体结构差异

不同地区再生季稻米淀粉相对结晶度从大到小依次为肇庆>长沙>信阳，而信阳地区稻米淀粉结构有序性最高(图3)。

图3 不同地区再生季稻米淀粉的相对结晶度与红外1 047/1 022 cm-1的比值

2.6 齐穗后温光条件与蒸煮食味品质、淀粉结构与性质的关系

相关性分析表明(表6～8)，再生季稻米的胶稠度与齐穗后19～24 d日平均温度、温差及日照时数均呈显著或极显著正相关。米粉的糊化特性与齐穗后1～12 d的日平均温度、7～12 d的日均温差及平均日照时数关系密切。再生季稻米淀粉热性能受齐穗后13～18 d的日平均温、1～6 d的日均温差和平均日照时数影响较大。齐穗后日均温度、温差和日照时数与淀粉的结晶度也存在显著相关性。上述结果表明，再生季稻米灌浆结实期的温光条件对淀粉的性能和结构具有显著影响。其他指标与齐穗后不同时间段日均温度、温差和日照时数相关性不显著。

3 讨论

直链淀粉含量是稻米蒸煮食味品质的重要指标之一，与蒸煮后米饭的粘性、硬度、吸水性等均密切相关。研究表明，直链淀粉含量受水稻灌浆结实期温度和光照的影响，在灌浆期前18 d，温度过高不利于直链淀粉的累积，灌浆18 d后温度升高有利于直链淀粉含量增加[15]。本研究发现，各试验地区稻米直链淀粉含量差异不大，且与齐穗后不同时间段的平均温度、温差无显著相关性，可能是因为水稻灌浆前期直链淀粉积累较快[16]，再生季灌浆前期各试验地区温度均较高，且日照时数充足，碳水化合物的转运率接近。各试验地区再生季稻米胶稠度受温度和光照的影响较大，尤其是中后期。灌浆中后期决定稻米胶稠度特性的支链淀粉处于急剧变化，易受外界条件影响[17]。

表6 不同地区再生季稻齐穗后不同时间段日平均温度与蒸煮食味品质、淀粉结构和性能的关系

表7 不同地区再生季稻齐穗后不同时间段日平均温差与蒸煮食味品质、淀粉结构和性能的关系

表8 不同地区再生季稻齐穗后不同时间段平均日照时数与蒸煮食味品质、淀粉结构和性能的关系

研究表明，蒸煮食味品质好的稻米一般峰值黏度大、最终黏度小、糊化温度低，且崩解值大于1 200 cP，消减值小于300 cP[18]。RVA谱特征值表明肇庆地区的再生季稻米食味品质优于长沙与信阳地区。Toshio[19]和Kraithong等[20]研究表明，高温条件下稻米淀粉峰值黏度、最低黏度和崩解值升高，回复值和消减值降低。本研究发现温光条件对再生季稻米糊化特性影响的主要时间段为齐穗后7～12 d，可能与该时段籽粒淀粉合成关键酶的活性有关[21]。崩解值与齐穗后1～12 d日均日照时数呈显著负相关，由此可见，肇庆地区稻米粉的崩解值显著高于其他地区的主要原因是前期日照时数相对较短。本研究中稻米淀粉糊化温度与齐穗后1～12 d日均温度关系密切。孟亚利等[22]认为结实期的温度与糊化温度之间关系表现为：结实期日均温在18～25℃区间内升高，糊化温度升高，当温度超过25℃继续升高，糊化温度则降低，这与淀粉的晶体结构有关。总而言之，灌浆初中期的温度和光照对再生季稻米粉的糊化特性影响较大。

稻米淀粉的热性能与稻米的蒸煮食味品质密切相关，糊化过程中温度和热焓值的变化反映了稻米蒸煮过程的难易程度，高温熟化的米饭蒸煮温度更高，蒸煮时间更长[23]。淀粉粒在胚乳中形成的时间为子房受粉后的2～3 d[24]，各试验地区再生季稻齐穗后1～6 d较长的日照时数和较大的日温差有利于营养物质的形成。Kong等[25]报道直链淀粉含量与热焓值存在显著相关性，而本研究中各试验点热焓值差异不大，这与直链淀粉含量对温光条件的反应是一致的。

淀粉作为稻米的主要组成成分，理化性能受其晶体结构的影响。前人研究表明结晶度与直链淀粉含量、碱消值呈显著负相关，与胶稠度呈显著正相关[26]。稻米淀粉的结晶度越高，淀粉晶体结构越致密，破坏其晶体结构所需能量越大，导致其成糊时起始温度升高[27]，这与本研究结果是一致的。水稻花后5～6 d左右开始填充胚乳细胞，并形成复粒淀粉[24]，花后10 d胚乳淀粉细胞完全被淀粉充满[28]。本研究发现，总淀粉含量与再生季稻齐穗后7～12 d 的日平均温度极显著正相关，表明籽粒灌浆初中期温度可能是影响淀粉积累的主要因素。花后5 d，水稻籽粒中直链淀粉和支链淀粉开始合成，花后20 d 淀粉粒己基本具备成熟期淀粉衍射特征，但峰强度相对偏弱[29]。同时，程方民等[30]报道不同温度处理下淀粉的晶体类型完全一样，晶体结构差异主要表现在衍射图谱不同峰位的相对强度上。相关性分析发现，不同种植地区再生季稻米淀粉的相对结晶度主要受灌浆后期日平均温度的影响。因此，肇庆地区再生稻米淀粉的相对结晶度高于长沙和信阳，这主要是因为灌浆后期日平均温度影响了衍射峰的相对强度。

本研究虽然发现再生季齐穗后不同时段温光资源是影响再生季稻米蒸煮食味品质的重要因素，但温光条件在再生季齐穗后淀粉形成与积累过程中各种酶的活性，中间物质的合成等具体过程还有待深入研究。同时，前人研究发现土壤理化性质、灌溉水源和栽培管理措施等都可能会对稻米品质产生影响[31-33]。本研究在试验开展过程中，对不同生态区的田块土壤肥力尽量保持一致水平，但未明确土壤理化性质、灌溉水源等对稻米品质形成的贡献，这也将是未来研究的重要方向。

4 结论

本研究结果表明，齐穗后温光条件对再生季稻米蒸煮食味品质、糊化性能以及淀粉晶体结构与热性能存在显著影响。整体来看，肇庆试验地区的再生季稻米蒸煮食味品质优于长沙、信阳地区。不同的温光条件对稻米淀粉的结构有影响，通过改变其特性，进而造成稻米品质存在差异。再生季稻米中总淀粉含量与再生季稻齐穗后7～12 d 的日平均温度呈极显著正相关。糊化特性和热性能受灌浆初中期温光条件影响最为显著。齐穗后19～30 d的日均温度是造成淀粉结晶度差异的重要因子。但支链淀粉和直链淀粉含量与温光条件无显著相关性。不同温光条件是引起不同地区再生季稻米蒸煮食味品质和淀粉晶体结构与性能差异的重要原因。为了获取优质的再生季稻米，再生稻种植时应选择温光条件适宜的地点。