施氮量和直播密度对稻米食味品质和淀粉结构的影响

胡雅杰， 薛建涛， 吴 培， 李 娈， 丛舒敏， 余恩唯， 倪嘉颢， 张洪程

(扬州大学农学院；江苏省作物遗传生理重点实验室；粮食作物现代产业技术协同创新中心，扬州 225009)

随着我国农业供给侧结构性改革深入，经济社会快速发展，居民生活质量提高，人们对优质稻米需求量越来越大，特别是优质食味稻米深受欢迎。因此，改善稻米食味品质，加快优质食味水稻生产与供给，对推进水稻供给侧结构性改革和水稻产业高质量发展具有重要意义。一般认为影响稻米食味品质的主要因素是胚乳中直链淀粉含量和蛋白质含量，直链淀粉含量低和蛋白质含量低或两者均低，稻米食味品质佳[1，2]。我国北方稻区粳稻蛋白质含量低、食味品质好，这主要得益于一年种植一季水稻，土壤肥沃、有机质含量高，化肥用量少。与北方粳米相比，南方粳稻氮肥用量大(每公顷纯氮300 kg左右)，粳米蛋白质含量较高，影响南方粳米食味品质[3]。然而近些年，我国南方粳稻地区另辟蹊径，通过降低稻米直链淀粉含量，改良并培育出一批直链淀粉含量低(5%～15%)、米饭柔软、冷不回生、食味口感佳的优良食味粳稻品种，亦被称为“软米粳稻”，如江苏的南粳46、南粳9108、苏香粳100等；上海的沪软1212、松香粳1018等；浙江的嘉58等[4]。优良食味粳稻在我国南方稻区推广面积快速增加，仅江苏累计推广面积超过533万公顷，有力地推动了南方粳稻食味品质的改善[3]。前人已对软米粳稻产量和品质形成的特征做了较多研究[5-7]，但直播条件下软米粳稻与常规粳稻在稻米食味品质和淀粉晶体结构等方面比较研究还较少。

氮肥和密度一直是水稻大面积生产上调控水稻产量与品质形成的两大重要栽培措施[8-10]。有关氮肥和密度对水稻稻米品质的影响，前人大多从氮肥或密度单一因子考虑，且多以移栽稻为研究对象，而有关氮肥和密度互作对直播稻食味品质和淀粉晶体结构特性的影响研究相对缺乏。因此，本研究以软米粳稻品种南粳9108和常规粳稻丰粳3227为供试材料，在直播条件下设置了3个不同施氮量处理和3个密度处理，探讨施氮量和直播密度互作对稻米食味品质和淀粉结构特性的影响，以期阐明直播条件下软米粳稻食味品质形成特征及其与淀粉晶体结构特性的关系。

1 材料与方法

1.1 实验地点及供试材料

实验于2018年在扬州大学农学院校外基地江苏兴化进行。该地处里下河地区腹部，属北亚热带湿润性季风气候区，年平均温度15 ℃左右，年日照时数2 300 h左右，年降水量1 025 mm左右，无霜期227 d左右。该地土壤为黏性泥土，0～20 cm土层含有机质26.7 g·kg-1、全氮1.87 g·kg-1、效磷13.4 mg·kg-1、速效钾150.6 mg·kg-1。

供试材料为软米粳稻南粳9108和常规粳稻丰粳3227。

1.2 实验设计

采用裂区设计，以施氮量为主区，密度为裂区，设置3个施氮水平，分别为0、150、300 kg·hm-2，在各施氮量下设置3个密度处理，基本苗分别为90×104、180×104、360×104·hm-2，重复3次，共27个小区，各小区面积为30 m2。主区间做埂包膜，保证独立排灌。根据当地换茬时间，于6月12日人工模拟机械旱条播，行距25 cm，播后2叶1心进行小区间苗。常规尿素(46%)作氮肥，于翻耕前、分蘖期、倒4叶和倒2叶施用，基肥∶分蘖肥∶促花肥∶保花肥=4∶3∶1.5∶1.5。各小区磷钾肥统一用量，磷肥(P2O5)120 kg·hm-2全作基肥，钾肥(K2O)240 kg·hm-2分基肥和促花肥等量施用。水分和病虫草害管理按当地水稻大面积生产的高产栽培要求统一实施。

1.3 测定内容

1.3.1 稻米食味品质测定

于成熟期适期收获，经脱粒机脱粒，去除杂质，自然风干至标准水分后贮藏3个月。每个处理称取3份120 g左右稻谷，碾磨加工，出糙出精。随机选取约25.00 g精米样品，用Infratec 1241 Grain Analyzer近红外快速品质分析仪测定稻米蛋白质含量和直链淀粉含量。胶稠度测定用米胶延伸法，测定米胶在冷却时的黏稠度。采用STA1A米饭食味计测得米饭的硬度、黏度、平和食味值。

1.3.2 稻米糊化特性测定

采用Super 3型RVA(rapid viscosity analyzer)快速测定，用TWC(thermal cycle for windows)配套软件分析数据。取3.00 g样品加25.00 g蒸馏水。在搅拌中，罐内温度于50 ℃保持1 min，以11.84 ℃ min-1的速度上升至95 ℃(3.8 min)保持2.5 min，再以11.84 ℃ min-1的速度下降至50 ℃并保持1.4 min。搅拌器的转动速度在起始10 s内为960r/min-1，之后保持在160 r min-1。稻米RVA谱特性用峰值黏度、热浆黏度、最终黏度3个一级参数和崩解值(峰值黏度与热浆黏度之差)、消减值(最终黏度与峰值黏度之差)、回复值(最终黏度与热浆黏度之差)3个二级参数表示，单位为cP(centiPoise)，同时记录峰值粘度时间及起始糊化温度。

1.3.3 淀粉提取

取20.00 g米粉浸泡在含有10 mg/g-1碱性蛋白酶的0.45%氧化钠溶液中，在室温下浸泡24 h，去除蛋白质。混合液匀浆，过200目筛后加入30 mL去离子水混合，搅拌2 min，再过200目筛。过滤的淀粉溶液在3 000 r/min条件下离心10 min，再将上清液倒掉，去除上层残渣，再加入20 mL去离子水混合，再次3 000 r/min条件下离心10 min，倒掉上清液，重复上述过程5次，确保杂质被完全清除。最后，在30 ℃环境下干燥淀粉，过200目筛收集淀粉。

1.3.4 淀粉粒径大小与分布测定

采用激光衍射粒度分析仪(Mastersizer 2000)测定淀粉粒径大小与分布。淀粉样品的介质是95%乙醇，转速设定为2 000 r/min。首先对仪器进行调整，范围在0.1 mm到2 000 mm之间，以测量淀粉颗粒的大小。

1.3.5 淀粉相对结晶度测定

采用X射线粉末衍射仪测定(D8 Advance)X射线衍射图。取适量淀粉样品，置于样品台上圆形凹槽内并均匀压片，之后用X射线粉末衍射仪进行测定，测试的电压条件是40 kV，电流是200 mA，扫描区域衍射角(2θ)的旋转范围设定为3°到40°，扫描速度1.2(°)/min，步长0.02°。淀粉相对结晶度采用MDI Jade v6.0软件计算。

1.3.6 淀粉结构有序度测定

采用傅里叶变换红外光谱仪(FTIR, 7000)测定。在800～4 000 cm-1波长范围内，以2 cm-1的分辨率，平均16次扫描。将50 mg 淀粉样品加入 1 mL 离心管，再加入100 μL超纯水，搅拌成面团胶稠状，覆盖在光谱仪上样孔的表面。从1 200～800 cm-1区域的光谱进行了反褶积，获得原始光谱1 045 cm-1和1 022 cm-1处的吸光度值。

1.3.7 淀粉SAXS波谱参数测定

取适量淀粉样品浸没在去离子水中，4 ℃过夜，5 000×g离心10 min，弃上清液获得淀粉浆。用Bruker NanoStar 型小角X 射线散射仪分析，采用Vantec 2000检测器和针孔准直技术，X射线源为铜旋转阳极(直径0.1 mm)， 电压50 kV，功率30 W，装有交叉耦合Gobel镜，产生波长为1.541 8 Å 的Cu Kα 射线。光学部件和样品室均处于真空状态，以减少空气散射。在X射线散射分析时，保证淀粉浆在密封的容器内，以防止水分散失。用DIFFRACplusNanoFit 软件处理SAXS波谱，获得波谱原始数据。运用角X射线散射波谱的定量作图分析法测定淀粉SAXS波谱参数。

2 结果与讨论

2.1 稻米食味品质

表1方差分析表明，品种类型和施氮量对直链淀粉含量、蛋白质含量、胶稠度、食味值、硬度和黏度影响达极显著水平，而密度处理对胶稠度、硬度和黏度差异达显著或极显著水平，三者互作对直链淀粉含量、食味值、硬度和黏度影响达显著水平。因此，品种类型和施氮量对稻米食味品质影响大于密度。

表1 施氮量和直播密度对稻米食味品质影响

稻米食味品质优表现为直链淀粉含量低、蛋白质含量低、糊化温度低、胶稠度长、峰值黏度高、崩解值大、消减值小[11-12]。与常规粳稻相比，软米粳稻具有较低的直链淀粉含量和糊化特性，和较高的胶稠度和米饭黏性[13]。本研究中，同一施氮量和密度下，软米粳稻品种直链淀粉含量、蛋白质含量、糊化温度、消减值均低于常规粳稻，而胶稠度长和崩解值大。穗肥减半施用能显著降低稻米直链淀粉含量，提高稻米食味值；机插密度通过调控稻米直链淀粉含量而影响稻米食味值[8]。本研究中，直播条件下施氮量对稻米食味品质的影响大于密度，中、低施氮量和密度通过降低蛋白质含量，增加胶稠度和黏度，提高稻米食味值。因此，本实验条件下，直播稻选用低直链淀粉含量的软米粳稻品种，配套中、低施氮量和密度，利于改善稻米食味品质。

2.2 淀粉RVA谱特征

表2方差分析表明，品种类型对淀粉RVA特征参数均有极显著影响，施氮量对峰值黏度、热浆黏度和最终黏度影响达极显著水平，而密度仅对崩解值和最终黏度有显著影响，两者和三者互作均对峰值黏度有显著或极显著影响。前人一般研究认为淀粉RVA谱中崩解值大和消减值小，淀粉糊化特性好，稻米食味品质佳[14]。本实验在同一施氮量和密度条件下，与常规粳稻相比，软米粳稻崩解值较高，最终黏度、消减值和起始糊化温度较低。同一密度下，随着施氮量增加，两类品种峰值黏度、热浆黏度、最终黏度和崩解值呈减少趋势，软米粳稻消减值呈增加趋势。同一施氮量下，随着密度增加，两品种稻米RVA特征参数变化不一。这与叶全宝[15]的研究结果相一致。因此，品种类型和施氮量对淀粉RVA谱特征参数影响大于密度；选择软米粳稻品种，施用中低氮量，利于改善稻米淀粉糊化特性。

表2 施氮量和直播密度对淀粉RVA谱特征参数的影响

2.3 淀粉颗粒大小及其分布

表3方差分析表明，品种类型和施氮量对不同大小的淀粉颗粒分布比例和淀粉粒径大小的影响达极显著水平，而密度对其影响无显著差异。Wang等[15]研究认为，软米粳稻较常规粳稻具有较高的中等颗粒淀粉分布比例和体积平均粒径大小以及较低的糊化温度。本研究中，同一施氮量和密度下，与常规粳稻相比，软米粳稻中和小淀粉颗粒分布比例较少，而大颗粒淀粉分布比例较多，表面积平均粒径和体积平均粒径较大。Zhu等[16]研究认为随着施氮量增加，水稻淀粉颗粒大小减少。本研究结果表明，同一密度下，随着施氮量增加，两品种淀粉颗粒大小及其分布变化不一，其中软米粳稻品种中颗粒淀粉分布比例呈增加趋势，而大颗粒淀粉分布比例、表面积平均粒径和体积平均粒径均呈减少趋势。因此，本实验条件下，软米粳稻具有较少的中小淀粉颗粒，大颗粒淀粉较多；施氮量对淀粉颗粒大小及其分布的影响因品种类型而变化。

表3 施氮量和直播密度对淀粉颗粒大小及其分布的影响

2.4 淀粉晶体结构特性

表4方差分析表明，不同类型品种对淀粉相对结晶度、有序度和SAXS波谱参数的影响达极显著水平，施氮量对淀粉相对结晶度和峰强度的影响达显著水平，而密度对淀粉晶体结构相关指标影响差异不显著。研究认为氮肥施用量显著影响水稻淀粉结构和理化特性[16-17]，随着施氮量增加，淀粉相对结晶度增加，膨胀势和溶解性和糊化焓增加，淀粉黏性降低[16]。施用中等氮量，淀粉相对结晶度和有序度较低，淀粉黏性增加，能改善稻米品质[17]。本研究中，同一施氮量和密度下，与常规粳稻相比，软米粳稻淀粉相对结晶度、有序度和峰强度呈增加趋势，而片层距离呈减少趋势。施氮量和密度对淀粉相对结晶度、有序度、峰强度和片层距离影响变化不一。同一密度下，随着施氮量增加，软米粳稻淀粉相对结晶度呈先升后降，而常规粳稻变化不一。

表4 施氮量和直播密度对淀粉晶体结构的影响

2.5 稻米食味品质与淀粉理化指标关系

由表5相关分析可知，施氮量与蛋白质含量和硬度呈极显著正相关，而与食味值、黏度、峰值黏度、热浆黏度、最终黏度和片层距离呈极显著负相关。米饭食味值与蛋白质含量、直链淀粉含量、硬度、最终黏度、消减值、糊化温度均呈极显著负相关，与胶稠度、黏度、峰值黏度、崩解值和峰强度呈极显著正相关。直链淀粉含量与硬度、最终黏度、消减值、糊化温度呈极显著正相关，与黏度和崩解值呈极显著负相关，与淀粉相对结晶度、有序度和峰强度呈显著负相关。一般研究认为稻米直链淀粉含量与淀粉结构和特性关系密切。Cai等[18]研究认为直链淀粉含量与淀粉相对结晶度、有序度和峰值强度呈显著负相关关系，这与本研究结果一致。

表5 稻米食味品质与淀粉理化特性的相关性

3 结论

与常规粳稻相比，软米粳稻优质食味品质特征表现为直链淀粉含量和蛋白质含量低，胶稠度长，米饭蒸煮后硬度低和黏度大，淀粉RVA谱中崩解值大、消减值小和糊化温度低。随着施氮量增加，直链淀粉含量降低，蛋白质含量提高，胶稠度变短，米饭硬度增加，稻米食味值下降。相关分析表明，施氮量与蛋白质含量和硬度呈极显著正相关，与米饭食味值、黏度、峰值黏度、热浆黏度、最终黏度和片层距离呈极显著负相关。密度对稻米食味品质和淀粉结构影响差异不显著。