粳高粱与糯高粱子粒抗性淀粉含量差异研究

石燕楠，王新玉，王金萍，刘敬科，张爱霞，赵巍，籍贵苏，杜瑞恒，吕芃

（国家高粱改良中心河北分中心/河北省农林科学院谷子研究所/河北省杂粮研究实验室，河北 石家庄 050035）

高粱为世界第五大禾谷类作物，在世界干旱、半干旱地区广泛种植，其子粒主要用于粮食、酿造原料和饲料。目前，在中国高粱主要作为酿酒原料[1，2]。淀粉是高粱子粒的主要组成成分，也是被利用的主要营养成分[3，4]。淀粉分直链淀粉和支链淀粉2种，按其比例高低，将高粱分为糯高粱和粳高粱两大类，即蜡质高粱和角质高粱[5，6]。近年来，人们对抗性淀粉研究不断深入，依据淀粉的生物可利用性将淀粉分为易消化淀粉（ready digestible starch，RDS）、不易消化淀粉（slowly digestible starch，SDS）和抗性淀粉（resistant starch，RS）[7]。不同类型的淀粉，在人体内消化需要的酶、吸收部位、产物、作用都不相同[8]。非抗性淀粉在人体小肠中由淀粉酶分解，产生葡萄糖直接进入血液；抗性淀粉在人体小肠中不能被淀粉酶消化，而是进入大肠被生理性细菌发酵产生多种短链脂肪酸和气体，其具有类似膳食纤维的功能[9]。国外对高粱淀粉研究较多，而国内相关研究较少[2，5]。不同作物子粒的抗性淀粉含量不同，同一作物不同品种子粒的抗性淀粉含量也有差异[10]。Mamoudou等[11]认为，高粱子粒中含有抗性淀粉。任文等[12]研究认为，饲料中粳糯淀粉的比例对动物胃肠道形态结构和功能会产生影响，直链淀粉较支链淀粉吸收消化慢，淀粉结构影响消化吸收[13，14]。抗性淀粉除了与消化吸收有关外，还与淀粉的吸水和蒸煮特性有关，进而影响酿造品质。研究表明，春小麦的抗性淀粉含量与直链淀粉含量密切相关[15]；水稻的直链淀粉、支链淀粉含量和基因型影响着抗性淀粉的含量[16]，抗性淀粉含量与淀粉最高黏度值和崩解值有关[17，18]；高粱淀粉的最高黏度值和崩解值在品种间差异很大，且与直链淀粉含量有关[19]，最高黏度值、崩解值等与高粱子粒的蒸煮品质和发酵品质有关，粳、糯高粱之间差异明显[4，20]。北方酿酒采用粳高粱碎粒蒸煮发酵工艺；南方浓香、酱香型白酒酿造采用糯高粱整粒蒸煮发酵工艺[21，22]。但截至目前，有关粳、糯不同类型高粱品种间的抗性淀粉含量差异和阈值等研究尚未见报道。对2种类型的高粱子粒抗性淀粉含量差异及遗传规律进行分析，有助于不同类型高粱子粒的更好利用，还可为酿造高粱、饲用型高粱和健康食用型高粱的选育提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

参试高粱材料共计383份，包括自交系、常规种以及杂交种1代和2代，其中粳高粱257份、糯高粱126份，白粒高粱27份、红粒高粱356份（表1）。材料由河北石家庄、山西晋中、湖南长沙等9省12市的农业科学院提供。

表1 参试高粱材料的基本情况Table 1 Basic information of sorghum materials tested

1.2 试验方法

1.2.1 试验设计2014年来源于各地的材料均在当地种植，种植方法同当地习惯，收获后将子粒寄往河北省农林科学院谷子研究所进行抗性淀粉含量的测试分析。在白城、锦州、贵阳同时种植9个糯高粱组合（407A/21R、45A/21R、45A/1045R、45A/1181R、L407/F16、45A/L2R、18A/L2R、川糯1号、泸州红1号）和1个粳高粱组合（407A/石R51），用于地域对子粒抗性淀粉含量的影响分析。

1.2.2 测定项目与方法 参照宾石玉等[23]方法，测定高粱子粒的淀粉含量。具体方法为：

挑选无壳的高粱子粒，粉碎，过100目筛。准确称取样品0.10 g置于试管中，加入去离子水2 mL，分散均匀，沸水浴糊化0.5 h；冷却后将糊化样品转入50 mL离心管中，依次加入α-淀粉酶40 mg、马来酸钠缓冲溶液（0.1 mol/L，pH值6.9）6 mL和1 650 U/mL淀粉葡萄糖苷酶20 μL，混合均匀；置于37℃水浴摇床中孵育16 h，摆速200次/min。取出离心管，加入无水乙醇4 mL，混合均匀，于4 000 r/min离心10 min；弃上清，再加入50%乙醇洗涤1次，4 000 r/min离心10 min；弃上清，然后加入KOH（2 mol/L）2 mL振荡30 min，再加入乙酸钠缓冲溶液（1.2 mol/L，pH值3.8）8 mL，混匀后立即加入1 650 U/mL淀粉葡萄糖苷酶0.2 mL，于60℃水浴中孵育1 h，间断性搅拌。采用3，5-二硝基水杨酸法测定还原糖含量，计算抗性淀粉含量：

抗性淀粉含量（%）=（C×0.9/m）×V

式中，C为还原糖浓度（mg/mL），m为样品的质量（mg），V为水解液离心后的体积（mL），0.9为葡萄糖换算成淀粉的系数。

在子粒蜡熟期，子粒尚能用手掐动时，将子粒掐成两半，将碘-碘化钾溶液滴在子粒的横断面，碘液迅速变成深蓝色的为粳高粱，碘液颜色不变或蓝色较浅的为糯高粱。按照品种、亲本、杂交种及其双亲的粳、糯情况，将参试材料分为I～Ⅵ计6组，统计各组材料的抗性淀粉含量分布范围、平均值和变异系数。

1.2.3 数据处理与分析 采用Excel 2003软件和SPSS 17.0软件，对试验数据进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 高粱子粒抗性淀粉含量的分布特征

参试高粱的子粒抗性淀粉含量为0.38%～31.64%，平均13.91%；偏度系数为-0.088，多数材料抗性淀粉含量高于平均值，这与选用的粳高粱材料数量较多有关；峰度系数为-1.261，子粒抗性淀粉含量分布分散（表2）。

表2 参试高粱材料的子粒抗性淀粉含量及分布特征Table 2 Distribution characteristics of resistant starch content in different sorghum grains

参试高粱的子粒抗性淀粉含量值集中2个峰值区，其中，糯高粱的抗性淀粉含量值处在1个较低的峰值区，粳高粱的抗性淀粉含量值处在1个较高的峰值区（图1～3）。对不同类型高粱的子粒抗性淀粉含量进行分析，结果显示，糯高粱与粳高粱的子粒抗性淀粉含量存在显著差异。糯高粱材料的子粒抗性淀粉含量为0.38%～9.88%，平均2.98%；偏度系数为1.437，偏向于低含量分布，抗性淀粉含量低于平均值的材料数占糯高粱材料总数的63.8%，含量为1%～5%的材料数占糯高粱材料总数的73.8%；峰度系数为1.915，子粒抗性淀粉含量分布比较集中。粳高粱材料的子粒抗性淀粉含量为4.47%～31.64%，平均19.39%；偏度系数仅为0.091，分布较对称；峰度系数为-0.458，子粒抗性淀粉含量分布分散。

图1 参试高粱材料的子粒抗性淀粉含量分布Fig.1 Distribution of resistant starch content in grains of different sorghum materials

图2 参试糯高粱材料的子粒抗性淀粉含量分布Fig.2 Distribution of resistant starch content in grains of different waxy sorghum materials

图3 参试粳高粱材料的子粒抗性淀粉含量分布Fig.3 Distribution of resistant starch content in grains of different nonwaxy sorghum materials

2.2 高粱子粒抗性淀粉含量的分型与遗传

2.2.1 分型 根据子粒抗性淀粉平均含量，将参试高粱材料分为高抗性淀粉含量型和低抗性淀粉含量型两类。高抗性淀粉含量型包括粳高粱品种或自交系（类型Ⅱ）、粳×粳杂交种（类型Ⅲ）和粳糯杂交种（类型Ⅳ），抗性淀粉含量为7.47%～31.56%；低抗性淀粉含量型包括糯高粱品种或自交系（类型Ⅰ）和糯×糯杂交种（类型Ⅴ），抗性淀粉含量为0.38%～13.61%（表3）。

表3 不同类型高粱子粒抗性淀粉含量的变化范围、平均值和变异系数Table 3 Range，average value and coefficient of variation of resistant starch content in grains of different types of sorghum

类型Ⅵ为各地搜集的杂交种F1，其父母本粳糯性不可考，故将其单独划分为一类。该类子粒抗性淀粉含量普遍较高，除L407A×红茅粱6号组合子粒抗性淀粉含量（4.71%）低外，其他材料子粒抗性淀粉含量为18.44%～37.96%。对L407A×红茅粱6号组合子粒抗性淀粉含量低的原因进行分析发现，亲本红茅粱6号的子粒抗性淀粉含量低，仅为1.33%。

2.2.2 遗传特性 不同来源高粱材料的子粒抗性淀粉含量变异系数为26.76%～94.91%，差异较大。其中，Ⅰ组材料的子粒抗性淀粉含量变异系数最大，说明糯高粱品种或自交系的子粒抗性淀粉含量变异最大，容易从中选出差异较大的品种和自交系；其次是Ⅴ组材料，子粒抗性淀粉含量变异系数为65.82%，说明糯×糯杂交种的子粒抗性淀粉含量变异也较大；Ⅱ型粳高粱品种或自交系的子粒抗性淀粉含量变异系数最小，不易选出抗性淀粉含量差异较大的品种和自交系。

2.3 高粱子粒抗性淀粉含量与子粒颜色的关系

参试的27份白粒高粱材料中，仅L407A和J1这2个糯高粱品种的抗性淀粉含量较低，分别为8.88%和1.28%；其他白粒高粱材料的抗性淀粉含量为17.00%～30.97%。其中，锦州当地的优质米用高粱品种‘锦州小白粱’子粒抗性淀粉含量为30.97%，沧州一带生产高粱面粉代替小麦面粉专供糖尿病和肥胖症患者的高粱品种‘青县白’子粒抗性淀粉含量为14.87%，这2个品种均为粳高粱。

参试的356份红粒高粱材料中，红缨子、红茅粱6号、泸糯8号、冀酿2号等糯高粱品种的子粒抗性淀粉含量均较低，为0.05%～0.26%；而冀酿1号和抗四等粳高粱品种的子粒抗性淀粉含量较高，为8.76%～31.63%。

2.4 环境对高粱子粒淀粉含量的影响

参试高粱材料中，泸州红1号、川糯粱1号、红缨子、红与糯2号、红珍珠、今汐红心糯、泸糯8号、黔高7号、黔高8号、黔高1号这10个糯高粱材料在贵阳、锦州、白城三地均有种植，其中泸州红1号与红缨子类似。测定结果显示，不同地点的高粱子粒抗性淀粉含量无显著差异，说明这10个南方糯高粱品种在北方地区种植时其抗性淀粉含量不会发生大的变化。特别是类似红缨子的常规品种泸州红1号，在贵州、锦州、白城种植时子粒抗性淀粉含量分别为1.36%、2.24%和0.88%，差异较小，这种差异与70%左右的总淀粉含量相比对出酒率影响不大。

3 结论与讨论

3.1 糯高粱抗性淀粉含量较粳高粱低

张淑梅等[24]研究认为，直链淀粉参与了抗性淀粉结晶区和无定形区的形成，在直链淀粉含量较低的情况下不利于抗性淀粉的形成，粳高粱直链淀粉含量较糯高粱高，有利于抗性淀粉的形成。本研究结果显示，粳高粱的子粒抗性淀粉含量平均值为19.39%，明显高于糯高粱（2.98%），与前人研究结论一致。因此，可以利用高粱粳糯性推测其子粒抗性淀粉含量水平，为实际生产应用提供了重要理论依据。

3.2 高粱子粒抗性淀粉含量遗传特性与糯性遗传相似

只有抗性淀粉含量都低的亲本，才能选育出抗性淀粉含量低的杂交种；只要其中1个亲本的抗性淀粉含量高，杂交种的抗性淀粉含量就比较高。因此，在选育抗性淀粉含量低的品种时，应采用抗性淀粉含量均低的亲本进行杂交，才容易选育出抗性淀粉含量低的后代材料。选育抗性淀粉含量高的杂交种或后代，只要有1个亲本的抗性淀粉含量，就能选出高抗性淀粉的后代材料或杂交组合，与糯性遗传[25]相似。

本研究结果表明，Ⅰ组材料的子粒抗性淀粉含量变异系数最大，为94.91%，说明糯高粱品种或自交系的子粒抗性淀粉含量变异最大，容易从中选出差异较大的品种和自交系；其次是Ⅴ组材料，子粒抗性淀粉含量变异系数为65.82%，说明糯×糯杂交种的子粒抗性淀粉含量变异也较大；Ⅱ型粳高粱品种或自交系的抗性淀粉含量变异系数最小，为26.76%，不易选出抗性淀粉含量差异较大的品种和自交系。

3.3 子粒抗性淀粉含量可代替子粒颜色作为判断高粱可消化性的标准

民间有用白高粱作为糖尿病、肥胖症食疗食品的传统习惯。一些养殖户认为红高粱单宁含量较高，白高粱含单宁较少、容易消化吸收，偏好选用白高粱作饲料。高粱颜色变化极其多样，起初人们认为高粱子粒颜色与单宁含量有关，其实高粱子粒颜色是由多个因素相互作用造成的[26～28]，包括果皮颜色和厚度、种皮存在与否、胚乳的质地和颜色以及环境影响等，因此单凭子粒颜色判定高粱子粒是否容易消化吸收是不准确的。在红高粱材料中，既有抗性淀粉含量高的品种，如红缨子；又有抗性淀粉含量低的品种，如冀酿1号。因此，利用子粒颜色判断高粱的可消化性并不可靠，采用子粒抗性淀粉含量作为判断依据较为科学。

3.4 糯高粱子粒抗性淀粉含量受环境影响不大近年来，糯高粱种植有北移的趋势，如红缨子开

始在河北、山东大面积种植，红茅粱6号开始在辽宁、内蒙南部种植。南方糯高粱在北方种植时子粒抗性淀粉含量是否会受到影响，尚需研究。本研究选用的泸州红1号、川糯粱1号等10个糯高粱材料，在贵阳、锦州、白城三地种植，测定结果显示，不同地点间子粒抗性淀粉含量无显著差异。但高抗性淀粉含量的粳高粱内在遗传特性及形成机理还有待深入研究。

致谢：感谢国家谷子高粱产业体系相关岗位和试验站提供部分试验材料。