不同因素对水稻淀粉糊化特性影响的研究现状

彭 涛，陈 科，郑 佳，龚利娟，李杨华，马振兵

（1. 四川轻化工大学生物工程学院，四川宜宾 644005；2. 四川省酿酒专用粮工程技术研究中心，四川宜宾 644005；3. 宜宾五粮液股份有限公司，四川 宜宾 644000）

0 引言

水稻是全球最重要的粮食作物之一，大约有一半的人口以稻米为食[1]。其中，淀粉是稻米胚乳中最主要的组成成分，占其干物质的80%以上。稻米淀粉主要由直链淀粉和支链淀粉组成，是人们日常生活饮食中最主要的能量来源[2-3]。在探究稻米的食用品质和酿造特性等方面均离不开稻米蒸煮，而稻米蒸煮的同时又伴随着淀粉糊化。淀粉糊化过程的实质是微晶束溶融的过程，糊化后淀粉颗粒中微晶束之间氢键断裂，水分子进入淀粉微晶束结构，分子的混乱度增加[4]。

淀粉只有在糊化后经糖化酶作用，才能更好地被人体消化吸收。目前，引起淀粉糊化的方法主要有加热、高压、挤压和化学处理等，检测手段常用差示扫描量热仪（DSC）、布拉班德黏度仪（BV） 和快速黏度分析仪（RVA） 等方法。淀粉的糊化特性是决定稻米品质的一项重要指标，直接关系着稻米的食用品质和人们对稻米蒸煮后的可接受程度。目前的研究常见于单一因素对于淀粉糊化特性的影响，缺乏总结归纳多种因素对于淀粉糊化特性的影响。因此，综述近年来不同因素对水稻淀粉糊化特性的影响研究，以期为改善水稻淀粉糊化性质和提高稻米品质提供理论参考。

1 主要环境因素对淀粉糊化特性的影响

温度对水稻的生长至关重要，特别是反映在水稻灌浆期，温度过高或过低均可影响稻米的产量与质量[5-6]。对灌浆期的水稻进行低温冷水胁迫后，可溶性淀粉合成酶（SSS） 活性和淀粉分支酶（SBE）活性降低，导致籽粒总淀粉含量、支链淀粉含量显著下降，直链淀粉含量显著上升，水稻RVA 谱中的峰值黏度和热浆黏度下降，进而影响淀粉的糊化特性[7-9]。同时，低温处理还降低了水稻的糙米率和精米率，导致稻米品质变劣[7-8]。但是适当的低温处理降低了灌浆速率，使灌浆过程更趋于均一，淀粉结构得到了优化，有助于改善水稻蒸煮食味品质[10-12]。在全球变暖趋势的影响下，极端高温天气越来越频繁，过高的环境温度在一定条件下也会严重影响水稻淀粉的理化性质。高温会使稻米直链淀粉含量和支链短链数量减少，中间支链增加，并导致稻米的糊化温度、糊化焓和糊化黏度提高；但高温并未改变淀粉的结晶类型，而是显著影响了水稻淀粉的相对结晶度[13-14]。

光照是除温度外另一能显著影响稻米品质的环境因子，水稻灌浆期如果光照不足，其光合能力就会下降，从而导致因糖源不足引起的稻米直链淀粉和淀粉总量减少，胶稠度变硬[15]。Deng F 等人[16]发现，稻米灌浆期的遮光胁迫会显著降低直链淀粉含量、支链淀粉A 链比例，并导致淀粉颗粒的均匀度和糊化焓下降。任万军等人[17]也证实，随着灌浆期光强的降低，稻米的蛋白质含量极显著增加，直链淀粉含量显著降低。

2 淀粉成分对淀粉糊化特性的影响

水稻主要分为籼稻、粳稻和糯稻，糯稻又分为籼糯和粳糯。其中籼稻的直链淀粉含量一般为15%～25%，粳米为15%～20%，糯稻则在2%以下[18]。淀粉是稻米胚乳的主要成分，主要有直链淀粉与支链淀粉两种，直链淀粉是由α-D- 葡萄糖经α-1,4- 糖苷键相连而成的几千个单位长度的葡聚糖链状分子，几乎无分支或分支特别少；支链淀粉是α-D- 葡萄糖经α-1,4- 糖苷键与α-1,6- 糖苷键连接而成的高度分支的葡萄糖聚合物。不同种类的稻米其糊化特性存在较大差异[19-20]。籼米拥有较高的起糊温度、最终黏度和回生值，糯米拥有较高的峰值黏度和破损值，粳米则介于二者之间[21]，造成这种差异的原因可能与水稻表观直链淀粉含量（ACC） 有关[22]。对于糯稻而言，籼糯和粳糯中的淀粉和支链淀粉含量大致相同，籼糯中直链淀粉要含量明显高于粳糯，同时籼糯也表现出更高的淀粉糊化特征值（糊化温度、峰值黏度、峰值时间、最低黏度、最终黏度、回生值）[23]。直链淀粉含量的高低与稻米品质密切相关，是影响稻米蒸煮及食味品质优劣的一个重要因素。通常情况下，高直链淀粉含量的水稻品种一般具有较高的热浆黏度和消减值，而低直链淀粉含量的水稻品种的热浆黏度和消减值较低，并且直链淀粉含量与淀粉糊化温度（Tp）、糊化焓（ΔH）、峰值黏度（PV）呈负相关[24-25]。

淀粉颗粒的大小和结晶度也会对糊化特性产生一定程度的影响，一般来说，淀粉颗粒直径越大，淀粉糊化就越困难[26]。同时，淀粉颗粒的表面存在许多小孔（见图1），这些小孔可能在淀粉糊化过程中起渗透作用，便于水的进入和直链淀粉的浸出，有利于淀粉颗粒的膨胀[27]。水稻淀粉为高结晶性淀粉，属于典型的A 型结晶类型，其X 衍射图谱在15，17，18，23 °处存在强衍射峰[28]。糯米淀粉结晶度与糊化温度之间呈极显著正相关[28-29]，也与RVA 糊化特征值显著相关[30]。

人们普遍认为支链淀粉具有精细的分子结构，支链淀粉的精细结构的差异对大米品质有着重要影响，主要表现为链长分布，会影响淀粉的糊化过程。根据支链淀粉簇模型，支链淀粉短链包括A 链（聚合度DP6～12） 和B1链（聚合度DP 13～24） 组成双螺旋结构，在淀粉颗粒的半结晶生长环内组成结晶片层。例如，较长的A 链和B1 链可以形成较长的双螺旋结构，导致其解离需要较高的温度才能完成。相关学者发现，直链淀粉含量相近的品种在糊化品质上仍有很大差别，原因是由于支链淀粉的精细结构不同[31]。支链淀粉精细结构包括链长和链长分布、平均链长（CL）、平均外链长（ECL）、平均内链长（ICL）、A∶B 值等参数。水稻支链淀粉在不同链长范围的支链数量比例与淀粉的糊化温度相关[32]，而与淀粉的胶稠度和RVA 谱的性质关系不密切[33]。研究表明，淀粉的链长结构是影响淀粉糊化的主要因素，支链淀粉的CL、ECL、A∶B 值对淀粉RVA 成糊特性及DSC 热特性有较大影响，且低CL、ECL 及高A∶B 值的稻米淀粉RVA 成糊特性较好、糊化温度较低[34]。支链淀粉聚合度（DP） 为6～9 的短链使糊化温度下降；聚合度为12～22 的中链使得起始糊化温度上升；聚合度＞25 的支链淀粉长链降低了支链淀粉终止糊化温度及热焓值[35]。

水稻淀粉颗粒的微观结构图见图1。

3 非淀粉成分对淀粉糊化特性的影响

3.1 脂类

稻米中的脂肪多为优质的不饱和脂肪酸（如油酸、亚油酸等） 对人体有益成分，其含量虽不高，却对淀粉溶胀、糊化特性有较大影响。脂类化合物能和淀粉分子生成络合结构复合物，其相互作用过程伴随着环境及其他因素的变化而变化，并且淀粉-脂类复合物在淀粉颗粒的糊化、膨胀与溶解等方面有着显著的抑制作用[36]。研究发现，脱脂后的稻米比未脱脂的稻米具有更高的热浆黏度、冷胶黏度、消减值、糊化温度[37]。有学者认为，脂类可以用一层膜覆盖在淀粉表面，增加疏水性，并抑制水分向淀粉颗粒的转移[38]，从而限制了淀粉糊化过程中的吸水膨胀，降低淀粉的峰值黏度，而且由于其良好的直链淀粉结合能力，还可以在糊化时形成直链淀粉- 脂肪酸复合物，降低糊化焓[39]。脂肪酸的添加量不同作用也不同，小于4%时，大米淀粉的热特性特征值（起始温度、峰值温度、终止温度和糊化焓） 均降低，达到4%后，基本没有变化[40]。所添加的脂肪酸种类不同对大米淀粉糊化性质的影响也不同，如硬脂酸和亚油酸的加入均能降低淀粉的峰值黏度，但硬脂酸对淀粉峰值黏度的影响程度更大[41]。

3.2 蛋白质

稻米中蛋白质含量仅次于淀粉，不同种类的蛋白质及其含量对淀粉糊化特性的影响有所差异。Baxter G 等人[42]将谷蛋白以不同含量添加到纯大米淀粉中，发现谷蛋白使得淀粉糊化温度升高；并且大多数淀粉的参数变化与蛋白质含量呈线性相关。反之，如果添加豌豆蛋白、乳清蛋白和球蛋白则会促进淀粉糊化，显著降低大米淀粉的峰值黏度和最终黏度[43]，其原因可能是豌豆蛋白、乳清蛋白和球蛋白可以作为增塑剂，防止大米淀粉凝胶中的直链淀粉分子重排，从而降低淀粉糊化黏度[44]。

蛋白质内部结构也是影响糊化特性的重要因素之一。研究发现，大米淀粉在糊化过程中，蛋白质能在淀粉表面形成网络状的连续结构，从而达到保护淀粉颗粒并抑制其糊化的目的[45]。同时，蛋白质结构中的二硫键限制了淀粉糊化时的膨胀，蛋白质中二硫键含量变化可引起稻米淀粉糊化性质及结构性质发生改变[30，46]。另外，蛋白质也能通过和淀粉竞争水分而推迟糊化过程，使得糊化温度升高[47-48]。

3.3 多酚

近年来，多酚常作为一种功能和营养物质被添加到淀粉食品中，利用多酚与淀粉分子之间的相互作用，使得淀粉分子的结构特征发生改变，从而改善了淀粉的糊化特性。李蟠莹[49]研究发现，随着原花青素添加量的增加，大米淀粉的峰值黏度、谷值黏度和终值黏度均有所上升，而崩解值和糊化温度呈下降趋势，大米淀粉变得更容易糊化，说明原花青素的添加促进了大米淀粉的糊化，与任顺成等人[50]研究结果相一致，且后者发现儿茶素、咖啡酸、没食子酸、绿原酸和阿魏酸可显著降低淀粉糊化的起始黏度。此外，某些多酚如茶多酚，还通过影响糊化过程中大米淀粉颗粒结构的改变和水分迁移的分布，降低了传导加热下大米淀粉的糊化温度值与糊化焓值[51]。糙米中也含有大量的多酚类物质，且主要集中在米糠中，糙米多酚可抑制淀粉的糊化，降低淀粉的成糊黏度，其原因可能是淀粉在热处理的过程中，糙米多酚的亲水性羟基与淀粉相互作用，改变了淀粉分子晶体与非晶体间的耦合力，导致糊化难度增加[52]。

3.4 矿物质

矿物质是机体正常运转所必需的物质，由于缺乏适当的酶系统，矿物质不能在人体内合成。为了预防因过度加工或饮食结构不平衡而引起的代谢性疾病，矿物质常作为一种营养物质被添加到淀粉食品中，同时也会影响淀粉的糊化特性。如氯化钙和氯化锌等可促进淀粉的糊化，而硫酸镁和氟化钠却能抑制淀粉的糊化[53]。一般来说，与阳离子相比，阴离子成分对淀粉糊化的影响较大，会优先与淀粉相互作用；而在阳离子中，二价离子的糊化焓明显弱于一价离子，可能是更易与淀粉中的水分子相结合，导致淀粉疏水作用力变强[54-55]。在稻米的碾磨加工过程中，稻米中的一些微量元素（如Fe、Mn 等） 会随着碾磨程度的提高而逐渐降低，并导致淀粉的最高黏度、热浆黏度和崩解值逐渐增加[56]。

3.5 小分子有机物

小分子有机物（如氨基酸、糖等） 由于具有抗氧化、抑菌和提高免疫力等生理功能，常将其加入到淀粉食品中，但这类物质的添加会对淀粉的性质产生一定的影响[44]。例如，带电物质（矿物质和氨基酸等） 可能会与淀粉链之间通过氢键出现静电作用，导致淀粉颗粒热稳定性改变，会提高淀粉的起始糊化温度和峰值温度，并且促进直链淀粉的析出、抑制淀粉颗粒膨胀[57-58]。

林楠、于中玉等人[59-60]研究发现，麦芽糖和木糖的添加均能显著降低糯米淀粉的峰值黏度、终值黏度和回生值，同时增加糯米淀粉的糊化温度和糊化焓值，且随着麦芽糖和木糖添加量的增加而升高，其原因可能是糖在淀粉无定形区形成糖- 淀粉分子间相互作用，从而增加了淀粉糊化的难度；也可能由于小分子糖能够破坏淀粉颗粒表面的水化膜，降低水分活度，导致直链淀粉溶出减少，糊化温度和糊化焓升高[61]。此外，糖还可以显著改变淀粉内部分子之间的排序，不同类型的糖分子其改变的程度也不同，并进而影响淀粉糊化特性[62]。

4 相关基因对淀粉糊化特性的影响

淀粉的合成过程具有复杂的遗传调控网络，涉及到的基因很多，例如参与直链淀粉的合成的GBSS基因、控制淀粉链延伸的SSS 基因、与支链淀粉合成有关的SBE 系列基因、参与淀粉水解的ISA 和PUL 基因以及导致粉质胚乳的FLO 系列基因等，其中GBSS 和SSS 基因的参与在较大程度上影响了淀粉的糊化特性。

4.1 颗粒结合型淀粉合酶（GBSS）

GBSS 通过与淀粉颗粒特异性结合，参与直链淀粉的合成。水稻GBSS 有2 种同工酶，分别为GBSSⅠ和GBSSⅡ；GBSSⅠ主要控制水稻胚乳中直链淀粉的合成，是目前主要研究的GBSS 同工酶，而GBSSⅡ主要合成茎、叶等营养器官中临时性淀粉的直链淀粉，目前的研究主要集中在GBSSⅠ上。

在水稻中，GBSSⅠ由Wx 基因编码，在该基因座上存在3 种等位基因：Wx、Wxa 和Wxb，分别存在于糯稻、籼稻和粳稻中。研究表明，不同水稻品种中Wx 基因表达水平直接决定了其胚乳中直链淀粉的含量[63]。陈专专等人[64]研究发现，含Wxa 等位基因稻米的糊化温度极显著低于Wx 型和Wxb 型的近等基因系，且Wx 等位变异主要对稻米的峰值黏度、峰值时间和冷胶黏度产生影响。在支链淀粉链长分布中，DP≥37 的支链统称为超长链，GBSSⅠ不仅可以通过调节直链淀粉的合成，影响淀粉的糊化特性，还对淀粉颗粒中支链淀粉超长链的合成有一定的影响。Hanashiro I 等人[65]发现，导入了GBSSⅠ基因的Wx 基因水稻突变体，其支链淀粉超长链增加了8%左右。

4.2 可溶性淀粉合成酶（SSS）

SSS 主要控制支链淀粉合成中淀粉链的延伸，包括SSI、SSII、SSIII、SSIV 4 类。在水稻中存在多种同工型基因编码SSS，其中SSI、SSIIa、SSIIIa 在水稻胚乳中表达。并且不同的SSS 决定着支链淀粉的链长分布，而支链淀粉的链长分布与淀粉糊化特性密切相关。

SSI 的主要功能是将A 链或B 链上DP6～7 的短链延伸为DP8～12，即负责支链淀粉短链的延伸，但SSI 的缺失对淀粉颗粒的形状、大小以及淀粉的结晶度没有产生影响[66]。SSIIa 基因也称为ALK 基因，研究发现在相同Wx 基因型背景下，ALK 等位基因主要影响稻米RVA 谱的起浆温度，且稻米RVA 特性受Wx 基因和ALK 基因的共同影响[64]。在水稻胚乳中，SSIIa 通过延长支链淀粉中的DP6～10 的短链，形成D13～24 的中长链，进而影响淀粉的糊化温度[67-68]。从水稻支链淀粉精细结构来看，DP6～9 的短链与稻米糊化热性能密切相关，其与稻米起始糊化温度、峰值温度、终止温度及起始成糊温度存在显著负相关，DP12～22 的中长链则与之相反[69-70]。贺晓鹏等人[33]的研究发现，在水稻支链淀粉中，不同链长范围内的支链数量比例与淀粉的糊化温度相关，其中短链（ΣDP6～12） 与中短链（ΣDP6～24） 的比值与淀粉糊化特性显著相关。SSIIIa 主要负责延伸DP≥25的长链，并在支链淀粉B2到B4链的延伸过程中起着有重要作用。除此之外，SSIIIa 活性的缺失还会导致SSI 与Wx 转录的增强[71]。

5 结语

淀粉糊化特性作为评价稻米品质的一项重要指标，一方面直接影响稻米的蒸煮食味品质，决定了人们对其的可接受程度；另一方面与水稻的酿造特性密切相关，并且易糊化的稻米品种能大大降低企业的生产成本。研究了灌浆期的温度和光照、不同水稻品种、非淀粉成分（脂类、蛋白质、多酚、矿物质、小分子化合物）、淀粉成分，以及相关酶和基因等对水稻淀粉糊化特性的影响规律，旨在增强对淀粉糊化的理解，以期为水稻淀粉糊化过程的合理控制和提高稻米品质提供理论基础。

目前，关于淀粉糊化的分子机理尚不完全清楚，淀粉在糊化过程的分子结构变化和规律还需要更深入的研究。此外，关于淀粉糊化对人体健康的影响也是目前的研究热点。例如，过度糊化的淀粉可能会导致高血糖、胰岛素抵抗等问题。因此，今后的研究可以从淀粉糊化与健康的关系着手，并探索减少淀粉过度糊化对健康影响的方法。