半糯性粳稻的淀粉精細結構及其米粉/飯功能特性研究

張 超 吳 焱 魏海燕 劉國棟 張洪程

(江蘇省作物遺傳生理重點實驗室；江蘇省作物栽培生理重點實驗室；江蘇省糧食作物現代產業技術協同創新中心；揚州大學水稻產業工程技術研究院；揚州大學農學院，揚州 225009)

水稻是我國最主要的糧食作物之一。隨著我國經濟的發展和居民生活水平的提高，人們對稻米的需求逐漸由“吃得飽”向“吃得好”轉變。改善稻米品質，獲得具有優質食味品質的稻米，逐漸成為目前我國稻米產業發展的重要趨勢[1]。近年來，水稻育種專家為滿足市場需求，相繼選育出了一系列優質食味品種，并在各水稻主產區進行推廣。其中，半糯性粳稻，又稱粳型軟米，因其蒸煮后米飯富有彈性，軟而不爛，冷飯不回生變硬等優點，深受江浙滬等地區消費者的喜愛。南粳9108、蘇香粳3號、徐稻9號等半糯性粳稻品種，已在生產上大面積推廣[2，3]。同時，半糯性粳稻也因其米飯的優質食味特性，常常被用于壽司制作，是優質壽司用米的平價替代品之一。此外，半糯性粳稻是制作方便米飯、米類點心，適合中央廚房工業化米飯生產的優質原材料，具有廣闊的市場應用前景[4]。

目前，育種家一直采用直鏈淀粉含量來評價半糯性粳稻，其精米中直鏈淀粉質量分數一般在2%～15%之間[5]。此外，糊化溫度、膠稠度也被作為輔助標準評價半糯性粳稻[6]。目前，半糯性粳稻的食味品質多采用感官評定方法進行評價，但研究者對半糯性粳稻米粉和米飯的功能特性及其形成機制尚缺乏深入的研究。

因此，本研究以在江蘇地區大面積推廣的半糯性粳稻(南粳9108、蘇香粳3號、徐稻9號)作為實驗材料，以糯性粳稻(淮糯12、鎮糯19、揚粳糯2號)、非糯性粳稻(淮稻5號、蘇粳815、揚育粳2號)作為對照，通過對比分析半糯性粳稻米粉的糊化特性、米飯的質構特性、米飯/糊的水分運動性與淀粉精細結構之間的相互關系，闡明淀粉精細結構對半糯性粳稻米粉/飯理化特性的影響。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

供試稻米品種：淮糯12、鎮糯19、揚粳糯2號、南粳9108、蘇香粳3號、徐稻9號、淮稻5號、蘇粳815、揚育粳2號。9種粳稻按照相同栽培條件，在揚州大學農學院實驗農場種植。稻谷成熟后收獲、晾干、平衡水分至14%左右，抽真空4 ℃低溫儲藏用于后續實驗。

1.2 方法

1.2.1 樣品前處理

稻谷經SY88-TH礱谷機去殼出糙，采用LTJM-2099碾米機出精，制備精米。采用FOSS CT193旋風式磨進行研磨，過60目篩，制備米粉。

1.2.2 蒸煮米飯

稱取整精米30 g，淘洗3次，按米水比1∶1.3加水，在密封鋁罐中浸泡30 min。然后蒸煮30 min，燜10 min后，將鋁罐放入鼓風箱冷卻20 min。最后在室溫下再冷卻90 min，測定米飯質構。

1.2.3 淀粉精細結構的測定

樣品處理：按照Tao等[7]所用的方法制備原淀粉與脫支淀粉。用蛋白酶、亞硫酸氫鈉溶液、乙醇等試劑處理米粉來去除蛋白質等非淀粉組分。

淀粉分子量分布的測定：采用安捷倫1100系列凝膠排阻色譜儀配RID-10A檢測器測試樣品。按照Gilbert等[8]的方法測定。流動相為含0.5%LiBr的DMSO/LiBr溶液，柱溫為80 ℃。測原淀粉時，使用GRAM pre-column、GRAM 100和GRAM 3000柱(PSS)串聯，流速為0.3 mL/min。測脫支淀粉時，使用GRAM pre-column、GRAM 100和GRAM 1000柱(PSS)串聯，流速為0.6 mL/min。采用分子量342～2.35×106的普魯蘭多糖作為標準品。

支鏈淀粉側鏈長分布的測定：將凍干之后的脫支淀粉，用8-氨基芘-1,3,6-三磺酸(APTS)進行標記，然后在25 ℃，30 kV電壓條件下，用碳水化合物分離緩沖液在N-CHO涂層毛細管中進行分離。使用配有固態激光誘導熒光(LIF)檢測器和氬離子激發源的PA-800 Plus凝膠毛細管電泳儀(FACE)進行測定[9]。

1.2.4 米粉RVA譜黏滯性的測定

采用Perten Super3 RVA快速黏度儀測定，用配套TWC軟件進行數據分析。稱取3 g米粉，加入25 g去離子水。然后按照Standard 1法測定其糊化特性：在50 ℃下維持1 min，然后以6 ℃/min的速度升溫至95 ℃，維持5 min，再以6 ℃/min的速度降溫至50 ℃，維持2 min，測定過程中，前10 s的攪拌速度為960 r/min，其他時間攪拌速度為160 r/min。RVA譜特征值包括峰值黏度、熱漿黏度、最終黏度、崩解值、消減值、回復值、糊化溫度。

1.2.5 米飯質構測定

采用SMS TA.XT.Plus物性測定儀測定米飯質構。測試探頭為P/36R，測試模式為壓力測定，觸發力設置為5 g，測試前速度1 mm/s，測試速度0.5 mm/s，測試后速度0.5 mm/s，進行2次壓縮，第1次壓縮程度為40%，第2次壓縮程度為70%。每次挑選3粒米飯，呈環形擺放，重復6次。以硬度、彈性、黏性、口感均衡性評價米飯質構。其中，硬度為第1次壓縮過程中最大正峰處的力值，彈性為第1次壓縮過程中返回時米飯的回復能力與壓縮時探頭壓縮能量的比值，黏性為最大負峰處的力值，口感均衡性為測試過程中最大負峰和正峰力值的比值。

1.2.6 米糊/飯水分運動性的測定

采用NMI20-015V-I低場核磁成像分析儀測定米糊/飯的水分運動性。稱取5 g RVA測試之后的米糊，裝入玻璃樣品瓶中，進行測定。米飯水分運動性的測定：稱取5 g 按1.2.2方法蒸煮后冷卻1.5 h的米飯，裝入玻璃樣品瓶中，進行測定。測試參數為：等待時間(TW)為4 000 ms，回波時間(TE)為0.3 ms，累加采樣4次，回波個數為15 000。數據采用系統軟件進行反演，通過迭代算法計算樣品中氫質子的自旋-自旋弛豫時間(T2)。

1.3 數據分析

用 SPSS 軟件和 Microsoft Excel 軟件分析和處理數據, 采用SPSS 13.0的單因素方差分析(One-Way ANOVA)在顯著性水平α=0.05下進行分析。數據標注不同小寫字母表示α=0.05水平下具有顯著差異。采用Pearson相關進行相關性分析。

2 結果與討論

2.1 淀粉精細結構分析

研究表明3種類型粳稻淀粉的含量及精細結構差異顯著(表1)。與糯性粳稻淀粉和非糯性粳稻淀粉相比，半糯性粳稻淀粉中短鏈(DP 101～1 000)、中鏈(DP 1 001～2 000)、長鏈直鏈淀粉(DP 2 001～20 000)占總淀粉的含量均處于二者之間。在粳稻直鏈淀粉中，鏈長為DP 101～1 000的短鏈直鏈淀粉含量最多，其中半糯性粳稻直鏈淀粉中短鏈直鏈淀粉含量占直鏈淀粉總量的84.14%，而糯性淀粉和非糯性淀粉中該質量分數分別為75.49%、79.71%。

進一步對粳稻淀粉中支鏈淀粉的精細結構進行分析，發現半糯性粳稻淀粉中支鏈淀粉平均鏈長(DP值)為20.25，該值低于糯性粳稻淀粉，高于非糯性粳稻淀粉(表2)。半糯性粳稻支鏈淀粉中中等長度的B1、B2鏈含量最多，而糯性粳稻支鏈淀粉中較長的B3鏈含量最多，非糯性粳稻支鏈淀粉中較短的的A鏈含量最多。因此，與糯性粳稻淀粉和非糯性粳稻中支鏈淀粉相比，半糯性粳稻的支鏈淀粉中含有更多中等鏈長的B1、B2鏈，平均鏈長介于糯性粳稻跟非糯性粳稻之間。

表1 粳稻淀粉中直鏈淀粉含量及其結構分析

表2 粳稻支鏈淀粉含量及其結構分析

2.2 米粉糊化特性

稻米米粉的RVA譜黏滯特性與米飯蒸煮、食味品質密切相關。研究發現3種類型粳稻米粉的RVA譜特征值差異顯著(表3)。熱漿黏度、最終黏度、消解值、回復值均隨著直鏈淀粉含量的增加而增加，其中半糯性粳稻的RVA譜特征值均介于糯性粳稻和非糯性粳稻二者之間。半糯性粳稻米粉的回復值顯著低于費糯性粳稻米粉，該結果證實與非糯性粳稻相比，半糯性粳稻米粉不易回生，有助于米飯保持較好的口感[10]。

直鏈淀粉是影響米飯蒸煮食味品質的主要因素，糯性粳稻、半糯性粳稻、非糯性粳稻中直鏈淀粉含量存在顯著差異，因此在蒸煮食味品質方面差異顯著。研究結果表明，糊化狀態的支鏈淀粉呈橢球形，分子運動能力較弱，因此不易回生；而直鏈淀粉呈線性，分子量較小，具有較強的運動能力[11-14]。一方面，線性的直鏈淀粉穿插于支鏈淀粉分子中，或者包裹在支鏈淀粉分子的周圍，能夠增加淀粉糊的黏度。因此，半糯性粳稻米粉與糯性粳稻米粉相比，表現出較高的峰值黏度、熱漿黏度、最終黏度。另一方面，在回生過程中，直鏈淀粉分子量較小，具有較強的運動能力，能夠快速調整分子的構象，并與其他直鏈淀粉分子或者支鏈淀粉長側鏈形成雙螺旋結構，發生重結晶，使得米糊回復值增加[13; 14]。因此，半糯性粳稻米粉的回復值顯著低于非糯性粳稻米粉，半糯性粳稻不易回生。

此外，支鏈淀粉精細結構也與米粉的糊化、回生密切相關。本研究發現：與糯性粳稻淀粉和非糯性粳稻中支鏈淀粉相比，半糯性粳稻中支鏈淀粉的B1、B2鏈最多，而糯性粳稻中支鏈淀粉的B3鏈最多，非糯性粳稻中支鏈淀粉的A鏈最多。支鏈淀粉中的A鏈能夠與直鏈淀粉或者B1鏈形成雙螺旋結構，阻礙淀粉膨脹，并導致米糊崩解值降低[15]。支鏈淀粉中的B2、B3鏈在支鏈淀粉內起連接作用，有利于穩定支鏈淀粉結構[16-18]。在直鏈淀粉含量相同的前提下，支鏈淀粉鏈長越長，分支結構越多，平均鏈長越長，雙螺旋結構越多，結晶度越高，糊化溫度會越高，崩解值越小。

表3 粳稻米粉RVA譜特征值分析

2.3 米糊水分運動性

RVA測試后的米糊進一步采用低場核磁成像分析儀(LF-NMR)分析米糊中水分的運動性，研究結果如表4所示。在米糊中存在兩種不同弛豫時間的氫質子，3 ～ 11 ms處代表結合水(T21)和200～700 ms處代表自由水(T22)。弛豫時間越小，水分運動能力越弱，表明米糊凝膠結構對水分的束縛能力越強，米糊凝膠強度越大，米糊水分運動性強。在粳稻米糊中，T2、T22值隨著直鏈淀粉含量的增加而降低，說明米糊中水分的運動能力隨著直鏈淀粉含量的增加而降低，凝膠結構對水分的束縛能力隨著直鏈淀粉含量的增加而增加。半糯性粳稻米糊對水分的束縛能力顯著強于糯性粳稻，而弱于非糯性粳稻。

與糯性粳稻相比，半糯性粳稻淀粉中的直鏈淀粉含量增加到約10%，米飯中的凝膠網絡結構對水分的水分束縛能力顯著增強。與非糯性粳稻相比，粳稻淀粉中直鏈淀粉含量進一步由10%增加到20%時，米飯對水分的束縛能力有所增強，但變化趨勢變緩。這是由于支鏈淀粉分子量大，回生能力弱，所形成的凝膠網絡結構空腔較大，凝膠三維網狀結構內部的自由水運動能力強；而直鏈淀粉分子量較小，回生能力強，能夠更快地形成質地緊密的凝膠三維網絡結構，對水分的束縛能力強[19]。米糊內部水分的運動能力主要是受直鏈淀粉含量影響的，其中受DP101～1 000的短鏈直鏈淀粉含量的影響更顯著，說明DP101～1 000的短直鏈淀粉對于直鏈淀粉回生形成凝膠網絡結構起重要作用。

2.4 米飯質構

米飯的質構特性采用硬度、彈性、黏性、平衡值評價米飯的口感，其中平衡值能夠反映米飯口感的均衡性，數值越大，黏彈性相對較好。研究發現：粳稻米飯的硬度、彈性隨著直鏈淀粉含量的增加而增加，平衡值隨著直鏈淀粉含量的增加而降低(表5)。半糯性粳稻米飯的硬度、彈性顯著低于非糯性粳稻米飯；而其米飯口感的均衡性接近糯性粳稻米飯，而明顯優于非糯性粳稻米飯。

表4 粳稻米糊中水分分布與運動性分析

表5 粳稻米飯質構分析

直鏈淀粉含量是影響粳稻米飯質構的最主要因素。Bhattacharya等[20]認為熱水不溶性直鏈淀粉是決定大米品質的關鍵參數。由于直鏈淀粉的生物合成在淀粉積累后期更為活躍，導致直鏈淀粉大多集中于淀粉顆粒表面[16,21]。因此，在蒸煮過程中，大量直鏈淀粉在初始階段能夠快速從米粒中溶出，在米飯冷卻過程中能夠形成結構更加致密的三維凝膠網絡結構，導致米飯質地變硬[22]。因此，半糯性粳稻米飯的硬度顯著低于非糯性粳稻米飯，而顯著高于糯性粳稻。

研究中還發現直鏈淀粉含量接近的粳稻米飯質地也存在較大差異，說明支鏈淀粉結構對米飯質地形成也有重要影響。Reddy等[23]認為支鏈淀粉中長B鏈的含量是決定大米質構品質更重要的因素。Ong等[24]發現長B鏈能夠與其他淀粉鏈相互纏繞，形成更為致密的結構。此外，直鏈淀粉能夠與支鏈淀粉側鏈相互作用，形成晶體結構，從而增強淀粉顆粒的耐熱性，限制蒸煮過程中淀粉的膨脹和溶出，使得米飯硬度增加[25]。此外，支鏈淀粉中較長的B2鏈與米飯彈性成顯著負相關，較短的B1鏈與米飯黏性成顯著正相關。半糯性粳稻支鏈淀粉中中等長度的B1、B2鏈含量最多，這有利于半糯性粳稻米飯獲得低彈、高黏的質地。

2.5 米飯水分運動性

進一步采用低場核磁成像分析儀(LF-NMR)分析米飯中水分的運動性，研究米飯水分運動性與其質構的關系(表6)。研究發現：米飯中存在兩種不同弛豫時間的氫質子，<10 ms處代表結合水(T21)和30～100 ms處代表自由水(T22)。與糯性粳稻米飯及非糯性粳稻米飯中水分的運動性相比，半糯性粳稻米飯中水分的運動能力顯著弱于糯性粳稻米飯，而強于非糯性粳稻米飯。當粳稻中直鏈淀粉含量增加到10%左右時，米飯中的凝膠網絡結構對水分的水分束縛能力顯著增強，當直鏈淀粉含量進一步由10%增加到20%時，米飯對水分的束縛能力有所增強，但變化幅度較小。結果表明：與非糯性粳稻相比，半糯性粳稻直鏈淀粉含量較低，所形成的凝膠網絡結構空腔較大，對水分的束縛能力較弱，米飯的硬度較低，質地較軟，口感優于非糯性粳稻。

表6 粳稻米飯中水分分布與運動性分析

3 結論

半糯性粳稻淀粉中直鏈淀粉質量分數約為10.08%，顯著低于非糯性粳稻，支鏈淀粉中含有更多中等鏈長的B1、B2鏈，平均鏈長介于糯性粳稻跟非糯性粳稻支鏈淀粉之間。與非糯性粳稻相比，半糯性粳稻米糊的回復值較低，回生能力較弱，半糯性粳稻米糊/飯具有較強的抗回生能力。此外，半糯性粳稻米糊/飯中水分的運動能力顯著強于非糯性粳稻，高直鏈淀粉含量能夠使淀粉凝膠網絡結構更加致密，導致米糊/飯質構變硬，束縛水的能力增強，而半糯性粳稻米飯質地較軟，口感明顯優于非糯性粳稻，同時也沒有糯性粳稻過分黏滯的不適口感，適合作為優質食味主糧稻米品種類型進行推廣。同時，半糯性粳稻具有不易回生、軟而不黏滯等優點，在方便米飯、中央廚房配餐等食品工業領域，也具有廣闊的應用前景。