淀粉精細結構與大米蒸煮食味品質相關性的研究進展

姚文俊，李言，錢海峰，張暉，王立

(江南大學 食品學院，江蘇 無錫，214122)

水稻是我國重要的糧食作物之一，南方地區以秈稻為主，北方地區以粳稻為主。目前，對稻米品質的評價主要包括碾磨品質、外觀品質、蒸煮食味品質和營養品質[1]，其中蒸煮食味品質指大米在蒸煮和食用過程中表現出的各種理化、感官特征，是決定消費者對大米接受程度的關鍵因素。淀粉作為大米最主要的組分，約占大米干重的95%左右[2]，前期研究通常將直鏈淀粉含量作為評價大米食用品質的唯一指標，認為直鏈淀粉的含量與大米的硬度呈正相關，與黏度呈負相關[3]。ONG等[4]報道了米飯的質構是由最長(DP 92～98)和最短(DP≤25)支鏈淀粉鏈的比例決定的，此后有研究證實，支鏈淀粉作為淀粉主要成分是造成直鏈淀粉含量相近的水稻品種間蒸煮食味品質差異的重要原因[5]。此外，多篇文獻也證實了支鏈淀粉的精細結構與晶體結構、糊化和回生特性密切相關[6-8]，最終影響水稻蒸煮食味品質。由此可見，只考慮淀粉宏觀上的表觀特性并不能全面真實地反映稻米食味品質，隨著基于淀粉理化特性和分子基團特性的新檢測方法的出現，更多的研究轉向淀粉微觀精細結構對食味品質的影響，主要包括淀粉分子大小分布、直鏈淀粉與支鏈淀粉的鏈長分布、支鏈淀粉的平均鏈長、分支化度等。

本文重點介紹了淀粉精細結構與大米蒸煮食味品質相關性的研究進展，初步分析了淀粉分子結構與大米蒸煮食味品質的構效關系，以期為開發優質大米提供指導。

1 大米淀粉精細結構及測定方法

天然淀粉顆粒是一種多結構聚集體，通?？煞譃?個結構層次[9]。第1級是從分支點開始的單個線性鏈，由脫水葡萄糖單元通過α-1,4糖苷鍵連接而成。第2級是由獨立的線性分子通過α-1,6糖苷鍵連接形成的全分支淀粉分子。第3級描述淀粉分子的構象，是由結晶區和無定形區交替堆積形成的半結晶結構[10]。第4、5、6級結構分別為生長環結構、顆粒結構、米粒結構[11]。然而，蒸煮過程會一定程度上破壞淀粉的生長環結構和顆粒結構，因此，多數研究集中在分析淀粉分子精細結構(1級和2級)對米飯食用品質的影響。

表1列出了已應用于測定大米淀粉結構的多種技術，其中淀粉分子的一級結構主要通過電泳法和色譜法獲得的鏈長分布來表征[12]，熒光輔助糖電泳(fluorophore-assisted carbohydrate electrophoresis, FACE)、高效陰離子交換色譜(high-performance anionic-exchange chromatography, HPAEC)和尺寸排阻色譜(size-exclusion chromatography, SEC)均使用酶解脫支淀粉作為分析物，FACE和HPAEC只能提供較短的、主要是支鏈淀粉鏈長分布的信息[13]，而SEC可以用來測定直鏈淀粉的鏈長分布[14]。近年來，一些研究人員利用數學模型將獲得的淀粉鏈長分布簡化為幾個具有生物學意義的參數[15-17]，為分析大米淀粉結構-性質關系提供了新的手段。用于分析全支化淀粉分子尺寸分布的技術主要包括SEC和場流分離(field-flow fractionation, FFF)[18]，尤其是非對稱場流分離(asymmetrical field flow fractionation, AF4)，AF4可與多角度激光散射(multiangle laser light scattering, MALLS)檢測器和示差折光檢測器聯用以表征淀粉分子的粒度分布[19]。傅立葉變換紅外光譜(Fourier transform infrared spectroscopy, FTIR)用于表征淀粉顆粒的短程有序度[20]，X射線衍射(X-ray diffraction, XRD)和小角X射線散射(small-angle X-ray scattering, SAXS)通常分別用于測定淀粉分子的結晶結構和片層結構。鑒于淀粉結構的多層次性以及單一檢測手段的局限性，未來需要不斷優化檢測技術，多種技術聯用以滿足深入研究淀粉精細結構與大米蒸煮食味品質相關性的需要。

表1 大米淀粉結構的測定方法Table 1 Determination methods of rice starch structure

2 大米淀粉精細結構與蒸煮品質的關系

蒸煮品質是指稻米在蒸煮過程中所表現出來的性質，主要包括糊化與熱力學特性[24]，通常使用差式掃描量熱儀(differential scanning calorimeter, DSC)與快速黏度分析儀(rapid viscosity analyzer, RVA)共同測定。DSC根據吸熱曲線得到糊化起始溫度(To)、峰值溫度(Tp)、終止溫度(Tc)、熱焓值(△H)等特征值，用來測量淀粉糊化過程中熱力學特性變化，而RVA通過獲得峰值黏度、熱漿黏度、最終黏度、崩解值、消減值、回復值等特征值表征淀粉的黏滯性[25]。

2.1 大米淀粉精細結構與糊化特性的相關性

在過量水中加熱時淀粉顆粒會吸水膨脹，一旦膨脹的顆粒達到其最大膨脹能力，顆粒將破裂并釋放其中的所有直鏈淀粉和支鏈淀粉分子，糊化的實質是結晶結構和雙螺旋結構被破壞[26]。

2.1.1 大米淀粉精細結構對糊化熱特性的影響

大米淀粉的糊化特性與大米的蒸煮食味品質密切相關，較高的糊化溫度與△H將導致米飯蒸煮困難，進而出現米飯質地較硬、適口性差的現象。研究普遍認為△H與直鏈淀粉含量呈負相關[27]，而淀粉分子精細結構在決定支鏈淀粉雙螺旋的數量和淀粉糊化△H中也起著重要作用[17]。龔波[28]對DSC糊化參數與淀粉結構參數進行了相關性分析，發現與直鏈淀粉的含量相比，直鏈淀粉的短鏈數量和△H之間具有更強的相關性。目前，有關不同鏈長直鏈淀粉在淀粉顆粒、結晶片層和無定形片層內的分布以及它們與支鏈淀粉的相互作用仍沒有明確的理論，普遍接受的觀點是直鏈淀粉主要存在于無定形區，一部分長直鏈淀粉鏈會穿插于片層結構之間，可能會與結晶片層中的支鏈淀粉鏈共結晶[12]，提高淀粉晶體結構的耐熱性，從而在米飯蒸煮過程中造成有限的淀粉膨脹和更硬的質地[29]。研究還發現中鏈直鏈淀粉的相對長度與淀粉糊化溫度范圍Tc-To呈負相關，表明當中鏈直鏈淀粉的相對長度增加時，支鏈淀粉雙螺旋排列更不均勻[28]，暗示在淀粉生物合成中更長的中鏈直鏈淀粉能夠與結晶區域中的支鏈淀粉分子形成雙螺旋。TAO等[30]的研究同樣支持了這一結論，即高直鏈淀粉大米在蒸煮過程中，較短鏈的直鏈淀粉分子比長鏈直鏈淀粉分子更容易溶出。

支鏈淀粉具有較多的分支結構，雙螺旋結構的形成及規則排列對A鏈和B鏈的長度有嚴格要求, 因而支鏈淀粉鏈長和鏈長分布的不同會造成淀粉結晶特性的差異[31], 進而影響淀粉的糊化溫度。多篇文獻報道了糯稻支鏈淀粉短鏈(DP 6～9)與To、Tp、Tc呈顯著負相關[32-33]，而ZHANG等[34]以直鏈淀粉含量相近的粳稻品種為材料，發現較高比例的長鏈(DP 13～70)支鏈淀粉會導致糊化溫度升高。支鏈淀粉結構中的短鏈(DP<10)形成的雙螺旋不能跨越整個單晶層，導致晶體結構中的缺陷；而較長的鏈(DP 12～23)通過形成跨越整個結晶片層的雙螺旋結構從而增強微晶的穩定性[35-36]。支鏈淀粉鏈長分布擬合參數和Tc之間的相關性也表明支鏈淀粉的中鏈(DP 37～69)可以形成更長的支鏈淀粉雙螺旋，從單晶片層延伸到下一個無定形片層[15]，具有更高的熱穩定性。此外，支鏈淀粉中的長B鏈可以與其他支鏈纏繞在一起，在加熱和剪切過程中保持淀粉顆粒的完整性[4]。因此，當支鏈淀粉中的短鏈所占比例較高，中、長鏈所占比例相對較低時，大米糊化溫度較高，在蒸煮時需要更長的蒸煮時間和更多的熱量。

2.1.2 大米淀粉精細結構對淀粉黏滯性的影響

利用RVA分析稻米蒸煮過程中淀粉的黏滯特性，發現不同品種(系)水稻具有特征性RVA譜。ZHOU等[37]利用改進的酶法測定支鏈淀粉的精細結構，發現A鏈與B鏈的比值與峰值黏度、崩解值呈正相關，長鏈比率更高的支鏈淀粉會產生更強的分子間作用力以抑制淀粉的膨脹，導致蒸煮品質變差；同時支鏈淀粉的長支鏈有助于形成穩定的晶體構象，使淀粉顆粒結構維持在膠稠化狀態，抑制了大米淀粉糊黏度的下降，崩解值降低，米飯質地較硬。此外，周慧穎等[38]報道了支鏈淀粉的平均鏈長、平均外鏈長與糊化溫度呈正相關，與峰值黏度、崩解值呈負相關。張貴鳳[39]研究發現稻米支鏈淀粉的平均鏈長越長，膠稠度越硬，峰值黏度越低，熱漿黏度越高，導致淀粉不易糊化，由此可見支鏈淀粉的平均鏈長和長短鏈的比例在決定大米蒸煮品質方面同樣發揮了重要作用。

2.2 大米淀粉精細結構與回生特性的相關性

淀粉回生是糊化后的淀粉在降溫過程中，糊化的無定形淀粉分子以氫鍵重新排列組合最終形成趨于結晶的結構，本質是淀粉分子鏈的重結晶，表現出黏度增加、凝膠變硬、質構陳化的特點[40]。淀粉回生可以分為短期回生和長期回生2個階段，短期回生主要是由直鏈淀粉分子的有序聚合和結晶所引起的，最有可能發生在米飯食用之前；而長期回生主要是支鏈淀粉外側短鏈重排結晶的結果[41]，一般會持續幾周，決定了淀粉老化的最終程度[42]。

2.2.1 大米淀粉精細結構對回生速率的影響

淀粉分子的精細結構(鏈長分布和分子大小分布)已被證明是決定淀粉回生特性的重要因素[17]。趙春芳等[43]報道了支鏈淀粉B1鏈比例降低而A鏈比例增加的半糯粳稻具有更高的膠稠度和米粒延伸性，更低的消減值和最終黏度，表明較多的A鏈和較少的B1鏈可能共同抑制了淀粉的回生，增加了米膠的流淌度，使米飯質地更柔軟。LI等[44]利用RVA測得的消減值和質構分析儀測得的水凝膠硬度表征了淀粉的短期回生過程，發現支鏈淀粉和直鏈淀粉分子都參與了短期回生，相關性分析表明無論直鏈淀粉含量如何，具有相對較短的直鏈淀粉短鏈、相對較長的支鏈淀粉中長鏈(DP> 69)的大米淀粉能促進米飯的短期回生速率，使米飯硬而不黏，可見淀粉的精細結構能夠通過控制重結晶速率進而影響米飯的食味。MARTINEZ等[45]報道了支鏈淀粉分子較小，支鏈淀粉A鏈和B1鏈較長的淀粉在長期回生的過程中通常形成更多的分子間氫鍵，由此可見支鏈淀粉分子尺寸的降低或外鏈數量的增加能夠加強分子的流動性和進一步的回生速率。

2.2.2 大米淀粉精細結構對回生熱特性的影響

VAMADEVAN等[46]研究發現支鏈淀粉的外鏈長度和簇內相鄰構造單元之間鏈段的長度均與重結晶支鏈淀粉熔融參數Tc、Tc-To和△H之間有很強的相關性，這表明支鏈淀粉結構的外部和內部屬性是淀粉回生特性的共同決定因素，長的外部鏈段有助于形成長而穩定的雙螺旋結構，而長的構造單元組間的鏈段能夠促進支鏈淀粉鏈更靈活地排列、相互作用形成雙螺旋，提高淀粉的熱穩定性。此外，直鏈淀粉精細分子結構對回生淀粉凝膠網絡的微觀結構有重要影響[17]，相關性研究表明相對較小的直鏈淀粉分子，較多的直鏈淀粉短、中鏈和較短的直鏈淀粉中鏈將形成更細密的凝膠基質[47]，由于凝膠基質內部空間有限，抑制了回生支鏈淀粉微晶的有序化；而相對較短的中、長鏈直鏈淀粉有助于形成更有序的支鏈淀粉雙螺旋，使淀粉具有較高的Tc。值得注意的是，淀粉結構參數與糊化和回生特性之間的相關性表明直鏈淀粉和支鏈淀粉的鏈長分布不是單獨影響這些特性的，例如LI等[40]研究發現直鏈淀粉長鏈和支鏈淀粉短鏈的含量與回生淀粉的熔融溫度(Tp和Tc)和△H呈正相關，最低黏度與直鏈淀粉短鏈、支鏈淀粉中長鏈的相對長度呈正相關，崩解值與直鏈淀粉中鏈的相對長度以及支鏈淀粉中、長鏈的數量呈正相關，暗示直鏈淀粉和支鏈淀粉分子的精細結構在決定淀粉糊化和回生特性中起到聯合作用，今后的研究需要綜合考慮這2方面的影響。

3 大米淀粉精細結構與食味品質的關系

米飯的食味品質是指對米飯的氣味、外觀、適口性等感官指標的綜合評價，米飯的質構特性對其食味品質至關重要[12]，可以直接反應米飯的適口性(硬度、黏性、彈性等)。直鏈淀粉含量與質構有很好的相關性[48]，直鏈淀粉含量高的大米質地更硬，黏性更小，但無法解釋直鏈淀粉含量相近的水稻品種食味品質的差異，淀粉精細結構與質構特性的相關性研究提供了新的見解。

3.1 大米淀粉精細結構對硬度的影響

LI等[49]報道了DP 100～20 000的直鏈淀粉鏈和長支鏈淀粉鏈的數量與硬度呈正相關，而DP<70的支鏈淀粉鏈和直鏈淀粉分子大小均與硬度呈負相關，發現直鏈淀粉分子較小、直鏈淀粉長鏈比例較高的大米蒸煮后質地較硬。一方面，直鏈淀粉通過與結晶片層中的支鏈淀粉鏈共結晶，限制了蒸煮過程中淀粉顆粒的膨脹程度和直鏈淀粉分子的熱溶出，導致米飯硬度增大。另一方面，較小的淀粉顆粒意味著較大的比表面積，有助于增強淀粉顆粒的親水性和膨脹性[50]。支鏈淀粉的鏈長分布通過影響糊化溫度與凝膠特性也會進一步影響米飯硬度，支鏈淀粉的長B鏈能和直鏈淀粉分子形成雙螺旋結構[51]，降低米粒的吸水能力，還可以與大米中的其他成分，如蛋白質、脂肪和非淀粉多糖相互作用[4]，形成致密的結晶區，從而限制水分的遷移和淀粉顆粒的膨脹，導致較硬的質地。

3.2 大米淀粉精細結構對黏性的影響

煮飯過程中溶出淀粉的結構特征(分子大小和鏈長分布)對米飯的黏性至關重要。TAO等[30]對高直鏈淀粉水稻品種的研究發現DP 25～53的支鏈淀粉溶出量與黏度呈顯著負相關，推測是由于支鏈淀粉的長鏈分支相互纏繞、互穿，產生更大的黏性阻力使米飯黏性降低，而具有較小分子尺寸和更短支鏈(DP40)的支鏈淀粉分子優先溶出，可以歸因于其具有更大的流動性，維持淀粉顆粒完整性的能力不如長鏈支鏈淀粉，在蒸煮過程中通常更松散、更易溶出。LI等[52]研究證實加熱過程中溶出淀粉的結構特征受熱力學效應控制，對于非糯米品種，較小的支鏈淀粉比直鏈淀粉分子更容易從淀粉顆粒和米粒中溶出，導致滲濾液中直鏈淀粉含量較低，使大米具有更高的黏度，這也支持了直鏈淀粉分子可能跨越多個結晶-無定形片層并與支鏈淀粉分支共結晶的觀點。綜合來看，控制米飯黏性的主要結構參數包括溶出支鏈淀粉的總量、短支鏈淀粉的比例和支鏈淀粉的分子大小[53]，當溶出支鏈淀粉分子數量、短鏈比例和分子尺寸增大時，米粒表面分子間相互作用更強，導致淀粉顆粒和質構儀的探頭之間的黏附力和脫附阻力增大[12]，即產生更高的黏性。

3.3 大米淀粉精細結構對黏彈性的影響

在蒸煮過程中，水分從細胞間隙進入米粒內部與淀粉發生水合作用，導致淀粉從米胚乳組織中溶出并在米粒表面形成大小不等的孔洞[54]，水分逐漸蒸發后溶出淀粉被重新吸附在熟米的表面形成米飯的保水膜。楊柳[54]研究發現溶出固形物的結構及其形成的保水膜與大米食味品質密切相關。麻榮榮等[55]對溶出固形物中淀粉側鏈分布分析發現軟米溶出固形物中高含量的短鏈(DP 6～12)支鏈淀粉在蒸煮后期能夠迅速地遷移回填至表面孔洞內，并通過氫鍵與直鏈淀粉分子形成三維網狀結構，有利于在表面形成高黏彈性的保水膜;而軟米溶出淀粉中支鏈淀粉B1、B2、B3鏈的含量均低于粳米，較高的短鏈比例和較低的長鏈比例抑制了淀粉與其他組分的相互作用，有利于軟米中固形物的溶出，使軟米口感更加柔軟黏彈。LI等[56]還報道了支鏈淀粉分子大小在決定大米淀粉凝膠黏彈性中具有重要作用，在加熱過程中大的支鏈淀粉分子往往會限制長鏈直鏈淀粉從淀粉顆粒中溶出，而支鏈淀粉小分子使長直鏈淀粉更容易從淀粉顆粒中溶出，在連續相中通過回生作用相互交聯形成更強的凝膠網絡。

4 結論與展望

大米是最重要的主食之一，隨著生活水平的提高，消費者在挑選大米時越來越注重米飯的蒸煮食味品質。近年來的研究從宏觀上直、支鏈淀粉含量對食味品質的影響向微觀上淀粉的精細結構與大米蒸煮食味品質相關性的方面轉變，并旨在相關性分析的基礎上深入探討結構-品質的構效關系與分子機制。目前的研究仍然存在著以下問題：大米淀粉結構與蒸煮食味品質間的關系研究不夠系統，對淀粉精細結構的研究多停留在一、二級分子精細結構上，更高級結構對大米品質的影響有待深入研究；相對于直鏈淀粉而言，支鏈淀粉的結構更難精確測定，缺少準確而高效的測定方法，導致不同學者采用不同的結構檢測方法時得出的結論并不完全一致；除了大米淀粉分子之間的相互作用，大米中淀粉、蛋白質和脂肪之間的相互作用對淀粉精細結構和食味品質的影響尚需進一步研究分析；加熱糊化會改變淀粉結構，已有研究利用原位SAXS實現了對糊化過程中大米淀粉片層結構動態變化的實時監測[57]，但有關蒸煮過程中淀粉精細結構的變化對米飯蒸煮食味品質影響的研究尚且較少。未來需要不斷地開發與完善淀粉精細結構相關的檢測技術和實驗方法，多種檢測手段相結合，系統地揭示大米淀粉各層級精細結構對米飯蒸煮食味品質的影響機理，研究建立大米蒸煮食味品質的預測評價模型，為優質大米的選育和新型大米制品的開發提供理論依據。