◎李興軍 韓 旭 王 昕

稻谷貯藏蛋白與米飯質地研究

◎李興軍 韓 旭 王 昕

稻谷主要貯藏蛋白是米谷蛋白，占總蛋白含量的80%，醇溶蛋白占百分之幾。本文就稻谷貯藏蛋白的類型、穎果內沉積、提取方法及理化定性進行回顧與綜述，同時重點討論了貯藏蛋白影響大米糊化和米飯質地的機理，提出稻谷貯藏蛋白研究的熱點方向。

稻谷 大米 谷蛋白 醇溶蛋白 蛋白質組學

稻米是世界半數人口的大宗食物，主要提供能量和蛋白質。與小麥比較，稻谷貯藏蛋白的功能特性近年研究有進展。稻谷主要貯藏蛋白類似豆類和其它雙子葉植物的11S球蛋白 （legumins），醇溶性蛋白只是其微少的成分。稻谷貯藏蛋白基本是谷蛋白 （glutelin），屬于球蛋白家族，而小麥、大麥和黑麥是醇溶蛋白，屬于麥醇溶蛋白家族[1]。貯藏蛋白質之間共價和非共價相互作用引起結構差異，導致大米水合的蛋白復合物的大小分布不同于小麥，稻谷中聚合蛋白成分與單聚物強烈相互作用，聚合物的鏈長小于小麥，米粉團粘彈性質量低于小麥，但是小麥質量評價的面團試驗方法適合定性米粉團 （Gujral and Rosell 2004）。本文對稻谷貯藏蛋白的提取定性及功能研究進展，以期對我國稻谷儲藏及加工有指導意義。

一、稻谷蛋白含量與貯藏蛋白類型

稻谷蛋白含量范圍在6%-9%，品種之間有差別。蛋白含量受氣候、農藝條件所影響[2]。施用氮肥增加稻谷蛋白含量，在抽穗期噴灑硫酸銨溶液，蛋白含量從6%增加到10%；施用尿素，蛋白含量僅略增加[3]。稻谷蛋白質在籽粒中分布不均勻，在麩皮和胚乳外周濃度較高，接近籽粒中心則含量減小。拋光的大米比糙米蛋白含量低，加工的大米還大約保持了原有蛋白的82%。

按照 Osborne對谷物貯藏蛋白分類方法，Cagampang等 (1966)對脫殼和拋光的3個稻谷品種蛋白 （含量6.8-8.5%）分析表明，水溶性蛋白（清蛋白）占總蛋白的3.8-8.8%，鹽溶性蛋白（球蛋白）占 9.6-10.8%，醇溶性蛋白占 2.6-3.3%，堿溶性蛋白 （谷蛋白）占66.1-78.0%。也常用變性劑SDS和還原劑 （DTT、2-ME）提取稻谷谷蛋白。稻谷谷蛋白氨基酸組成較醇溶蛋白平衡，醇溶蛋白缺乏賴氨酸和色氨酸。與其它谷物比較，稻谷谷蛋白含量雖低，卻是其品質好于其它谷物。

有生物活性的稻谷清蛋白分子量范圍較寬，10-20 kDa（Juliano 1985）。球蛋白組由四類球蛋白α、β、γ、δ組成，表觀分子量范圍16-200 kDa[4]。醇溶蛋白在稻谷胚乳中的含量是 18-20%[5]。根據電泳遷移率，區(qū)分的稻谷醇溶蛋白的3種亞基表觀分子量分別是10、13和16 kDa（Ogawa等1987），只有亞基13 kDa在沒有還原劑的情況下溶解于乙醇，而含半胱氨酸多的其它兩種亞基能夠形成長的聚合物，溶解時需要還原（Hibino等1989）。

稻谷谷蛋白亞基能夠形成巨型的高分子復合物，被二硫鍵和疏水相互作用所穩(wěn)定 （Utsumi 1992）。除了氫鍵和二硫鍵外，大量的聚合作用（Sugimoto等1986）和糖基化作用 （Wen和Luthe 1985），導致稻谷聚合的谷蛋白層分不溶于水限[6]。稻谷谷蛋白以前體57 kDa多肽合成后，轉錄時切成兩種亞基α（酸性）和β（堿性）亞基，表觀分子量各是30-39和19-25 kDa（Juliano 1985）。這兩個亞基通過分子間二硫鍵共價連接在一起，導致谷蛋白分子量變化范圍64～500 kDa。這種高度有序的結構解釋了稻谷谷蛋白缺乏功能特性。

至今鑒定了6個稻谷谷蛋白基因，按照核苷酸序列相似性將它們分為A-和B-型谷蛋白亞家族[7]。A-和B-型谷蛋白分別有8個和5個半胱氨酸殘基，其中4對半胱氨酸形成兩類二硫鍵，一類是α和β多肽之間形成分子內二硫鍵，另一類是α多肽內形成二硫鍵。

二、穎果內貯藏蛋白定位

關于水稻貯藏蛋白在穎果內積累，Kim等（1986）報道，水稻花后3-8天蛋白顯著積累，增加32、21、15 kDa條帶。Udaka等[8]報道，稻谷胚乳在花后5-7天積累谷蛋白，花后7-9天積累醇溶蛋白。SDS-PAGE分析表明，醇溶蛋白是15 kDa的單肽，谷蛋白兩個亞基α和β各是32和21kDa（Zhao等1983）。醇溶蛋白和谷蛋白的物理化學特性在古代水稻與現代水稻品種之間類似。不過，Udaka等 [8]觀察到醇溶蛋白類型對古水稻Kuro-mochi品種是15 kDa多肽，對古水稻Tsushimazairai品種包括15和13 kDa。Ogawa等[9]對紅粒稻米Nihonsakari品種觀察到醇溶蛋白三個亞基各是10、13、16 kDa。還需要分析醇溶蛋白是單聚物還是多聚物？

現有的稻谷醇溶蛋白的報道表明，這類蛋白許多特性如分子量、氨基酸序列等，不同于大多數其它谷物的醇溶蛋白。稻谷醇溶蛋白和谷蛋白在籽粒的不同蛋白體中沉積[10]。按照蛋白體來源，水稻有兩類蛋白體 （PB），內質網來源的PB-I含有醇溶蛋白，占大米總蛋白的20%；液胞PB-II含有谷蛋白和球蛋白，占總蛋白的60%。按照形狀，Bechtel和 Pomeranz （1978）鑒定了晶體型、小球形和大球形3種蛋白體。稻谷胚乳中心區(qū)域僅含有大球形蛋白體，整個胚乳組織無數小球形蛋白體，而大球形蛋白體最少。Tanaka等（1980）觀察到大球形蛋白體在透射電子顯微鏡下顯示離心環(huán)，它是醇溶蛋白和谷蛋白的沉積位點；小球形蛋白體內基本上是谷蛋白，分布遍及淀粉胚乳。在蒸煮過程中蛋白體能夠保持原樣，大球形蛋白體對消化酶有抗性，降低了蛋白質的消化率。這沒有成為一個營養(yǎng)問題，由于稻谷蛋白的生物價隨著蛋白消化率降低而增加，凈蛋白利用率與其它谷物蛋白接近，不消化的蛋白是一部分醇溶蛋白 （Tanaka等1978）。

稻谷胚乳中沒有發(fā)現基質蛋白 （Harris and Juliano 1977），這是水稻區(qū)分于其它谷物種類。其它谷物中，大量的蛋白以顆粒之間的基質形式存在?？山忉尀?，稻谷胚乳中蛋白體之間連接的蛋白微纖絲，形成一個網絡，在電子顯微鏡下難以觀察到。已經鑒定了一個淀粉粒聯合的60 kDa蛋白，也叫蠟質基因產物，包埋在淀粉顆粒中[11-12]。這個蛋白是淀粉合成酶 （GBSS），與直鏈淀粉含量相關。

三、稻谷貯藏蛋白提取方法、理化特性及氨基酸組成

（一）分離方法

廣泛研究了稻谷蛋白質的提取。Shewry和Miflin （1985）認為稻谷醇溶蛋白提取率，50%的丙醇>55%異丙醇>60-70%乙醇。Sugimoto等（1986）表明，5種醇水溶液中，55%丙醇提取水稻醇溶蛋白最有效。15 kDa亞基對應醇水溶液提取的醇溶蛋白。Udaka等[8]采用4種醇的水溶液對5個古水稻品種和5個現代品種提取醇溶蛋白。55%丙醇提取最有效，提取3.3-7.8%的總蛋白。55%的叔丁基－丁醇提取2.6-4.9%的總蛋白。70%乙醇和60%的異丙醇提取稻谷醇溶蛋白最不高效。他們采用不同試劑提取稻谷谷蛋白，發(fā)現0.1%NaOH、2%SDS、2%SDS+0.5%2-ME、2% SDS+5M尿素+0.5%2-ME均能夠提取87%以上的谷蛋白，其中2%SDS+5 M尿素+0.5%2-ME對提取谷蛋白最有效，加入2-ME稍微提高。谷蛋白層分通常包含淀粉，在尿素存在下淀粉與谷物樣品發(fā)生凝膠化，導致谷蛋白難以提?。↗uliano和Boulter 1976）。

采用堿液溶解稻谷谷蛋白并加入巰基乙醇打破二硫鍵，或堿性提取緩沖液中加入6-8M尿素或0.5%SDS （Snow and Brooks 1989）。0.05%乙酸和5M尿素不能夠提取谷蛋白。8M尿素解離谷蛋白多肽不是特別有效。2%SDS加到10 mM Tris-HCl溶液 （pH 8.5）可以提取谷蛋白。

Van Der Borght等[14]對一個粳稻品種提取胚乳蛋白，2%SDS提取64%的蛋白，加入6 M尿素提取率達到79%。采用20-100 mM NaOH溶液，提取70-81%的蛋白。最佳的蛋白提取率2%SDS +6.M尿素+0.5-1.5%DTT。0.1%NaOH比2%SDS提取谷蛋白高效，但是引起蛋白降解。堿液提取期間谷蛋白構象發(fā)生改變。在高濃度堿液，由于電荷排斥谷蛋白解離為亞基；蛋白質被修飾導致解聚集、分子量減少而變得可溶 （Shewry and Miflin 1985,Hamada 1997）。可見，分離和溶解大米谷蛋白的高效方法還沒有建立。定性大米蛋白需要了解其溶解的分子基礎。

對米糠蛋白，強烈的解離溶液是0.1M乙酸+ 3.0 M 尿素+0.01 M 溴化十六烷基三甲基銨（CTAB），可提取蛋白67-94%[13]。

（二）理化特性

Li和 Okita （1988）從水稻品系M201分離的基因編碼15 kDa的醇溶蛋白。古水稻和現代水稻均具有 15 kDa的醇溶蛋白。 Horikoshi等（1991）電泳時表明，粳稻日本晴 15 kDa的醇溶蛋白 5個條帶的p I各是5.6、7.1、7.3、7.6和7.8。Ukada等 [8]對Akita-kura稻谷品種醇溶蛋白SDS-PAGE條帶純化，隨后二維電泳發(fā)現幾個條帶p I在5.5-6.5。古水稻和現代水稻的谷蛋白由兩個亞基α和β組成。谷蛋白的二維電泳表明，兩個21和32 kDa條帶分別是酸性和堿性多肽。古水稻黑粒和紅粒大米的總蛋白與兩種貯藏蛋白含量之間有相關性，醇溶蛋白回收率3.0%-7.8%，總蛋白則6.9%-11.4%；12個古水稻品種的醇/谷蛋白比率是4.9：78.1?，F代水稻與古水稻蛋白含量幾乎一樣。

采用凝膠過濾層析分析稻谷谷蛋白分子量分布，Tecson等 （1971）采用Sephadex G-200層析，還原和烷基化作用導致谷蛋白部分解離為亞基，獲得了完整谷蛋白1/10分子量的層分 （MW 65 kDa）。Villareal和Juliano (1978)在Ultrogel 44柱分離稻谷谷蛋白，效果不佳，在Ultrogel 34再次層析獲得均一的亞基。Snow和 Brooks (1989)采用Sepharose CL-6B凝膠過濾層析分離稻谷粗蛋白提取物，洗脫的4個層分沒有完全分辨，MW范圍較寬。將陰離子交換和凝膠過濾結合，Zarins和Chrastil(1992)分離了谷蛋白33、22、14 kDa三種亞基。Hamada等[13]在ShodexProtein WS-2003層析分離米糠蛋白，重復性好，測定了表觀分子量分布，深入層析和定性了單一多肽，但是沒有獲得分辨很好的峰。Katsube-Tanaka等[7]采用Sephacryl S-300HR分離低分子量聚合的谷蛋白。Van Der Borght等[14]采用Shodex Protein KW-80凝膠柱層析獲得6個峰。峰I、II是谷蛋白α和β亞基形成的二聚物、三聚物或高級聚合物；峰III是谷蛋白α和β亞基通過分子間二硫鍵形成的二聚物；峰IV和V分布是谷蛋白α和β亞基；峰VI含有低分子量的清蛋白、球蛋白及醇溶蛋白。高分子量谷蛋白聚合物在還原條件時發(fā)生部分解離。總之通過凝膠過濾分離稻谷谷蛋白多肽，分離α和β亞基不高效。

綜上所述，采用不同的方法分析稻谷蛋白，分離的層分含有重疊的數量不同成分，而不是分離成為單一成分。采用還原劑如DTT、2-ME或化學試劑如SDS、尿素處理，改變谷蛋白的聚合行為，它們被分解成亞基，這些亞基通過SDSPAGE或者反向高效液相色譜進行分離。完整的和還原稻谷蛋白分子量的分布采用粒度排阻色譜（SE-HPLC）定性。

（三）氨基酸組成

表1 稻谷貯藏蛋白中氨基酸組分含量 （mol%）

注：稻米數據引自Shew ry（2007）；黑粒和紅粒古水稻引自Udaka等 （2000）。

Horikoshi等 （1991）表明，日本晴粳稻品種醇溶蛋白含有 131個氨基酸，分子量14930。Ukada等[8]分析表明，古水稻醇溶蛋白中高含量氨基酸有谷氨酸+酰胺、丙氨酸及亮氨酸，低含量氨基酸是賴氨酸、含硫氨基酸。黑粒和紅粒古水稻貯藏蛋白之間氨基酸組成沒有差異 （表1）。古水稻品種之間給定氨基酸含量最高值與最低值比較，醇溶蛋白比谷蛋白的差異大。在醇溶蛋白中，最高值與最低值差異30%的10種氨基酸是甲硫氨酸、半胱氨酸、賴氨酸、酪氨酸、蘇氨酸、脯氨酸、甘氨酸、天冬氨酸+酰胺、甘氨酸、亮氨酸。在谷蛋白中，最高值與最低值差異30%的4種氨基酸有脯氨酸、蘇氨酸、酪氨酸及賴氨酸。除過甲硫氨酸和半胱氨酸，其它11個氨基酸平均差異14%。甲硫氨酸和半胱氨酸均占谷蛋白的0.1-0.3 mol%。稻谷醇溶蛋白中的賴氨酸含量，高于其他谷物醇溶蛋白中的賴氨酸含量（Shewry 2007）。

四、貯藏蛋白與稻谷陳化

（一）儲藏中稻谷品質劣變

儲藏過程中稻谷品質劣變 （陳化）的分子生理機制尚不清楚。稻谷質地特性在收獲后數月中發(fā)生顯著地變化。新收獲的大米蒸煮時是粘性、糊狀的，儲藏幾個月后則變得不粘、片狀化。這些變化歸屬稻谷籽粒內發(fā)生了多種物理化學變化，大多數這些變化是經驗結論。常見大米品種蛋白質含量約7%，且浮動不大，蛋白質含量不是品質的指示指標。韓國主產的六種稻谷品種(Chucheongbyeo，Nampyeongyeo, Ilpumbyeo, Ilmibyeo, OdaebyeoHwayeoungbyeo)在5℃、15℃和25℃儲藏12個月后基于儲藏溫度，在儲藏期間稻谷品種間蛋白質含量的變化相似。這個結果與Tran等 （2005）發(fā)表的相一致，即五個大米品種在5℃和25℃儲藏超過10個月，蛋白質含量沒有變化。

大米品質評價中忽略蛋白質結構與類型的影響，由于稻谷蛋白質以蛋白體形式存在，介質蛋白質很少 （Harris and Juliano 1977）。成熟米粒中保持完整的蛋白體影響米飯品質不符合邏輯，由于它們從胚乳成分中分離；可以設想少量的介質蛋白或淀粉粒相關的蛋白影響米飯黏彈性。分析蛋白質在陳化中的作用，許多研究檢測巰基（SH） 含量和二硫鍵的變化[15-16]。Moritaka和Yasumatsu (1972) 采用粉質儀 （Brabender farinograph）測定米粉的稠度，加入氧化劑時米粉稠度增加，在氧化環(huán)境中形成二硫鍵，從游離巰基釋放H2S。與40℃儲藏比較，5℃儲藏稻谷蒸煮米飯香味成分中H2S含量大，即低溫延緩稻谷陳化。40℃儲藏期間游離巰基減少，二硫鍵增加，抑制淀粉粒的膨脹，導致米飯不粘、變硬。新收獲的稻谷約40%的總半胱氨酸是氧化態(tài) （二硫鍵），在40℃儲藏12個月則60%的總半胱氨酸是氧化態(tài)[17]。Hamaker and Griffin (1990)在米飯蒸煮水中加入5 mM DTT顯著增加米飯粘度，對中短米粒米飯粘度的影響大于長粒米，在米粉中加入還原劑切開二硫鍵或蛋白酶，Brabender粘度峰值降低，而分離的大米淀粉不受影響。于是認為大米蛋白的結構影響米飯質地。稻谷收獲后前幾個月期間，Brabender粘度增加，部分原因是形成二硫鍵 （Indudhara Swamy等1978）?？梢姡竟汝惢陂g通過兩個半胱氨酸基團的氧化，或通過巰基和二硫鍵的交換反應，形成二硫鍵蛋白復合物，限制糊化期間淀粉粒的膨大，這樣影響質地。

Chrastil和Zarins （1992）報道，中粒和長粒稻谷儲藏期間二硫鍵數目增加。中粒稻谷的谷蛋白 （Oryzenin）儲藏前含有0.2%巰基 （SH），儲藏后僅含0.14%SH。長粒稻谷Oryzenin也呈現相似的趨勢。儲藏過程中兩種稻谷低分子量多肽減少，高分子量多肽增加。由儲藏引起的Oryzenin多肽亞基分布的這些相對變化，較整個Oryzenin分子平均分子量的變化小 （儲藏期間幾乎加倍）。多肽亞基成分的這些變化，對儲藏期間整個Oryzenin表觀分子量的增加起重要作用。大米儲藏期間游離氨基酸含量增加，蛋白質的溶解性降低，清蛋白溶解性降低最多 （Zhou等2001）。儲藏7年期間，大米的乙酸可溶性蛋白減少（Bolling 1978）。

（二）蛋白含量與米飯質地

早期的研究集中在籽粒主要成分淀粉對大米物理化學特性的影響，尤其是直鏈淀粉和支鏈淀粉的長B-主鏈決定了蒸煮大米的糊化和質地特性。第二大成分蛋白質對米飯食用品質報道較少。在二十世紀60年代，認為大米籽粒成分，而不是淀粉，影響米飯蒸煮的粘性。淀粉體積能膨大64倍，蒸煮米飯不能膨大到這個程度，由于包圍淀粉粒的蛋白和細胞壁抑制胚乳的膨脹。Primo等（1962）認為籽粒外圍蛋白含量影響米飯質地。與蛋白含量低的大米比較，蛋白含量高的大米米飯硬而難嚼。Oňate等 （1964）分析了3個稻谷品種，每個品種取自蛋白質含量差異的兩個試驗小區(qū)，認為與蛋白含量顯著差異相關的感官指標有風味、嫩度及粘性，低蛋白含量的稻米更加有風味、嫩度及粘性。蛋白質含量不影響色澤、香味、直鏈淀粉含量。Juliano等1965年研究，在同樣蒸煮水中，同樣品種低蛋白含量的樣品較高蛋白含量的樣品更嫩、更粘、更有風味。同一品種內樣品的直鏈淀粉含量是基本一樣的。品種之間米飯質地的差異不能夠以蛋白質含量來解釋。Taichung 65品種具有高蛋白含量和中等直鏈淀粉含量，粘性感官得分低在于其蛋白含量。美國大米品種粗蛋白含量相似，它們之間的質地差異不能完全被蛋白質含量所解釋。美國南部中心大米品種蛋白質含量高于加州地區(qū)同樣品種蛋白質含量，而且質地有差異。蛋白質含量僅部分解釋這個現象。直鏈淀粉含量相似的大米品種糊化和質地特性差別很大 （Champagne等1999）。米粉與大米淀粉amylograph粘度之間的差異說明除過直鏈淀粉外的其他成分影響米粉蒸煮特性 （Singh等2000）。

米飯蒸煮時間與蛋白含量呈現正相關關系（Chakrabarthy and Dwarakanath 1972）。高蛋白含量大米樣品較低蛋白含量大米水分吸收少，較多的蛋白在淀粉粒周圍形成一層厚障礙，延緩了淀粉粒吸收水分。

抽穗期間施用氮肥影響蛋白含量和蒸煮大米質地。Yanase等 （1984）對不同程度施用氮肥的16個稻谷品種質地測定表明，高蛋白含量的稻米蒸煮時通常不粘，糙米蛋白含量與大米蒸煮粘性之間的相關系數是-0.561(在5%水平達到顯著水平)。Tamaki等 （1989）發(fā)現，抽穗期間葉噴硫酸銨 （2 g氮/盆），水不溶蛋白或貯藏蛋白增加了3-4% （蛋白從6%增加到 10%）。利用Foods-Zenken質地測定儀分析，當蛋白含量從6%增加到10%，蒸煮稻米咀嚼度是直線增加的。當蛋白含量從6%增加到8.5%，粘度和質地風味指數（粘度×咀嚼度）增加到最大值，接著隨蛋白含量從8.5%增加到10%它們由最大值減少。高蛋白含量的大米蒸煮較難咀嚼、粘性低，而低蛋白含量的大米比中等蛋白含量的大米較軟、不粘。

稻谷穎果發(fā)育期間米飯質地特性的變化與蛋白質含量相關。Tamaki等 （1989）發(fā)現，抽穗后15到50天稻谷蛋白百分率減少約0.75%，蒸煮期間淀粉膨脹受水不溶蛋白、直鏈淀粉及淀粉脂肪抑制，造成質地差異。當稻谷達到成熟時，蒸煮大米變得更粘、易咀嚼。蛋白質含量通常與蒸煮米粉的粘度負相關，但是它對硬度有正效果[18-19]。認為蛋白質可能通過限制糊化淀粉粒的膨大調控淀粉的膨脹。

（三）米粉糊化和質地

Hamaker和Griffin[20]加入還原劑2－ME到煮飯水切開二硫鍵，打破蛋白質的結構。對直鏈淀粉低含量、粘性稻谷，粘度極大增加。當還原劑加入到米粉-水漿中,布氏連續(xù)黏度圖（Brabender amylograph）曲線較低，當用蛋白酶處理時也類似地較低。Martin和 Fitzgerald[21]報道，采用蛋白酶去除米粉蛋白，RVA曲線輪廓全部降低，沿著曲線所有點粘度降低。米粉中加入DTT切開了蛋白質中二硫鍵連接降低米粉懸浮液粘度曲線，作用類似蛋白酶處理。Derycke等[19]在米飯蒸煮水中加入DTT，幾乎對所有米飯增加粘度、減少硬度。這說明存在蛋白質障礙物和蛋白質的水合作用一起影響米飯粘度曲線，確定了蒸煮米飯的質地。Xie等[22]發(fā)現蒸煮水中加入DTT，對蠟質大米米飯粘度顯著減少；對非蠟質大米米飯則保持不變；兩種米飯的質地變軟。這說明二硫鍵連接的網絡蛋白在蒸煮米飯的質地中起重要作用；直鏈淀粉障礙物的加強是負責米飯粘度的一個重要因素。在高剪切力存在下蛋白結構打破之后觀察到較低的粘度，認為是由于膨脹淀粉粒的脆性增加。淀粉粒相關的蛋白轉遞強度到糊化淀粉顆粒，通過減少直鏈淀粉分子漏出或者通過物理作用緊密結合淀粉粒。

將還原和非還原條件下測定的米粉糊粘度聯系到膨大淀粉粒的潰敗，說明蛋白質賦予糊化淀粉粒一定程度的強度或剛性 （Hamaker and Griffin 1993）。在蛋白質結構被打破后，Brabender粘度減少。然而，當以前糊化的米粉糊采用低剪切率的粘度計 （Brookfield Viscometer） 或稠度計（Bostwick Consistometer）測定時，在還原試劑存在下米粉糊粘度增加。這表明，在與淀粉粒結合的正常二硫鍵蛋白網絡缺乏情況下，淀粉粒膨大到較大的程度，產生粘性更大的米粉糊。但是Brabender amylography中存在大量的剪切，膨大的糊化淀粉粒更易潰敗，導致米粉糊粘度較低。利 用 流 變 儀 （Carri-Med Controlled Stress Rheometer）試驗表明，當還原劑存在時，在較低程度脅迫下糊化米粉糊的結構發(fā)生潰敗。這些研究表明，特定的蛋白質影響大米粉淀粉粒的糊化特性，這直接相關于全谷物蒸煮米飯的質地特性。需要定性這種特定蛋白質－淀粉的關系。這種特定蛋白負責質地變化，可以通過育種或加工技術調節(jié)米飯質地。

（四）貯藏蛋白影響質地特性的機理

了解大米蛋白質如何影響米飯或米粉糊的質地特性，早期的理論解釋是模型系統(tǒng)中谷蛋白（glutelin或oryzenin)與淀粉的分子聯合，以及淀粉粒聯合的蛋白與淀粉凝膠化的關系。

1.淀粉－谷蛋白模式系統(tǒng)：Chrasti （1990）發(fā)現，蒸煮米飯的粘性與oryzenin對淀粉、直鏈淀粉及支鏈淀粉的結合比率成正相關。利用分離的淀粉、直鏈淀粉與無淀粉的oryzenin在模式系統(tǒng)中測定 Oryzenin/淀粉摩爾結合比率，與oryzenin吸收光譜比較，在淀粉存在下oryzenin吸收光譜存在差異。中粒和長粒稻谷及其分離的組分，在4℃和40℃儲藏 12個月測定蒸煮物的粘度，粘度排序是新收獲的中粒大米中最高，其次是儲藏在4℃、40℃的大米。這說明谷蛋白對米飯粘性有顯著影響，試圖了解米飯質地的生化基礎及改善方法。

水稻谷蛋白缺乏突變體LGC1顯著積累醇溶蛋白，胚乳總蛋白水平與正常稻谷沒有差異 （Iida等1993，1997）。Baxter等[23]報道醇溶蛋白顯著地影響稻谷米粉的糊化和質地特性。高醇溶蛋白含量相關于顯著高度潰敗粘度，但是減低米粉形成凝膠的硬度、粘性和膠粘度 （gumminess）。他們還報道清蛋白顯著影響稻米粉的糊化和質地特征[24]。稻谷淀粉中存在的清蛋白在蒸煮最初階段延緩淀粉吸收水分，在后期則加快淀粉水分吸附，含有清蛋白的淀粉樣品較純淀粉樣品最終水分吸附多。清蛋白溶于水的本質表明，蛋白質-水-淀粉相互作用影響大米的物理特性。

2.胚乳蛋白對糊化淀粉粒的膨脹起障礙作用。一度認為如其它谷物籽粒，胚乳中連續(xù)的蛋白質介質圍繞大米淀粉粒形成淀粉粒糊化的障礙（Little and Dawson 1960）。隨后稻谷胚乳微結構觀察表明，稻谷中的蛋白幾乎完全存在于蛋白體，不存在連續(xù)的介質蛋白 (Bechtel and Pomeranz 1978)。蒸煮后含有谷蛋白的蛋白體保持原樣 (Tanaka等1978)，不可能引起質地變化。對大米蛋白-質地關系研究不深入。在煮飯過程中對淀粉糊化抑制的另一因子是，與淀粉粒密切聯合的蛋白，它影響顆粒中淀粉糊化的方式，膨脹時淀粉粒如何保持它的形狀的方式。Zhou等[17]對37℃儲藏的Doongara大米品種采用蛋白酶或纖維素酶處理，顯著改變了熱特性 （淀粉糊化曲線），在掃描電子顯微鏡下觀察到去除蛋白或打破了細胞壁殘留增強了水分穿透，允許淀粉更容易發(fā)生糊化作用。

Sano（1984）和Villareal and Juliano (1986)鑒定的60 kDa這種蛋白包埋在淀粉顆粒內，即淀粉粒結合淀粉合成酶 （GBSS）蛋白，在高直鏈淀粉含量稻谷以較高水平存在。Hamaker和 Griffin[15]表明，用還原試劑2－ME打破該蛋白結構時，米粉糊化程度增加，長粒、非粘性稻米粉較粘性稻米粉糊化程度低，當二硫鍵被切開時糊化程度增加較大。Hamaker等 （1991）發(fā)現這個蛋白與米飯粘度的相關系數類似直鏈淀粉含量與粘度相關系數。由于蠟質淀粉幾乎100%是支鏈淀粉，糯米淀粉中沒有GBSS，就抵抗蛋白酶消化 （Mu-Forster and Wasserman 1998）。GBSS保持非蠟質米飯糊化淀粉粒的剛性，在蛋白酶解后保持糊化淀粉糊的高粘度[22]。Dobo等[25]分析了美國和歐洲水稻種質庫中GBSS基因的多態(tài)性。GBSS蛋白被單一基因編碼，鑒定了3個GBSS等位基因。粳稻存在Wxb等位基因，秈稻存在Wxa等位基因，糯稻存在wx等位基因[12]。WXa等位基因的水稻品種GBSS蛋白是WXb等位基因的水稻品種的3倍多。

也認為淀粉糊化抑制的蛋白以稀疏的介質形態(tài)與淀粉粒密切結合，如Greenwell和 Schofield（1986）發(fā)現的與小麥淀粉粒周邊結合的15 kDa的蛋白，即Friabilin。Friabilin在軟麥淀粉較硬麥淀粉豐富， 它具有 3個成分 Puroindoline a (PINA)、Puroindoline b (PINB)和籽粒軟化蛋白GSP-1（Rahman等1994）。PINA和PINB的編碼基因分別是PinA和PinB（Gautier等1994）。 稻谷不含有PinA和PinB同源框，在轉基因水稻M202中表達小麥Pins,增加了稻谷籽粒軟度[26]。Wada等[27]采用生物活性珠法將含有硬度基因的節(jié)節(jié)麥 （Aegilops tauschii，普通小麥D基因組供體)基因組區(qū)域導入粳稻品種日本晴，獲得了穩(wěn)定表達Pinb基因的同質轉基因水稻。他們近來報道了T4代表達Pinb基因的同質轉基因水稻的胚乳細胞超微結構及米粉物理化學特性[28]。非轉基因稻谷的復合淀粉粒深埋在介質材料中，而轉基因稻谷復合淀粉粒被空隙包圍。轉基因與不轉基因稻谷淀粉粒的形態(tài)和大小沒有差異。但是轉基因大米粉顆粒小、淀粉破壞率高、糊化時粘度低，即Puroindoline b減少稻谷的籽粒硬度。同時發(fā)現Puroindoline b在稻谷胚乳復合淀粉粒表面起作用，而非在多邊形淀粉粒起作用。

（五）稻谷醇溶蛋白提高人體抗白血病免疫反應

稻谷蛋白是谷物蛋白中營養(yǎng)價值較高者之一，無色、富有必需氨基酸，具有柔和風味、低過敏原及低膽固醇[29]。Komatsu and Hirano (1992)指出大米球蛋白與小麥麥谷蛋白之間氨基酸序列有相似性，但是大米儲藏蛋白不含有負責脂瀉病的毒性抗原決定基，在營養(yǎng)學上很重要。Liao等[30]報道，從粳稻臺灣9號品種胚乳的水提取物，能夠刺激從單核細胞釋放細胞漿，抑制人白血病細胞的生長，誘導該細胞分化。進一步分析發(fā)現，溫度穩(wěn)定的胚乳蛋白質提取物能夠增大這種效果，蛋白質組學鑒定的功能性蛋白包括代謝型的、運輸、貯藏、抗氧化、發(fā)育及抗病蛋白，其中貯藏蛋白最豐富。對4種貯藏蛋白分別分析，醇溶蛋白處理的人外周血液單核細胞培養(yǎng)基中α腫瘤壞死因子的產生增加，在該培養(yǎng)基培養(yǎng)人白血病U937細胞，生長受抑制，并向單核細胞分化。醇溶蛋白的多克隆抗體肯定了這種效果。稻谷醇溶蛋白不能夠被小麥醇溶蛋白抗體識別，但是抗白血病活性高于小麥谷蛋白和醇溶蛋白[31]。

五、展望

（一）稻谷貯藏蛋白對米飯質地起重要影響作用

貯藏蛋白如何影響米飯質地的機制還不清楚，可能通過調節(jié)蒸煮期間水分擴散到淀粉粒，調控淀粉粒膨脹。貯藏蛋白和淀粉之間的化學相互作用也可能影響米飯質地。已經明確了總蛋白與米飯物理化學特性有關聯，探討了單一蛋白質成分如谷蛋白、GBSS蛋白、醇溶蛋白及清蛋白對米粉糊化和質地特性的影響。這些研究進展揭示了調控米飯質地通過特定蛋白育種，或陳化期間、加工期間修飾它們。利用蛋白質組學和遺傳工程方法鑒定影響米飯質地的蛋白。

（二）在發(fā)展中國家，稻谷供應20%的膳食蛋白攝取

由于它的氨基酸種類不齊完和微量營養(yǎng)水平有限 （尤其是精米），大米作為大宗食品導致營養(yǎng)不良。具有乳糜瀉病的病人已經趨向營養(yǎng)失調，在于面筋不消化導致的免疫反應破壞了小腸的粘膜，減少營養(yǎng)吸收的容量。另外，大多數無面筋產品是低的微量營養(yǎng)素，這增加缺乏的危險性。為了改善大米無面筋產品的營養(yǎng)品質，加入其他蛋白。改變稻米粉的特性，制作類似小麥粉產品的加工產品。以前的研究是通過加入小麥面筋蛋白，或者將高分子量麥谷蛋白亞基 （HMW-GS）結合到稻谷的聚合態(tài)蛋白[32]，改變大米粉面團的流變學特性。蛋白質加工系統(tǒng)在稻谷和小麥之間是保守的，近來已經成功將小麥HMW-GS編碼基因轉化水稻[33-34]，表明通過遺傳工程方法可以改良大米粉面團制作特性。還需要深入了解米粉的蛋白組成與它的面團形成特性之間的關系。

（三）稻谷貯藏蛋白的利用有限，在于它是水不溶的，不能發(fā)育粘彈性網絡類似結構[35]

通過酸脫酰胺增大米谷蛋白水溶性，加入葡聚糖形成網絡類似結構，進而改善大米蛋白的功能特性[36]。由于貯藏蛋白之間共價和非共價相互作用導致的結構特性差異，導致稻谷和小麥面團中水合蛋白復合物的粒度分布是不同的，稻谷中聚合物的長度較小麥中的短，結果是稻谷面團較小麥面團的粘彈性質量小得多。已經成功采用小麥質量評估的面團試驗方法定性稻谷粉樣品制作面包的流變學特性[37-38]。結合我國國情，定性大米貯藏蛋白與米粉面團、面條加工之間的關系。

（四）稻谷球蛋白與小麥谷蛋白亞基的氨基酸序列之間存在某些相似性

但是稻谷貯藏蛋白不含有導致腹腔疾病的毒性抗原決定基，這從營養(yǎng)角度考慮具有特殊的意義。利用蛋白質組學技術鑒定稻谷貯藏蛋白，提高人體抗疾病免疫反應是令人關注的研究方向。

[1]Shewry PR,Casey R.Seed Proteins[M].Dordrecht, The Netherlands:KluwerAcademic Publishers,1999.

[2]Juliano BO.Ricegrain quality:Problemsand challenges [J].CerealFoodsWorld,1990,35:245.

[3]Perez CM,Juliano BO,De Datta SK,et al.Effect of nitrogen fertilizer treatment and source and season on grain quality of IR64 rice[J].PlantFoods forHuman Nutrition,1990, 40:123.

[4]Komatsu S,Hirano H.Rice seed globulins:a protein similar to wheat seed glutelin [J].Phytochemistry,1992,31: 3455-3459.

[5]Li X,Okita TW.Accumulation of prolamins and glutelins during rice seed development:a quantitative evaluation [J].Plantand CellPhysiology,1993,34:358-390.

[6]Hamada JS.Separation andmolecularmassdistribution of rice proteins by size-exclusion high-performance liquid chromatography in a dissociating buffer [J].Journal of Chromatography A,1996,734:195-203.

[7]Katsube-Tanaka T,Duldulao JBA,Kimura Y,etal.The two subfamilies of rice glutelin differ in both primary and highorderstructure[J].BiochimicaetBiophysica Acta,2004,1699: 95-102.

[8]Udaka J,Koga T,TsujiH,etal.Efficientextraction and some properties of storage proteins(Prolamin and glutelin)in ancient rice cultivars[J].Journal of Nutritional Science and Vitaminology,2000,46:84-90.

[9]Ogawa N.Fundamental studies on characterization of red rice[J].Shokuseikatsu-kenkyu,1993,14(4)4-10.

[10]CaoXH,WenHB,LiCJ,GuZX.Differencesin functional properties and biochemical characteristics of congenetic rice proteins[J].JournalofCerealScience,2009,50:184-189.

[11]Villareal CP,Juliano BO.Comparative levels ofwaxy gene product of endosperm starch granules of different rice ecotypes[J].Starch,1989,41:369.

[12]Hirano HY,Sano Y.Molecular characterization of the waxy locus of rice (Oryza sativa L.) [J].Plant and Cell Physiology,1991,32:989-997.

[13]Hamada JS,Spanier AM,Bland JM,etal.Preparative separation of value-added peptides from rice bran proteins by high-performance liquid chromatography [J].Journal of Chromatography A,1998,827:319-327

[14]Van Der BorghtAVD,Vandeputte GE,Derycke V,et al.Extractability and chromatographic separation of rice endosperm proteins[J].Journal of Cereal Science,2006,44: 68-74.

[15]HamakerBR．GriffinVK．Effectofdisulfidebondcontaining protein on rice starch gelatinization and pasting [J].Cereal Chemistry,1993,70:377-380.

[16]Zhou ZK,RobardsK,HelliwellS,Blanchard C.Effect of storage temperature on rice properties.Food Research International,2010,43:709-715.

[17]Chrastil J.Protein-starch interactions in rice grains. Influence of storage on oryzenin and starch [J].Journal of Agriculturaland Food Chemistry,1990,38:1804.

[18]Lyon BG,Champagne ET,Vinyard BT,etal.Sensory and instrumental relationships of texture of cooked rice from selected cultivarsand postharvesthandlingpractices[J].Cereal Chemistry,2000,77:64-69.

[19]Derycke V,Veraverbeke WS,Vandeputte GE,et al. Impact of proteins on pasting and cooking properties of nonparboiled and parboiled rice [J].Cereal Chemistry,2005,82:468-474.

[20]Hamaker BR,Griffin VK.Changing the viscoelastic propertiesofcooked rice through protein disruption [J].Cereal Chemistry,1990,67:261.

[21]MartinM,FitzgeraldMA.Proteinsonricegrainsinfluence cooking properties [J].Journal of Cereal Science,2002,36: 285-294.

[22]Xie L,Chen N,Duan B,et al.Impact of proteins on pasting and cooking propertiesofwaxy and non-waxy rice[J]. JournalofCerealScience,2008,47:372-379.

[23]Baxter G,Blanchard C,Zhao J.Effectof prolamin on rice (Oryza sativa L.)textural and pasting propterties [J]. JournalofCerealScience,2004,40:205-211.

[24]Baxter G,Zhao J,Blanchard C.Albumin significantly afftects pasting and textural characteristics of rice flour[J]. CerealChemistry,2010,87(3):250-255.

[25]Dobo M,Ayres N,Walker G,etal.Polymorphism in the GBSSgene affectsamylase content in USand European rice germplasm [J].JournalofCerealScience,2010,52:450-456.

[26]Krishnamurthy K,Giroux MJ.Expression of wheat puroindoline genes in transgenic rice enhances grain softness [J].Nature Biotechnology,2001,19:162-166.

[27]Wada N,Kajiyama S,Akiyama Y,et al.Bioactive beads-mediated tansformation of ricewith large DNA fragments containing Aegilpos tauschii genes [J].Plant Cell Reports, 2009,28:759-768.

[28]Wada N,Kajiyama S,Cartagena JA,etal.The effects of puroindoline b on the ultrastructure of endosperm cells and physicochemical properties of transgenic rice plants [J]. JournalofCerealScience,2010,51:182-188.

[29]Chrastil J.Correlationsbetween and physicochemical and functionalpropertiesof rice[J].JournalofAgriculturaland Food Chemistry,1992,40:1683-1686.

[30]Liao HF,Chen YY,Yang YC,et al.Rice (Oryza sativa L.)inhibits growth and induce differentiation of human leukemic U937 cells through activation of peripheral blood mononuclear cells[J].Food and Chemical Toxicology,2006, 44(10):1724-1729

[31]Chen YJ,Chen YY,Wu CT,et al.Prolamin,a rice protein,augments anti-leukaemia immune response [J]. JournalofCerealScience,2010,51:189-197.

[32]Oszvald M,TomoskoziS,Larroque O,KeresztenyiE, Tamas L,Bekes F.Characterization of rice storage proteins by SE-HPLC and micro Z-arm mixer[J].Journal of Cereal Science,2008,48:68-76.

[33]Oszvald M,Jenes B,TomoskoziS,etal.Expression of the 1Dx5 high molecular weight glutenin subunit protein in transgenic rice[J].CerealResearch Communication,2007,35: 1543-1549.

[34]ArakiE,Ikeda TM,Ohgihara Y,etal.Developmentof transgenic rice (Oryza sativa L.)expressing wheat high-and low-molecular-weightglutenin subunitproteins[J].Breeding Science,2008,58:121-128.

[35]MarcoC,RosellCM.Effectofdifferentprotein isolates and transglutaminase on rice flour properties [J].Journal of Food Engineering,2008,84:132-139.

[36]Li XH,Liu YL,Yi CP,et al.Microstructure and rheological properties of mixtures of acid-deamidated rice protein and dextran [J].Journal of Cereal Science,2010, 51:7-12.

[37]Sivaramakrishman HP,Senge B,Chattopadhyay PK. Rheologicalpropertiesof rice dough formaking rice bread [J]. JournalofFood Engineering,2004,62:37-45

[38]Gujral HS,Rosell CM.Improvementofbreadmaking quality of rice flour by glucose oxidase [J].Food Research International,2004,37:75-81.

（作者分別為：國家糧食局科學研究院，吉林大學食品科學與工程學院）

國家教育部留學歸國啟動基金 （CZ1008）

李興軍，男，1971年出生，副研究員，博士，糧食生化與多糖工程