蔣 巖 趙 燦 陳 越 劉光明 趙凌天 廖平強(qiáng) 王維領(lǐng) 許 軻 李國(guó)輝 吳文革 霍中洋,*

氮素穗肥對(duì)粳米淀粉特性和結(jié)構(gòu)的影響及其與食用特征的關(guān)系

蔣 巖1趙 燦1陳 越1劉光明1趙凌天1廖平強(qiáng)1王維領(lǐng)1許 軻1李國(guó)輝1吳文革2,*霍中洋1,*

1江蘇省作物遺傳生理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 / 江蘇省作物栽培生理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/ 江蘇省糧食作物現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心 / 揚(yáng)州大學(xué), 江蘇揚(yáng)州 225009;2安徽省農(nóng)業(yè)科學(xué)院水稻研究所, 安徽合肥 230001

為研究氮素穗肥對(duì)粳米淀粉理化特性和精細(xì)結(jié)構(gòu)的影響, 明確粳米食用特征與淀粉特性和結(jié)構(gòu)的關(guān)系, 以南粳9108和南粳0212為供試材料, 在相同基蘗肥用量下設(shè)置3個(gè)穗肥施氮水平(0、45和135 kg N hm–2), 測(cè)定了不同處理下粳米的淀粉特性及其結(jié)構(gòu), 分析了其與食用特征間的關(guān)系。施用氮素穗肥降低了粳米食味值, 高氮下差異顯著。硬度、彈性、黏性和平衡性的絕對(duì)值與總蛋白含量均隨穗肥施氮量的增加而提高, 表觀直鏈淀粉含量則與之相反。在淀粉特性和結(jié)構(gòu)方面, 增施氮素穗肥提高了淀粉溶解度、膨脹勢(shì)、糊化焓、小淀粉顆粒占比、相對(duì)結(jié)晶度、紅外比值(1045/1022 cm–1), 降低了淀粉回生焓、回生度、大淀粉顆粒占比、淀粉平均直徑和紅外比值(1022/995 cm–1), 高氮影響更趨明顯。施用氮素穗肥降低了表觀直鏈淀粉含量, 提高了淀粉表層的有序性和結(jié)晶區(qū)穩(wěn)定性, 淀粉粒徑變小, 進(jìn)而阻礙了淀粉膨脹和糊化, 米飯硬度升高, 食用口感變差。適量施用氮素穗肥可實(shí)現(xiàn)粳稻優(yōu)質(zhì)豐產(chǎn)協(xié)同。

氮素穗肥; 粳稻; 食味品質(zhì); 淀粉理化特性; 淀粉精細(xì)結(jié)構(gòu)

水稻是主要的糧食作物, 全球約有半數(shù)以上人口以之為主食, 隨著生活水平的日益提高, 人們對(duì)稻米品質(zhì)的要求越來(lái)越高, 尤其是稻米的食味品質(zhì)越來(lái)越受到人們的關(guān)注[1-2]。成熟稻米中淀粉含量最高, 約占精米干物質(zhì)重的90%, 這意味著淀粉特性和結(jié)構(gòu)與稻米品質(zhì)密切相關(guān)[3]。淀粉結(jié)構(gòu)的形成較復(fù)雜, 首先是由α-D-葡萄糖通過α-1,4糖苷鏈連接形成淀粉單鏈, 接著在酶促反應(yīng)下, 由α-1,6糖苷鏈連接分支鏈形成直鏈淀粉和支鏈淀粉分子, 相鄰的支鏈淀粉分支形成結(jié)晶簇, 接著堆疊交替形成半晶體生長(zhǎng)環(huán), 最后形成淀粉顆粒[4-5]。據(jù)報(bào)道, 淀粉分子在稻米蒸煮時(shí)遇水受熱糊化, 糊化過程中破壞了淀粉的雙螺旋結(jié)構(gòu), 使得淀粉分子轉(zhuǎn)變?yōu)闊o(wú)序態(tài), 從而影響了淀粉的溶脹特性和米飯的食用特征[6]。直鏈淀粉含量被認(rèn)為是衡量稻米品質(zhì)的主要指標(biāo), 在一定程度上, 低直鏈淀粉含量的米飯軟, 口感好。但稻米的食用特征不僅和直鏈淀粉含量有關(guān), 還受到淀粉理化特性和精細(xì)結(jié)構(gòu)的影響[7]。淀粉糊化特征中, 米飯食味值與崩解值呈正相關(guān), 與消減值呈負(fù)相關(guān), Zhou等[8]發(fā)現(xiàn)支鏈淀粉中聚合度(degree of polymerization, DP)大于37的長(zhǎng)鏈所占比例與淀粉崩解值呈顯著的負(fù)相關(guān), 與消減值、糊化溫度和糊化焓呈顯著正相關(guān)。硬度和黏性是評(píng)價(jià)米飯感官的重要指標(biāo), Hu等[9]發(fā)現(xiàn)淀粉回生程度高的米飯硬度高、黏性低。Li等[10]進(jìn)一步研究指出, 支鏈淀粉含量、短鏈比例和分子量與黏性正相關(guān), 直鏈淀粉分子可能通過與支鏈淀粉側(cè)鏈纏繞或共結(jié)晶來(lái)限制淀粉膨脹, 使得米飯硬度上升。

稻米食用品質(zhì), 不僅受遺傳基因調(diào)控, 而且還受農(nóng)藝栽培措施影響。氮素是水稻生長(zhǎng)發(fā)育中最重要的生命元素, 適量施氮能兼顧產(chǎn)量和稻米品質(zhì), 而過量施氮會(huì)惡化稻米的食味品質(zhì)[11]。拔節(jié)孕穗期是水稻穎花分化和發(fā)育的關(guān)鍵時(shí)期, 與胚乳充實(shí)和稻米品質(zhì)密切相關(guān)。穗肥是水稻在拔節(jié)孕穗期最主要的氮源, 在淀粉顆粒形成和籽粒灌漿充實(shí)中起著重要作用。陳云等[12]研究發(fā)現(xiàn)施用穗肥能改善稻米加工品質(zhì), 但會(huì)惡化食味品質(zhì), 降低膠稠度和食味值。Hu等[13]研究指出, 推遲施用穗肥會(huì)降低表觀直鏈淀粉含量, 提高淀粉相對(duì)結(jié)晶度, 阻礙淀粉糊化, 導(dǎo)致蒸煮食味品質(zhì)下降。Yang等[14]通過擬合Wu-Gilbert的鏈長(zhǎng)分布模型發(fā)現(xiàn), 高穗肥施用量會(huì)降低淀粉分支酶活性, 使支鏈淀粉產(chǎn)生更少的短鏈分支, 從而影響淀粉糊化。目前, 在淀粉糊化特性和精細(xì)結(jié)構(gòu)與稻米食味品質(zhì)和米飯質(zhì)地方面已有一定的研究, 但氮素穗肥如何通過影響淀粉理化特性和結(jié)構(gòu)來(lái)改變粳米食用特征仍需進(jìn)一步研究。為此, 本研究選用江蘇省2個(gè)代表性的粳稻品種為供試材料, 研究了氮素穗肥對(duì)米飯食用特征、淀粉性質(zhì)和結(jié)構(gòu)的影響, 從淀粉理化特性和精細(xì)結(jié)構(gòu)角度探究了不同穗肥下粳米食用特征差異的形成原因, 以期為粳稻品種優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)栽培提供理論基礎(chǔ)和實(shí)踐依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 種植地點(diǎn)和試驗(yàn)設(shè)計(jì)

于2020年在揚(yáng)州市廣陵區(qū)沙頭院士創(chuàng)新試驗(yàn)基地(32°31′N、119°55′E)進(jìn)行, 土壤類型為潴育型水稻土, 質(zhì)地黏性。0～20 cm土層pH 7.79, 含有機(jī)質(zhì)31.72 g kg–1、堿解氮106.72 mg kg–1、速效鉀123.12 mg kg–1、有效磷14.80 mg kg–1。水稻生長(zhǎng)季節(jié)試驗(yàn)地的平均溫度和降雨量見圖1。

根據(jù)課題組前期大規(guī)模品種篩選結(jié)果, 選擇花期相近的遲熟中粳品種南粳9108和南粳0212為供試品種, 兩品種均在江蘇地區(qū)廣泛種植且在食味品質(zhì)方面差異較大, 供試氮肥為尿素。試驗(yàn)設(shè)計(jì)為裂區(qū)試驗(yàn), 以穗肥施氮量為主區(qū), 所有小區(qū)在基施氮肥105 kg N hm–2(移栽前), 分蘗氮肥105 kg N hm–2(移栽后10 d)基礎(chǔ)上, 設(shè)置3個(gè)氮素穗肥水平, 即CK (0 kg N hm–2)、LN (low nitrogen, 45 kg N hm–2)和HN (high nitrogen, 135 kg N hm–2), 于倒四葉(促花肥)和倒二葉(?；ǚ?按1∶1比例施用, 品種為裂區(qū), 裂區(qū)面積為4 m×4 m。試驗(yàn)重復(fù)3次, 小區(qū)間田埂用塑料薄膜包裹, 保證單獨(dú)排灌。試驗(yàn)于5月25日播種, 于6月18日選擇長(zhǎng)勢(shì)一致的秧苗移栽, 株行距為30 cm × 12 cm, 每穴4株苗。過磷酸鈣(P2O5含量13.5%)和氯化鉀(K2O含量52.4%)的施用量分別為750 kg hm–2和300 kg hm–2, 磷肥和鉀肥在移栽前作基肥一次施用。水分管理及病蟲草害防治等相關(guān)的栽培措施均按高產(chǎn)栽培要求實(shí)施。水稻成熟后適時(shí)收獲, 各小區(qū)取500 g稻谷在35℃下干燥至14%水分, 室溫下儲(chǔ)藏3個(gè)月, 待稻谷理化性質(zhì)穩(wěn)定后進(jìn)行后續(xù)測(cè)定工作。

圖1 2020年試驗(yàn)地水稻生長(zhǎng)季平均溫度和降雨量

1.2 測(cè)定項(xiàng)目及方法

1.2.1 產(chǎn)量及其構(gòu)成要素 在成熟期對(duì)各小區(qū)普查100穴, 計(jì)算有效穗數(shù), 并按有效穗數(shù)平均值取6穴用來(lái)調(diào)查穗粒數(shù)、結(jié)實(shí)率和千粒重。各小區(qū)割取5 m2, 脫粒、去雜、晾曬后測(cè)定稻谷重和含水率, 按14%的含水率折算實(shí)產(chǎn)。

1.2.2 食味值和質(zhì)構(gòu)特性 用佐竹食味計(jì)(RCTA 11A, Satake Co., 日本)測(cè)定食味值, 稻谷經(jīng)出糙和出精, 去掉碎米得到整精米, 參照Z(yǔ)hou等[8]方法, 稱取30 g整精米加1.3倍水淘洗3次, 經(jīng)浸泡、蒸煮、悶制、風(fēng)干、靜置后稱8 g熟米用配套鐵環(huán)壓制上機(jī)測(cè)定食味值。質(zhì)構(gòu)特性用物性分析儀(TA.XT.PlusC, Stable Micro Systems, 英國(guó))測(cè)定, 探頭為P/36R, 將蒸煮后的完整米粒置于樣品臺(tái)中心, 運(yùn)行與力量感應(yīng)元件配套的程序即可得到熟米硬度、彈性、黏性和平衡性等特性。

1.2.3 表觀直鏈淀粉和總蛋白含量 參照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 17891-2017《優(yōu)質(zhì)稻谷》用分光光度計(jì)測(cè)定表觀直鏈淀粉含量, 參照Tao等[15]方法, 利用全自動(dòng)凱氏定氮儀(Kjeltec 8200, Foss, 瑞典)采用凱氏法測(cè)定總蛋白含量。

1.2.4 淀粉提取 參照Hu等[13]的方法并做一些修改, 稱取15 g米粉置于50 mL錐形瓶中, 加入35 mL 10–5mol L–1氫氧化鈉溶液、0.15 g堿性蛋白酶和2顆玻璃球, 搖晃均勻后封住瓶口, 放入搖床, 于42℃搖晃24 h去除蛋白質(zhì)。淀粉與蛋白酶混合液過200目篩后轉(zhuǎn)移至50 mL離心管中, 加入30 mL去離子水震蕩均勻, 1970×離心10 min, 倒掉上清液, 用勺子刮去上層淡黃色殘?jiān)? 重復(fù)3～5次直至上層無(wú)殘?jiān)＝又靡掖?、三氯甲?甲醇混合液(1∶1, v/v)清洗, 去掉油脂。然后置于烘箱40℃烘干24 h, 用玻璃棒攪拌分散后再烘24 h, 然后過200目篩得到天然淀粉, 然后置于干燥鍋中保存。

1.2.5 淀粉溶解度和膨脹勢(shì) 參照Lu等[16]描述并做一些修改, 稱取30 mg淀粉樣品(m0)置于2 mL離心管(m1)中, 加入1 mL超純水, 立即震蕩搖勻使淀粉充分接觸超純水, 接著于90℃震蕩水浴1 h。拿出后冷卻至室溫, 2400×離心10 min, 用移液槍吸凈上清液后稱取總重(m2), 然后在烘箱中60℃烘干至恒重(m3)。溶解度(%)=100 × (m0+m1–m3)/m0; 膨脹勢(shì)(g/g) = (m2–m1)/(m3–m1)。

1.2.6 淀粉熱力學(xué)特性 參照Hu等[13]描述的方法, 使用差示掃描量熱儀(DSC 214, Netzsch, 德國(guó))測(cè)定, 稱取5 mg淀粉樣品置于配套的鋁坩堝中, 加入10 μL超純水后搖勻, 置于4℃下密封12 h。樣品在室溫下平衡1 h后上機(jī)進(jìn)行測(cè)定工作。儀器會(huì)利用配套的標(biāo)準(zhǔn)真空鋁坩堝空白進(jìn)行校準(zhǔn), 升溫速率為10℃ min–1, 淀粉凝膠特性從20℃升至100℃,淀粉老化特性從10℃升至90℃?；厣?%) = 回生焓/糊化焓 × 100。

1.2.7 淀粉粒徑分布 用激光粒度分析儀(MS- 2000, Malvern, 英國(guó))測(cè)定淀粉粒徑分布, 將淀粉樣品分散在無(wú)水乙醇中, 轉(zhuǎn)速設(shè)定為2500轉(zhuǎn) min–1, 樣品測(cè)定前超聲波分散30 s, 在去除背景干擾后機(jī)器會(huì)根據(jù)體積分布測(cè)量0.1～2000 μm間的淀粉樣品。

1.2.8 淀粉晶體結(jié)構(gòu) 參照Lu等[16]的方法, 使用多晶X衍射分析儀(D8 Advance, Bruker-AXS, 德國(guó))獲得X射線衍射圖譜。測(cè)定電壓為40 kV, 電流為200 mA, 掃描區(qū)域衍射角(2θ)為4°至40°, 步長(zhǎng)0.02°。利用MDI Jade 6.0處理X衍射圖譜, 獲得結(jié)晶區(qū)面積(Ac)和無(wú)定形區(qū)面積(Aa)。相對(duì)結(jié)晶度(%) = Ac/(Ac+ Aa) × 100。

1.2.9 淀粉表層有序性 參照Man等[17]的方法, 采用傅里葉變換紅外光譜儀(FTIR, 7000, Varian, 美國(guó))分析淀粉表層有序性, 檢測(cè)器為DTGS, ATR反射單元的附件為鍺晶體。空白為水, 波數(shù)范圍為400～4000 cm–1, 分辨率2 cm–1, 每個(gè)點(diǎn)掃描64次來(lái)獲得淀粉樣品的傅里葉變換紅外光譜。在光譜圖上選取800～1200 cm–1區(qū)域進(jìn)行基線校正、解卷積, 設(shè)置半峰寬19 cm–1, 增強(qiáng)因子1.9。參照前人研究[18], 使用1045/1022 cm–1和1022/995 cm–1的比值來(lái)反映淀粉結(jié)構(gòu)有序性。

1.3 數(shù)據(jù)的處理與分析

用Microsoft Excel 2019錄入和整理數(shù)據(jù), 用IBM SPSS Statistics 26.0進(jìn)行方差分析, 采用LSD (Least Significant Different, 最小顯著差數(shù)測(cè)驗(yàn)法)進(jìn)行多重比較, 用Origin 2019b作圖。數(shù)據(jù)呈現(xiàn)以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差的形式, 同一品種同列以不同小寫字母標(biāo)注的數(shù)據(jù)處理在<0.05上差異顯著。

2 結(jié)果與分析

2.1 產(chǎn)量及其構(gòu)成要素

由表1可知, 增施氮素穗肥顯著提高了稻谷產(chǎn)量, 產(chǎn)量達(dá)9.34～9.88 t hm–2。其中南粳9108品種HN和LN處理產(chǎn)量分別比CK高14.93%、10.92%, 南粳0212則分別高14.98%、8.72%, 但兩品種HN和LN處理間均無(wú)顯著差異。從產(chǎn)量構(gòu)成要素來(lái)看, 有效穗數(shù)、每穗粒數(shù)隨氮素穗肥施用量的增加而提高, 千粒重和結(jié)實(shí)率則與之相反, 且以每穗粒數(shù)的變幅較大(15.45%～19.80%)。說(shuō)明每穗粒數(shù)的增加是施用氮素穗肥增產(chǎn)的主要原因。

2.2 食味品質(zhì)和質(zhì)構(gòu)特性

日本佐竹米飯食味計(jì)利用光學(xué)原理檢測(cè)成型定量的米飯, 并根據(jù)外觀、硬度、黏度、平衡度評(píng)分測(cè)定米飯食味值。由表2可知, 追施氮素穗肥降低了熟米食味值, 其中南粳9108和南粳0212兩品種HN處理較CK處理分別降低了4.46%和7.82%, 差異達(dá)顯著水平; LN處理較對(duì)照也有所降低, 但差異不顯著。不同品種間的米飯食味值表現(xiàn)為南粳9108優(yōu)于南粳0212。質(zhì)構(gòu)儀能模擬食用米飯中咀嚼、擠壓等過程, 借助感應(yīng)元件精確測(cè)定米飯的感官特性。追施氮素穗肥提高了米飯的硬度、彈性、黏性和平衡性的絕對(duì)值(表2)。其中HN處理下, 南粳9108的硬度和彈性較CK處理顯著提高, 分別達(dá)53.24%和6.86%; 黏性和平衡性的絕對(duì)值也顯著提高, 分別達(dá)16.57%和21.24%; 在南粳0212上分別提高了46.02%、15.26%、24.32%和34.85%, 差異也達(dá)到顯著水平。在LN處理下, 除南粳9108的彈性和黏性顯著高于CK, 南粳0212平衡性顯著高于CK外, 其他質(zhì)構(gòu)特性差異不顯著。

2.3 表觀直鏈淀粉和總蛋白含量

由表3可知, 追施氮素穗肥顯著降低了精米粉中表觀直鏈淀粉的含量, 其中南粳9108的HN和LN處理較CK分別降低了10.19%和7.18%, 南粳0212分別降低了5.23%和4.10%, 且南粳9108的HN處理與LN處理間差異顯著。總蛋白含量隨著穗肥施氮量的增加而顯著提高, 其中南粳9108的HN和LN處理較CK分別提高7.96%和3.11%, 南粳0212分別提高了10.44%和3.99%。不同品種間的表觀直鏈淀粉含量表現(xiàn)為南粳9108低于南粳0212, 蛋白質(zhì)含量相當(dāng)。

表1 氮素穗肥對(duì)粳稻產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成要素的影響

數(shù)據(jù)呈現(xiàn)以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差的形式, 同一品種同列標(biāo)注以不同小寫字母的數(shù)據(jù)處理在< 0.05水平上顯著。

CK: 0 kg N hm–2; LN: 45 kg N hm–2; HN: 135 kg N hm–2. NJ 9108: Nanjing 9108; NJ 0212: Nanjing 0212. The data were in the form of mean ± standard deviation. Different lowercase letters in the same varieties and column are significantly different at< 0.05.

表2 氮素穗肥對(duì)粳米食味值和質(zhì)構(gòu)特性的影響

處理和縮寫同表1。數(shù)據(jù)呈現(xiàn)以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差的形式, 同一品種同列標(biāo)注以不同小寫字母的數(shù)據(jù)處理在< 0.05水平上顯著。

Treatments and abbreviations are the same as those given in Table 1. The data were in the form of mean ± standard deviation. Different letters in the same varieties and column are significantly different at< 0.05.

表3 氮素穗肥對(duì)表觀直鏈淀粉、總蛋白含量和淀粉溶解度、膨脹勢(shì)的影響

處理和縮寫同表1。數(shù)據(jù)呈現(xiàn)以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差的形式, 同一品種同列標(biāo)注以不同小寫字母的數(shù)據(jù)處理在< 0.05水平上顯著。

Treatments and abbreviations are the same as those given in Table 1. The data were in the form of mean ± standard deviation. Different letters in the same varieties and column are significantly different at< 0.05.

2.4 淀粉膨脹勢(shì)和溶解度

由表3可知, 淀粉膨脹勢(shì)隨穗肥施氮量增加而顯著提高, 其中南粳9108的HN和LN處理較CK分別提高了14.26%和7.94%, 南粳0212分別提高了19.09%和8.29%, HN處理較LN處理也有顯著提高。追施氮素穗肥提高了淀粉溶解度, 其中南粳9108的HN和LN處理較CK分別提高了16.81%和12.93%, 差異達(dá)顯著水平, 南粳0212的HN處理較CK顯著提高(9.34%), 而LN處理與CK無(wú)顯著差異。不同品種間膨脹勢(shì)和溶解度均表現(xiàn)為南粳9108高于南粳0212。

2.5 淀粉熱力學(xué)特性

熱力學(xué)特性包括凝膠特性和老化特性, 糊化焓和糊化溫度反映了米飯蒸煮所需的能量和難易程度,回生焓和回生度反映了米飯冷卻后淀粉分子的老化程度。由表4可知, 增施氮素穗肥顯著提高了淀粉糊化焓, 回生焓和回生度則與之相反, 糊化起始溫度(T0)、峰值溫度(TP)和終止溫度(TC)在各處理間差異較小。南粳9108的糊化焓表現(xiàn)為HN和LN處理較CK分別提高了10.19%和6.89%, 南粳0212分別提高了15.58%和6.15%。起始溫度T0、峰值溫度TP和終止溫度TC在南粳9108各處理間均無(wú)顯著差異, TP在南粳0212的LN處理較CK顯著降低, TC在南粳0212的HN和LN處理較CK顯著提高。南粳9108的回生焓表現(xiàn)為HN和LN處理較CK處理分別降低了36.40%和19.67%, 南粳0212分別降低了26.56%和14.52%?；厣鹊淖兓c回生焓一致, HN和LN處理較CK降幅達(dá)14.52%～36.40%。

2.6 淀粉粒徑分布

由圖2和表5可知, 增施氮素穗肥顯著提高了小淀粉顆粒占比, 顯著降低了大淀粉顆粒占比。氮素穗肥對(duì)中淀粉顆粒占比的影響存在品種間差異, 其中南粳9108的LN處理的中淀粉顆粒占比顯著高于CK, HN處理顯著低于CK, 而南粳0212的HN和LN處理均顯著提高中淀粉顆粒占比。D[4,3] (體積平均直徑)和D[3,2] (表面積平均直徑)隨穗肥施氮量的增加而降低, 其中南粳9108的D[4,3]和D[3,2]在HN處理下較CK分別降低了1.96%和5.53%, 南粳0212分別降低了2.69%和3.84%, 差異均達(dá)顯著水平。

表4 氮素穗肥對(duì)淀粉熱力學(xué)特性的影響

處理和縮寫同表1。數(shù)據(jù)呈現(xiàn)以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差的形式, 同一品種同列標(biāo)注以不同小寫字母的數(shù)據(jù)處理在< 0.05水平上顯著。

DHgel: gelatinization enthalpy; T0: onset temperature; TP: peak of gelatinization temperature; TC: conclusion temperature;DHret: retrogradation enthalpies; Retrogradation percentage (R): R(%) =DHret/DHgel× 100. Treatments and abbreviations are the same as those given in Table 1. The data are in the form of means ± SDs. Different letters in the same varieties and column are significantly different at< 0.05.

表5 氮素穗肥對(duì)淀粉粒徑分布的影響

處理和縮寫同表1。數(shù)據(jù)呈現(xiàn)以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差的形式, 同一品種同列標(biāo)注以不同小寫字母的數(shù)據(jù)處理在< 0.05水平上顯著。

Treatments and abbreviations are the same as those given in Table 1. The data are in the form of means ± SDs. Different letters in the same varieties and column are significantly different at< 0.05.

圖2 不同氮素穗肥下淀粉粒徑分布圖

處理和縮寫同表1。Treatments and abbreviations are the same as those given in Table 1.

2.7 淀粉晶體結(jié)構(gòu)

由圖3可知, 粳米淀粉的X射線衍射圖譜在2θ衍射角下的15°和23°呈現(xiàn)2個(gè)強(qiáng)峰, 在17°和18°呈現(xiàn)連續(xù)雙峰, 為典型的A型淀粉晶體。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)(表6), 粳米淀粉的相對(duì)結(jié)晶度, 隨穗肥施氮量的增加而顯著提高, 其中在南粳9108的HN和LN處理較CK處理分別提高了10.08%和4.97%, 南粳0212分別提高了4.45%和2.85%, HN處理較LN處理也有顯著提高。

2.8 淀粉表層有序性

傅里葉變換紅外光譜(FTIR)的衰減全反射模式(ATR)可分析淀粉顆粒的表層有序結(jié)構(gòu)。由圖4可知, 不同氮素穗肥下粳米淀粉的ATR-FTIR光譜吸收峰的位置一致, 但相對(duì)吸光度值有差異。通過1045/1022 cm–1和1022/995 cm–1峰強(qiáng)度比值分別反映淀粉表層有序性和無(wú)序性。由表6可知, 增施氮素穗肥提高了表層有序性, 降低了表層無(wú)序性, 其中南粳9108和南粳0212的1045/1022 cm–1比值在HN處理上較CK分別提高了6.46%和4.03%, 1022/995 cm–1比值分別降低了1.69%和1.39%, 差異均達(dá)顯著水平, 而LN處理則與CK無(wú)顯著差異。

2.9 Pearson相關(guān)分析

氮素穗肥下粳米食用特征與淀粉特性和結(jié)構(gòu)間的相關(guān)性以熱圖形式表現(xiàn)(圖5), 其中黏性和平衡性以絕對(duì)值進(jìn)行分析, 通過顏色深淺和圓形大小直觀的反映各指標(biāo)間關(guān)聯(lián)的緊密程度。食味值與大淀粉顆粒占比、D[4,3]、D[3,2]呈顯著正相關(guān), 與表觀直鏈淀粉含量、中淀粉顆粒占比呈顯著負(fù)相關(guān)。硬度與總蛋白含量、糊化焓、小淀粉顆粒占比、1045/1022 cm–1呈顯著正相關(guān), 與回生焓、回生度、1022/995 cm–1呈顯著負(fù)相關(guān)。彈性與糊化焓、小淀粉顆粒占比、1045/ 1022 cm–1呈顯著正相關(guān), 與回生度呈顯著負(fù)相關(guān)。黏性與總蛋白含量、溶解度、膨脹勢(shì)、相對(duì)結(jié)晶度呈顯著正相關(guān), 與回生焓、回生度、1022/995 cm–1呈顯著負(fù)相關(guān)。平衡性與溶解度、膨脹勢(shì)、相對(duì)結(jié)晶度呈顯著正相關(guān), 與表觀直鏈淀粉含量呈顯著負(fù)相關(guān)。

圖3 不同氮素穗肥下淀粉X射線衍射圖譜

處理和縮寫同表1。Treatments and abbreviations are the same as those given in Table 1.

表6 氮素穗肥對(duì)淀粉相對(duì)結(jié)晶度和紅外比例的影響

處理和縮寫同表1。數(shù)據(jù)呈現(xiàn)以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差的形式, 同一品種同列標(biāo)注以不同小寫字母的數(shù)據(jù)處理在< 0.05水平上顯著。

Treatments and abbreviations are the same as those given in Table 1. The data were in the form of means ± SDs. Different lowercase letters in the same varieties and column are significantly different at< 0.05.

圖4 不同氮素穗肥下淀粉ATR-FTIR光譜

處理和縮寫同表1。Treatments and abbreviations are the same as those given in Table 1.

圖5 氮素穗肥下粳米食用特征與淀粉特性和結(jié)構(gòu)的Pearson相關(guān)性熱圖

AAC表示表觀直鏈淀粉含量, TPA表示總蛋白含量, SP表示膨脹勢(shì),DHgel、DHret、R分別表示糊化焓、回生焓和回生度, SSG、MSG、LSG、D[4,3]、D[3,2]分別表示小淀粉顆粒占比、中淀粉顆粒占比、大淀粉顆粒占比、體積平均直徑和表面積平均直徑, RC、1045/1022、1022/995分別表示相對(duì)結(jié)晶度, 紅外比例1045/1022 cm–1和1022/995 cm–1, *表示在< 0.05水平上顯著。

AAC: apparent amylose content; TPC: total protein content; SP: swelling power;DHgel: gelatinization enthalpy;DHret: retrogradation enthalpies; R: retrogradation percentage; SSG: small starch granules; MSG: middle starch granules; LSG: large starch granules; D[4,3], volume mean diameter; D[3,2], surface area weighted mean diameter; RC: relative crystallinity; 1045/1022: infrared ratio of 1045/1022 cm–1; 1022/995: infrared ratio of 1022/995 cm–1. *:< 0.05.

3 討論

3.1 氮素穗肥下淀粉特性和結(jié)構(gòu)的變化

淀粉特性主要指其在烹飪或遇水受熱所表現(xiàn)出溶解、膨脹、糊化和冷卻回生程度, 較高的直鏈淀粉含量會(huì)限制淀粉膨脹, 而蛋白質(zhì)會(huì)阻礙淀粉網(wǎng)眼狀結(jié)構(gòu)發(fā)展, 限制淀粉吸收水分來(lái)使其糊化不完全[19]。本研究發(fā)現(xiàn)追施氮素穗肥會(huì)提高淀粉的溶解度和膨脹勢(shì), 且在高氮下更明顯, 這可能和表觀直鏈淀粉含量降低有關(guān)。直鏈淀粉的長(zhǎng)鏈被發(fā)現(xiàn)會(huì)與支鏈淀粉團(tuán)簇結(jié)構(gòu)結(jié)合, 限制淀粉非結(jié)晶區(qū)域的水合作用, 從而限制淀粉顆粒的膨脹[20]。此外, 淀粉的溶解度和膨脹勢(shì)還和淀粉粒徑分布有關(guān), 大淀粉顆粒與水分子接觸結(jié)合的表面更多, 更易膨脹[13]。本研究中, 小淀粉顆粒隨著穗肥施氮量的增加而提高, 大淀粉顆粒、D[4, 3]和D[3, 2]均隨施氮量的增加而降低,這表明增施氮素穗肥降低了淀粉顆粒的平均直徑。分析其原因主要與追施氮素穗肥延長(zhǎng)了籽粒灌漿期有關(guān), 大淀粉顆粒多在在灌漿早期和中期出現(xiàn), 并隨著灌漿期的延長(zhǎng)進(jìn)一步分解成中淀粉顆粒和小淀粉顆粒[21-22]。淀粉糊化過程中需消耗能量來(lái)解離雙螺旋結(jié)構(gòu), 可通過熱焓值來(lái)反映消耗能量的高低。本研究發(fā)現(xiàn), 追施氮素穗肥會(huì)提高粳米淀粉糊化焓, 降低回生焓和回生度, 對(duì)糊化溫度影響較小, 這與Zhu等[23]的研究一致。這主要與氮素穗肥降低了淀粉平均直徑, 提高了相對(duì)結(jié)晶度有關(guān)。直鏈淀粉分子會(huì)在淀粉回生過程中快速結(jié)晶, 表觀直鏈淀粉含量的下降使得粳米淀粉回生焓和回生度降低, 直鏈淀粉分支結(jié)構(gòu)的差異也可能是影響淀粉回生程度的原因[24]。但Teng等[25]卻發(fā)現(xiàn), 后期氮肥會(huì)降低秈稻淀粉糊化焓, 究其原因, 可能和支鏈淀粉鏈長(zhǎng)分布特性有關(guān)。根據(jù)支鏈淀粉簇模型, 支鏈淀粉的A鏈(DP 6-12)和B1鏈(DP 13-24)會(huì)形成雙螺旋結(jié)構(gòu), 并在淀粉顆粒生長(zhǎng)環(huán)內(nèi)形成結(jié)晶薄片, 需要較高溫度才能解離, 即更高的糊化焓[4,26]。有關(guān)氮素穗肥對(duì)直鏈和支鏈淀粉鏈長(zhǎng)分布特性的影響需要進(jìn)一步深入研究。

天然淀粉的結(jié)晶度一般在20%～50%, 淀粉的結(jié)晶區(qū)主要由支鏈淀粉外鏈相互纏繞形成的雙螺旋結(jié)構(gòu)組成, 部分直鏈淀粉分支和脂類也參與結(jié)晶的形成[27]。本研究發(fā)現(xiàn), 追施氮素穗肥會(huì)提高淀粉相對(duì)結(jié)晶度和1045/1022 cm–1比值, 降低1022/995 cm–1比值, 這說(shuō)明穗肥有改善粳米淀粉結(jié)晶結(jié)構(gòu)和表層有序性的作用, 這和Yang等[22]研究一致。直鏈淀粉通常被認(rèn)為與相對(duì)結(jié)晶度負(fù)相關(guān), 較多的直鏈淀粉會(huì)破壞淀粉結(jié)晶區(qū)雙螺旋結(jié)構(gòu), 從而降低淀粉結(jié)晶度[27]。支鏈淀粉鏈長(zhǎng)分布也會(huì)影響淀粉結(jié)晶度, Zhu等[28]發(fā)現(xiàn)支鏈淀粉的A鏈與B3鏈(DP≥37)比值與淀粉相對(duì)結(jié)晶度正相關(guān)。直鏈淀粉的鏈長(zhǎng)分布可能也會(huì)影響淀粉晶體結(jié)構(gòu), 這將是未來(lái)研究的重點(diǎn)內(nèi)容。據(jù)報(bào)道, 淀粉的生物合成涉及多種酶, 直鏈淀粉通過顆粒結(jié)合型淀粉合成酶(GBSS)線性延伸合成, 而支鏈淀粉的合成較為復(fù)雜, 涉及到可溶性淀粉合成酶(SSs)、淀粉分支酶(SBE)、淀粉脫支酶(DBE)等[29]。淀粉合成酶中SSI、SSIIa和SSIIIa分別負(fù)責(zé)延伸支鏈淀粉短鏈、中長(zhǎng)鏈和長(zhǎng)鏈, SBE負(fù)責(zé)切割α-1,4連接的葡萄糖并轉(zhuǎn)移到α-1,6處形成分支, DBE負(fù)責(zé)剪去位置不當(dāng)?shù)姆种30-31]。Lqbal等[32]和陳云等[33]認(rèn)為, 氮素能提高GBSS、SSs和SBE酶活性, 促進(jìn)淀粉生物合成, 這意味著氮素穗肥會(huì)通過影響淀粉合成相關(guān)酶活性來(lái)調(diào)控粳米淀粉特性和結(jié)構(gòu)。有關(guān)穗肥對(duì)淀粉合成相關(guān)酶活性和淀粉精細(xì)結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)形成的影響也將是今后研究的重要內(nèi)容之一。

3.2 食用特征與淀粉特性和結(jié)構(gòu)的關(guān)系

粳稻籽粒短圓, 直鏈淀粉和蛋白質(zhì)含量較低, 加工和食味品質(zhì)一般優(yōu)于秈稻, 隨著“北粳南移”觀點(diǎn)的提出, 我國(guó)粳稻種植面積和產(chǎn)量都得到大幅提升[34-35]。粳稻食味品質(zhì)除了受遺傳基因控制外, 還受到環(huán)境和農(nóng)藝措施的影響[36]。陳云等[12]研究穗肥減量時(shí)發(fā)現(xiàn), 減半穗肥對(duì)粳稻的產(chǎn)量無(wú)明顯影響, 但可改善稻米的食味值。本研究發(fā)現(xiàn), 2個(gè)粳稻品種在低氮處理(45 kg N hm–2)的平均產(chǎn)量水平為9.41 t hm–2, 雖較高氮處理(135 kg N hm–2)減產(chǎn)4.47%, 但仍較不施穗肥處理顯著增產(chǎn), 增幅達(dá)9.80%。而2個(gè)粳稻品種的食味值評(píng)分在高氮下顯著降低, 低氮?jiǎng)t無(wú)明顯影響。綜合產(chǎn)量水平和食味值來(lái)看, 后期適量施用氮素穗肥可實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)食味和豐產(chǎn)的協(xié)調(diào)統(tǒng)一。相關(guān)性分析表明食味值與表觀直鏈淀粉含量負(fù)相關(guān), 這是造成南粳9108和南粳0212食味值差異的原因之一。本研究發(fā)現(xiàn), 粳米食味值與淀粉粒徑分布也有關(guān)系, 南粳9108淀粉中較高的淀粉顆粒平均直徑和大淀粉顆粒含量使其更易結(jié)合水分子完成糊化, 從而影響米飯食味值。大顆粒淀粉的支鏈淀粉分子被發(fā)現(xiàn)含有較高比例的長(zhǎng)支鏈, 這些長(zhǎng)支鏈會(huì)與碘指示劑發(fā)生顯色反應(yīng)影響表觀直鏈淀粉含量,這也可能是淀粉粒徑與食味值相關(guān)的原因[37]。為了明確粳米在食用特征上的差異, 我們用質(zhì)構(gòu)儀測(cè)定了硬度、彈性、黏性和平衡性。黏性和平衡性為負(fù)值, 絕對(duì)值越大表示黏性越強(qiáng), 平衡性越好。本研究發(fā)現(xiàn), 米飯的硬度、彈性、黏性和平衡性的絕對(duì)值均隨著穗肥施氮量的增加而提高, 但增幅不同, 尤其是在高氮條件下, 以硬度增幅最大。Saleh等[38]發(fā)現(xiàn), 在稻米蒸煮前用含有蛋白酶的緩沖液提前浸泡會(huì)使蒸煮后米飯的硬度顯著降低。這說(shuō)明蛋白質(zhì)在蒸煮中為米粒提供支撐, Furukawa等[39]認(rèn)為醇溶蛋白是起主要的支撐作用, 這與我們的研究發(fā)現(xiàn)相一致, 即總蛋白含量與硬度呈顯著正相關(guān)。眾所周知, 籽粒中的蛋白質(zhì)主要為儲(chǔ)藏蛋白質(zhì), 包括清蛋白、球蛋白、醇溶蛋白和谷蛋白, 氮素穗肥對(duì)蛋白質(zhì)組分與含量的影響有待進(jìn)一步研究。水稻籽粒中除蛋白質(zhì)氨基酸外, 還有游離氨基酸[40], 穗肥如何調(diào)控游離氨基酸而導(dǎo)致食味品質(zhì)差異將是后續(xù)研究的重要內(nèi)容。

淀粉理化特性和精細(xì)結(jié)構(gòu)也會(huì)影響米飯食用特征。金麗晨等[41]發(fā)現(xiàn)支鏈淀粉的長(zhǎng)鏈會(huì)暴露在淀粉顆粒外, 通過與其余成分的相互作用使得米飯質(zhì)地變硬, 彈性和淀粉晶體內(nèi)部的作用力強(qiáng)弱有關(guān)。Ayabe等[42]發(fā)現(xiàn)淀粉顆粒的表層結(jié)構(gòu)會(huì)影響米飯黏性, 在蒸煮中淀粉表層溶解出更多的支鏈淀粉會(huì)增強(qiáng)米飯黏性。本研究發(fā)現(xiàn), 淀粉晶體結(jié)構(gòu)和熱力學(xué)特性與米飯硬度、彈性和黏性顯著相關(guān), 淀粉溶脹特性與黏性和平衡性顯著正相關(guān)。淀粉熱力學(xué)特性受到淀粉晶體的影響, 相對(duì)結(jié)晶度和1045/1022 cm–1比值較高的淀粉在糊化時(shí)需消耗更多能量解離雙螺旋結(jié)構(gòu), 這就意味著糊化焓更高, 在同等烹飪條件下米飯質(zhì)地更硬, 彈性更好。平衡性主要反映米飯的口感均衡性, 是測(cè)定中最大負(fù)峰(黏性)與正峰的比值, 主要與米飯黏性有關(guān)。淀粉在超過糊化溫度的過量水中會(huì)吸水發(fā)生不可逆膨脹, 熱能會(huì)打斷氫鍵和分子間作用力, 使得淀粉分子游離并解離雙螺旋結(jié)構(gòu), 最終淀粉顆粒會(huì)崩解[43]。高溶解度和膨脹勢(shì)的淀粉在蒸煮時(shí)吸收水分子的能力更強(qiáng), 更多淀粉分子從顆粒內(nèi)部中游離, 使得米飯黏性增強(qiáng)。本研究發(fā)現(xiàn)黏性還與淀粉相對(duì)結(jié)晶度正相關(guān), 與淀粉表層無(wú)序性負(fù)相關(guān), 這可能和淀粉的分子結(jié)構(gòu)有關(guān)。因?yàn)楦嗟闹ф湹矸鄱替湑?huì)增強(qiáng)分子間作用力, 使淀粉顆粒難以分離。小分子量的支鏈淀粉在蒸煮中容易從米粒中浸出并附著在米粒表面, 這都使得米飯具有更高的黏性[9,44]。然而, 本研究缺少食味特征中人工品嘗的相關(guān)指標(biāo), 仍需進(jìn)一步深化研究。

4 結(jié)論

增施氮素穗肥提高了總蛋白含量、淀粉溶解度、膨脹勢(shì)、糊化焓、小淀粉顆粒占比、相對(duì)結(jié)晶度、表層有序性(1045/1022 cm–1), 降低了表觀直鏈淀粉含量、淀粉回生焓、回生度、大淀粉顆粒占比、淀粉平均直徑和表層無(wú)序性(1022/995 cm–1), 淀粉晶體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性增加, 淀粉粒徑減小, 阻礙了淀粉膨脹和糊化, 提高了米飯硬度, 降低了食味品質(zhì)。隨著氮素穗肥施用量的增加, 淀粉理化特性與結(jié)構(gòu)差異及食味值劣變趨勢(shì)越顯著。適當(dāng)減施氮素穗肥可實(shí)現(xiàn)粳稻優(yōu)質(zhì)豐產(chǎn)協(xié)同生產(chǎn)。

[1] Cao L, Zhan X, Chen S, Feng Y, Wu W, Shen X, Cheng S. Breeding methodology and practice of super rice in China., 2010, 17: 87–93.

[2] Fitzgerald M A, McCouch S R, Hall R D. Not just a grain of rice: the quest for quality., 2009, 14: 133–139.

[3] Zeeman S C, Kossmann J, Smith A M. Starch: its metabolism, evolution, and biotechnological modification in plants., 2010, 61: 209–234.

[4] Li C, Hu Y M, Gu F T, Gong B. Causal relations among starch fine molecular structure, lamellar/crystalline structure anddigestion kinetics of native rice starch., 2021, 12: 682–695.

[5] Seung D. Amylose in starch: towards an understanding of biosynthesis, structure and function., 2020, 228: 1490–1504.

[6] 龔波. 水稻淀粉精細(xì)結(jié)構(gòu)決定其熱力學(xué)性質(zhì)和消化特性. 揚(yáng)州大學(xué)碩士學(xué)位論文, 江蘇揚(yáng)州, 2020.

Gong B. Rice Starch Molecular Fine Structure Determines its Thermal and Digestive Properties. MS Thesis of Yangzhou University, Yangzhou, Jiangsu, China, 2020 (in Chinese with English abstract).

[7] Li H Y, Prakash S, Nicholson T M, Fitzgerald M A, Gilbert R G. Instrumental measurement of cooked rice texture by dynamic rheological testing and its relation to the fine structure of rice starch., 2016, 146: 253–263.

[8] Zhou T Y, Zhou Q, Li E P, Yuan L M, Wang W I, Zhang H, Liu L J, Wang Z Q, Yang J C, Gu J F. Effects of nitrogen fertilizer on structure and physicochemical properties of ‘super’ rice starch., 2020, 239: 116237.

[9] Hu Y J, Cong S M, Zhang H C. Comparison of the grain quality and starch physicochemical properties betweenrice cultivars with different contents of amylose, as affected by nitrogen fertilization., 2021, 11: 616.

[10] Li H Y, Gilbert R G. Starch molecular structure: the basis for an improved understanding of cooked rice texture., 2018, 195: 9–17.

[11] Cheng B, Jiang Y, Cao C G. Balance rice yield and eating quality by changing the traditional nitrogen management for sustainable production in China., 2021, 312: 127793.

[12] 陳云, 李思宇, 朱安, 劉昆, 張亞軍, 張耗, 顧駿飛, 張偉楊, 劉立軍, 楊建昌. 播種量和穗肥施氮量對(duì)優(yōu)質(zhì)食味直播水稻產(chǎn)量和品質(zhì)的影響作物學(xué)報(bào), 2022, 48: 656–666.

Chen Y, Li S Y, Zhu A, Liu K, Zhang Y J, Zhang H, Gu J F, Zhang W Y, Liu L J, Yang J C. Effects of seeding rates and panicle nitrogen fertilizer rates on grain yield and quality in good taste rice cultivars under direct sowing., 2022, 48: 656–666 (in Chinese with English abstract).

[13] Hu Q, Liu Q Y, Jiang W Q, Qiu S, Wei H Y, Zhang H C, Liu G D, Xing Z P, Hu Y J, Guo B W, Gao H. Effects of mid-stage nitrogen application timing on the morphological structure and physicochemical properties ofrice starch., 2021, 101: 2463–2471.

[14] Yang X Y, Bi J G, Gilbert R G, Li G H, Liu Z H, Wang S H, Ding Y F. Amylopectin chain length distribution in grains ofrice as affected by nitrogen fertilizer and genotype., 2016, 71: 230–238.

[15] Tao K Y, Yu W W, Prakash S, Gilbert R G. High-amylose rice: Starch molecular structural features controlling cooked rice texture and preference., 2019, 219: 251–260.

[16] Lu D L, Lu W P. Effects of protein removal on the physicochemical properties of waxy maize flours., 2012, 64: 874–881.

[17] Man J M, Yang Y, Zhang C Q, Zhou X H, Dong Y, Zhang F M, Liu Q Q, Wei C X. Structural changes of high-amylose rice starch residues followinganddigestion., 2012, 60: 9332–9341.

[18] Sevenou O, Hill S E, Farhat I A, Mitchell J R. Organization of the external region of the starch granule as determined by infrared spectroscopy., 2002, 31: 79–85.

[19] 唐健, 唐闖, 郭保衛(wèi), 張誠(chéng)信, 張振振, 王科, 張洪程, 陳恒, 孫明珠. 氮肥施用量對(duì)機(jī)插優(yōu)質(zhì)晚稻產(chǎn)量和稻米品質(zhì)的影響. 作物學(xué)報(bào), 2020, 46: 117–130.

Tang J, Tang C, Guo B W, Zhang C X, Zhang Z Z, Wang K, Zhang H C, Chen H, Sun M Z. Effect of nitrogen application on yield and rice quality of mechanical transplanting high quality late rice., 2020, 46: 117–130 (in Chinese with English abstract).

[20] Kaur L, Singh J, McCarthy O J, Singh H. Physico-chemical, rheological and structural properties of fractionated potato starches., 2007, 82: 383–394.

[21] 董明輝, 陳培峰, 顧俊榮, 喬中英, 黃萌, 朱赟德, 趙步洪. 麥秸還田和氮肥運(yùn)籌對(duì)超級(jí)雜交稻莖鞘物質(zhì)運(yùn)轉(zhuǎn)與籽粒灌漿特性的影響. 作物學(xué)報(bào), 2013, 39: 673–681.

Dong M H, Chen P F, Gu J R, Qiao Z Y, Huang M, Zhu B D, Zhao B H. Effects of wheat straw-residue applied to field and nitrogen management on photosynthate transportation of stem and sheath and grain-filling characteristics in super hybrid rice., 2013, 39: 673–681 (in Chinese with English abstract).

[22] Yang Y, Lin G Q, Yu X R, Wu Y F, Xiong F. Rice starch accumulation at different endosperm regions and physical properties under nitrogen treatment at panicle initiation stage., 2020, 160: 328–339.

[23] Zhu D W, Zhang H C, Guo B W, Xu K, Dai Q G, Wei C X, Zhou G S, Huo Z Y. Effects of nitrogen level on structure and physicochemical properties of rice starch., 2017, 63: 525–532.

[24] Gong B, Cheng L, Gilbert R G, Li C. Distribution of short to medium amylose chains are major controllers of in vitro digestion of retrograded rice starch., 2019, 96: 634–643.

[25] Teng B, Xi M, Du S Y, Zhou Y J, Zhang Y, Zhang Y X, Luo Z X, Wu W. Structural and functional properties of indica rice starch as influenced by late-stage nitrogen fertilization., 2021, 24: 249–263.

[26] Hanashiro I, Abe J, Hizukuri S. A periodic distribution of the chain length of amylopectin as revealed by high-performance anion-exchange chromatography., 1996, 283: 151–159.

[27] Lopez-Rubio A, Flanagan B M, Gilbert E P, Gidley M J. A novel approach for calculating starch crystallinity and its correlation with double helix content: a combined XRD and NMR study., 2008, 89: 761–768.

[28] Zhu D W, Fang C Y, Qian Z H, Guo B W, Huo Z Y. Differences in starch structure, physicochemical properties and texture characteristics in superior and inferior grains of rice varieties with different amylose contents., 2021, 110: 106170.

[29] Tappiban P, Ying Y N, Xu F F, Bao J S. Proteomics and post- translational modifications of starch biosynthesis-related proteins in developing seeds of rice., 2021, 22: 5901.

[30] Hannah L C, James M. The complexities of starch biosynthesis in cereal endosperms., 2008, 19: 160–165.

[31] Nakamura Y, Francisco P B, Hosaka Y, Sato A, Sawada T, Kubo A, Fujita N. Essential amino acids of starch synthase IIa differentiate amylopectin structure and starch quality betweenandrice varieties., 2005, 58: 213–227.

[32] Iqbal A, Xie H M, He L, Ahmad S, Hussain I, Raza H, Khan A, Wei S Q, Quan Z, Wu K, Ali I, Jiang L G. Partial substitution of organic nitrogen with synthetic nitrogen enhances rice yield, grain starch metabolism and related genes expression under the dual cropping system., 2021, 28: 1283–1296.

[33] 陳云, 劉昆, 張宏路, 李思宇, 張亞軍, 韋佳利, 張耗, 顧駿飛,劉立軍, 楊建昌. 機(jī)插密度和穗肥減量對(duì)優(yōu)質(zhì)食味水稻品種籽粒淀粉合成的影響作物學(xué)報(bào), 2021, 47: 1540–1550.

Chen Y, Liu K, Zhang H L, Li S Y, Zhang Y J, Wei J L, Zhang H, Gu J F, Liu L J, Yang J C. Effects of machine transplanting density and panicle nitrogen fertilizer reduction on grains starch synthesis in good taste rice cultivars., 2021, 47: 1540–1550 (in Chinese with English abstract).

[34] 張洪程, 張軍, 龔金龍, 常勇, 李敏, 高輝, 戴其根, 霍中洋, 許軻, 魏海燕. “秈改粳”的生產(chǎn)優(yōu)勢(shì)及其形成機(jī)理中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué), 2013, 46: 686–704.

Zhang H C, Zhang J, Gong J L, Chang Y, Li M, Gao H, Dai Q G, Huo Z Y, Xu K, Wei H Y. The productive advantages and formation mechanisms of “rice torice”., 2013, 46: 686–704 (in Chinese with English abstract).

[35] 佴軍, 張洪程, 陸建飛. 江蘇省水稻生產(chǎn)30年地域格局變化及影響因素分析中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué), 2012, 45: 3446–3452.

Nai J, Zhang H C, Lu J F. Regional pattern changes of rice production in thirty years and its influencing factors in Jiangsu province., 2012, 45: 3446–3452 (in Chinese with English abstract).

[36] Zhou C C, Huang Y C, Jia B Y, Wang Y, Wang Y, Xu Q, Li R F, Wang S, Dou F G. Effects of cultivar, nitrogen rate, and planting density on rice-grain quality., 2018, 8: 246.

[37] Lindeboom N, Chang P R, Tyler R T. Analytical, biochemical and physicochemical aspects of starch granule size, with emphasis on small granule starches: a review., 2004, 56: 89–99.

[38] Saleh M I, Meullenet J. Effect of protein disruption using proteolytic treatment on cooked rice texture properties., 2007, 38: 423–437.

[39] Furukawa S, Tanaka K, Masumura T, Ogihara Y, Kiyokawa Y, Wakai Y. Influence of rice proteins on eating quality of cooked rice and on aroma and flavor of sake., 2006, 83: 439–446.

[40] Kamara J S, Konishi S, Sasanuma T, Abe T. Variation in free amino acid profile among some rice (L.) cultivars., 2010, 60: 46–54.

[41] 金麗晨, 耿志明, 李金州, 王澎, 陳菲, 劉藹民. 稻米淀粉組成及分子結(jié)構(gòu)與食味品質(zhì)的關(guān)系江蘇農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào), 2011, 27: 13–18.

Jin L C, Geng Z M, Li J Z, Wang P, Chen F, Liu H M. Correlation between components and molecule structure of rice starch and eating quality., 2011, 27: 13–18 (in Chinese with English abstract).

[42] Ayabe S, Kasai M, Ohishi K, Hatae K. Textural properties and structures of starches fromandrice with similar amylose content., 2009, 15: 299–306.

[43] Vamadevan V, Bertoft E. Observations on the impact of amylopectin and amylose structure on the swelling of starch granules., 2020, 103: 105663.

[44] Li H Y, Wen Y Y, Wang J, Sun B G. The molecular structures of leached starch during rice cooking are controlled by thermodynamic effects, rather than kinetic effects., 2017, 73: 295–299.

Effects of nitrogen panicle fertilizer application on physicochemical properties and fine structure ofrice starch and its relationship with eating quality

JIANG Yan1, ZHAO Can1, CHEN Yue1, LIU Guang-Ming1, ZHAO Ling-Tian1, LIAO Ping-Qiang1, WANG Wei-Ling1, XU Ke1, LI Guo-Hui1, WU Wen-Ge2,*, and HUO Zhong-Yang1,*

1Jiangsu Key Laboratory of Crop Genetics and Physiology / Jiangsu Key Laboratory of Crop Cultivation and Physiology / Jiangsu Co-innovation Center for Modern Production Technology of Grain Crops / Yangzhou University, Yangzhou 225009, Jiangsu, China;2Rice Research Institute, Anhui Academy of Agricultural Sciences, Hefei 230001, Anhui, China

To clarify the variations of physicochemical properties and the fine structure ofrice starch under different nitrogen panicle fertilizer treatment and to explore the relationship between eating quality and starch properties and structure, three panicle fertilizer nitrogen application levels (0, 45, and 135 kg N hm–2) were set under same basal and tiller fertilizer with Nanjing 9108 and Nanjing 0212 as the materials. Starch properties and structure ofrice under different treatments were determined, and the relationship between starch characteristics and eating quality was examined. The result indicated that application of nitrogen panicle fertilizer reduced the eating value ofrice, and there was significant difference in the high nitrogen treatment. Hardness, resilience, the absolute value of stickiness and balance, and the total protein content increased as nitrogen application rate were increased, while the apparent amylose content had the opposite trend. In terms of starch properties and structure, application of nitrogen panicle fertilizer increased starch solubility and swelling power, gelatinization enthalpy, small starch granules, relative crystallinity, and infrared ratio of 1045/1022 cm–1, while decreased retrogradation enthalpy and percentage, large starch granules, starch average diameter and infrared ratio of 1022/995 cm–1, and the trend appeared obvious especially under high nitrogen treatment. In conclusion, applying nitrogen panicle fertilizer can reduce the apparent amylose content, improve the surface order of starch and the stability of crystal region, decrease the starch granules size, thereby hindering the starch swelling and gelatinization, leading to the increase of rice hardness, eventually deteriorating the eating quality. Appropriate application of nitrogen panicle fertilizer can realize the coordination of excellent quality and high yield of japonica rice.

nitrogen panicle fertilizer;rice; eating quality; physicochemical properties of starch; fine structure of starches

10.3724/SP.J.1006.2023.12083

本研究由國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(32001469), 江蘇省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(BE2020319, BE2019377, BE2021361), 國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2018YFD0300802), 國(guó)家現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)專項(xiàng)(水稻, CARS-01-28), 揚(yáng)州大學(xué)研究生科研與實(shí)踐創(chuàng)新計(jì)劃資助項(xiàng)目(KYCX21_3242)和江蘇省高校優(yōu)勢(shì)學(xué)科建設(shè)工程資助項(xiàng)目資助。

This study was supported by the National Natural Science Foundation of China (32001469), the Key Research Program of Jiangsu Province (BE2020319, BE2019377, BE2021361), the National Key Research and Development Program of China (2018YFD0300802), the China Agriculture Research System (Rice, CARS-01-28), the Postgraduate Research & Practice Innovation Program of Yangzhou University (KYCX21_3242), and the Priority Academic Program Development of Jiangsu Higher Education Institutions.

通信作者(Corresponding authors):霍中洋, E-mail: huozy69@163.com; 吳文革, E-mail: wuwenge@vip.sina.com

E-mail: mx120200671@yzu.edu.cn

2021-12-04;

2022-06-07;

2022-07-05.

URL: https://kns.cnki.net/kcms/detail/11.1809.S.20220704.1536.002.html

This is an open access article under the CC BY-NC-ND license (http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/).